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- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (6) (entfernen)
During their life span, concrete structures interact with many kinds of external mechanical loads. Most of these loads are considered in advance and result in reversible deformations. Nevertheless, some of the loads cause irreversible, sometimes unnoticed changes below the macroscopic scale depending on the type and dimension of the impact. As the functionality of concrete structures is often relevant to safety and society, their condition must be known and, therefore, assessed on a regular basis. Out of the spectrum of non-destructive monitoring methods, Coda Wave Interferometry using embedded ultrasonic sensors is one particularly sensitive technique to evaluate changes to heterogeneous media. However, there are various influences on Coda waves in concrete, and the interpretation of their superimposed effect is ambiguous. In this study, we quantify the relations of uniaxial compression and uniaxial tension on Coda waves propagating in normal concrete. We found that both the signal correlation of ultrasonic signals as well as their velocity variation directly reflect the stress change in concrete structures in a laboratory environment. For the linear elastic range up to 30% of the strength, we calculated a velocity variation of −0.97‰/MPa for compression and 0.33%/MPa for tension using linear regression. In addition, these parameters revealed even weak irreversible changes after removal of the load. Furthermore, we show the time-dependent effects of shrinkage and creep on Coda waves by providing the development of the signal parameters over time during half a year together with creep recovery. Our observations showed that time-dependent material changes must be taken into account for any comparison of ultrasonic signals that are far apart in time. The study’s results demonstrate how Coda Wave Interferometry is capable of monitoring stress changes and detecting even small-size microstructural changes. By indicating the stated relations and their separation from further impacts, e.g., temperature and moisture, we anticipate our study to contribute to the qualification of Coda Wave Interferometry for its application as an early-warning system for concrete structures.
Integration of fiber reinforcement in high-performance cementitious materials has become widely applied in many fields of construction. One of the most investigated advantages of steel Fiber reinforced concrete (SFRC) is the deceleration of crack growth and hence its improved sustainability.
Additional benefits are associated with its structural properties, as fibers can significantly increase the ductility and the tensile strength of concrete. In some applications it is even possible to entirely replace the conventional reinforcement, leading to significant logistical and environmental benefits.
Fiber reinforcement can, however, have critical disadvantages and even hinder the Performance of concrete, since it can induce an anisotropic material behavior of the mixture if the fibers are not appropriately oriented. For a safe use of SFRC in the future, reliable non-destructive testing (NDT) methods need to be identified to assess the fibers’ orientation in hardened concrete. In this study,
ultrasonic material testing, electrical impedance testing, and X-ray computed tomography have been investigated for this purpose using specially produced samples with biased or random Fiber orientations. We demonstrate the capabilities of each of these NDT techniques for fiber orientation measurements and draw conclusions based on these results about the most promising areas for future research and development.
Due to the high sensitivity of coda waves to the smallest structural alterations such as strain, humidity or temperature changes, ultrasonic waves are a valid means to examine entire structures employing networks of ultrasonic transducers. In order to substantiate this ex ante assessment, the viability of measuring ultrasonic waves as a valid point of reference and inference for structural changes is to be further scrutinized in this work. In order to investigate the influence of mechanical strain on ultrasonic signals, a four-point bending test was carried out on a reinforced concrete beam at Ruhr University Bochum. Thus, measurements collected from a network of selected transducer pairings arranged across the central, shear-free segment of the test specimen, were correlated to their respective strain fields. Detected ultrasonic signals were evaluated employing Coda Wave Interferometry. Such analysis comprised the initial non-cracked state as well as later stages with incremental crack depth and quantity. It was to ascertain that the test specimen can in fact be qualitatively compartmentalized into areas of compression and tension identified via Relative Velocity Changes presented in Attribute Maps. However, since results did not entail a zero crossing, i.e., neither positive nor negative values were to be calculated, only relative changes in this work displayed staggered over the height of the object under test, are discussed. Under the given methodological premises, additional information is currently required to make quantitative assertions regarding this correlation of ultrasonic and strain results. This holds true for the comparability of the ultrasonic and strain results for both non-cracked and even the cracked state.
Durch den großflächigen Einsatz der Computertomographie (CT) in unterschiedlichen Industriebereichen steigen auch die Anforderungen an die quantitative Bildanalyse. Subjektive Bildwahrnehmung muss durch objektive Algorithmen ersetzt werden. In diesem Artikel stellt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die seit den 1980er Jahren an der Entwicklung der industriellen CT beteiligt ist, anhand ausgewählter Beispiele den aktuellen Stand ihrer Analysemethoden an verschiedenen Anwendungsbeispielen der CT vor.
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.
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung. Dies führt bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und des alkalischen Milieus durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu.
Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig sind hierbei der relativ hohe prüftechnische Aufwand und die eingeschränkte Ortsauflösung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag anhand von Bohrkernen aus einem repräsentativen AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen von Bohrkernen aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels eines Ausschlusskriteriums (Ca-Gehalt) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse sowie nasschemische Analysen belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen. Allerdings bedarf es bei der quantitativen Ermittlung des Natriumgehaltes in der Betonfahrbahndecke noch weitergehender Untersuchungen.