Steife Faser-Bragg-Gitter-Sensoren und bewegliche Faser-Mikrodistometer (extrinsische Fabry-Perot-Interferometer-Sensoren) bieten der Baustoff-Forschung und der baubegleitenden Qualitätssicherung einzigartige Möglichkeiten, Mikroverformungen in der Zementsteinmatrix nahezu rückwirkungsfrei bereits zum Beginn der Erstarrung und ebenso nach der Erhärtung zu messen. Zuverlässige Messaussagen im Zementsteingefüge erfordern jedoch eine gezielte Dimensionierung sowie ausreichende Haftung in der Matrix. Die Arbeit beschreibt die physikalischen Grundlagen der Sensoren und definiert Dimensionierungskriterien. Der Einfluss der beton-chemischen Beanspruchung auf Festigkeit und Langzeitstabilität der eingebetteten Sensorfasern (Glas, Coating) wird untersucht. Standard-Coatings optischer Sensorfasern sind im betonchemischen Milieu nicht stabil. Alternative Coatings werden hinsichtlich ihres Langzeitverhaltens untersucht. Die Untersuchungen zeigen auch, dass das synthetische Kieselglas der optischen Fasern unter alkalischem Einfluss nicht gravierend geschädigt wird. Daher werden hochempfindliche Sensoren entweder nackt oder nach Aufbringen eines speziellen Plasmapolymer-Coatings eingebettet. Die Haftung des Sensors in der Matrix wird optimiert. Zur Bewertung wird eine Methode der Oberflächenchemie zur Charakterisierung der Benetzungseigenschaften - die modifizierte Wilhelmy-Plattenmethode - eingesetzt. Eine Verbesserung der Haftung in der Zementsteinmatrix wird erreicht durch physikalische Modifizierung der Glasoberfläche im Sauerstoffplasma und durch Aufbringung eines Haftvermittlers (Alkylsilan). Das hochvernetzte, sub-Mikrometer dicke Coating überträgt die Matrixverformung in den Sensor zuverlässig. Zur Bewertung des Dehnungsübergangs von der Matrix in den eingebetteten Fasersensor wird ein lineares Modell benutzt. Die analytische Abschätzung erlaubt eine vereinfachte Dimensionierung der Fasersensoren in Abhängigkeit vom gewählten Coating. Die Wechselwirkung zwischen Faser und Matrix infolge Verformung aus Temperaturänderung wird mittels FEM-(Finite Elemente Methode-)Rechnung untersucht. Die Haftung behandelter Fasersensoren in der Zementsteinmatrix wird experimentell durch Eindrückversuche (Indentation-Technik) bestimmt. Es werden die Grenzen der Dehnungsübertragung erkannt. Mit Hilfe eines Festigkeitsmodells aus der optischen Kommunikationstechnik wird die Lebensdauer von nackten und behandelten spannungsbeanspruchten Fasersensoren auf Basis der im Zeitstandversuch gemessenen Festigkeit abgeschätzt.Vergleichende Anfangsverformungsmessungen im Zementmörtel mit flexiblen und steifen Fasersensoren zeigen die Einsatzbereiche für beide Sensorvarianten.

Local fibre-optic strain sensors are, due to their small dimensions and high strain resolution, of interest in building materials research and in construction-accompanying quality control. Two types are used: a) Optical fibres with local zones sensitive to strain (fibre Bragg gratings); their surfaces have to be reliably bonded to the surrounding matrix; b) Reflectors located in the fibre path; such sensors can be embedded into the matrix as stiff ones or as compliant ones. The matrix deformation can be measured already in the first few minutes of the hydration reaction process. Both sensor types are fixed inside the matrix by adhesive bonding or embedment. First, the fundamentals and critera needed to design such sensor types are described. It has been experimentally found that commonly used standard-coatings for optical fibres embedded in cementitious matrices are damaged due to chemical attacks. On the other hand, it could be proven experimentally, that the highly pure silicate optical glass fibres will not significantly be damaged by a chemical attack. It follows from these experimental results that sensor fibres can be embedded in fresh cement matrices without coating or with just a very thin coating. In order to obtain the necessary bond strength between the sensor and the surrounding matrix, the adhesion between the sensor surface and the matrix has to be optimized. This has been investigated using classical methods of surface-chemistry (characterization of wettability behavior, modification in oxygen plasma) and/or chemical treatment of the fibre surface with alkylsilanes. In order to improve the strength of chemically attacked sensor fibres to be embedded in cement matrices, a high-modulus durable polymeric coating has been developed. This highly cross-linked coating with a thickness less than 1 Micrometer is directly polymerized onto the fibre surface in a gas plasma. This coating provides a reliable strain transfer from matrix to the sensor. In order to estimate the critical adhesion length of coated sensor fibres embedded in the matrix, a mathematical model of strain transfer has been adapted from the description of micro-mechanics in the boundary zone. The model provides a quite easy design of fibre sensors to be embedded. Furthermore, the temperature-influenced bonding behavior of a single sensor fibre/matrix composite has been investigated. The analytical calculations could be confirmed by FEM (Finite Element Method) calculations. Theoretical considerations concerning the sensor design are referenced by experimental investigations. The limits of strain transfer for matrix-embedded fibre sensors are measured by indentation technique. The measured values of the ultimate bonding shear strength, the axial strength of sensor fibres under alkaline environment has been estimated in static and dynamic fatigue tests. Based on an adapted fatigue model, the life time of chemically attacked sensor fibres can be estimated. More strength data are still needed for a reliable, statistically validated estimation of the life time. This has to be carried out in the future. Finally, comparing measurements with compliant and stiff fibre sensors embedded in Portland cement mortar samples have been carried out to define the optimum work range of the two sensor types. It has been found out, that embedded fibre-optic micro-strain sensors cannot be referenced by usually used standard measurement methods. This task has to be clarified in future measurements.