In order to extend the lifetime of buildings and constructions at the macro scale it is necessary to understand the damage processes of building materials at the micro scale. In particular, durability of reinforced concrete structures is one of the most important equirements for construction planning and restoration of buildings. Therefore degradation mechanisms were reproduced on laboratory specimens.
CT (Computed Tomography) is commonly used for non-destructive microstructural defect analysis for recurring tests on concrete specimens. In this work a few examples of CT applications on cementitious materials (including cement paste, mortar and concrete specimens) will be presented.
Firstly, in order to quantify the degradation processes, specimens analysed were damaged by corrosion due to carbonation and due to chloride ingress. Particular focus has been set to the analysis of cracks.
An automated crack detection tool, developed by Zuse Institut Berlin (ZIB) and BAM in ZIBAmira, has been applied for quantitative analysis of crack parameters and 3D visualization of cracks.
Furthermore the distribution of corrosion products has been evaluated inside the cement matrix and visualized in 3D data sets.
Another important factor for the ageing stability of concrete is the interfacial transition zone (ITZ). The ITZ consists of a layer of cement paste (20 to 40 μm) over every aggregate where porosity is generally increased in comparison with the bulk. This zone could be a preferential zone for transfer of aggressive species. To visualize the ITZ, a small sample of mortar with a diameter of 10mm has been prepared and scanned using the industrial μCT setup at BAM with a spatial resolution of 5μm voxel size. In addition the extracted surface of aggregates could be used for load simulations. We finally show how CT examination of drilled samples taken from building materials in conjunction with laboratory experiments is helpful for further evaluations of damage processes in concrete.
This poster presentation gives an overview of the great potential of X-ray micro computed tomography (CT) to cast light on the evolution of the microstructure in construction materials. Prevention of damage is of major economic and social importance in the development of suitable construction materials such as concrete and asphalt. Therefore a non-destructive testing method such as CT is an appropriate tool for visualization of the inner structure. Its combination with other test methods allows understanding the damage processes such as crack propagation or corrosion. We show examples of internal structure analyses on a wide range of materials: Automatic 3D crack detection and the visualization of corrosion products inside of steel reinforced concrete, pore and shape analysis of lightweight aggregates and the visualization of deformation of high-pressure loaded aerated concrete specimens, distribution of aggregates inside concrete, and determination of the surface of porous asphalt core samples. Segmented structures serve, e.g., as input data for simulation of transport phenomena or virtual load tests.
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.
Investigation of chloride-induced pitting corrosion of steel in concrete with innovative methods
(2016)
The combination of electrochemical and 3D computed tomography (CT) investigations offers the possibility of verifying electrochemical measurements non-destructively. Determining the steel surfaces damaged by pitting corrosion allows developing specimens having damage pattern corresponding to practice. Corrosion phenomena like decoupled pitting corrosion cannot be verified by electrochemical measurements only, but with the combination of those two kinds of investigations it is possible. Another advantage is the minimization of the number of samples. The classical experimental procedure requires the destruction of samples after each damage step.This can be avoided by the use of 3D computed tomography. As long as the corrosion phenomena are completely within the examination zone shown by the 3D computed tomography, the electrochemical measurements can be calculated on an area basis to get the specific corrosion rate or polarization resistance.