8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen
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Analyse des gefügeabhängigen Löslichkeitsverhaltens potenziell AKR-empfindlicher Gesteinskörnungen
(2021)
Das gefügeabhängige Löslichkeitsverhalten wurde an folgenden vier Gesteinskörnungen unterschiedlicher Alkaliempfindlichkeitsklassen
untersucht:
• GK1 (EIII-S): quarzreicher Kies
• GK2 (EIII-S): Grauwacke (Splitt)
• GK3 (EI-S): Quarz-Feldspat-Porphyr (Splitt)
• GK4 (EI-S): sandsteinreicher Kies
DiePorenstrukturanalyse erfolgte sowohl an Einzelkörnern mittels vergleichender 3D-CT und BET- Untersuchungen als auch an Korngemengen der einzelnen Kornfraktionen (außer Fraktion 16/22 mm) über die Wasseraufnahme und mit BET. Für die Visualisierung und Quantifizierung der von außen zugänglichen Oberflächenanteile der Einzelkörner wurde ein Softwaretool entwickelt, erprobt und erfolgreich angewandt. Es gelang so u.a. den Nachweis zu erbringen, dass die gebrochenen Einzelkörner der Grauwacke und des Rhyoliths einen deutlich geringeren von außen zugänglichen Oberflächenanteil als die gleichartigen Gesteinskörner aus dem Kies besitzen. Aufgrund der limitierten Ortsauflösung der 3D-CT von 11 bis 16,5 μm wurde mit BET eine um drei Zehnerpotenzen höhere spezifische Oberfläche ermittelt.
Zu den Porositätsuntersuchungen an den Korngemengen sei angemerkt, dass zum Teil gegenläufige Trends zwischen offener Porosität und spezifischer Oberfläche festgestellt wurden. Dieses ist beim Bezug des bei den Löseversuchen in 0,1 M KOH mit definierter NaCl-Zugabe aus der Gesteinskörnung gelösten SiO2 und Al2O3 von zentraler Bedeutung. Bei den Löseversuchen an den fraktionsspezifischen Korngemengen selbst zeigte sich, dass die stufenweise Erhöhung des NaCl-Gehalts von 0 auf 10 M.-% im Eluat eine erhöhte SiO2-Löslichkeit und eine verminderte Auslaugung von Al2O3 zur Folge hat. Auffallend war hierbei, dass die Al2O3-Löslichkeit bei GK4 ohne und mit geringer NaCl-Zugabe die mit Abstand höchsten Werte annimmt. Bei den zusätzlich durchgeführten Löseversuchen an den tomografierten Einzelkörnern in 1 M KOH-Lösung mit Zugabe von 1 M.-% NaCl zeigte sich, dass nur vereinzelt bei den untersuchten Gesteinsarten eine Korrelation zwischen dem SiO2- bzw. Al2O3-Gehalt im Eluat und der absoluten BET-Oberfläche nachweisbar ist. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass neben der Oberfläche weitere Parameter (z.B. die mineralogische Zusammensetzung der Einzelkörner) das Löseverhalten maßgebend beeinflussen. Bei den parallel zu den Löseversuchen durchgeführten Betonversuchen nach dem ARS 04/2013 zeigte sich, dass die Alkaliempfindlichkeit der GK4 bei beiden Betonversuchen mit Alkalizufuhr unterschiedlich zu bewerten ist. So ist unabhängig von der vorgegebenen pessimalen Betonrezeptur des Fahrbahndeckenbetons ausschließlich bei der Klimawechsellagerung die GK4 als alkaliempfindlich einzustufen. Allerdings konnte der Befund der stark ausgeprägten AKR bei der GK4 mit der Dünnschliffmikroskopie nicht bestätigt werden. Analoges gilt für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von GK2 mit den Betonversuchen nach der Alkalirichtlichtlinie des DAfStb. So ist auch hier die GK2 nicht im 60 °C-Betonversuch sondern ausschließlich im 40 °C-Betonversuch als alkaliempfindlich einzustufen.
Dienach den verschiedenartigen Betonversuchen durchgeführten LIBS-Analysen am Vertikalschnitt der Prüfkörper zeigen, dass im Kernbereich nach dem 60 °C-Betonversuch mit 10 %iger NaCl-Lösung und nach der Klimawechsellagerung mit NaCl-Beaufschlagung annähernd gleich hohe Natrium- und Chloridgehalte vorgefunden werden. Wider Erwarten treten an den beaufschlagten Prüfflächen Abreicherungen von Natrium und Anreicherungen von Chlorid auf. Im 40°C- und 60 °C-Betonversuch wurde das Natrium bis in eine maximale Tiefe von ca. 30 mm bzw. 20 mm ausgelaugt. Die aufbauenden korrelativen Betrachtungen zwischen den Ergebnissen des 60°C Betonversuchs mit Alkalizufuhr und der Löseversuche an den fraktionsspezifischen Korngemengen in 1 M KOH-Lösung mit definierter NaCl-Zugabe sind durchaus vielversprechend. So zeigt sich beispielsweise beim Waschbeton, dass der fraktionsspezifisch gewichtete SiO2-Überschuss im Eluat nach 56 Tagen mit Zugabe von 0,5 M.-% NaCl ohne Bezug auf die BET-Oberfläche zur gleichen Einstufung der vier betrachteten Gesteinskörnungen wie bei den Dehnungen im 60 °C-Betonversuch mit 3 %-iger NaCl-Lösung führt. Außerdem korrelieren die im 60 °C-Betonversuch mit 10 %-iger NaCl-Lösung ermittelten Dehnungen mit dem gewichteten SiO2-Überschuss im Eluat bei Zugabe von 2 M.-% NaCl ohne Bezug auf die BET-Oberfläche.
Ausschließlich bei den Betonversuchen nach der Alkali-Richtlinie erwies sich der Bezug des im Eluat ermittelten SiO2-Überschusses auf die BET-Oberfläche als zielführend. Aufgrund des Potenzials der Löseversuche mit NaCl-Zugabe für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnung im Fahrbahndeckenbeton wird empfohlen, die vergleichenden Untersuchungen zwischen den Löseversuchen an Korngemischen der einzelnen Fraktionen und den Betonversuchen nach dem ARS 04/2013 mit einer möglichst hohen Anzahl an Gesteinskörnungen und einem präzisierten Untersuchungsumfang fortzuführen.
Due to the ageing of the infrastructure facilities, a reliable assessment of the condition of concrete structures is of great interest to plan timely and appropriate measures. In concrete structures, pittingcorrosion of the reinforcement is the predominant deterioration mechanism affecting serviceability and eventually structural performance. Determination of quantitative chloride ingress is not only necessary to obtain valuable information on the current condition of a structure, but the data obtained can also be used to predict future developments and the associated risks. An overview of the progress and the possibilities of the application of laser-induced breakdown spectroscopy for concrete analysis in daily civil engineering practice is given. High-resolution 2D measurements of drill cores to determine the penetration of harmful species into concrete is presented. Furthermore, the application of a mobile LIBS system in a parking garage is shown. The system consists of a diode-pumped low-energy laser (3 mJ, 1.5 ns, 100 Hz) and a compact NIR spectrometer. A scanner allows two-dimensional element mapping. Progress towards the establishment of LIBS in a leaflet for the analysis of chlorine ingress into concrete in civil engineering is presented.
Die Alterung bestehender Brückenbauwerke fällt mit dem sich verschlechternden Zustand und zunehmenden Anforderungen an die Bausubstanz zusammen, die eine Folge von steigenden Verkehrszahlen und der Zulassung des Schwerlastverkehrs sind. Der daraus erwachsende Bedarf an Beurteilungen von bestehenden Brücken ist national und international fortwährend groß. Die Grundlage für Nachrechnungen sind die über das System verfügbaren Informationen. Sowohl die rechnerische Zuverlässigkeit eines Tragwerks als auch die Validität der Ergebnisse hängen im Wesentlichen vom Zustand, also von der Qualität und der Relevanz dieser Informationen ab. Die gezielte Messung von gütebewerteten, relevanten Informationen kann die Urteilsfähigkeit des Beurteilenden über die Zuverlässigkeit eines Tragwerks signifikant steigern. Wünschenswert ist die Erhebung derartiger Informationen ohne signifikante Eingriffe in die Bausubstanz.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Erprobung einer Vorgehensweise für die probabilistische Beurteilung von bestehenden Bauwerken mit zerstörungsfrei gemessenen Daten und einer Methodik zum objektiven Nachweis der Eignung von zerstörungsfreien Messverfahren zur Anwendung im Zuge einer Nachrechnung. Herausgestellt wird die Eignung der im Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) publizierten Regeln zur Bewertung der Qualität der gemessenen Informationen, die später im statischen Nachweis verwendet werden sollen. Die Anforderungen an die Basisvariablen, d. h. an die Eingangsgrößen im probabilistischen Nachweis, werden aus den Vorschriften zur Zuverlässigkeitsanalyse mit dem probabilistischen Näherungsverfahren FORM, der First Order Reliability Method, abgeleitet. Darauf basiert die Entwicklung der Schnittstelle zwischen der Messtechnik und der Nachrechnung. Im Kern werden die messdatenbasierten Basisvariablen explizit als Zufallsgrößen bei der Zuverlässigkeitsanalyse berücksichtigt. Die entwickelte Vorgehensweise wird am Beispiel von zwei Spannbetonbrücken und vier Basisvariablen erprobt. In die Nachweise der Biege- und der Querkrafttragfähigkeit sowie in einen Nachweis der Dekompression fließen geometrische Messergebnisse ein, die mithilfe von Radar- und Ultraschallmessungen generiert werden. Ein wichtiger Bestandteil ist die Bildung von Modellen zur Auswertung der Messungen und zur Berechnung der Messergebnisse.
Es wird gezeigt, dass die Einbeziehung der zerstörungsfrei generierten Messergebnisse die Unsicherheit in den Berechnungsmodellen reduzieren und den Grad der Annäherung der Modelle
an die Realität steigern kann. Die Messergebnisse sind zuverlässig und vergleichbar. Umfassende Sensitivitätsanalysen geben Aufschluss über sinnvollerweise zu messende Bauwerksparameter, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Tragwerkszuverlässigkeit ausüben. Auf diese Weise wird die Relevanz der Informationen ermittelt. Das Potential derartiger Analysen für die gezielte Planung und Beauftragung von Messungen sowie für die bedarfsgerechte Zuschärfung von initial unzureichenden Berechnungsmodellen erscheint groß. Die messdatenbasierten Modelle können darüber hinaus die Robustheit einer Tragwerksanalyse steigern. Die Berücksichtigung von Messergebnissen ist dann besonders nützlich, wenn zur Beurteilung erforderliche Informationen fehlen oder Zweifel an den verfügbaren Informationen aufgekommen sind. Im besten Fall resultiert daraus die Verlängerung von rechnerischen Restnutzungsdauern, die Steigerung der Verfügbarkeit der Infrastruktur, die Optimierung des Ressourcenverbrauchs und insgesamt eine realitätsnahe Bauwerksbewertung.
Amorphous, porous materials represent by far the largest proportion of natural and men-made materials. Their pore networks consists of a wide range of pore sizes, including mesoand macropores. Within such a pore network, material moisture plays a crucial role in almost all transport processes. In the hygroscopic range, the pores are partially saturated and liquid water is only located at the pore fringe due to physisorption. Therefore, material parameters such as porosity or median pore diameter are inadequate to predict material moisture and moisture transport. To quantify the spatial distribution of material moisture, Hillerborg’s adsorption Theory is used to predict the water layer thickness for different pore geometries. This is done for all pore sizes, including those in the lower nanometre range. Based on this approach, it is shown that the material moisture is almost completely located in mesopores, although the pore network is highly dominated by macropores. Thus, mesopores are mainly responsible for the moisture storage capacity, while macropores determine the moisture transport capacity, of an amorphous material. Finally, an electrical analogical circuit is used as a model to predict the diffusion coefficient based on the pore-size distribution, including physisorption.
Zu jedem Endlager gehört die Entwicklung eines Verschlusskonzept. Im Endlager Morsleben und an anderer Stelle werden in Abhängigkeit vom Wirtsgestein verschiedene Materialien und Bauweisen für Streckenverschlüsse entwickelt und in großem Maßstab erprobt. Hierzu gehören auch Maßnahmen der Qualitätssicherung, die Informationen über Ausführung und Zustand der Versuchsbauwerke liefern. Hierzu werden von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) für verschiedene Forschungsvorhaben und Prüfaufträge Methoden und Geräte getestet, verbessert und vor Ort unter Tage eingesetzt Die hier beschriebenen Verfahren lassen sich auch zu Untersuchungen im Wirtsgestein anwenden.
Ultrasonic monitoring, making use of the sensitivity of the coda of repeated transmission meas-urements to changes in stress, temperature, moisture, as well as localized or distributed damage, has gotten at-tention in structural health monitoring (SHM) research recently. Analysis methods such as coda wave inter-ferometry (CWI), including its nonlinear extension, have been shown to be able to measure ultrasonic wave velocity changes with a 1∙10-5 resolution, while indicators such as cross-correlation or cross-coherence have been used to distinguish between reversible and irreversible changes. Several small- and large-scale laboratory experiments have demonstrated that stress changes in structures can be captured or damage detected in a very early stage. The use of this technique for pre-warning before failure are currently under investigation, as well as detailed research on the physical causes and the connection between ultrasonic wave properties and materi-al/structural behavior. Recently, several of large-scale laboratory and real structures have been instrumented with embedded ultrasonic transducers to gather experience and evidence on how to use this technology in re-al-world applications. Preliminary results from installations on a new bridge, an existing bridge, a tunnel, a la-boratory earthquake test as well as a historic stadium in Germany, Poland, and the United States, respectively, are presented. Environmental influences (mainly temperature) and validation by load tests are discussed.
Acoustic emission and ultrasonic monitoring of a prestressed concrete bridge in its final years
(2021)
Many European bridges built in the 1950s, 60s and 70s must be re-placed in the next decade due to structural deficiencies, insufficient load capacity or other issues. However, the existing bridges must be used for another couple of years even if flaws and damages already have been detected.
In Germany, several prestressed concrete bridges have been instrumented with acoustic emission detection systems to detect wire breaks and to provide early warning signs before failure. To evaluate and interpret the consequences of wire breaks additional instrumentation and accompanying measures as finite element modeling are required.
At a bridge in southern Germany we have complemented such a system with active ultrasonic monitoring. Repeated ultrasonic measurements are evaluated with a very sensible algorithm called coda wave interferometry. This method, inspired by seismology, has been shown to deliver early warning signs in lab experiments. Large volumes of concrete can be monitored with a limited network of ultrasonic transducers. We will report on the installation, capabilities, and lim-itations as well as first results.
NDE 4.0 in Civil Engineering
(2021)
Civil engineering industry is one of the most important industry sectors in the worldwide economy. It contributes significantly to the gross economic product and general employment. Even more important, it provides many of the basic needs of the society (e.g., housing, infrastructure, and protection from natural hazards). The concept of “Industry 4.0” or “Smart Production” has not yet made significant progress in the civil engineering industry. The designing, building, and operating processes are still widely dominated by the exchange of printed documents and drawings. Most objects (buildings and other constructions) are unique, and a large part of the production still requires a large amount of manual labor. As-built documentation and quality assurance are often neglected. Civil engineering is among the industry sectors with the lowest level of digitalization and the lowest gain in productivity. However, this is going to change. In the past decade, several drivers have challenged the ways clients, contractors, and authorities currently operate. These drivers include but are not limited to an increasing demand for serialization and automatization or the mandatory introduction of “Building Information Modeling” (BIM) in public procurement as well as the upcoming use of digital twins. NDE plays an increasing role in quality assurance, condition assessment, and monitoring of structures. However, with very few exceptions, applications are mostly nonstandardized and performed only at selected sites. To change this, the NDT-CE community including manufacturers, service providers, clients, and the scientific community must work consistently on open data formats, interfaces to BIM, standardization, and validated ways for a quantitative use of the results in the assessment of constructions.
In civil engineering, clear regulations and standards, such as the European standard DIN EN 206 apply to ensure that the existing infrastructure is sufficiently resistant to a wide range of exposure conditions. Despite these regulations, in practice concrete structures often show severe damage during their service life. One of these damages is pitting corrosion of the reinforcement, which can be caused by chloride ingress into the structure. Therefore, determining the distribution and depth of chloride ingress is important in predicting the service life. LIBS provides an alternative method to conventional wet chemistry in civil engineering. Despite many advantages, the use of LIBS has been severely limited due to a lack of regulations. Together with project partners from research and industry, we are currently working on a leaflet that will regulate chloride analysis in civil engineering using LIBS. This year, an international round robin test was organized to evaluate the performance of LIBS for chloride analysis in cement pastes. No specifications were given for the experimental LIBS setup and data evaluation. The preliminary results are presented.
To conduct a reliable, repeatable and accurate LIBS analysis, the optimization of the experimental setup is an important task. Hardware parameters of lasers and spectrometers used in the setup as well as additionally required components such as optics or process gas pipes must be carefully aligned and adjusted because factors like (i) focal conditions of the optics, (ii) alignment of the sample, (iii) process purge gas (types, flow rate) or (iv) measurement settings (integration time, accumulation of pulses) have a big impact on the signal quality. Therefore, in most cases the effect of different factors is evaluated empirically due to changing one factor at a time while keeping the overall configuration the same. In the end, the optimal configuration is selected based on the best parameters for each influencing factor. During optimization, a configuration of the experimental setup is aimed at, which allows e.g. the highest signal intensity or the lowest variation. In most cases, cross-correlation, interference and interaction among the various factors are not considered. For this reason, the possibilities of using Design of Experiment (DoE) to optimize a LIBS experiment will be shown and advantages of (i) reduction of testing plans using a feature space, (ii) identifying and considering cross-correlations and interactions, (iii) evaluating individual impacts on the measurement (e.g. contour and surface plots) as well as (iv) multivariate models for prediction of impacts will be presented.