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In diesem Vortrag werden hochauflösende analytische Methoden für die Untersuchungen von zementgebundenen Baustoffen vorgestellt. Zum einen werden frühe Hydratationsprozesse in situ und mit hoher Zeitauflösung untersucht und die Einflüsse von polymeren Fließmittel und Stabilisierer auf die Erstarrungsverzögerung beobachtet. Zum anderen werden Phasenübergänge unter schädigenden Angriffen im Gefügeprofil auf µm-Skala verfolgt. Die Möglichkeit die Auswirkungen der niedrigen realen Konzentrationen von schädigenden Agenten zu identifizieren stellt ein großes Potential für die Schädigungsanalyse unter realen Bedingungen dar. Insgesamt haben die vorgestelletn analytischen Techniken ein großes Potential für die Analyse der Phasenentwicklung in zementgebundenen Baustoffen.
Zerstörungsfreie Feuchtemessung an Estrichen - ein multi-sensorischer Ansatz mit Methodenvergleich
(2015)
Feuchte und Salz können die Mikrostruktur poröser Baustoffe maßgeblich verändern, oft sind sie die Ursache von sowohl chemischen als auch mechanischen Schädigungen und Korrosion. Im speziellen Fall von Fußbodenestrichen ist gerade die Frage nach der Belegreife für Fußbodenleger von immer wiederkehrender Bedeutung. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den Vor- und Nachteilen verschiedener zerstörungsfreier, feuchtesensitiver Messmethoden und vergleicht die Ergebnisse mit denen der baustellenüblichen zerstörenden Tests. Kapazitive Methoden und Bodenradar scheinen am erfolgversprechensten im Bezug auf flächige Feuchtemessungen, aber auch sie eignen sich derzeit noch nicht als eigenständige, sofort ersetzbare Absolutmessgeräte, sondern eher als schnelle Relativverfahren fürs Monitoring.
Zusammenfassung Bei Hochleistungsbetonen werden trotz der für Normalbetone üblichen Nachbehandlung häufig Schäden im jungen Alter in Form einer Mikrorissbildung beobachtet. Diese Mikrorisse, die insbesondere bei Zugabe von Mikrosilica auftreten, sind größtenteils auf das autogene Schwinden der Bindemittelmatrix zurückzuführen. Die autogenen Verformungen der Bindemittelmatrix eines Betons werden durch eine Vielzahl von Materialparametern beeinflusst und sind eng mit der Hydratation und der daraus resultierenden Selbstaustrocknung, aber auch mit den sich insbesondere im jungen Alter stark verändernden Gefügeeigenschaften verknüpft. Die Aussagekraft einfacher, auf empirischen Untersuchungen basierender Stoffmodelle, die ein "autogenes Schwindmaß" vorhersagen sollen, ist jedoch begrenzt, da sie die Komplexität der hydratationsbedingten Vorgänge bei Hochleistungsbetonen im jungen Alter nur unzureichend abbilden. Für die Erweiterung des Kenntnisstands wurden in dieser Arbeit deshalb der Einfluss der Bestandteile und der Zusammensetzung der Bindemittelmatrix von Hochleistungsbetonen auf ihr autogenes Verformungsverhalten systematisch untersucht und kausale Zusammenhänge aufgezeigt. Hierfür wurden die gemessenen autogenen Verformungen sowohl mit der Hydratation als auch mit der sich entwickelnden Porenstruktur und den mechanischen Ei genschaften in Beziehung gesetzt. Die Zementhydratation und die Reaktionen der Zusatzstoffe wurden mit der isothermen Wärmeflusskalorimetrie und der Thermogravimetrie verfolgt. Die Untersuchung der Porenstruktur erfolgte mit der Quecksilberdruckporosimetrie. Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften wurden statischer EModul sowie Druck und Biegezugfestigkeit bestimmt. Der Einfluss der in dieser Arbeit verwendeten organischen Zusatzmittel auf die Oberflächenspannung wässriger Lösungen wurde mit der Tensiometrie untersucht. Mit dem gewählten Verfahren für die Verformungsmessung war es möglich, die Verformungen bereits kurze Zeit nach Herstellung der Bindemittelleime zu erfassen. Die Messergebnisse enthielten deshalb auch plastische Verformungen, die vor der Erstarrung der Bindemittelleime auftraten und keinen Einfluss auf die Entwicklung von Zwangsspannungen haben. Zur Unterscheidung zwischen plastischen Verformungen und Verformungen, die nach der Erstarrung bei entsprechender Behinderung Zwangsspannungen induzieren, wurde der Zeitpunkt t 0 ermittelt, ab dem Spannungen in der Matrix übertragen werden können. Hierfür wurde eine Methode entwickelt, mit der t 0 durch Analyse der gemessenen autogenen Verformungen bestimmt werden kann. Für die Abschätzung der Kapillarspannungen, die als Hauptursache des autogenen Schwindens gelten, wurden die sich bei der Selbstaustrocknung in den Kapillarporen einstellenden Meniskusradien der Porenlösung ermittelt. Hierfür wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem der Meniskusradius, als Radius der größten noch mit Flüssigkeit gefüllten Poren, mit Hilfe der experimentell ermittelten Porenradienverteilungen und der kapillaren Sättigung bestimmt wird. Hierfür wurde ein Modell gebildet, mit dem die kapillare Sättigung, die die Selbstaustrocknung des kapillaren Porenraums beschreibt, als Funktion des Hydratationsgrades berechnet wird. Es konnte damit gezeigt werden, dass das beobachtete autogene Schwindverhalten zumindest nach dem für Bindemittelleime mit niedrigen w/b Werten typischen starken Anfangsschwinden mit der Selbstaustrocknung und den dadurch zu erwartenden Kapillarspannungen korreliert.
Der Einfluß der Mischungszusammensetzungen auf das frühe autogene Schwinden der Bindemittelmatrix von Hochleistungsbetonen wurde durch Korrelation mit der Hydratationskinetik untersucht. Durch die Analyse der Verformungsgeschwindigkeiten konnte eine Unterscheidung zwischen plastischen und spannungsinduzierenden Verformungen vorgenommen werden.
Vom Baustoff zum sicheren Bauwerk: Einsatz der Schallemissionsanalyse in der Bauabteilung der BAM
(2013)
Seit 2006 wird die Schallemissionsanalyse (SEA) in der Abteilung 7 Bauwerkssicherheit der BAM genutzt, um Gefügeveränderungen in Betonen zu untersuchen. Dabei haben sich bis heute im Wesentlichen folgende vier Forschungsbereiche herauskristallisiert:
Hydratation
Während der Hydratation von Beton ist eine ausgeprägte Schallemissionsaktivität zu beobachten, anhand derer der Hydratationsverlauf nachvollzogen werden kann. Zur Aufklärung der Quellmechanismen der Schallemissionen besteht noch weiterer Forschungsbedarf. Des Weiteren kann mit Hilfe der SEA die frühe Rissbildung in Betonen, hervorgerufen durch autogenes oder plastisches Schwinden, analysiert werden.
Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)
Bei der AKR handelt es sich um eine Reaktion alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen mit den Alkalien des Betons bzw. mit extern, z.B. durch Tausalze, zugeführten Alkalien. Dabei werden um die oder in der Gesteinskörnung quellfähige Gele gebildet, die zu einer völligen Zerstörung des Gefüges führen können. Mit der SEA können die Rissbildung detektiert und somit die Schädigungsphasen im Verlauf der AKR identifiziert werden.
Brandverhalten
Unter Brandeinwirkung platzt die Oberfläche gefügedichter Hochleistungsbetone explosionsartig ab. Um dies zu verhindern und somit den Feuerwiderstand von Bau-teilen aus Hochleistungsbeton zu erhöhen, werden dem Beton Polypropylenfasern beigemischt. Das Schmelzen der Fasern bei einer Temperaturerhöhung trägt zu einer erhöhten Mikrorissbildung bei, die einen Spannungsabbau ermöglicht. Die SEA konnte erfolgreich eingesetzt werden, um diesen Wirkmechanismus der Fasern nachzuweisen und weiter aufzuklären.
Ermüdungsverhalten
Durch die hohen zyklischen Lasten, für die Türme und Fundamente von Windkraft-anlagen ausgelegt werden müssen, gewinnen gesicherte Kenntnisse über das Ermüdungsverhalten von Betonen an Bedeutung. Mit der SEA ist es bei hochzyklischen Belastungsversuchen an Betonen möglich, den Schädigungsgrad im Verlauf der Beanspruchung zu bestimmen. Die Schallemissionsaktivität eignet sich als Kriterium, um die Versuche bei vorab definierten Schädigungsgraden zu unterbrechen und so Proben für weitergehende Untersuchungen zu gewinnen. Diese Ergebnisse sollen perspektivisch für Überwachungssysteme für Betonbauwerke unter zyklischer Beanspruchung genutzt werden.