Mikrocomputertomograph
Final Report Abstract
Der Mikrocomputertomograph (µCT) wurde hauptsächlich zur bildlichen Darstellung der inneren, dreidimensionalen Struktur verschiedener Betone genutzt, um verbesserte Kenntnisse über Herstellungsprozesse, Alterungsmechanismen und das mechanische Verhalten zu erlangen. In verschiedenen Kooperationen wurde der µCT auch zur Untersuchung von Kunstoffen, natürlichen Böden und Verbundwerkstoffen eingesetzt. Für wenige Aufgaben konnten zur quantitativen Analyse zu untersuchender Eigenschaften, wie z. B. die Faserorientierung in UHPFRC-Bauteilen, kommerziell verfügbare Programme eingesetzt werden. Der Großteil der Fragestellungen erforderte allerdings die Entwicklung eigener Methoden, die die zu untersuchenden Eigenschaften in der gewünschten Darstellungstiefe abbilden können. Im DFG Schwerpunktprogramm 1542 – Leicht Bauen mit Beton – wurden der Fasergehalt, die Faserverteilung und -orientierung in Abhängigkeit verschiedener Schalungsgeometrien und Fließgeschwindigkeiten des Frischbetons mittels µCT untersucht. Durch die Verbindung mechanischer Prüfungen und mikrocomputertomographischer Untersuchungen konnten so Bemessungsparameter, wie der Faserorientierungsbeiwert, in Abhängigkeit des Herstellprozesses evaluiert werden. In einem AIF Projekt wurde der µCT unterstützend bei der Entwicklung eines Verfüllmörtels für nachträglich in Stahlbetonbauwerke eingebaute Korrosionssensoren eingesetzt. Die Methode konnte maßgeblich zur Qualitätskontrolle einer hohlraumfreien Applikation des Mörtels bei sehr kurzen Scanzeiten beitragen. Im vom BMBF geförderten Projekt ENTRIA wird der µCT für Dauerhaftigkeitsuntersuchungen eingesetzt. Die Methode eignet sich für derartige Untersuchungen besonders gut, weil zeitabhängige Schädigungsprozesse an denselben Probekörpern verfolgt werden können. Dadurch kann die Gesamtanzahl der Probekörper reduziert und der Schädigungsfortschritt im Zusammenhang mit der inneren Struktur betrachtet werden. Bisher wurden Versuche zum chemischen Angriff durch Säure und zur Carbonatisierung durchgeführt. Es wurde ein Verfahren zur Quantifizierung des Luftporengehaltes (Frostwiderstand) im Festbeton entwickelt und Versuche zur Ermittlung des im Rahmen der Auflösung detektierbaren, transportrelevanten Kapillarporenraumes an sehr kleine Zementsteinproben (d = 1mm) durchgeführt. Des Weiteren wurden in diesem Projekt in Kooperation mit dem Institut für nukleare Entsorgung (INE) am KIT Bestrahlungsversuche an Normal-, Strahlenschutz- und Hochleistungsbetonen zur Quantifizierung der Abschwächungskoeffizienten der verschiedenen Betone durchgeführt. Durch die ergänzenden Untersuchungen im µCT können die Abschwächungskoeffizienten in Relation zum Gefüge gesetzt werden. Im Teilprojekt „Rissbildung entlang der Klebeverbindung zwischen Beton und CFK-Lamellen“ im DFG Graduiertenkolleg 2075 „Modelle für die Beschreibung der Zustandsänderung bei Alterung von Baustoffen und Tragwerken“ sollen die Eigenschaften des Betons untersucht werden, die maßgebend für die Rissbildung entlang der Klebeverbindung zwischen Beton und CFK-Lamellen sein können. Die zu untersuchenden Parameter sind die mechanischen Eigenschaften der Gesteinskörnung und des Zementsteins sowie Form und Kornverteilung (Sieblinie) der Gesteinskörner. µCT-Scans und die anschließende Auswertung (Segmentierung und Rekonstruktion) sollen helfen, die Rissbildung im Betongefüge besser zu verstehen. Im Projekt „Mehrskalige Untersuchung der Ermüdungsrissentwicklung in Hochleistungsbeton basierend auf Computertomographie und Phasenfeldmodellierung“ innerhalb des SPP 2020 „Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-VirtualLab“ werden Hochleistungsbetone auf mehreren Skalen untersucht. Es erfolgt eine Identifikation der Hochleistungsbetonphasen Feinmörtel, Gesteinskörnung, Luftporen und Kontaktzonen in den Probekörpern und die Erstellung eines geometrischen Modells der Mesostruktur anhand von CT-Aufnahmen. Die mechanischen Untersuchungen der Probekörper erstrecken sich auf statische und zyklische Versuche, die zum Teil in situ im CT durchgeführt werden, so dass die einsetzende Schädigung direkt durch Voxelkorrelation ausgewertet werden kann. Die Modellierung des Ermüdungsverhaltens erfolgt auf einem Phasenfeldansatz direkt auf Basis des Mesomodells, welches aus den CT-Daten entwickelt wird.
Publications
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Neuartige Verbindungen für geometrisch komplexe Flächen- und Stabwerkelemente aus UHPFRC. In: Scheerer, S.; Curbach, M. (Hrsg.): Leicht Bauen mit Beton – Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1, Dresden: Eigenverlag TU Dresden, 2014, S. 122−139
Lehmberg, S.; Mainka, J.; Ledderose, L.; Budelmann, H.; Kloft, H.
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Corrosion Monitoring of Reinforced Concrete Structures with an Innovative rf-based Sensor. In: Proceedings NDT-CE 2015, International Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering, 15-17 September 2015 Berlin, S.818-82
Budelmann, H.; Dreßler, I.; Wichmann, H.-J.
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Von der Bauteilfügung zu leichten Tragwerken: Trocken gefügte Flächenelemente aus UHPFRC. In: Beton- und Stahlbetonbau 111 (2016), Heft 12, S.806-815
Lehmberg, S.; Ledderose, L.; Wirth, F.; Budelmann, H.; Kloft, H.
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Von der Küchenarbeitsplatte zum leichten Tragwerk – Was kann ultrahochfester faserverstärkter Feinkornbeton? In: Scheerer, S.; van Stipriaan, U.: Festschrift zu Ehren von Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Manfred Curbach. Dresden: Institut für Massivbau der TU Dresden, 2016, S.90–103
Budelmann, H.; Lehmberg, S.
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Efficient mesh generation of real concrete mesostructures from CT scan images using contrast enhancers. In: ECCOMAS Thematic Conferene VII International Conference on coupled problems in science and engineering. 12-14 June 2017 Rhodes Island, Greece
Carrara, P.;Kruse, R.; Leusmann, T.; Budelmann; H. and De Lorenzis, L.
