DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD

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Beiträge: Vorträge: Eisenbahnwesen:

Untersuchung der inneren Struktur von Festen Fahrbahnsystemen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren

M. Krause, C. Colla, Ch. Maierhofer,
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Unter den Eichen 87, D-12205 Berlin
H.-J. Höhberger, H. Sommer
Deutsche Bahn AG, Forschungs- und Technologie-Zentrum
D- 80939 München

Abstract

Im Bauingenieurwesen gibt es heutzutage großen Bedarf für quantitative zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfPBau), die einfach und schnell in der Anwendung sind und deren Ergebnisse schlüssig interpretiert werden können. Ihre Anwendung vor Ort ist erforderlich, einerseits zur Aufklärung existierender Bauarten und der Unterkonstruktionen, und andererseits zur Qualitätssicherung neuerstellter Strecken.

Die BAM hat auf diesem Gebiet im Gleis Machbarkeitsstudien unter Anwendung der Verfahren Radar, Impakt-Echo und Ultraschallecho durchgeführt. Ein Beispiel der kombinierten Anwendung dieser drei Messverfahren wird für eine ausgewählte FF-Bauart angegeben.

Einleitung

In den letzten Jahren wurden mehrere Hochgeschwindigkeitsstrecken mit Festen Fahrbahnen (FF) anstelle des traditionellen Querschwellengleises mit Schotterbett (Schottergleis) erbaut.

Generell sind Schottergleise wirtschaftlicher herzustellen, aber teurer in der Unterhaltung. Bedingt durch die Verkehrsbelastung (Achslast-Tonnage) verschlechtert sich die Gleislage kontinuierlich und muss neben anderen Maßnahmen zustandsabhängig durch Stopfen und Richten wiederhergestellt werden. Im Vergleich dazu ist die Erstellung einer Festen Fahrbahn teurer. Jedoch erfordert diese bedeutend weniger Instandhaltung und lässt eine längere Lebensdauer und damit reduzierte Lebensdauerkosten (LCC) erwarten [1].

Zur Schaffung einer baubegleitenden Qualitätsüberwachung für FF, zur Entwicklung von Werkzeugen und Richtlinien für die Bauabnahme und später für die technische Inspektion und Überwachung des Fahrbahn-Zustandes ist eine Qualitätssicherungsstrategie zu entwickeln. Um diese Ziele zu erreichen, führte die BAM vor Ort Untersuchungen in Kooperation mit dem Forschungs- und Technologie-Zentrum der Deutschen Bahn AG durch. Dabei wurden an verschiedenen FF-Bauarten Messungen mit den Verfahren Ultraschall-Echo, Impakt-Echo und Radar durchgeführt.

Für die kombinierte Anwendung der Ultraschall-Array-, Impakt-Echo- und Impuls-Radar-Verfahren wird an einer ausgewählte Bauart der FF ein Beispiel dargestellt. Das Ziel der Studie war es, die Aussagekraft und ihre Grenzen für die kombinierte Anwendung der drei genannten Verfahren am gleichen Messobjekt zu ermitteln.

Gleisrost in Ortbetonplatte
Dieses System besteht aus einem Gleisrost mit Betonschwellen (2,6 m lang), der in eine bewehrte Ortbetonplatte eingebettet ist. Die Bewehrung verläuft in Längsrichtung durch Löcher in den Schwellen. Eine Skizze ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei die Maße in cm eingetragen sind.

Anlässlich einer Begehung vor der Untersuchung wurde festgestellt, dass die dargestellte Schwelle 1 sich gelöst hatte.

Ort, Position und der Verlauf der Messlinien für jedes der drei in diesem Projekt eingesetzten ZfPBau-Verfahren sind in die Zeichnung eingetragen.

Abb 1: FF mit in Ortbetonplatte eingebetteten Schwellen. Schwellennummerierung und Positionen der drei Messverfahren sind angegeben. Sleeper: Schwelle, Reinforced concrete slab: Betonplatte, Füllbeton; Carrying base: Hydraulisch gebundene Tragschicht.

Experimenteller Aufbau

Ultraschall-Echo-Array
Das Ulraschallecho-Verfahren basiert auf der Laufzeitmessung kurzer Ultraschall-Pulse. Für Beton müssen relativ niedrige Frequenzen gewählt werden (150 kHz entspricht einer Wellenlänge von l = 30 mm für eine Longitudinalwellen-Geschwindigkeit von 4500m/s). Beim Einsatz eines Arrays wird das Prinzip der Synthetischen Apertur angewendet: die Laufzeiten werden mit einer Sender-Empfänger-Konfiguration gemessen, die aus 10 breitbandigen Prüfköpfen und einem elektronischen Schalter besteht. Eine laufzeitkorrigierte Überlagerung der einzelnen A-Bilder (Ultraschall-Intensität als Funktion der Zeit eines jeden Sende-Empfangs-Paares) ergibt eine graphische Darstellung der reflektierten Ultraschall-Intensität als Funktion der Tiefe über die Array-Fläche gemittelt [3, 4]. Peaks in dieser Darstellung zeigen akustische Grenzflächen unterhalb der Messoberfläche an (ca. 24 cm x 12 cm für Schwellen und 36 cm x 28 cm für Schwellenfächer). Die Ultraschallgeschwindigkeit wird aus der Lage des zur ersten Grenzfläche gehörenden Reflexionspeaks bestimmt, wobei die geometrische Tiefe dieser Grenzfläche aus Konstruktionsunterlagen bekannt sein muss.

Impakt-Echo
Beim Impakt-Echo-Verfahren regt ein auf einen Punkt der Oberfläche gegebener mechanischer punktförmiger Stoß einen akustischen Puls an, welcher sich in den Beton hinein ausbreitet. Zwischen der äußeren Oberfläche und den internen Reflektoren (Hohlräume, Schichttrennungen und Fehlstellen) entstehen durch Mehrfachreflexionen niederfrequente transiente Wellenfelder mit definierten Resonanzfrequenzen, über die auf die strukturelle Integrität geschlossen werden kann. Die Tiefe (d) jedes Reflektors wird dabei aus der gemessenen Frequenz (f) eines Peaks des Frequenzspektrums und der Wellengeschwindigkeit (v) nach der Beziehung

d = v/2f

berechnet [4].

Wenn die Messungen in diskreten Schritten längs einer Linie durchgeführt werden, können die Ergebnisse in Form zweidimensionaler (2D) Bilder als Spektralserien und B-Bilder dargestellt werden. Diese entsprechen 2D-Schnitte durch das untersuchte Bauteil, wobei die Frequenzamplituden als Amplitudenplot oder in Grautönen aufgetragen sind. Als Abszissenwert erscheint dabei die Position das Messgeräts, der zugehörige Ordinatenwert ist die daraus gemessene Frequenzamplitude, oder die berechnete entsprechende Tiefe [5].

Radar
Das Impulsradar basiert auf der Ausbreitung kurzer elektromagnetischer Impulse mit einer Dauer von weniger als 1 ns (1x10^-9 s), die an Grenzflächen, wo sich die dielektrischen Eigenschaften des Materials ändern, reflektiert werden. Für Anwendungen im Bauingenieurwesen wird üblicherweise mit Frequenzen von 500 MHz bis 2.5 GHz über Schmetterlings- oder und Horn-Antennen angeregt [6-8]. Beim Messvorgang stehen Sendeantenne und Empfangsantenne entweder in Kontakt mit der Oberfläche der zu untersuchenden Struktur, oder in einem konstanten Abstand zueinander.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Material (v) und der Reflexionskoeffizient (R) für Material-Grenzflächen, z. B. verschiedener Schichten, Hohlräume, Wasser-einschlüsse und anderer Inhomogenitäten können durch folgende Gleichungen vereinfacht beschrieben werden. Diese gelten für Frequenzen bis 1 GHz, kleine Frequenzbandbreite und geringen Feuchteanteil.

(1)

mit:
e_r: relative Dielektrizitätskonstante des jeweiligen Mediums
c: Vakuumgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle (3.10⁸ m/s).

Sende- und Empfangsantenne werden entlang einer Messlinie über die Oberfläche des Messobjekts bewegt. Die aus dem Signal der Empfangsantenne ermittelte Intensität der Reflexionssignale wird als 2D-Bild oder Radargramm visualisiert und in den meisten Fällen nach einer Grauwertskala codiert.

Ergebnisse

Bohrkerne und Endoskopie
Nach der Anwendung der zerstörungsfreien Verfahren und der Analyse der Messdaten wurden zur Verifizierung der Ergebnisse Bohrkerne gezogen (zerstörendes Prüfverfahren) und die Bohrlöcher endoskopisch untersucht.

Die nachfolgend beschriebenen zerstörungsfrei ermittelten Ergebnisse werden mit den zerstörendend ermittelten Ergebnissen verglichen. Deshalb werden die Bohrkerne hier zuerst beschrieben.

In der Abbildung 2 sind die Bohrkerne (Durchmesser von 50 mm) jeweils aus der Mitte von Schwelle 1 und 3 dargestellt.

Abb 2: links: Bohrkern ohne Verbund, rechts: Bohrkern mit Verbund.

Bei Schwelle 1 wurde kein Verbund zwischen Schwelle und Bettung festgestellt. Mittels Endoskopie wurde ein Spalt von 0.5 mm gemessen.

Bei Schwelle 3 gab es Kontakt zwischen Schwelle und Bettung. Der Bohrkern brach erst nach der Entnahme an der Grenzfläche in zwei Teile auseinander.

Bei beiden Proben waren Schwellen-Unterseiten und die Oberseiten der Bettung mit einer dünnen weißen (kreidende) Schicht überzogen.

Ultraschall-Echo
In Abbildung 3 links sind die ausgewerteten Messdaten von Schwelle 1 dargestellt. Das Tiefenprofil der reflektierten Intensität zeigt ein einziges ausgeprägtes Maximum bei 17 cm (I₁), welches mit der Schwellendicke übereinstimmt. Das Fehlen von Reflexen aus größeren Tiefen zeigt einen schlechten Kontakt der Schwelle zur Bettung an. Dieser Sachverhalt wird durch den Bohrkern und die endoskopische Inspektion bestätigt.

Die ausgewerteten Daten von Schwelle 3 sind in der Abbildung 3 rechts zu erkennen. Zwischen der Schwellenoberseite und -unterseite bei 17 cm (I₁) sind mehrere Reflexe vorhanden; zusätzlich erscheint ein starker Reflex (I₂) bei 33 cm. Dieser korrespondiert mit der Unterseite der Bettungsschicht. Die Intensität von I₂ ist größer als I₁. Dies bedeutet einen sehr guten akustischen Kontakt zwischen Schwelle und Bettung. Der Vergleich mit der zerstörenden Prüfung (Bohrkern, Abbildung 3) zeigt, dass der sehr gute akustische Kontakt mit einer guten Bindung zwischen Schwelle und Bettung korrespondiert. Das bedeutet, dass der gute Bindungszustand aus der relativen Intensitätsdifferenz I₂ und I₁(S) beurteilt werden kann. Das breite Reflexionsband zwischen Oberfläche und I₁(S) und das Maximum bei 20 cm konnte noch nicht erklärt werden.

Abb 3: Ergebnisse der Ultraschall-Echo-Messung an der Schwelle 1 (links) und Schwelle 3 (rechts).

Impakt-Echo
Die Impakt-Echo-Messungen erfolgten auf einer ca. 60 cm langen Impakt-Echo-Messlinie mit einem Messabstand von 1 cm. Jeder Messpunkt wurde aus 3 Messwerten gemittelt.

Von den Messungen im Schwellenfach, direkt auf der 29 cm dicken Platte, wurde ein Wert für die Schallgeschwindigkeit des Ortbetons von 4090 m/s berechnet. Dieser Wert wurde zur Auswertung der übrigen Messungen herangezogen.

Abbildung 4 enthält einen Vergleich der Messergebnisse von Schwelle 1 und 3, wobei die über die Linien gemittelten Frequenzspektren und die entsprechenden B-Bilder dargestellt sind. Schwelle 1 weist ein Maximum im Bereich von 12-13 kHz auf.

Mit einer für die Schwelle kalkulierten Schallgeschwindigkeit von 4200 m/s entspricht eine Frequenz von 12.9 kHz (wie in der Mitte des B-Bildes festzustellen) der Reflexion von der Schwellenunterseite (geometrische Tiefe 17.5 cm) an der Grenzfläche zur Bettungsschicht (I₁). Dieses einzige Maximum ist Zeichen der Wellereflexion an dieser Grenzfläche und zeigt eine losgelöste Schwelle, die wenig Wellenausbreitung in die darunterliegenden Schichten erlaubt. Die an der nächsten Grenzfläche (I₂) zu erwartende Reflexion an der Unterseite der Bettungsschicht ist unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Schwelle und Bettung bei 6-7 kHz zu erwarten. Dies ist jedoch ein sehr schwacher Peak im Frequenzspektrum und im B-Bild an der Grenze der Erkennbarkeit.

Bei Schwelle 3 erscheint jedoch der Hauptpeak (I₂) bei der Frequenz 6.9 kHz und dies ist auch die einzige Frequenz, die im B-Bild erscheint. Diese Reflexion von der Unterseite der Bettungsschicht zeigt, dass die Schallwelle von der Schwelle in die Bettungschicht übergeht, wenn der Verbund gut ist und keine Reflexion an der Grenzfläche Schwelle/Bettung auftritt. Weitere Anzeichen für die unterschiedlichen Bindungsverhältnisse der beiden Schwellen wurden auch beim Vergleich der zeitlichen Wellenformen erhalten: Für Schwelle 1 wurde ein verlängertes Nachklingen im Empfangssignal beobachtet; dies ist ein klares Zeichen für die "frei" schwingende Schwelle. Bei Schwelle 3 wurde diese Wellenform nicht beobachtet. Die Ergebnisse wurden durch Endoskopie und Bohrkerne bestätigt.

Abb 4: Gemittelte Spektren (links) und B- Bilder (rechts) für die Schwellen 1 (oben) und 3 (unten).

Die in den B-Bildern zu beobachtenden hellen vertikalen Linien entstehen durch Unebenheiten der Testoberfläche und die daraus folgende schlechte Kopplung des Empfängers bei den einzelnen IE-Messungen. Dadurch entstehen Spektren mit variierender Amplitudenstruktur, die auch in den B-Bildern sichtbar wird. Ein anderer in den B-Bildern erkennbarer Effekt sind Kurven mit variierender Neigung, die quer durch den 2D-Plot laufen. Sie sind auf geometrische Effekte durch die seitliche Ausdehnung des Testelements zurückzuführen [9].

Radar


Abb 5: Radargramme aufgenommen mit der 1,5 GHz-Antenne von Schwelle 1 (oben) und von Schwelle 3 (unten)

Abbildung 5 zeigt die Radargramme der Schwellen 1 und 3 wobei 1 m lange Messspuren längs der Schwellen mit der 1,5 GHz-Antenne aufgezeichnet wurden. Die Polarisation des elektrischen Feldes zeigte senkrecht zu den Schwellen, um Reflexionen von den Bewehrungsstäben in den Schwellen zu reduzieren. In beiden Radargrammen kann die Reflexion R₁ der quer durch die Schwelle laufenden Längsbewehrung sowie die Reflexion I₁ von der Unterseite der Schwelle (Grenzschicht Schwelle/ Bettung) in einer Tiefe von 17 cm lokalisiert werden. Die Intensität der Grenzflächenreflexion I₁ ist vergleichbar für beide Schwellen. Deshalb ist es mit dem Radar-Verfahren in diesem Fall nicht möglich, zwischen besserem und schlechtem Bindungszustand zu unterscheiden.

Schlussfolgerungen

Die hier beispielhaft vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass Ultraschallecho-Verfahren und Impakt-Echo-Verfahren zwischen einem guten und schlechten Einbettungszustand von in Beton eingelagerten Schwellen unterscheiden können. Mit dem Impulsradar-Verfahren ist generell ein sehr guter Verbund ohne Lufteinschlüssen von einer Grenzschicht mit Lufteinschlüssen zu unterscheiden. Im vorliegenden Fall führen der gute und sehr schlechte Einbauzustand entsprechend der Bohrkernuntersuchung zu einer vergleichbaren Grenzflächenreflexion.

Danksagung

Die hier vorgestellten Untersuchungen basieren auf der engagierten und fachkundigen Tätigkeit der Mitarbeiter(innen) der Fachgruppe IV.4 Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmesstechnik der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Die finanzielle Förderung durch die Deutsche Bahn AG und die gute Zusammenarbeit ist besonders hervorzuheben. Der gegenwärtige Ansprechpartner bei der DB AG (FTZ 4) ist Herr M. Giertz. Die Überarbeitung des Textes erfolgte durch Frau K. Mittag.

Literaturverzeichnis

1. Münchschwander, P., Heinisch, R., Kracke, R., Lehmann, E., Rahn, T. and Stuchly H.., Feste Fahrbahn. Edition ETR, Darmstadt, Germany, 1997.
2. Krause, M. and Wiggenhauser H., Ultrasonic pulse echo technique for concrete elements using synthetic aperture. In Proc. Int. Conf. Non-Destructive Testing in Civil Engineering, ed. J. H. Bungey, The British Institute of NDT, Liverpool, Vol. 1, (1997), pp. 135-142.
3. Krause, M., Mielentz, F., Milman, B., Wiggenhauser, H., Müller, W. and Schmitz V., Ultrasonic imaging of concrete members using an array system. In Proc. 5th Int. Symposium on Non-destructive Testing in Civil Engineering, eds. T. Uomoto, Elsevier, Tokyo, (2000), pp. 303-311.
4. Sansalone, M. and Streett W., Impact-Echo, nondestructive evaluation of concrete and masonry. Bullbrier Press, 1997.
5. Colla, C., Milman, B., Wöstmann, J., Mielentz, F., Henschen, J. and Wiggenhauser H., Combined NDT for system assurance in railway construction: impact echo, ultrasonic and radar techniques. In Proc. Fachtagung Bauwerksdiagnose - Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen (Technical Conference on Diagnosis of civil structures, Practical applications of Non-destructive testing), Munich, 1999, DGZfP, CD66.
6. Daniels, D. J., Surface-Penetrating Radar, The Institution of Electrical Engineers, London, 1996.
7. Maierhofer, Ch. and Wöstmann J., Investigation of dielectric properties of brick materials as a function of moisture and salt content using a microwave impulse technique at very high frequencies. NDT & E International, Vol. 31, 1998, 4, 259-263.
8. Maierhofer, Ch., Strukturuntersuchungen in Beton mit dem Impulsradar, Proc. Fachtagung Bauwerksdiagnose - Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen (Technical Conference on Diagnosis of civil structures, Practical applications of Non-destructive testing), Munich, 1999, DGZfP, CD66.
9. Colla, C. and Wiggenhauser H. Developments in impact-echo for the investigation of concrete structures. In Proc. IV Structural Material Technology, an NDT Conference, ed. S. Alampalli, Technomic Publishing Co. Inc., Basel, 2000, pp. 350-355. Funk, Th., Maierhofer, Ch., Leipold, S. and K. Borchardt:
   Non-destructive location of tendon ducts in concrete for the installation of noise insulating walls using impulse radar, in: Forde, M. C. (ed.), Proceedings of 7^th International Conference on Structural Faults and Repair, Vol. 2, Edinburgh: Engineering Technics Press, 1997, pp. 323-329.

Herausgeber: DGfZP, Programmierung: NDT.net

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