Bestimmung elastischer

Materialparameter mit Ultraschall

Markus Krüger

2

Überblick

Verfahrensgrundlagen zur Ultraschallmessung an

Frischbeton/-mörtel

Ultraschallmesssystem und Messdurchführung

Datenauswertung

Dateninterpretation und –analyse

3

Akustische Wellen in festen Medien

4

© Bauphysikkalender 2004

[Große]

© Deutsches und US Patent 2001/2004

[Reinhardt, Große, Herb, Weiler, Schmidt]

Patent

5

Standardmessgefäße

Beton

Sensorabstand 60 mm

bis Korngröße 16 mm

Zementleim / Mörtel

Sensorabstand 22 mm

bis Korngröße 4 mm

6

Testgefäß für die kombinierte

P- und S-Wellenmessung

7

Ultraschallmesssystem (FreshCon)

8

Intensitätsgraph mit normalisierten

Ultraschallsignalen (UHPC)

9

Intensitätsgraph mit normalisierten

Ultraschallsignalen (CEM I 52,5 R)

10

Entwicklung der Kompressionswellengeschwindigkeit

während der Hydratation (Beispiel)

11

Parameter zur Charakterisierung der Erstarrung und

Erhärtung zementgebundener Werkstoffe

Charakteristische Materialparameter

Rohdichte

Luftporengehalt

Wasseranspruch

Erstarrungsbeginn /-ende

Viskosität

Elastizität

Festigkeitsentwicklung

Erkenntnisse aus der

Ultraschallanalyse?

12

Bestimmung elastischer Materialparameter

Querdehnzahl

E-Modul

Schubmodul

𝐺𝑑𝑦𝑛 =𝐸𝑑𝑦𝑛

2 + 2𝜎𝑑𝑦𝑛= 𝑣𝑠

2 ⋅ 𝜌𝑐

𝐸𝑑𝑦𝑛 = 1 + 𝜎𝑑𝑦𝑛 ⋅ 1 − 2𝜎𝑑𝑦𝑛

1− 𝜎𝑑𝑦𝑛 ⋅ 𝑣𝑝

2 ⋅ 𝜌𝑐 = 2 + 2𝜎𝑑𝑦𝑛 ⋅ 𝑣𝑠2 ⋅ 𝜌𝑐

𝜎𝑑𝑦𝑛 =

12 ⋅ 𝑣𝑝

2 − 𝑣𝑠2

𝑣𝑝2 − 𝑣𝑠2

13

Messergebnisse und Reproduzierbarkeit

14

Bestimmung des Ersteinsatzes der P-Welle

AIC-Funktion zur autom. Ersteinsatzbestimmung

Ultraschallsignal (CEM I 52,5R)

15

Ersteinsatzbestimmung der Scherwelle

Beispiel einer kontinuierlichen Wavelet-

Transformation eines Ultraschallsignals mit

Bestimmung des Ersteinsatzes der S-Welle

16

Ersteinsatzbestimmung der Scherwelle

Automatische Ersteinsatzbestimmung mittels

Wavelet-Transformation

Ultraschallsignal (CEM I 52,5R)

17

Materialparameter und Reproduzierbarkeit

Schubmodul

Elastizitätsmodul

18

Querdehnzahl (CEM 1 52,5 R, versch. Chargen)

19

Fast und Slow P-Wave

20

Charakterisierung des Erstarrungs- und

Erhärtungsverhaltens mittels Ultraschall

21

Ultraschallmessungen und Viskosität

AS

TM

C 4

03

Voigt et al. 2005

Kamada et al. 2005

22

Messungen an Zementleim (CEM I 42,5 R, W/Z=0,42)

23

Korrelationen von Festigkeit und

Ultraschallparametern (P-Welle)

Grosse et al. 2005

24

Druckfestigkeit, elastische Parameter und

Hydratationsgrad

25

Korrelation von Druckfestigkeit und E-Modul

FreshCon: Hard- und Software

26

Mathematische Beschreibung des

Hydratationsverlaufs

0 200 400 600 800 1000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

P w

ave

ve

locity [

m/s

]

time [-]

Boltzmann-Funktion zur Beschreibung des s-förmigen Verlaufs

der Ultraschallgeschwindigkeit

2)(

21

01)( v

e

vvtv

dttt

v1 = initiale Ultraschallgeschwindigkeit

v2 = finale Ultraschallgeschwindigkeit

t = Alter nach Wasserzugabe

t0 = Zeitpunkt mit v=(v1+v2)/2

dt = Gradient

y = v2

y = v1

{t0 ; (v1+v2)/2}

y = (v2-v1)/4dt

mit

27

LOG-Funktion zur Beschreibung des s-förmigen Verlaufs der

Ultraschallgeschwindigkeit

2

0

21

)/(1)( v

tt

vvtv

p

1

1

0

1

p

p

t

tp

mit

0 200 400 600 800 1000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

P w

ave v

elo

city [

m/s

]

time [-]

v(t)’’=0 : {t1 ; v0}

y = v2

{0 ; v1}

Mathematische Beschreibung des

Hydratationsverlaufs

28

Parameter zur Charakterisierung der Erstarrung und

Erhärtung zementgebundener Werkstoffe

Charakteristische Materialparameter

Rohdichte

Luftporengehalt

Wasseranspruch

Erstarrungsbeginn /-ende

Viskosität

Elastizität

Festigkeitsentwicklung

Anwendungen der Ultraschallanalyse

Wirkungsweise von Zusatzmitteln bzw. Zusatzstoffen

Qualitätssicherung von Zementen und Ausgangsstoffen

VP, Querdehnzahl

VP, fast VP, Querdehnzahl

VP, VS, Querdehnzahl, E, G

VS, E, G

VS, E, G

VP, VS, E, G