Piezofaser Beton (Entwicklung, Bau und Erprobung eines zerstörungsfrei arbeitenden Wandlers für die Erfassung einer zur Festigkeitsentwicklung korrelierenden messbaren Größe im Frischbetongemenge)
Projektleiter: Marcel Ehrhardt
Projektnummer: BMWK / ZIM, ZF4068925WM9
Laufzeit: 01.08.2019 – 31.03.2022
Aufgabenstellung
Das Ziel bestand in der Entwicklung eines Messverfahrens zur quantitativen Bestimmung der zeitabhängigen Frühfestigkeitsentwicklung von Frischbeton in der formgebenden Schalung. Das Messverfahren sollte sowohl fertigungsintegrierbar als auch als baustellentaugliches autarkes Gerät anwendbar sein und dabei zerstörungsfrei arbeiten. Die Lösungsidee bestand in der Bestimmung einer messbaren und über den interessierenden Zeitbereich der Aushärtung veränderlichen Betongemengeeigenschaft. Diese Eigenschaft musste eine hinreichend genaue Korrelation zu den Festigkeitseigenschaften des Betons aufweisen. Die dafür erforderliche verlorene Sensoreinheit sollte kostengünstig herstellbar sein und die benötigten Messwerte an eine Empfangseinheit übertragen.
Ergebnisse
Der Messaufbau bestand aus einer Sensor-Aktuator-Kombination, welche einen piezoelektrischen Fasersensor und einen steuerbaren piezoelektrischen Signalgeber beinhaltete. Die beiden Komponenten waren über eine additiv gefertigte Halterung formschlüssig miteinander verbunden. Die Ansteuerung wurde über ein eigens dafür entwickeltes Messsystem realisiert, welches zum einen den Aktuator über eine beliebige Bandbreite hörbarer Frequenzen und im Ultraschallbereich (bis 20 kHz) zum Schwingen anregt und zum anderen die dadurch im piezoelektrischen Sensor generierten Ladungen detektiert und eine FFT zur Visualisierung durchführt. Die Festigkeitsentwicklung des Frischbetons konnte über die Signaldämpfung und die zeitabhängige Änderung resonanter und antiresonanter Schwingungen quantitativ beurteilt werden. Mit der zunehmenden Festigkeit des Betons bis hin zur Entschalbarkeit zeigte sich ein asymptotischer Verlauf der genannten Änderungen.
Anwendung
Die Festigkeitsentwicklung eines Frischbetongemenges ist ein komplexer Prozess und abhängig von vielen Einflussfaktoren. Die Kenntnis zur Frühfestigkeit des Frischbetons ist wichtig für die Festlegung des Entschalzeitpunktes sowie für den Beginn nachfolgender Teilprozesse, z.B. für die Oberflächenbearbeitung. Da nach aktuellem Stand der Technik die Prüfmethoden zur Festigkeitsentwicklung äußerst ungenau und subjektiv (z.B. Kentbeutelverfahren), teuer (z.B. Temperaturmessung) oder mittels Beschädigung bzw. Zerstörung (z.B. Ultraschallmessung) durchgeführt werden, soll diese rein analytische Messung an Bedeutung gewinnen. Interessant ist das bezüglich der Reduzierung der Anzahl von Betonformen, der besseren Auslastung vorhandener Formen, der Reduzierung von Prozesszeiten (z.B. Oberflächenveredelung), Energieeinsparung durch die Verkürzung von Lagerzeiten und einen geringeren Ausschuss durch verfrühtes Entschalen.
