Analytische Chemie
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Schlaffe und vorgespannte Bewehrungen in Stahlbetonbauwerken lassen sich in einer Tiefe von etwa 30 – 35 cm gut mit dem Radarverfahren orten. In der Praxis zeigt sich aber häufig, daß der zeitliche Aufwand für eine Radarmessung stark variieren kann. Gründe dafür sind zum einen die Komplexität der Bewehrung im Betonbauteil, zum anderen aber auch die Unsicherheit des Anwenders bei der Durchführung der Radarmessung. Die Frage, ob die Bewehrung schon mit der Messung entlang einer einzelnen Messlinie gefunden werden kann, oder ob eine flächige Messung notwendig ist, kann häufig nicht schnell und einfach beantwortet werden.
Bei flächigen Radarmessungen ist ein wesentlicher Punkt dabei die Frage, wie dicht das Messraster sein soll. In der Praxis stellt sich häufig im Nachhinein heraus, daß ein weniger dichtes Raster mit einem Messlinienabstand von 10 cm oder 20 cm statt eines dichteren Rasters von z. B. 5 cm Messlinienabstand keine merkliche Verschlechterung des Ergebnisses beim Orten der Bewehrung liefert. Der zeitliche Aufwand für eine Radarmessung kann sich deshalb bei einer aufgabenbezogenen Wahl des Messrasters im Vergleich zur ursprünglichen Messung um deutlich mehr als die Hälfte verringern. Seltener tritt in der Praxis der Fall auf, daß ein Messraster zu groß gewählt wurde.
Anhand von Praxisbeispielen werden die Unterschiede von Radarergebnissen bei einer Variation von Messrastern gezeigt. Die Wahl eines aufgabenbezogenen Messrasters wird ebenso wie die Wahl einer geschickten Antennenpolarisation bei der Ortung vorgespannter Bewehrung betrachtet und der Einfluss der Antennenpolarisation auf den Aufwand der Radarmessung diskutiert. Abschließend wird ein kurzer Ausblick gegeben, was für ein Potential dichte Messraster trotzdem in der Forschung haben können.
Am Beispiel der Ertüchtigung einer Brücke in Bremen wird gezeigt, wie mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) Radar- und Ultraschall die genau Lage vorgespannte Bewehrung gefunden bzw. bestätigt werden kann. Im Rahmen von Ertüchtigungsmaßnahmen an Spannbetonbrücken werden häufig Kernbohrungen durchgeführt, die die vorhandenen Spannbewehrungen nicht beschädigen dürfen. Es wird die Vorgehensweise beschrieben, wie mit ZfP ein wesentlicher Beitrag geleistet wird, das Risiko einer Beschädigung zu minimieren und somit eine bessere Planungssicherheit für die Ertüchtigungsmaßnahmen zu schaffen. Dabei werden auch die Grenzen der bei den Verfahren aufgezeigt.
Am Beispiel der Ertüchtigung einer Brücke in Bremen wird gezeigt, wie mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) Radar- und Ultraschall die genau Lage vorgespannte Bewehrung gefunden bzw. bestätigt werden kann. Im Rahmen von Ertüchtigungsmaßnahmen an Spannbetonbrücken werden häufig Kernbohrungen durchgeführt, die die vorhandenen Spannbewehrungen nicht beschädigen dürfen. Es wird die Vorgehensweise beschrieben, wie mit ZfP ein wesentlicher Beitrag geleistet wird, das Risiko einer Beschädigung zu minimieren und somit eine bessere Planungssicherheit für die Ertüchtigungsmaßnahmen zu schaffen. Dabei werden auch die Grenzen der beiden Verfahren aufgezeigt.
Das ZfP Verfahren Impulsradar wird bei der Untersuchung des Schotterunterbaus von Schienen wegen unterstützend eingesetzt, um deren Struktur und Materialeigenschaften zu bestimmen. Eingesetzt werden kann dieses Verfahren sowohl für die Qualitätskontrolle beim Neubau von Schienenwegen als auch für die Bedarfsermittelung von Instandsetzungsarbeiten aufgrund von Schotterverunreinigungen. Kosten können eingespart werden durch eine Verlängerung der Reinigungszyklen und der Lebensdauer des Schotters. Ein Antennenarray für die Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit wurde entwickelt und aufgebaut. Ergebnisse von Schottermessungen im Labor werden vorgestellt.
Die Erarbeitung der Grundlagen für effiziente und bedarfsgerechte Instandsetzungsmaßnahmen an Schottergleisbetten ist das Ziel des Projektes „SafeRail“. Das Impulsradarverfahren wird als zerstörungsfreie Methode für die Zustandsbestimmung des Schotters verwendet, um entsprechend den hohen Anforderungen der Netzbetreiber Unterbrechungen des Schienenverkehrs weitgehend zu vermeiden. Für eine automatisierte Bewertung der Vermischung des Schotters mit dem Untergrund sowie des Abnutzungszustandes des Schotters wird ein Antennenarray entwickelt, das bezüglich seiner Messgeometrie optimiert wird.
A multi-offset radar system will be presented that features the possibility to get quantitative information about the wave propagation velocity as a measure of the ballast quality. This goes beyond the regular application of conventional radar systems offering only qualitative structural information. The new approach provides a fast NDT method for the classification of ballast fouling. A main advantage of the multi-offset radar is that regular ballast digging for velocity evaluation can be avoided and travel time can be directly transformed into an equivalent depth by using the automatically evaluated velocity. The maintenance cost and interruption time can be significantly decreased by this method. The application of velocity evaluation method is common in geophysical applications but it is used for ballast inspection for the first time.
A GPR antenna array was investigated for automated measurement of wave propagation velocity as a measure of the ballast quality. This goes beyond the regular application of conventional radar systems offering only qualitative structural information. The new approach provides a fast NDT method for the classification of ballast fouling. A main advantage of the multi-offset radar is that regular ballast digging for velocity evaluation can be avoided and travel time can be directly transformed into an equivalent depth by using the automatically evaluated velocity. Fast monitoring of ballast fouling condition can reduce maintenance cost significantly by supporting the works necessary for ballast cleaning and furthermore this method reduces interruption time for a better railway service.
The presentation was an invited talk for the final meeting of the Mara Nord Project. Projects purpose is to demonstrate the potential of GPR method use in road condition measurement and rehabilitation planning to the Nordic market. This will be achieved through cooperation between Finland, Sweden and Norway.
The presentation gives an overview of road condition measurement and rehabilitation planning in Germany and several different kind of GPR applications in Germany.
Amplitudes variation of GPR rebar reflection due to the influence of concrete aggregate scattering
(2015)
Dense GPR measurements of rebar reflection amplitudes Show relative variations, which can be in the order of more than 10% - 20%. Former investigations demonstrated that these variations are caused by the heterogeneity of concrete, i.e. due to the inclusion of aggregates in concrete. These amplitude variations make it difficult to analyse single reflection amplitudes in order to determine the rebar diameter or to estimate the concrete deterioration state. In a systematic study we have quantified the statistical variation of the rebar reflection amplitude for concrete covers of 6 cm, 9 cm, 12 cm, 15 cm and 18 cm, for two different grading curves and for the rebar diameters 12 mm and 28 mm. Also the influence of the wavelength has been investigated by using antennas with different centre frequencies in relation to the aggregate size. The results are discussed with regard to a quantitative amplitude evaluation of GPR measurements and also the potential of using these variations for a characterization of concrete material properties.
Das Projektziel war die Vermeidung von Schäden bei Erdarbeiten und Ausschachtungen durch Entwicklung eines innovativen Bodenradarsystems mit wesentlicher Verbesserung des räumlichen Auflösungsvermögens bei der zerstörungsfreien Ortung von folgenden Objekten im Untergrund: Gasleitungen, Frisch- und Abwasserleitungen, Leitungen zur Elektrizitäts- und Kommunikationsversorgung aus verschiedenen Materialien und umgeben mit unterschiedlichen Böden mit variierendem Feuchtegehalt. Darüber hinaus ging es um die Reduzierung der Kosten und Erhöhung der Akzeptanz des Verfahrens durch eine schnelle Echtzeit-Interpretation der Messdaten.
In this paper, a new method for the investigation of the degradation of ballast railway track beds is proposed. An array of antennas is used for simultaneous acquisition of reflected radar impulses, which have been transmitted from different sending positions. This array setup allows an automated CMP-measurement, which enables a direct calibration of the ballast thickness. These multiple offset measurements using the array setup are well suited for fast railway inspections. The method offers the possibility to visualize the state of degradation of the ballast in a velocity spectrum.
Die Ermittlung der genauen Bewehrungslage ist von großem Interesse bei der Instandsetzung und Ertüchtigung von Stahlbetonbauwerken. Denn nur wenn die Lage der für die Standsicherheit wichtigen Bewehrung bekannt ist, können Kernbohrungen oder Sägearbeiten schadensfrei durchgeführt werden. Das Bodenradar als zerstörungsfreie Methode ist wegen des einfachen Verfahrens der Antenne entlang einer Messspur für eine solche Aufgabenstellung sehr gut geeignet. Die Anwendung kann aber eingeschränkt werden, wenn die gesuchte Bewehrung zu tief liegt oder durch eine davor liegende Bewehrung abgeschattet wird. Bei der Ortung mehrlagiger Bewehrung ist es wichtig, einen mehrstufigen und effizienten Messplan zu erstellen, der den Aufwand auf einem vertretbaren Maß beschränkt und die Möglichkeit bietet, beim Erreichen der Verfahrensgrenzen rechtzeitig die Untersuchung abzubrechen. Am Beispiel einer Stahlbetonbrücke, die nachträglich mit externen Spanngliedern versehen wurde, wird das Vorgehen beim Orten von mehrlagiger Bewehrung gezeigt.
Ground penetrating radar (GPR) was used to characterize the frequency-dependent dielectric relaxation phenomena in ordinary Portland cement (OPC) hydration in concrete changing from fresh to hardened state. The study was experimented by measuring the changes of GPR A-scan waveforms over a period of 90 days, and processed the waveforms with short-time Fourier transform (STFT) in joint time-frequency analysis (JTFA) domain rather than a conventional time or frequency domain alone. The signals of the direct wave traveled at the concrete surface and the reflected wave from an embedded steel bar were transformed with STFT, in which the changes of peak frequency over ages were tracked. The peak frequencies were found to increase with ages and the patterns were found to match closely with primarily the well-known OPC hydration process and secondarily, the evaporation effect. The close match is contributed to the simultaneous effects converting free to bound water over time, on both conventional OPC hydration and dielectric relaxation mechanisms.
Muon Tomography of the Interior of a Reinforced Concrete Block: First Experimental Proof of Concept
(2021)
Quality assurance and condition assessment of concrete structures is an important topic world-wide due to the aging infrastructure and increasing traffic demands. Common topics include, but are not limited to, localisation of rebar or tendon ducts, geometrical irregularities, cracks, voids, honeycombing or other flaws. Non-destructive techniques such as ultrasound or radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features. Until the 1980s X-ray transmission was used in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques. However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Muon tomography has received much attention recently. Novel detectors for cosmic muons and tomographic imaging algorithms have opened up new fields of application, such as the investigation of freight containers. Muon imaging also has the potential to fill some of the gaps currently existing in concrete NDT. As a first step towards practical use and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results are at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. The data acquisition takes more time and signals contain more noise, but the images allowed to detect the same important features that are visible in conventional high energy X-ray tomography. In our experiment, we have shown that muon imaging has potential for concrete inspection. The next steps include the development of mobile detectors and optimising acquisition and imaging parameters.
We investigated the possibility of surrounding waves
along with perimeter of large diameter tendon ducts during
ground penetrating radar (GPR) testing of concrete structures.
The surrounding waves influence the primary reflection from
tendon duct and alter the phase as well as amplitude of signal
depending on the diameter of the tendon duct. This phenomenon
was studied in detail by conducting several simulations using a
commercial software Reflexw®. Finite Difference Time Domain
method was adopted to analyze reflection patterns from objects
of various diameters located at different depths in concrete
media.
The proposed methodology will be useful in qualitative
assessment of size of metallic objects greater than a diameter of
6 cm. In general, the identification of large diameter tendon ducts
in a civil structure is carried out by prior knowledge of the civil
plan and its diagonal appearance to smaller diameter object
mesh. The proposed methodology will enhance the confidence in
identification of the larger diameter tendon ducts even if the civil
plan is not known accurately.
The concreting of prefabricated concrete structures can lead to insufficient bonding or even to remaining cavities. Honeycombs (aggregate clusters without cement) represent potential weakening of the structure and need to be detected non-destructively. In our study we tested the capability of ground penetrating radar (GPR)techniques for this purpose. We applied GPR in reflection mode and zero-offset profiling (ZOP) Transmission mode on a precast concrete twin wall with built-in honeycombs. GPR measurements were performed as twochannel measurement with ground coupled antennas with centre frequencies of 1.5 GHz and 2.6 GHz mounted to an automated scanner system.
Our findings show that ZOP transmission measurements are a more efficient method to detect voids in reinforced concrete structures compared to reflection mode measurements. This holds for both the effort needed for the measurement and the evaluation as well as the validity of the data. Honeycombs (basically representing voids) are usually characterized by strongly reduced amplitudes and earlier arrivals of the transmitted wave.
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.
Research and Development in Non-Destructive Testing in Civil Engineering at BAM has de-veloped over more than two decades. Highlights of present research are ultrasound phase array probes, ground penetrating radar applications for the assessment of existing structures and Laser Induced Breakdown Spec-troscopy (LIBS) to determine which chemical elements on the surface of a specimen are. RFID sensor devel-opments for wireless moisture monitoring and data fusion for the combined analysis of sensor data are fast developing areas. In addition, a selection of application cases is briefly described.