Zerstörungsfreie Untersuchung von Stahlfaserbewehrung in Beton mittels Computertomographie, Spektral Induzierter Polarisation und Ultraschalltransmission

Abstract

Stahlfaserbeton (FRC) ist ein zementgebundener Hochleistungswerkstoff, der in vielen Bereichen des Bauwesens breite Anwendung gefunden hat, insbesondere dort, wo hohe Zugfestigkeit, strukturelle Integrität und innovatives Design gewünscht sind. Zu den großen Vorteilen dieses Materials gehören seine geringe Anfälligkeit für Rissbildung, seine Undurchlässigkeit für aggressive Substanzen (z. B. Enteisungsmittel) und die reduzierten Anforderungen an zusätzlich eingebettete Stahlbewehrung. Tatsächlich ist es je nach Form eines FRC-Bauteils auch möglich, die klassischen Bewehrungsstäbe komplett durch Stahlfasern zu ersetzen. Auf diese Weise lassen sich erhebliche Mengen an Beton einsparen, der logistische und ökologische Fußabdruck reduzieren und gleichzeitig gewinnen Ingenieure und Designer ein hohes Maß an Flexibilität bei der Schaffung schlanker und leichter Strukturen. Die strukturelle Integrität hängt, wie fast alle der oben genannten Eigenschaften von FRC, in hohem Maße vom tatsächlichen Gehalt an Fasern und deren räumlicher Orientierung ab. Stahlfasern können sich sogar nachteilig auswirken, wenn sie ungünstig verteilt oder orientiert sind. Solche ungünstigen herstellungsbedingten Faserorientierungen und -verteilungen können z. B. ein unerwünschtes anisotropes Materialverhalten verursachen. Für einen sicheren Einsatz von FRC in der Zukunft müssen zuverlässige zerstörungsfreie Methoden gefunden werden, um die Orientierung und räumliche Verteilung der Fasern im erhärteten Beton zu beurteilen. In diesem Beitrag stellen wir einen Multimethodenansatz vor, der sich auf Ultraschalltransmissions- (US) und Spektral Induzierter Impedanz (SIP) sowie Röntgen-Computertomografie (CT) stützt. Wir haben eine Reihe von Proben mit bekannten Fasergehalten und -orientierungen in verschiedenen Größen hergestellt und versucht, charakteristische Signalmerkmale zu identifizieren. Aufgrund des hohen Kontrasts zwischen der Röntgenschwächung von Stahlfasern und Beton ist die Faserdetektion mittels CT relativ einfach und das Verfahren kann als Referenzmethode verwendet werden. Vielversprechende Korrelationen konnten darüber hinaus zwischen SIP-Signalmerkmalen und Faserorientierung erkannt werden, gleichzeitig beobachteten wir leichte Verschiebungen in den Ultraschallfrequenzspektren in Abhängigkeit von der Faserorientierung innerhalb unserer Proben. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf in-situ Untersuchungen großformatiger Probekörper wird in einem nächsten Schritt untersucht.