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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.
Vielleicht nannten es die Berliner „Puppen putzen“, wenn in den 1880er Jahren die Marmorstatuen auf der Schlossbrücke vor dem Berliner Stadtschloss mit Bürste, Wasser und Seife von Staub, Ruß und Taubendreck befreit wurden. Soviel Pflege wurde diesen Göttinnen aus der griechischen Mythologie nicht immer zuteil. So haben Klima, Luftverschmutzung und der 2. Weltkrieg, wie bei anderen Kunstwerken auch, tiefe Spuren hinterlassen. Der Erhalt dieser zwischen 1847 und 1857 aufgestellten Skulpturen und vieler vergleichbarer Objekte im Stadtbild ist durch die auch heute weiter fortschreitende Schädigung des Marmors gefährdet. In den Jahren 2006 bis 2010 förderte die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) ein Projekt zur „Entwicklung und Überprüfung von Einhausungssystemen zur Reduzierung umweltbedingter Schädigungen von außenexponierten Marmorobjekten mit dem Ziel des langfristigen Erhalts in situ an einem national bedeutenden Objektkomplex, den Schlossbrückenfiguren unter den Linden, Berlin“. Geleitet und restauratorisch betreut wurde das Projekt durch das Landesdenkmalamt (LDA) Berlin. Durch die Abteilung Strukturgeologie und Geodynamik (GZG) der Georg-August Universität Göttinnen wurden die Verwitterungsmechanismen des Marmors untersucht und auf dieser Basis Anforderungen an das Schutzsystem formuliert. Anhand von numerischen Simulationen des Instituts für Bauklimatik der Technischen Universität Dresden (TUD) wurde das bauphysikalische Konzept des Einhausungssystems optimiert. Die konstruktive Gestaltung eines Prototyps und des finalen Entwurfs erfolgte durch das Fachgebiet Konstruktives Entwerfen und Tragwerkslehre der Universität der Künste Berlin. Durch den Fachbereich Baustoffe der BAM erfolgten die Realisierung des Prototyps der Einhausung sowie ein umfangreiches Klimamonitoring an den Skulpturen. Anhand dieses interdisziplinären Projektes und ergänzt durch weitere Messungen wird gezeigt, mit welchen Methoden die für die Degradation von Marmor relevanten Mechanismen untersucht werden können. Die Erkenntnisse aus dem Projekt sind die Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Pflege- und Schutzkonzepte für die kulturhistorisch wertvollen Skulpturen. Nur mit solchen modernen konservatorischen Programmen können die Originalskulpturen im Berliner Stadtraum erlebbar bleiben.
The long-term exposure of marble objects leads to a successive deterioration of the rock fabric and may cause severe damage on cultural heritage objects. The magnitude of disintegration depends on the rock fabric as well as on the climatic conditions. Some types of marble show no considerable damage even if they have been exposed in northern Europe for several decades or centuries. In contrast, other marble varieties are showing severe damage after a few years of weathering. The present study shows that marble decay, along with the initial thermal degradation, is mainly influenced by the hygric and thermo-hygric load, respectively.
The influence of the rock fabric on the resistivity against weathering is also documented. The factors causing marble decay were compared to extensive climate data, which were collected during a scientific project that was started with the aim to develop a covering system for marble sculptures in Berlin. Based on the hygrothermal material properties of the marble and on the climatic conditions, the heat and moisture Transport inside the material and hence the hygrothermal load changes were calculated with a high spatial resolution. The calculations showed that the temperature and moisture fluctuations inside the material are mainly controlled by the dimensions and orientation of the sculptural elements.
The current state of preservation was investigated by two-dimensional ultrasonic tomography. The results show a good correlation to the calculated distribution of the hygrothermal load. Based on this finding, requirements on a protective winter shelter system for the sculptures were defined.
The project results show that in addition to protective covers, regular inspection and maintenance combined with regular cleaning ensures an effective and sustainable protection of marble objects in northern Europe.
The accelerated concrete prism test (ACPT-60 °C) facilitates testing of alkali-silica reactivity of aggregates within five months. Manual measurement is usually conducted to determine expansion of test specimen every 28 days. This conventional procedure gives only limited insight to expansion behaviour of ASR-affected prisms. Due to the large time intervals, expansion exceeding the critical value of 0.3 mm/m is likely to be noticed late. Continuous recording resolves this problem and delivers beneficial information on the shape of the expansion curve.
Displacement transducers integrated into a special testing equipment developed at BAM put continuous measurement into practice. Additionally, ultrasonic velocity and acoustic emissions are measured in-situ and provide deeper insights into hydration and crack formation processes during the test.
Aiming for an automated testing method close to the German guideline, the following technical and methodical challenges arise. Changing of the vertical orientation of the prisms with every manual measurement as standardised cannot be implemented. Furthermore, preliminary results already proved true that cooling and heating cycles, as necessarily associated with each manual measurement, can evoke additional expansion. Therefore, interrupted and continuously measured expansions reveal systematic differences, indicating the necessity to adjust the threshold expansion value for automated testing.
Results presented in the paper: Different types of reactive aggregate have been tested applying continuous and manual expansion measurement to the concrete specimens. Development of continuously measured ultrasonic velocity and acoustic emissions of the aggregates tested diverge significantly while the expansion curves vary in shape and maximum strain. Prisms produced from a slowly reacting aggregate do not exhibit noticeable crack formation. It shows that comprehensive measuring helps describing and distinguishing ASR-damage mechanisms.
Models of ASR-induced expansion, available in the open literature, so far are validated with discontinuous data hardly tracing the modelled curve. Continuous measurement improves validation and further model development.
In recent years the German motorway network has seen an increase in the occurrence of damage to concrete road surfaces which can be attributed to the alkali-silica reaction (ASR). In view of the often drastically reduced life expectancy of road surfaces due to ASR, research activity in this field has notably increased. Alongside preventative measures in concrete technology, the main research focus up to now has been the development of performance-oriented testing procedures for ASR prevention. This included more specifically the accelerated simulation of climatic effects and external alkali penetration on road surfaces. The effects of mechanical pre-damage resulting from cyclic traffic loading and climatic impact had previously not been taken into consideration. Since 2011, the five-partner research group 1498 sponsored by the German Research Foundation (DFG) has been pursuing research on how simultaneous cyclic loading and external alkali penetration impacts destructive ASR in road surface concretes. The depiction of the myriad degradation and transport processes necessary for an understanding of these effects requires close interaction between experiments and their multi-scale modelling. This paper aims to focus on the aforementioned experiments by means of innovative testing techniques. The research is founded on a series of cyclic fatigue tests performed on large-format beams, both with and without previous application of a sodium chloride (NaCl) solution, with simultaneous tracking of crack development. Subsequently, smaller test specimens were extracted from the pre-damaged beams for further experiments. These included the spatial visualization and quantification of fatigue-induced cracks using micro X-ray 3D-computed tomography (3D-CT). Additionally, the effects of fatigue-induced cracks on alkali transport were investigated using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Subsequent storage of the small-format test specimens, with and without cyclic pre-damage, in an ASR-conducive environment then provided initial findings on the influence of fatigue-induced predamage on the ASR.