Synthesis of new optical sensors for determination of pH and chloride ions in reinforced concrete

Makedonski, Pavel Borisov

Die Korrosion des Baustahls im Beton ist eine der Hauptursache von Schäden an Bauwerken. Es handelt sich um einen elektrochemischen Prozess, der zwei Mechanismen haben kann –säure- und chloridinduzierte Korrosion. Optische Sensoren für eine zerstörungsfreie Überwachung von Betonbauwerken sind entwickelt worden. Die Sensoren werden in Betonstrukturen eingebettet und das Signal wird über optische Fasern geführt. pH–Indikatoren auf Basis von Azofarbstoffen für die Überwachung des Säurenangriffs sind synthetisiert worden. Dabei ist zum ersten Mal eine Aldehydfunktion als reaktive Gruppe angewendet worden. Die Farbstoffe sind an poly(Vinylalkohol co Ethylen) durch eine Acetalbrücke kovalent gebunden worden, um die Langzeitstabilität des Sensors zu sichern. Die Farbänderung der pH-Indikatoren verläuft im Intervall 11 bis 13 und kann den Säurenangriff in einer frühen Phase detektieren. Die Antwortzeit dieser Sensoren beträgt einige Sekunden. Die optische Bestimmung von Chloridionen im alkalischen Milieu ist erforscht worden. Benzimidazolotrimethine Farbstoffe zeigen eine starke Tendenz zur Bildung von J-Aggregaten unter Einfluss von Chloridionen im pH-Bereich von 10 bis 13. Ein geeignetes Polymer - poly(Vinylalkohol co Vinylbutyral) - ist entwickelt worden. Der Farbstoff ist in der Polymermatrix als Host-Guest System gebunden. Dieses Sensormaterial ermöglicht eine genaue Bestimmung der Chloridionenkonzentration und zeigt eine ausgezeichnete Selektivität im Gegenwart zu anderen Anionen, die typisch sind in Betonstrukturen. Unseres Wissens nach ist das der erste optische Sensor, der die Detektion von Chloridionen im alkalischen Milieu ermöglicht.

Corrosion of reinforcement steel of concrete is one of the main causes of deteriorations of structures. Principally, it is an electrochemical process, which can be divided by two mechanisms – acidic and chloride initiated corrosion. Optical sensoric materials were prepared, which allow a non-destructive monitoring of these processes. The sensors are embedded into concrete structures and the signal is transported through optical fibres. pH–indicator azo dyes have been synthesised for monitoring of acidic attack. An aldehyde group has been used as dye–reactive functionality for the first time. The dyes have been covalent bound to poly(vinyl alcohol co ethylen) by acetal spacer bridge to assure long–term stability of the sensor. The colour change of such prepared pH–indicator materials occurs in the pH interval of 11 to 13 and allows to predict the acidic attack in an early stage. The response time of these sensors is in the range of seconds. The optical detection of chloride ions in alkaline media has been investigated. Benzimidazolotrimethine dyes tend to form J–aggregates under influence of chloride ion concentration in pH of 10 to 13. A suitable polymer has been developed – poly(vinyl alcohol co vinyl butyral), in which the dye is dissolved as host–guest system. Such prepared sensor material allows a precise determination of chloride concentration and shows an excellent selectivity against other anions, which are typical in the presence of concrete structures. To the best of our knowledge it is the first optical sensors for determination of chloride in alkaline media.

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Makedonski, Pavel Borisov: Synthesis of new optical sensors for determination of pH and chloride ions in reinforced concrete. 2004.

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