Zerstörungsfreie Prüfung von Betonbauteilen im jungen und erhärteten Zustand mit der Impact-Echo-Technik

Abstract

Das Impact-Echo-Verfahren ist ein in Reflexion arbeitendes, auf Ultraschallwellen basierendes, zerstörungsfreies Prüfverfahren. Das Verfahren benutzt niederfrequente Wellen, die durch einen mechanischen Stoß auf die Oberfläche des Betonbauteils erzeugt werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen mit dem Impact-Echo-Verfahren an Betonbauteilen im jungen und erhärteten Zustand durchgeführt. Das Ziel dieser Arbeit war die Weiterentwicklung des Verfahrens und die Verbesserung der Aussagegenauigkeit. Mit Hilfe neu entwickelter Hardware wurde die Anwendbarkeit verbessert. Zudem erfolgte die Erweiterung der Anwendung zur Analyse des Erhärtungsverlaufs von Beton.

Um das Reflexionsverhalten von Schallwellen zu untersuchen, wurden verschiedene Prüfkörper konzipiert, die mit definierten Fehlstellen, Hüllrohren und teilweiser komplexer Geometrie versehenen waren. Bei Bauteildicken zwischen 7 und 100 cm kann mit diesem Verfahren die vorhandene Bauteildicke im Allgemeinen sehr genau ermittelt werden. Es stellte sich allerdings heraus, dass schräge Reflexionsflächen andere Ergebnisse liefern als parallel zur Oberfläche verlaufende Flächen. Der gemessene Frequenzpeak weicht hier von dem berechneten Peak der tatsächlichen Dicke bzw. Tiefe der Reflektorebene mit zunehmender Dicke ab. Des Weiteren weisen die Ermittlungen der Tiefe oberflächennaher Fehlstellen und Minderdicken kleiner als 10 cm größere Abweichungen auf als bei tiefer liegenden Fehlstellen bzw. dickeren Bauteilen. Es konnte gezeigt werden, dass dies an den hierbei entstehenden Biegewellen liegt. Der Einsatz der Waveletanalyse ermöglichte eine bessere Klassifizierung dieser Biegewellen. Darüber hinaus fanden praxisnahe Messungen an einem Brückenbauwerk vor Ort statt. Anhand von Sägeschnitten konnten die Messergebnisse verifiziert werden. Abschließend wurden vergleichende Untersuchungen mit mehreren Impact-Echo-Systemen durchgeführt und die Ergebnisse bewertet. Die Messergebnisse stimmten hinsichtlich der Dickenbestimmung und der lateralen Ausdehnung der Minderdicken weitestgehend überein. Die untersuchten Prüfsysteme zeigten, dass das Impact-Echo-Verfahren in der Lage ist, sehr gut reproduzierbare Ergebnisse zu liefern.

Weitere Untersuchungen mit dem Impact-Echo-Verfahren fanden zur Bestimmung des Erstarrungs- und Erhärtungsverhaltens von Beton an unbewehrten Platten statt. Hierzu wurde ein Messsystem entwickelt, das automatisch den zeitlichen Verlauf der sich mit der Erhärtung ändernden P-Wellengeschwindigkeit kontinuierlich aufzeichnet. Anhand verschiedener Betonmischungen wurden die unterschiedlichen zeitlichen Erhärtungsverläufe über einen Zeitraum von 24 h nach erfolgter Herstellung gemessen. Zur Verifizierung des Messverfahrens fanden gleichzeitige Messungen der Schallgeschwindigkeit in Transmission statt. Anhand der durchgeführten Versuchsreihen konnte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse des Impact-Echo-Verfahrens mit denen des Transmissionsverfahrens nachgewiesen werden. Für Korrelationsuntersuchungen wurden neben der Hydratationswärmeentwicklung auch der dynamische E-Modul und die Druckfestigkeit bestimmt. Aus den ermittelten Größen konnte der jeweilige Erhärtungszustand des Betons abgeleitet werden. Durch die daraus errechnete Beziehung zwischen der Druckfestigkeit und der P-Wellengeschwindigkeit kann im jungen Betonalter die Festigkeitsentwicklung einer Betonmischung gut abgeschätzt werden. Bei den durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass das Impact-Echo-Verfahren bei nur einseitig zugänglichen Betonbauteilen mit bekannter Dicke als Kontrollinstrument für den Erstarrungs- und Erhärtungsverlauf einer Betonmischung verwendet werden kann. Vorraussetzung hierfür ist allerdings nach wie vor die Durchführung einer Vergleichsmessung der zu prüfenden Betonmischung.

Impact-echo is a non-destructive testing method based upon ultrasonic wave, working in reflection. The impact-echo method uses elastic waves at a low frequency range generated by a mechanical impact on the surface. The objective of the research was to explore the capability of the impact-echo method. A new hardware was developed to improve the use and the performance of impact-echo testing. In addition, this application was examined for the evaluation of early-age mechanical properties of concrete.

In a first part of the research, the characteristics of wave reflection were evaluated at test specimens detecting unusually small thickness of concrete sections and localizing tendon ducts. Within a thickness range of about 7 to 100 cm, the accuracy of this method in determining thickness is very good. Detecting angular areas beneath the surface, the measured value differs from the actual thickness, if thickness increases. Localizing flaws existing near to the surface and small thickness of less than 10 cm were hindered, because of generated flexural waves. Using the wavelet-transformation, the effect of those flexural waves could be clarified. In addition the capabilities and the reliability of the developed impact-echo technique were tested on concrete structures. Closing this chapter comparative performance tests and validation were carried out using several impact-echo systems. The detection of parts of lower thickness and lateral dimensions of flaws these systems showed a good accuracy with repeatable results.

Further, investigations were performed to explore the use of the impact-echo method to evaluate the early-age mechanical properties of non-reinforced concrete slabs. An automatically working test system was performed to monitor the developing of setting and hardening of concrete continuously. In concrete at early-ages the P-wave velocity was successfully determined and testing of setting status could be carried out. Varying the concrete mixtures the different development of setting during the first 24 h was determined. To verify the results, additional ultrasonic transmission tests were performed. A good correlation between the results of P-wave velocity determined by impact-echo and in transmission could be shown. To evaluate the correlation between the P-Wave velocity and progression of hydration, heat of hydration, elastic modulus and compression strength during hardening of concrete were determined. Regarding the results carried out in the present paper, the current status of concrete strength could be estimated at early-ages. The impact-echo method is a viable non-destructive method to observe and to evaluate setting and hardening of one-sided accessible concrete elements with well-known thickness. Based on this research, comparative measurements must be conducted for each proportion of concrete mixture, to be used for an empirical relationship.