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Analyse des Tausalzeintrages in Fahrbahndeckenbetone im Kontext der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2018)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz (BAB-Netz) vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten, die zum Teil zu einer Halbierung ihrer geplanten Nutzungsdauer von 30 Jahren führte. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung, die bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und dem alkalischen Milieu durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) führt. Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu. Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig ist hierbei die fehlende differenzierte Betrachtung des Natriumgehaltes im Zementstein und in der Gesteinskörnung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag an Hand von Bohrkernen aus einem AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und interagierenden Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen des Bohrkerns aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels Zementsteinkriteriums (Nutzung unterschiedlichen Ca-Gehalts in Zementstein und Gesteinskörnung) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse (MRFA) belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen.
Aber auch bei der Verifizierung der Übertragbarkeit der Ergebnisse der zum Ausschluss reaktiver Gesteinskörnung bei Neubau und Erneuerung im BAB-Netz eingesetzten Performanceprüfungen mit externem Alkalieintrag auf Praxisverhältnisse hat sich das LIBSVerfahren bewährt. So wurde festgestellt, dass die mit NaCl-Lösung beaufschlagten Laborprüfkörper aus einem repräsentativen Fahrbahndeckenbeton bei der Klimawechsellagerung (KWL) über ihre gesamte Höhe von 10 cm einen Eintrag von Na und Cl erfahren. Weiterhin konnte im Gegensatz zu bisherigen Annahmen erstmals mit LIBS und Nasschemie gezeigt werden, dass die Frost-Tauwechsel-Phase bei der KWL zu keinem erhöhten Tausalzeintrag führt.
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung. Dies führt bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und des alkalischen Milieus durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu.
Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig sind hierbei der relativ hohe prüftechnische Aufwand und die eingeschränkte Ortsauflösung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag anhand von Bohrkernen aus einem repräsentativen AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen von Bohrkernen aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels eines Ausschlusskriteriums (Ca-Gehalt) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse sowie nasschemische Analysen belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen. Allerdings bedarf es bei der quantitativen Ermittlung des Natriumgehaltes in der Betonfahrbahndecke noch weitergehender Untersuchungen.
Dunkelfärbung der Betonfahrbahndecke im AKR-Kontext - Ursachenanalyse mit innovativer Prüftechnik
(2018)
Die AKR-Schadensevolution von Betonfahrbahndecken ist in der Anfangsphase durch eine Dunkelfärbung der Oberfläche im Fugenbereich gekennzeichnet. Es wird vermutet, dass eine erhöhte Durchfeuchtung der Betonrandzone ursächlich für diese Erscheinung ist. Vor diesem Hintergrund wurde exemplarisch eine Fahrbahnplatte eines repräsentativen Bundesautobahnabschnitts systematisch mit verschiedenartiger zerstörungsfreier Prüftechnik vor Ort untersucht. Die Ergebnisse der zunächst erfolgten großflächigen Durchmusterung mit Radar zeigen, dass in den Bereichen mit einer Dunkelfärbung der Betonfahrbahndecke erhöhte Laufzeiten der Radarimpulse zwischen der
Oberfläche und der Rückseite der Betonfahrbahndecke auftreten, was auf eine erhöhte integrale Durchfeuchtung der Betonfahrbahndecke schließen lässt. Vertiefend durchgeführte NMR-Feuchtemessungen in der Betonrandzone zeigen eine gute Korrelation zwischen erhöhtem Feuchtegehalt und der dunkel gefärbten Fahrbahnoberfläche. Die Ergebnisse beider zerstörungsfreien Prüfmethoden lassen den Schluss zu, dass die Betonfahrbahndecke in der Nähe des Fugenkreuzes eine höhere Durchfeuchtung als im Bereich der Querscheinfuge aufweist. Die geringste Durchfeuchtung besitzt die Betonfahrbahndecke in der Plattenmitte. Die mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren ermittelten Befunde stimmen prinzipiell gut mit den punktuell mittels Darr-Wäge-Verfahren an Bohrmehlproben gewonnenen Ergebnissen überein.
Although concrete itself is not a combustible material, concrete mixtures with high density, such has high-performance concretes (HPCs), are susceptible to significant damage during fires due to explosive spalling. Past research has shown that the inclusion ofpolymer fibres in high density concrete can significantly mitigate this fire damage. The exact mechanisms causing this increased spalling resistance are not yet fully understood, but it is thought that the fibres facilitate moisture transport during fire exposure, which in turn contributes to relief of internal stresses in the spalling-susceptible region. In this study, X-ray Computed Tomography (CT) was applied to observe the interaction between polymer fibres and cracking during thermal exposure. For this purpose, two concrete samples containing different polymer fibre types were subjected to incremental application of a defined thermal exposure. CT images were acquired before and after each thermal exposure and powerful image processing tools were used to segment the various material components. This enabled a detailed analysis of crack formation and propagation as well as the visualization and quantification of polymer fibre characteristics within the concrete. The results demonstrated that the orientation of both fibres and cracks in polymerfibre reinforced concrete tend to be anisotropic. The results also indicated that crack geometry characteristics may be correlated with fibre orientation, with cracks tending to run parallel to fibre beds. Clear quantitative relationships were also observed between heating and increasing cracking levels, expressed in terms of both crack surface area and crack volume.
Explosive spalling is caused by, among others, the thermohydraulic spalling mechanism. During this process, vaporization, dehydration, moisture-transport and condensation processes interact. As a result, a drying and dehydration zone as well as a saturated zone, known as a moisture clog, are observed inside the unilaterally-heated concrete. The presented research is focused on the experimental investigation of the underlying thermohydraulic processes.
To investigate these, a test methodology based on X-ray computed tomography (CT) and nuclear magnetic resonance (NMR) was developed. Thereby, the X-ray CT scans are carried out simultaneously during the application of a defined unilateral-heating regime on a specially-constructed specimen. This miniaturized specimen, equipped with a double-layer casing, reproduces the condition within a planar, unilaterally-heated building component.
A preliminary test methodology and the first experimental results were presented at the 5th International Workshop on Concrete Spalling in Borås, Sweden (2017). The contribution for the upcoming workshop presents an improved version of this test methodology and new results for a high-performance concrete (HPC) mixture exposed to temperatures up to 500 °C. Regarding the CT measurements, a higher time-resolution of 15 min was achieved and a quantification of the moisture changes was implemented. Due to an increase in signal quality of the NMR measurements, a pore-size specific moisture distribution can now be resolved. This allows to conclude about the moisture reconfiguration between small gel pores and larger interhydrate pores. Additionally, the NMR measurement are no longer limited to first 2.5 cm below the heated surface but a one-dimensional moisture distribution can now be estimated over the whole 10 cm long specimen.
The presented results demonstrate that the combination of X-ray CT and NMR measurements enables to image and quantify the thermally-induced moisture transport and reconfiguration from small gel pores up to macro pores. This provides important insights into the thermohydraulic damage mechanism and leads to a better understanding of spalling avoidance strategies, like the addition of polypropylene fibres.
Thermally-induced moisture transport in high-performance concrete studied by X-ray-CT and 1H-NMR
(2019)
The thermohydraulic damage mechanism is one of the primary causes for explosive spalling of highperformance concrete. This paper presents the spatially- and temporally-resolved analysis of the thermally-induced moisture transport and reconfiguration processes by means of X-ray-CT and 1HNMR.
Thermal testing results for a high-performance concrete, which is sensitive to explosive spalling and which was prepared with and without added polypropylene fibres, are presented in this paper. These results indicate that the addition of fibres leads to a faster and deeper migration of the drying front and, thus, to a lower likelihood of vapour-pressure induced explosive spalling.
Water migration in one-side heated concrete: 4D in-situ CT monitoring of the moisture-clog-effect
(2019)
Explosive spalling due to fire exposure in concrete structures can lead severe damage and, in the worst case, to premature component failure. For this reason, an in situ investigation of water Migration in concrete due to surface heating was undertaken.
During these experiments, a miniaturized concrete specimen within a confining and insulating double-hull was subjected to surface heating during simultaneous X-ray computed tomography (CT) scanning. Through the use of subtraction-based Image analysis techniques, it was possible to observe and quantify not only drying within areas of the concrete matrix close to the heated surface, but also the migration of moisture to both pore and matrix regions deeper within the specimen. It was also discovered that the correction of CT images for specimen deformation using DVC and variable detector performance using calibrated image filters significantly improved the quality of the results. This clearly demonstrates the potential of X-ray CT for evaluation of other rapid-density-change phenomena in concrete and other building materials.
Although concrete itself is not a combustible material, concrete mixtures with high density, such has high-performance concretes (HPCs), are susceptible to significant damage during fires due to explosive spalling. Past research has shown that the inclusion of polymer fibres in high density concrete can significantly mitigate this fire damage. The exact mechanisms causing this increased spalling resistance are not yet fully under-stood, but it is thought that the fibres facilitate moisture transport during fire exposure, which in turn contributes to relief of internal stresses in the spalling-susceptible region. In this study, X-ray Computed Tomography (CT) was applied to observe the interaction between polymer fibres and cracking during thermal exposure. For this purpose, two concrete samples containing different polymer fibre types were subjected to incremental application of a defined thermal exposure. CT images were acquired before and after each thermal exposure and powerful image processing tools were used to segment the various material components. This enabled a detailed analysis of crack formation and propagation as well as the visualization and quantification of polymer fibre characteristics within the concrete. The results demonstrated that the orientation of both fibres and cracks in polymer-fibre reinforced concrete tend to be anisotropic. The results also indicated that crack geometry characteristics may be correlated with fibre orientation, with cracks tending to run parallel to fibre beds. Clear quantitative relationships were also observed between heating and increasing cracking levels, expressed in terms of both crack surface area and crack volume.
This paper describes a novel methodology for quantitative in-situ moisture measurement without tracking agents using X-ray computed tomography (XCT). The high levels of grey-scale precision required for the measurement of moisture without tracking agents resulted in the need for an additional image calibration procedure to correct for water-related X-ray scattering and for equipment-variability related artefacts arising during in-situ testing. This calibration procedure was developed on the basis of existing principles of XCT image cor-rection. Resulting images of moisture distribution exhibit a high level of agreement with expected material behaviour. This research demonstrated that XCT can be successfully used to measure both moisture-front movement over time and changes in 3D moisture distribution within samples. This approach to moisture measurement lays the groundwork for the planned future investigation of the interaction between cracking induced by varying chemical and mechanical processes and water transport in concrete.
In this work, which is part of a larger research program, a framework called “virtual data fusion“ was developed to provide an automated and consistent crack detection method that allows for the cross-comparison of results from large quantities of X-ray Computed Tomography (CT) data. A partial implementation of this method in a custom program was developed for use in research focused on crack quantification in Alkali-Silica Reaction (ASR)-sensitive concrete aggregates. During the CT image processing, a series of image analyses tailored for detecting specific, individual crack-like characteristics were completed. The results of these analyses were then “fused” in order to identify crack-like objects within the images with much higher accuracy than that yielded by any individual image analysis procedure. The results of this strategy demonstrated the success of the program in effectively identifying crack-like structures and quantifying characteristics, such as surface area and volume. The results demonstrated that the source of aggregate has a very significant impact on the amount of internal cracking, even when the mineralogical characteristics remain very similar. River gravels, for instance, were found to contain significantly higher levels of internal cracking than quarried stone aggregates of the same mineralogical type.