Indirekte Beobachtung des Erstarrens und Erhärtens von Zementleim, Mörtel und Beton mittels Schallwellenausbreitung

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Arbeit waren die Weiterentwicklung eines Ultraschallprüfverfahrens basierend auf dem Prinzip der Durchschallung, die Interpretation der Ergebnisse von Vergleichsmessungen, sowie der Bezug zu heute verwendeten Laborverfahren. Zunächst wurde, begleitet von einem umfangreichen Versuchsprogramm, eine Miniaturisierung des Prüfgefäßes vorgenommen. Im Vordergrund standen dabei sowohl eine Optimierung in der Handhabbarkeit als auch eine deutliche Reduzierung des Probenmaterials. In einem nächsten Schritt wurden die beiden neuen Prüfeinrichtungen mit vielfältigen Messungen getestet. Untersuchungsschwerpunkt war, mittels parallel ausgeführten Ultraschall (US) -Messungen einen Korrelationsansatz zu bestehenden Prüf- und Analysemethoden zu finden. Der erste Ansatz war visueller Natur. Dazu wurden Mörtelproben während der Hydratation mit einem speziellen Rasterelektronenmikroskop (ESEM) untersucht. In der vorliegenden Arbeit ist es erstmals gelungen, ein und dieselben Kristallstrukturen während ihres hydratationsbedingten Wachstums sowie ihrer teilweisen Umwandlung in andere Kristalle zu beobachten. Es wurde versucht, qualitativ den jeweiligen Hydratationsfortschritt den US-Parametern zuzuordnen, die aus parallel aufgezeichneten US-Messungen mit der Mörtelprüfeinrichtung extrahiert worden sind. Unter Berücksichtigung aller drei US-Messparameter wurden Ansätze entwickelt, Erstarrungsbeginn und Erstarrungsende mit dem Ultraschallverfahren zu detektieren. Insbesondere die den Penetrometerversuch begleitenden US-Messungen erbrachten eine gute Korrelation. Es gelang, den beiden Erstarrungszeiten konkrete Messwerte des Ultraschallprüfverfahrens zuzuordnen. Eingehende Analysen ergaben Möglichkeiten zur Korrelation zwischen den Ergebnissen der Ultraschallmessungen und dem kalorimetrisch ermittelten Hydratationsgrad. Funktionale Beziehungen konnten erfasst werden. Insbesondere eine bilineare Gesetzmäßigkeit zwischen Reaktionsgrad und normierter Wellengeschwindigkeit wurde ermittelt.

Scope of the research work presented here were the development of an ultrasonic testing method based on principle of the ultrasonic (US) through-transmission, the interpretation of results through comparative measurements, as well as the relation to laboratory procedures presently used. First, accompanied by an extensive test program, a miniaturization of the test mould has been carried out. Thereby, both an optimization in handling and a clear reduction of the amount of testing material were the center of attention. In a next step the two new testing facilities were tested with various measurements. Investigation emphasis was to find a correlation between ultrasonic measurements and existing test and analysis methods. The first approach was of visual nature. In this case mortar samples were examined during hydration with a special scanning electron microscope (ESEM). In this work for the first time it was possible to observe the same crystal structures growing during the hydration process as well as their partial transformation into other crystals. It was tried to assign qualitatively the respective hydration progress to US parameters which were extracted from parallel recorded US measurements with the mortar testing device. With consideration of all three US measuring parameters, approaches were developed to detect beginning and end of setting with the ultrasonic method. In particular the Penetrometer test accompanying US measurements furnished a good correlation. It succeeded to assign the two setting times to concrete measured values of the ultrasonic testing method. Detailed analyses resulted in possibilities for correlation between the results of ultrasonic measurements and calorimetric determined hydratation degree. Functional relations could be detected. In particular a bilinear relationship between degree of reaction and standardized wave velocity was determined.