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Am Deutschen Dom wurden Mikrowellenabsorptionsmessungen, Radar und Infarot- Thermographie als moderne zerstörungsfreie Prüfverfahren der Feuchtemessung in Mauerwerk erprobt. Ergänzende numerische Simulationsrechnungen des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports sollen bei der Auswahl von Trockenlegungskonzepten helfen.
Alkali-Kieselsäure-Reaktion in Betonfahrbahndecken unter Berücksichtigung von Verkehr und Taumitteln
(2019)
In Betonfahrbahndecken treten häufig Schäden auf, welche mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Obwohl die Hintergründe einer solchen AKR intensiv untersucht wurden, gibt es bei Betonfahrbahndecken besondere Randbedingungen, welche die Schadreaktion signifikant erhöhen können. Diese sind vor allem die Überlagerung der mikrostrukturellen Degradation durch Verkehrsbeanspruchung mit externer Alkali-Zufuhr durch Taumittel. Bisherige Untersuchungen der AKR beschränkten sich auf die Ausgangsstoffe (Gesteinskörnung, Zement, Bewertung des Betons), wobei die besonderen Randbedingungen außer Acht gelassen wurden. Betonfahrbahndecken sind zyklischen Belastungen aus Verkehr und Witterungsbedingungen ausgesetzt.
In einem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt wurden die verschiedenen, gegenseitig voneinander abhängigen, Einflussfaktoren auf eine schädigende AKR in Betonfahrbahndecken sowohl experimentell untersucht als auch numerisch modelliert. Auf Mikro-Ebene wurden die AKR-bezogenen Transportprozesse innerhalb der Gesteinskörnung, sowie die Gelbildung und der Ionen-Transport, untersucht. Auf Meso-Ebene fokussierte das Projekt auf die Charakterisierung der durch zyklische Belastung induzierten Schädigung im Mikrogefüge des Betons. Des Weiteren wurde das Transportverhalten in ein derart geschädigtes Betongefüge mit und ohne Berücksichtigung des zusätzlichen Einflusses überrollender Reifen beschrieben und dessen Auswirkung auf eine AKR analysiert. Schließlich wurde auf Makro-Ebene das Risiko eines AKR-bedingten Schadens bewertet. Einige ausgewählte Ergebnisse werden in diesem Beitrag dargestellt.
In concrete pavements, damages occurred which are related to an Alkali-Silica-Reaction (ASR). Although the background for such an ASR has been studied extensively, special conditions in pavements increase this reaction significantly. These are especially the superposition of microstructural degradation caused by cyclic loading with an external alkali supply. Previous investigations of ASR focused mainly on the material itself (aggregates, cements, assessment of the concrete) while these special circumstances have not been considered. Concrete pavements are subjected to cyclic loadings by traffic and climate changes.
Within cooperative research projects the different interdependent influencing factors for a damaging ASR in concrete pavements are studied by experiments as well as by numeric modelling. On the micro-level the ASR-related processes within the aggregate, such as gel-formation or ion-transport, are investigated. On the meso-level, the project focuses on the characterization of degradation effects in the concrete microstructure due to cyclic loading. Further, special attention is paid to the transport behavior of fluids in such pre-damaged concrete structures with and without the effect of overrunning tires as well as the impact on the ASR itself. Finally, on the macro-level the risk of an ASR-damage is assessed.
Bewertung der Innenhydrophobierung als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie bei Betonfahrbahndecken
(2023)
Zur Vermeidung von AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken im deutschen Autobahnnetz wurden mit dem ARS 04/2013 verbindliche Eignungsprüfungen zum Ausschluss alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen bei Neubau- und Erhaltungsmaßnahmen eingeführt. Das hatte eine signifikante Reduzierung geeigneter Gesteinskörnungen zur Folge. Deshalb wird geprüft, ob durch die Zugabe eines Hydrophobierungsmittels während der Betonherstellung grenzwertig alkaliempfindliche Gesteinskörnungen nutzbar gemacht werden können. In diesem Beitrag wird der Einfluss der Dosierung eines Compounds mit Hydrophobierungsmittel (HM) auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften eines Waschbetons mit einer reaktiven Grauwacke dargestellt. Es zeigt sich, dass aufgrund des Antagonismus die zunehmende Dosierung des HM-Compounds eine signifikante Erhöhung der Zugabe des Luftporenbildners auf Wurzelharzbasis erfordert. Der AKR-Schädigungsprozess wird ab einer Dosierung des HM-Compounds von 0,75 M.-%, bezogen auf den Zementgehalt, hinreichend vermindert. Die mechanischen Eigenschaften des hydrophobierten Waschbetons verschlechtern sich im betrachteten Dosierungsbereich des HMCompounds nur geringfügig. Auch der Frost-Tausalz-Widerstand vermindert sich, ohne den normativen Grenzwert für die Abwitterung zu überschreiten.
In diesem Beitrag werden Untersuchungsergebnisse vorgestellt, die den Einfluss von Mikrosilica auf die Selbstaustrocknung und das damit verbundene autogene Schwinden der Bindemittelmatrix von Hochleistungsbetonen beschreiben. Die dadurch hervorgerufenen Schädigungsprozesse wurden mit Hilfe von zerstörungsfreien Prüfmethoden verfolgt. Dabei zeigte sich, dass eine durch äußeren Zwang bedingte Mikrorissbildung durch Schallemissionsanalyse detektiert werden kann.
Im Rahmen einer Bachelorarbeit und in Kooperation mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) wurden die eintretenden Schädigungsprozesse während des Spaltzugversuche mittels innovativer Prüfverfahren untersucht. Ziel war es, in Untersuchungen Erkenntnisse über das Versagensverhalten unter statischer und dynamischer Spaltzugbeanspruchung bei der Variation verschiedener Einflussfaktoren zu gewinnen. Hierfür wurde die Aussagekraft innerer und äußerer Schädigungsindikatoren zur Charakterisierung der auftretenden Bruchmechanismen analysiert.
High-strength concrete (HSC) will experience thermal microcracking, explosive spalling, and undesirable chemical changes when exposed to high temperatures, such as during fire, engulfment by lava flow, or nuclear meltdown. Knowledge of the resultant changes in mechanical, physical, and chemical properties is paramount for hazard mitigation. We present a multidisciplinary study on the influence of thermal-stressing on HSC. Our study shows that thermal microcracking in HSC initiates at 180 °C, is more prevalent during cooling, and exhibits the Kaiser 'temperature-memory' effect. We show that residual compressive strength, indirect tensile strength, ultrasonic wave velocities, and Youngs modulus and Poissons ratio decrease, whilst porosity and permeability increase with increasing temperature. We discuss these data in terms of the chemical changes during thermal-stressing, provided by thermo-gravimetric analysis, differential scanning calorimetry, and X-ray diffraction, and from optical microscopic analysis of thermally-stressed samples. We provide implications for thermally-damaged HSC structures and a new method for non-destructive monitoring.
Influence of the preload on the mechanical properties of high strength concrete at high temperatures
(2009)
This paper presents the results of an
experimental study on the transient strain of high
strength concrete (HSC) under heating up to 750 °C
and the impact of polypropylene (PP) fibers. Concerning
this topic only few results are available in the
literature and systematic investigations are missing.
However, basic knowledge is necessary for the
understanding of the internal damage processes in
the material as well as for heated structures. The
transient strain during heating can be separated in two
basic components: the free thermal strain and the
mechanical strain. They were experimentally determined
exemplarily for one HSC. For the determination
of the mechanisms of transient strain and particularly
the influence of PP fibers different techniques were
applied. In this context the monitoring of the microcracking
was done for the first time with acoustic
emission analysis in combination with ultrasonic
measurements. This new approach helps fundamentally
to explain the impact of PP fibers on free thermal
strain and mechanical strain during heating up.
Furthermore weight loss measurements were carried
out to characterize the moisture transport. It was
shown that the PP fibers cause an acceleration of the
moisture transport in the temperature range from 200
to 250 °C which leads to drying shrinkage in opposite
direction to the free thermal strain. Hence this paper is
a contribution to the general understanding of the
impact of PP fibers in HSC at high temperatures and
emphasizes the important influence of PP fibers on the
thermal and mechanical induced strain of HSC.
This paper presents the results of an experimental study on the influence of polypropylene (PP) fibres on the thermal strain of high strength concrete (HSC) at temperatures up to 750°C. Concerning this topic only few results can be found in the literature and systematic investigations are missing. However, basic knowledge is necessary to understand the internal damage processes as well as for structural design.
To explain the differences in the thermal strain of HSC with and without addition of PP fibres the internal damage processes were investigated with acoustic emission (AE) analysis and ultrasound (US). Furthermore the weight loss was measured continuously during heating to monitor the drying of the specimen. This novel approach by combining these different methods with strain measurements at high temperatures allows the integral description of the internal damage processes. The results reveal significant differences in the thermal strain of HSC when PP fibres are added. Between 200°C and 250°C the thermal strain of HSC with PP fibres is superimposed by shrinkage caused by accelerated drying. Above 250°C it is lower than that of plain HSC without PP fibres. It is supposed that it is caused by a more homogeneous distribution of micro cracks whereby the fibre beds acting as defects in the concrete.
Hence this paper gives a contribution to the general understanding of the impact of PP fibres in HSC at high temperatures and points out the influence of the fibres on the thermal strain of HSC.
Influence of the preload on the mechanical properties of high strength concrete at high temperatures
(2009)
The durability of concrete structures due to alkali-silica-reaction (ASR) is usually been assessed by ASR concrete prism tests (CPT). Therefore, the expansion of concrete specimens indicates an alkalisensitivity.
In Germany these tests are performed at 40°C or accelerated 60°C. Nevertheless, ASR prism tests are expensive, power and time-consuming. For these reasons, an alternative chemical test (“mod. BTU-test”) was developed in the past. The “mod. BTU-test” was correlated with German standard CPT.
In this test, the solubility of silica and alumina in the liquid phase is measured by ICP-OES.
For special requirements in concrete road construction, stricter test procedures are necessary. The specimens are repeatedly subjected to cyclic alternating storage in NaCl. On the one hand, the presence of NaCl increases the ASR expansion, on the other hand NaCl also changes the dissolution behaviour of silica and alumina.
For now is not possible to correlate the solubilities of “mod. BTU-test” and ASR expansions influenced by NaCl. Therefore, four aggregates with different ASR sensitivities were chosen and ASR concrete prism tests (in addition with NaCl) have been performed. According to the “mod. BTU-test” the solubilities of silica and alumina in presence of different NaCl concentrations were measured.
This paper is about the regression analysis of silica and alumina dissolution and ASR expansion tests in presence of NaCl. The regression analysis shows the influence of a quasi-continuous and an interrupted cyclic alternating storage. Additionally the effects of temperature and NaCl concentration are investigated. In the end, a suitable NaCl concentration of the “mod. BTU-test” for dissolution experiments is recommended. The “mod. BTU-Test” with NaCl might be a serious and reliable test method for ASR classification for concrete road construction.
Einfluss einer druckschwellinduzierten Degradation von Fahrbahndeckenbeton auf die schädigende AKR
(2020)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz verstärkt Schäden an vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Neben dem AKR-fördernden Einfluss von alkalihaltigen Taumitteln werden Fahrbahndecken zyklischen mechanischen Belastungen infolge des Verkehrs und Zwangsspannungen durch klimatische Einwirkungen ausgesetzt. Solche mechanischen Belastungen werden bisher in keinem AKR-Prüfverfahren berücksichtigt. Die zyklischen Belastungen können zu einer Degradation des Betongefüges führen, die ggf. einen AKR-fördernden Einfluss hat. Dieser Beitrag stellt Untersuchungen vor, die zur Beantwortung der Frage nach dem Einfluss einer zyklischen mechanischen Belastung auf den AKR-Schadensprozess beitragen. Dabei wird der Hypothese nachgegangen, dass die ermüdungsinduzierte Degradation zu einer Erhöhung des Stofftransports führt.
Dieser hat einen Einfluss auf die AKR-Schadensentwicklung, da die Reaktionspartner zunächst zum Reaktionsort transportiert werden müssen. Daher wird angenommen, dass sich mit dem Stofftransport auch die AKR-Schädigung verstärkt. Es werden Betonproben aus typischen Fahrbahndeckenbetonen einer vorgeschalteten zyklischen Druckschwellbelastung ausgesetzt.
Die Degradation infolge der Vorbelastung wird simultan mittels ZfP-Verfahren charakterisiert. Anschließend werden die Auswirkungen der zyklischen Vorschädigung auf den Stofftransport sowie auf die AKR vergleichend an Prüfkörpern ohne und mit Vorschädigung untersucht. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die zyklische Vorschädigung sowohl den Stofftransport als auch die AKR fördert.
Fatigue induced degradation in pavement concrete and its effect on the alkali-silica reaction
(2018)
In recent years the German motorway network has seen an increase in the occurrence of damage to concrete road surfaces that can be attributed to the alkali-silica reaction (ASR). In view of the often drastically reduced service life of road surfaces due to ASR, research activity in this field has notably increased. Alongside preventative measures in concrete technology i.e. the usage of low-alkali cements, the main research focus up to now has been on the development of performance-oriented testing procedures for ASR prevention. The effects of mechanicallyinduced damage resulting from cyclic traffic and climatic loading have previously not been taken into consideration.
The assessment of the myriad degradation and transport processes necessary for an understanding of these effects requires close interaction between experiments and corresponding multi-scale models. This contribution is focused on the experiments utilizing innovative testing techniques. The research is founded on a series of fatigue tests performed on large-scale beams with simultaneous tracking of the degradation process using non-destructive evaluation methods. Subsequently, smaller test specimens were extracted from the predamaged beams for further experiments. These experiments included investigation of the influence of fatigue-induced cracks on moisture and alkali transport. Subsequent storage of the small-scale test specimens, with and without cyclic pre-damage, in an ASR-conducive environment then provided initial findings on the influence of fatigue-induced degradation on the ASR.
The results show that the degradation process can be well observed with the test Setup developed for the fatigue experiments. Further, a small but noticeable increase of mass Transport due to fatigue-induced degradation was measured, which correspondingly indicated an increased ASR damage potential.
Concrete pavement surface textures are divided by means of their dimension into four categories: microtexture, macrotexture, megatexture and roughness. They influence the most important performance characteristics of road surfaces, such as friction (also referred to as “skid resistance”), tire/pavement noise, evenness and surface drainage. These properties are relevant for driving safety, comfort and environmental aspects. Up to now, research in Germany has focused on monitoring these characteristics by tire/pavement noise and skid resistance measurements. However, the topography of surface textures has not been sufficiently investigated and evaluated until now. The development and availability of high-performance, hand-held 3D scanning systems during the last years enable measurements of the microtexture and macrotexture of concrete pavement surfaces at short measuring times and high resolution.
This paper shows the ability of modern laser-based technology to record three-dimensional data of different concrete pavement surface textures in situ. For this purpose, a special measuring frame has been developed. The presented results were primarily obtained within the framework of a research project commissioned by the German Federal Highway Research Institute (BASt) and processed by the Federal Institute for Materials Research and Testing. Various concrete pavement surface textures by means of diamond grinding and hybrid of diamond grinding and grooving were investigated in situ. In addition, exposed aggregate concretes (EAC), which were introduced as a standard type of concrete for motorway pavements in Germany in 2006, have been analyzed. Based on the gathered 3D data, evaluation routines for qualitative and quantitative analysis have been developed and applied. The aim was to derive the statistical parameters such as the relative and cumulative frequency distribution of the profile depth as well as the roughness coefficient for diamond ground pavements and EAC. Also, the “mean profile depth” (MPD) as a common texture-related parameter was determined.
Die Dauerhaftigkeit von Fahrbahndeckenbetonen wird maßgebend von ihrer Mikrostruktur bestimmt. Diese erfährt durch die äußeren Einwirkungen durch Klima und Verkehr über die Nutzungsdauer eine signifikante Veränderung. Im Kontext der in den letzten Jahren verstärkt auftretenden Schadensfälle infolge der Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) im deutschen Bundesautobahnnetz stellt sich die Frage, in welchem Maße die ermüdungsinduzierte Betondegradation den Stofftransport und damit die AKR-induzierte Rissbildung begünstigt. Dabei kommt der hochauflösenden räumlichen Quantifizierung der Rissbildung eine zentrale Bedeutung zu und bildet die Basis für die Modellierung der sich überlagernden Schädigungsprozesse.
Gegenstand dieses Beitrags ist die Darstellung der Leistungsfähigkeit der 3DComputertomographie (3D-CT) bei der quantitativen Rissanalyse in Betonen ohne und mit Ermüdungsbeanspruchung. Die Untersuchungen erfolgten dabei exemplarisch an Bohrkernen, die einem großformatigen Schwingbalken entnommen wurden. Zur Erreichung einer hinreichenden Ortsauflösung gelangte dabei die Region of Interest – Technik (ROI) zum Einsatz. Die Rissauswertung erfolgte mit einem gemeinsam vom ZIB und der BAM entwickelten Softwaretool für die automatisierte Risserkennung. So erlaubt dieses eine quantitative statistische Auswertung von Rissparametern, wie z.B. Risslänge, -breite und -orientierung. Die Notwendigkeit der automatisierten Rissauswertung beruht darauf, dass die Größe des CT-Datensatzes (mehrere GB) eine vollständige manuelle Segmentierung der Risse im 3D-Raum einen unverhältnismäßigen hohen Aufwand erfordert. Eine automatische Risserkennung liefert darüber hinaus noch weitere Daten, die eine nachträgliche Bearbeitung und Analyse der Risse erst möglich macht. Rissveränderungen über der Zeit können ebenfalls visualisiert und statistisch aufbereitet werden.
Ermüdungsbedingte Degradation und ihre Auswirkungen auf den Stofftransport in Fahrbahndeckenbeton
(2017)
Im Rahmen des Beitrags soll aufgezeigt werden, welchen Einfluss eine mechanisch induzierte Vorschädigung (Ermüdungsbeanspruchung) auf den Ablauf und die Intensität des AKR-Schädigungsprozesses hat. Dies erfordert eine ausführliche Beschreibung der vielfältigen interagierenden Schädigungs- und Transportprozesse und aufbauend eine enge Verknüpfung von Experimenten mit einer mehrskaligen Modellierung.
Die experimentelle Basis bildete die mechanische Vorschädigung (Ermüdungsbeansprochung) großformatiger Balken aus einem Fahrbahndeckenbeton bei Einsatz alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen. Aus diesen großformatigen Balken wurden nach erfolgter Ermüdungsbeanspruchung kleinformatige Probekörper gewonnen. An diesen wurde detailliert untersucht wie sich die mechanische Vorschädigung auf das Betongefüge und die daraus resultierenden Transport- und Schädigungsprozesse auswirkt. Von der mechanisch induzierten Vorschädigung bis zum AKR Schädigungsprozess sollten in diesem Kontext die Rissbildungsprozesse und der interagierende Eintrag bzw. die Auslaugung der Alkalien ganzheitlich betrachtet werden. Der Beitrag fokussiert auf die Charakterisierung der infolge der mechanischen Vorschädigung induzierten Rissbildungsprozesse. Ferner wird detailliert auf die Auswirkungen der mechanischen Rissbildung auf den Stofftransport eingegangen.
Zur Aufstellung einer Wärmebilanz an der Fahrbahnoberfläche von Asphaltbefestigungen wurden die zu berücksichtigenden Wärmetransportvorgänge und deren mathematische Ansätze im Rahmen eines Literaturstudiums zusammengestellt. Validierungsberechnungen anhand von Messungen an einer Betonfahrbahn haben ergeben, dass das eingesetzte Rechenprogramm alle an der Fahrbahn-oberfläche auftretenden Wärmetransportvorgänge sehr gut simulieren kann.
Der Einfluss heller Gesteinskörnungen in der Asphaltdeckschicht auf die Wärmebilanz an der Straßen-oberfläche wurde für zwei typische Bauweisen mit Asphaltdeckschicht (Autobahn bzw. Landstraße) in zwei Varianten (mit bzw. ohne hydraulisch gebundene(r) Tragschicht) mittels Parametervariation untersucht. Als klimatische Randbedingungen wurden ein extrem heißer Sommertag bzw. ein extrem kalter Wintertag in Anlehnung an die Wetterverhältnisse der Region Freiburg im Jahr 2003 zugrunde gelegt.
Im Sommer können tagsüber durch ein erhöhtes Reflexionsvermögen infolge Aufhellung der Fahrbahnoberfläche bei der Autobahn und der Landstraße große Absenkungen der Oberflächen-temperatur erzielt werden, was die Gefahr der Spurrinnenbildung vermindern kann. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Asphaltdeckschicht bewirkt nur wenige Kelvin Temperaturrückgang. Eine Änderung des Wärmespeichervermögens der Asphaltdeckschicht hat keinen signifikanten Einfluss auf deren Oberflächentemperatur. Im Winter ergeben sich tendenziell die gleichen Auswirkungen, aber in abgeschwächter Form, was die Gefahr der Eisbildung erhöhen und damit die Verkehrssicherheit beeinträchtigen kann. Trotz unterschiedlichem Schichtenaufbau und unterschiedlicher Stoffkennwerte differieren die Oberflächentemperaturen von Autobahn und Landstraße nur sehr wenig. Das Vorhan-densein einer hydraulisch gebundenen Tragschicht wirkt sich nicht auf die Oberflächentemperatur der Asphaltdeckschicht aus.
Mittels Regressionsanalyse wurden schließlich allgemeingültige funktionale Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen und der Oberflächentemperatur als Zielgröße aufgestellt.
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.
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.
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.
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.
Monitoring of fire damage processes in concrete by pore pressure and acoustic emission measurements
(2011)
This paper presents the combined use of acoustic emission (AE), gas pore pressure and temperature measurements (PT). The simultaneous application of both techniques represents a new methodology in the context of fire spalling and contributes to a better understanding of the mechanisms of fire spalling, particular with regard to the interaction of micro cracking and pore pressure evolution. The study presents fire tests on normal strength concrete specimens with and without reinforcement at ISO Standard fire and at hydrocarbon (HC) fire. Supported by AE-analysis, it can be shown that due to the higher heating rate of the HC-fire in comparison to the ISO Standard fire the damage processes inside the concrete during the exposure are increased combined with augmenting the concrete permeability. As a consequence lower pore pressures were measured. However, despite the lower pore pressures, explosive spalling was observed.
The recommendation is based on the co-authors’ work organized by the RILEM TC 256-SPF “Spalling of concrete due to fire: testing and modelling”. It aims to provide useful information, guidance and best practices in fire spalling assessment to laboratories that perform large-scale tests based on fire resistance test standards. It provides guidance on the spalling observation techniques during testing, as well as post-test spalling quantification/assessment methods. This document is intended to be used in conjunction with the fire resistance test standards, e.g. EN 1363-1 and ISO 834-1.
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.