Entwicklung eines scannenden Prüfgeräts zur Detektion von Delaminationen in Betonfahrbahndecken

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Ein bedeutender Teil (ca. 30 %) der Bundesautobahnen ist in Betonbauweise hergestellt. An solchen Fahrbahnen können spezielle Schadensbilder auftreten, die in Zusammenhang mit chemischen Reaktionen (insbesondere Schädigung aufgrund Alkali-Kieselsäure-Reaktion) oder mechanischer und thermischer Beanspruchung stehen (z. B. Hitzeschäden). Zur zerstörungsfreien Zustandserfassung im Hinblick auf substanzielle Schäden von Fahrbahndecken aus Beton steht derzeit noch kein wirtschaftlich sinnvoll einsetzbares Prüfsystem zur Verfügung, das als Entscheidungsgrundlage für Instandsetzungsmaßnahmen dienen könnte. Zwar gibt es Systeme mit denen z. B. die Tragfähigkeit oder der komplette Straßenaufbau (Georadar) repräsentativ und auch mit hohen Scangeschwindigkeiten abgebildet werden kann. Jedoch ist die Abbildung von auf der Oberfläche nicht sichtbaren horizontalen Rissen und Delaminationen im Inneren der Betondecke nur mit großem Aufwand messtechnisch durchführbar. Deshalb wurde im Rahmen des hier beschriebenen Forschungsvorhabens ein scannendes Messverfahren entwickelt und in einem Prototypensystem implementiert. Das System erlaubt die Durchführung von Messungen auf Basis von elastischen Wellen- und Schwingungsphänomenen, die direkt mit strukturellen Eigenschaften wie z. B. dem Vorhandensein von Rissen korrelierbar sind. Das entwickelte Messsystem nutzt als Grundlage das sog. Impakt-Echo-Verfahren, bei dem durch einen mechanischen Impakt elastische Wellen im Betonkörper ausgelöst, mit geeigneter Sensorik empfangen und mit Methoden der Datenverarbeitung im Hinblick auf Informationen bezüglich Materialkennwerten und Schäden analysiert werden. Im Laufe der Entwicklungsarbeiten wurden messtechnische Komponenten wie Sensorik, Signalquellen und Messelektronik für die speziellen Erfordernisse scannender Messungen an Betonfahrbahndecken im Bestand konzeptioniert, hergestellt und optimiert. Insbesondere wurde zur Realisierung der scannenden Funktionsweise eine luftschallbasierte Signalaufzeichnung implementiert. Darüber hinaus wurden auf Basis numerischer Simulationen und Realmessungen Methoden zur Datenverarbeitung und korrekten Interpretation der Messdaten erarbeitet. Testmessungen wurden sowohl an ausgebauten Fahrbahnplatten als auch an ausgewählten Fahrbahnen im Bestand durchgeführt. Mit dem System konnten an Fahrbahnen unterschiedlicher Bauart Messergebnisse erzielt werden, die Rückschlüsse auf das Vorhandensein horizontaler Risse ermöglichen. Bei Vorliegen mehrerer Rissebenen ergibt sich durch das Messprinzip die Einschränkung, dass nur die oberste Rissebene detektierbar ist. Die Messergebnisse konnten an ausgewählten Stellen durch Kernbohrungen verifiziert werden. Wo keine direkte Verifikation möglich war, ergab sich eine gute Übereinstimmung mit alternativen Messverfahren (Ultraschall) oder eine plausible Übereinstimmung mit dem allgemeinen Fahrbahnzustand, der z. B. durch Ausbesserungsstellen im umgebenden Bereich der Messlokationen ersichtlich war. Das Prototypensystem erlaubt erstmals eine scannende Erfassung struktureller Schädigung durch horizontale Risse und Delaminationen in Betonfahrbahndecken von einer beweglichen Plattform aus. Obwohl noch Optimierungsmöglichkeiten v. a. hinsichtlich der Scangeschwindigkeit bestehen, ergab sich durch die Bearbeitung des Forschungsvorhabens eine wesentliche Verbesserung bestehender Prüftechnik zur Abbildung kleinskaliger Schäden in Fahrbahndecken aus Beton.

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