Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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.
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.
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.
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 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.