Autor: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. rer. nat. Käßner (COBET Ingenieurbüro)

Normen:

• Bewertung der Druckfestigkeit von Beton in Bauwerken oder in Bauwerksteilen; Deutsche Fassung EN 13791:2007

Patente: DE 196 29 485

Mit dem Ultraschall-Messgerät Consonic zur kontinuierlichen und diskontinuierlichen Messung der Betondruckfestigkeit, steht dem Baupraktiker erstmalig ein zuverlässiges Prüfsystem zur exakten Kennzeichnung des Erhärtungsfortschrittes an Betonteilen und damit zielsicheren Steuerung von Bauabläufen unterschiedlichster Art zur Verfügung.

Mit der Entwicklung einer innovativen Mess- und Auswertemethode zur Bestimmung der Betondruckfestigkeit durch Ultraschall-Laufzeitmessungen wird

• einerseits der Anwendungsbereich der Ultraschall-Messtechnik erheblich erweitert und

• andererseits erstmalig eine Methode zur zerstörungsfreien, direkten und kontinuierlichen Bestimmung von Betondruckfestigkeiten verfügbar.

Kontinuierliche Messungen sind aufgrund der erforderlichen andauernden und reproduzierbaren Kopplung zwischen Beton und Prüfköpfen mit Tauchsonden (in den frischen Beton einzusetzen, direkte Durchschallung) durchführbar. Für bereits in der Erhärtung befindliche oder schon erhärtete Betone sind diskontinuierliche Messungen mit flächigen oder spitzen Prüfköpfen möglich (Standard bzw. Tastprüfköpfe, direkte und indirekte Durchschallung oder Messung an einer Oberfläche). Dabei ist zu beachten, das die Genauigkeit der Prüfergebnisse durch Austrocknung des Betons oder eventuelle Schädigungen abnimmt. Die Messungen sind in gleicher Weise auch an Mörtel oder Zementleim durchführbar.

Damit werden speziell die kritischen Erhärtungsdruckfestigkeiten des Betons, die in Form von Würfeldruckfestigkeiten die interessierenden Bauteile nicht adäquat charakterisieren können, nahezu beliebig zugängig. Da ein 6-Kanalgerät verfügbar ist, können beispielsweise sechs verschiedene Eignungsprüfungen im Labor gleichzeitig getestet oder aber bis zu sechs unterschiedliche Messpunkte in einem Bauteil erfasst werden (Messpunkte bis zu 15m Entfernung vom Gerätestandort in jeder Richtung). Je nach Messbedingungen sind Druckfestigkeitsbestimmungen im Bereich von 1 bis über 60 N/mm² zugängig.

Damit wird der Gesamtbereich interessierender Erhärtungsdruckfestigkeiten für Ort- und Fertigteilbetone zugängig, beginnend bei geringen Frühfestigkeiten von Spritzbetonen oder auch Spritzzementen über Ausschal- und Abhebefestigkeiten bis zu Vorspannfestigkeiten und aus weiteren Gründen interessierende Festigkeiten, z.B. der Frühfestigkeit eines Straßenbetons. Entsprechende Untersuchungen über Ausschaltermine von Ortbetonwänden, die Festigkeitsverteilung an wasserundurchlässigem Beton (weiße Wanne), die Optimierung der Fertigteilproduktion über die Erfassung der Abhebefestigkeit und die Festigkeitsentwicklung von Spritzbetonen sind bekannt. Die Geräteausführung erlaubt dazu über die Alarmfunktion die Signalisierung von Vorgabewerten wie Festigkeiten oder gemessener Temperaturen (z.B. Frostgefahr) für weitere technologische Schritte. Weitere Möglichkeiten sind die Vorbereitung von Messungen vor Betonierbeginn oder der Abruf von Daten durch Übertragung mit DFÜ oder LAN. Die Software gestattet Eingriffe zur Anpassung von Parametern an eine  außergewöhnliche Betonzusammensetzung (z.B. Microsilicabeton oder atypische Zuschläge) zu jeder Zeit während oder nach einer Messung.

Die Bewertung der Methode, insbesondere der Auswertung der Ultraschall-Geschwindigkeit zur Bestimmung der Betondruckfestigkeit, steht im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik. Danach lassen sich allgemeingültige funktionale Zusammenhänge zwischen Ultraschall-Geschwindigkeit und Betondruckfestigkeit nicht auffinden, weshalb die Bestimmung der Druckfestigkeit jeweils objektbezogene Korrelationsuntersuchungen auf der Basis zerstörender und zerstörungsfreien Untersuchungen erfordert.

Allgemeingültige Beziehungen lassen sich jedoch finden, wenn die Auswertung der Ultraschall-Geschwindigkeit auf der Grundlage eines Werkstoffmodells erfolgt.

Diese Auswertung erfordert die Kenntnis der Rezeptur des gemessenen Betons, weil sowohl der Beitrag der Zementsteinmatrix als auch der Zuschlag zur Schallgeschwindigkeit im Beton bewertet werden muss.
Die Schallgeschwindigkeiten der geläufigen Zuschläge des Normalbetons gehen weitestgehend als Konstant in die Berechnung ein. Spezielle Zuschläge erfordern jedoch die Kenntnis über ihre Schallgeschwindigkeit.

Für weitere Besonderheiten der Ultraschall-Messungen an Betonen wie Schallausbreitung über Bewehrung oder Schalung, Ankopplung der Prüfköpfe und Signalerkennung bei ungünstigen Intensitätsverhältnissen enthält das Gerät einerseits spezielle messtechnische Lösungen, andererseits sind bei den Messungen natürlich prinzipielle Zusammen- hänge der Ultraschall-Messtechnik, z.B. zwischen Ultraschallfrequenzen und Objektabmessungen, zu beachten.

Bei der Beurteilung von Ergebnissen im Vergleich zu Würfeldruckfestigkeiten müssen Größe und Ursache der Streuung der Ergebnisse beider Methoden beachtet werden. Der Nachweis, dass bei weitgehendem Ausschluss von Qualitätsstreuungen die durch Ultraschall-Messungen bestimmten Druckfestigkeiten sich nicht signifikant von Würfeldruckfestigkeiten unterscheiden, lässt sich unter Laborbedingungen führen. Die zwischen der zerstörenden Würfelprüfung und der Ultraschallprüfung an Bauteilen infolge unterschiedlicher Erhärtungstemperaturen auftretenden Festigkeitsunterschiede sind im Gegensatz dazu logisch, ihre Erfassung ist ja gerade die Zielstellung der zerstörungsfreien Prüfung.

Unter Beachtung dieser Voraussetzungen kann man davon ausgehen, dass bei ordnungsgemäßen Messungen und genauer Rezepturkenntnis die Abweichungen zwischen den zerstörend und zerstörungsfrei gemessenen Druckfestigkeiten im Bereich von 10 bis 50 N/mm² in der Regel um nicht mehr als +-10% abweichen (meist viel geringer), wenn

• die Würfeldruckfestigkeit als Mittelwert aus >/- 3 Prüfkörpern vorliegt,

• die Ultraschall-Geschwindigkeit als Mittelwert von >/- 3 Messstellen bestimmt wurde,

• die Erhärtungstemperaturen von Würfel und Ultraschall-Messobjekt annähernd gleich sind,

• die Ultraschall-Geschwindigkeit mittels direkter Durchschallung gemessen wurde.

Die zu erwartende Festigkeitsentwicklung wird auf der Grundlage der gemessenen Festigkeiten und einer integrierten Temperaturmessung als Prognoserechnung angeboten. Diese informiert mit dem Zeitpunkt beginnend, zu dem der Beton 25% seiner aufgrund der Rezeptur zu erwartenden 28-Tage-Festigkeit erreicht hat, über die weitere Festigkeitsentwicklung bis zum 28. Tag.