Der Blick unter die Oberfläche

– ein Leistungsvergleich von zerstörungsfreien Technologien für die Betonprüfung

Whitepaper von:
Sanat Wagle, PhD, Elop AS
Kamal Raj Chapagain, PhD, Elop AS
Dezember 2020

Einführung

Brücken, Tunnel, Gebäude – Betonkonstruktionen finden sich überall um uns herum und müssen genau überwachet werden, um ihre strukturelle Integrität zu gewährleisten. Kritische Infrastrukturen aus Stahlbeton müssen regelmäßig inspiziert werden, um festzustellen, wie sie gewartet werden müssen, um ihre Sicherheit zu gewährleisten, ihre Lebensdauer zu verlängern, die Kosten zu senken und – nicht zuletzt – um ihren ökologischen Fußabdruck zu minimieren. Mit den heute verfügbaren Inspektionstechniken ist die Wartung und Inspektion solcher Bauwerke sehr zeitaufwendig. Daher benötigen die Betreiber eine schnelle, präzise und einfache ZfP-Technik für eine sichere und reibungslose Abwicklung dieser Vorgänge.

Um diesen Bedarf zu decken, hat Elop ein neues und bahnbrechendes Ultraschallmessgerät entwickelt, den Elop Insight Scanner. Im Vergleich zu herkömmlichen Inspektionstechnologien für den Untergrund kann der Elop Insight Scanner genauer unter die Oberfläche von Betonstrukturen blicken und erhöht die Präzision beim Auffinden von Lufteinschlüssen, Rissen, Bewehrungsstäben und Delaminationen. Darüber hinaus ist Elop Insight bis zu 10 Mal schneller als herkömmliche Scanverfahren.

Wenn der Bediener den Scanner über die Betonoberfläche rollt, erfasst er Daten, die in Echtzeit zu 3D-Bildern zusammengefügt werden und eine zusammenhängende Visualisierung der darunter liegenden Struktur liefern. Dies ermöglicht eine sofortige Interpretation und Identifizierung. Darüber hinaus werden die vom Elop Insight Scanner erzeugten Daten – Bilder, 3D-Videos und Dokumentationen – im System gespeichert und den Beteiligten über eine Cloud-Interface-Plattform zur Verfügung gestellt.

Dieses Whitepaper befasst sich jedoch nicht mit Geschwindigkeit, 3D-Bildern oder Cloud-Schnittstellen. Es bietet einen Einblick in die grundlegenden Fähigkeiten von Elop Insight, seine Leistung, Genauigkeit und
nicht zuletzt die Wiederholbarkeit der von ihm durchgeführten Messungen.

test setup with 10 different concrete specimens

Testaufbau

Auf den folgenden Seiten sind die Ergebnisse einer Reihe von Tests und Vergleichen zusammengefasst, die in der Forschungs- und Entwicklungseinrichtung von Elop in Hamar, Norwegen, durchgeführt wurden. Um die Leistung verschiedener zerstörungsfreier Inspektionstechniken zu vergleichen, haben wir 10 Betonproben mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet, z. B. Betonmischungsverhältnis, Dichte und Dicke von Bewehrungsstäben, Rissen, Lufteinschlüssen, Delaminationen, Bohrlöchern, Spanngliedern usw. Die Messungen wurden mit vier verschiedenen Geräten durchgeführt: Impact Echo, UPV, Ultraschalltomographie und Elop Insight Scanner, um die Fähigkeiten des Elop Insight Scanners mit diesen Technologien zu vergleichen. Der Test misst auch die Wiederholbarkeit des Elop Insight Scanners unter den gleichen Messbedingungen.

Testergebnisse

Geschwindigkeitsmessung von Beton mit Ultraschall

Die Ultraschallgeschwindigkeit des Betons ist ein indirektes Maß für die Festigkeit des Betons. Für eine gute Betonqualität sollte die Druckwellengeschwindigkeit im Bereich von 3500 – 4500 m/s liegen. Die Ultraschallgeschwindigkeit von Beton hängt jedoch von der Größe der Aggregate, der Anzahl der Bewehrungsstäbe und dem Mischungsverhältnis des Betons (Zement, Wasser, Luft, Zuschlagstoffe) ab. Die zehn verschiedenen Betonproben auf dem Betriebsgelände von Elop wurden zur Geschwindigkeitsmessung mit vier verschiedenen Instrumenten
(Impact-Echo, UPV, Ultraschall- Tomographie und Elop Insight). Die gemessenen Druckwellengeschwindigkeiten für verschiedene Proben sind in Abbildung 2 dargestellt.

Pressure wave velocity calculated from different instruments for different concrete specimen

Abbildung 2:
Mit verschiedenen Instrumenten berechnete Druckwellengeschwindigkeit für verschiedene Betonproben mit den Bezeichnungen S-61, S-18-1-2, S-18-1-4, S-19-1-4, S-19-2-1, S-19-2-2, S-19-2-3, S-19-2-4, S-20-1-1 und S-20-1-2

Wie aus der Abbildung hervorgeht, liegen die mit verschiedenen Techniken gemessenen Druckwellengeschwindigkeiten sehr nahe beieinander (innerhalb von 5-10 %). Die mit UPV erzielten Ergebnisse sind im Allgemeinen etwas höher als die mit anderen Geräten erzielten (10-15 %). Der Impact Echo lieferte keine korrekten Werte, wenn er auf der Oberfläche über den Bewehrungsstäben gemessen wurde. Die von Elop Insight ermittelten Geschwindigkeiten wurden auch durch die Position der Rückwand in den von Elop Insight erstellten 3D-Bildern verifiziert.

Vergleich von Elop Insight Scan-Bildern mit Ultraschalltomographie

Die verschiedenen Betonproben wurden auch für Ultraschallmessungen mit Elop Insight und einem Ultraschalltomographen verwendet, um die verschiedenen Merkmale wie Bewehrungsstäbe, Luftrohre, Spannglieder und Bohrlöcher im Inneren der Probe zu untersuchen. Der Elop Insight Scanner wurde mit einem Abstand von 0,1 cm um 60 cm gerollt. Die verwendete Betriebsfrequenz betrug 100 kHz. Auch der Ultraschalltomograph wurde ungefähr an der gleichen Stelle eingesetzt, um B-Scan-Bilder zum Vergleich zu erhalten. Die Bilder der einzelnen Proben werden verglichen und einige der repräsentativen Ergebnisse werden im folgenden Abschnitt erläutert.

Abbildung 3:
Der Betonprobekörper S-18-1-4 weist eine Delamination von 20 cm x 60 cm auf, die 15 cm von der Oberseite entfernt ist. Der Abstand zwischen den beiden Betonblöcken liegt im mm-Bereich. Die linke Abbildung zeigt D-Scan-Bilder des Betonprobekörpers für die zentrale Scheibe, die mit Elop Insight gewonnen wurden. Die Abbildung rechts zeigt die mit der Ultraschalltomographie gewonnene Schicht für dieselbe Probe an derselben Stelle. Die Reflexion der Delamination bei 15 cm ist in beiden Bildern deutlich sichtbar, ebenso wie das Rückwandecho bei 20 cm.

Abbildung 4:
Der Betonprobekörper S-19-1-4 hat vier Bewehrungsstäbe mit Durchmessern von 16 mm, 25 mm und 32 mm an verschiedenen Stellen. Die linke Abbildung zeigt D-Scan-Bilder des Betonprobekörpers für die zentrale Scheibe, die mit Elop Insight gewonnen wurden. Wir sehen klare Reflexionen für alle Bewehrungsstäbe und die Rückwand. Die Abbildung rechts zeigt die mit der Ultraschalltomographie für dieselbe Probe an derselben Stelle gewonnene Schicht, die ebenfalls das Vorhandensein aller vier Bewehrungsstäbe zeigt.

Vergleich von Elop Insight Scan-Bildern mit GPR

Die verschiedenen Betonproben wurden auch für Ultraschallmessungen mit Elop Insight und einem Ultraschalltomographen verwendet, um die verschiedenen Merkmale wie Bewehrungsstäbe, Luftrohre, Spannglieder und Bohrlöcher im Inneren der Probe zu untersuchen. Der Elop Insight Scanner wurde mit einem Abstand von 0,1 cm um 60 cm gerollt. Die verwendete Betriebsfrequenz betrug 100 kHz. Auch der Ultraschalltomograph wurde ungefähr an der gleichen Stelle eingesetzt, um B-Scan-Bilder zum Vergleich zu erhalten. Die Bilder der einzelnen Proben werden verglichen und einige der repräsentativen Ergebnisse werden im folgenden Abschnitt erläutert.

Abbildung 5:
Rechts ist die Betonprobe zu sehen. Das 3D-Volumen für den Elop Insight Scanner mit 3 Scanlinien ist in der mittleren Abbildung dargestellt, während das 3D-Volumen, das für GPR mit 14 Scanlinien erzeugt wurde, in der Abbildung rechts zu sehen ist. Der Delaminierungsspalt zwischen zwei Betonplatten beträgt weniger als 5 mm. Die Delamination um 15 cm ist deutlich sichtbar, zusammen mit dem Rückwandecho bei 20 cm in Elop Insight. Beim GPR war die Delamination jedoch nicht deutlich sichtbar.
Abbildung 6:
Rechts ist die Betonprobe zu sehen. Das 3D-Volumen für den Elop Insight Scanner mit 3 Scanlinien ist in der mittleren Abbildung dargestellt, während das 3D-Volumen, das für GPR mit 14 Scanlinien erzeugt wurde, in der Abbildung rechts zu sehen ist. Die Reflexion des Sehnenkanals bei 8 cm ist zusammen mit dem Rückwandecho bei 22 cm in beiden Bildern deutlich sichtbar. In der Praxis ist es jedoch wichtig, die Hohlräume im Sehnenkanal zu erkennen, wo der Ultraschallscanner wesentlich besser abschneidet als das GPR-Pendant.

Wiederholbarkeit von Elop Insight

Um die Wiederholbarkeit von Elop Insight zu testen, wurden die Betonproben zehnmal entlang derselben Scanlinie gescannt. Die Einstellungen für Sendeimpuls/Spannung, analoge Verstärkung des Empfängers und angewandter Druck wurden für alle Messungen gleich gehalten. Auch der Scanner wurde mit konstanter Geschwindigkeit gerollt. Bei der Analyse des Bildes wurde der Schwellenwert für das 2D/3D-Bild ebenfalls beibehalten und für alle zehn Messungen wurden D-Scan-Schichten in der Mittelebene zum Vergleich ausgewählt. Einige der repräsentativen Bilder für eine Betonprobe sind in den folgenden Abbildungen dargestellt.

Abbildung 7:
Der Betonprobekörper S-18-1-2 hat einen Bewehrungsstab von 20 mm Durchmesser in 14 cm Abstand von der Oberseite und ein Bohrloch von 12 mm Durchmesser in 13 cm Abstand von der Oberseite. Das Bohrloch hat eine Länge von 40 cm. Sowohl das Bohrloch als auch der Bewehrungsstab sind zusammen mit dem Rückwandecho in allen D-Scan-Bildern deutlich sichtbar. Die Ergebnisse sind wiederholbar, mit geringfügigen Abweichungen in Bezug auf Rauschen und Artefakte.

Aus allen Messungen an den einzelnen Betonproben wird die Position des Merkmals/Reflektors berechnet. Für jeden Betonprobekörper wird auch die Positionsabweichung vom Mittelwert berechnet, was zeigt, dass die Positionsabweichung vom Mittelwert bei allen Betonprobekörpern innerhalb von ± 5 mm liegt. Anhand dieser Werte wurde die Standardabweichung für die Position der Merkmale in allen Betonproben berechnet. Dieser Wert liegt für alle Merkmale und Betonproben innerhalb von 2,5 mm.

Abbildung 8:
3D Standardabweichung (mm) der Position für verschiedene Merkmale/Reflektoren in der Betonprobe.

Zusammenfassung

Die von Elop Insight gemessenen Druckwellengeschwindigkeiten liegen innerhalb einer Spanne von 5-10 % zu denen anderer Geräte/Techniken. Elop Insight war in der Lage, die Merkmale und Defekte (z. B. Luftschläuche, Delaminationen, Hohlräume in Spanngliedern und Bewehrungsstäben) innerhalb der Betonstruktur zu erkennen und zu lokalisieren. Die mit Elop Insight gewonnenen Bilder sind denen der Ultraschalltomographie ähnlich. Da es sich bei Elop Insight jedoch um ein rollendes Gerät handelt, ist es beim Scannen eines großen Bereichs wesentlich effizienter. Außerdem kann Elop Insight 3D-Bilder in Echtzeit erzeugen, während bei der Ultraschalltomographie die Daten im PC nachbearbeitet werden müssen, um die 3D-Bilder zu erzeugen.

Elop Insight war bei der Erkennung von Luft/Delamination beser als GPR. Der GPR-Scanner war bei der Erkennung von Bewehrungsstäben Elop Insight überlegen. Der GPR war auch in der Lage, große Luftschläuche und Delaminationen zu erkennen, die einige Zentimeter dick waren, aber er war nicht in der Lage, Delaminationen von weniger als einem Zentimeter zu erkennen.

Die Messungen von Elop Insight waren wiederholbar, mit geringen Abweichungen in der Position der Merkmale/Reflektoren im Betonprobekörper. Die Gesamtauswertung der B-, C- und D-Scans sowie der 3D-Bilder ergab, dass die Merkmale/Reflektoren bei allen Messungen deutlich sichtbar waren, abgesehen von einigen Abweichungen beim Streurauschen und bei den Artefakten.

Der Elop Scanner in der richtigen Perspektive

Wie dieses Whitepaper beweist, liefert der patentierte Elop Insight Ultraschallscanner einzigartige Bilder des Untergrunds von Betonstrukturen. Wir haben diese Fähigkeiten jedoch mit anderen Funktionen kombiniert, die in ihrer Gesamtheit das Potenzial haben, die Inspektion kritischer Infrastrukturen zu revolutionieren.

Zum einen erzeugt das Gerät 3D-Bilder und liefert damit ein zusammenhängendes Bild der zu untersuchenden Betonstruktur. Der Scanner bietet eine Echtzeit-3D-Ansicht des Untergrunds und die Bilder sind leicht zu lesen und sofort umsetzbar.

Die Scangeschwindigkeit ist ein weiteres wichtiges Merkmal von Elop. Mit einer Geschwindigkeit von bis zu 50 cm pro Sekunde ist der Elop Scanner mehr als 10 Mal schneller als herkömmliche Scanverfahren. Dies bedeutet, dass er das Potenzial hat, die Betoninspektion von seinem derzeitigen, hauptsächlich reaktiven Zustand zu einem proaktiven Ansatz zu machen. Da die Inspektion schneller und einfacher wird, können Betonstrukturen häufiger inspiziert werden, was dazu führt, dass Mängel und Schwachstellen früher erkannt werden und die Instandhaltung letztlich effizienter und kostengünstiger wird.

Damit Scannerdaten jedoch wirklich wertvoll werden, müssen sie für verschiedene Interessengruppen auf kohärente Art und Weise leicht zugänglich sein. Das Elop Ökosystem sammelt und speichert 3D-Inspektionsdaten, die vor Ort erzeugt werden, und präsentiert sie über eine Cloud-Plattform. Jetzt können die verschiedenen Akteure des Asset Managements mit den Daten auf standardisierte Weise arbeiten, was die Zusammenarbeit zwischen den Inspektoren, die den Scanner bedienen, und den Experten, die die 3D-Bilder auf ihrem Desktop aus der Ferne auswerten, erheblich erleichtert und den Anlagenverwaltern ein wichtiges Instrument für die Wartungsplanung an die Hand gibt. Außerdem ermöglicht die Elop-Cloud-Plattform den Eigentümern von Anlagen, Daten auszutauschen und einfacher als bisher mit Inspektionsunternehmen, Auftragnehmern, Beratungsfirmen und Zertifizierungsstellen zusammenzuarbeiten.

Darüber hinaus entwickelt Elop ein System zur Überwachung des Gesundheitszustands von Bauwerken, das eine Reihe von Datenquellen für die Verschlechterung von Betonstrukturen im Laufe der Zeit integriert, z. B. Wetterdaten, Verkehrsdaten usw.

Wenn man Elop unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit betrachtet, ist die Entwicklung von Technologien zur optimalen Pflege von Betonstrukturen absolut sinnvoll. Beton ist das weltweit am häufigsten verwendete Baumaterial und der Prozess der Betonherstellung ist für 8 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Alternde Strukturen in Verbindung mit jahrelanger Vernachlässigung und einem Mangel an genauen Einblicken in den Zustand der Anlagen führen nicht nur zu ernsthaften Sicherheits- und finanziellen Risiken. Auch die Umwelt würde von einer Verlängerung der Lebensdauer von Betonstrukturen profitieren. Bitte bedenken Sie Folgendes: Allein in Indien bestehen 25.000 Brücken aus Beton.

Demo anfordern