Ein praxisgerechtes Messverfahren zur Bestimmung der Fasermenge und -orientierung im Stahlfaserbeton

822 © Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12

Hans-Joachim Wichmann, Alexander Holst, Harald Budelmann

DOI: 10.1002/best.201300060

FACHTHEMA

Ein praxisgerechtes Messverfahren zur Bestimmung der Fasermenge und -orientierung im StahlfaserbetonEinsatz des Stahlfasermessgerätes „BSM100“ für Frisch- und Festbetonuntersuchungen

1 Einleitung

Zur Erhöhung der geringen Zugfestigkeit und zur Vermei-dung des spröden Verhaltens werden dem Beton, Mörtelund Einpressmörtel Fasern beigemischt. Als Fasermate -rial wird bei zementgebundenen Baustoffen neben alkali-resistentem Glas, Kunststoffen und Kohlenstoff primärStahl verwendet. Auch eine Kombination unterschied -licher Fasern („Fasercocktail“) ist möglich [1]. Die Vortei-le des Faserbetons können insbesondere bei riss-, stoß-bzw. schlagbeanspruchten Bauteilen genutzt werden. DieZugabe von Stahlfasern führt bei Beton zu folgenden ver-besserten Materialeigenschaften:

– erhöhte Verformungsfähigkeit und Duktilität– Verbesserung der Grünstandsfestigkeit– Verringerung des Einflusses von Schwinden und Krie-

chen (bei hohen Fasergehalten)– Verbesserung der Biegezug-, Spaltzug- und zentrischen

Zugfestigkeit– Verbesserung der Stoß- und Schlagfestigkeit und Ener-

gieabsorption

– Verbesserung des Verschleißwiderstands, der Abrieb-und Ermüdungsfestigkeit

– Verbesserung der Dichtigkeit (WU) und Dauerhaftigkeit– duktiles Riss- und Nachbruchverhalten (Rissverteilung

und -vernadelung).

Faserbeton und insbesondere stahlfaserverstärkter Betonverzeichnen weltweit seit ca. 1980 eine zunehmende An-wendung mit kontinuierlichem Wachstum [1, 2]. DieTab. 1 gibt hierzu einen Überblick über die wichtigstenEinsatzbereiche von Stahlfaser beton im Bauwesen. Diehäufigsten Anwen dungen sind Industriefußböden (ca.70 % in der BRD, 60 % weltweit), Wohnungsbau (ca. 25 %in der BRD, 5 % weltweit) sowie Fertigteile und Tunnel-bau (ca. 5 % in der BRD, 35 % weltweit) [2]. Durch denkombinierten Einsatz von Stahlfasern mit Stahl- bzw.Spannbeton sowie Hoch leistungsbeto nen, z. B. bei„Grouted Joints“ von Offshore-Bau werken, können wei-tere Anwendungsbereiche erschlossen werden [2, 3].

Es existiert derzeit auf dem Markt eine Vielzahl von un-terschiedlichen Stahlfasertypen, die sich im Material (Le-

Stahlfaserbeton (SFB) findet im Bauwesen, u. a. bei Industrie-fußböden und im Indus trie-, Tunnel- und Wohnungsbau, einevielfältige und zunehmende Anwendung. Die Eigenschaftenund Leistungsfähig keit von Stahlfaserbeton werden vornehm-lich durch die Menge, Verteilung und Orientierung der Fasernim Betongefüge bestimmt. Für eine effektive Erfassung und Be-urteilung dieser Parameter im Frisch- und Fest beton ist einschnelles, einfaches und praxisgeeignetes zerstörungsfreiesMessverfa hren erforderlich. Hierzu wurde vom iBMB/MPA derTU Braunschweig in Zusammenarbeit mit der Firma Hertz Sys-temtechnik GmbH Delmenhorst das Stahlfasermessgerät„BSM100“ entwickelt. Grundlage ist ein Induktionsmessverfah-ren, bei dem eine würfel- oder zylinderförmige Betonprobe ineinem spulenförmigen Sensor von einem magnetischen Wech-selfeld durchsetzt wird. Über die gemessene Induktionsspan-nung können der mittlere Fasergehalt und die dreidimensionaleFaserorientierung der Frisch- oder Festbetonprobe bestimmtwerden. Im vorliegenden Beitrag wird zunächst der Stand der Technikzur Bestimmung des Gehalts und der Orientierung von Stahlfa-sern im Beton dargelegt. Anschließend werden das Messgerät„BSM100“ mit Funktionsweise, aktuellen Forschungsergebnis-sen und bisherigen Erkenntnissen vorgestellt sowie einige Pra-xisanwendungsbeispiele gezeigt.

A practice-conform measurement method for determination offiber dosage and orientation in steel fiber reinforced concreteSteel fiber reinforced concrete (FRC) is versatilely and increas-ingly used in civil engineering, e. g. for industrial floorings andin industrial, tunnel and housing building segments. The char-acteristics and performance of steel fiber reinforced concreteis primarily determined by dosage, distribution and orientationof fibers in the concrete texture. For an effective determinationand assessment of these parameters in fresh and hardenedconcrete a fast, simple and practicable non-destructive meas-urement technique is required. For this purpose the steel fibermeasuring device “BSM100” at the iBMB/MPA of the TUBraunschweig in collaboration with the company Hertz Sys-temtechnik GmbH Delmenhorst had been developed. This isbased upon an induction measurement system, where a cubicor cylindrical concrete sample in a coiled sensor is exposed toan alternating magnetic field. By registering the measured in-duction voltage the average values of dosage and three dimen-sional distribution of steel fibers in a fresh or hardened con-crete sample can be investigated reliably and precisely.In this contribution firstly the state of the art technology for themeasurement of steel fiber dosage and orientation in concretewill be presented. Then the measurement device “BSM100”with its functional principle, actual research results and previ-ous findings will be presented and several examples of practi-cal use will be shown.

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gierung, Gefüge, Beschichtung), in der Fasergeometrie(Form, Oberflächenbeschaffenheit, Durchmesser undLänge) sowie der Zugfestigkeit unterscheiden. Eine Über-sicht über die wichtigsten Typen, Formen und Werkstoff-eigenschaften der Stahlfasern wird in Tab. 2 gegeben.

Stahlfasern besitzen zwar eine hohe Festigkeit und einengünstigen E-Modul, nachteilig ist jedoch der relativ großeFaserdurchmesser bzw. die kleine spezifische Oberfläche,wodurch in der Frühphase der Betonerhärtung der Ver-bund zwischen Fasern und Matrix und die Faserzugfestig-keit nicht aktiviert werden können. Vor der Bildung desErstrisses leisten die Fasern nur einen kleinen Beitrag zurKraftübertragung im Beton [4]. Ein Versagen erfolgtdurch langsames Herausziehen der Stahlfasern bzw. inhöherfestem Beton mit guter Verankerung durch Faser-bruch [1, 5].

Die Leistungsfähigkeit der Fasern im Beton ist abhängigvon folgenden Parametern [6]:

– Fasergehalt– Zugfestigkeit der Fasern

– Verankerungsmechanismus der Faser– Schlankheitsverhältnis Faserlänge l/Faserdurchmes-

ser d, wobei die Wirksamkeit der Fasern im Allgemei-nen mit steigendem l/d-Verhältnis zunimmt.

Die Zugfestigkeit des Faserbetons hängt maßgeblich vomVerhältnis Faserlänge/Faserdurchmesser sowie von derVerbundfestigkeit zwischen Faser und Matrix und der Fa-serverteilung und -orientierung im Beton ab [4]. Für eineoptimale Wirkung und Verbesserung der Festbetoneigen-schaften durch Fasern wird eine möglichst gleichmäßigeVerteilung der Fasern angestrebt. Dabei müssen die Stahl-fasern überwiegend senkrecht zur Druckbeanspruchungund in Richtung der Zug- und Querzugbeanspruchungorientiert sein [7]. Die tatsächliche Anordnung und Aus-richtung der Fasern hängt aber in der Praxis von zahlrei-chen geometrischen, betontechnologischen und herstel-lungstechnischen Parametern ab [8, 9]. Je nach Verarbei-tungsbedingungen kann die Faserverteilung bzgl. Lageund Richtung im Beton variieren, wodurch Tragverhal-ten, Gebrauchsfähigkeit und Dauerhaftigkeit des Bauteilsnachhaltig beeinflusst werden [10]. Mögliche Faservertei-lungen sind:

Tab. 1 Einige Anwendungen von StahlfaserbetonSeveral applications of fiber reinforced concrete

nichttragende Bauteile unbewehrte Bauteile (konstruktive bewehrte Bauteile sonstige AnwendungenBewehrung, Verbesserung der Gebrauchseigenschaften)

Industrieböden Fundamente Fundamentplatten Dichtflächen, Verkehrsflächen Wände Deckenplatten Ableitflächen, -kanäleKellerfußböden Spritzbeton tragende Wände, AuffangwannenStützmauern bis 1 m Höhe dünnwandige Fertigteile Kellerwände flüssigkeitsdichte Betone (FD/FDE)

Tresorbeton Tunnelschalen Hochleistungsfaserbetone Müllbunker (Spritzbeton) (z. B. SIFCON, SIMCON)feste Fahrbahn Pfahlkopfplatten Grouted JointsRohre Ramm- und BohrpfähleUnterwasserbeton FertiggaragenHangsicherungen tragende Bauteile

Tab. 2 Eigenschaften von StahlfasernProperties of steel fibers

Material: Blech, Stahldraht un- bzw. ferromagnetisch beschichtet, z. B. mit Zink, legiertEdelstahl

Herstellung: kalt gezogen gespant, gehobelt geschmolzen

Oberfläche, Form: gerade gebogen, glatt verdrehtgewellt lose, verklebt raugeriffelt rund, rechteckig, unregelmäßig mit/ohne Endhaken/Kopf gefräst konisch Enden abgeflachtgekröpft

Querschnitt: rund, oval rechteckig unregelmäßig

Länge l: 12 ... 70 mm l/d = 30 ... 80 UHPC: 6 ... 13 mmDicke d: 0,12 ... 1,2 mm 0,08 ... 0,5 mm

Menge: 20 ... 120 kg/m³ typisch: 20 ... 50 kg/m³ (700 ... 800 kg/m³0,3 ... 1,5 Vol.- % (Spritzbeton bis 80 kg/m³) 8 ... 12 Vol.- %)

Zugfestigkeit: ca. 500 ... 3 000 N/mm²

E-Modul: 160 (nichtrostender Stahl) .... 210 kN/mm²Bruchdehnung: 1 ... 10 (... 25) %Dichte: 7,85 g/cm³

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– räumlich gleichmäßig verteilt (3D)– mit unterschiedlicher Richtung vorwiegend in einer

Ebene verteilt (2D), z. B. beim Faserspritzbeton, oder– einachsig ausgerichtet mit gleichmäßiger Faservertei-

lung über den Querschnitt, z. B. bei stranggepresstenBetonwaren aus SFB (1D).

So beträgt bspw. in der Praxis das Verhältnis der flächen-bezogenen Faserzahl in der Ebene senkrecht zur Beto-nierrichtung zu jener parallel zur Betonierrichtung etwa2:1 [11]. Das korrespondiert mit den erzielten Nachriss-festigkeiten [9]. Bei der Bauausführung kann die Leis-tungsfähigkeit des Faserbetons durch eine falsche Verar-beitung nachhaltig vermindert werden, bspw. durch Ab-setzen der Fasern infolge zu langen Verdichtens bzw.durch Igelbildung und ungünstige Faserverteilung undFaserausrichtung im Bauteil [12].

Die Qualitätskontrolle beim Einbau von Stahlfaserbetonist folglich von ausschlaggebender Bedeutung für die Leis-tungsfähigkeit sowie planmäßige Herstellung und Nut-zung von Stahlfaserbeton. Aus baupraktischer Sicht wirddaher ein schnelles, baustellentaugliches Prüfverfahrenzur zuverlässigen Bestimmung des Stahlfasergehalts imFrisch- und Festbeton benötigt [13].

Im vorliegenden Beitrag wird vom aktuellen Stand derTechnik ausgehend ein ausgereiftes, innovatives undschnelles Messverfahren zur Ermittlung der Dosierungund Ausrichtung von Stahlfasern im Beton vorgestellt.Dieses elek tromag netische Messverfahren befindet sichnach einer Erprobungs- und Optimierungsphase vonmehreren Jahren seit 2007 in der Praxisanwendung. Ge-genüber konventionellen Prüfmethoden und anderenMessverfahren besitzt das induktive Messverfahren mitdem Stahlfasermessgerät „BSM100“ aus baupraktischerSicht zahlreiche Vorteile [14].

Im Vordergrund des Beitrags stehen die Beurteilung, Op-timierung und Weiterentwicklung des Messverfahrens so-wie neue Forschungsergebnisse und Erkenntnisse fürStahlfaserbeton aus mess- und insbesondere bautechni-scher Sicht. Einige Praxisbeispiele des Messverfahrensveranschaulichen im Anschluss die Bedeutung, Leistungs -fähigkeit und Bandbreite der Anwendungsmöglichkeitendes Messverfahrens für Qualitäts- und Schadensbeurtei-lungen von Frisch- bzw. Festbeton sowohl im Labor alsauch am Bauwerk.

2 Prüfverfahren zur Bestimmung von Gehalt und Orientierung der Stahlfasern im Beton

2.1 Konventionelle Stahlfaserprüfung durchAuswaschen bzw. Zertrümmerung der Betonprobe

Die Vorgehensweise zur Prüfung des Stahlfasergehalts imFrisch- und Festbeton wird in der DIN EN 14721: 2007-12 [15], der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [16] undfür Spritzbeton in der DIN EN 14488-7: 2006-08 [17] ge-regelt. Zu untersuchen sind Frisch- bzw. Festbetonpro-

ben, bei denen die Stahlfasern durch Auswaschen bzw.Zertrümmerung des Betons gewonnen werden.

Beim Auswaschversuch wird die verdichtete Frischbeton-probe mit einem Volumen von mindestens drei Liternmittels Sieb oder Filtervorrichtung ausgewaschen und ge-trocknet [15]. Anschließend werden die Fasern auf einemAuffangblech z. B. mit einem starken Magneten aussor-tiert und gewogen. Die Probenentnahme erfolgt auf derBaustelle aus dem Fahrzeugmischer in Form von dreiTeilproben (eine Probe je Drittel der Ladung). Die Prü-fung des Stahlfasergehalts im Beton ist nach der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [16] in der Überwachungs -klasse 2 je 300 m³ Betonvolumen bzw. im Intervall vondrei Betonier tagen durchzuführen. Aus den drei Teilpro-ben wird anschließend ein Mittelwert des Stahlfaserge-halts berechnet, der 85 % des festgelegten Soll-Werts nichtunterschreiten darf. Dieses Vorgehen ist für eine Quali-tätsüberwachung beim Einbau des Faserbetons aufgrunddes relativ großen zeitlichen und technischen Aufwandesineffizient und wegen der starken Schwankungen des Fa-sergehalts der Einzelproben auch nicht ausreichend (vgl.Abschn. 5.1).

Proben aus Festbeton werden aus dem Betonbauteil ge-mäß DIN EN 14721: 2007-12 [15] durch eine Kernboh-rung senkrecht zur Bauteiloberfläche entnommen. Nachder Volumenbestimmung des Bohrkernes z. B. durchTauchwägung ist dieser in einer Druckprüfmaschine odereiner anderen geeigneten Vorrichtung zu zertrümmern.Die Fasern müssen anschließend mechanisch gereinigtund gewogen werden. Nach [13, 15] kann bei dem be-schriebenen Vorgehen zur Bestimmung des Fasergehaltsaus Festbeton ein gewisser Faserverlust von bis zu 5 %auftreten, da einzelne Faserteilchen trotz großer Sorgfaltnicht vollständig aus der Mörtelmatrix herausgelöst wer-den können. Problematisch sind dabei insbesondere Mi-krofasern in hochfesten Betonen.

Die beschriebene konventionelle Fasergehaltsbestim-mung im Frisch- und Festbeton ist aus wirtschaftlichenGründen für die baupraktische Anwendung kaum geeig-net, da diese sehr zeitaufwendig und damit kostenintensivist. Es sind nur wenige Proben stichprobenartig prüfbar.Außerdem sind mit diesen Verfahren keine Aussagenüber die Faserverteilung und Faserorientierung im Betonmöglich.

Als zerstörungsfreies Alternativverfahren zur Faserge-haltsbestimmung wird in der DAfStb-Richtlinie [16] auchdas induktive Messverfahren genannt, das im Abschn. 3behandelt wird.

2.2 Zerstörungsfreie Messverfahren

Zerstörungsfreie Prüf- und Messverfahren haben den Vor-teil, dass die Betonprobe in der Regel nicht aufwendigkonditioniert und zertrümmert werden muss, um den Fa-sergehalt zu bestimmen. In den letzten Jahren wurden zur



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Ermittlung des Fasergehalts und der Faserorientierung einige Messverfahren entwickelt. Einen Überblick zumaktuellen Stand der Technik und Forschung geben hierzu[18 bis 20]. Die Tab. 3 fasst die wichtigsten zerstörungs-freien Stahlfasermessverfahren zusammen und bewertetdiese aus Autorensicht.

Bei dem klassischen optoanalytischen Verfahren(Schnittflächenanalyse) wird die Verteilung und Orien-tierung der Stahlfasern im Probekörper anhand der Bild-analyse von geschliffenen und anschließend poliertenSchnittflächen von Prismen oder Zylindern bezüglich derSchnittform (rund, oval, längs) beurteilt [8, 21]. Die theo-retischen Grundlagen des Verfahrens werden hierzu in[22] erörtert. Da die Faserkennwerte nur an der Schnitt-oberfläche ermittelt werden, ist die Repräsentativität derProbe eine wichtige Voraussetzung des Verfahrens. Faser-gehalt und Faserorientierung der Probe müssen also mitdem Mittelwert der Grundgesamtheit (Bauteil bzw. Pro-be) übereinstimmen. Randeffekte an Kanten und Ecken,welche die dreidimensionale Faserorientierung beeinflus-sen, führen daher in der Regel zu einem systematischenMessfehler [8]. Der hohe Zeitaufwand für die erforderli-chen Arbeitsschritte (Sägen, Schleifen, Polieren, Auszäh-len der Fasern bzw. die Bilddigitalisierung und computer-gestützte Analyse) stellt jedoch aus baupraktischer Sichteine Restriktion des Verfahrens dar. Interessant ist dasVerfahren für die automatisierte Bruchflächenanalyse.

Bei der schnittbildgebenden 3D-Computertomografie(CT) wird die Struktur eines kleineren Prüfobjekts (z. B.Bohrkerne, Würfel) anhand berührungsloser Röntgen-Durch strahlungsaufnahmen aus unterschiedlichen Rich-tungen rekonstruiert. Die entstehenden Projektionen re-sultieren aus der in Abhängigkeit von der Materialart undMaterialstärke variierenden Absorption der Röntgen-strahlen [23, 24]. Bei der nicht baustellentauglichen Un-tersuchung entstehen im praktischen Einsatz über tau-send Einzelbilder mit sehr großen Datenmengen, welchedie Auswertung dieses Expertenverfahrens mit Spezial-messtechnik sehr aufwendig und komplex gestalten [23].Von Vorteil ist demgegenüber, dass neben dem Faservolu-mengehalt des gesamten oder partiellen Volumenbereichsauch die Orientierung und Anordnung jeder einzelnenFaser in der gesamten Probe sichtbar werden [25]. Beiausreichend großer Strahlungsenergie und einer höherenAuflösung sind auch nichtmetallische Fasern in der Be-tonmatrix detektierbar [23]. Dies macht das Verfahren fürdie Forschung interessant.

Die Impedanzspektroskopie (AC-IS) ist ein zerstörungs-freies elektrisches Widerstandsmessverfahren, bei dem ineiner 2-Elektrodenkonfiguration eine systematische Va-riation der Wechselstromfrequenz vom mHz- bis in denMHz-Bereich erfolgt und die durch die Stahlfasern beein-flusste komplexe Impedanz der Betonprobe gemessenwird. Anhand der Veränderung der Amplitude und Phase

Tab. 3 Übersicht der wichtigsten zerstörungsfreien Messverfahren zur Bestimmung von Gehalt und Orientierung der Stahlfasern im BetonOverview of common used non-destructive measurement techniques for the determination of the dosage and orientation of steel fibers in concrete

Messverfahren/ Optoanalytisches 3D-Computer- Impedanz- Mikrowellen- Induktions-Eigenschaft Verfahren tomografie spektroskopie verfahren verfahren

Messprinzip: optisch Röntgen- elek trisch elektrisch elektromagnet. durchstrahlung Induktion

Messung:Stahlfasergehalt ++ ++ + ++ +++Faserorientierung ++ +++ –/+ –/+ +++Kunststofffasern + ++ (+) (+) –

Laborprobe ja ja ja ja jaBaustelle (Probe) nein nein ja ja jaam Bauwerk nein nein (ja) (ja) neinFrischbeton nein (ja) (ja) (ja) jaFestbeton ja ja ja ja jaKombibewehrung ja ja nein nein teilweise

Zuverlässigkeit/Genauigkeit: ++ +++ + + +++Tiefenaussage: – ++/+++ + + ++/+++Messgerät:Kosten ++ – + + ++Messzeit +++ – ++ ++ +++Mobilität (+) – +++ +++ +++Auswertedauer: – – + + +++Gesamtaufwand: + – ++ ++ +++Expertensystem: (nein) ja ja ja nein

Einfluss-, Probenvorbereitung, Probengröße Betoneigenschaften Betoneigenschaften Fasertyp, Fehlergrößen: Automatisierung Temperatur Temperatur magnetische Zu schläge

Legende: ( ) mit Einschränkung; – schlecht (nicht möglich), + mäßig (unter bestimmten Voraussetzungen möglich), ++ gut, +++ sehr gut/ausgezeichnet



der komplexen Impedanz im NYQUIST-Diagramm kann eine Aussage zur mittleren Faserverteilung, -segregationund -orientierung vorgenommen werden [26, 27]. Diegrundsätzliche Eignung des Messverfahrens konnte in La-borversuchen gezeigt werden. Die Impedanzspektrosko-pie ist allerdings bei höheren Fasergehalten, bei denen dieFasern im Beton untereinander elektrisch leitend verbun-den sind, nicht anwendbar [27]. Die gemessenen Impe-danzen werden u. a. auch durch Porenstruktur, Feuchte-und Salzgehalt sowie durch Risse des Betons signifikantbeeinflusst, was die Zuverlässigkeit und quantitative Aus-sagefähigkeit des Verfahrens einschränkt [19].

Bei dem Mikrowellen- bzw. Permittivitätsmessverfah-ren werden Mikrowellen bzw. hochfrequente Impulse inAntennenkonfiguration mit offenem Schwingkreis übereinen Ko axialleitersensor in das Betonbauteil bzw. denProbekörper abgestrahlt und die von der Permittivität(komplexe Dielektri zitätszahl) abhängige Reflexionsant-wort der elek tromagne tischen Wellen gemessen und aus-gewertet [28]. Die Permittivität wird neben demStahlfaser gehalt auch durch die Betoneigenschaften(Feuchte-, Salzgehalt etc.) beeinflusst. Im Laborversuchwurde eine gute Korrelation zwischen dem Fasergehaltund der Signallaufzeit [28] bzw. der gemessenen Phasen-differenz des Reflexionskoeffizienten [29] festgestellt. Ei-ne Praxisanwendung ist den Autoren nicht bekannt.

Beim nachfolgend erörterten elektromagnetischen In-duktionsverfahren wird die magnetische Induktion ferro-magnetischer Materialien genutzt [14, 19, 20, 30, 31]. AlsMessergebnisse werden der mittlere Gehalt und die dreidi -mensionale Ausrichtung der Fasern der Betonprobe ermit-telt. Diese Technik stellt eine systematische Weiterent-wicklung des mag netoelastischen Spannkraftmessverfah-rens zum Monitoring von Spannbetonbauwerken dar [32].

3 Elektromagnetisches Induktionsmessverfahren zur Bestimmung der Fasermenge und -orientierung

3.1 Messprinzip und Funktionsweise

Zur Bestimmung des Stahlfasergehalts und der Stahl -faserorientierung der Betonprobe wird beim elektromag-netischen Induktionsmessverfahren das Transformator-prinzip genutzt. Der Messaufbau zur Erfassung der In-duktionsspannung mittels Doppelspulensensor ist hierzuin Bild 1 dargestellt. Dabei dient eine Spule (Erregerspu-le) zur Generierung des magnetischen Feldes und einezweite Spule (Induktionsspule) zur Aufnahme der Induk-tionsspannung Ui [30]. Beide Spulen umschließen voll-ständig eine Betonprobe, wobei die enthaltenen Stahl -fasern die Funktion eines Spulen- bzw. Transformator-kerns übernehmen.

Ein sinusförmiger Wechselstrom ierr wird vom GeneratorG in die Erregerspule eingespeist und die in der Induk -tionsspule induzierte Spannung Ui gemessen. Die indu-zierte Spannung Ui kann dann vereinfacht wie folgt be-stimmt werden [31]:

Hierbei sind w1 bzw. w2 die Windungszahlen der Erreger-bzw. Induktionsspule, A die Querschnittsfläche, îerr derSpitzenwert des Erregerstroms ierr (t), ω dessen Kreisfre-quenz, t die Zeit und l2 die Länge der Induktionsspule.Die magnetische Feldkonstante μ0 = 1,2566 · 10–6 Vs/Am = 1,2566 μHenry/m beschreibt das Verhältnis dermagnetischen Flussdichte zur magnetischen Feldstärkeim Vakuum. μr ist die Permeabilitätszahl bzw. relativePermeabilität des Materials im Spuleninneren.

Aufgrund der Tatsache, dass nur ferromagnetische Mate-rialien (Eisen, Kobalt und Nickel) eine Permeabilität μr >>1 aufweisen, der Stahlfaserbeton (ohne magnetischeGesteinskörnungen und ohne Bewehrung) als ferromag-netische Materialien jedoch nur die Stahlfasern enthält,haben alle anderen Materialien einen vernachlässigbargeringen Einfluss auf die magnetische Permeabilität μr,gesder Betonprobe [30]. Dieser Zusammenhang ist in Bild 2

î ( ) ( )

(1)2

Uw w

lcos A Ai 1 2

err o t r Stahlfaser Beton

Erregerspule Induktionsspule

Betonprobe

G V Ui

Bild 1 Messprinzip zur Fasergehaltsbestimmung im BetonMeasurement principle for the determination of fiber dosage in concrete

B ~ Ui

µR >> 1

ferromagnetische Stoffe

nicht ferro-magnetische Stoffe

µ0

H ~ Ierr

(µR = 1)

Bild 2 Magnetische Hystereseschleife ferromagnetischer und nichtferro-magnetischer Materialien mit magnetischer Feldstärke H (proportionalzum externen Erregerstrom Ierr) und Magnetflussdichte B (proportionalzur gemessenen Induktionsspannung Ui)Magnetic hysteresis loop of ferromagnetic and non-ferromagnetic materials with magnetic field strength H (proportional to externally applied exiting current Ierr) and magnetic flux density B (proportionalto measured induction voltage Ui)



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anhand der magnetischen Hystereseschleife mit der resul-tierenden magnetischen Flussdichte B als Funktion dermagnetischen Feldstärke H für ferromagnetische und un-magnetische Materialien dargestellt.

Da zudem die Amplitude und Frequenz des durch die In-duktionsspule fließenden elektrischen Wechselstroms ierrdurch eine elektronische Regelung konstant gehalten wer-den und die von den Spulen umschlossene Fläche ABetonstets gleich ist, wird die Höhe der Induktionsspannung Uiim Wesentlichen nur durch die vom Stahlfasertyp abhängi-ge Permeabilitätszahl μr sowie durch den gesuchten Stahlfa-sergehalt der Betonprobe bestimmt. Die Permeabilitätszahlμr ist zudem vom jeweiligen Winkel a zwischen Stahlfasernund äußerem Magnetfeld abhängig (vgl. Abschn. 3.3).

3.2 Messtechnische Umsetzung – Das Stahlfasermess -system „BSM 100“

3.2.1 Sensordesign und Messvorgang

Für die Untersuchung von Frisch- und Festbetonprobenhat sich der in Bild 3a abgebildete Spulensensor in Wür-felform bewährt. Die Drahtwicklung der Erregerspulewurde dabei zur Linearisierung des Verlaufs des innerenMagnetfelds angepasst.

Zu Beginn jeder Messung muss das Messgerät auf denSensor abgeglichen werden. Hierzu ist zunächst mit demleeren Sensor eine Nullmessung durchzuführen. An-schließend wird der Frischbeton in einen Probenbehälteraus Kunststoff mit der Kantenlänge von 15 cm eingefülltund entsprechend verdichtet, vgl. Bild 3b. Über dieseForm (oder über die Würfelprobe aus Festbeton entspre-chend Bild 3c) wird dann der kastenförmige Spulensen-sor (Bild 3a) gestülpt und die Messungen nacheinanderfür alle drei Raumrichtungen x, y und z durchgeführt. DieMessergebnisse der Induktionsspannung Ui werden an-schließend gemittelt. Vom Mittelwert wird dann das Er-gebnis der Leermessung U0 subtrahiert. Die direkt vomgesuchten Fasergehalt der Betonprobe abhängige Diffe-renzspannung UDiff ergibt sich damit zu [16]:

(2)

Der prozentuale Anteil der drei Einzelmessungen Ux, Uy,Uz zeigt zudem die mittlere Orientierung der Fasern inder Probe in den drei Raumrichtungen. Je größer der pro-zentuale Anteil der Einzelmessung vom Mittelwert, destomehr Fasern sind in der jeweiligen Messrichtung ausge-richtet, vgl. Abschn. 3.3. Das Induktionsmessverfahren er-laubt somit eine sehr schnelle und einfache Bestimmungder beiden wichtigen Kenngrößen Stahlfasergehalt und -orientierung. Aufgrund der guten Reproduzierbarkeit istdie Spannweite der Messwerte bei wiederholter Messungim Allgemeinen ≤ 1 kg/m3.

Die Probe muss in der richtigen Reihenfolge gedreht wer-den, um eine korrekte, reproduzierbare Berechnung der

3 0U

U U UU .Diff

x y z

Faserorientierung in den drei Raumrichtungen zu ermög-lichen. Um Fehlern vorzubeugen, wurde hierfür ein stan-dardisiertes Vorgehen entwickelt. Die Würfelprobe wirdauf einer Wendeschablone mit der oben liegenden Beto-nierseite (x-Seite) beginnend entsprechend Bild 4 nach -einander abgerollt und in jeder Raumrichtung gemessen.Bei Frischbetonuntersuchungen wird in gleicher Weiseder Sensor um den Probenbehälter herum gedreht.

3.2.2 Kalibrierung zur Ermittlung des Stahlfasergehalts

Aufgrund der unterschiedlichen Legierungen und der da-durch beeinflussten magnetischen Eigenschaften der ver-schiedenen am Markt erhältlichen Stahlfasersorten ist fürdie korrekte Bestimmung des Stahlfasergehalts eine Vorab-kalibrierung an Stahlfaserproben identischen Typs erfor-derlich [30]. Für die Bestimmung der Faserorientierungs -anteile in den drei Raumrichtungen (vgl. Abschn. 3.3) istdemgegenüber keine Kalibrierung erforderlich.

Bei der Untersuchung der Prüflinge kann dann durchVergleich der gemessenen Induktionsspannung mit denbei der Kalibrierung ermittelten Werten der Stahlfaserge-halt durch Interpolation bestimmt werden. In Bild 5 sindhierzu die Kalibrierkurven verschiedener Stahlfasertypenmit variierenden Abmessungen und Festigkeiten für typi-sche Stahlfasergehalte bis 60 kg/m³ angegeben. Darge-stellt sind dabei die Mittelwerte der Messungen von je-weils sechs Würfeln. Wie der Vergleich der Messverläufemit den Trendlinien zeigt, ergibt sich für alle unterschied-

Bild 3 a) Spulensensor, b) Frischbetonbehälter und c) Equipment für Fest -betonmessung mit Sensor, Wendeschablone und Betonprüfkörper [33]a) Coil sensor, b) Container for fresh concrete and c) Equipment formeasurement of hardened concrete with sensor, turning stencil andconcrete sample [33]

Bild 4 Messaufbau und Vorgehen bei Messungen von Festbetonwürfeln [33]Measurement set-up and procedure for hardened concrete cubes [33]



lichen Stahlfasertypen eine nahezu lineare Abhängigkeitdes Mittelwerts der gemessenen Induktionsspannung Uivom Stahlfasergehalt der Betonproben.

Bei höheren Fasergehalten, insbesondere bei langen Fa-sern, wird jedoch eine Abweichung vom linearen Trend -linienverlauf festgestellt. Dieser Effekt kann aber einfachdurch eine quadratische Approximationsfunktion kom-pensiert werden. Bei den bei UHPC verwendeten kurzenFasern tritt dieser Effekt erst bei höheren Fasergehaltenauf.

3.2.3 Stahlfasermessgerät „BSM100“ der Firma HertzSystemtechnik GmbH, Delmenhorst

In Kooperation des iBMB/MPA der TU Braunschweigmit der Firma Hertz Systemtechnik GmbH Delmenhorstwurde das in Bild 6 dargestellte Messgerät „BSM100“ biszur Praxisreife weiterentwickelt. Das kommerziell erhält-liche Messgerät erlaubt die Bestimmung des Stahlfaserge-halts und der Faserorientierung an Frischbeton- und Fest-betonproben innerhalb weniger Minuten. Die Kenndatendes Messgeräts sind in Tab. 4 aufgeführt.

Im Stahlfasermessgerät „BSM 100“ sind bereits die Refe-renzmessdaten einiger vorab kalibrierter Fasertypen ge-speichert. Neue Faserprofile können auch durch den An-

wender erstellt werden. Weiterhin ist es möglich, dieKennlinie einer unbekannten Fasercharge bei einer Kon-trollmessung durch eine Referenzmessung auf Gültigkeitzu überprüfen. Im Falle einer Abweichung kann ein Kor-rekturfaktor ermittelt und berücksichtigt werden [33]. Dadie Faserhersteller die Legierung der Fasern unter Um-ständen verändern und auch die Legierungen von Fasernaus unterschiedlichen Herstellwerken voneinander vari-ieren, kann es zusätzlich erforderlich sein, eine Eigenkali -brierung mit selbst erstellten Referenzkörpern durchzu-führen, vgl. Abschn. 4.3. Zur Referenz messung (Kalibrie-rung) dient eine Probenkarte aus Karton mit einer genaudefinierten Anzahl unidirektional ausgerichteter Stahlfa-sern des zu untersuchenden Fasertyps [31]. Die Messwer-te werden vom „BSM100“ auf 1 m³ Beton bezogen ausge-geben und können per Schnittstelle auf den PC übertra-gen werden. Der gespeicherte Datensatz jeder Messungbesteht aus den Ergebnissen der Einzelmessungen, demMittelwert, Datum, Uhrzeit, Fasertyp und einer eindeuti-gen Probenkennung [31].

3.2.4 Erweiterung des Messsystems für Bohrkerne

Für die Untersuchung des Fasergehalts an zylindrischenProbekörpern bzw. Bohrkernen wird ebenfalls der wür-

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 10 20 30 40 50 60

Mite

lwer

t rel

ativ

e In

dukt

ions

span

nung

[V]

Stahlfasergehalt [kg/m³]

l/d=45,l=50mm,1050N/mm²l/d=80,l=60mm,2300N/mm²l/d=50,l=30mm,1200N/mm²l/d=45,l=30mm,1050N/mm²

alle Fasern: unbeschichtet, mit Endhaken

Bild 5 Stahlfasergehaltskalibrierkurven an Betonwürfeln für vier unter-schiedliche Fasertypen als Mittelwerte der Messungen in allen dreiRaumrichtungenCalibration functions of fiber dosage for four different fiber types determined at concrete cubes as mean values of measurements in allspatial directions

Bild 6 Messsystem „BSM100“ mit Stahlfasersensor und Temperaturfühler[33]Measurement system „BSM100“ with fiber and temperature sensors[33]

Tab. 4 Technische Daten des Messsystems „BSM100“Technical data of measurement system “BSM100”

Gewicht: 8 kgGröße Koffer (BxHxT): 406 × 174 × 330 mm Größe Sensor (BxHxT): 210 × 210 × 170 mm für Standardprüfwürfel und -zylinder 150 × 150 × 150 mm Schutzart: IP 67 (staubdicht, vollständiger Schutz gegen Berührung, Schutz gegen zeitweiliges Untertauchen)Betriebsspannung: 12 VAkkubetrieb: min. 300 autarke Messungen Messdauer: ca. 3 min je Würfel mit drei EinzelmessungenAnzahl Einzelmessungen: ca. 500 je MesskonstellationSchnittstellen: seriell (RS232), USB, Temperaturmessung: Pt 100 in 4-Leiter-Technik Messverfahren: entspricht DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ [16]



FACH

THEM

A A

RTICLE

felförmige Standardsensor mit der Innenkantenlänge von16 cm verwendet. Dabei wird die Probe von allen Seitengemessen. An den stehenden Zylindern bzw. Bohrkernensind gemäß Bild 7 zunächst vier Messungen unter den aufeine Referenzachse bezogenen Winkeln von 0°, 45°, 90°und 135° vorzunehmen. Anschließend ist die Probe querliegend in den Sensor zu legen und eine weitere Einzel-messung durchzuführen, wobei die Ausrichtung der Pro-be im Sensor unerheblich ist [33].

Ist der Bohrkern länger als 15 cm, so muss dieser auf-grund der Sensorgeometrie für die Untersuchung auf eineLänge von 15 cm gekürzt werden.

3.3 Bestimmung der mittleren Faserorientierung

Jede ferromagnetische Stahlfaser kann als magnetisierba-rer Stab mit einer magnetischen Vorzugsrichtung betrach-tet werden. Die Induktionsspannung in der Induktions-spule ist dann maximal (Ui,max), wenn alle Stahlfasernentlang der Feldlinien ausgerichtet sind (Faserwinkelα = 0°). Liegen die Stahlfasern quer zur Feldrichtung, istder Einfluss der Fasern auf das Magnetfeld nur minimal.Durch Messung der Induktionsspannung Ui in den dreiRaumrichtungen kann demzufolge auf die mittlere Faser-orientierung geschlossen werden. Ist die Induktion in ei-ner der Raumrichtungen größer, so sind anteilig mehr Fa-sern in dieser Richtung orientiert als in den beiden ande-ren Raumrichtungen.

Zur Bestimmung der Abhängigkeit der Induktionsspan-nung Ui vom Winkel α zwischen Stahlfasern und Magnet-feld wurden im Versuch jeweils 20 Gramm parallel ausge-richtete Fasern auf Kartonscheiben befestigt. Diese wur-den dann in 3°-Schritten gegen das Magnetfeld geneigtund die Induktionsspannung gemessen. Bild 8 zeigt hier-zu exemplarisch die Abhängigkeit der Induktionsspan-nung Ui vom Winkel zwischen den Stahlfasern und demmagnetischen Wechselfeld für zwei verschiedene Stahlfa-sertypen. Bei dem Fasertyp 1 handelt es sich um einenicht beschichtete, kaltgezogene, 60 mm lange Standard-faser mit niedrigem Silizium gehalt und Endhaken; beimFasertyp 2 hingegen um eine messingbeschichtete, geradeund 13 mm lange Kurzfaser, die für hochfeste Betone ver-wendet wird. Bei beiden Fasertypen wird die Induktions-

spannung mit zunehmendem Winkel α zwischen Stahlfa-sern und Magnetfeld kleiner. Die Winkelabhängigkeit derInduktionsspannung Ui kann mit dem MaximalwertUi,max wie folgt beschrieben werden:

(3)

Dieser Zusammenhang ermöglicht es, die mittlere Faser-orientierung in Bauteilen und Bauwerken an ausgewähl-ten Proben zu ermitteln. Hierzu müssen aus dem Bauteilbzw. Bauwerk entsprechende Proben in Würfel- oder Zy-linderform mit einer maximalen Kantenlänge von 15 cmentnommen werden. Ein bedeutender Vorteil ist dabei,dass die Faserorientierung der Probe unabhängig vom Fa-sertyp und ohne vorherige Kalibrierung bestimmt werdenkann.

4 Untersuchung verfahrensbeeinflussender Größen4.1 Überblick

Folgende Kenngrößen beeinflussen die Induktionsspan-nung als Messgröße und damit auch die Zielgrößen Stahl-fasergehalt und Faserorientierung:

– Klimafaktoren: Temperatur der Probe, Feuchte(Schwind- bzw. Quelleinfluss)

– Faserkennwerte: Legierung, Herstellverfahren, Festig-keit, Charge (magnetische Eigenschaften), Oberflächeund Form (Verbund) sowie Korrosion der Fasern

– Betonparameter: magnetische Gesteinskörnungen(Schwerbeton), Betonrezeptur und -alter (Schwinden)

– geometrische Größen: Probenform, -volumen und Fa-serverteilung in der Probe (z. B. Schichtung, Randef-fekte).

Die wichtigsten Parameter wurden in umfangreichen La-borstudien hinsichtlich des Einflusses auf die Verfahrens-genauigkeit für unterschiedliche Fasertypen und -formenan Betonprobekörpern und in Sandversuchen untersucht[30, 31, 34]. Die Ergebnisse werden nachfolgend kurz zu-sammengefasst.

1 sinU Ui i,max

Bild 7 Stehende und liegende Messung von Betonzylindern bzw. Bohrkernen[33]Upright and lying measurement of concrete cylinders or drill cores [33]

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 10 20 30 40 50 60

Indu

ktio

nssp

annu

ng U

i[V]

Faserwinkel α [Grad]

Fasertyp 1, l/d=80, l=60 mm,kaltgezogen, Endhaken, 1350 N/mm²Fasertyp 2, l/d=62, l=13 mm,messingbeschichtet, gerade, 2750 N/mm²Trendlinie

Fasertyp 1

Fasertyp 2

Bild 8 Abhängigkeit der normierten Induktionsspannung Ui vom Faserorien-tierungswinkel α mit quadratischer Trendlinie für zwei StahlfasertypenRelationship between normalized induction voltage Ui and fiber orien-tation angle α with quadratic trendline for two steel fiber types



4.2 Temperatur

Da die magnetischen Materialeigenschaften temperatur-abhängig sind, sollte bei einer Messung stets die Proben-temperatur berücksichtigt werden. Der Temperaturein-fluss als Störgröße kann beim Messgerät „BSM100“durch die Ermittlung der Probentemperatur mittels Tem-peraturfühler automatisch oder durch manuelle Eingabeder Probentemperatur kompensiert werden. Wenn keinTemperatursensor an das Messgerät „BSM100“ ange-schlossen ist, wird bei den Berechnungen standardmäßigeine Temperatur von 20 °C verwendet [33].

Um die Größenordnung des Temperatureinflusses derProbe auf die Messwerte abschätzen zu können, wurdenim Kurzzeitversuch u. a. an zwei identischen Würfeln miteinem Fasergehalt von 60 kg/m³ aus hydratisiertem Ze-mentstein an der Oberfläche und in der Tiefe von 3,75 cmbzw. 7,5 cm Temperatursensoren appliziert und anschlie-ßend im Klimaschrank bei unterschiedlichen Temperatu-ren zwischen –20 °C und 20 °C gelagert. Bild 9 zeigt dieMessergebnisse dieses Klimaversuchs in Abhängigkeitvon der mittleren Probentemperatur mit scheinbarenStahlgehaltsänderungen gegenüber den Referenzmess-werten bei 20 °C.

Die Messwerte für den hier untersuchten Fasertyp korres-pondieren gut mit den Untersuchungen von BREITEN -BÜCHER & RAHM [13], bei denen für das Messgerät„BSM100“ im bauwerksrelevanten Temperaturbereichvon 5 °C bis 30 °C eine maximale Fasergehaltsänderung inHöhe von 0,4 kg/m³ Beton festgestellt wurde.

4.3 Chargeneinfluss der Stahlfasern

Bei der Produktion von Stahlfasern werden Stahldrähtevon bestimmter Geometrie, Härte und Zugfestigkeit ver-wendet. Der dazu verwendete Stahl kann jedoch leichtunterschiedliche Zusammensetzungen haben. Diese Un-terschiede in der Stahlzusammensetzung beeinflussen die

magnetischen Eigenschaften der Stahlfasern. In Bild 10sind beispielhaft für einen mittelfesten Standardfasertyp(Schlankheit l/d = 65 mit der Länge l = 35 mm) die Kali-brierkurven von Stahlfasern, die aus unterschiedlichenProduktionschargen und Werken in verschiedenen Län-dern eines Herstellers stammen, aufgeführt. Dabei wur-den pro Messpunkt die Mittelwerte von jeweils fünf Be-tonwürfeln dargestellt. Während die Werke B, C und Dnahezu identische Messwertverläufe zeigen, weicht dieKennlinie des Werkes A hiervon deutlich ab.

Um die Differenzen zwischen zwei unterschiedlichenStahlfaserchargen desselben Fasertyps auszugleichen,kann ein Chargenkorrekturfaktor bei der Messung ange-geben werden [33]. Die Ermittlung des prozentualen Kor-rekturwerts für die Abweichung der aktuellen Produk -tionschargen kann entweder anhand einer Probenplattefür die Chargenvergleichsmessung oder über die Chargen-korrektur durch Auswaschversuch erfolgen.

-0,30

-0,25

-0,20

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

-30 -20 -10 0 10 20 30

Änd

erun

g Fa

serg

ehal

t [kg

/m³]

mittl. Temperatur [ C]

Würfel 1Würfel 2

Zement: CEM I 32,5R, w/z=0,4Faser: l/d=65, l=60 mm, 1050 N/mm², Endhaken, 60 kg/m³

°

Bild 9 Gemessene scheinbare Änderung des Fasergehalts durch Tempera-turvariation bei zwei Würfeln aus Zementstein bezogen auf Raumtem-peratur (20 °C)Measured apparent modification of fiber dosage caused by tempera-ture variation for two cube samples made from hydrated cement relat-ed to room temperature (20 °C)

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

20 25 30 35 40 45 50 55 60

Mit

tl. I

nd

ukt

ion

ssp

ann

un

g [

V]

Fasergehalt [kg/m³]

Werk AWerk BWerk CWerk D

Faser: 1050 N/mm²,l/d=65, l=35mm, kaltgezogen,unbeschichtet, mit Endhaken

Bild 10 Gemessene Induktionsspannung von Würfelproben gleichen Faser-typs mit Stahlfasern von vier verschiedenen FertigungsortenMeasured induction voltage of cube samples with identical fiber typeand steel fibers fabricated in four different plants

57

58

59

60

61

62

1 7 49 343 2401

Fase

rgeh

alt

[kg/

m³]

Alter[Tage]

1,0kN/mm², trocken1,0kN/mm², Wasser2,3kN/mm², Wasser2,3kN/mm², trocken

60kg/m³l/d =65mm, l=60mm

18,5

19,0

19,5

20,0

20,5

21,0

1 7 49 343 2401

Fase

rgeh

alt

[kg/

m³]

Alter [Tage]

20kg/m³l/d =65mm, l=60mm

Bild 11 Verlauf des scheinbaren Fasergehalts in Abhängigkeit von der Art undDauer der Lagerung für Stahlfasern identischer Form mit variierenderFestigkeit für Stahlfasergehalte von 20 kg/m³ (oben) bzw. 60 kg/m³ (unten); Darstellung mit logarithmischer x-AchseTime curve of the seeming fiber dosage as a function of expositiontype, duration and fiber tensile strength for fibers with the same shapefor a steel fiber dosage of 20 kg/m³ (above) and 60 kg/m³ (below); illus-tration with logarithmic x-axis



FACH

THEM

A A

RTICLE

4.4 „Alterung“ durch Schwinden des Betons

Abhängig von der verwendeten Betonsorte, der Stahlfa-ser (normal-, mittel- bzw. hochfest) und der Umgebungs-feuchtigkeit der Probe kommt es während der Hydrata -tionsphase des Betons zu einer zeitlichen Abnahme bzw.Zunahme des Induktionswerts der Stahlfasern. Dies istauf die Druck- bzw. Zugbeanspruchungen (Zwangsspan-nungen) der Fasern zurückzuführen, die durch Schwind-bzw. Quellvorgänge im Beton verursacht werden und diedie elektromagnetische Permeabilität μr der Stahlfasernverändern (magnetoelastischer Effekt) [32]. Dieser zeit-und tiefenabhängige Einfluss des Betons auf die Fasernwird hier als „Alterung“ bezeichnet und könnte für dieBaustoffforschung interessant sein.

Im Rahmen einer Laborstudie wurden zu dem Schwind-und Quelleinfluss umfangreiche Untersuchungen an Be-tonwürfeln durchgeführt. Die Würfelproben wurden da-bei wie folgt hergestellt bzw. gelagert:

– Beton: 320 kg/m³ CEM I 32,5 R, w/z = 0,5, SieblinieA/B 16, steife Konsistenz, Ausschalen 2 Tage nachHerstellung

– Trockenlagerung: bei 17 °C (45 % r. F.) bis 7 Tage nachAusschalung, anschließend 49 Tage bei 50 °C (10 % r. F.)und danach in einer Prüfhalle bei ca. 20 °C, 45 % r. F.

– Wasserlagerung: nach Ausschalen permanente Lage-rung im Wasserbad.

Als Begleitkörper zur quantitativen Schwindmessungwurden Mörtelprismen hergestellt.

Aus den im Bild 11 abgebildeten exemplarischen Messun-gen ist der Einfluss der Trocken- bzw. Unterwasserlage-rung für zwei unterschiedliche Faserdosierungen(20 kg/m³ bzw. 60 kg/m³) und Festigkeiten von Stahlfa-sern gleicher Form und Abmessung erkennbar.

Aus den Messwerten wird ersichtlich, dass der schwindin-duzierte Abfall der Induktionsspannung unabhängig vomFasergehalt nur bei normalfesten Fasern auftritt. Dabeisind Betone mit kleineren Fasergehalten prozentual stär-ker betroffen. In weiteren Versuchen mit anderen Faserty-pen wurde ein Abfall der initialen Induktionsspannungentsprechend einer Höhe von bis zu ca. 8 % des tatsäch -lichen Fasergehalts festgestellt. Ein Aushärten und Lagernder Proben in einem Wasserbad kann, wie die Versuchezeigen, den Einfluss des Schwindens nahezu eliminieren.Interessant ist dabei der Umstand, dass eine spätere Was-serexposition von zunächst trocken gelagerten Proben zueiner teilweisen Kompensation des „Alterungseffektes“führt [34]. Bei hochfesten Fasern ist der Schwindeffektmarginal, da sich die Schwindverformungen nur geringfü-gig auf den Spannungszustand der Fasern auswirken.

Weitere Tastversuche zeigen, dass durch definierte Zuga-be von Quell- bzw. Treibmitteln zum Frischbeton mit demQuellen des Betons auch eine zeitlich degressive Zunah-me der gemessenen Induktionsspannung erfolgt [34]. Im

Messgerät „BSM100“ stehen auf der Grundlage umfang-reicher Laborstudien verschiedene Funktionen zu Ver -fügung, um den Verlauf der „Alterung“ durch logarithmi-sche Regression zu ermitteln und deren Einfluss auf dieMessergebnisse zu kompensieren.

4.5 Weitere Untersuchungen zu Einflussparametern

Die bisherigen Laboruntersuchungen zu den Messein-flussgrößen lassen folgende Erkenntnisse zu:

– Für eine genaue Stahlfasergehaltsmessung ist eine in-dividuelle Kalibrierung für den Fasertyp und ggf. füreinzelne Chargen erforderlich.

– Für die Bestimmung der Stahlfaserorientierung in dendrei Raumrichtungen ist keine Kalibrierung erforder-lich.

– Die Stahlfaserfestigkeit, die Betoneigenschaften unddie Lagerung haben einen wesentlichen Einfluss aufdie schwind- bzw. quellinduzierte Änderung („Alte-rung“) der Induktionsmesswerte. Die durch Schwin-den verursachten Messwertänderungen sind durchWasserlagerung der Proben vermeidbar.

– Bei stark ungleichförmiger Anordnung der Fasern inder Probe (z. B. Igelbildung) wurden Abweichungender Messwerte festgestellt [34].

– Der Korrosionszustand (Aktivität bzw. Passivität derFasern und Flugrost) und Salzgehalt des Betons habenkeinen signifikanten Einfluss [34].

5 Praxisanwendungen des Messverfahrens5.1 Qualitätssicherung von Transportbeton

Aufgrund der kurzen Messdauer von ca. drei Minuteneignet sich das Messverfahren insbesondere auch zur Untersuchung von Einzelproben im Rahmen der Quali-tätssicherung bei der Erstellung von Bauteilen und Bau-werken aus Transportbeton. Die Tab. 5 zeigt die gemesse-nen Fasergehalte bei der Entnahme von fünf Frischbeton-proben aus zwei Mischfahrzeugen bei der Erstellung einer Bodenplatte. Der Mindeststahlfasergehalt der Be-tonmischung sollte dabei 35 kg/m³ Beton betragen.

Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass die Variation derFasergehalte der Einzelproben so groß ist, dass bei der

Tab. 5 Gemessene Fasergehalte von fünf verdichteten FrischbetonprobenMeasured fiber dosage of five samples of compacted fresh concrete

Probeentnahmen gemessener Faser-gehalt [kg/m³]

Mischfahrzeug 1; Beginn Leerung 31,4

Mischfahrzeug 1; Ende Leerung 35,9

Mischfahrzeug 2; Beginn Leerung 42,3

Mischfahrzeug 2; Mitte Leerung 22,7

Mischfahrzeug 2; Ende Leerung 38,3

Mittelwert 34,1



Durchführung von nur einer Messung keine verlässlichenAussagen zum Fasergehalt des Frischbetons getroffenwerden können. Erst die Untersuchung mehrerer Probenje Mischfahrzeug liefert eine belastbare Aussage zumStahlfasergehalt.

5.2 Verfahrensoptimierung in einem Fertigteilwerk

Bild 12 zeigt die Skizze eines 4 m langen vorgespanntenFertigteils mit I-Profil, das aus Stahlfaserbeton hergestelltwurde. Aus diesem Bauteil wurden vier Betonbalken he-rausgeschnitten und anschließend jeweils in sechs Würfelzersägt. Diese Würfel wurden entsprechend ihrer Lage imBauteil mit der Kennung 1.1 bis 4.6 bezeichnet. Die Beto-nier- und Verdichtungsrichtung wurde dabei als x-Achsefestgelegt.

Aufgrund fehlender Kalibrierproben kann der Fasergehaltder einzelnen Würfel nur relativ zueinander angegebenwerden. Dies reicht im Allgemeinen für vergleichende Be-trachtungen aus. Alternativ können die Fasern durch Zer-trümmerung der Probe rückgewonnen und für Kalibrier-messungen genutzt werden. Tab. 6 zeigt hierzu die Messre-sultate der Würfel des herausgeschnittenen Balkens Nr. 1,vgl. Bild 12. Der mittlere Anteil der Faserorientierung in derjeweiligen Raumrichtung der Würfelprobe korrespondiertmit dem prozentualen Anteil der gemessenen Induktions-spannung. Je größer die Induktionsspannung ist, umsomehr Fasern sind in der jeweiligen Achse ausgerichtet. Füralle sechs Würfel wurde festgestellt, dass die Induktions-spannung in x-Richtung die kleinste aller drei Raumrichtun-

gen ist (ca. 14 % im Mittel). Der Einfluss der Ausrichtungsenkrecht zur Rüttelrichtung (x-Achse) ist hierbei deutlichzu erkennen. Die Vorzugsrichtungen sind in diesem Bei-spiel die y- und die z-Achsen (horizontale Ebene). Bei weite-ren Messungen an Bohrkernproben anderer Fertigteileoder auch aus Industriefußböden wurde diese Vorzugsrich-tung der Stahlfaserausrichtung ebenfalls festgestellt.

5.3 Anwendungsbeispiel UHPC

Hochleistungsbetonen, wie ultrahochfestem Beton(UHPC), werden insbesondere zur Vermeidung des sprö-den Verhaltens Stahl- und Kunststofffasern zugegeben. Ty-pisch sind dabei Stahlfasergehalte von über 100 kg/m³ Be-ton. Da beim Induktionsmessverfahren nur Metall fasernerfasst werden, kann das Messverfahren ebenfalls für dieBestimmung des Gehalts und der Orientierung von Stahl-fasern im UHPC eingesetzt werden. In Bild 13 sind hierzudie Kalibrierkurven von zwei verschiedenen hochfestenBetonen mit unterschiedlichen Fasertypen angegeben. DieMessungen erfolgten in Vorbereitung der Frischbetonmes-sungen auf der Baustelle. Die Kalibrierkurven verlaufenbereichsweise nichtlinear. Aus der Darstellung wird er-sichtlich, dass das Induktionsmessverfahren nach entspre-chender Kalibrierung uneingeschränkt auch für höhere Fa-sergehalte des Stahlfaserbetons eingesetzt werden kann.

5.4 Schlussfolgerungen für die Praxisanwendung

Die eigenen Untersuchungen sowie weitere unabhängigeVergleichsmessungen anderer Verfasser [8, 9, 11, 13, 23] zei-gen die Praxistauglichkeit des Messverfahrens. Die Unterschiede bei der Bestimmung der Faserorientierungzwischen dem optoanalytischen Verfahren von TUE et al.[8] und dem Induktionsmessverfahren sind vorhanden,aber vermutlich im Wesentlichen auf den Unterschied zwi-schen Volumen- und Schnittflächenauswertung zurückzu-führen. Die in [13] vorgestellten Untersuchungen zeigen dieprinzipielle Funktion des Induktionsmessverfahrens auchbei magnetischen Betongesteinskörnungen. In diesem Fallmuss allerdings eine zusätzliche Referenzmessung des Be-tons ohne Stahlfaserzugabe erfolgen, um den Induktions-anteil der Gesteinskörnungen herausrechnen zu können.

Bild 12 Seitenansicht des untersuchten vorgespannten Stahlfaserbetonbau-teils mit ProbenanordnungSide view of the investigated prestressed FRC-member with samplepositions

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Mitt

elw

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ive

Indu

ktio

nssp

annu

ng [V

]

Stahlfasergehalt [kg/m³]

Typ 1: d=0,15mm, l=6mm, 3000N/mm²Typ 2: d=0,15mm, l=13mm, 3000N/mm²

UHPC-Fasern

Bild 13 Kalibrierkurven von zwei unterschiedlichen Stahlfasertypen für UHPCCalibration data of two different steel fiber types for UHPC-application

Tab. 6 Faserorientierung und relativer Stahlfasergehalt der sechs WürfelprobenFiber orientation and relative steel fiber dosage of six concrete testcubes

Probe x-Achse y-Achse z-Achse rel. Fasergehalt Nr. [%] [%] [%] [%]

1.1 16,5 31,7 51,8 107,80 %

1.2 13,1 47,6 39,2 105,70 %

1.3 11,9 53,1 34,9 102,70 %

1.4 11,9 64,7 23,4 93,50 %

1.5 15,5 59,9 24,6 93,50 %

1.6 14,8 56,1 29,1 94,50 %



FACH

THEM

A A

RTICLE

Literatur

[1] HOLSCHEMACHER, K.; DEHN, F.; KLUG, Y.: Grundlagen desFaserbetons. In: BERGMEISTER, K.; FINGERLOOS, F.; WÖR-NER, J. (Hrsg.): Betonkalender 2011, Teil 2, Berlin: Ernst &Sohn 2011, S. 19–88.

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Für eine praktische Anwendung darf die Probe im Ver-hältnis zum Innenraum des Sensors nicht zu klein sein,da sonst die Sensitivität, bedingt durch eine zu kleine Fa-sermenge, zu stark sinkt. Für den Standardsensor mit ei-nem Innenmaß von 16 × 16 × 16 cm³ (4,1 Liter) könnenProben mit einem Mindestvolumen von ca. 1 Liter (z. B.Würfel mit 10 cm Kantenlänge) untersucht werden. BeiIgelbildung oder starker Ungleichverteilung in der unter-suchten Probe kann es zu größeren Messabweichungenkommen. Genauere Aussagen zur Schichtung bzw. räum-lichen Verteilung innerhalb der Probe sind aber durchZersägen der Probe und induktive Untersuchung der Teil-stücke möglich. Bei der Bestimmung des Stahlfaser -gehalts ist stets eine ausreichend große Anzahl von Pro-bekörpern erforderlich, um eine konkrete Aussage zur Faserorientierung und Fasermenge treffen zu können. Kalibrierungen selbst erstellter „Fasercocktails“ aus ver-schiedenen Fasertypen sind möglich, hierbei ist jedochauf eine gute Durchmischung der Fasern zu achten.

Um die Messgenauigkeit sicherzustellen und die korrekteStahlfasermenge bestimmen zu können, müssen bei denMessungen folgende Randbedingungen eingehalten wer-den, da ansonsten die Messgenauigkeit des Verfahrens zustark beeinträchtigt wird [33]:

– Keine magnetischen Materialien im Einflussbereichdes Sensors. Ein Mindestabstand von 60 cm zu metal-lischen Gegenständen, Stromleitern und Maschinenist einzuhalten.

– Realistische Faserverteilung innerhalb der Probe. – Die Probe ist stets mittig ausgerichtet im Sensor zu

platzieren.– Berücksichtigung der Probentemperatur.– Eingabe des Probenalters (Zeit seit der Betonage).– Korrekte Probenvorbereitung und -lagerung.– Korrekte Auswahl des Faserprofils. – Einhaltung des Kalibrierbereichs des Faserprofils und– Kontrolle der Gültigkeit des Faserprofils über Kon-

trollmessung.

6 Zusammenfassung und Ausblick

Die zunehmende Verwendung von stahlfaserbewehrtenBetonbauteilen macht die Überwachung des Stahlfaser -

gehalts bei der Erstellung und der Schadensbeurteilungvon Bauwerken notwendig. Bisher ließ sich der Stahl -fasergehalt an Frisch- und Festbetonproben nur durch re-lativ aufwendige Verfahren (Auswaschen der Fasern oderZerstörung der Probe, Herauslösen mit Handmagnet,Wägung) bestimmen. Am iBMB/MPA der TU Braun-schweig wurde zur Bestimmung des Stahlfasergehalts imBeton ein alternatives Verfahren entwickelt, das die mag-netische Induktion ferromagnetischer Materialien aus-nutzt. Dieses Messverfahren wurde von der Hertz Sys-temtechnik GmbH Delmenhorst im Stahlfasermessgerät„BSM100“ zur Einsatzreife gebracht. Es erlaubt die Be-stimmung des Gehalts und der Orientierung von Stahl -fasern im Frischbeton sowie in Betonwürfeln und Bohr-kernen. Die Untersuchungszeit der Probe beträgt hierbeinur ca. drei Minuten, wodurch eine zeitnahe Unter -suchung größerer Probenmengen oder eine produktions-begleitende Untersuchung auf der Baustelle während derBetonage möglich werden. Hierdurch wird erstmals eine lückenlose und umfassende Überwachung der Baumaß-nahme in Echtzeit realisierbar.

Da mit dem „BSM100“ auch Bohrkerne untersucht wer-den können, erhält der Anwender zudem die Möglich-keit, im Rahmen der nachträglichen Untersuchung oderbei der Schadensbeurteilung an geschädigten Bauwerkenund Bauteilen den Fasergehalt und die Faserorientierungder Bohrkernproben zu bestimmen. Die zeit- und kosten-aufwendige Zerstörung der Probe zur Bestimmung desFasergehalts oder die mit noch mehr Aufwand verbunde-ne Röntgenuntersuchung zur Bestimmung der Faserori-entierung sind nicht mehr notwendig.

Die im Beitrag aufgeführten exemplarischen Anwendungenzeigen die breiten Anwendungsmöglichkeiten in der Bau-praxis. Gegenwärtige Forschungsaktivitäten befassen sichmit der Erweiterung und Optimierung des Verfahrens fürden zerstörungsfreien in-situ-Einsatz direkt am Bauwerk.

Dank

Die Autoren möchten der Firma Hertz SystemtechnikGmbH Delmenhorst für die langjährige gute Zusammen-arbeit und für die Zurverfügungstellung der Messtechnikdanken.



463–470, Teil 2: Beton 34 (1984) H. 12, S. 502–504, Teil 3:Beton 35 (1985) H. 1, S. 27–32.

[8] TUE, N. V.; HENZE, S.; KÜCHLER, M.; SCHENCK, G.; WILLE,K.: Ein optoanalytisches Verfahren zur Bestimmung der Fa-serverteilung und –orientierung in stahlfaserverstärktemUHFB. Beton- und Stahlbetonbau 102 (2007), H. 10, S.674–680.

[9] ROSENBUSCH, J.: Einfluss der Faserorientierung auf die Be-anspruchbarkeit von Bauteilen aus Stahlfaserbeton. Beton-und Stahlbetonbau 99 (2004), H. 5, S. 372–377.

[10] MÜLLER, H. S.; REINHARDT, H.-W.: Beton. In: BERGMEIS-TER, K.; FINGERLOOS, F.; WÖRNER, J. (Hrsg.): Betonkalen-der 2009, Teil 1, Berlin: Ernst & Sohn 2009, S. 2–149.

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[12] EMPELMANN, M.; TEUTSCH, M.; WICHERS, M.: Baukon-struktionen aus Faserbeton. In: BERGMEISTER, K.; FINGER-LOOS, F.; WÖRNER, J. (Hrsg.): Betonkalender 2011, Teil 2,Berlin: Ernst & Sohn 2011, S. 89–140.

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[14] http://www.ibmb.tu-braunschweig.de/docpool/reports/KaF-2012-15.pdf.

[15] DIN EN 14721:2007–12: Prüfverfahren für Beton mit me-tallischen Fasern – Bestimmung des Fasergehalts in Frisch-und Festbeton; Deutsche Fassung EN 14721:2005+A1:2007, Berlin: Beuth 2007.

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Autoren

Dr.-Ing. Alexander [email protected]

Dipl.-Ing. Hans-Joachim [email protected]

Technische Universität Braunschweig Institut für Baustoffe Massivbau und Brand-schutz (iBMB) und Materialprüfanstalt fürdas Bauwesen (MPA)Beethovenstraße 5238106 Braunschweig

Prof. Dr.-Ing. Harald [email protected]

Documents

Ein praxisgerechtes Messverfahren zur Bestimmung der Fasermenge und -orientierung im Stahlfaserbeton