3D-Nanofokus-Computertomographiesystem
Final Report Abstract
Untersuchung und Bewertung von Sichtbetonen: Die Beschaffenheit der Porenstruktur im oberflächennahen Bereich und deren Eigenschaften, wie Porengröße, Lunker, die Stärke der Zementhäute, beeinflusst maßgeblich das Erscheinungsbild von Sichtbetonoberflächen. Eine Beurteilung der Qualität solcher Sichtbetonoberflächen erfolgt üblicherweise über die Begutachtung großer Referenzflächen durch einen Spezialisten auf diesem Gebiet. Die in Richtlinien und Merkblättern festgelegten Bewertungsmaßstäbe sind jedoch nur subjektiver Natur. Um die Qualität und Veränderungen von Betonoberflächen wissenschaftlich beschreiben zu können, ist es unabdingbar, Parameter zu definieren, die eine objektive Beurteilung zumindest im Labormaßstab ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden bildgebende Verfahren erprobt, bei denen digitale Bilddaten sowohl in 2D als auch in 3D generiert und softwaregestützt analysiert werden. Die digitale Fotografie und die CT ermöglichen es, Veränderungen an der Oberfläche und in oberflächennahen Bereichen messwertbasiert zu beschreiben und diese quantifizieren zu können. Kenntnisse über die innere Struktur eines Sichtbetons ermöglichen es, die zukünftige Qualität der Oberfläche bereits zu frühen Zeitpunkten nach dem Ausschalen abzuschätzen. Dauerhaftigkeitsaspekte, wie der Transport von Medien, lassen sich mit Hilfe der Porenanalyse im oberflächennahen Bereich beschreiben. Untersuchung von Polymerbeton und Polymerbetonbauteilen: Untersucht wurde ein Abschnitt eines neuentwickelten Polymerbetonbauteils mit eingegossener Gewindebuchse aus Stahl. Ziel war es, nachzuweisen, dass der Polymerbeton das komplex geformte Einbauteil vollständig umschließt. Mittels der zerstörungsfreien CT-Untersuchung konnte ein hervorragender, nahezu lunkerfreier Verbund der beiden Werkstoffe nachgewiesen werden. Dieses Ergebnis wurde durch Auszugversuche verifiziert. Untersuchung von Gesteinskörnungen: Das CT-System wurde zur Detektion von Mikrorissen in unterschiedlich aufbereiteten Gesteinskörnern verwendet. Es sollten Aussagen zur Rissinitiierungswirkung und zur Bruchwahrscheinlichkeit getroffen werden. Es zeigte sich, dass sich in Abhängigkeit von dem für die Aufbereitung eingesetzten Brechertyp unterschiedliche Muster von Mikrorissen ausbilden. In der Reihenfolge Kegelbrecher - Backenbrecher - Prallbrecher nimmt die mechanische Beanspruchung der Körner und damit die Neigung zur Ausbildung von Rissen zu. Zur Bewertung klimatisch beanspruchter geklebter Glasverbindungen: Im Rahmen eines Forschungsprojektes werden fluiddurchflossene Kapillargläser entwickelt, die zur aktiven Energiegewinnung innerhalb einer Fassade beitragen sollen. An die Klebverbindung zwischen Kapillar- und Deckglas werden hohe Anforderungen in Bezug auf Festigkeit und Transparenz gestellt. Das Langzeitmaterialverhalten verschiedener UV-aushärtender Klebstoffe wurde nach unterschiedlichen klimatischen und statischen Beanspruchungen mittels zerstörungsfreier als auch zerstörender Methoden untersucht. Die Computertomographie wurde genutzt, um Schädigungen, wie Ablösungen bzw. Delaminationen und Risse, vor und nach Belastung sichtbar zu machen. Die CT-Aufnahmen zeigen innere Veränderungen der Klebeschicht, die in der visuellen Analyse nicht erkennbar sind. Es wurden bspw. Mikrorisse detektiert, die während der klimatischen und statischen Belastung der Probekörper entstanden sind, was mittels visueller Analyse nicht gelungen ist. Im Rahmen verschiedener weiterer Forschungsprojekte wurde der CT für unterschiedlichste Untersuchungen eingesetzt: zum einen wurde er zur Untersuchung der Mikrorissentstehung und des Mikrorisswachstums an keramischen Wabenkörpern genutzt. Weiterhin wurden keramische Granulate untersucht und die aus dem Nano-CT erhaltenen Bilddaten zu numerischen Modellen (FE- und diskrete Elementmodelle) weiterentwickelt. In Voruntersuchungen zum Thema "Ermüdungsfestigkeit hochfester Betone" wurden neuartige Probekörper aus Beton im CT untersucht, um die Rissinitiierung und den Rissfortschritt in Beton zu bestimmen. Diese Bilddaten sollen die Grundlage für neu zu entwickelnde Materialgesetze sein. Zur Visualisierung von Gefügeschäden wurden Versuche mit dem nano-CT durchgeführt. Es wurde eine Rundprobe aus UHPC aus dem 4-Punkt-Biegezug-Versuch vor und nach einer statischen Prüfung untersucht. Es konnte gezeigt werden, wie sich der Riss um die Fehlstellen (Gesteinskörnungen und Poren) ausbildet. Weitere wissenschaftliche Arbeiten beschäftigen sich mit den Einflüssen der Materialmikrostruktur im Bereich von Schweißnähten auf die Dauerfestigkeit von Stahlverbindungen. Dazu wurden die Zonen Grundmaterial, Wärmeeinflusszone und Schweißnaht mittels Gamma CT und Rasterelektronenmikroskop untersucht und als Grundlage für eine Modellierung des Materials auf der Meso- bzw. Mikroskala verwendet. Durch automatische Bildauswertung konnten an kleinformatigen Probekörpern die genannten drei Materialbereiche in ihren Ausdehnungen beschrieben werden. Über Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop konnten den drei Bereichen unterschiedliche Phasenzustände und Kristallorientierungen zugewiesen werden. Mit Hilfe dieser Eingangsdaten wurden aus den Kenndaten entsprechende Simulationsmodelle generiert, die den gemessenen Daten im statistischen Sinn entsprechen.
Publications
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