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Beim Einsatz von Ultraschallecho-Methoden in der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen stellt die Untersuchung von Spannbetonkonstruktionen eine der anspruchsvollsten Aufgaben für Wissenschaft und Technik dar. Das inhomogene Gefüge aus Beton, schlaffer Bewehrung und – aus Hüllrohr, Spannlitzen und Verpressmörtel bestehenden – Spanngliedern erfordert eine Optimierung von Messtechnik und Auswertesoftware, um verwertbare Aussagen zum Verpresszustand der Hüllrohre zu erhalten. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Grundlagen der bildgebenden Darstellung von US-Echo-Daten, die Untersuchung und Datenauswertung an Probekörpern sowie ein Fallbeispiel aus der Praxis. Dabei erweist sich insbesondere die Phasenauswertung zur qualitativen Unterscheidung von Reflektoren als nützlich. Das Prinzip wird erläutert, und es werden Teile eines interaktiven, auf der SAFT-Methode basierenden Softwarepakets vorgestellt. Mit dieser Software können die großflächig gewonnenen Ultraschalldaten auf herkömmlichen PCs oder mobilen Computern zu zwei- und dreidimensionalen Rekonstruktionen berechnet, analysiert und visualisiert werden. Ausgewertet wurden Daten, die mit automatisierten Messsystemen an kleinformatigen Laborprobekörpern und großen Testwänden gewonnen wurden. Im Rahmen der praktischen Anwendung konnten unter Verwendung der vorgestellten Verfahren an einem Spannglied die Lage eines Hüllrohrverstopfers lokalisiert und die Ausdehnung der Blockadestelle eingegrenzt werden.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Investigation of prestressed concrete using the imaging ultrasonic echo method Application of phase evaluation for the distinction of reflectors: The application of ultrasound methods for the non-destructive assessment of pre-stressed concrete members is one of the biggest challenges in the field of non-destructive testing in civil engineering. The inhomogeneous composition of concrete, reinforcement and tendons, which itself consist of ducts, steel wires and grouting material, requires an optimisation of measuring technique and analysis software to gain reliable information about the grouting condition of the ducts. This article describes the fundamentals of the visualisation of ultrasound echo data, the investigation and data analysis at specimen and a case study. Here especially the phase evaluation proves to be very useful for the distinction of reflectors. The basic principle is explained and parts of an interactive software module, which is based on the SAFT method, is presented. With this software it is possible to calculate, analyse and visualise 2D and 3D reconstructions of large ultrasound data sets with conventional PCs or mobile computers. Data has been analysed, which were recorded with automatic measurement systems at small scale laboratory specimens and a large scale testing wall. In the frame of the practical application it was possible to localise the position and extent of a blockade within a duct.
Among the different tested endpoints, Al- and Ticontaining nanomaterials did notshowany toxicity in intestinal cell lines in vitro. Nevertheless, this absence of effect was not due to an absence of exposure, since particle-specific uptake was reported.
Metal particle uptake over a long time period might therefore be relevant for risk assessment of aluminum- and titanium-containing food products.
The application of appropriate analytical techniques is essential for nanomaterial (NM) characterization. In this study, we compared different analytical techniques for NM analysis. Regarding possible adverse health effects, ionic and particulate NM effects have to be taken into account. As NMs behave quite differently in physiological media, special attention was paid to techniques which are able to determine the biosolubility and complexation behavior of NMs. Representative NMs of similar size were selected: aluminum (Al0) and aluminum oxide (Al2O3), to compare the behavior of metal and metal oxides. In addition, titanium dioxide (TiO2) was investigated. Characterization techniques such as dynamic light scattering (DLS) and nanoparticle tracking analysis (NTA) were evaluated with respect to their suitability for fast characterization of nanoparticle dispersions regarding a particle's hydrodynamic diameter and size distribution. By application of inductively coupled plasma mass spectrometry in the single particle mode (SP-ICP-MS), individual nanoparticles were quantified and characterized regarding their size. SP-ICP-MS measurements were correlated with the information gained using other characterization techniques, i.e. transmission electron microscopy (TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS). The particle surface as an important descriptor of NMs was analyzed by X-ray diffraction (XRD). NM impurities and their co-localization with biomolecules were determined by ion beam microscopy (IBM) and confocal Raman microscopy (CRM). We conclude advantages and disadvantages of the different techniques applied and suggest options for their complementation. Thus, this paper may serve as a practical guide to particle characterization techniques.
Uptake and molecular impact of aluminum-containing nanomaterials on human intestinal caco-2 cells
(2018)
Aluminum (Al) is one of the most common elements in the earth crust and increasingly used in food, consumer products and packaging. Its hazard potential for humans is still not completely understood. Besides the metallic form, Al also exists as mineral, including the insoluble oxide, and in soluble ionic forms. Representatives of these three species, namely a metallic and an oxidic species of Al-containing nanoparticles and soluble aluminum chloride, were applied to human intestinal cell lines as models for the intestinal barrier. We characterized physicochemical particle parameters, protein corona composition, ion release and cellular uptake. Different in vitro assays were performed to determine potential effects and molecular modes of Action related to the individual chemical species. For a deeper insight into signaling processes, microarray transcriptome analyses followed by bioinformatic data analysis were employed. The particulate Al species showed different solubility in biological media. Metallic Al nanoparticles released more ions than Al2O3 nanoparticles, while AlCl3 showed a mixture of dissolved and agglomerated particulate entities in biological media. The protein corona composition differed between both nanoparticle species. Cellular uptake, investigated in transwell experiments, occurred predominantly in particulate form, whereas ionic Al was not taken up by intestinal cell lines. Transcellular transport was not observed. None of the Al species showed cytotoxic effects up to 200 mg Al/mL. The transcriptome analysis indicated mainly effects on oxidative stress pathways, xenobiotic metabolism and metal homeostasis. We have shown for the first time that intestinal cellular uptake of Al occurs preferably in the particle form, while toxicological effects appear to be ion-related.
Die Einführung von Wasserstoff als sicherer Energieträger braucht eine robuste Wissensbasis, darauf aufgebaute Werkzeuge zur Auslegung und Sicherheitsbewertung von Wasserstofftechnologien und ein international harmonisiertes Regelwerk. Viele der innovativen Technologien implizieren Wasserstoff bei hohen Drücken und/oder kryogenen Temperaturen, mit denen in verteilten Anwendungen erstmalig private Nutzer in Kontakt kommen. Um überkonservative, teure Sicherheitslösungen zu vermeiden, gleichzeitig aber die Einsetzbarkeit und Sicherheit von Wasserstoffanwendungen zu demonstrieren und die Akzeptanz für die Technologie aufrecht zu halten, muss auch die Sicherheitsforschung mit den Trends der technologischen Entwicklung Schritt halten, oder sie besser noch antizipieren. So beschreibt dieser Überblicksartikel nicht nur den gegenwärtigen Stand der Kenntnisse und Technik bezüglich Wasserstoffsicherheit, sondern auch ihre Weiterentwicklung.
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.
Post-tensioning systems provide safe and efficient construction solutions for long span bridges. Despite the improved grouting practices over the past decade, existing post-tensioning systems may have significant amount of grout defects, which could lead to corrosion of the strands. Condition assessment of post-tensioning systems is necessary to allow bridge owners to take timely, proactive actions to mitigate or prevent further Deterioration and unanticipated tendon failures. A detailed experimental study conducted to assess the performance of nondestructive evaluation techniques in detecting grout defects within internal tendons is presented herein.
Nondestructive evaluation techniques that include Ground Penetrating Radar, Impact Echo, Ultrasonic Tomography, and Ultrasonic Echo are evaluated in terms of detecting the location and severity of fabricated grout defects in a full-scale post-tensioned U-girder mock-up specimen. While Ground Penetrating Radar can identify the location and profile of the internal tendons, particularly metal ducts due to strong reflections, this method did not provide any information about the defect conditions within the tendon. Both Impact Echo and Ultrasonic Echo techniques are effective in identifying the Location of grout defects, but could not differentiate between water, void, or compromised grout conditions. The study clearly demonstrates the need for NDE techniques that are applicable to anchorage regions, and that are capable of estimating the severity and nature of grout defects in internal tendons.
Besonders beim Bauen im Bestand und der Bauwerkserhaltung werden zur Bestimmung des Tragvermögens von historischen, oft unter Denkmalschutz stehenden, natursteinernen Bauteilen Materialkennwerte benötigt. Die üblichen Verfahren mittels Probeentnahme am Objekt und Bestimmung der Kennwerte im Labor bedeuten bei Denkmälern einen massiven Eingriff und sollten vermieden werden. Vermehrt wird daher der Einsatz von zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden erforscht und angewendet. Eine dieser Methoden stellt die Ultraschallprüfung dar.
In diesem Verbundvorhaben werden standardisierte Messverfahren für hybride Gemische erarbeitet, die der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen des Explosionsschutzes dienen. Unter einem hybriden Gemisch wird dabei ein mehrphasiges System aus Brenngas oder brennbarem Dampf, sowie Luft und brennbarem Staub verstanden. Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt in einem Abschlussbericht und als DIN-Spezifikation (DIN SPEC). Diese DIN SPEC versetzt Prüfinstitute und Industrie in die Lage, Explosionsgefahren beim Betrieb technischer Anlagen mit hybriden Gemischen einzuschätzen und damit Prozesse sowohl sicherer als auch effizienter zu steuern. Dieses Projekt wird im Rahmen des WIPANOProgramms (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) vom BMWi gefördert.
Optical polarimetry measurements of the orientational order of a discotic liquid crystal based on a pyrene derivative confined in parallelly aligned nanochannels of monolithic, mesoporous alumina, silica, and silicon as a function of temperature, channel radius (3–22 nm) and surface chemistry reveal a competition of radial and axial columnar orders. The evolution of the orientational order parameter of the confined systems is continuous, in contrast to the discontinuous transition in the bulk. For channel radii larger than 10 nm we suggest several, alternative defect structures, which are compatible both with the optical experiments on the collective molecular orientation presented here and with a translational, radial columnar order reported in previous diffraction studies. For smaller channel radii our observations can semi-quantitatively be described by a Landau–de Gennes model with a nematic shell of radially ordered columns (affected by elastic splay deformations) that coexists with an orientationally disordered, isotropic core. For these structures, the cylindrical phase boundaries are predicted to move from the channel walls to the channel centres upon cooling, and vice-versa upon heating, in accord with the pronounced cooling/heating hystereses observed and the scaling behavior of the transition temperatures with the channel diameter. The absence of experimental hints of a paranematic state is consistent with a biquadratic coupling of the splay deformations to the order parameter.