Betonstraßen - Materialcharakterisierung mit innovativen Prüftechniken -

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1 Betonstraßen - Materialcharakterisierung mit innovativen Prüftechniken - F. Weise

2 Motivation Bessere Beschreibung der Materialparameter z.b.: Oberflächenrauhigkeit Sandflächen- verfahren Einsatz innovativer Prüftechnik Bewertung der Leistungsfähigkeit normativer Materialprüfverfahren z.b. Spaltzugprüfung nach AL Sp-Beton 06 Zustandsanalyse bei Betonfahrbahndecken [mm] 0,5 0 z.b.: Strukturaufklärung mit Radar D -1,0 Photogrammetrie Aufklärung von Schädigungsmechanismen in Beton -5,0-6,0 z.b.: Prüfkonzepte in DFG -FOR ,0-2,0-3,0-4,0-8,0

3 Motivation Bessere Beschreibung der Materialparameter z.b.: Oberflächenrauhigkeit Einsatz innovativer Prüftechnik Bewertung der Leistungsfähigkeit normativer Materialprüfverfahren z.b. Spaltzugprüfung nach AL Sp-Beton 06 Zustandsanalyse bei Betonfahrbahndecken z.b.: Strukturaufklärung mit Radar Bruchverhalten Aufklärung von Schädigungsmechanismen in Beton z.b.: Prüfkonzepte High Speed in DFG Video -FOR 1498 Verformung

4 Motivation Bessere Beschreibung der Materialparameter z.b.: Oberflächenrauhigkeit Einsatz innovativer Prüftechnik Bewertung der Leistungsfähigkeit normativer Materialprüfverfahren z.b. Spaltzugprüfung nach AL Sp-Beton 06 Zustandsanalyse bei Betonfahrbahndecken z.b.: Strukturaufklärung mit Radar Aufklärung von Schädigungsmechanismen in Beton z.b.: Prüfkonzepte in DFG -FOR 1498

5 Motivation Bessere Beschreibung der Materialparameter z.b.: Oberflächenrauhigkeit Einsatz innovativer Prüftechnik Bewertung der Leistungsfähigkeit normativer Materialprüfverfahren z.b. Spaltzugprüfung nach AL Sp-Beton 06 Zustandsanalyse bei Betonfahrbahndecken z.b.: Strukturaufklärung mit Radar Aufklärung von Schädigungsmechanismen in Beton z.b.: Prüfkonzepte in DFG -FOR 1498

6 DFG Forschergruppe FOR 1498 Ziel Klärung des Einflusses zyklischer Beanspruchung + Feuchte- und Tausalzeintrags auf die AKR in Beton Lösungsansatz Experimente TP1: Externer Alkalieintrag in mechanisch/thermisch vorgeschäd. Betongefüge TP4: Rissbildungs- und Transportmechanismen - Erfassung und Bewertung mit innovat. Prüftechniken - TP5: Transport- und Lösevorgänge im Gesteinskorn Simulation TP3: Mesoebene Betondegradation/ Stofftransport/ AKR-Schädigigung TP6: Makroebene Schadensrisiko und -entwicklung in Fahrdecken infolge AKR

7 DFG Forschergruppe FOR 1498 Ziel Klärung des Einflusses zyklischer Beanspruchung + Feuchte- und Tausalzeintrags auf die AKR in Beton Lösungsansatz Experimente TP1: Externer Alkalieintrag in mechanisch/thermisch vorgeschäd. Betongefüge TP4: Rissbildungs- und Transportmechanismen - Erfassung und Bewertung mit innovat. Prüftechniken - TP4: Rissbildungs- und Transportmechanismen - Erfassung und Bewertung mit innovat. Prüftechniken - TP5: Transport- und Lösevorgänge im Gesteinskorn Simulation TP3: Mesoebene Betondegradation/ Stofftransport/ AKR-Schädigigung TP6: Makroebene Schadensrisiko und -entwicklung in Fahrdecken infolge AKR

8 Prüfaufgaben von TP4 in FOR 1498 Simultane Verfolgung der Rissbildung in Beton bei Ermüdungsbeanspr. ohne/mit Tausalzeintrag US + SEA/Verformungsmessung Einsatz innovativer Prüftechnik Räumliche Visualisierung und Quantifizier. zykl. induzierter Risse im Beton Röntgen 3D-CT Simultane Verfolgung des Feuchtetransports in degradiertem Beton Röntgen 3D-CT Analyse des Tausalzeintrags in Betonbalken nach zykl. Beanspruchung mit Tausalzeintrag LIBS

9 Vorschädigung mit Schadensmonitoring Spannung Versuchsanordnung σ o σ u Zeit 0,6 f ct, fl 1,0 N/mm² LW = 5 Mio. f = 7 Hz 1 27,0 17, cm 17,5 50,0 1 SE-/US-Sensoren 2 Dehnmessstreifen / induktive Wegaufnehmer

10 Vorschädigung mit Schadensmonitoring Spannung Versuchsanordnung σ o σ u Zeit 0,6 f ct, fl 1,0 N/mm² LW = 5 Mio. f = 7 Hz 1 27,0 17, cm 17,5 50,0 1 SE-/US-Sensoren 2 Dehnmessstreifen / induktive Wegaufnehmer

11 Vorschädigung mit Schadensmonitoring Prüfregime Auslegung für Monitoring intermitt. Ruhe- + Belastungszyklen Ruhezyklus (US) #

12 Vorschädigung mit Schadensmonitoring Biegespannung [N/mm²] Prüfregime Auslegung für Monitoring intermitt. Ruhe- + Belastungszyklen Ruhezyklus (US) 20 Belastungszyklen (1 Mio. LW) Ruhezyklus (US) 20 Belastungszyklen (1 Mio. LW) Ruhezyklus (US) 30 Belastungszyklen (1,5 Mio. LW) Ruhezyklus (US) 30 Belastungszyklen (1,5 Mio. LW) Ruhezyklus (US) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Belastungszyklus Rampenphase Ϭ o = 2,2 bzw. 2,4 N/mm² Ϭ m = 1,7 bzw. 1,9 N/mm² Ϭ u = 1,2 bzw. 1,4 N/mm² Schwingphase (5 x 10 4 Lastwechsel) Zeit [s] Schallemissionsanalyse + Dehnungsmessung Ultraschallmessung

13 rel. dyn. E-Modul [%] Vorschädigung mit Schadensmonitoring Prüfergebnisse: US im Ruhezyklus (Trockenschwinger) C2-2-IV σ o = 2,4 N/mm²; σ u = 1,4 N/mm² C2-3-IV σ o = 2,2 N/mm²; σ u = 1,2 N/mm² Anzahl Lastwechsel [Mio.]

14 rel. dyn. E-Modul [%] Vorschädigung mit Schadensmonitoring Prüfergebnisse: Belastungszyklus (Trockenschwinger) Dehnung SEA SE-Hits DMS unten [µm/m] DMS unten [µm/m] Hits ,0 N/mm² 1,4 N/mm² 1,9 N/mm² 2,4 N/mm² 0 1x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 Lastwechsel 0 1x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 Lastwechsel US (Ruhezyklus) 85 C2-2-IV σ o = 2,4 N/mm² 80 σ u = 1,4 N/mm² C2-2-IV C2-3-IV 75 σ o = 2,2 N/mm² σ u = 1,2 N/mm² 70,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Anzahl Lastwechsel [Mio.]

15 Vorschädigung mit Schadensmonitoring Prüfergebnisse: Belastungszyklus (Trockenschwinger) Dehnung SEA SE-Hits DMS unten [µm/m] DMS unten [µm/m] Hits ,0 N/mm² 1,4 N/mm² 1,9 N/mm² 2,4 N/mm² 0 1x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 Lastwechsel 0 1x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 Lastwechsel DMS unten [µm/m] Hits ,0 N/mm² 1,2 N/mm² 1,7 N/mm² 2,2 N/mm² Bruch 0 1x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 Lastwechsel 0 1x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 Lastwechsel

16 Prüfaufgaben von TP4 in FOR 1492 Simultane Verfolgung der Rissbildung in Beton bei Ermüdungsbeanspr. ohne/mit Tausalzeintrag US + SEA/Verformungsmessung Einsatz innovativer Prüftechnik Räumliche Visualisierung und Quantifizier. ermüdungsinduzierter Risse im Beton Röntgen 3D-CT In-situ Verfolgung des Feuchtetransports in degradiertem Beton Röntgen 3D-CT Analyse des Tausalzeintrags in Betonbalken nach zykl. Beanspruchung mit Tausalzeintrag LIBS

17 Räumliche Risscharakterisierung Röntgen 3D-CT (ROI-Technik) Bohrkern (Ø 3 cm) Detektor 27,0 50,0 17, cm 17,5 Beanspruchung 3,25 Mio. Lastwechsel σ o = 2,4 N/mm² σ u = 1,4 N/mm² Röhre Probekörper α = f(x,y,z) Balken C2-3-IV Bohrkernbeschreibung Röntgen 3D -CT Messprinzip

18 Räumliche Risscharakterisierung Röntgen 3D-CT (ROI-Technik) Bohrkern (Ø 3 cm) Detektor 27,0 50,0 17, cm 17,5 Beanspruchung 3,25 Mio. Lastwechsel σ o = 2,4 N/mm² σ u = 1,4 N/mm² Röhre Probekörper α = f(x,y,z) Balken C2-3-IV Bohrkernbeschreibung Röntgen 3D -CT Messprinzip

19 Räumliche Risscharakterisierung Röntgen 3D-CT (ROI-Technik) 17,5 Bohrkern (Ø 3 cm) cm 17,5 27,0 50,0 Bohrkernbeschreibung Balkenoberseite Beanspruchung 3,25 Mio. Lastwechsel σ o = 2,4 N/mm² σ u = 1,4 N/mm² Balken C2-3-IV Röntgen 3D -CT 12,8 x 12,8 x 9,4 [mm] 12,8 x 12,8 x 9,4 [mm] Lage der ROI-Messvolumen

20 Räumliche Risscharakterisierung Rissquantifizierung mit automat. Rissererkennungstool (ZIB/BAM) maximale Zugbeanspruchung ohne Zugbeanspruchung Rissanzahl Rissvolumen gesamt Mittel pro Riss [mm³] ,77 10,2 x ,51 7,46 x 10-4

21 Prüfaufgaben von TP4 in FOR 1492 Simultane Verfolgung der Rissbildung in Beton bei Ermüdungsbeanspr. ohne/mit Tausalzeintrag US + SEA/Verformungsmessung Einsatz innovativer Prüftechnik Räumliche Visualisierung und Quantifizier. ermüdungsinduzierter Risse im Beton Röntgen 3D-CT In-situ Verfolgung des Feuchtetransports im degradierten Beton Röntgen 3D-CT Analyse des Tausalzeintrags in Betonbalken nach zykl. Beanspruchung mit Tausalzeintrag LIBS

22 Verfolgung des Feuchtetransports In-situ Röntgen 3D-CT während Aufsaugversuch Bohrkern (Ø 5 cm) 27,0 17, cm 17,5 50,0 Beanspruchung 5,0 Mio. Lastwechsel σ o = 2,4 N/mm² σ u = 1,4 N/mm² Balken C14-5-I Bohrkernbeschreibung Messaufbau und Messbeispiel für 6h kapillares Saugen

23 Prüfaufgaben von TP4 in FOR 1492 Simultane Verfolgung der Rissbildung in Beton bei Ermüdungsbeanspr. ohne/mit Tausalzeintrag US + SEA/Verformungsmessung Einsatz innovativer Prüftechnik Räumliche Visualisierung und Quantifizier. ermüdungsinduzierter Risse im Beton Röntgen 3D-CT In-situ Verfolgung des Feuchtetransports im degradierten Beton Röntgen 3D-CT Analyse des Tausalzeintrags in Betonbalken nach zykl. Beanspruchung + aufstehender Tausalzlösung LIBS

24 Analyse des Tausalzeintrags in Beton LIBS (Laser Induced Breakdown Spektroskopie) Messprinzip Optischer Tisch 1500 mm/ 2400 mm Nd:YAG-Laser, gepulst 400 mj/ Puls 7 ns 10 Hz Linse (f = 50 mm) Strahlaufweitung Spektrometer Helium optische Faser Prüfkörper auf Verfahrtisch (x-y) CCD PC für Steuerung und Datenerfassung

25 Analyse des Tausalzeintrags in Beton LIBS (Laser Induced Breakdown Spektroskopie) Messprinzip Optischer Tisch 1500 mm/ 2400 mm Nd:YAG-Laser, gepulst 400 mj/ pulse 7 ns 10 Hz Linse (f = 50 mm) Strahlaufweitung Spektrometer Helium optische Faser Prüfkörper auf Verfahrtisch (x-y) CCD PC für Steuerung und Datenerfassung

26 Tiefe [mm] 17,5 Analyse des Tausalzeintrags in Beton Beispiel: Na-Verteilung in Balken nach Schwingversuch B cm B A A Beanspruchung 5 Mio. Lastwechsel σ o = 2,4 N/mm² σ u = 1,4 N/mm² Balken A1-IV 17,5 27,0 50,0 OF Balken (NaCl beaufschlagt) Vertikalschnitt Natrium [M.-%] /Feinmörtel 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0 Flächenscan Tiefenprofil Na-Verteilung in Feinmörtelmatrix Tiefe [mm] max. Zuwachs = 0,37 M.-% Eindringtiefe = 18 mm mittl. Zuwachs = 0,11 M.-% Natrium [M.-%] /Feinmörtel 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1, Basiswert = 0,15 M.-% max. Zuwachs = 0,56 M.-% Basiswert = 0,15 M.-%

27 Zusammenfassende Betrachtungen Aufzeigen der Leistungsfähigkeit innovativer Prüftechniken Beispiel: Analyse des Schadensmechanismus in FOR 1498 Einsatz innovativer Prüftechnik Simultane Verfolgung der Rissbildung in Beton bei Ermüdungsbeanspr. ohne/mit Tausalzeintrag US + SEA/Verformungsmessung Räumliche Visualisierung und Quantifizier. ermüdungsinduzierter Risse im Beton Röntgen 3D-CT (ROI-Technik) In-situ Verfolgung des Feuchtetransports im degradierten Beton Röntgen 3D-CT Analyse des Tausalzeintrags in Betonbalken nach Ermüdungsbeanspr. + aufstehender Tausalzlösung LIBS

28 Ausblick Weitere Erhöhung der Leistungsfähigkeit eingesetzter innovativer Prüftechniken und methodologien Einsatz innovativer Prüftechnik Simultane Verfolgung der Rissbildung in Beton bei Ermüdungsbeanspr. ohne/mit Tausalzeintrag US + SEA/Verformungsmessung + TDR Räumliche Visualisierung und Quantifizier. ermüdungsinduzierter Risse im Beton 3D-CT (ROI-Technik) 4K Detektor In-situ Verfolgung des Feuchtetransports im degradierten Beton Röntgen 3D-CT Quantifizierung Simultane Verfolgung der Rissbildung während und nach AKR-provozierender Lagerung Dehnung + SEA/US + 3D-CT (ROI-Technik)

29 1 2 3 Vielen Dank! 1

30 BAM-Berlin, Fachbereich 7.1 Unter den Eichen Berlin Tel. (030) FAX (030)

31 Räumliche Risscharakterisierung Rissquantifizierung mit automat. Rissererkennungstool (ZIB/BAM) maximale Zugbeanspruchung