Betone unterschiedlichster Art sind hervorragend geeignet, Druckspannungen aufzunehmen, jedoch ist die Zugfestigkeit dieser Betone wesentlich niedriger und von vielen äußeren Parametern abhängig. Gerade bei steigender Druckfestigkeit der Betone ist das Nachbruchverhalten, sprich die Duktilität des Baustoffes, nicht zufriedenstellend. Um die geforderte Duktilität zu erreichen und dem spröden Bruchverhalten entgegenzuwirken, werden diesen Betonen Fasern beigemischt. Für die Verbesserung der Festbetoneigenschaften ist die Fasermenge, Faserorientierung und Faserverteilung ausschlaggebend. Dies macht eine Überwachung dieser Eigenschaften notwendig, sei es zur Qualitätssicherung auf der Baustelle oder im Bereich der Forschung zur Weiterentwicklung von Hochleistungsbetonen.

Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurde daher die Möglichkeit untersucht, Fasern in faserverstärkten Betonen mithilfe der Computer-Tomographie (CT) zu detektieren und hinsichtlich ihrer Orientierung und Verteilung zu analysieren. Bei diesen Vorversuchen kamen unterschiedliche Faserarten in Betonen mit unterschiedlicher Probengeometrie zum Einsatz. Diese Studie hat gezeigt, dass die CT geeignet ist, die Faserorientierung und -verteilung zu quantifizieren. Insbesondere kann der Orientierungsbeiwert mit Methoden der 3D-Bildanalyse robust gemessen werden, siehe [1] und [2].

Weiterführende Arbeiten umfassten insbesondere Versuche zur Beurteilung der Wiederholstreuung der Messergebnisse sowie die Entwicklung vereinfachter bzw. teilweise automatisierter Analysetools.

Aufgrund der Anwendbarkeit in der Praxis und der Mitarbeit des Fachgebiets Massivbau und Baukonstruktion der TU Kaiserslautern im Schwerpunktprogram SPP 1182 " Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton" der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) konzentrieren sich die aktuellen Arbeiten einerseits auf den Schwerpunkt " stahlfaserverstärkte Ultrahochfeste Betone" und andererseits auf die Untersuchung von " normal festen" Stahlfaserbetonen. Neben der Darlegung von möglichen Anwendungsgebieten der im Folgenden vorgestellten CT-Analyse-Verfahren, liegt der Fokus dieses Aufsatzes auf der Beobachtung und Beschreibung des Nachbruchverhaltens dieser Betone mithilfe dieser Verfahren.

Fig. 1 gibt einen strukturierten Überblick über die bisher durchgeführten und geplanten Anwendungen der CT-Analyse-Methoden.

Mithilfe der Computer-Tomographie können zerstörungsfrei alle Arten von Fehlstellen in Bau-/Werkstoffen (Poren, Lunker, Einschlüsse, etc.) detektiert und als virtuelle, dreidimensionale Körper dargestellt werden. Hierbei können Größe und Lage solcher Fehlstellen genau vermessen werden.

Die 3D-Computer-Tomographie ist ein bildgebendes, zerstörungsfreies Prüfverfahren, bei dem das Objekt aus unterschiedlichen Richtungen mit Röntgenstrahlen durchstrahlt wird. Dabei entstehen Projektionsbilder, welche die Stärke der Absorption an verschiedenen Stellen abhängig von der Materialart und Materialstärke widerspiegeln. Aus den Projektionen wird die dreidimensionale Aufnahme tomographische rekonstruiert.

Zur Erzeugung eines tomographischen 3D-Bildes wird die Betonprobe schrittweise gedreht. Verschiedene Komponenten der untersuchten Probe werden durch unterschiedlichen Absorptionskontrast auf entsprechend verschiedene Grauwerte abgebildet. Segmentierung bedeutet im vorliegenden Fall, die Fasern von der Betonmatrix und eventuell vorhandenen anderen Objekten zu trennen. Alle Pixel, die zur Faserkomponente gehören, bekommen den Wert "

1", allen übrigen Pixel (Betonmatrix, Poren, Einschlüsse, etc.) wird der Wert " 0" zugewiesen. Da es jetzt im Bild nur noch zwei Werte gibt, wird dieses Verfahren "Binarisierung"genannt.

Zum Einsatz kommt ein Schwellwertverfahren, bei dem nur einzelne Pixel betrachtet werden. Der Grauwert eines Pixels stellt einen reinen Helligkeitswert dar, nach dem jedes Pixel der Gruppe (Segment) zugeordnet wird (vgl. [3]). Fig. 3 stellt an zwei Beispielen die Segmentierungsergebnisse den 16-bit Schnittbildern gegenüber.

Der Faserorientierungsbeiwert beschreibt den Einfluss der Faserorientierung auf die Wirksamkeit der Faser. Bisher wurde bei der experimentellen Bestimmung des Faserorientierungsbeiwertes die Orientierung der Faser zum Beispiel an einer Schnittfläche oder Bruchfläche ermittelt. Ein Überblick über diese Analysemethoden wird in [1], [4] und [5] gegeben.

Im Gegensatz hierzu wird bei der Analyse der dreidimensionalen Bilder der Computer-Tomographie gleich das gesamte Volumen betrachtet. Dieser Faserorientierungsbeiwert η φ beschreibt das Verhältnis der projizierten Faserlänge L p,φ zur tatsächlichen Länge L V innerhalb des betrachteten Volumens V und kann so nach Gleichung (1) berechnet werden. Der berechnete Faserorientierungsbeiwert liegt zwischen " 0" und " 1" (Wert " 1", alle Fasern richten sich in Richtung φ aus; Wert " 0", alle Fasern richten sich orthogonal zur Richtung φ aus).

Sowohl die Faserlängendichte L V als auch die verallgemeinerte Projektionslänge L p,φ lassen sich leicht aus den Dichten der inneren Volumina ableiten bzw. als Nebenprodukt bei deren Bestimmung anhand digitaler Bilddaten gewinnen. Für Details siehe [6]. L V und L p,φ für 13 Raumrichtungen lassen sich mithilfe des Softwaresystems MAVI [7] effizient aus 3D Bilddaten bestimmen. Zur Beurteilung der Wiederholbarkeit der Messergebnisse wurde ein Probekörper mehrfach tomographiert. Neben der Variation des Startwinkels der CT-Aufnahmen wurde der Probekörper auch überkopf aufgenommen.

Die Ergebnisse bestätigen eine hohe Aussagegenauigkeit der ermittelten Faserorientierungsbeiwerte. Lediglich bei der Ermittlung des Faservolumens kann durch untereinander abweichende "

Bildqualitäten" die Wahl eines geeigneten Schwellwertes erschwert werden, was bei den durchgeführten Versuchen zu Abweichungen von max. 1 % führte. Zur Zeit finden Vorversuche statt, um trotz der angesprochenen "

Probleme" wie das Kriechen der Probekörper, CT-Aufnahmen mit ausreichender Schärfe und Kontrast für eine Analyse zu erhalten. Die dann folgenden experimentellen Untersuchungen konzentrieren sich sowohl auf die Beobachtung und Beschreibung des Faserauszugverhaltens von Einzelfasern und Fasergruppen als auch die topographische Beschreibung und Vermessung der (Mikro-) Rissbildung.

2) Nachrissbiegezugfestigkeit an miniaturisierten Balken: In Anlehnung an die Nachrissbiegezugprüfung nach Vorgabe des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1182 " Nachhaltiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton" werden zurzeit verformungsgesteuerte Biegezugprüfungen an miniaturisierten Balken (Prismen) durchgeführt. Fig. 7 zeigt beispielhaft die Auswertung der Nachrissbiegezugprüfung zweier Prismen der gleichen Herstellungscharge. Die Grafik zeigt in der Last-Verformungs-Kurve bei Probe " UHPC 1" ein etwas duktileres Entfestigungsverhalten als bei Probe " UHPC 2". Dies lässt sich durch die unterschiedliche Orientierung und Verteilung der Fasern im Probekörper begründen.

Aufgrund der Probekörperabmessungen kann der gesamte Probekörper nach der Ermittlung der Nachrissbiegezugfes- Gegenüber anderen Methoden, wie z. B. dem Aufbrechen des Risses, bleibt der zu untersuchende Bereich unbeschädigt, so dass auch eventuell gerissene Fasern detektiert werden können.

3) Nachrissbiegezugfestigkeit von Stahlfaserbeton: Zur Klassifizierung von Stahlfaserbetonen werden nach der Richtlinie "

Stahlfaserbeton" des DAfStb [9] diese über die Nachrisszugfestigkeit, also die Leistungsfähigkeit im Nachrissbereich, in Leistungsklassen eingestuft.

Die Nachrisszugfestigkeit lässt sich unter zu Hilfenahme von Umrechnungsfaktoren aus der Nachrissbiegezugfestigkeit bestimmen. Diese Nachrissbiegezugfestigkeit wird in einem verformungsgesteuerten 4-Punkt-Biegeversuch an einer Serie aus mindestens 6 Balken der Abmessung 150 × 150 × 700 mm ermittelt. Die Eingangswerte für die Berechnung der Nachrissbiegezugfestigkeit bilden die zu den Durchbiegungen 0,5 mm und 3,5 mm zugehörigen Lasten. Bei der Bestimmung der Nachrissbiegezugfestigkeit werden in der Praxis starke Streuungen innerhalb von Prüfserien mit Variationskoeffizienten von über 25 % beobachtet.

In [10] wird die große Streuung zwischen den Messkurven der gleichen Betonzusammensetzung auf den großen Einfluss einzelner Fasern auf das Tragverhalten bei den vorliegenden kleinen Querschnittsabmessungen der Balken (150 × 150 mm) zurückgeführt. Auch in [11] wird darauf hingewiesen, dass die großen Abweichungen auf eine inhomogene Verteilung Tab. I zeigt anhand des Beispiels der beiden am stärksten von einander abweichenden Einzelprüfergebnisse einer Serie die Abhängigkeit des Nachrissverhaltens von der Faserorientierung. Trotz höherer Fasermenge in Probe 1 (Fig. 8) werden wesentlich geringere Nachrissbiegezugfestigkeiten gegenüber Probe 2 (Fig. 9) gemessen. Es zeigt sich, dass durch die stärkere Ausrichtung der Fasern in Zugkraftrichtung (ϕ = x) bei Probe 2 höhere Nachrisszugfestigkeiten erreicht werden können.

Neben der automatischen Analyse der Faserorientierung und der Fasermenge, besteht die Möglichkeit aus den visualisierten Daten Parameter wie die Anzahl der gerissenen Fasern, der Einbindelänge der Fasern und der Verformung der Fasern zu bestimmen.

Für eine genauere Bewertung können die zuvor genannten Parameter mit einbezogen werden. So sind in Fig. 8 (Probe 1) Faseransammlungen und " stehende" Fasern zu erkennen, die eine optimale Kraftübertragung über den Riss hinweg behindern.

Weitere Arbeiten beschäftigen sich mit der Entwicklung von Methoden für die genaue Darstellung der Topographie von Rissen und deren Vermessung. Diese sollen dann im Bereich der stahlfaserverstärkten Ultahochfesten Betone zur Untersuchung der Mikrorissbildung eingesetzt werden.

Gerade bei steigender Druckfestigkeit der Betone ist das Nachbruchverhalten, sprich die Duktilität des Baustoffes nicht Die Fähigkeit eines stahlfaserverstärkten Betons, Zugkräfte über einen Riss hinweg übertragen zu können, ist u.a. abhängig von der Orientierung, der Verteilung und der Anzahl der " rissüberbrückenden" Fasern im Bereich der sich ausbildenden Zugzone bzw. des sich einstellenden Risses bei Belastung.

Um weitere, das Nachbruchverhalten bestimmenden Parameter, wie die Verbundeigenschaften der Fasern mit der Matrix genauer bestimmen zu können, wurde ein Versuchsaufbau entwickelt, der die in-situ Beobachtung der Betonmikrostruktur und des Faserverhaltens bei Zugbeanspruchung des Probekörpers mithilfe der Computer-Tomographie ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Versuche sollen neue Erkenntnisse über das Faserverbundverhalten und die (Mikro-) Rissbildung liefern, um bestehende Bemessungsmodelle für aus diesen Betonen hergestellte Bauteile anzupassen bzw. erweitern zu können.