Schallemissionsanalyse zur Untersuchung der Effizienz von Selbstheilungsmechanismen in Beton

K. Floht1, F. Malm1,C. U. Grosse1

 

1 Technische Universität München Centrum Baustoffe und Materialprüfung (cbm), Baumbachstr. 7, 81547 München, Germany – e-mail: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Kurzfassung

Beton bzw. Stahlbeton ist neben vielen positiven Eigenschaften relativ anfällig gegenüber Rissbildung (vor allem auf Zug), was ab bestimmten Rissbreiten zu einem verstärkten Feuchtetransport ins Bauteil beitragen kann. Dadurch erhöht sich die Permeabilität des Materials und es wird anfälliger gegenüber Frost-Tau-Wechseln und dem Eindringen von Chloriden. Die Beschleunigung von Korrosionsprozessen und eine verkürzte Lebensdauer können Auswirkungen dieser Rissbildung sein. Deswegen war und ist es das Ziel vieler Forschungsprojekte, die Rissbreiten in Beton zu begrenzen. Einen neuen Weg ermöglichen Zuschläge, die zu einer Selbstheilung von Rissen führen und die Dauerhaftigkeit erhöhen. Im Rahmen des Projektes „Healcon“, gefördert von der Europäischen Kommission im 7. Forschungsrahmenprogramm, werden diese Heilungsmechanismen untersucht und weiterentwickelt. Dabei können Zerstörungsfreie Prüfverfahren eingesetzt werden, um die Aktivierung der Heilungsmechanismen zu beobachten und den Heilungsfortschritt zu überwachen. Die Schallemissionsanalyse spielt dabei eine besondere Rolle, da sie in der Lage ist, sowohl die Rissbildung zu beobachten, als auch die spätere Aktivierung dieser Mechanismen. Bei einer erneuten Belastung von Bauteilen kann ebenfalls über die SEA das Aufbrechen zwischenzeitlich geheilter Risse nachgewiesen werden. Dafür ist einerseits der Einsatz von empfindlichen Breitbandsensoren sowie von Mehrkanal-SEA-Systemen sowie einer genauen 3D-Lokalisierungstechnik notwendig.

 

1.    Einführung

Die Tragfähigkeit und vor allem die Dauerhaftigkeit von Ingenieurbauwerken entwickeln sich, sowohl in der Forschung als auch in der Praxis, zu einem immer wichtigeren Thema. In diesem Zusammenhang werden Methoden zur Selbstheilung von Rissen in Beton- oder Stahlbetonbauwerken und –bauteilen entwickelt, um so die Lebensdauer zu verlängern. Verschiedene Heilungsmechanismen sind bereits getestet und werden weiterhin ausgewertet. Vielversprechende Ergebnisse wurden bereits von mehreren Forschern [1-8] veröffentlicht, wobei jedoch Optimierungsbedarf verbleibt. Bei der Entwicklung von Heilmethoden für zementartige Materialien ist die zeit- und raumabhängige Selbstheilungseffizienz zu bewerten. Bisher wurde die selbstheilende Wirksamkeit meistens basierend auf der Rückgewinnung der mechanischen Eigenschaften nach einer bestimmten Zeit ausgewertet. Während einige Forscher die Druckfestigkeit bei der Durchführung eines Zug- oder Biegeversuches bewerten, beurteilt die Mehrheit die Festigkeit, die Steifigkeit der Probe und/oder die Energie, der ausgesendeten Schallemissionen bei der Rissfortpflanzung. Der Wiedergewinn der mechanischen Eigenschaften wird durch erneutes Belasten einer bereits belasteten und geheilten Probe und durch den Vergleich der dabei gewonnenen Eigenschaften beschrieben. Zerstörungsfeie Prüfmethoden verfügen dabei über offensichtliche Vorteile [9]. Granger et al. [8] bestimmt die autogene Rissheilung durch die Schallemissionsanalyse (SEA). Diese wird auch Rahmen des durch die Europäische Kommission gesponserten Healcon Projekts untersucht, wobei die Heilungs-Effizienz durch die in Stahlbeton eingebetteten Heilmittel verursacht, durch die Rissbildung aktiviert werden. Die Bewertung der bei einem 3-Punkt-Biege Versuch aufgenommene Events liefern einen detaillierten Aufschluss über den Ablauf des Bruchprozesses.

2.    Vorbereitung der Probekörper 

Zur autonomen Rissheilung wird ein Polyurethan basiertes Heilmittel (MEYCO MP 355 1K, BASF - The Chemical Company) verwendet. Das Polymere des Polyurethan, welches für die Rissinjektion, zur Rissverfüllung durch Aufschäumen entwickelt wurde, wurde zum einen für einige Prüfkörper in kleine Glaskapillaren mit einer Länge von 100 mm und einem Innendurchmesser von ca. 2,5 und 4,0 mm abgefüllt. Um die Reaktionszeit zu verkürzen wurde an jedem Glaskapillar ein weiteres mit einem Gemisch aus Wasser und Beschleuniger angebracht. Die abgefüllten Röhrchen wurden mit HBM X60 (Methyl-Methacrylat) an den Enden abgedichtet. Für die Betonprobekörper wurde das Rezept für den Standardbeton nach DIN EN 206-01 herangezogen. Nach 28 Tagen betrug die Würfeldruckfestigkeit 64,0 (± 1.8) MPa. Holzschalungen mit den Abmessungen von 550 x 150 150 mm – basierend auf EN 12390-5 – wurden für die Probekörper mit und ohne Heilmittel vorbereitet. Die Glasröhrchen wurden mittels dünner Stahldrähte in der entsprechenden Position fixiert. Um reproduzierbare und kontrollierte Tests durchführen zu können, wurden paarweise Bewehrungsstäbe mit einem Durchmesser von 6,0 mm eingebaut. Abb 1 zeigt die unterschiedlichen Positionierungen der Glaskapillaren.

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Abb 1: Links: Schalung + 1 Glaskapillarenpaar, Balken 2. Rechts: Schalung + 2 Glaskapillarenpaare, Balken 7.

3.    Allgemeiner Aufbau der Experimente

Um Rissbreiten von 300-350 μm zu erhalten, wurden rissbreitengesteuerte 3-Punkt-Biege Versuch mit einer Geschwindigkeit von 0,06 mm/min für 10 min durchgeführt. Der auftretende Riss lässt die Glaskapillaren aufbrechen und der Kleber beginnt hinaus zu fließen. Nach einer 7-tägigen Aushärtung bei 20°C und einer relativen Luftfeuchte von 65 % wurden die Probekörper dem gleichen Setup unterzogen. Insgesamt wurden 6 Probekörper mit und ohne Heilmittel getestet und mittels SEA überwacht.

4.    Schallemissionsanalyse (SEA)

Zur Analyse des Rissverhaltens bei Erstbelastung und im geheilten Zustand bei Wiederbelastung wurde die SEA während des 3-Punkt-Biege Versuches angewendet. Bis zu 15 Piezosensoren (Panametrics V103) wurden mit Heißkleber an der Betonoberfläche befestigt. Parallel wurde über einen weiteren Kanal das Kraftsignal der Prüfmaschine mit getriggert. Die Kalibrierung der Empfindlichkeit aller Sensoren wurde durch das Hsu-Nielsen Verfahren nachgewiesen. Zur Kalibrierung der Lokalisierungsgenauigkeit sind mittels Ultraschallsensoren Impulse präzise nach einem Oberflächenraster erzeugt worden. Teflonstreifen zwischen den Stützen und der Proben vermieden Kontaktgeräusche während des 3P-Biegeversuch. Das Verhalten der Rissbildung wurde kontinuierlich während des Be- und Entladens der Proben vor und nach der Heilung untersucht. Zur zuverlässigen und automatischen Bestimmung von Ersteinsatzzeiten wurde der AIC-Picker verwendet [11]. Infolgedessen werden die Events dreidimensional nach Geiger [12] und Bancroft [13], lokalisiert. Mittels Sensorpermutation, Median und Mittelwert wurde der zuverlässigste Lokalisationsvektor berechnet. Unter Anwendung eines Korrelationskoeffizienten und einer Energiebetrachtung erfolgte schließlich die Selektion der lokalisierten Events. Dies ermöglichte eine zeitabhängige Rissdetektion sowie eine Zuordnung der Kapselbrüche.

 5.    RESULTS

Die gemittelte Signalenergie der einzelnen Events während eines 3-Punkt-Biegeversuches in Abhängigkeit der Zeit zeigt Abb. 2. Rot markierte Punkte zeigen Lokalisierungen mit einem Korrelationskoeffizienten von mindestens 0,8.

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         Abb 2: Gemittelte Signalenergie einzelner Events während des 3-Pkt-Biege Versuchs. Rot markierte Events: Korrelationskoeffizient ≥ 0,8. Zusätzlich in grün dargestellte Kraft-Zeit-Kurve. Horizontal verlaufende blaue Punkte (Energie: ca. 1,2*106) stellen künstliche Ultraschallimpulse dar, auf die allerdings nicht weiter eingegangen wird.

Um Schallemissionen den Brüchen der Glaskapillaren zuordnen zu können, wurden die Events nach dem Energiegehalt selektiert. Wie in Abb 2 zu sehen ist, treten Signale mit einer mittleren Energie von größer als 1,5*105 [-] nach Erreichen der Maximallast (Zeit: Min 2 – Min 6) auf. Eine Lokalisierung dieser Schallemissionen ergibt eine starke Korrelation zwischen Kapillaren-Brüchen und Hochenergie-Signalen.

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Abb 3: 2 Lokalisierte Kapselbrüche von einem Glaskapillarenpaar.

Dem Heilmittel wurden fluoreszierende Pigmente beigemischt um eine visuelle Darstellung der Heilung zu ermöglichen. Nachfolgende Bilder zeigen zwei unterschiedliche Heilverfahren: Balken 9 mit zwei Glaskapillarenpaaren und Balken 3 (Abb 4), welcher kurz nach der Erstbelastung am Rissbeginn manuell mit besagtem Polyurethan verfüllt wurde. Lokalisierte Events nach der Zweitbelastung und somit nach der 7-tägigen Aushärtung sind über die Bilder als transparentes Rechteck eingebettet. Im Fall der manuellen Rissverfüllung sind viele Schallemissionen an der verklebten Fläche lokalisiert und somit ist ein Verbund der Rissflächen im oberen Bereich zu verstehen.


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Abb 4: Lokalisierte Schallemissionen im Rissquerschnitt in Korrelation mit benetzter Klebefläche. Links: Verfüllung durch 2 Glaskapillarenpaare (Balken 9). Rechts: Partielle manuelle Heilung am unteren Rissabschnitt (Balken 3).

 6.    Fazit

Diese Studie verifiziert die Anwendung der Schallemissionsanalyse zur Überwachung der Rissbildung und die Selbstheilungseffizienz mittels harzgefüllter Glaskapillaren. Es hat sich gezeigt, dass während eines 3P-Biegeversuches eine Lokalisierung von Schallemissionenmit hoher Energie der Position der Kapillaren entspricht und somit Glasbrüchen zuzuordnen ist. Lokalisierte Schallemissionen während der Wiederbelastung gehen mit der visuellen Darstellung der verklebten Fläche einher und weisen somit einen Wiederverbund der Rissoberfläche aufgrund des verfüllten Klebers auf. Schließlich kann mit dieser Studie gezeigt werden, dass die SEA ein geeignetes Verfahren ist die Heilung des Risses sowie die benetzte Klebefläche, basierend auf Polyurethanharz, nachzuweisen.

 Danksagung

Das Forschungsprojekt erhält die Finanzierung durch die Europäische Union zum siebten Rahmenprogramm (FP7 / 2007-2013) im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 309.451 (HEALCON).

Referenzen

1. Van Tittelboom, K.; De Belie, N. (2013) Self-Healing in Cementitious Materials—A Review. Materials 2013, 6, 2182-2217 2. Edvardsen, C. (1999). Water permeability and autogenous healing of cracks in concrete. ACI Materials Journal. 96(3):448-455. 3. Yang, Y, Lepech, M.D., Yang, E.-H., Li, V.C. (2009). Autogenous healing of engineered cementitious composites under wet–dry cycles.Cement and Concrete Research 39. 382–390 4. Jonkers, H.M. (2011) Bacteria-based self-healing concrete. Heron 56 (1/2), pp 1-12. 5. Van Tittelboom K, De Belie N, Van Loo D, Jacobs P (2011) Self-healing efficiency of cementitious materials containing tubular capsules filled with healing agent. Cement and Concrete Composites 33 (4), pp 497-505. 6. Van Tittelboom K, De Belie N (2010a). Self-healing concrete: suitability of different healing agents. International Journal of 3R's 1 (1), pp 12-21. 7. Granger S, Loukili A, Pijaudier-Cabot G, Chanvillard G (2007). Experimental characterization of the self-healing of cracks in an ultra-high performance cementitious material: Mechanical tests and acoustic emission analysis. Cement and Concrete Research 37 (4), pp 519-527. 8. Tsangouri, E, et al. (2013). Detecting the Activation of a Self-Healing Mechanism in Concrete by Acoustic Emission and Digital Image Correlation. The ScientificWorld Journal. Volume 2013, Article ID 424560, 10 pages. 9. Grosse, C.U., Van Tittelboom, K., De Belie, N. (2013). Non-destructive testing techniques for the observation of healing effects in cementitious materials – an introduction. Proc. 4th International Conference on Self-Healing Materials – ICSHM. Ghent.6 p. 10. Grosse, C.U., Ohtsu M. (2008). Acoustic Emission Testing in Engineering - Basics and Applications. Springer publ., Heidelberg, ISBN: 978-3-540-69895-1, 404 p. 11. Raith, M. (2013). Schallemissionsanalyse bei Pulloutexperimenten an Verbunddübeln. Master’s Thesis. Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung. Technische Universität München 12. Geiger, L. (1910). Herdbestimmung bei Erdbeben aus den Ankunftszeiten. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse 1910, S. 331–349. 13. Bancroft, S. (1985). An Algebraic Solution of the GPS Equations. Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on AES-21(1): 56-59.

 

 
This project has received funding from the European Union’s Seventh Framework Programme
for research, technological development and demonstration under grant agreement no 309451.
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