Charakterisieren struktureller Veränderungen in zementgebundenen Baustoffen durch akustische zerstörungsfreie Prüfverfahren

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Charakterisieren struktureller Veränderungen zementgebundener Baustoffe durch zwei auf dem Ultraschall-Transmissionsverfahren beruhenden Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit mechanischen Wellen vorgenommen. 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. Gegenüber der bislang üblichen alleinigen Bewertung der Verfestigung anhand indirekter Ultraschallparameter wie Ausbreitungsgeschwindigkeit, Signalenergie oder Frequenzgehalt der Longitudinalwelle lässt sich damit eine direkte, sensible Erfassung der sich während der Strukturbildung entwickelnden dynamischen elastischen Eigenschaften auf der Basis primärer physikalischer Werkstoffparameter erreichen. Insbesondere Scherwellen und der dynamische Schubmodul sind geeignet, den graduellen Übergang zum Festkörper mit Überschreiten der Perkolationsschwelle sensibel und unabhängig vom Luftgehalt zu erfassen. Die zeitliche Entwicklung der dynamischen elastischen Eigenschaften, die Strukturbildungsraten sowie die daraus extrahierten diskreten Ergebnisparameter ermöglichen eine vergleichende quantitative Charakterisierung der Strukturbildung zementgebundener Baustoffe aus mechanischer Sicht. Dabei lassen sich typische, oft unvermeidbare Unterschiede in der Zusammensetzung der Versuchsmischungen berücksichtigen. 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. Diese resultieren aus der Sensorgeometrie, der mechanischen Ankopplung und bei einer Vielzahl von Oberflächenpunkten aus einem hohen prüftechnischen Aufwand. Die laserbasierte, interferometrische Erfassung mechanischer Wellen ist gegenüber Ultraschallsensoren rauschbehaftet und vergleichsweise unsensibel. 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. Während der Strukturbildung wird erstmals eine simultane berührungslose Erfassung von Longitudinal- und Scherwellen vorgenommen. Unter Anwendung von tomographischen Methoden (2D-Laufzeit¬tomo¬graphie) werden überlagerungsfreie Informationen zur räumlichen Verteilung struktureller Gefügeveränderungen anhand der longitudinalen Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. des relativen dynamischen Elastizitätsmoduls innerhalb von virtuellen Schnittebenen geschädigter Probekörper gewonnen. Als beton-schädigende 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.

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