Charakterisieren struktureller Veränderungen in zementgebundenen Baustoffen durch akustische zerstörungsfreie Prüfverfahren (PDF)

Im Rahmen der Arbeit wird das Charakterisieren struktureller Veränderungen zementgebundener Baustoffe durch zwei auf dem Ultraschall-Transmissionsverfahren beruhenden Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit mechanischen Wellen vorgenommen.
Es wird ein Überblick über wesentliche theoretische, messtechnische und werkstoffliche Grundlagen akustischer zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Untersuchung zementgebundener Baustoffe gegeben. Spezielle Fragestellungen zur Wellenausbreitung in frischen zementgebundenen Systemen sowie zur laserinduzierten Anregung werden analytisch betrachtet.
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. Die zeitliche Entwicklung der dynamischen elastischen Eigenschaften, die Strukturbildungsraten sowie die daraus extrahierten diskreten Ergebnisparameter ermöglichen eine sensible quantitative Charakterisierung der Strukturbildung zementgebundener Baustoffe aus mechanischer Sicht.
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. 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. Unter Anwendung von tomographischen Methoden (2D-Laufzeittomographie) werden überlagerungsfreie Informationen zur räumlichen Verteilung struktureller Gefügeveränderungen innerhalb von virtuellen Schnittebenen geschädigter Probekörper gewonnen. Als betonschädigende 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.

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.
An overview of essential theoretical, metrological and material-related fundamentals of acoustic non-destructive testing methods for the investigation of cementitious building materials is given. Special issues concerning wave propagation in fresh cementitious systems as well as laser-induced excitation are analytically considered.
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. The development of dynamic elastic properties, the structure formation rates and the extracted discrete result parameters enable a sensitive and quantitative analysis of the structural formation of fresh cementitious materials from a mechanical point of view.
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. 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.
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 within virtual cross-sections of damaged specimens. The combined freeze-thaw deicing 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.