Das FreshCon-System

Von den drei Verfahren wird im Folgenden die Durchschallungstechnik behandelt, die die Grundlage des FreshCon-Systems ist.

Bei dem von der Universität Stuttgart und Smartmote entwickelten Verfahren werden Ultraschallsignale nach dem Durchgang durch das erstarrende und erhärtende Material aufgezeichnet und analysiert [3]. Die ersten Arbeiten dazu wurden zu Beginn der 1990er-Jahre veröffentlicht. Schließlich wurde das Verfahren patentiert [4]. Die Wellenform selbst sowie die Parameter Laufzeit (Geschwindigkeit), Amplitude (Energie) und Frequenz werden dabei von den Materialeigenschaften (Übergang von der Suspension zum flüssigkeitsgesättigten Feststoff) beeinflusst. Eine Aufzeichnung der Wellenformen in festen Zeitintervallen [5] demonstriert diese Veränderungen. Eine Analyse von Änderungen des Frequenzgehalts ist allerdings nur möglich, wenn breitbandige Sensoren verwendet werden. 

Einer der wichtigsten Parameter zur Beurteilung des Erhärtungszustands und anderer Materialkenngrößen ist die Ultraschallgeschwindigkeit, die sich aus der Laufzeit der Welle nach Durchgang durch das Material bestimmen lässt. Für die Geschwindigkeit v gilt allgemein der bekannte Zusammenhang v = s/t mit Laufzeit t und Laufweg s. Bei bekanntem Laufweg s des Signals zwischen Sender und Empfänger (Sensor) kann die Kompressionswellengeschwindigkeit aus der Laufzeit des Signals ermittelt werden. Misst man die Laufzeiten kontinuierlich bzw. in festgelegten Intervallen und bestimmt daraus die Wellengeschwindigkeit, so erhält man charakteristische, oft S-förmige Kurven, die die Erhärtung und Erstarrung kontinuierlich und bildhaft festhalten. Vergleichbare Kurven lassen sich für alle zementgebundenen Materialien (z. B. Mörtel oder Beton) und Materialzusammensetzungen erstellen sowie z. B. für alle Arten von Zusatzmitteln. Abb. 1 zeigt beispielhaft die Wirkung von verschiedenen Betonzusatzmitteln; hier ist die Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom Betonalter für Mischungen mit Verzögerer, Beschleuniger und Luftporenbildner im Vergleich zu einer Mischung ohne Zusatzmittel dargestellt [6].

Abb. 1. Beispiel der Wirkungsweise verschiedener Betonzusatzmittel auf den Geschwindigkeitsverlauf der Kompressionswelle während der Frischbetonerhärtung [6]. Effect of various concrete admixtures on the compressional wave velocity.

Für die Anwendung des Verfahrens in der Baupraxis ist die Korrelation mit etablierten Materialparametern interessant. Aus der automatischen Echtzeitbestimmung von Geschwindigkeit und Energie lässt sich im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit des Betons eine ebenfalls automatisierte Bestimmung von Erstarrungsbeginn und Erstarrungsende implementieren. Der Vergleich zu Kurven von Standardmischungen kann einen Überblick über das Materialverhalten und z. B. die Verarbeitbarkeit der Mischung geben. Da die Umgebungs- und die Hydratationstemperatur (in der FreshCon-Probe und im Bauteil) einen wesentlichen Einfluss auf diese Messungen haben, ist die zeitgleiche Messung dieser drei Temperaturen u. a. nach DIN EN 196-9 von Vorteil und kann die Aussagesicherheit erhöhen. Dies wurde ebenfalls beim FreshCon-Gerät implementiert.

Mit der FreshCon-Apparatur ist ein effizienteres Qualitätsmanagement von erhärtenden Materialien im Vergleich zu den derzeit angewandten Verfahren möglich. Anwendungsmöglichkeiten sind der Einsatz bei der Werkstoffentwicklung und -optimierung sowie der Entwicklung neuer Betonzusatzmittel, der In-Situ-Qualitätskontrolle auf der Baustelle, dem Gleitschalungsbau oder dem Betonfertigteilbau. In der Regel lässt sich das Ultraschallverfahren kostenneutral einsetzen. Kompakte Geräte arbeiten vollautomatisch und benötigen nur einen geringen Wartungsaufwand; die Anforderungen an das Bedienpersonal sind gering. In den letzten Jahren erreichte die Technik einen guten industriellen Standard, was sich auch dadurch zeigt, dass mittlerweile mehrere Forschungseinrichtungen und Firmen die an der Universität Stuttgart entwickelte Apparatur mit Erfolg einsetzen. Eine ausführliche Beschreibung der einzelnen Entwicklungsschritte und des Gerätes findet man in [5].

Weiterentwicklung des Verfahrens

Eine Weiterentwicklung des Verfahrens stellt der Einsatz von Scherwellen dar. Damit lassen sich weitere Werkstoffparameter, wie der Elastizitätsmodul und die Querdehnungszahl (Poisson-Zahl), ermitteln. Abb. 3 zeigt einführend das Ergebnis einer Messreihe mit Scherwellen an einem ultrahochfesten Beton (UHPC) während der ersten 33,5 Stunden der Erhärtung. Aufgetragen sind die einzelnen Ultraschallsignale über der Erhärtungszeit, wobei die Signalamplituden farblich kodiert sind. Eine Besonderheit bei dieser UHPC-Mischung ist, dass sie erst nach ca. 10 Stunden merklich ansteift bzw. erhärtet. Drei verschiedene Bereiche können dabei identifiziert werden:

• Bereich I: Die aufgezeichneten Ultraschallsignale bestehen aus reinem Rauschen, d.h. entweder wurden die Ultraschallwellen nicht durch das Medium transmittiert oder aber die Materialdämpfung ist derart hoch, dass die Empfindlichkeit der Ultraschallsensoren nicht ausreicht, das Signal aufzulösen. Weder Scherwellen noch Kompressionswellen können aus dem verrauschten Signal herausgefiltert werden. (Anmerkung: In der Regel ist dieser Bereich bei üblichen Betonmischungen zeitlich nur relativ kurz. Der hier gezeigte UHPC stellt diesbezüglich eine Besonderheit dar.)
• Bereich II: Sowohl die Kompressionswelle als auch die Scherwelle können klar im Signal identifiziert werden. Aufgrund der noch niedrigen Schallgeschwindigkeiten ist zudem eine eindeutige Unterscheidung der P- und der S-Welle möglich.
• Bereich III: Die P- und S-Wellengeschwindigkeiten erreichen hohe Werte. Dies führt dazu, dass die schnellere P-Welle die S-Welle stört. Eine eindeutige Bestimmung des Ersteinsatzes der Scherwelle wird damit erschwert, weswegen einfache Methoden zur Ersteinsatzbestimung häufig versagen.

Abb. 2. Intensitätsgraph mit normalisierten Ultraschallsignalen aufgetragen über die Erhärtungszeit eines ultrahochfesten Betons (UHPC) während der Erstarrung und Erhärtung. Time series of A-Scans of normalized ultrasonic signals over hydration time of an ultra high performance concrete (UHPC) during setting and hardening

Versuchsaufbau für simultane P- und S-Wellenmessungen

Die starken Veränderungen hinsichtlich der Wellenausbreitung während der Erstarrung und Erhärtung von zementgebundenen Materialien führt dazu, dass ein sinnvoller Kompromiss beim Versuchsaufbau gefunden werden muss, so dass Messungen in dem für den Nutzer relevanten Messzeitraum durchgeführt werden können. Soll beispielsweise der Bereich I, in dem keine sinnvollen Ergebnisse erzielt werden können, minimiert werden, so sind geeignete Maßnahmen beispielsweise die Verringerung der durchschallten Dicke oder die Verwendung von Sensorik, die im tieffrequenten Bereich hohe Empfindlichkeiten aufweist. Wird hingegen eine höhere Messzuverlässigkeit und Messgenauigkeit beispielsweise im weitgehend erhärteten Zustand (Bereich III) gewünscht, so bedingt dies einen größeren Sensorabstand und die Verwendung von auch in höheren Frequenzbereichen empfindlichen Sensoren mit sehr geringem Nachschwingverhalten.

Abb. 3 zeigt einen Messaufbau, welcher sich für kombinierte Kompressions- und Scherwellenmessungen während der Erhärtung bewährt hat. Das Testgefäß ist dem Messaufbau, welcher in der RILEM Recommendation „Testing of fresh concrete by ultrasound transmission“ [7] detailliert beschrieben wird, sehr ähnlich. Es wurden jedoch anstatt der P-Wellensensoren breitbandige Scherwellensensoren mit einer Mittenfrequenz von 250 kHz verwendet. Die durchschallte Materialstärke beträgt etwa 50mm, wobei die Sensorankopplung an den Beton über eine Polyimidfolie (0,25 µm) erfolgt (siehe auch [8]).

Abb. 3. Testgefäß für die kombinierte P- und S-Wellenmessung. Testcontainer for combined compressional and shear wave testing.

Automatisierte Bestimmung des P- und S-Welleneinsatzes

Die möglichst genaue Bestimmung des Ersteinsatzes der Kompressionswelle ist die Grundvoraussetzung für die Berechnung der exakten Schallgeschwindigkeit. In der Vergangenheit wurde für die Bestimmung des Ersteinsatzes eine Vielzahl verschiedener Methoden verwendet wie z.B. einfache Schwellwertpicker, signalenergiebasierte oder stochastische Picker [9]. Für die automatisierte Bestimmung des P-Welleneinsatzes bei Frischbetonuntersuchungen hat sich insbesondere der AIC-Picker bewährt. Der AIC-Picker basiert auf dem nach Akaike benannten Akaike Information Criterion (AIC) [10]. Dieser Picker wurde von Kurz, Große und Reinhardt [9] für die Anwendung bei Ultraschallsignalen angepasst und für die automatisierte Auswertung mit dem FreshCon-System weiter optimiert [7, 8].

Die Bestimmung des Ersteinsatzes der Scherwelle gestaltet sich ungleich komplexer, da die transmittierte Scherwelle durch die schnellere Kompressionswelle in ihrer Signalform beeinflusst werden kann, so dass eine einfache Signalformanalyse keine zuverlässige Ersteinsatzbestimmung der Scherwelle zulässt. Um diesem Problem zu begegnen, bietet es sich an, zusätzlich Frequenzinformationen in die Signalanalyse mit einzubeziehen. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich die Kompressionswelle und die Scherwelle zu jedem Messzeitpunkt in ihrem Frequenzgehalt signifikant unterscheiden und diese Frequenzunterschiede für eine weitere Signalanalyse herangezogen werden können. Dass signifikante Frequenzunterschiede bei verschiedenen Mörtelmischungen über die Hydratationszeit vorhanden sind, konnte bereits gezeigt werden [11]. Weitere Vorrausetzung ist, dass breitbandige Sensoren eingesetzt werden. Um schließlich die Frequenzinformationen im Messsignal zeitlich aufzulösen, wird für die Ersteinsatzbestimmung die Wavelet-Transformation (vgl. hierzu Abb. 4) verwendet [8]. Die Bestimmung des Ersteinsatzes erfolgt dabei frequenzselektiv, indem die maßgebliche Wellenlänge der Scherwelle über eine lokale Maxima-/Minimabetrachtung bestimmt wird und damit dann der Ersteinsatz des Signals berechnet wird. Obwohl die Ersteinsatzbestimmung hier frequenzabhängig vorgenommen wird, ist damit die S-Wellengeschwindigkeit in guter Näherung bestimmbar.

Abb. 4. Beispiel einer kontinuierlichen Wavelet-Transformation eines Ultraschallsignals mit Bestimmung des Ersteinsatze der S-Welle. Example of a wavelet graph of an ultrasonic signal with onset determination of the s-wave.

Bestimmung elastischer Materialparameter

Nimmt man erhärtenden Beton als isotropes, homogenes Material an, so kann man für die Praxisanwendung relevante elastische Materialparameter wie Querdehnzahl s_dyn, den dynamischen E-Modul E_dyn oder auch den dynamischen Schubmodul G_dyn wie folgt berechnen:

Eingabeparameter für die Berechnung sind dabei die Rohdichte r_c sowie die experimentell bestimmten Schallgeschwindigkeiten der P- und der S-Welle v_P und v_S [2]. Obwohl die Festigkeitsentwicklung mit den dynamischen Materialparametern nicht direkt bestimmt werden kann, stellen die ermittelten elastischen Materialparameter gute Bewertungskriterien für den Hydratationsprozess und damit der Festigkeitsentwicklung dar. Abb. 5 zeigt in einem Beispiel die Ergebnisse der Ultraschalluntersuchungen an einer Mörtelmischung mit 480 kg/m³ Zement (CEM II/A-LL 42,5R), 1662,5 kg/m³ Sand (0-2 mm) und einem w/z-Wert von 0,6 über einen Zeitraum von 24 Stunden. Dargestellt sind die aus dem Versuch direkt ermittelten Schallgeschwindigkeiten sowie die mit einer Rohdichte von 2145 kg/m³ gemäß obiger Formeln berechneten elastischen Materialparameter.

Abb. 5. Entwicklung der Ultraschallgeschwindigkeiten und der elastischen Materialparameter während der Erstarrung und Erhärtung eines Zementmörtels. Evolution of ultrasonic velocities and elastic material parameters during setting and hardening of a mortar sample.

Die dynamisch ermittelten elastischen Materialparameter unterscheiden sich in der Regel von den statisch ermittelten Materialparametern wie statischem E-Modul und der Querdehnzahl, welche oftmals mit etwa 0,2 angenommen wird. Die tendenziellen Unterschiede lassen sich jedoch relativ einfach anhand der unterschiedlichen Versuchsdurchführung erklären. Bei statischen Versuchen werden konkrete Verformungen aufgebracht, wobei Materialinhomogitäten oder Mikrorisse in geringere Werte für z. B. E-Modul und Querdehnzahl resultieren. Ein ausschließlich elastisches Verhalten kann daher in der Regel nicht vorausgesetzt werden. Die Materialuntersuchung mittels Ultraschall ist hingegen als zerstörungsfrei einzustufen. D.h. aber auch, es werden hieraus theoretisch rein elastische Materialparameter gewonnen. Dies gilt es bei einer weiteren Interpretation der Versuchsergebnisse zu berücksichtigen.

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., Grosse, C.U., Aggelis, D., De Belie, N., Krüger, M., Ohtsu, M., Robeyst, N., Shah, S.P.; and Tatarin, R.: Recommendation of RILEM TC 218-SFC: Sonic methods for quality control of fresh cementitious materials. Testing of fresh concrete by ultrasound transmission. RILEM TC 218-SFC, In: Materials and Structures (2011) 44:1047–1062. DOI 10.1617/s11527-011-9734-9.

[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 Erstarrungs- und Erhärtungsverhaltens von Mörtel mit Kompressions- und Scherwellen. Diplomarbeit, MPA Universität Stuttgart, 2009. 

[12] Krüger, M., Bregar, R., David, G.A., Juhart, J.: Non-destructive evaluation of eco-friendly cementitious materials by ultrasound. International RILEM Conference on Materials, Systems and Structures in Civil Engineering 2016 Segment on Service Life of Cement-Based Materials and Structures Vol. 2, pp. 503-512.

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