Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Zur Qualitätssicherung bei Bauaufgaben ist es notwendig, die Stabilität des Bauwerkes und die Arbeitssicherheit während der Bauausführung durch die Einführung geeigneter Maßnahmen zu gewährleisten. Beim Gleitschalungsverfahren ist beispielsweise der Zeitpunkt des Erhärtens und Erstarrens des Betons ein wichtiger Parameter in Hinblick auf die Arbeitsoptimierung. So kann eine Kontrolle des verwendeten Baumaterials vor der Verarbeitung Mängel vermeiden und Kosten am Bau einsparen. Eine kontinuierliche Untersuchung der Konsistenzänderung des Betons wird durch die Ultraschallanalyse ermöglicht. Damit lassen sich änderungen des Wasserzementwertes, der Sieblinie und des Luftporengehalts des Frischbetons, sowie die Wirkung von Betonzusatzmittel wie Beschleuniger und Verzögerer analysieren.
Eine solche in situ Qualitätskontrolle wurde am Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart entwickelt. Zur Untersuchung der erhärtenden Werkstoffen wird ein Ultraschallmessverfahren eingesetzt. Zur Datenaufnahme und Datenanalyse wurde das Programm Freshcon 2.0 entwickelt [1]. Es ist in der Lage Daten über einen längeren Zeitraum automatisch zu erfassen und während der Messung die Geschwindigkeit, Energie und das Frequenzspektrum des Signals auszuwerten. Dabei ist auf eine variable Eingabe der Messparameter geachtet worden, um unterschiedliche Materialien untersuchen zu können, sowie auf eine einfache Bedienoberfläche.
Bestimmte Materialien, wie z. B. Betone und Mörtel, gehen in Folge chemischer Prozesse von einer Suspension in den Festkörperzustand über. Die gebräuchlichen Methoden zur Bestimmung des Erhärtungsgrades von Mörteln oder Betonen sind der Vicat-Nadel Test, das Penetrometer, die Setzprobe oder rheologische Verfahren [2].
Diese Prüfverfahren sind zwar einfach und schnell durchführbar, bergen aber auch einige Nachteile. Zum einem lassen sich damit nur Oberflächeneigenschaften der Probe ermitteln und zum anderem kann die Fließeigenschaft eines Produktes lediglich im ausgebauten Zustand bestimmt werden. Daneben lassen sich mit diesen Methoden nur einzelne Parameter ermitteln. Eine Automatisierung erfordert einen hohen Aufwand, da mechanisch exakt arbeitende Apparate eingesetzt werden müssten. So werden bei den traditionellen Methoden die Ergebnisse nach Augenschein und Erfahrungswert bestimmt, was die Reproduzierbarkeit und Objektivität der Messungen stark einschränkt und so die Qualität in Frage stellt.
Die Konsistenz von Mörtel, Beton und Zementleim ändert sich auf Grund der Hydratation während des Erhärtungsprozesses von einer Suspension zu einem Festkörper. In einer Suspension sind die Teilchen schwach miteinander gekoppelt. Eine akustische Welle wird daher zu höheren Frequenzen hin stärker gedämpft. Im Festkörper sind die Teilchen dagegen fest miteinander verbunden, so dass sich elastische Wellen rasch ausbreiten und höherfrequente Schwingungen nur schwach gedämpft werden. Um ein Material zu charakterisieren, kann daher eine Analyse der Schallgeschwindigkeit, der Wellenenergie und der Frequenzverteilung einer transmittierten Welle herangezogen werden [3].
Zur Bestimmung der Materialparameter während der Erhärtung werden Ultraschallwellen verwendet. Dazu wird ein Ultraschallimpuls in gleichmäßigen zeitlichen Abständen durch das Material transmittiert. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Methoden ist durch die Verwendung von Ultraschall eine höhere Messgenauigkeit, sowie eine reproduzierbare Messung möglich. Ebenso wird eine Vielzahl an Analysemöglichkeiten und eine flexible Einsatzfähigkeit gewährleistet. Aus dem transmittierten Signal, das umfangreiche Informationen über die Eigenschaften der Probe enthält, lassen sich einfach zu bestimmende Werte extrahieren. Bei bekannter Wegstrecke kann die Geschwindigkeit aus der Laufzeit ermittelt werden. Da sich diese mit der Materialeigenschaft ändert, lässt sich daraus die Konsistenzänderung ableiten. Die Energie kann man aus der Summe der Amplitudenquadrate des Signals bestimmen. Zum Zeitpunkt des Phasenüberganges steigt die Energie steil an. Daraus lässt sich eine Aussage über die Weiterverarbeitbarkeit von Beton, gerade im Gleitschalungsbau, formulieren. Die Fast-Fourier-Transformation ermöglicht eine Darstellung des Frequenzspektrums. Im Frischbeton werden höherfrequente Signale stark gedämpft. Mit fortschreitender Erhärtung nehmen die höheren Frequenzanteile im transmittierten Signal zu.Die folgende Abbildung (Bild 1) zeigt den prinzipiellen Aufbau des am Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart entwickelten Verfahrens, das den Erstarrungs- und Erhärtungsprozess von Mörteln, Betonen und ähnlichen Materialien kontinuierlich analysieren kann [4].
Abb 1: Prinzipieller Messaufbau.
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Bei der Konstruktion wurde darauf geachtet, eine robuste, mobile Messapparatur für den Feld- und Laboreinsatz zu entwickeln. Die Handhabung sollte einfach sein und ein Materialaustausch nicht allzu kompliziert werden. Die Apparatur besteht aus einem Ultraschallgenerator, einem Zeitgeber zur Steuerung der Messintervalle, einem PC zur Datensicherung und Verarbeitung und einem Gefäß für das zu untersuchende Material. Dieses besteht für Mörtel aus zwei PMMA Platten, auf denen je ein Ultraschallempfänger bzw. ein Ultraschallgeber fest angebracht sind. Die Platten werden mit einem Stück Zellgummi, das einen U-förmigen Ausschnitt besitzt, verschraubt. Beim Betongefäß werden zwei Ultraschall-Empfänger eingesetzt. Dabei detektiert ein Sensor das transmittierte Signal, der andere Sensor dient zur Ermittlung des Impulseinsatzes. Der Ultraschallimpuls wird bei dem Gefäß für Betone durch eine Kugel erzeugt, die auf eine Metallplatte an der Gefäßwand geschossen wird. Dadurch wird ein Impuls mit einer möglichst linearen Charakteristik über einen breiten Frequenzbereich erzeugt. Das Empfangssignal wird über eine 20 MHz Transientenrekorderkarte digitalisiert und im PC durch FreshCon 2.0 verarbeitet, dem Nachfolger des Programms FreshCon [5]. Zur Beurteilung der Messergebnisse und deren Auswertung, sei auf die Literatur [6] verwiesen.
Das Ziel bei der Entwicklung von FreshCon 2.0 war es, ein vollautomatisches Messdatenerfassungssystem zu entwerfen, mit dem man bei einer Messdauer von etwa 24 Stunden die Erhärtung von zementgebundenen Materialien untersuchen kann. Während eines Experimentes ändert sich die Signalamplitude in einem Bereich von 60 dB. Um eine manuelle Nachregelung zu vermeiden, ist eine dynamische Anpassung des Messbereichs nötig. Der Einsatz vor Ort sollte schnell und einfach möglich sein, daher wurde bei der Programmierung auf eine einfache Handhabung des Programms geachtet.
Abb 2: Startfenster von FreshCon 2.0 in dem das zu analysierende Material gewählt werden kann. Im Beschreibungsfeld wird das jeweilige zur Messung zu benutzende Gefäß dargestellt.
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Wird FreshCon 2.0 gestartet, erscheint das Startfenster (Abbildung 2). Hier kann der Benutzer eine Vorauswahl treffen, ob Mörtel oder Betone untersucht werden. Für einfache Testmessungen ist zusätzlich eine Oszilloskop-Funktion implementiert. In diesem Modus wird das aktuelle Messsignal in einer Grafik angezeigt, sowie ein Control-Panel (siehe Bild 3), mit dem Konfigurationseinstellungen durch Änderung der Messparameter, wie Anfangsverstärkung, Triggermodus oder Datenlänge gefunden werden können. Neben der Wahl des Experimenttyps, wird eine visuelle Beschreibung eingeblendet. Diese dient zur Sicherheit für den Anwender, das richtige Messgerät für den Messaufbau gewählt zu haben.
Abb 3: Das Hauptmenu im Expertenmodus ermöglicht eine individuelle Konfiguration.
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Wurde ein Menüpunkt ausgewählt, erscheint das Einstellungsfenster (Bild 3). In diesem Fenster können je nach Beton- oder Mörtelzusammensetzung bestimmte Konfigurationen aufgerufen werden. Diese unterscheiden sich etwa in der Anfangsverstärkung, der Signallänge oder mischungsspezifischen Werten, wie Art und Menge des Zuschlags oder Endfestigkeiten der verwendeten Betone oder Mörtel. Zusätzlich wird noch ein Vorschlag für die Gesamtdauer des Experiments angeben, so wie für die Länge der Messintervalle und die Anzahl der Messungen pro Intervall, über die gemittelt wird. Natürlich ist eine änderung dieser Vorgaben durch den Anwender möglich. Damit entfällt die umfangreiche und oft auch zeitraubende Einstellung der richtigen Kartenparameter.
Diese Parameter können aber auch individuell im Expertenmodus gewählt und gespeichert werden. In diesem Modus erscheint das "Control-Panel", bei dem die Einstellungen der Messkarte vorgenommen werden können. Die Aufzeichnungszeit des transienten Signals kann in Abhängigkeit der Samplingrate und der Blockgröße variiert werden. Für den Vorverstärker können Anfangsverstärkung, Offsetlevel und zur Rauschunterdrückung ein Filter eingestellt werden. Es kann zwischen verschiedenen Triggermoden gewählt und die physikalische Einheit der Messwerte eingegeben werden. Neben dem Verzeichnis für die Daten ist es möglich einen charakteristischen Code von drei Zeichen einzugeben, um so z. B. verschiedene Proben zu unterscheiden. Sollte der gewählte Pfad schon vorhanden sein und Daten enthalten, gibt das Programm eine Warnung aus. Sowohl die Daten der Einzelmessungen, als auch die Daten der gemittelten Werte werden in speziellen Unterverzeichnissen gespeichert
Abb 4: Das Analyse-Fenster von FreshCon 2.0 während einer Messung, 940 Minuten nach dem Start. Es werden sowohl Details des aktuellen Signals, als auch Ergebnisse der ganzen Messung bis zu diesem Zeitpunkt angezeigt |
Wird die Messung gestartet erscheint das Analyse-Fenster (Bild 4), das eine Darstellung des Signals, der Wellengeschwindigkeit und der Energie, des Frequenzspektrums, so wie einen 3D-Plot der Verteilung des Frequenzanteils über dem Alter der Probe wiedergibt.
Für die Bestimmung der Geschwindigkeit wird der Ersteinsatz des transmittierten Signals ermittelt. Dafür wurde ein Pickalgorithmus implementiert, der auf den ersten Wert reagiert, der eine bestimmte Schwelle überschreitet. Nach jeder Messung wird ein Datenpunkt für die Geschwindigkeit und Energie berechnet und in einem Diagramm über der Zeit angezeigt. Dies ermöglicht eine Überwachung des Erhärtungs- und Erstarrungsprozesses während der Messung. Der Anwender ist damit in der Lage, bei Problemen mit der Grundeinstellung oder dem Messaufbau, in einem frühen Stadium in die Messung einzugreifen. Zusätzlich kann beobachtet werden, ab wann ein bestimmter Wert erreicht wird, an dem das Material eine gewünschte Konsistenz erreicht hat. Dies ist z. B. zur Bestimmung der Weiterverarbeitbarkeit von Beton wichtig.
Für die Langzeitanalyse kann das Frequenzspektrum und die Verteilung des Frequenzanteils über das Materialalter herangezogen werden. Da die höheren Frequenzen mit der Konsistenz des Materials weniger stark gedämpft werden, ist deren Zunahme ein Indiz für die Festigkeit. Im 3D-Plot kann die änderung der Frequenzanteile über die gesamte Messzeit anschaulich betrachtet werden. Die Daten für die Geschwindigkeit, Energie und das Frequenzspektrum werden nach Beendigung des Programms in einem Unterverzeichnis abgespeichert und können so auch mit anderen Analyseprogrammen betrachtet werden. Nach dem Ende der Messzeit gibt das Programm eine Meldung am Bildschirm aus.
Das Analyse-Fenster kann auch nachträglich noch aufgerufen werden. Damit können die Messergebnisse betrachtet und dokumentiert werden. Durch die Möglichkeit einer manuellen Pickung ist eine Verbesserung der Geschwindigkeitsberechnung möglich. Auch in diesem Modus ist eine Speicherung der Daten integriert.
Verglichen mit den herkömmlichen Methoden bringt das Verfahren hinsichtlich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit eine deutliche Steigerung in der Qualitätssicherung und bietet eine Vielfalt an Analysemöglichkeiten, sowie Flexibilität bei den Einsatzmöglichkeiten. FreshCon 2.0 ist in der Lage automatisch und kontinuierlich verschiedene Parameter von transmittierten Ultraschallsignalen aufzuzeichnen und auszuwerten. Diese Parameter korrelieren indirekt mit den elastischen Eigenschaften der Proben und geben so ein Bild des Erhärtungs- und Erstarrungsprozesses wieder. Da die Messwerte online ausgewertet werden, ist ein Einschreiten des Anwenders bei Eingabefehlern oder technischen Problemen schon in einem frühen Stadium der Messung möglich. Des weiteren kann der Trend einer Messung beobachtet und der Zeitpunkt exakt bestimmt werden, an dem die Probe eine bestimmte Konsistenz erreicht hat.
Durch den modularen Aufbau von LabVIEW wird die Weiterentwicklung von FreshCon 2.0 erleichtert. Zur Verbesserung der Genauigkeit und Automation, wird ein verbesserter Pickalgorithmus implementiert. Unter anderem soll die Möglichkeit für den Anwender eingeräumt werden, seine Daten oder bestimmte Meldungen per Email zu versenden [7]. Zusätzlich wird die das Messsystems durch einen PC internen Ultraschallgeber kompakter.
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