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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.
Der Beitrag beschreibt die Entwicklung eines neuartigen in situ Nachweisverfahrens zur Beurteilung des Feuerwiderstandes von bestehenden Stahlkonstruktionen mit gealtertem reaktivem Brandschutzsystem (RBS). Derzeit ist ein solcher Nachweis ausschließlich anhand eines Bauteilbrandversuchs möglich. Hierzu muss ein Bauteil aus der Bestandskonstruktion entnommen und einer zerstörenden Brandprüfung unterzogen werden. In Zusammenhang mit der Dauerhaftigkeitsbewertung von RBS für Zeiträume von mehr als 10 Jahren besteht in der Praxis vermehrt der Bedarf an einem minimal invasiven Prüfverfahren, mit dessen Hilfe sich direkt am Bestandsbauwerk die tatsächlich vorhandene Leistungsfähigkeit des gealterten RBS überprüfen lässt. Durch einen erfolgreichen Funktionsnachweis wäre eine Weiternutzung der Bestandkonstruktion bei Aufrechterhaltung des bestehenden Sicherheitsniveaus möglich.
Die Anwendung von Zuggliedern aus Carbon ist durch die außergewöhnlich gute Ermüdungs- sowie hohe Zugfestigkeit des Werkstoffs motiviert. Ferner ergibt sich gegenüber Stahl eine deutliche Reduzierung des Querschnitts. Perspektivisch sollen damit u. a. Stahlzugglieder im Netzwerkbogenbrückenbau ersetzt werden. Das Tragverhalten von Carbonzuggliedern im Brandfall ist jedoch bislang unbekannt. Daher wurden mittels Bauteilbrandversuchen die Versagensmechanismen untersucht sowie anhand gewonnener Versuchsdaten eine exemplarische Einschätzung zur Gleichwertigkeit gegenüber konventionellen Stahlzuggliedern vorgenommen. Der Beitrag beschreibt realmaßstäbliche Brandversuche an mechanisch belasteten Carbonzuggliedern, die im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens NeZuCa durchgeführt wurden. Das Versuchsprogramm umfasste vier Carbonzugglieder mit kreisrunden Querschnitten in zwei verschiedenen Durchmessern, 36 mm und 51 mm. In Ermangelung eines präskriptiven Brandszenarios für den im Projekt vorgesehenen Anwendungsfall und aus Gründen der Vergleichbarkeit erfolgte die Brandbeanspruchung nach Einheitstemperaturzeitkurve (ETK). Neben den Längsverformungen der Zugglieder wurden auch die Bauteil und Brandraumtemperaturen aufgezeichnet.
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.
Investigating the spalling behaviour of a concrete mixture using large scale members is complex and expensive. Thus, the susceptibility of concrete to spalling is investigated by means of fire tests on small scale specimens. However, the reduction of the fire exposed surface increases the influence of boundary effects. Macrocracking and the water loss via the lateral surfaces reduce the impact of the thermomechanical and thermohydraulic damage mechanisms and therefore, lower the risk of spalling. Thus, the influence of different restraints on the spalling behaviour of intermediate scaled specimens (Ø=0.47 m; h=0.29 m) was investigated for two ordinary concrete mixtures. Both mixtures had the same composition except the type of aggregate. One mixture contained only quartzitic aggregates, whereas the other mixture was made with basalt grit as coarse aggregates. Applied steel rings restrained the thermal expansion of the specimen and prevented the loss of water, whereas applied steel sheet primarily reduced the loss of water during the fire test. Additionally, the fire exposed surface of one specimen of each mixture was pre-dried under controlled climate conditions and fire tested with applied steel rings. The results show a higher spalling volume for the ring restrained specimens compared to the other covering types. Further, the pre-dried boundary zone leads to delayed and decreased occurrence of spalling compared to the non-dried specimens for the concrete with quartzitic aggregates and to a prevention of spalling for the mixture with basalt aggregates. Additionally, the results show that the influence of the thermomechanical behaviour of the coarse aggregates increases with increasing restraint. The restrained conditions of the specimens with applied steel ring are comparable to the conditions in the centre of a large scale member. This test series is a further step for possible concept of steel ring restraint concrete specimens as “screening-tests” in upcoming projects.
Der Beitrag stellt experimentelle Untersuchungen zum Feuerwiderstand von Carbonzuggliedern vor. Die Anwendung von Zuggliedern aus Carbon ist durch die außergewöhnlich gute Ermüdungs- sowie hohe Zugfestigkeit des Werkstoffs motiviert. Ferner ergibt sich gegenüber Stahl eine deutliche Reduzierung des Querschnitts. Perspektivisch sollen damit Stahlzugglieder im Netzwerkbogenbrückenbau ersetzt werden. Durch die Materialsubstitution werden Ressourcen nicht nur beim Zugglied selbst, sondern auch am Gesamttragwerk der Brücke eingespart. Da zum Tragverhalten von Carbonzuggliedern im Brandfall bislang keine Erkenntnisse vorliegen, sollen mit Hilfe von Bauteilbrandversuchen die Versagensmechanismen sowie die grundsätzliche Gleichwertigkeit gegenüber konventionellen Stahlhängern untersucht werden.
Der Beitrag beschreibt die Durchführung und die Ergebnisse von Brandversuchen an mechanisch belasteten Carbonzuggliedern. Die realmaßstäblichen Versuche werden am unikalen Zugbauteil-prüfofen der BAM im Mai 2022 durchgeführt. Das Versuchsprogramm umfasst vier Carbonzugglieder mit kreisrunden Querschnitten in zwei verschiedenen Durchmessern, ⌀36 mm und ⌀51 mm. Aus Gründen der Vergleichbarkeit erfolgt die Brandbeanspruchung nach Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK). Während des Brandversuches wird die axiale Prüfkraft von 750 kN bzw. 1500 kN bis zum Eintreten des Probenversagens konstant gehalten. Zusätzlich werden die Längsverformung sowie die Bauteil- und Brandraumtemperaturen aufgezeichnet.
In einem Vorversuch an einem unbelasteten Bauteilabschnitt eines Carbonzuggliedes konnte das Brand- und Erwärmungsverhalten des Verbundmaterials untersucht werden. Dabei zeigten sich Makrorisse und eine Zersetzung der Kunststoffmatrix sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit der Kohlenstofffasern. Durch das Fehlen der schützenden Matrix reagierten die Carbonfasern sensibel auf Querbeanspruchung. Dies führte zu einem Bruch und Ablösen der oberflächennahen Fasern.
Der diesjährige Beitrag zeigt den Einfluss ausgewählter Versuchsrandbedingungen auf das Abplatzverhalten von Normalbeton im kleinskaligen Brandversuch. Im Rahmen der Untersuchungen wurde die Abplatzneigung von acht zylindrischen Betonprüfkörpern der Maße Ø47 cm x 29 cm aus Normalbeton analysiert. Vier Prüfkörper wurden aus Normalbeton mit quarzitischer Gesteinskörnung hergestellt, wohingegen die grobe Gesteinskörnung (>2 mm) der anderen vier Prüfkörper durch Basaltsplitt ersetzt wurde. Neben der Art der groben Gesteinskörnung wurden zusätzlich ausgewählte Versuchsrandbedingungen variiert. Dies umfasste zum einen die Vorlagerung der Prüfkörper bei verschiedenen Umgebungsfeuchten und zum anderen die Ummantelung der Prüfkörper mit zwei Ringen aus Stahl bzw. einem durchgehenden Stahlblech. Die Ummantelung der Prüfkörper mit Stahlringen im Brandversuch führt zu einer Behinderung der thermischen Ausdehnung der Prüfkörper und zum Aufbau thermomechanischer Zwangsdruckspannungen. Diese Zwangsdruckspannungen werden maßgeblich von der thermischen Ausdehnung der verwendeten Gesteinskörnung beeinflusst. Zusätzlich wird die Feuchteabgabe über die Mantelfläche behindert. Der Einsatz des Stahlblechs reduziert lediglich die Abgabe der Feuchtigkeit über die Mantelfläche und induziert vernachlässigbare Zwangsdruckspannungen im Beton. Die Brandbeanspruchung der Prüfkörper erfolgte einseitig nach der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) über einen Zeitraum von 60 Minuten. Mit Hilfe eines Laser Scanners wurden vergleichende 3D-Messungen der brandbeanspruchten Oberfläche vor und nach dem Brandversuch durchgeführt. Aus diesen Messungen konnten das Abplatzvolumen, die Abplatztiefenverteilung und die maximale Abplatztiefe ermittelt werden. Während des Brandversuchs wurde die Temperaturverteilung im Prüfkörper mittels fünf eingebetteter Mantelthermoelemente in verschiedenen Tiefen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Abplatzungen an der brandbeanspruchten Oberfläche infolge der Prüfkörperummantelung mit Stahlringen bzw. Stahlblech zunehmen. Bei einer Ummantelung mit Stahlringen mit gleichzeitiger Vortrocknung der Betonrandzone platzt der Prüfkörper mit quarzitischer Gesteinskörnung ab, wohingegen der Prüfkörper mit basaltischer Gesteinskörnung keine Abplatzungen aufweist. Dies wird auf die unterschiedliche Ausprägung der thermomechanischen Schädigung infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Quarzkies und Basalt zurückgeführt.
Die Ergebnisse der Brandprüfserie zeigen, dass die Variation der Prüfrandbedingungen bei Beibehaltung der Prüfkörpergröße einen maßgeblichen Einfluss auf das Abplatzverhalten haben. Die Randbedingungen sind daher bei kleinskaligen Brandversuchen, die zukünftig als „Screening-Tests“ ersatzweise für kostenintensive Bauteilversuche verwendet werden sollen, zu berücksichtigen.
Die Kenntnis von Materialeigenschaften spielt bei der Entwicklung oder Optimierung von Betonen und Bauweisen für den Straßenbau sowie der Qualitätssicherung eine bedeutende Rolle. Gleichermaßen bilden physikalische Materialkennwerte die Grundlage für die rechnerische Dimensionierung und die Restsubstanzbewertung von Betonfahrbahndecken. Eine relevante Kenngröße bei der Untersuchung thermisch induzierter Spannungs- und Verformungszustände stellt der thermische Ausdehnungskoeffizient dar. Im Zuge der systematischen Weiterentwicklung der rechnerischen Dimensionierung, aber auch im Zusammenhang mit der gezielten Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von Betonfahrbahndecken gilt es zu hinterfragen, ob lastunabhängige Formänderungseigenschaften der verwendeten Betone aktuell ausreichend Beachtung finden, ob allgemeine Literaturwerte für die heutigen Fahrbandeckenbetone stets Gültigkeit besitzen und ob deren Implementierung in numerische Modelle zu realitätsnahen Vorhersagen führt. Für eine empirische Herangehensweise ist die Verfügbarkeit adäquater Prüfverfahren von entscheidender Bedeutung. In Deutschland existiert aktuell jedoch kein standardisiertes oder genormtes Verfahren für die prüftechnische Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Beton. Daher wurden unter Beachtung straßenbauspezifischer Gesichtspunkte zwei Prüfansätze entwickelt, die in diesem Beitrag vorgestellt sowie hinsichtlich möglicher Messunsicherheiten und Messungenauigkeiten diskutiert werden. Außerdem werden ausgewählte Ergebnisse aus Analysen an Bestandsbetonen aus dem BAB-Netz dargestellt. Im Ergebnis sollen die Untersuchungen einen Beitrag zur Schaffung der prüftechnischen Voraussetzungen für eine abgesicherte Quantifzierung der thermischen Dehnung von Fahrbahndeckenbetonen leisten.
Die Oberflächentexturierung der Betonfahrbahndecken mittels Grinding- und Grooving steht seit einigen Jahren im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung des Betonstraßenbaus in Deutschland. In den vergangenen Jahren wurden die vorteilhaften Oberflächenperformances derartiger Texturen wie z.B. Griffigkeit, Ebenheit, Lärmminderung in zahlreichen Forschungsprojekten umfassend untersucht und daraus die Technologie „Texturgrinding“ entwickelt.
Im Kontext des gegenwärtig verfolgten ganzheitlichen performanceorientierten Ansatzes liegt der Fokus nun verstärkt auf der Analyse und Charakterisierung der Oberflächentopografie von Grinding- bzw. Groovingtexturen. Insbesondere gilt ein Hauptaugenmerk hierbei der zeitlichen Entwicklung der Oberflächentexturen in Abhängigkeit von äußeren Einwirkungen durch Klima und Verkehr.
Dieser Beitrag zeigt, dass durch den Einsatz eines auf Streifenlichtprojektion basierenden Messsystems, eine hochaufgelöste dreidimensionale Erfassung der Oberflächentopografie verschiedenartiger Grinding- und Groovingtexturen möglich ist. Darauf aufbauend wurden messtechnische Voraussetzungen zur Gewährleistung reproduzierbarer Messungen geschaffen, die eine Dokumentation der zeitlichen Texturveränderungen infolge klimatischer Beanspruchung ermöglichen. Anschließend wurden Auswerteroutinen zur quantitativen und statistischen Charakterisierung der Oberflächentextur entwickelt und angewandt, um exemplarisch die Veränderungen der Oberflächentopografie infolge klimatischer Beanspruchung quantitativ abzubilden.
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.
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.
Beton, der heutzutage meist verwendete Baustoff, weist neben gutem Festigkeits- und Dauerhaftig-keitsverhalten ebenfalls erhöhte Brandschutzeigenschaften auf. Jedoch zeigen zahlreiche Schadensfälle, dass vor allem gefügedichte Betone im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen neigen. Diese führen zum Freilegen der vorhandenen Stahlbewehrung und zur Verminderung des tragfähigen Bauteilquer-schnitts. Das wiederum kann im schlimmsten Fall eine Gefährdung der Standsicherheit eines Bauwerks zur Folge haben.
Nach derzeitigem Stand werden die explosionsartigen Abplatzungen auf thermomechanische und thermohydraulische Prozesse zurückgeführt. Letztere beruhen auf der Generierung hoher Wasserdampfdrücke in einseitig brandbeanspruchten Betonbauteilen, die zum einen auf die geringe Permeabilität des hochfesten Betons und zum anderen auf die Bildung einer wassergesättigten Zone, der sogenannten „moisture clog“ zurückzuführen sind. Die experimentelle Analyse der dabei ablaufenden Feuchtetransport- und Feuchteumlagerungsmechanismen ist Gegenstand des Vortrags.
Dazu wurde an der BAM im Rahmen eines MI-Typ 2 Projektes (FB 7.1, 7.3, 8.5) ein Versuchsstand aufgebaut, der die dreidimensionale, simultane Analyse und Quantifizierung des Feuchtetransports an einsei-tig erwärmten, miniaturisierten Prüfkörpern aus gefügedichtem Beton mittels Röntgencomputertomographie erstmals ermöglicht. Zusätzlich wird die eindimensionale Feuchteverteilung im Prüfkörper mittels Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Technik vor und nach einseitiger Erwärmung untersucht. Mithilfe dieser Prüfmethodologie ist es möglich, die Ausbildung einer Trocknungs- bzw. Dehydrationszone sowie einer tiefergelegenen Feuchteakkumulationszone zeitlich aufgelöst abzubilden. Darüber hinaus können die Einflüsse einer Polypropylenfaserzugabe auf den thermisch induzierten Feuchtetransport quantifiziert werden.
Die Kenntnis von Materialeigenschaften spielt bei der Entwicklung oder Optimierung von
Betonen und Bauweisen für den Straßenbau sowie der Qualitätskontrolle und -sicherung eine bedeutende Rolle. Gleichermaßen bilden physikalische Materialkennwerte die Grundlage für die rechnerische Dimensionierung und die Restsubstanzbewertung von Betonfahrbahndecken.
Einen relevanten Kennwert bei der Untersuchung thermisch induzierter Spannungsund Verformungszustände stellt der thermische Ausdehnungskoeffizient von Beton dar.
Dieser beeinflusst beispielsweise maßgeblich das Längsdehnungsverhalten des Deckensystems sowie das Ausmaß von Plattenkrümmungen und Fugenbewegungen. Im Zuge der systematischen Weiterentwicklung der rechnerischen Dimensionierung aber auch im Zusammenhang mit der gezielten Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von Fahrbahndecken gilt es zu hinterfragen, ob lastunabhängige Formänderungseigenschaften, wie z. B. der thermische Ausdehnungskoeffizient der verwendeten Betone, aktuell ausreichend Beachtung finden, ob allgemeine Literaturwerte für die heutigen Fahrbandeckenbetone stets Gültigkeit besitzen und ob deren Implementierung in moderne Rechenmodelle zu validen Ergebnissen führt. Für eine empirische Herangehensweise ist die Verfügbarkeit adäquater Prüfverfahren von entscheidender Bedeutung. In Deutschland existiert aktuell jedoch kein standardisiertes oder genormtes Verfahren für die prüftechnische Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Beton. Daher wurden unter Beachtung straßenbauspezifischer Gesichtspunkte zwei Prüfansätze entwickelt, die in diesem Beitrag vorgestellt und hinsichtlich möglicher Messunsicherheiten und Messungenauigkeiten diskutiert werden.
Außerdem erfolgt die Darstellung ausgewählter Ergebnisse aus Analysen an Bestandsbetonen aus dem BAB-Netz. Im Ergebnis sollen die Untersuchungen einen Beitrag zur Schaffung der prüftechnischen Voraussetzungen für eine abgesicherte Quantifzierung der thermischen Dehnung von Fahrbahndeckenbetonen leisten.
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.
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.
Unilateral thermal exposure of concrete building components induces moisture transport processes that have a significant influence on the spalling behaviour of dense high-strength concrete (HSC). These transport processes are based on evaporation and condensation mechanisms of liquid and gaseous water in the pores as well as the chemically bound water within the concrete. The low permeability of HSC and the formation of a saturated zone within building components (also known as a moisture clog) leads to high water-vapour pressures, which contributes to explosive spalling. The formation of these pressures has already been verified by means of pore-pressure measurement techniques. In addition, the redistribution of the moisture within concrete specimens subject to unilateral thermal exposure has been demonstrated on fractured surfaces. Investigations by means of the nuclear magnetic resonance (NMR) relaxometry technique and neutron radiography have shown one-dimensional changes in moisture distribution during thermal exposure.
However, none of these methods has been able to depict the moisture distribution in three dimensions (3D), so the link between pore size, concrete micro-structure and moisture content is missing. The research project presented in this paper aims to fill this gap by developing a new multi-level test methodology to characterise non-destructively the temporal course of spatial moisture distribution during unilateral thermal exposure. The procedure used during this programme included the collection of X-ray 3D-computed tomography (CT) measurements using a miniaturised specimen subjected to in-situ thermal exposure and the comparison of those CT results with the results of one-dimensional NMR-relaxometry before and after the heating process.
In the first step, a mobile heating device was developed, built and tested. To simulate a unilaterally-heated construction component, a cylindrical specimen made of HSC (Ø = 40 mm, L = 100 mm) was cast into an impermeable glass ceramic shell. The ceramic shell ensured a one-dimensional moisture flux and limited the thermal expansion of the concrete. An additional high-temperature wool (HTW) insulating shell ensured a one-dimensional heat flux. The heating device, which operated using infrared radiation (IR), allowed the unilateral heating of the specimens up to 300 °C using variable heating regimes.
In the second step, the mobile heating device was integrated into the CT-scanner, which enabled the collection of measurements before, during and after heating. By subtraction of successive 3D-CT images, X-ray attenuation differences could be resolved three-dimensionally in the specimen and interpreted as changes in the moisture content.
Initial results show that this test methodology can monitor the 3D changes of moisture content inside the specimen during thermal exposure. It enables the researcher to visualise areas with moisture accumulation as well as dehydrated areas inside the specimen. Comparative one-dimensional NMR-relaxometry measurements confirm the results of the CT image analysis.
Unilateral thermal exposure of concrete building components induces moisture transport processes that have a significant influence on the spalling behaviour of dense high-strength concrete (HSC). These transport processes are based on evaporation and condensation mechanisms of liquid and gaseous water in the pores as well as the chemically bound water within the concrete. The low permeability of HSC and the formation of a saturated zone within building components (also known as a moisture clog) leads to high water-vapour pressures, which contributes to explosive spalling. The formation of these pressures has already been verified by means of pore-pressure measurement techniques. In addition, the redistribution of the moisture within concrete specimens subject to unilateral thermal exposure has been demonstrated on fractured surfaces. Investigations by means of the nuclear magnetic resonance (NMR) relaxometry technique and neutron radiography have shown one-dimensional changes in moisture distribution during thermal exposure.
However, none of these methods has been able to depict the moisture distribution in three dimensions (3D), so the link between pore size, concrete micro-structure and moisture content is missing. The research project presented in this paper aims to fill this gap by developing a new multi-level test methodology to characterise non-destructively the temporal course of spatial moisture distribution during unilateral thermal exposure. The procedure used during this programme included the collection of X-ray 3D-computed tomography (CT) measurements using a miniaturised specimen subjected to in-situ thermal exposure and the comparison of those CT results with the results of one-dimensional NMR-relaxometry before and after the heating process.
In the first step, a mobile heating device was developed, built and tested. To simulate a unilaterally-heated construction component, a cylindrical specimen made of HSC (Ø = 40 mm, L = 100 mm) was cast into an impermeable glass ceramic shell. The ceramic shell ensured a one-dimensional moisture flux and limited the thermal expansion of the concrete. An additional high-temperature wool (HTW) insulating shell ensured a one-dimensional heat flux. The heating device, which operated using infrared radiation (IR), allowed the unilateral heating of the specimens up to 300 °C using variable heating regimes.
In the second step, the mobile heating device was integrated into the CT-scanner, which enabled the collection of measurements before, during and after heating. By subtraction of successive 3D-CT images, X-ray attenuation differences could be resolved three-dimensionally in the specimen and interpreted as changes in the moisture content.
Initial results show that this test methodology can monitor the 3D changes of moisture content inside the specimen during thermal exposure. It enables the researcher to visualise areas with moisture accumulation as well as dehydrated areas inside the specimen. Comparative one-dimensional NMR-relaxometry measurements confirm the results of the CT image analysis.
It is known that the spalling risk of dense, high-strength concretes (HSC) can be reduced by the addition of polypropylene (PP) fibres and, in particular, PP-fibres that have been pre-treated using electron irradiation. It is presumed that the enhanced reduction in spalling resulting from electron irradiation pre-treatment of the fibres can be attributed to enhanced penetration of the molten fibre material into the micro-cracks around the fibres, due to their significantly decreased viscosity. So far there has been no experimental evidence for this. Against this background, this paper gives a com-parative analysis of the mode of action of PP-fibres with and without pre-treatment using multi-scale test methodology.
Initially, fire tests on small-scale building components with accompanying damage monitoring veri-fied that the amount of PP-fibres can be halved by using pre-treated PP-fibres without reducing the fire performance of HSC. Detailed investigations of PP-fibres carried out in a completed research project funded by DFG (the German Research Foundation) using digital scanning calorimetry and thermogravimetry measurements (DSC/TG) as well as viscometer measurements showed that the pre-treatment has no significant influence on the melting temperature of the PP-fibres. However, a drastic reduction of the melt viscosity due to the electron irradiation was detectable. Additional dila-tation tests showed that the expansion behaviour of both fibre types and their melts do not differ significantly [1]. Rather, both fibre types generate high pressures when their thermal expansion is hindered. Further detailed investigations by means of continuous heating tests with a low heating rate were carried out on separately produced concrete cylinders. These tests showed that the pre-treatment of the PP-fibres causes earlier dehydration in conjunction with stagnation of thermal expansion of the concrete cylinders (temperature reduction from 180 °C to 170 °C). This is accompanied by in-creased acoustic emission activity during the thermal expansion tests. This leads to the assumption that the pre-treatment of PP-fibres results in earlier micro-crack development. However, it was not possible to confirm this assumption by microscopic examination of drilling cores with a diameter of 30 mm exposed to defined temperatures in the range between 150°C and 300°C. Microscopic obser-vations and additional X-ray 3D computed tomography (3D-CT) scans on miniaturised drilling cores exposed to temperature cycles showed a similar networking of fibre beds by means of micro-cracks in HSC for both fibre types. However, energy dispersive X-ray spectroscopy and wavelength disper-sive X-ray spectroscopy revealed fundamental differences in the penetration capacity of the fibre melts of the two fibre types. The increased penetration of the pre-treated PP-fibre melt revealed in these tests, confirms the initial working hypothesis.
Die Entwicklung von leistungsfähigen Fließmitteln in den letzten Jahrzehnten ermöglicht die Herstellung von Beton mit sehr geringem w/z-Wert, bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit. Die Reduzierung des w/z-Wertes führt zu einer Erhöhung der Festigkeit und zu einer Verdichtung der Gefügestruktur. Aufgrund der hohen Druckfestigkeit finden Hochleistungsbetone vermehrten Einsatz im Hoch-, Brücken-, und Tunnelbau. Allerdings neigen diese Hochleistungsbetone unter Brandbeanspruchung zu explosionsartigen Abplatzungen, die nach derzeitigem Stand auf thermomechanische und thermohydraulische Prozesse zurückgeführt werden. Letztere beruhen auf der Generierung hoher Wasserdampfdrücke in einseitig brandbeanspruchten Betonbauteilen, die zum einen auf die geringe Permeabilität des Hochleistungsbetons und zum anderen auf die Bildung einer wassergesättigten Zone, der sogenannten „moisture clog“ zurückzuführen sind. Dabei spielen Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge sowie der vorhandene Temperaturgradient eine wichtige Rolle. Die Interaktion des Feuchtetransportes mit den Gefügeveränderungen während der thermischen Beanspruchung soll im Rahmen weiterer Versuche eingehend untersucht werden.
Zur Analyse des Feuchtetransports während der thermischen Beanspruchung werden miniaturisierte Prüfkörper aus Hochleistungsbeton hergestellt, die mit Hilfe eines elektrischen Heizelements einseitig erwärmt werden. Zur Sicherstellung eines eindimensionalen Wärme- und Feuchtetransportes ist der Betonprüfkörper mit einer speziellen Glaskeramik und einer Hochtemperaturwolle ummantelt. Simultan zur Erwärmung werden eine Reihe röntgentomografischer Aufnahmen durchgeführt. Durch Differenzbildung aufeinanderfolgender Aufnahmen können Dichteveränderungen lokal und zeitlich werden, die Rückschlüsse auf Änderungen der Feuchteverteilung im Prüfkörper während der Erwärmung zulassen. Parallel dazu werden Untersuchungen mittels NMR-Relaxometrie (nuclear magnetic resonance) vor und nach der thermischen Beanspruchung durchgeführt. Die entwickelte Prüfmethodologie ermöglicht es, Veränderungen der Feuchteverteilung infolge thermischer Beanspruchung im Hochleistungsbeton von den Gelporen bis hin zu vorhandenen Verdichtungsporen abzubilden. Erste Ergebnisse zeigen, dass die gewählten Untersuchungsmethoden Veränderungen der Feuchteverteilung im Prüfkörper räumlich und zeitlich auflösen können.
Die Entwicklung von leistungsfähigen Fließmitteln in den letzten Jahrzehnten ermöglicht die Herstellung von Beton mit sehr geringem w/z-Wert, bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit. Die Reduzierung des w/z-Wertes führt zu einer Erhöhung der Festigkeit und zu einer Verdichtung der Gefügestruktur. Aufgrund der hohen Druckfestigkeit finden Hochleistungsbetone vermehrten Einsatz im Hoch-, Brücken-, und Tunnelbau. Allerdings neigen diese Hochleistungsbetone unter Brandbeanspruchung zu explosionsartigen Abplatzungen, die nach derzeitigem Stand auf thermomechanische und thermohydraulische Prozesse zurückgeführt werden. Letztere beruhen auf der Generierung hoher Wasserdampfdrücke in einseitig brandbeanspruchten Betonbauteilen, die zum einen auf die geringe Permeabilität des Hochleistungsbetons und zum anderen auf die Bildung einer wassergesättigten Zone, der sogenannten „moisture clog“ zurückzuführen sind. Dabei spielen Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge sowie der vorhandene Temperaturgradient eine wichtige Rolle. Die Interaktion des Feuchtetransportes mit den Gefügeveränderungen während der thermischen Beanspruchung soll im Rahmen weiterer Versuche eingehend untersucht werden.
Zur Analyse des Feuchtetransports während der thermischen Beanspruchung werden miniaturisierte Prüfkörper aus Hochleistungsbeton hergestellt, die mit Hilfe eines elektrischen Heizelements einseitig erwärmt werden. Zur Sicherstellung eines eindimensionalen Wärme- und Feuchtetransportes ist der Betonprüfkörper mit einer speziellen Glaskeramik und einer Hochtemperaturwolle ummantelt. Simultan zur Erwärmung werden eine Reihe röntgentomografischer Aufnahmen durchgeführt. Durch Differenzbildung aufeinanderfolgender Aufnahmen können Dichteveränderungen lokal und zeitlich werden, die Rückschlüsse auf Änderungen der Feuchteverteilung im Prüfkörper während der Erwärmung zulassen. Parallel dazu werden Untersuchungen mittels NMR-Relaxometrie (nuclear magnetic resonance) vor und nach der thermischen Beanspruchung durchgeführt. Die entwickelte Prüfmethodologie ermöglicht es, Veränderungen der Feuchteverteilung infolge thermischer Beanspruchung im Hochleistungsbeton von den Gelporen bis hin zu vorhandenen Verdichtungsporen abzubilden. Erste Ergebnisse zeigen, dass die gewählten Untersuchungsmethoden Veränderungen der Feuchteverteilung im Prüfkörper räumlich und zeitlich auflösen können.
Die Entwicklung von leistungsfähigen Fließmitteln in den letzten Jahrzehnten ermöglicht die Herstellung von Beton mit sehr geringem w/z-Wert, bei gleichzeitig guter Verarbeitbar-keit. Die Reduzierung des w/z-Wertes geht dabei mit einer Erhöhung der Festigkeit und einer Verdichtung der Gefü-gestruktur einher. Aufgrund der hohen Druckfestigkeit finden diese Hochleistungsbetone vermehrten Einsatz im Hoch-, Brücken-, und Tunnelbau. Unter Brandbeanspruchung neigen diese Hochleistungsbetone allerdings zu explosionsartigen Abplatzungen. Diese werden nach derzeitigem Stand auf thermomechanische und thermohydraulische Prozesse zurückgeführt. Letztere beruhen auf der Generierung hoher Wasserdampfdrücke in einseitig brandbeanspruchten Beton-bauteilen, die zum einen auf die geringe Permeabilität des Hochleistungsbetons und zum anderen auf die Bildung einer wassergesättigten Zone, der sogenannten „moisture clog“ zurückzuführen sind. Dabei spielen Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge sowie der vorhandene Temperatur-gradient eine wichtige Rolle. Die Interaktion des Feuchtetra-nsportes mit den Gefügeveränderungen während der thermi-schen Beanspruchung soll im Rahmen weiterer Versuche eingehend untersucht werden.
Zur Analyse des Feuchtetransports während der thermischen Beanspruchung wurden miniaturisierte Prüfkörper aus Hoch-leistungsbeton hergestellt, die mit Hilfe eines elektrischen Heizelements einseitig erwärmt wurden. Zur Sicherstellung eines eindimensionalen Wärme- und Feuchtetransportes ist der Betonprüfkörper mit einer speziellen Glaskeramik und einer Hochtemperaturwolle ummantelt. Simultan zur Erwär-mung werden eine Reihe röntgentomographischer Aufnah-men durchgeführt. Durch Differenzbildung aufeinanderfol-gender Aufnahmen können Dichteveränderungen lokal und zeitlich aufgelöst werden. Diese lassen Rückschlüsse auf Än-derungen der Feuchteverteilung im Prüfkörper während der Erwärmung zu. Parallel dazu werden Untersuchungen mittels NMR-Relaxometrie (nuclear magnetic resonance) vor und nach der thermischen Beanspruchung durchgeführt. Diese Prüfmethodologie ermöglicht es erstmals, die Veränderungen der Feuchteverteilung infolge thermischer Beanspruchung im Hochleistungsbeton von den Gelporen bis hin zu vorhande-nen Verdichtungsporen abzubilden. So zeigen erste Ergebnis-se, dass die gewählten Untersuchungsmethoden Veränderun-gen der Feuchteverteilung im Prüfkörper räumlich und zeitlich auflösen können.