Qualitätssicherung mit Ultraschall
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Qualitätssicherung mit Ultraschall
Die derzeit in der Bauindustrie verwendeten Methoden zur Charakterisierung des Erstarrungs- und Erhärtungsverhaltens von Beton und damit der Qualitätssicherung sind seit vielen Jahren im Einsatz und können als etabliert angesehen werden, wenngleich ihre messtechnischen Möglichkeiten stark begrenzt sind. Beispiele für diese etablierten Methoden sind: Ermittlung von Erstarrungsanfang und -ende bei Zementleim mit dem Vicat-Nadel-Versuch (DIN EN 196-3) und Penetrationsverfahren nach ASTM C-403 bei Beton. Einen Überblick über die in der Praxis außerdem angewandten Verfahren enthält die Literatur [1]. Die Anwendung dieser Verfahren entspricht allerdings nicht mehr den Möglichkeiten der modernen Technik. Der wesentliche Nachteil der meisten etablierten Verfahren ist, dass sie nur eine Momentaufnahme der Werkstoffeigenschaften ergeben und sich mit ihnen der Hydratationsverlauf nicht kontinuierlich untersuchen lässt. Zuverlässige Aussagen, z. B. über die Wirkungsweise von Betonzusatzmitteln, können mit diesen Verfahren in der Regel nicht gewonnen werden. Die heutige Betontechnik erfordert häufig eine genaue und zeitnahe Verfolgung des Erstarrungs- und Erhärtungsverhaltens von Beton. So sind beispielsweise bei bedeutenden Bauvorhaben der Zeitpunkt des Ausschalens und der Vorspannung technisch wie ökonomisch von entscheidender Bedeutung.
Auf der Grundlage der Ultraschallmesstechnik lassen sich – zerstörungsfrei, reproduzierbar und weitgehend objektiv messbar – die Eigenschaften von handelsüblichen Beton- und Mörtelmischungen analysieren. Ultraschallmessungen sind hierzu besonders geeignet, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die Dämpfung und der Frequenzgehalt der Wellen vom Medium abhängen und damit vom Hydratationszustand des Betons. Somit sind die Ergebnisse der Ultraschalluntersuchungen direkt mit den mechanischen und chemischen Eigenschaften des Materials verbunden. Beispielsweise kann der Einfluss des Wasserzementwerts, der Zementart, von Zusatzmitteln, etc. auf den Hydratationsverlauf untersucht werden. Dabei ist man sowohl in der Lage, einzelne Messwerte (Geschwindigkeit, Energie, Frequenz) kontinuierlich aufzuzeichnen und darzustellen, als auch sofort die daraus ableitbaren Betonparameter (z. B. Erstarrungsbeginn, Erstarrungsende) zu extrahieren.
Ultraschallverfahren
Für die Qualitätssicherung von erstarrendem und erhärtendem Beton mit Hilfe der Ultraschalltechnik ist die Erkenntnis wichtig, dass die Betonparameter, die die Qualität (z. B. die Druckfestigkeit) und die Verarbeitbarkeit (wie der Wasserzementwert, der Luftporengehalt, dieKonsistenz, die Endfestigkeit, die Wirkung von Zusatzmitteln u.a.m.) maßgeblich beeinflussen, direkt mit den Ultraschall-Signalparametern verknüpft sind. Dabei gibt es verschiedene verfahrenstechnische Möglichkeiten, den Erstarrungsverlauf von Beton und Mörtel zu analysieren [2]:
- Durchschallungstechnik (Transmission) unter Verwendung von Kompressionswellen oder alternativ auch möglich unter Verwendung von Scherwellen oder anderen Wellenformen.
- Analyse der reflektierten Energie von Ultraschallwellen an der Grenzfläche zu Beton bzw. Mörtel.
- Impact-Echo-Verfahren, bei dem ein mechanischer Impuls erzeugt wird. Ein Sensor, der unmittelbar neben dem Impulsgeber angebracht ist, registriert die von der Rückseite des Gehäuses oder der Schalung reflektierten Wellen.
Zusammenfassung
Die Untersuchung des Erstarrungs- und Erhärtungsverhaltens mittels Ultraschall bietet die Möglichkeit, für die Werkstoffentwicklung und Qualitätssicherung wichtige Materialparameter zerstörungsfrei und quasi kontinuierlich zu bestimmen. Durch die kombinierte P- und S-Wellenmessung ist es möglich, elastische Materialparameter direkt zu bestimmen. Dabei erlauben verschiedene Signalanalyseverfahren die weitgehende Automatisierung der Messdurchführung, was neben dem verminderten Aufwand sehr gut reproduzierbare Ergebnisse liefert. Mit der kombinierten Kompressions- und Scherwellenprüfung steht ein zuverlässiges Untersuchungsverfahren zur Verfügung, welches differenzierte Materialanalysen, z. B. zur Wirkungsweise von Betonzusatzmitteln, ermöglicht.
Das Wissen über den Erstarrungs- und Erhärtungsverlauf von Materialien wie beispielsweise Beton, Mörtel oder Kunststoffen ist sowohl hinsichtlich der Produkt- und Produktionsverfahrensentwicklung als auch der Qualitätssicherung in der Praxis von hoher Bedeutung. Mittels Ultraschallverfahren ist es möglich, den Erstarrungs- und Erhärtungsverlauf zerstörungsfrei und kontinuierlich zu bestimmen und zu charakterisieren. Hierzu wird die zeitliche Veränderung der Kompressionswellengeschwindigkeit und/oder der Frequenzspektren und/oder der relativen Energie der Ultraschallwellen gemessen und analysiert.
Mit Freshcon steht ein Komplettgerät zur Verfügung, welches mittels Ultraschall die Ermittlung des charakteristischen Erstarrungs- und Erhärtungsverhalten von Werkstoffen erlaubt. Freshcon wurde am Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart entwickelt und von Smartmote hinsichtlich des Praxiseinsatzes auch auf der Baustelle optimiert.
Literatur
[1] Bunke, N.: Prüfung von Beton – Empfehlungen und Hinweise als Ergänzung zu DIN 1048. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft Nr. 422, Berlin (1991)
[2] Reinhardt, H.-W., Große, C.U. (Eds.): Advanced testing of cement based materials during setting and hardening. RILEM Report 31. Bagneux: 2005, 341 pp.
[3] Reinhardt, H.W.; Große, C.U.; Herb, A.: Ultrasonic monitoring of setting and hardening of cement mortar – A new device. Materials & Structures 33 (2000), pp. 580–583
[4] Reinhardt, H.W.; Große, C.U.; Herb, A.; Weiler, B.; Schmidt, G.: Verfahren zur Untersuchung eines erstarrenden und/oder erhärtenden Werkstoffs mittels Ultraschall. Method for examining a solidifying and/or hardening material using ultrasound, receptacle and ultrasound sensor for carrying out the method. US Patent no. 09/857, 536; Patent Nr. 198 56 259.4, Germany and Europe, (2001)
[5] Große, C.U.: Qualitätssicherung von Betonwaren - Frischbetonanalyse mit Ultraschall. Betonwerk+Fertigteil-Technik 71 (2005), Heft 6, S. 26-32.
[6] Große, C.U.: Verbesserung der Qualitätssicherung von Frischbeton mit Ultraschall. Betonwerk + Fertigteil-Technik 67 (2001), Nr. 1, S. 102–104.
[7] Reinhardt, H.W.; Krüger, M.; Große,. C.U.: Testing of fresh concrete by ultrasound transmission. Technical Committee 218-SFC: Sonic methods for quality control of fresh cementituous materials, in preparation.
[8] Krüger, M.; Lehmann, F.: SmartPick – User Manual, Rev. 1.50, Smartmote, 2010.
[9] Kurz, J.H.; Große, C.U.; Reinhardt, H.W.: Strategies for reliable automatic onset time picking of acoustic emissions and of ultrasound signals in concrete. Ultrasonics, vol. 43, pp. 538 - 546, 2005.
[10] Akaike, H.: A new look at the statistical model identification. IEEE transactions on automatic control, vol. AC-19, no. 6, 1974.
[11] Heiduck, D.: Untersuchung des Ertarrungs- und Erhärtungsverhaltens von Mörtel mit Kompressions- und Scherwellen. Diplomarbeit, MPA Universität Stuttgart, 2009.