Universität Stuttgart – Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften – Institut für Werkstoffe im Bauwesen – Pfaffenwaldring 4 – D-70569 Stuttgart – Tag der mündlichen Prüfung: 13. August 2003Gutachter:Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Hans-Wolf Reinhardt – Prof. Dr.-Ing. Harald Schorn – Gegenstand dieser 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. Dabei wurden zahlreiche neue Materialien untersucht, um letztlich ein Gefäß zur Aufnahme von kleinsten Mengen erstarrenden und erhärtenden Materials zu konstruieren. Die optimierte Handhabbarkeit erzielt eine Zeitersparnis für den Anwender und erhöht die Lebensdauer der Prüfapparatur wesentlich. Das miniaturisierte Gefäß war allerdings wegen seiner kleinen Innenabmessungen nur zur Messung an Zementleim oder Mörtel vorgesehen. Betonmischungen mit größeren Zuschlagkörnern konnten nicht eingesetzt werden, weil die Gefahr bestand, nur durch die Zuschläge hindurch zu messen und somit einen akustischen Kurzschluss zu provozieren. Daher war das nächste Ziel auch ein neues Betonprüfgefäß zu konstruieren. Im Unterschied zum Mörtelgefäß bietet das Betonprüfbehältnis an seiner Vorderwand ausreichend Platz, um den Kugelgeber zur Signalerzeugung zu platzieren. Dies ist erstens wegen der erforderlichen Signalstärke notwendig und zweitens wird damit ein ausreichend kurzer Impuls erzeugt, um ein breites Frequenzband in den Frischbeton einleiten zu können. Damit steht zur Ergebnisanalyse auch der Parameter übertragene Frequenz zur Verfügung. – 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 (REM) untersucht. Der maßgebliche Unterschied zu konventionellen REMs besteht darin, dass bei einem sogenannten ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope) die Proben weder getrocknet noch ihre Oberfläche mit Gold oder Kohlenstoff bedampft werden müssen. 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. – Für die weiteren Vergleiche zur konventionellen Zementleim-, Mörtel- und Betonprüftechnik wurden zum einen mit dem Vicat'schen Nadelgerät und zum anderen mit dem Penetrometerverfahren Messreihen gefahren, zu denen ebenfalls wieder parallele US-Messungen abliefen. Prüfungsgegenstand dieser Verfahren sind die Erstarrungszeiten. 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. Vor allem der US-Parameter Wellenausbreitungsgeschwindigkeit ergab sowohl für den Beginn als auch das Ende der Erstarrung brauchbare Bezugspunkte. – Ebenfalls konventioneller Natur ist die Bestimmung des Hydratationsgrades durch die Hydratationswärmemessung mit Hilfe eines Kalorimeters. Nach dem Prinzip des teiladiabatischen Verfahrens wurde ein Kalorimeter gefertigt und kalibriert. Den mit ihm durchgeführten Wärmemessungen wurden die parallel aufgezeichneten US-Messungen gegenübergestellt. 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. – Diese Arbeit begleitend optimierten weitere Wissenschaftler des Instituts die Mess- und Analysesoftware grundlegend substantiell sowie in ihrer Darstellung. Es wurde inzwischen ein Automatisierungsgrad erreicht, der den Einsatz und Betrieb des US-Verfahrens auch für weniger gut geschultes Personal möglich macht. Umständliches manuelles Nachregeln der Messkartenempfindlichkeit wurde genauso überflüssig wie ein daraus resultierendes permanentes Begleiten des Messvorgangs durch den Anwender. Potentielle anwenderspezifische Fehlerquellen konnten somit weiter reduziert und die Bedienerfreundlichkeit gleichzeitig gesteigert werden. – – E-Mail a.herb@gmx.de Dissertation http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2003/1509/