Impact of Microstructural Changes in Concrete on Coda Waves

Die Zustandsüberwachung von Betonbauwerken ist aus Gründen der Sicherheit und Wirtschaftlichkeit eine gesamtgesellschaftliche Aufgabe, bei der zunehmend Techniken aus dem Bereich der zerstörungsfreien Prüfung zum Einsatz kommen. Eine vielversprechende Technik im Bereich der Dauerüberwachung von Strukturen aus heterogenen Materialien wie Beton oder Stahlbeton ist die Codawelleninterferometrie, da sie sensitiv gegenüber kleinsten Änderungen im Material ist und daher als Frühwarnsystem für auftretende Schäden in Frage kommt. Die Technik basiert auf dem Vergleich zweier Wellenformen im Ultraschallbereich, aus dem eine Geschwindigkeitsänderung abgeleitet werden kann. Diese ist aufgrund der großen Streuung in heterogenen Medien in spät eintreffenden Wellenpaketen, der sogenannten Coda, besonders gut messbar und auflösbar. Ziel der Studie war es, die Beziehungen zwischen instationären Einflüssen, d. h. durch Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und externe Spannungsänderungen, auf die G eschwindigkeitsänderung von sich in Beton ausbreitenden Codawellen zu untersuchen. Zudem wurden die Langzeitphänomene Schwinden, Kriechen und die Hydratation mittels der Geschwindigkeitsänderung charakterisiert. Die in drei Artikeln veröffentlichten Untersuchungen zeigten, dass Temperatur- und Spannungsänderungen im elastischen Bereich linear mit der Geschwindigkeitsänderung der Coda zusammenhängen. Die Wechselwirkung von Temperatur und Feuchte hingegen führte zu einer nichtlinearen Änderung der Geschwindigkeit der Coda. Außerdem wurde gezeigt, dass die Prozesse Schwinden, Kriechen und Hydratation neben konventionellen Messtechniken auch mit der Codawelleninterferometrie beschreibbar sind.

Monitoring the condition of concrete structures is a macrosocial task for safety and economic reasons that increasingly uses techniques from the field of non-destructive testing. A promising technique for structural health monitoring of heterogeneous materials such as concrete or reinforced concrete is coda wave interferometry, as it is sensitive to even weak changes in the material and can therefore be used as an early warning system for damage. The technique is based on comparing two ultrasonic wave forms to derive a change in velocity. The change is particularly well measurable and resolvable in heterogeneous media due to strong scattering in late arriving wave packages, the coda. The objective of the study was to investigate the relationships between transient impacts, such as temperature, relative humidity, and external stress changes, on the velocity change of coda waves propagating in concrete. Furthermore, long-term phenomena such as shrinkage, creep, and hydration were ch aracterized using the relative velocity change. The investigations published in three articles showed that temperature and stress changes in the elastic range are linearly related to the velocity change of the coda. The interaction of temperature and humidity, on the other hand, led to a non-linear change. Furthermore, the results demonstrated that shrinkage, creep, and hydration can be described not only by conventional measurement techniques but also by means of coda wave interferometry.