Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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.
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.