Umwelt- bzw. mechanisch bedingte Änderungen in der (Beton-)Mikrostruktur und ihr Effekt auf die Codasignale
Im Teilprojekt TUM1 soll mittels gut beherrschbarer Experimente der Einfluss von mechanischer Belastung und Umwelteinflüssen auf das Codasignal abgebildet werden. Zum einen werden Kalibrierkurven für die Veränderung der Coda durch direkte Einwirkungen abgeleitet. Andererseits sollen typische Phänomene in Bezug auf das Material Beton, z.B. die Langzeitprozesse Karbonatisierung oder Frostangriff, charakterisiert werden.
Projektbeschreibung
Das Teilprojekt TUM1 beschäftigt sich mit der experimentellen und datenbasierten Charakterisierung von Zusammenhängen zwischen äußeren Lasten und Veränderungen im Codasignal. Ziel ist es, am Ende des Projekts ein Spektrum an Kalibrierkurven und betonspezifischen Kenngrößen bereitzustellen, um eine Kalibrierung und Signalkompensation an realen Ingenieurbauwerken zu ermöglichen. Zur Validierung der Ursachen von Signalvariationen, werden Veränderungen der Betonmikrostruktur mit konventionellen und innovativen Techniken charakterisiert. Die Zusammenhänge zwischen Einwirkungen und mikrostrukturellen Veränderungen, sowie die entsprechende Analyse und Interpretation der Codasignale, liefern wichtige Eingangsparameter für die Modellierung von Wellenausbreitung, Materialeigenschaften und Strukturänderungen, wie sie im Rahmen anderer Einzelprojekte dieser Forschungsgruppe entwickelt werden.
In der zweiten Phase sollen die in der ersten Phase durch eindimensionale Versuche abgeleitete Zusammenhänge systematisch um weitere Einflüsse, wie des Oberflächenzustandes erweitert werden. Darüber hinaus wird nach der Charakterisierung homogener Zustände nun praxisrelevante Feuchte- und Temperaturgradienten untersucht. Im Fokus der zweiten Förderungsphase stehen zudem betonspezifische Langzeitphänomene wie die Karbonatisierung und der Frost-(Tausalz-) Angriff. Ein besonderes Augenmerk soll dabei auf die Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen mikrostrukturellen Veränderungen gelegt werden. Die untersuchten Materialveränderungen werden dabei mittels ausgewählter Methoden wie der Computertomographie oder der Dünnschliffmikroskopie spezifiziert.
Darüber hinaus übernimmt das Teilprojekt TUM1 die Koordination von Meetings und des Außenauftritts der Forschungsgruppe, sowie die Koordinierung der Instrumentierung eines realen Ingenieurbauwerkes und der Datenerfassungsinfrastruktur zur gemeinsamen Datenbank.
Bisherige Ergebnisse
In der ersten Förderungsperiode wurden im Teilprojekt TUM1 in kontrollierten Laborexperimenten an Betonprobekörpern der Einfluss einaxialer Druck- und Zugbelastungen, sowie von Temperatur- und Feuchtevariationen auf das Codasignal untersucht.
Mechanische Lasten
Durch einaxiale Druck- und Zugversuche, sowie einem sechsmonatigen Schwind- und Kriechversuchs konnte gezeigt werden, dass sowohl die Signalkorrelation der Ultraschallsignale als auch ihre Geschwindigkeitsvariationen direkt die Spannungsänderungen in Betonstrukturen widerspiegeln. Für den elastischen Bereich bis 30 % der Festigkeit konnten durch lineare Regression die Zusammenhänge zwischen einem Belastungsanstieg und den Veränderungen in der Geschwindigkeitsvariation quantifiziert werden. Der langzeitige Schwind- und Kriechversuch zeigte zudem, dass zeitabhängige Materialveränderungen bei einem Vergleich von zeitlich weit auseinander liegenden Ultraschallsignalen berücksichtigt werden müssen.
Temperatur und Feuchte
Für die Untersuchung des Einflusses von Temperatur- und Feuchteveränderungen auf die Ultraschallsignale, wurden Betonprobekörper mit eingebetteten Ultraschall-Sensoren, sowie Begleitprobekörper mit Sensorik für die tiefengestaffelte Bestimmung der Temperatur- und Feuchtezustände hergestellt. In einem Klimaschrank wurden die Proben über mehrere Monate hinweg auf Feuchtezustände von 95% bis 35 % relativer Luftfeuchte konditioniert. Bei Erreichen eines homogenen Feuchtezustandes wurden die Proben einem schrittweisen Temperaturprofil von 2 °C bis 55 °C ausgesetzt. Während der gesamten Versuchsdauer wurden regelmäßig Ultraschallsignale aufgezeichnet. Die Auswertung der homogenen Temperatur- und Feuchtezustände bestätige frühere Studien, welche eine lineare Beziehung zwischen Temperaturänderungen und seismischen Geschwindigkeitsänderungen berichteten. Zudem konnte für den untersuchten Beton die Beziehung zwischen einem Temperaturanstieg und einer Veränderung der Geschwindigkeitsvariation quantifiziert werden. Auch eine Anti-Korrelation mit der relativen Luftfeuchtigkeit konnte beobachtet werden.
Weitere Untersuchungen
Zusätzlich lieferte TUM1 Materialkennwerte für die Verbesserung und Validierung des von RUB1 entwickelten Materialmodells. Hierfür wurden die Ausgangsstoffe und der daraus hergestellte Beton charakterisiert. Die Charakterisierung umfasste zum einen standardisierte Verfahren wie die Quecksilberporosimetrie zur Untersuchung der Poren im Material, Druckfestigkeitsprüfungen, oder das Erstellen von Sieblinien für die verwendete Gesteinskörnung. Darüber hinaus wurden Experimente durchgeführt, durch welche beispielsweise Spannungs-Dehnungs-Kurven für das verwendete Gestein, sowie Beton- und Mörtel-Mischungen abgeleitet werden konnten. Im Teilprojekt TUM1 wurde außerdem die Verwendung von neuronalen Netzwerken für die beschleunigte Auszählung von Luftporen untersucht.
