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Auswirkungen von Ermüdungsbeanspruchungen auf Struktur und Eigenschaften von Fahrbahndeckenbeton
(2015)
Ausgehend von der Zielsetzung der DFG-Forschergruppe 1498, die Einflüsse auf den AKR-Schädigungsprozess in Fahrbahndecken aus Beton grundlegend zu klären, sind zwei aufeinander aufbauende Untersuchungsschwerpunkte Gegenstand dieses Beitrags. Im ersten Schwerpunkt wurden die prüftechnischen Voraussetzungen für die Charakterisierung der Degradation und damit der Rissbildung im Fahrbahndeckenbeton durch die Vorschädigung infolge von Ermüdungsbeanspruchungen geschaffen. Realisiert wurde dies durch die Implementierung und Optimierung eines Monitoringsystems im zyklischen 4-Punkt-Biegeversuch zur simultanen Erfassung der Rissbildung im großformatigen Schwingbalken. Zusätzlich wurde die Röntgen-3D-Computertomografie für die hochauflösende räumliche quantitative Rissanalyse in den Bohrkernen aus den Schwingbalken ohne und mit Vorschädigung weiterentwickelt. Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wurde mittels vielfältiger Experimente an kleinformatigen Probekörpern aus dem Schwingbalken gezeigt, dass durch die Ermüdungsbeanspruchung die bruchmechanischen Materialkennwerte des Betons zum Teil eine signifikante Veränderung erfahren. Based on the objective of the DFG (German research foundation) funded research group 1498 to clarify the influences on the ASR damage process, this paper deals with two focuses of investigation. In the first focus the technical requirements for the characterisation concerning the degradation and the formation of cracks in concrete pavements by the pre-damage as a result of fatigue loading were created. This was realized by the implementation and the optimisation of a monitoring system in the cyclic four point bending test to capture simultaneously the formation of cracks in the beam under sinusoidal bending load. In addition, the X-ray 3D-computed tomography was enhanced for the high-resolution quantitative spatial crack analysis in the drilling cores extracted of the beam under sinusoidal bending load without and with a pre-damage. Building on the first focus, in the second focus of investigation a significant change of the fracture-mechanical properties of the concrete as a result of fatigue loading has been demonstrated in numerous experiments using small specimens extracted from the beam under sinusoidal bending load.
During the last decades, X-ray (micro-)computed tomography has gained increasing attention for the description of porous skeletal and shell structures of various organism groups. However, their quantitative analysis is often hampered by the difficulty to discriminate cavities and pores within the object from the surrounding region. Herein, we test the ambient occlusion (AO) algorithm and newly implemented optimisations for the segmentation of cavities (implemented in the software Amira). The segmentation accuracy is evaluated as a function of (i) changes in the ray length input variable, and (ii) the usage of AO (scalar) field and other AO-derived (scalar) fields. The results clearly indicate that the AO field itself outperforms all other AO-derived fields in terms of segmentation accuracy and robustness against variations in the ray length input variable. The newly implemented optimisations improved the AO field-based segmentation only slightly, while the segmentations based on the AOderived fields improved considerably.
Additionally, we evaluated the potential of the AO field and AO-derived fields for the separation and classification of cavities as well as skeletal structures by comparing them with commonly used distance-map-based segmentations. For this, we tested the zooid separation within a bryozoan colony, the stereom classification of an ophiuroid tooth, the separation of bioerosion traces within a marble block and the calice (central cavity)-pore separation within a dendrophyllid coral. The obtained results clearly indicate that the ideal input field depends on the three-dimensional morphology of the object of interest. The segmentations based on the AO-derived fields often provided cavity separations and skeleton classifications that were superior to or impossible to obtain with commonly used distance-map-based segmentations. The combined usage of various AO-derived fields by supervised or unsupervised segmentation algorithms might provide a promising target for future research to further improve the results for this kind of high-end data segmentation and classification. Furthermore, the application of the developed segmentation algorithm is not restricted to X-ray (micro-)computed tomographic data but may potentially be useful for the segmentation of 3D volume data from other sources.
The effects of refraction (phase-contrast) are normally considered as disturbances in high-resolution μCT-measurements. We show that in the case of small objects with low absorption a single-distance phase-retrieval algorithm not only reduces the edge enhancement, but also raises the signal-to-noise ratio sufficiently to allow dimensional measurements. This is exemplified at an optical element for optical fibre connectors.
Methode und Prüfkörper zum Nachweis von Gussdefekten in Aluminiumbauteilen mit Computertomographie
(2009)
We present a modified aluminium casting which is especially suited as test piece for measuring casting defects and the geometry by means of cone-beam micro-focus X-ray systems, and which may become a reference standard for dimensional measurements and defect detection.
To obtain a test piece with inner geometries measured by tactile means, we divided a small aluminium cylinder head into four pieces in such a way that most inner surfaces can be reached with a tactile probe. Reference geometries (spheres and cylinders) were applied to define a coordinate system for aligning the measurements in the disassembled and re-assembled state. The four pieces were re-assembled after the tactile measurement.
The test piece also contains casting defects. In order to be able to use the assembled cylinder head as reference sample for defect detection, measurements with higher spatial resolution and better signal-to-noise ratio were performed on the single parts. For improving the reliability of the reference measurements, CT measurements of each part were carried out in three different orientations, and the individual defect detections were combined to obtain a reference data set with a high probability of defect detection and a low rate of erroneous detections.
A new method for comparing the defect detection in a CT measurement to a reference data set is demonstrated, which provides individual information on every detected flaw.
We discuss the results of measurements in the assembled state with respect to the reference data for flaw detection.
Computertomographische Aufnahmen von Objekten mit stark
voneinander abweichenden Absorptionseigenschaften stellen sowohl für den
Anwendungsbereich der zerstörungsfreien Prüfung als auch für den der
dimensionellen Messtechnik eine besondere Herausforderung dar. Die
Aufnahmekonfiguration kann bei Objekten dieser Art häufig nicht so gewählt
werden, dass die unterschiedlichen Materialeigenschaften mit ausreichender Qualität
abgebildet werden können. Aus diesem Grund ist eine objektive Bewertung der
Oberflächenmessung mit Hilfe eines in dieser Untersuchung eingeführten
Qualitätsmaßes erforderlich. Anhand der in dieser Arbeit vorgestellten
Prüfkörperserie soll der Einfluss der Materialzusammensetzung auf das
dimensionelle Messen mit CT erfasst und charakterisiert werden. Unter
Berücksichtigung der Qualitätsbewertung der Oberflächenpunkte erfolgt die
Berechnung der Form- und Abstandsabweichungen. Ziel ist es, die Genauigkeit der
Oberflächenmessung hinsichtlich unterschiedlicher Aufnahmeparameter und
Materialzusammensetzungen darzustellen. Anhand dieser Ergebnisse ist es möglich,
den computertomographischen Aufnahme- und Auswertungsprozess quantitativ zu
bewerten und Ursachen der Abweichungen zu diskutieren.
In civil engineering, the corrosion of steel reinforcements in structural elements of concrete bares a risk of stability-reduction, mainly caused by the exposure to chlorides. 3D computed tomography (CT) reveals the inner structure of concrete and allows one to investigate the corrosion with non-destructive testing methods. To carry out such investigations, specimens with a large artificial crack and an embedded steel rebar have been manufactured. 3D CT images of those specimens were acquired in the original state. Subsequently three cycles of electrochemical pre-damaging together with CT imaging were applied. These time series have been evaluated by means of image processing algorithms to segment and quantify the corrosion products. Visualization of the results supports the understanding of how corrosion propagates into cracks and pores. Furthermore, pitting of structural elements can be seen without dismantling. In this work, several image processing and visualization techniques are presented that have turned out to be particularly effective for the visualization and segmentation of corrosion products. Their combination to a workflow for corrosion analysis is the main contribution of this work.
Durch die Alkalität des Betons wird Betonstahl dauerhaft vor Korrosion geschützt. Infolge von Chlorideintrag kann dieser Schutz nicht länger aufrechterhalten werden und führt zu Lochkorrosion. Die zerstörungsfreie Prüfung von Stahlbetonproben mit 3D-CT bietet die Möglichkeit, eine Probe mehrfach gezielt vorzuschädigen und den Korrosionsfortschritt zu untersuchen. Zur Quanti-fizierung des Schädigungsgrades müssen die bei dieser Untersuchung anfallenden großen Bilddaten mit Bildverarbeitungsmethoden ausgewertet werden. Ein wesent-licher Schritt dabei ist die Segmentierung der Bilddaten, bei der zwischen Kor-rosionsprodukt (Rost), Betonstahl (BSt), Beton, Rissen, Poren und Umgebung unterschieden werden muss. Diese Segmentierung bildet die Grundlage für sta-tistische Untersuchungen des Schädigungsfortschritts. Hierbei sind die Änderung der BSt-Geometrie, die Zunahme von Korrosionsprodukten und deren Veränderung über die Zeit sowie ihrer räumlichen Verteilung in der Probe von Interesse. Auf-grund der Größe der CT-Bilddaten ist eine manuelle Segmentierung nicht durch-führbar, so dass automatische Verfahren unabdingbar sind. Dabei ist insbesondere die Segmentierung der Korrosionsprodukte in den Bilddaten ein schwieriges Problem. Allein aufgrund der Grauwerte ist eine Zuordnung nahezu unmöglich, denn die Grauwerte von Beton und Korrosionsprodukt unterscheiden sich kaum. Eine formbasierte Suche ist nicht offensichtlich, da die Korrosionsprodukte in Beton diffuse Formen haben.
Allerdings lässt sich Vorwissen über die Ausbreitung der Korrosionsprodukte nutzen. Sie bilden sich in räumlicher Nähe des BSt (in Bereichen vorheriger Volumenabnahme des BSt), entlang von Rissen sowie in Porenräumen, die direkt am BSt und in dessen Nahbereich liegen. Davon ausgehend wird vor der Korrosionsprodukterkennung zunächst eine BSt-Volumen-, Riss- und Porenerken-nung durchgeführt. Dieser in der Arbeit näher beschriebene Schritt erlaubt es, halb-automatisch Startpunkte (Seed Points) für die Korrosionsprodukterkennung zu finden. Weiterhin werden verschiedene in der Bildverarbeitung bekannte Algorithmen auf ihre Eignung untersucht werden.