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|title=Zur Untersuchung von stahlfaserverstärkten Betonen auf Basis der 3D-Computer-Tomographie
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==Zur Untersuchung von stahlfaserverstärkten Betonen auf Basis der 3D-Computer-Tomographie==
https://ceur-ws.org/Vol-750/yrs10.pdf
Zur Untersuchung von stahlfaserverstärkten Betonen
auf Basis der 3D-Computer-Tomographie
Frank Schuler #1 , Katja Schladitz ∗2 ,
#
Fachgebiet Massivbau und Baukonstruktion, Technische Universität Kaiserslautern
Paul-Ehrlich-Str. Geb. 14, 67663 Kaiserslautern
1
fschuler@rhrk.uni-kl.de
∗
Fraunhofer Institut für Techno- und Witschaftsmathematik
Fraunhofer-Platz 1, 67663 Kaiserslautern
2
katja.schladitz@itwm.fraunhofer.de
Abstract— In einem gemeinsamen Forschungsprojekt ha- der Orientierungsbeiwert mit Methoden der 3D-Bildanalyse
ben die TU Kaiserslautern und das Fraunhofer Institut für robust gemessen werden, siehe [1] und [2].
Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM nachgewiesen, dass Weiterführende Arbeiten umfassten insbesondere Versuche
die Computer-Tomographie (CT) kombiniert mit moderner
Bildverarbeitungs- und Analysesoftware geeignet ist, die Faser- zur Beurteilung der Wiederholstreuung der Messergebnisse
orientierung und Faserverteilung in faserverstärkten Hochleis- sowie die Entwicklung vereinfachter bzw. teilweise automa-
tungsbetonen zu untersuchen. Gegenüber bisher angewendeten tisierter Analysetools.
Methoden eröffnet die Computer-Tomographie die Möglichkeit, Aufgrund der Anwendbarkeit in der Praxis und der Mitar-
für Betone mit Fasern und Gelegen aller Art die Faserorien- beit des Fachgebiets Massivbau und Baukonstruktion der TU
tierung und Faserverteilung im gesamten Volumen eines Pro-
bekörpers zu betrachten und zu analysieren. Kaiserslautern im Schwerpunktprogram SPP 1182 Nachhal-
”
Nach Abschluss dieser Machbarkeitsstudie stehen nun Versu- tiges Bauen mit ultra-hochfestem Beton“ der Deutschen For-
che im Bereich stahlfaserverstärkter Betone im Vordergrund. schungsgemeinschaft (DFG) konzentrieren sich die aktuellen
Dabei sollen neue Anwendungsfelder in der Praxis und im Arbeiten einerseits auf den Schwerpunkt stahlfaserverstärkte
Bereich der Forschung erschlossen werden. ”
Ultrahochfeste Betone“ und andererseits auf die Untersuchung
Ein neuartiger Versuchsaufbau der die CT-Aufnahme eines von normal festen“ Stahlfaserbetonen.
Probekörpers während der Belastung erlaubt, ermöglicht erst- ”
malig die in-situ Beobachtung der Betonmikrostruktur und des Neben der Darlegung von möglichen Anwendungsgebieten
Faserverhaltens bei mechanischer Beanspruchung. der im Folgenden vorgestellten CT-Analyse-Verfahren, liegt
der Fokus dieses Aufsatzes auf der Beobachtung und Beschrei-
I. E INLEITUNG bung des Nachbruchverhaltens dieser Betone mithilfe dieser
Verfahren.
Betone unterschiedlichster Art sind hervorragend geeignet, Fig. 1 gibt einen strukturierten Überblick über die bisher
Druckspannungen aufzunehmen, jedoch ist die Zugfestigkeit durchgeführten und geplanten Anwendungen der CT-Analyse-
dieser Betone wesentlich niedriger und von vielen äußeren Pa- Methoden.
rametern abhängig. Gerade bei steigender Druckfestigkeit der
II. C OMPUTER -T OMOGRAPHIE
Betone ist das Nachbruchverhalten, sprich die Duktilität des
Baustoffes, nicht zufriedenstellend. Um die geforderte Dukti- A. Grundlagen
lität zu erreichen und dem spröden Bruchverhalten entgegen- Mithilfe der Computer-Tomographie können zerstörungsfrei
zuwirken, werden diesen Betonen Fasern beigemischt. Für die alle Arten von Fehlstellen in Bau-/Werkstoffen (Poren, Lunker,
Verbesserung der Festbetoneigenschaften ist die Fasermenge, Einschlüsse, etc.) detektiert und als virtuelle, dreidimensionale
Faserorientierung und Faserverteilung ausschlaggebend. Dies Körper dargestellt werden. Hierbei können Größe und Lage
macht eine Überwachung dieser Eigenschaften notwendig, sei solcher Fehlstellen genau vermessen werden.
es zur Qualitätssicherung auf der Baustelle oder im Bereich der Die 3D-Computer-Tomographie ist ein bildgebendes,
Forschung zur Weiterentwicklung von Hochleistungsbetonen. zerstörungsfreies Prüfverfahren, bei dem das Objekt aus un-
Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurde daher die terschiedlichen Richtungen mit Röntgenstrahlen durchstrahlt
Möglichkeit untersucht, Fasern in faserverstärkten Betonen wird. Dabei entstehen Projektionsbilder, welche die Stärke
mithilfe der Computer-Tomographie (CT) zu detektieren und der Absorption an verschiedenen Stellen abhängig von der
hinsichtlich ihrer Orientierung und Verteilung zu analysieren. Materialart und Materialstärke widerspiegeln. Aus den Projek-
Bei diesen Vorversuchen kamen unterschiedliche Faserarten in tionen wird die dreidimensionale Aufnahme tomographische
Betonen mit unterschiedlicher Probengeometrie zum Einsatz. rekonstruiert.
Diese Studie hat gezeigt, dass die CT geeignet ist, die Faserori- Zur Erzeugung eines tomographischen 3D-Bildes wird die
entierung und -verteilung zu quantifizieren. Insbesondere kann Betonprobe schrittweise gedreht. Fig. 2 zeigt eine schemati-
Anwendungsmöglichkeiten der CT Objekten zu trennen. Alle Pixel, die zur Faserkomponen-
ungerissener Bereich gerissener Bereich te gehören, bekommen den Wert 1“, allen übrigen Pixel
”
(Betonmatrix, Poren, Einschlüsse, etc.) wird der Wert 0“
Analyse über das Fasersystem Analyse der Faserorientierung, ”
-verteilung und Menge analog dem zugewiesen. Da es jetzt im Bild nur noch zwei Werte gibt,
Faserorientierung ungerissenen Bereich
wird dieses Verfahren ”Binarisierung”genannt.
Faserverteilung zusätzliche Analyse
Fasermenge
"Faserdickenanalyse" Zum Einsatz kommt ein Schwellwertverfahren, bei dem nur
Orientierung der Einzelfaser einzelne Pixel betrachtet werden. Der Grauwert eines Pixels
Anwendung
Einbindelänge der stellt einen reinen Helligkeitswert dar, nach dem jedes Pixel
Qualitätssicherung von Einzelfaser
Herstellungsprozessen der Gruppe (Segment) zugeordnet wird (vgl. [3]). Fig. 3 stellt
Verformung der
Schadenanalysen Einzelfaser an zwei Beispielen die Segmentierungsergebnisse den 16-bit
Vergleich verschiedener Anzahl gerissener Fasern Schnittbildern gegenüber.
"Verdichtungsmethoden"
Untersuchung der (Mikro-)Rissbildung
Validierung von
rheologischen Versuchen Anwendung
und Simulationen
Untersuchung des
Nachbruchverhaltens
Zugversuche im CT
Nachrissbiegezugfestigkeit
Anwendungsmöglichkeiten der CT.mmap - 12.10.2010 - Mindjet
Fig. 1. Anwendungsmöglichkeiten der Computer-Tomographie
sche Darstellung einer CT-Aufnahme. Für jede Winkelposi-
tion wird dabei jeweils ein Projektionsbild erzeugt, bis ein
Winkelbereich von 360 Grad abgedeckt ist. Die tomographi-
sche Rekonstruktion erzeugt dann ein räumliches Bild des
untersuchten Probekörperteils. Aus diesen dreidimensionalen
Bildern können nun Bestandteile mit gleichen physikalischen
Eigenschaften herausgefiltert werden.
Verschiedene Komponenten der untersuchten Probe werden
durch unterschiedlichen Absorptionskontrast auf entsprechend Fig. 3. Zweidimensionale Schnitte der 3D-Aufnahmen vor und nach der
verschiedene Grauwerte abgebildet. Segmentierung; Oben: Graustufenbild (links) und segmentiertes Bild (rechts)
eines Stahlfaserbetons (Stahlfaser: l=60 mm, d=1 mm, Kantenlänge des be-
trachteten Bereichs: 68 mm); Unten: Graustufenbild (links) und segmentiertes
Bild (rechts) eines UHPC (Stahlfaser: l=6 mm, d= 0,175 mm, Kantenlänge des
betrachteten Bereichs: 48 mm)
C. Faserorientierungsbeiwert
Der Faserorientierungsbeiwert beschreibt den Einfluss der
Faserorientierung auf die Wirksamkeit der Faser. Bisher wurde
bei der experimentellen Bestimmung des Faserorientierungs-
beiwertes die Orientierung der Faser zum Beispiel an einer
Schnittfläche oder Bruchfläche ermittelt. Ein Überblick über
diese Analysemethoden wird in [1], [4] und [5] gegeben.
Fig. 2. Schematische Darstellung einer 3D-Computer-Tomographie- Im Gegensatz hierzu wird bei der Analyse der dreidimen-
Aufnahme sionalen Bilder der Computer-Tomographie gleich das gesamte
Volumen betrachtet. Dieser Faserorientierungsbeiwert ηφ be-
B. Segmentierung des Fasersystems schreibt das Verhältnis der projizierten Faserlänge Lp,φ zur
tatsächlichen Länge LV innerhalb des betrachteten Volumens
Auf der Basis des segmentierten Fasersystems können V und kann so nach Gleichung (1) berechnet werden. Der
wichtige Kennwerte wie der Faservolumengehalt sowohl der berechnete Faserorientierungsbeiwert liegt zwischen 0“ und
gesamten Probe als auch in Teilvolumina bestimmt werden. ”
1“ (Wert 1“, alle Fasern richten sich in Richtung φ aus; Wert
So kann die Homogenität der Struktur beurteilt werden. ” ”
0“, alle Fasern richten sich orthogonal zur Richtung φ aus).
Die rekonstruierten mikrocomputertomographischen Bilder ”
(µCT) liegen in einem 16-bit Graustufenformat vor, d. h. in Lp,φ
ηφ = (1)
Abstufung von 0 (schwarz) bis 65.536 (weiß). LV · V
Segmentierung bedeutet im vorliegenden Fall, die Fasern Sowohl die Faserlängendichte LV als auch die verallgemei-
von der Betonmatrix und eventuell vorhandenen anderen nerte Projektionslänge Lp,φ lassen sich leicht aus den Dichten
der inneren Volumina ableiten bzw. als Nebenprodukt bei III. A NWENDUNGSM ÖGLICHKEITEN DER
deren Bestimmung anhand digitaler Bilddaten gewinnen. Für C OMPUTER -T OMOGRAPHIE
Details siehe [6]. LV und Lp,φ für 13 Raumrichtungen lassen
A. Analyse der Faserorientierung, -verteilung und -menge
sich mithilfe des Softwaresystems MAVI [7] effizient aus 3D
mithilfe der CT
Bilddaten bestimmen.
Zur Beurteilung der Wiederholbarkeit der Messergebnisse 1) Sonderbauteile: Bei der Entwicklung von Formteilen
wurde ein Probekörper mehrfach tomographiert. Neben der aus mit Fasern hochbewehrten ultrahochfesten Betonen sind
Variation des Startwinkels der CT-Aufnahmen wurde der Pro- Faserorientierung, -verteilung und -menge für die Festbeto-
bekörper auch überkopf aufgenommen. neigenschaften die ausschlaggebenden Faktoren. Fig. 4 zeigt
Die Ergebnisse bestätigen eine hohe Aussagegenauigkeit der einen ausgewählten Bildausschnitt einer 3D-Visualisierung
ermittelten Faserorientierungsbeiwerte. Lediglich bei der Er- eines Druck-Schublagers der Fa. Halfen, dessen Zulassungs-
mittlung des Faservolumens kann durch untereinander abwei- versuche an der TU Kaiserslautern durchgeführt wurden. Die
chende Bildqualitäten“ die Wahl eines geeigneten Schwell- Kenntnis über die Verteilung, Ausrichtung und Menge der
” Fasern gestattet die Qualitätskontrolle der Herstellung und die
wertes erschwert werden, was bei den durchgeführten Versu-
chen zu Abweichungen von max. 1 % führte. Beurteilung des Tragverhaltens.
D. Faserdickenanalyse
Für die quantitative Analyse des Faserauszugsverhaltens ist
u.a. die Faserdicke interessant. Lägen die Fasern einzeln und
sich nicht berührend in der Probe, so könnte jede Faser im
Bild als einzelnes Objekt segmentiert und vermessen werden.
Trotz des im Vergleich z. B. zu faserverstärkten Kunststoffen
geringen Faservolumengehalts, berühren sich viele Fasern. Die
Bildverarbeitung bietet verschiedene Methoden zur Trennung
von Objekten, jedoch ist keine robust auf langgestreckte Ob-
jekte mit großem Berührungsbereich anwendbar.
Eine Alternative bietet der in [8] entwickelte Algorith-
mus für die Bestimmung sogenannter Radienkarten. In je-
dem Pixel des Fasersystems werden die Sehnenlängen in 26 Fig. 4. Ausgewählter Bildausschnitt einer 3D-Visualisierung eines Druck-
Schublagers der Fa. Halfen
Raumrichtungen gemessen und anschließend aus den Seh-
nenlängen Trägheitsachse und -momente berechnet. Die korri-
gierte Trägheitsachse ist gerade die lokale Richtung der Faser. 2) Untersuchung von Stahlfaser-Industriefußböden: Zur
Mit ihrer Hilfe kann dann aus den Sehnenlängen der Radius Qualitätskontrolle der Herstellung und der Verarbeitung von
abgeleitet werden: Stahlfaserbetonen gibt das CT-Analyseverfahren Auskunft
über die Orientierung, die Menge und die Verteilung der
19 eingebauten Fasern.
1 X
r= di sin(6 (νi , ν)) (2) Mit Unterstützung der ortsansässigen Transportbetonfirma
8 i=12 TRAPOBET wird eine Reihenuntersuchung an ausgeführten
Stahlfaserindustriefußböden bzw. -bodenplatten durchgeführt.
wobei di die nach ihrer Größe sortierten Sehnenlängen sind, Aufgrund der immer gleichen Materialstärke bei der Durch-
νi die zugehörigen Richtungen und ν die lokale Richtung der strahlung, stellen zylindrische Probekörper die idealle Pro-
Faser. Die kleinsten und größten Sehnenlängen werden nicht bengeometrie dar. Daher werden für die Versuche Bohrkerne
in die Mittelung einbezogen, um den Schätzer robuster zu entnommen.
machen. Um eine ausreichend genaue Aussage über Fasergehalt und
Die Korrektheit dieses Alogorithmus wurde in [8] anhand Fasermenge treffen zu können, müssen an jeder Messstelle
computergenerierter Strukturen nachgewiesen. Die Ergebnisse mehrere Bohrkerne (n > 3) entnommen werden. Gegenüber
für reale Daten hängen jedoch stark von der Qualität der einer anonymen“ Entnahme von Proben, stehen in dieser
”
Binarisierung (vgl. Abschnitt II-B) ab. Bei weichen Grau- Prüfreihe alle relevanten Parameter wie der Mischungsentwurf,
wertübergängen zwischen Matrix und Fasern kann die Fa- die Art des Beimischens der Stahlfasern sowie das Einbring-
serdicke daher leicht unterschätzt werden. Der Einfluss der und Verdichtungsverfahren zur Bewertung zur Verfügung.
Binarisierung kann jedoch durch direktes Arbeiten auf dem Ziel ist es den Einfluss verschiedener Herstellverfahren auf
Grauwertbild vermieden werden. Statt der Länge von Sehnen die Ausrichtung und Verteilung der Fasern zu untersuchen.
im Vordergrund werden nun die (gerichteten) Abstände zu Der in Fig. 5 dargestellte Probekörper, zeigt einen Mix
einem starken Grauwertabfall bestimmt, siehe [8]. von geraden Fasern mit gekröpften 1i , abgeplatteten 2i
und als Köpfchen 3i ausgebildeten Enden, sowie gewellten
Fasern 4i.
3
2
1
Fig. 6. Lastzelle im Computer-Tomographen
4 stattfindenden Versuchen werden diese und weitere Parameter
aufeinander abgestimmt. So konnte die Aufnahmedauer je
Laststufe auf ca. 20 Minuten reduziert werden.
Fig. 5. Visualisierung eines Bohrkerns, Fasermix, betrachteter Probebereich Entgegen der üblichen Knochen“-Form eines Probekörpers
”
40 × 40 × 150 mm für zentrische Zugversuche, werden zylindrische Probekörper
verwendet. Bei jeder Winkelposition wird die gleiche Mate-
rialstärke durchstrahlt. Diese Probeform reduziert Strahlungs-
B. Untersuchung des Nachbruchverhaltens schatten und verbessert den Grauwertverlauf.
1) Zugversuche im Computer-Tomographen: Zur experi- Die Verwendung von eingeschnürten Zylindern ermöglicht
mentellen Untersuchung der lokalen Faserverbundeigenschaf- die Beobachtung der Mehrfachrissbildung, die typisch für
ten und der Mikrorissbildung von faserverstärkten Hochleis- die angestrebte Duktilität von faserverstärkten ultrahoch-
tungsbetonen unter Last wurde ein Verfahren entwickelt, das es festen Betonen ist. Für gekerbte Probekörper spricht die
ermöglicht, Computer-Tomographie-Aufnahmen während der Möglichkeit, Untersuchungen an einem definierten Einzelriss
Belastung des Probekörpers durchzuführen. durchzuführen. Der vorgegebene Entstehungsort des Risses
Die Aufnahme der CT-Bilder wird bei unterschiedlichen ermöglicht eine nähere Positionierung der Röntgenröhre am
Laststufen durchgeführt, so dass zwischen den dreidimensio- Probekörper, so dass Aufnahmen mit höherer Auflösung (ca.
nalen Bildern der einzelnen Laststufen Differenzbilder erstellt 8 µm/Pixel) erreicht werden können.
werden können. Unter einem Differenzbild versteht man ein Zur Zeit finden Vorversuche statt, um trotz der angespro-
Bild, das genau die Unterschiede zweier Bilder enthält. So chenen Probleme“ wie das Kriechen der Probekörper, CT-
”
kann man in dreidimensionalen Bildern die Veränderung der Aufnahmen mit ausreichender Schärfe und Kontrast für eine
Mikrostruktur sichtbar machen. Analyse zu erhalten. Die dann folgenden experimentellen Un-
Mit dem Versuchsaufbau (vgl. Fig. 6) werden zur Zeit CT- tersuchungen konzentrieren sich sowohl auf die Beobachtung
Aufnahmen mit Pixelgrößen kleiner 15 µm erreicht. Aufgrund und Beschreibung des Faserauszugverhaltens von Einzelfasern
dieser hohen Auflösung darf sich zur verwacklungsfreien“ und Fasergruppen als auch die topographische Beschreibung
” und Vermessung der (Mikro-) Rissbildung.
Aufnahme der aufzunehmende Bereich nicht bewegen. Ge-
rade dies macht die in-situ Beobachtung schwierig, da der 2) Nachrissbiegezugfestigkeit an miniaturisierten Balken:
Probekörper beim Halten einer konstanten Spannung kriecht. In Anlehnung an die Nachrissbiegezugprüfung nach Vorgabe
Daher muss das Aufnahmeverfahren dem Kriechverhalten des des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1182 Nachhaltiges
”
Baustoffes angepasst werden. Dies lässt sich nur über eine Bauen mit ultra-hochfestem Beton“ werden zurzeit verfor-
Verkürzung der Aufnahmedauer erreichen. mungsgesteuerte Biegezugprüfungen an miniaturisierten Bal-
Um trotz einer verkürzten Aufnahmezeit Bilder mit ken (Prismen) durchgeführt.
möglichst hoher Auflösung und gutem Kontrast zu erhal- Fig. 7 zeigt beispielhaft die Auswertung der Nachrissbiege-
ten, können bei der Tomographie verschiedene Einstellungen zugprüfung zweier Prismen der gleichen Herstellungscharge.
verändert werden. Beispielsweise können die Winkelpositio- Die Grafik zeigt in der Last-Verformungs-Kurve bei Probe
nen und die zu mittelnden Bilder (je Winkelposition werden UHPC 1“ ein etwas duktileres Entfestigungsverhalten als bei
”
mehrere Bilder aufgenommen und gemittelt) reduziert werden, Probe UHPC 2“. Dies lässt sich durch die unterschiedliche
”
was bei einer zu starken Reduzierung zum Rauschen des Bil- Orientierung und Verteilung der Fasern im Probekörper be-
des und einem schlechteren Kontrast führt. Eine Verkürzung gründen.
der Belichtungszeit pro Bild führt zu dunkleren Bildern, da Aufgrund der Probekörperabmessungen kann der gesamte
weniger Energie am Detektor ankommt. Bei den momentan Probekörper nach der Ermittlung der Nachrissbiegezugfes-
10 TABLE I
9 UHPC 1
AUSWERTUNG , NACHRISSBIEGEZUGFESTIGKEIT VON S TAHLFASERBETON
8
UHPC 2
7
[kN]
6 Fasermenge Faserorientierungsbeiwert
5 [kg/m³] x y z [N/mm²] [N/mm²]
Last
4 Probe 1 21,4 0,57 0,31 0,60 2,20 0,84
3
Probe 2 18,1 0,71 0,29 0,45 3,41 2,13
2
1
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
Verformung (Durchbiegung) [mm] der Fasern im Probequerschnitt beruhen, wodurch sich eine
unterschiedliche Anzahl von Fasern im Betonquerschnitt des
Fig. 7. Last-Verformungs-Kurve, Einfluss der Faserorientierung, -verteilung
und -menge gerissenen Bereichs befinden. Jedoch ist nicht nur die Anzahl
der Fasern im enstehenden Rissbereich ausschlaggebend für
das Nachrissverhalten, sondern auch die Orientierung und
tigkeit tomographiert werden. So ist es möglich, nicht nur Verteilung der Fasern im Querschnitt.
einen einzelnen Rissbereich zu untersuchten, sondern es wird Um die Einflüsse der Orientierung und der Menge der
die Möglichkeit geboten bei einer Mehrfachrissbildung die Fasern im Bereich des Risses auf die beschriebene Streu-
gesamte Zugzone bezüglich Faserorientierung, Faserverteilung ung der Nachrissbiegezugfestigkeiten innerhalb einer Serie zu
und Rissausbildung zu analysieren und zu bewerten. untersuchen, wurden Vorversuche an 6 Stahlfaserbetonbalken
Das für die Analyse zur Verfügung stehende Programm mit einem Fasergehalt von 20 kg/m3 durchgeführt. Diese
betrachtet für die Bestimmung der Faserorientierung und der Vorversuche unterstützen zudem die Entwicklungsarbeit des
Fasermenge die Fasergesamtheit. Schon rein visuell kann hier neuen Analysetools.
die Verteilung der Fasern in rekonstruierten 3D-Modellen Nach der Ermittlung der Nachrissbiegezugfestigkeit wurden
betrachtet und bewertet werden. die Rissbereiche (ca. 100 × 150 × 150 mm) herausgesägt
Mit einem in der Entwicklung befindlichen Analysetool und tomographiert. Dabei ergibt sich eine zu durchstrahlende
können zukünftig Fasern einzeln betrachtet werden (vgl. Ab- Diagonale von mindestens 180 mm. Daher wurden die Pro-
schnitt II-D). So wird es unter anderem möglich sein, die ge- bekörper nochmals mittig geteilt, um optimale CT-Aufnahmen
nauen Winkel zu ermitteln, unter denen eine Faser die Rissufer zu garantieren.
schneidet. Entstehende Faserauszugskanäle und Verformungen Tab. I zeigt anhand des Beispiels der beiden am stärksten
von Fasern können ebenfalls analysiert werden. von einander abweichenden Einzelprüfergebnisse einer Serie
Gegenüber anderen Methoden, wie z. B. dem Aufbrechen die Abhängigkeit des Nachrissverhaltens von der Faserorien-
des Risses, bleibt der zu untersuchende Bereich unbeschädigt, tierung. Trotz höherer Fasermenge in Probe 1 (Fig. 8) werden
so dass auch eventuell gerissene Fasern detektiert werden wesentlich geringere Nachrissbiegezugfestigkeiten gegenüber
können. Probe 2 (Fig. 9) gemessen. Es zeigt sich, dass durch die
3) Nachrissbiegezugfestigkeit von Stahlfaserbeton: Zur stärkere Ausrichtung der Fasern in Zugkraftrichtung (ϕ = x)
Klassifizierung von Stahlfaserbetonen werden nach der Richt- bei Probe 2 höhere Nachrisszugfestigkeiten erreicht werden
linie Stahlfaserbeton“ des DAfStb [9] diese über die Nachriss- können.
” Neben der automatischen Analyse der Faserorientierung und
zugfestigkeit, also die Leistungsfähigkeit im Nachrissbereich,
in Leistungsklassen eingestuft. der Fasermenge, besteht die Möglichkeit aus den visualisierten
Die Nachrisszugfestigkeit lässt sich unter zu Hilfenahme Daten Parameter wie die Anzahl der gerissenen Fasern, der
von Umrechnungsfaktoren aus der Nachrissbiegezugfestigkeit Einbindelänge der Fasern und der Verformung der Fasern zu
bestimmen. Diese Nachrissbiegezugfestigkeit wird in einem bestimmen.
verformungsgesteuerten 4-Punkt-Biegeversuch an einer Serie Für eine genauere Bewertung können die zuvor genannten
aus mindestens 6 Balken der Abmessung 150 × 150 × 700 mm Parameter mit einbezogen werden. So sind in Fig. 8 (Probe
ermittelt. Die Eingangswerte für die Berechnung der Nachriss- 1) Faseransammlungen und stehende“ Fasern zu erkennen,
”
biegezugfestigkeit bilden die zu den Durchbiegungen 0,5 mm die eine optimale Kraftübertragung über den Riss hinweg
und 3,5 mm zugehörigen Lasten. Bei der Bestimmung der behindern.
Nachrissbiegezugfestigkeit werden in der Praxis starke Streu- Weitere Arbeiten beschäftigen sich mit der Entwicklung
ungen innerhalb von Prüfserien mit Variationskoeffizienten von Methoden für die genaue Darstellung der Topographie
von über 25 % beobachtet. von Rissen und deren Vermessung. Diese sollen dann im
In [10] wird die große Streuung zwischen den Messkurven Bereich der stahlfaserverstärkten Ultahochfesten Betone zur
der gleichen Betonzusammensetzung auf den großen Einfluss Untersuchung der Mikrorissbildung eingesetzt werden.
einzelner Fasern auf das Tragverhalten bei den vorliegenden
IV. FAZIT
kleinen Querschnittsabmessungen der Balken (150 × 150 mm)
zurückgeführt. Auch in [11] wird darauf hingewiesen, dass Gerade bei steigender Druckfestigkeit der Betone ist das
die großen Abweichungen auf eine inhomogene Verteilung Nachbruchverhalten, sprich die Duktilität des Baustoffes nicht
um bestehende Bemessungsmodelle für aus diesen Betonen
hergestellte Bauteile anzupassen bzw. erweitern zu können.
V. DANKSAGUNG
Die Autoren danken der Forschungsinitiative Center for
”
Mathematical and Computational Modelling“ CM2 für die
Förderung des Forschungsschwerpunktes Bildverarbeitung im
”
Bauwesen“ (BiBau) und dem Deutschen Beton- und Bau-
technik Verein DBV für die finanzielle Unterstützung der
Machbarkeitsstudie (vgl. [1] ).
R EFERENCES
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Hilfe der Computer-Tomographie. Fraunhofer IRB Verlag, 2009.
[2] J. Schnell, K. Schladitz, and F. Schuler, Richtungsanalyse von Fasern in
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1993.
[4] Y.-Z. Lin, Tragverhalten von Stahlfaserbeton, ser. Deutscher Ausschuss
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70 mm [5] N. V. Tue, S. Henze, M. Küchler, G. Schenk, and K. Wille, Ein
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[8] H. Altendorf and D. Jeulin, 3d Directional Mathematical Morphology
for Analysis of Fiber Orientations, 2009, vol. 28, no. 3.
[9] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton-DAfStb, Stahlfaserbeton,
Ergänzungen und Änderungen zu DIN 1045, Teile 1 bis 3 und
DIN EN 206-1. Berlin: Beuth, März 2010.
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Stahlfaserbeton unter Biegebeanspruchung: Univ., Diss.–Bochum, 2007.,
ser. Schriftenreihe des Instituts für Konstruktiven Ingenieurbau, Ruhr-
Universität Bochum. Aachen: Shaker, 2007, vol. 2007,5.
[11] M. Teutsch, U. Wiens, and C. Alfes, Stahlfaserbeton nach DAfStb-
Richtlinie ”Stahlfaserbeton”, 2010, vol. 105, no. 8.
Fig. 9. Probe 2, gekröpfte Fasern, betrachteter Probebereich: 30 × 70 ×
70 mm
zufriedenstellend. Um diese geforderte Duktiliät bei ultrahoch-
festen Betonen (UHPC) zu erreichen, werden diesen Betonen
zumeist Stahlfasern beigemischt.
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 Para-
meter, wie die Verbundeigenschaften der Fasern mit der Matrix
genauer bestimmen zu können, wurde ein Versuchsaufbau
entwickelt, der die in-situ Beobachtung der Betonmikrostruk-
tur und des Faserverhaltens bei Zugbeanspruchung des Pro-
bekörpers mithilfe der Computer-Tomographie ermöglicht. Die
Ergebnisse dieser Versuche sollen neue Erkenntnisse über das
Faserverbundverhalten und die (Mikro-) Rissbildung liefern,