Bestimmung elastischer Materialparameter mit Ultraschall Ultraschallsignal (CEM I 52,5R) 17...
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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)
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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