Charakterisieren struktureller Veränderungen in zementgebundenen Baustoffen durch akustische zerstörungsfreie Prüfverfahren

  • Im Rahmen dieser Arbeit wird das Charakterisieren struktureller Veränderungen zementgebundener Baustoffe durch zwei auf dem Ultraschall-Transmissionsverfahren beruhenden Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit mechanischen Wellen vorgenommen. Zur kontinuierlichen Charakterisierung der Erstarrung und Erhärtung frischer zementgebundener Systeme wird ein auf Ultraschallsensoren fürIm Rahmen dieser Arbeit wird das Charakterisieren struktureller Veränderungen zementgebundener Baustoffe durch zwei auf dem Ultraschall-Transmissionsverfahren beruhenden Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit mechanischen Wellen vorgenommen. Zur kontinuierlichen Charakterisierung der Erstarrung und Erhärtung frischer zementgebundener Systeme wird ein auf Ultraschallsensoren für Longitudinal- und Scherwellen basierendes Messsystem in Kombination mit zugehörigen Verfahrensweisen zur Datenauswertung konzipiert, charakterisiert und angewandt. Gegenüber der bislang üblichen alleinigen Bewertung der Verfestigung anhand indirekter Ultraschallparameter wie Ausbreitungsgeschwindigkeit, Signalenergie oder Frequenzgehalt der Longitudinalwelle lässt sich damit eine direkte, sensible Erfassung der sich während der Strukturbildung entwickelnden dynamischen elastischen Eigenschaften auf der Basis primärer physikalischer Werkstoffparameter erreichen. Insbesondere Scherwellen und der dynamische Schubmodul sind geeignet, den graduellen Übergang zum Festkörper mit Überschreiten der Perkolationsschwelle sensibel und unabhängig vom Luftgehalt zu erfassen. Die zeitliche Entwicklung der dynamischen elastischen Eigenschaften, die Strukturbildungsraten sowie die daraus extrahierten diskreten Ergebnisparameter ermöglichen eine vergleichende quantitative Charakterisierung der Strukturbildung zementgebundener Baustoffe aus mechanischer Sicht. Dabei lassen sich typische, oft unvermeidbare Unterschiede in der Zusammensetzung der Versuchsmischungen berücksichtigen. Der Einsatz laserbasierter Methoden zur Anregung und Erfassung von mechanischen Wellen und deren Kombination zu Laser-Ultraschall zielt darauf ab, die mit der Anwendung des konventionellen Ultraschall-Transmissionsverfahrens verbundenen Nachteile zu eliminieren. Diese resultieren aus der Sensorgeometrie, der mechanischen Ankopplung und bei einer Vielzahl von Oberflächenpunkten aus einem hohen prüftechnischen Aufwand. Die laserbasierte, interferometrische Erfassung mechanischer Wellen ist gegenüber Ultraschallsensoren rauschbehaftet und vergleichsweise unsensibel. Als wesentliche Voraussetzung der scannenden Anwendung von Laser-Ultraschall auf zementgebundene Baustoffe erfolgen systematische experimentelle Untersuchungen zur laserinduzierten ablativen Anregung. Diese sollen zum Verständnis des Anregungsmechanismus unmittelbar auf den Oberflächen von zementgebundenen Baustoffen, Gesteinskörnungen und metallischen Werkstoffen beitragen, relevante Einflussfaktoren aus den charakteristischen Materialeigenschaften identifizieren, geeignete Prozessparameter gewinnen und die Verfahrensgrenzen aufzeigen. Unter Einsatz von Longitudinalwellen erfolgt die Anwendung von Laser-Ultraschall zur zeit- und ortsaufgelösten Charakterisierung der Strukturbildung und Homogenität frischer sowie erhärteter Proben zementgebundener Baustoffe. Während der Strukturbildung wird erstmals eine simultane berührungslose Erfassung von Longitudinal- und Scherwellen vorgenommen. Unter Anwendung von tomographischen Methoden (2D-Laufzeit¬tomo¬graphie) werden überlagerungsfreie Informationen zur räumlichen Verteilung struktureller Gefügeveränderungen anhand der longitudinalen Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. des relativen dynamischen Elastizitätsmoduls innerhalb von virtuellen Schnittebenen geschädigter Probekörper gewonnen. Als beton-schädigende Mechanismen werden exemplarisch der kombinierte Frost-Tausalz-Angriff sowie die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) herangezogen. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung bieten erweiterte Möglichkeiten zur Charakterisierung zementgebundener Baustoffe und deren strukturellen Veränderungen und lassen sich zielgerichtet in der Werkstoffentwicklung, bei der Qualitätssicherung sowie zur Analyse von Schadensprozessen und -ursachen einsetzen.show moreshow less
  • In this research, structural changes of cement-based building materials are characterized using two ultrasonic transmission-based methods of non-destructive testing (NDT) with mechanical waves. For continuous characterization of setting and hardening of fresh cementitious materials a measurement system is designed, characterized and applied based on ultrasonic compressional and shear waveIn this research, structural changes of cement-based building materials are characterized using two ultrasonic transmission-based methods of non-destructive testing (NDT) with mechanical waves. For continuous characterization of setting and hardening of fresh cementitious materials a measurement system is designed, characterized and applied based on ultrasonic compressional and shear wave transducers in combination with associated data evaluation procedures. In contrast to common non-destructive testing of setting and hardening by means of solely indirect ultrasonic parameters such as pulse velocity, signal energy or frequency content of compressional waves, a direct sensitive recording of dynamic elastic properties can be achieved during the structure formation on the basis of primary physical material parameters. Especially, shear waves and the dynamic shear modulus are suitable to capture the gradual transition to a solid with exceeding percolation threshold in a sensitive manner and independent of air content. The development of dynamic elastic properties, the structure formation rates and the extracted discrete result parameters enable a comparative and quantitative analysis of the structural formation of fresh cementitious materials from a mechanical point of view. As an advantage, often unavoidable differences in the composition of test blends can be taken into account. The application of laser-based techniques for generation and detection of mechanical waves and their combination to laser-ultrasonics eliminates the disadvantages associated with the application of conventional ultrasonic through-transmission techniques. These result from sensor geometry, mechanical coupling and, in case of numerous surface points, due to a high inspection time and effort. Furthermore, the laser-based interferometric detection of mechanical waves is noisy and relatively insensitive compared to application of ultrasonic sensors. As an essential prerequisite, systematic experimental investigations of laser-induced ablative generation are carried out for the scanning application of laser-ultrasonics on cement-based building materials. These investigations contribute to the understanding of the excitation mechanism directly on the surfaces of concrete, natural aggregates and metallic targets and to the identification of relevant influencing factors from the characteristic material properties. By gathering optimized process parameters, the limitations of laser-ultrasonics to concrete are shown. Laser-ultrasonics is applied using compressional waves for time- and space-resolved characterization of the structure formation and homogeneity of fresh and hardened specimen of cement-based building materials. During the structure formation process, the simultaneous contactless acquisition of compressional and shear waves is carried out for the first time. With the implementation of tomographic methods (2D travel-time tomography) it is possible to obtain superposition-free information on the spatial distribution of microstructural changes by means of the longitudinal ultrasonic pulse velocity or the relative dynamic modulus of elasticity within virtual cross-sections of damaged specimens. The combined freeze-thaw de-icing salt attack as well as the alkali-silica reaction (ASR) are investigated as mechanisms of concrete damage. The methods of non-destructive testing developed within the scope of this study offer extended possibilities for the characterization of cement-based building materials and their structural changes and can be applied in a targeted manner in materials development, quality control and in analysis of damage processes and causes.show moreshow less

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Metadaten
Document Type:Doctoral Thesis
Author:Dr.-Ing. René Tatarin
DOI (Cite-Link):https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.4592Cite-Link
URN (Cite-Link):https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:wim2-20220215-45920Cite-Link
ISBN:978-3-7369-7575-0
Publisher:Cuvillier Verlag
Place of publication:Göttingen
Referee:Prof. Dr.-Ing. habil. Christian U. GroßeGND, Prof. Dr.-Ing. Harald GarrechtGND
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Horst-Michael LudwigGND
Language:German
Date of Publication (online):2022/02/14
Date of first Publication:2022/02/28
Date of final exam:2021/12/15
Release Date:2022/03/07
Publishing Institution:Bauhaus-Universität Weimar
Granting Institution:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen
Institutes and partner institutions:Fakultät Bauingenieurwesen / Professur Werkstoffe des Bauens
Pagenumber:293
Tag:Dauerhaftigkeit; Laser-Ultraschall; Strukturbildung; Tomographie; elastische Parameter
GND Keyword:Beton; Hydratation; Ultraschall; Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung; Lasertechnologie
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften / 621 Angewandte Physik
BKL-Classification:56 Bauwesen / 56.12 Betonbau
56 Bauwesen / 56.45 Baustoffkunde
Licence (German):License Logo Creative Commons 4.0 - Namensnennung-Nicht kommerziell (CC BY-NC 4.0)