Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
NMR is becoming increasingly popular for the investigation of building materials as it is a non-invasive technology that does not require any sample preparation nor causes damage to the material. Depending on the specific application it can offer insights into properties like porosity and spatial saturation degree as well as pore structure. Moreover it enables the determination of moisture transport properties and the (re-)distribution of internal moisture into different reservoirs or chemical phases upon damage and curing. However, as yet most investigations were carried out using devices originally either designed for geophysical applications or the analysis of rather homogeneous small scale (< 10 mL) samples. This paper describes the capabilities of an NMR tomograph, which has been specifically optimized for the investigation of larger, heterogeneous building material samples (diameters of up to 72 mm, length of up to 700 mm) with a high flexibility due to interchangeable coils allowing for a high SNR and short echo times (50 - 80 m s).
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.