Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
Die Untersuchung von Schallausbreitung in periodischen Strukturen ist aktuell von großem Interesse für eine zielgerichtete Beeinflussung von Schallwellen in einem großen Frequenzbereich. Hierbei liegt der Fokus insbesondere auf den phononische Kristalle (PnK’s), einer periodischen Anordnung von Streuzentren in einer Matrix. PnK’s können neben anderen Anwendungen, wie der Sensoranwendung oder der Nutzung als effektiver Wellenleiter, als Schallisolator dienen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger PnK aus einer periodischen Anordnung von Zylindern untersucht, welcher zur Schallisolation verwendet werden kann. Zunächst wird die Struktur simuliert, dabei wird ein achsensymmetrisches Modell mit einem 3D-Modell verglichen. Im Anschluss wird die simulierte Geometrie gefertigt und vermessen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts „FIT“ wurden Ermüdungsfestigkeitsuntersuchungen an geschweißten Konstruktionsdetails, die häufig in Gründungsstrukturen von OffshoreWindenergieanlagen (OWEA), aber auch im Stahlbrückenbau eingesetzt werden, durchgeführt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wurde auf einseitig geschweißte Kreishohlprofile (KHP) gelegt. Für einseitig stumpfgeschweißte Kreishohlprofile wurden die derzeitigen auf unzureichender Versuchsbasis erstellten Kerbfalleinstufungen geltender Regelwerke überprüft. Hierzu wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit dieses Details durchgeführt. Die den Ermüdungswiderstand maßgeblich beeinflussenden Parameter, wie vorhandene geometrische Imperfektionen und Schweißnahtausbildung, wurden identifiziert, bewertet und deren Einfluss im Rahmen numerischer Berechnungen untersucht. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Kerbfallempfehlung erarbeitet, die eine zutreffende Lebensdauerabschätzung ermöglicht. Diese Kerbfallempfehlung soll als Grundlage für die zukünftige Aufnahme in Normen und Regelwerke dienen.
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.
Ziel dieser Untersuchungen war die Bewertung der Beständigkeit häufig eingesetzter Dichtungswerkstoffe, wie FKM, FVMQ, VMQ, EPDM, CR, CSM, IIR, PA, NBR und PUR in Kraftstoffen und Heizöl mit und ohne biogene Zusätze bei 20 °C, 40 °C und 70 °C. E10, E85, Dieselkraftstoff mit max. 5 % Biodiesel, ungealtertes und 2 Jahre gealtertes B10 (Heizöl mit 10 % Biodiesel), reiner Dieselkraftstoff, Heizöl und Kraftstoff Super plus zählten zu den Testsubstanzen. Masse, Zugfestigkeit und Bruchdehnung wurden von den Prüfkörpern vor und nach der 84-tägigen Auslagerung in den Kraftstoffen und Heizöl bestimmt. Die visuelle Begutachtung einiger Elastomerprüfkörper zeigte eindeutig die hohe Quellung bis zur partiellen Auflösung. Die Shore-Härte A und D (für PA) der Prüfkörper wurden vor und nach der 42-tägigen Auslagerung in den Kraftstoffen bestimmt. In den internationalen Normen wird zur Bewertung der Beständigkeit von Elastomeren kein Grenzwert der Reduzierung der Zugeigenschaften und der Shore-Härte definiert. Deshalb wurde für die Beständigkeitsbewertung ein Grenzwert von 15 % festgelegt. Zusammenfassend kann die Aussage getroffen werden, dass die Beständigkeit der Fluorpolymere FKM und FVMQ in den Kraftstoffen und Heizöl mit und ohne biogene Zusätze die beste ist.
Zum Vergleich der Polyethylenformstoffe für eine Bauart von Gefahrgutverpackungen und IBC wurden die Materialkennwerte: Schmelze-Massefließrate MFR, Dichte D, Kerbschlag-zähigkeit acN bei -30 °C, Spannungsrissbeständigkeit (bestimmt mit dem Full Notch Creep Test) und Beständigkeit gegen oxidativen Abbau Ox (bestimmt durch den prozentualen Anstieg des MFR in Salpetersäure) in der DIN EN 15507 – Verpackung – Verpackungen zur Beförderung gefährlicher Güter – Vergleichende Werkstoffprüfung von Polyethylensorten ausgewählt.
Das Ziel der Untersuchungen war die Auswahl eines Kennwertes für die Bestimmung des mechanischen Leistungsniveaus von Polyethylenformstoffen, da unter Druck Verpackungen beulen oder knicken. Zur Auswahl standen drei Prüfverfahren:
a) Bestimmung der Biegesteifigkeit S nach DIN 53 350 (Prinzip von Ohlsen).
b) Bestimmung der Biegefestigkeit σfM und Biegedehnung ɛfM nach DIN EN ISO 178
c) Bestimmung der Druckkraft Fmax und Verformung dL bei Fmax nach DIN EN ISO 604.
Die Prüfmethode zur Bestimmung der Biegesteifigkeit nach DIN 53 350 eignet sich zum Vergleich des mechanischen Leistungsniveaus der Formstoffe. Zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sollte der Skalierungsbereich der Prüfapparatur erweitert wer-den, um genauere Messergebnisse zu erzielen.
Der Dreipunktbiegeversuch nach DIN EN ISO 178 eignet sich bei verformungsfähigen Kunststoffen, wie dem Polyethylen, zur Bestimmung der Biegefestigkeit σfM. Dieser Ver-such besitzt den Nachteil, dass am Ort des maximalen Biegemoments in der Randschicht, wo auch die maximale Biegespannung erzeugt wird, zusätzlich der Biegestempel angreift.
Die Messergebnisse haben gezeigt, dass die Druckprüfung nach DIN EN ISO 604 sich sehr gut zur Bewertung des mechanischen Verhaltens der Polyethylenformstoffe unter Druckbelastung (Stapeldruckprüfung der Verpackungen) eignet.
Heizöllagerbehälter aus Polyethylenformstoffen werden seit Beginn der 70-iger Jahre in Deutschland hergestellt. Die Hersteller empfehlen zur Gewährleistung der Sicherheit nach Ablauf von 30 Jahren den Ersatz dieser Behälter. Polyethylenformstoffe unterliegen im Laufe ihrer Nutzungsdauer der Alterung durch die Veränderung ihrer Eigenschaften. Das Ausmaß der Alterung und die Art des Abbauvorganges hängen im Wesentlichen vom chemischen Abbau des Polyethylens, der Wanddicke des Behälters und den Umgebungsbedingungen ab. Bisher lagen keine Untersuchungen zum Langzeitverhalten der Polyethylenformstoffe vor, insbesondere nach einer Nutzungsdauer der Tanks über 30 Jahre. Ziel der Untersu-chungen war, den tatsächlichen Schädigungsgrad der Polyethylenformstoffe im Vergleich zu den unbelasteten Formstoffen zu ermitteln. Da die BAM bis Mitte der 90-iger Jahre für die Prüfungen und Gutachten zur Zulassung dieser Behälter zuständig war, sind die Werkstoffdaten noch vorhanden.
Als Untersuchungsmethoden wurden die Bestimmung der Schmelze-Masse-Fließrate (MFR) und die Fourier-Transformation-IR-Spektroskopie (FTIR) von Tankausschnitten aus dem Bereich des Bodens, des Mantels und des Daches von 10 ausgesonderten Behältern aus den Polyethylenformstoffen A und B herangezogen. Die Messungen der MFR der Tankaus-schnitte aus diesen Bereichen zeigten Unterschiede in den Werten in Abhängigkeit vom Ge-wicht (5 kg oder 21,6 kg), welches eingesetzt wurde. Eine Abnahme der MFR-Werte wurde für die größere Anzahl der Tankwandungsausschnitte aus dem Formstoff B nach einer Lebensdauer der Tanks > 30 Jahre gemessen. Dieser Formstoff wurde hauptsächlich durch innere Alterung infolge Vernetzungen, Verzweigungen und Weichmacherverlust und weniger durch oxidativen Abbau geschädigt. Die FTIR-Messungen der Proben aus dem Bereich des Bodens und des Mantels der Tanks zeigten, dass die Intensität der asymmetrischen/symmetrischen CH2 -Streckschwingungen im Bereich: 2800 - 2900 cm-1 und der CH2 -Biegeverformungsschwingung bei 1400 cm-1 aufgrund von Kettenspaltungen zugenommen haben. Die Intensität der Carbonylstreckschwingung C=O bei 1740 cm-1 ist niedrig. Sie ist ein Maß für die Oxidation des Polymerwerkstoffes.
Seitens der Industrie besteht großes Interesse, Polyethylenterephthalat (PET) als Werkstoff für Verpackungen zum Transport von Gefahrgütern einzusetzen, da aufgrund der hohen Fes-tigkeit und Steifigkeit von PET die Wanddicken und somit die Kosten der Verpackungen reduziert werden können. Die Prüfung der Spannungsrissbeständigkeit von Polyethylenformstoffen als Werkstoffe von Verpackungen erfolgt mit Labormethoden unter Verwendung einer Standardflüssigkeit als Prüfmedium für die Spannungsrisse auslösende Wirkung auf Polyethylen (PE), wodurch Zeit und Kosten der Prüfungen reduziert werden.
Ziel dieser Arbeit war es, eine Laborprüfmethode zum Vergleich der Spannungsrissbeständigkeit von PE und PET auf ihre Anwendbarkeit zu prüfen, wie z.B. den Full Notch Creep Test (FNCT). Es wurde untersucht, ob die Prüfkörper aus PE und PET mit umlaufender Kerbe in dieser durch die chemische Industrie entwickelten und von der BAM konzipierten Apparatur auf der Basis des FNCT zu messbaren Ergebnissen unter Einfluss eines Ölsäureamidethoxylates als Netzmittel bei 50 °C führen.
Die Testergebnisse bestätigten die Eignung des Prüfverfahrens für die acht eingesetzten Formstoffe aus PE. Dieses Prüfverfahren konnte nicht für PET angewandt werden, da die Prüfkörper aufgrund der hohen Festigkeit und Steifigkeit des PET beim Kerbvorgang zerbrachen. Die gleiche Aussage konnte für den Nachweis der der Spannungsrissbeständigkeit von Verpackungen, der in der BAM Gefahrgutregel BAM-GGR 015 beschrieben wird, getroffen werden. Die einzige Möglichkeit zum Nachweis der Spannungsrissbeständigkeit von PET besteht in der Durchführung von Stapeldruckprüfungen.
Im Januar 2018 wurde die DIN EN 16516 „Bauprodukte: Bewertung der Freisetzung gefährlicher Stoffe – Bestimmung von Emissionen in die Innenraumluft“ als harmonisierte europäische Prüfnorm veröffentlicht. Für die Etablierung der DIN EN 16516 als neue Referenznorm wurden verschiedene Emissionsprüfungen mit dem Ziel durchgeführt, ein neues Prüfverfahren für Formaldehydemissionen aus Holzwerkstoffen zu erarbeiten. Das übergeordnete Ziel ist die Minimierung des Risikos von Überschreitungen des Innenraumrichtwertes für Formaldehyd. Die Untersuchungen ergaben teilweise hohe Formaldehydemissionen, insbesondere bei höheren Beladungsfaktoren und Temperaturen, sowie bei niedrigen Luftwechselraten. Eine getestete Spanplatte hätte aufgrund ihrer hohen Formaldehydemission nicht auf den deutschen Markt gebracht werden dürfen. Durch vergleichende Untersuchungen konnte ein Umrechnungsfaktor in Höhe von 2,0 für die Umrechnung von Prüfwerten nach DIN EN 717-1 zu DIN EN 16516 abgeleitet werden.