Development of a novel test setup for the determination of the content and orientation of steel fibres in concrete based on electrical resistivity

  • Entwicklung eines neuartigen Prüfaufbaus für die Bestimmung des Gehalts und der Orientierung von Stahlfasern in Beton auf Basis der elektrischen Leitfähigkeit

Cleven, Simon; Matschei, Thomas (Thesis advisor); Dehn, Frank (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Stahlfaserbeton weist das Potential auf, kosteneffizient und recourcenschonend für vielseitige Anwendungen eingesetzt zu werden. Eines der größten Hindernisse für die weitere Anwendung besteht zurzeit darin, dass der Fasergehalt, die Faserverteilung und die Faserorientierung nicht exakt bestimmt werden können. Zwar lässt sich der globale Fasergehalt aus der gesamten Faserzugabe im Herstellwerk berechnen, aber lokale Unterschiede im Material, die aus der Schalungsgeometrie oder anderen Faktoren resultieren, sind jedoch nicht messbar. Bezüglich der Verteilung und Orientierung können zudem nur Annahmen getroffen werden. Dies hat zur Folge, dass für die statische Bemessung hohe Teilsicherheitswerte angesetzt werden müssen, was den effizienten Einsatz von Stahlfaserbeton in vielen Fällen nicht ermöglicht.Um dieser Herausforderung in Zukunft zu begegnen, war das Hauptziel dieser Dissertation die Entwicklung eines einfach zu handhabenden Messverfahrens, was die Bestimmung der oben genannten Parameter ermöglicht. Hierzu erfolgte aufbauend auf einer umfangreichen Literaturrecherche die Auswahl der elektrischen Widerstandsmessung als vielversprechender Ansatz der Messmethodik. Nach der Identifizierung der maßgebenden Einflussfaktoren aus dem Messprinzip und dem Werkstoff Stahlfaserbeton wurde ein prototypischer Messaufbau für würfelförmige Prüfkörper entwickelt und erprobt. Nach der Optimierung des Messsystems durch eine umfangreiche Parameterstudie wurde der Aufbau für zylindrische Proben erweitert, um die Analyse von Bohrkernen zu ermöglichen. Die Messung der elektrischen Widerstände zeigte gute Resultate bei der Nutzung eines Zwei-Elektroden-Aufbaus mit einer Wechselstrombeaufschlagung in einem Frequenzbereich von 1 bis 10 kHz. Geringere Frequenzen führten zu zeitabhängigen Messfehlern, die auf eine Polarisation an den Elektroden zurückgeführt werden können. Zur Analyse der Messergebnisse ist die Umrechnung der gemessenen elektrischen Widerstände in geometrieunabhängige spezifische Widerstände notwendig. Die hierzu benötigten Geometriefaktoren für definierte Elektrodenanordnungen könnten mit Hilfe einer FEM-Simulation in Kombination mit einer Multiphysik-Software durchgeführt werden. Über den Vergleich der ermittelten spezifischen Widerstände des Stahlfaserbetons mit einem unbewehrten Referenzbeton kann der Stahlfasergehalt ausreichend genau ermittelt werden. Die Abschätzung der Faserorientierung war durch die Relation unterschiedlicher Messrichtung einer Probe möglich. Als größte Herausforderung für die Weiterentwicklung des Messystems wurde das Erfordernis eines Referenzbetons bzw. die Kenntnis dessen spezifischen Widerstands identifiziert. Der Fokus zukünftiger Untersuchungen muss daher auf der Erstellung einer materialparameter-abhängigen Datenbank liegen, damit eine Analyse von Bauwerksbetonen realisiert werden kann. Zudem ist die Überführung des prototypischen Messsystems in ein System mit definierten Ankopplungsbedingungen und Messbedingungen notwendig. Nach der erfolgreichen Entwicklung und Adaptierung dieser Faktoren kann die Messmethodik in eine allgemeine Richtlinie oder Norm überführt werden, um neue statische Bemessungsprinzipien mit geringeren Teilsicherheitsbeiwerten realisieren zu können. Dies wird in Zukunft eine Material-effizientere Bemessung ermöglichen.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Baustoffkunde [311110]