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In der BAM wurde als Gemeinschaftsvorhaben der Fachgruppe „Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren“ ein rechnergesteuerter Messabtaster für Bauwerksteile (Baustellenscanner) entwickelt. Es handelt sich um ein auf Schienen verfahrbares modulares System mit einem multifunktionalen Messkopf für mehrere zerstörungsfreie Prüfverfahren. Mit dem Baustellenscanner können Objekte wie Brücken oder Fundamentplatten schneller und genauer als bisher bei gleichzeitig reduziertem Personalaufwand untersucht werden.
Die Bauwerke der Bundesfernstraßen (Brücken, Tunnel, Lärmschutzwände) sind gemäß DIN 1076 regelmäßig zu überprüfen. Bei der alle sechs Jahre stattfindenden Hauptprüfung sind diese Bauwerke handnah zu untersuchen und die Schäden nach Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit zu bewerten.
Allerdings lassen sich versteckte Schäden beziehungsweise Ursachen von sichtbaren Schäden nicht immer erkennen. Aus diesem Grund sind in den vergangenen Jahren verstärkt Anstrengungen auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) im Bauwesen unternommen worden. Hierbei haben die Verfahren Radar, Impact-Echo und Ultraschall ihre prinzipielle Einsatzfähigkeit zur Schadenserkundung beziehungsweise -bewertung bewiesen. Allerdings haben die einzelnen Verfahren ihre bestimmten Einsatzgrenzen beziehungsweise Randbedingungen, die zu beachten sind. Zudem ist der Einsatz dieser Verfahren zur Untersuchung größerer Flächen sehr zeit- und personalintensiv und erzeugt zurzeit noch nicht unerhebliche Kosten. Aus diesem Grund hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung einen Baustellenscanner entwickelt, der es ermöglicht, automatisiert eine größere Fläche eines Bauwerks mit den oben genannten Verfahren der ZfP zu untersuchen.
Zur Untersuchung eines Bauwerks vor Ort wurde die Fuldatalbrücke Eichenzell gewählt, die im Zuge des Ausbaus der Bundesstraße zur Autobahn A 66 abzureißen war. Mit Unterstützung der Hessischen Straßenbauverwaltung und hierbei speziell des ASV Fulda wurden Untersuchungen mit Radar, Impact-Echo und Ultraschall an der Fahrbahnplatte von oben beziehungsweise von unten sowie an der Innenseite des Hohlkastensteges durchgeführt.
Der Baustellenscanner und die einzelnen Verfahren konnten praxisnah erprobt und ihre Eignung nachgewiesen werden. Ein großer Vorteil der automatisierten Untersuchung eines Bauwerkes mit verschiedenen Verfahren liegt darin, dass die Messung bei den einzelnen Verfahren auf den gleichen Messpunkten erfolgt und somit eine Datenüberlagerung möglich ist. Mit Hilfe spezieller Auswerte- beziehungsweise Überlagerungssoftware konnte eine Datenfusion erreicht werden, die die Vorteile der einzelnen Verfahren zur besseren Untersuchung des Bauwerkes nutzen konnte.
Hydraulische Bindemittel
(2008)
Am Ende des 19. und zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden auch in Berlin vermehrt Bauwerke mit einer Fassadenverblendung aus Eifeler Tuffsteinen errichtet. Die Eifeler Tuffsteine zeichnen sich aufgrund ihrer hohen Porosität einerseits durch eine gute Verarbeitbarkeit aus. Andererseits sind sie nur schwach gebunden und besitzen deshalb eine geringe Verwitterungsbeständigkeit.
Im Gegensatz zur Druckfestigkeit weisen zementgebundene Werkstoffe i. a. nur geringe Zugfestigkeiten auf. Ein Weg, Zugfestigkeiten zementgebundener Werkstoffe zu erhöhen und Rissbildung aufgrund von Zugspannungen zu verringern, besteht in der Einarbeitung von Fasern, die diese Spannungen aufnehmen. Häufig eingesetzt werden Stahlfasern, obwohl synthetische Polymerfasern leichter und meist beständiger gegenüber chemischen Angriffen und Korrosion sind. Die Polymerfasern zeigen allerdings meist einen deutlich schwächeren Haftverbund, was an der hydrophoben Faseroberfläche liegt. Um nun eine Anbindung der Fasern an die mineralische Matrix zu erreichen, müssen die Faseroberflächen modifiziert werden, ohne dass die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Eine Herausforderung besteht somit in einer Oberflächenmodifikation durch eine schonende Behandlung der Fasern zur Erzeugung von anbindungsfähigen Gruppen.
Durch eine Behandlung von modifizierten Fasern mit geeigneten Polymerlösungen werden die Oberflächeneigenschaften verändert und erlauben eine Anbindung an die Zementsteinmatrix. Der Einsatz von Tensiden als grenzflächenaktive Verbindungen ermöglicht in diesem Zusammenhang eine Vermittlung zwischen Polymeroberflächen und mineralischen Werkstoffen.
Die Probenpräparation ist ein Teil im Prozess der Baustoffuntersuchung und muss dementsprechend sorgfältig geplant werden. Die Probenpräparation ist letztendlich der Grundstein für alle folgenden Untersuchungen, somit wirken sich alle hier getroffenen Entscheidungen direkt auf die Qualität der Ergebnisse aus.
Im Gegensatz zur Druckfestigkeit weisen zementgebundene Werkstoffe i. a. nur geringe Zugfestigkeiten auf. Ein Weg, Zugfestigkeiten zementgebundener Werkstoffe zu erhöhen und Rissbildung aufgrund von Zugspannungen zu verringern, besteht in der Einarbeitung von Fasern, die diese Spannungen aufnehmen. Häufig eingesetzt werden Stahlfasern, obwohl synthetische Polymerfasern leichter und meist beständiger gegenüber chemischen Angriffen und Korrosion sind. Die Polymerfasern zeigen allerdings meist einen deutlich schwächeren Haftverbund, was an der hydrophoben Faseroberfläche liegt. Um nun eine Anbindung der Fasern an die mineralische Matrix zu erreichen, müssen die Faseroberflächen modifiziert werden, ohne dass die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflusst werden. Eine Herausforderung besteht somit in einer Oberflächenmodifikation durch eine schonende Behandlung der Fasern zur Erzeugung von anbindungsfähigen Gruppen. Durch eine Behandlung von modifizierten Fasern mit geeigneten Polymerlösungen werden die Oberflächeneigenschaften verändert und erlauben eine Anbindung an die Zementsteinmatrix. Der Einsatz von Tensiden als grenzflächenaktive Verbindungen ermöglicht in diesem Zusammenhang eine Vermittlung zwischen Polymeroberflächen und mineralischen Werkstoffen.
Die geringe Zugfestigkeit von zementgebundenen Materialien kann durch die Zugabe von Fasern maßgeblich verbessert werden. Ziel eines gemeinsamen Verbundprojekts mit einem Industriepartner war die Erhöhung der Leistungsfähigkeit von kurzen Polymer- und Carbonfasern durch eine Verbesserung des Verbundes zwischen Faseroberfläche und Zementsteinmatrix.
Von der IONYS AG wurde dazu eine spezielle Funktionalisierung entwickelt, die über eine Hydrophilisierung der Faseroberfläche eine chemische Anbindung an die Zementsteinmatrix gewährleistet. Aufgabe der BAM war es, die Effizienz der neuen Beschichtung bezüglich der Erhöhung der Nachrissbiegezugfestigkeit und der Reduzierung der Schwindrissbildung während der Erhärtungsphase zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Funktionalisierung die Neigung zur Schwindrissbildung für die Carbonfasern und in noch stärkerem Maße für die Polymerfasern reduziert.
Eine Erhöhung der Nachrissbiegezugfestigkeit konnte dagegen nur für die deutlich steiferen Carbonfasern nachgewiesen werden.
Das Ziel des Forschungsvorhabens „Zerstörungsfreie Ortung von Gefügestörungen in Betonbodenplatten“ bestand in der Entwicklung eines Untersuchungskonzepts zur sicheren Ortung und Erfassung von Gefügestörungen in einseitig zugänglichen Betonplatten durch den kombinierten Einsatz verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren. Hierfür wurde die Leistungsfähigkeit der folgenden Messverfahren hinsichtlich ihrer Aussageschärfe, Anwendungsgrenzen und Messgeschwindigkeit bei praxisnahen Randbedingungen untersucht:
- Impakt-Echo, manuelle Impaktauslösung
- Impakt-Echo, automatisierte Impaktauslösung
- Ultraschall-Echo mit multistatischem Array
- Impuls-Thermografie
- Radar
Als Versuchskörper dienten sechs liegend hergestellte Betonplatten der Abmessungen 200/200/30 cm aus zwei verschiedenen Betongüten und mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt (Bewehrungsgrade 0 %, 0 ,9 %, 2 ,6 %), von denen vier Platten auf trockenem und zwei Platten auf ständig nass gehaltenem Sand gelagert waren. Alle sechs Platten enthielten jeweils dieselben künstlich eingebrachten Fehlstellen: vier quadratische Kiesnester in unterschiedlicher Tiefe mit Kantenlängen zwischen 10 und 15 cm sowie drei oberflächennahe Hohlstellen (Ø 4/6/8 cm). Zur Erfassung eines möglichen Einflusses des Betonalters wurden die Messungen 4 Tage, 28 Tage sowie 180 Tage nach Herstellung der Platten durchgeführt.
Um aus den Untersuchungen einen breiten Nutzen für die Praxis zu erzielen, basierten die eingesetzten Messverfahren auf handelsüblichen Geräten, welche jedoch bezüglich ihres Messprinzips und insbesondere der Datenerfassung und -auswertung weiterentwickelt wurden. Die Fehlstellengröße wurde bewusst klein gewählt.
Mit Ausnahme des manuellen Impakt-Echo-Verfahrens, mit welchem unter Verwendung der Originalsoftware des Herstellers keine Fehlstellen nachweisbar waren, zeigten sich alle Messverfahren geeignet, unter verschiedenen Randbedingungen Gefügestörungen zu lokalisieren. Insgesamt wurde jeder Fehlstellentyp von zumindest einem Verfahren bei mindestens zwei Versuchskörpern detektiert. Es konnten jedoch an keiner Betonplatte mit einem einzelnen Messverfahren alle vorhandenen Fehlstellen an allen Messterminen geortet werden.
Am häufigsten wurden die beiden großen oberflächennahen Fehlstellen (Hohlstelle Ø 8 cm, Kiesnest 10 cm) erkannt. Am schwersten zu lokalisieren waren die kleine Hohlstelle mit 4 cm Durchmesser sowie die beiden auf der Unterseite gelegenen Kiesnester.
Die Untersuchungen zeigen, dass für eine erfolgreiche Anwendung zerstörungsfreier Messverfahren in der Praxis die Auswahl des am besten geeigneten Verfahrens bzw. einer Kombination verschiedener Verfahren jeweils auf die vorliegende Problemstellung abgestimmt sein muss.
Für Betonbodenplatten mit hohem Feuchtegehalt (junger Beton) oder starker Bewehrung ist entweder das Ultraschall- oder das Impakt-Echo-Verfahren geeignet. Das Ultraschall-Verfahren wird von hohen Bewehrungsgehalten zwar stärker beeinflusst als das Impakt-Echo-Verfahren, besitzt aber eine bessere Auflösung und ermöglicht auch im oberflächennahen Bereich eine quantitative Bestimmung der Fehlstellentiefe. Das Impakt-Echo-Verfahren kann wegen der niederfrequenten Impulsanregung Fehlstellen erst in größeren Tiefen und mit schlechterer Auflösung nachweisen, ist aber ideal geeignet zur Bestimmung der Plattendicke aufgrund seines signifikanten Rückwandechos. Sowohl das Radar-Verfahren als auch die Impuls-Thermografie können bei hohen Feuchte- und Bewehrungsgehalten nur sehr oberflächennah eingesetzt werden.
Bei trockenem Beton und geringen bis mittleren Bewehrungsgehalten liefert das Radar-Verfahren sehr gute Ergebnisse. In kurzer Zeit ermöglicht es eine flächendeckende Ortung der Tiefenlage und Größe von Inhomogenitäten bei guter Auflösungsgenauigkeit. Vorhandene Bewehrung wird deutlich abgebildet, kann aber darunterliegende Fehlstellen verschatten. Alternativ kann die Impuls-Thermografie für die Ortung oberflächennaher Gefügestörungen eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere bei Oberflächen, die nicht direkt zugänglich sind, da zwischen Infrarotkamera und Messobjekt nur Sichtkontakt bestehen muss.
Die Betongüte hatte bei keinem eingesetzten Verfahren einen erkennbaren Einfluss auf die Messergebnisse. Streng genommen ist dies jedoch nur für den Einfluss des Wasserzementwertes, der Zementart und des Zementgehalts bei gleichbleibender Sieblinie und gleicher Kornart gültig. Bei Verwendung von Leichtzuschlag sind abweichende Ergebnisse denkbar.
ZfPBau-Kompendium 2004
(2007)
Dieses Kompendium ist ein kurzgefasster Abriss, ein Leitfaden und auch ein Handbuch der für den Einsatz im Bauwesen geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahren. In strenger, stets gleicher Gliederung wird jede der mehr als 100 Untersuchungsmethoden in einem eigenen Geräteblatt beschrieben. Hinzu kommen Querverweise zu alternativen Prüfmethoden sowie zahlreiche Hinweise auf einschlägige Fachliteratur und zu bekannt gewordenen Geräteherstellern, Lieferanten und Dienstleistern.