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Entwicklung eines scannenden Prüfgeräts zur Detektion von Delaminationen in Betonfahrbahndecken
BASt-Bericht S 138
Robin Groschup, Christian Große, Technische Universität München, Centrum Baustoffe und Materialprüfung, Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung
Martin Eger, Stephan Freudenstein, Technische Universität München, Centrum Baustoffe und Materialprüfung, Lehrstuhl und Prüfamt für Verkehrswegebau
47 Seiten
Erscheinungsjahr: 2019
Preis: 0,00 €
Dieser Bericht steht ausschließlich kostenfrei im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.
Ein bedeutender Teil (circa 30 %) der Bundesautobahnen ist in Betonbauweise hergestellt. An solchen Fahrbahnen können spezielle Schadensbilder auftreten, die in Zusammenhang mit chemischen Reaktionen (insbesondere Schädigung aufgrund Alkali-Kieselsäure-Reaktion) oder mechanischer und thermischer Beanspruchung stehen (zum Beispiel Hitzeschäden). Zur zerstörungsfreien Zustandserfassung im Hinblick auf substanzielle Schäden von Fahrbahndecken aus Beton steht derzeit noch kein wirtschaftlich sinnvoll einsetzbares Prüfsystem zur Verfügung, das als Entscheidungsgrundlage für Instandsetzungsmaßnahmen dienen könnte. Zwar gibt es Systeme mit denen zum Beispiel die Tragfähigkeit oder der komplette Straßenaufbau (Georadar) repräsentativ und auch mit hohen Scangeschwindigkeiten abgebildet werden kann. Jedoch ist die Abbildung von auf der Oberfläche nicht sichtbaren horizontalen Rissen und Delaminationen im Inneren der Betondecke nur mit großem Aufwand messtechnisch durchführbar.
Deshalb wurde im Rahmen des hier beschriebenen Forschungsvorhabens ein scannendes Messverfahren entwickelt und in einem Prototypensystem implementiert. Das System erlaubt die Durchführung von Messungen auf Basis von elastischen Wellen- und Schwingungsphänomenen, die direkt mit strukturellen Eigenschaften wie zum Beispiel dem Vorhandensein von Rissen korrelierbar sind.
Das entwickelte Messsystem nutzt als Grundlage das sogenannte Impakt-Echo-Verfahren, bei dem durch einen mechanischen Impakt elastische Wellen im Betonkörper ausgelöst, mit geeigneter Sensorik empfangen und mit Methoden der Datenverarbeitung im Hinblick auf Informationen bezüglich Materialkennwerten und Schäden analysiert werden. Im Laufe der Entwicklungsarbeiten wurden messtechnische Komponenten wie Sensorik, Signalquellen und Messelektronik für die speziellen Erfordernisse scannender Messungen an Betonfahrbahndecken im Bestand konzeptioniert, hergestellt und optimiert. Insbesondere wurde zur Realisierung der scannenden Funktionsweise eine luftschallbasierte Signalaufzeichnung implementiert. Darüber hinaus wurden auf Basis numerischer Simulationen und Realmessungen Methoden zur Datenverarbeitung und korrekten Interpretation der Messdaten erarbeitet. Testmessungen wurden sowohl an ausgebauten Fahrbahnplatten als auch an ausgewählten Fahrbahnen im Bestand durchgeführt. Mit dem System konnten an Fahrbahnen unterschiedlicher Bauart Messergebnisse erzielt werden, die Rückschlüsse auf das Vorhandensein horizontaler Risse ermöglichen. Bei Vorliegen mehrerer Rissebenen ergibt sich durch das Messprinzip die Einschränkung, dass nur die oberste Rissebene detektierbar ist. Die Messergebnisse konnten an ausgewählten Stellen durch Kernbohrungen verifiziert werden. Wo keine direkte Verifikation möglich war, ergab sich eine gute Übereinstimmung mit alternativen Messverfahren (Ultraschall) oder eine plausible Übereinstimmung mit dem allgemeinen Fahrbahnzustand, der zum Beispiel durch Ausbesserungsstellen im umgebenden Bereich der Messlokationen ersichtlich war.
Das Prototypensystem erlaubt erstmals eine scannende Erfassung struktureller Schädigung durch horizontale Risse und Delaminationen in Betonfahrbahndecken von einer beweglichen Plattform aus. Obwohl noch Optimierungsmöglichkeiten vor allem hinsichtlich der Scangeschwindigkeit bestehen, ergab sich durch die Bearbeitung des Forschungsvorhabens eine wesentliche Verbesserung bestehender Prüftechnik zur Abbildung kleinskaliger Schäden in Fahrbahndecken aus Beton.
Development of a scanning test tool to detect delaminations in concrete pavements
A considerable part – approximately 30% – of the German highway network is built of concrete. This construction type is prone to specific types of damage related to chemical reactions, for example alkalisilicareaction, or mechanical and thermal stress, for example heat induced damage.
Detection of such damage at an early stage could help administrators make decisions about repair measures. However, due to the lack of appropriate testing tools, nondestructive evaluation of these structures is still a laborious and expensive task.
Therefore, this study presents a new method and apparatus for the scanning evaluation of concrete pavements. The approach makes use of mechanical waves that interact with structural properties of the concrete slab under examination.
The system is based on the so called Impact-Echo method, where stress waves excited by a mechanical impact on the concrete surface are analyzed to deduce material properties and damage. During the project, components like measurement electronics, sensors and impact sources were deveoped, optimized and tailored towards specific aspects of scanning measurements on concrete pavements. As a key component to allow contactless sensing of mechanical waves a microphone array sensor was implemented. Furthermore, concepts and methods for data processing and interpretation were developed by utilizing numerical and field data. A prototype device was tested on disassembled plate sections and also on selected sections of highways in operation. The system appeared capable of detecting horizontal cracks. If multiple delaminations are present, only the uppermost delamination layer can be detected due to the measurement principle.
Test results were verified by core drilling at selected locations. If direct confirmation by drilling was not possible, a reasonable agreement with ultrasound pulse-echo measurements or overall pavement condition was found.
The developed prototype system enables scanning detection of horizontal cracks and delamina-tions in concrete pavements in continuous motion. Though there is still potential for improvements, for example regarding scanning velocity, the system represents a significant improvement over existing nondestructive testing techniques applicable to concrete pavements.