Erfassung der Schadensentwicklung von mineralischen Baustoffen mit Hilfe der Ultraschallphasenspektroskopie

Abstract

Der Wunsch der zerstörungsfreien Prüfung besteht darin, ein inneres Abbild der Struktur eines Körpers zu erstellen, ohne diesen zu beschädigen. Für mineralische Baustoffe hat sich die Untersuchung mittels Ultraschall in den letzten Jahren etabliert. Zum einen kann mit Hilfe moderner mathematischer Methoden aus vorhandenen Daten eine bessere Analyse erzielt werden oder weitere Informationen aus dem Messsignal gewonnen werden. Dafür hat sich im Bereich der Auswertung von transienten Ultraschall-Transmissions- und Emissionssignalen in den letzten Jahren die Wavelet-Transformation als nützliches Werkzeug ergeben, die im ersten Teil der Arbeit ausführlich vorgestellt wird. Des Weiteren kann durch die Anwendung eines neuen Messverfahrens, welches es ermöglicht zusätzliche Messparameter zu ermitteln, die Interpretation der Messsignale erleichtert und verbessert werden. Dieses Vorgehen wird im zweiten Teil der Arbeit an Hand von Messungen an verschiedenen mineralischen Baustoffen mittels der Ultraschallphasenspektroskopie aufgezeigt. Mit dieser Methode können Geschwindigkeit, Amplitude und Frequenzinhalt eines transmittierten Signals bestimmt werden. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die Messapparatur zu Beginn der Messung kalibriert werden kann. Somit ist eine Aussage über die Filtereigenschaften des Prüfkörpers realisierbar mit gleichzeitiger frequenzgenauer Bewertung der transmittierten Energien. Die Wavelet-Transformation stellt eine alternative Möglichkeit dar, ein Signal in einen Frequenz-Zeit-Bereich zu zerlegen. Im Gegensatz zu anderen Transformationsmethoden werden dabei Wavelet-Funktionen eingesetzt, die in Ihrer Lage und Breite, der sogenannten Skalierung oder dem Zeitfenster, variiert werden können. Dadurch besitzt dieses Verfahren Vorteile gegenüber der Fourier-Transformation, die auf Grund der Heisenbergschen Unschärferelation keine Analyse im Zeitbereich zulässt und der Short-Time-Fourier-Transformation, die nur mit einem festem Zeitfenster arbeitet, so dass entweder eine gute zeitliche oder frequenzmäßige Auflösung möglich ist. Bei der Ultraschallphasenspektroskopie wird die Phasenverschiebung zwischen dem transmittierten Signal und einem Referenzsignal bei zunehmender Frequenz ermittelt. Mit Hilfe der linearen Geradensteigung im Frequenz-Phasen-Diagramm kann auf die Wellengeschwindigkeit im Prüfkörper geschlossen werden. Damit entfällt die Bestimmung des Ersteinsatzes, was zu einer höheren Genauigkeit führt. Die Phasenspektroskopie wird heutzutage mit Hilfe von Netzwerkanalysatoren durchgeführt, die neben einem einfachen Messaufbau, es werden lediglich der Analysator und zwei Sensoren benötigt, den Vorzug besitzen, dass eine gleichzeitige Messung der transmittierten Amplitude gewährt wird. Als Grundlage zur Ermittlung des Schadensverlaufs wurde die Geschwindigkeitsabnahme und die Amplitudenabnahme mit zunehmender Verformung ausgewertet. Auf Grund der Kalibrierung kann die Amplitude frequenzselektiv aufgespaltet werden. Man geht davon aus das Frequenzen, deren Wellenlänge die Größenordnung eines Risses erreichen durch Streuung gedämpft werden. Dies zeigt sich darin, dass höhere Frequenzen bereits bei kleiner Verformung abgedämpft werden. Legt man nun eine Sicherheitsschwelle im Diagramm der frequenzselektierten Amplituden an, so kann der Stauchungsgrad der einsetzenden Dämpfung für die einzelnen Frequenzen bestimmt werden. Mit Hilfe der zu den Stauchungen zugeordneten Geschwindigkeiten ist eine Bestimmung der jeweiligen Wellenlängen möglich. Trägt man die Wellenlängen gegen die Stauchung auf, lassen sich die Punkte mit Hilfe einer Exponentialkurve fitten. Setzt man die Wellenlänge in Bezug zur Rissgröße, lässt sich damit die Schadensgröße ermitteln. Der Verlauf der abnehmenden Amplitude des transmittierten Signals mit zunehmender Belastung kann auf die Sensorflächenform zurückgeführt werden. Die Abnahme der Fläche eines Kreises beschreibt dabei die Amplitudenform. Geht man davon aus, dass die Amplitude des Empfangssignals von der aktiven Sensorfläche abhängt, ist eine Bestimmung von Ausgleichswerten möglich, die den Schädigungsgrad der Probe angeben. Als Ergebnis erhält man eine Darstellung der Schadensgröße und des Schädigungsgrades mit zunehmender Verformung. Bei kleiner Verformung werden zuerst Verbindungen zwischen Matrix und Zuschlag abgelöst, es entstehen also viele Mikrorisse. Dies ergibt damit eine langsame Zunahme der Schadensgröße und einen linearen Verlauf des Schädigungsgrades. Mit zunehmender Belastung wachsen die Risse über die Matrix zusammen, damit nimmt die Schadensgröße zu und der Schädigungsgrad ab. Schließlich kommt es zur Entfestigung des Prüfkörpers, es entstehen Makrorisse. Hierbei nimmt die Schadensgröße signifikant zu, während der Schädigungsgrad kaum noch zunimmt. Das gleiche gilt auch für die Amplitudenauswertung, die bei diesem Verfahren für jede Frequenz ermittelt werden kann und eine Analyse bezüglich Schadensgröße und Schädigungsgrad erlaubt.

Since the phase measurement is insensitive to outside influences of noise, measurements could be accomplished during a compression test. As basis for the determination of the damage process the speed acceptance and the amplitude acceptance with increasing deformation were evaluated. On reason of the calibration the amplitude can be split up frequency-selectively. One goes of out of frequencies whose reach wavelength the order of magnitude of a tear by dispersion are absorbed. This shows up in the fact that higher frequencies are already absorbed with small deformation. If one puts on now a safety threshold in the diagram of the frequency-selected amplitudes, then the upsetting degree of the using absorption can be intended for the individual frequencies. With assistance of the speeds assigned to the upsettings a determination of the respective wavelengths is possible. If one lays the wavelengths on against the upsetting, the points with assistance of an exponential curve leave themselves fitten. If one sets the wavelength in purchase to the tear size, thereby the damage size can be determined. The process of the removing amplitude of the transmitted signal with increasing load can attribute to the sensor surface form. The reduction of the surface of a circle describes thereby very exactly the amplitude form. If one assumes the amplitude of the received signal depends on the active sensor surface, is possible a regulation of balancing values, which indicate the damage degree of the sample. As result one receives a representation the damage size and the damage degree with increasing deformation. With small deformation first connections between matrix and addition are replaced, it develop thus many microcracks. This results in thereby a slow increase of the damage size and a linear process of the damage degree. With increasing load the tears grow together over the matrix, thus remove the damage size to and the damage degrees. Finally it comes to the destabilization of the inspection piece, it develops for macro tear. Here the damage size increases significantly, while the damage degree hardly still increases. With the help of the compression test with one axle and the ultrasonic phase spectroscopy the quantitative damage of steel fiber concrete was examined. It is possible, the increasing damage on the basis the speed to pursue frequency and amplitude of the transmitted signals. The ultrasonic phase spectroscopy has the advantage that by a vorrausgehenden calibration the periodical characteristics of the measuring instrument become balanced. With this method the filter characteristics of the inspection piece are determined directly. It is measured over a broad frequency range, whereby in contrast to earlier procedures during the evaluation a frequency lesson is realizable. The same applies to be determined also for the amplitude evaluation, with this procedure for each frequency can and an analysis concerning damage size and damage degree permitted. The procedure is suitable also for other materials, e.g. sandstone or plastic, however very thick concrete layers are not suitable for very inhomogenous, strongly absorbing materials such as gypsum or. As was shown, the results of measurement harmonize very well with the results of the impulse spectroscopy. Both methods complement each other in the kind that with the UPS the high frequency range is covered and with the impulse spectroscopy the lower. The amplitude acceptance of the UPS measurement reacts more sensitively to the increasing damage, since the integrated frequency range of the transmitted signal is larger.