DE102004061066B3

DE102004061066B3 - Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses von Wasser zu Zement, das beim Anmachen eines Baustoffes, der eine Matrix aus Zementstein und einen darin eingebetteten Zuschlag umfasst, eingestellt wurde

Info

Publication number: DE102004061066B3
Application number: DE200410061066
Authority: DE
Inventors: Marcus Hammer; Günter BEUCHLE; Peter Dr. Stemmermann
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2004-12-18
Filing date: 2004-12-18
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2024-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses von Wasser zu Zement, das beim Anmachen eines Baustoffes, der eine Matrix aus Zementstein und einen darin eingebetteten Zuschlag umfasst, eingestellt wurde. DOLLAR A Hierfür wird zunächst eine Probe aus dem Baustoff bereitgestellt und hierauf eine Farbstofflösung aufgebracht, wodurch diejenigen Bereiche auf der Oberfläche der Probe, in denen Zementstein vorliegt, durch Reaktion der Farbstofflösung mit im Zementstein enthaltenen Calciumverbindungen zu einem calciumhaltigen Komplex eingefärbt werden, wobei die Farbstofflösung und deren pH-Wert so gewählt werden, dass sich die Farbe innerhalb dieser Bereiche von der Farbe außerhalb dieser Bereiche unterscheidet. Der relative Flächenanteil der eingefärbten Bereiche gibt das Verhältnis von Zementstein zu Zuschlag in der Probe an. DOLLAR A Anschließend wird das beim Anmachen des Baustoffs eingestellte Verhältnis von Wasser zu Zement bestimmt, indem auf einem Bild der Oberfläche der Probe die dem Zuschlag entsprechenden Bereiche maskiert werden, dann der durchschnittliche Farbwert der dem Zementstein entsprechenden Flächen ermittelt und mit tabellierten Werten verglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses von Wasser zu Zement, das beim Anmachen eines Baustoffes, der eine Matrix aus Zementstein und einen darin eingebetteten Zuschlag umfasst, eingestellt wurde.
Beton enthält die beiden Hauptbestandteile Zementstein und Zuschlag. Die Bestimmung des Anteils an Zuschlag ist vor allem für die Schadensanalyse oder beim Baustoffrecycling wichtig. Der w/z-Wert, der durch das Verhältnis von Wasser zu Zement, das beim Anmachen des Betons eingestellt wird, definiert ist, besitzt einen großen Einfluss auf die Eigenschaften des Betons.

Nach DIN 52 170 wird die Zuschlagsmenge bestimmt, indem der Zementstein in konzentrierter Salzsäure HCl aufgelöst wird. Die nichtlöslichen Bestandteile des Betons werden gewogen und hieraus die Zuschlagsmenge bestimmt. Falls kalkstein- bzw. dolomithaltiger Zuschlag vorhanden ist, wird darüber hinaus der Kohlendioxid- und der Magnesiumoxidgehalt des Betons bestimmt und hieraus die äquivalente Kalkstein- bzw. Dolomitmenge ermittelt. Die angegebene Fehlerquote liegt oberhalb von 5%.

Die JP 57 077 962 A offenbart ein Verfahren zur Analyse von Baustoffen. Hierzu wird von einer mit Salzsäure behandelten Probe ein Abdruck aus weißem Gips erstellt und in die heraus gelösten Stellen schwarze Farbe eingefüllt. Das sich ergebende schwarz-weiße Muster wird mit Bildverarbeitung ausgewertet.

Aus der JP 91 78 736 A ist ein Verfahren zur Betonüberwachung bekannt. Hierzu wird zunächst Zementstein aus der Probe herausgeätzt, die verbleibenden Aggregate werden pigmentiert und anschließend in die heraus gelösten Stellen Pulver eingefüllt. Die so hergestellte Probe wird ebenfalls mit Bildverarbeitung ausgewertet.

Die DE 39 23 040 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Zement- und Zuschlagsgehalts erhärteter Zementbetone. Hierzu wird eine Probe zunächst bei 450–480°C geglüht, dann in flüssigen Stickstoff getaucht und anschließend der Zementstein durch Lösen in kalter Carbonsäure vom Zuschlag getrennt. Durch die Auflösung des Zementsteines wird der Zuschlag teilweise angegriffen und verändert, so dass der analysierte Stoff nicht mehr der ursprünglichen Zusammensetzung entspricht. Dies ist insbesondere bei nicht säureresistenten Zuschlägen wie z. B. Kalkstein der Fall.

Aus G. M. Friedmann, Identification of carbonate minerals by staining methods, Jour. Sedimentary Petrology, Vol. 29, 1959, Seite 87–97, ist bekannt, Alizarinrot S bei verschiedenen pH-Werten zur Unterscheidung von natürlich vorkommenden Carbonatmineralien einzusetzen.

Die ES 2 192 963 A1 offenbart ein Verfahren zur quantitativen Analyse eines Baustoffes, der eine Matrix aus Zementstein und einen darin eingebetteten Zuschlag umfasst, bekannt, das folgende Schritte umfasst:

– Bereitstellen einer Probe aus dem Baustoff,
– Aufbringen einer Farbstofflösung auf die Oberfläche der Probe, wodurch diejenigen Bereiche auf der Oberfläche, in denen Zementstein vorliegt, durch Reaktion der Farbstofflösung mit im Zementstein enthaltenen chemischen Verbindungen wie Eisen oder Silikate zu einem farbigen Komplex eingefärbt werden, wobei die Farbstofflösung so gewählt wird, dass sich die Farbe innerhalb dieser Bereiche von der Farbe außerhalb dieser Bereiche unterscheidet,
– Ermitteln des relativen Flächenanteils der eingefärbten Bereiche auf der Oberfläche der Probe, woraus sich der in der Probe enthaltene Anteil an Zementstein ergibt.

Aus Y. Efes, Bildanalytische Bestimmung der Festbetonzusammensetzung, Betonwerk + Fertigteil-Technik, 1988, Band 11, S. 86–91, ist ein Verfahren zur eines Baustoffes, der eine Matrix aus Zementstein und einen darin eingebetteten Zuschlag umfasst, bekannt, bei dem ein Probenkörper angeschliffen und mit einer Füllmasse aus Spannlack, Aceton und einem Pigment behandelt wird. Hierzu wurde ein weißes Pigment verwendet, da die Füllmasse dann heller war als die hellsten Zuschlagkörner und dadurch detektierbar war.

U. H. Jakobsen, P. Laugesen und N. Thaulow beschreiben in Determination of Water to Cement Ratio in hardened concrete by optical fluorescence microscopy, Bulletin No. 69, ACI Fall Convention, Los Angeles, California, 1998, und in U.H. Jacobsen, P. Laugesen und N. Thaulow, Determination of water-cement ratio in hardened concrete by optical fluorescence microscopy, American Concrete Institute, SP (2000), SP 191 (Water-Cement Ratio and Other Durability Parameters – Techniques for Determination), S. 27–41, ein Verfahren zur Bestimmung des w/z-Werts an ausgehärtetem Beton durch vergleichende Ermittlung der Porosität. Hierzu wird die Zementstein- oder Betonprobe im Vakuum mit fluoreszierendem Epoxidharz imprägniert. Aus der imprägnierten Oberfläche wird dann ein 20 μm dicker, planparalleler Dünnschliff hergestellt, der unter dem Polarisationsmikroskop im Durchlicht mit Standardwerten verglichen wird. Obwohl dieses Verfahren aufwendig und ungenau ist und das Vorhandensein der jeweiligen Rohmaterialien für den jeweiligen Beton voraussetzt, hat es sich in den Skandinavischen Ländern als Standard durchgesetzt. Die Genauigkeit des Verfahrens wird mit 3% angegeben.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses von Wasser zu Zement, das beim Anmachen eines Baustoffes, der eine Matrix aus Zementstein und einen darin eingebetteten Zuschlag umfasst, eingestellt wurde, vorzuschlagen, das die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gemäß Verfahrensschritt a) zunächst aus dem zu untersuchenden Baustoff eine Probe hergestellt, deren Oberfläche hinreichend eben ist. Hierzu werden aus einem Bohrkern z. B. mittels einer Diamantsäge Scheiben gesägt, ggf. auf ein Format zugeschnitten und anschließend deren Oberfläche gereinigt.

Für die vorliegende Untersuchung eignen sich in erster Linie Betone. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich aber genauso gut auf Kornfraktionen aus der Betonaufbereitung, die in ein Medium wie z. B. Kunstharz eingebettet sind, anwenden.

Gemäß Verfahrensschritt b) wird auf die Oberfläche der Probe eine Farbstofflösung so aufgebracht, dass sich durch Reaktion mit im Zementstein immer enthaltenen Calciumverbindungen auf Bereichen der Oberfläche der Probe ein farbiger calciumhaltiger Komplex bildet. Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass sich die Farbe in denjenigen Bereichen, in denen der auf diese Weise gebildete calciumhaltige Komplex vorliegt, von der Farbe derjenigen Bereiche unterscheidet, die frei von den calciumhaltigen Komplexen bleiben. Dies ermöglicht eine Unterscheidung des mit der Farbstofflösung eingefärbten Flächenanteils vom ungefärbten Flächenanteil. Diese Unterscheidungsfähigkeit wird dadurch gewährleistet, dass eine Farbstofflösung mit einem bestimmten pH-Wert ausgewählt wird, bei deren Anwendung sich die Farbe derjenigen Bereiche auf der Oberfläche der Probe, in denen sich die calciumhaltigen Kom plexe bilden, von der Farbe der hiervon frei bleibenden Bereiche unterscheidet.

Besonders geeignet ist die Einfärbung der Schnittoberflächen der Probe mit einer Farbstofflösung, die einen Alizarinfarbstoff, insbesondere Alizarinrot S (Natrium-1,2-Dihydroxyanthraquinone-3-sulfonat oder C₁₄H₇NaO₇S·H₂O) , kurz ARS, umfasst, wodurch sich selektiv die beim Abbinden des Zements im Zementstein entstehenden Calciumminerale wie z.B. Portlandit oder Calcium-Silikat-Hydrat-Phasen (CSH-Phasen) färben. Der quarzitische Zuschlag färbt sich mit ARS grundsätzlich nicht.

Solange der Baustoff nur quarzitischen Zuschlag umfasst, wird dieses Verfahren daher besonders bevorzugt mit einer ARS-Lösung, die einen pH-Wert unterhalb von 3, besonders bevorzugt annähernd 1 aufweist, durchgeführt.

Sind jedoch Kalkstein oder Dolomit als Zuschlag vorhanden, so muss der pH-Wert der ARS-Lösung so angepasst werden, dass der Zuschlag nicht gleichzeitig mit dem Zementstein eingefärbt wird, da es für das erfindungsgemäße Verfahren ja entscheidend auf einen Farbunterschied zwischen Zementstein und Zuschlag ankommt. In diesem Fall wird hierfür vorzugsweise eine ARS-Lösung eingesetzt, die einen pH-Wert oberhalb von 6, besonders bevorzugt zwischen 10 und 14, insbesondere annähernd 12, aufweist. In diesem Bereich liegt der pH-Wert des Zementsteins selbst, so dass hierdurch etwaige säurebedingte Lösungsprozesse vermieden werden.

Nach der Einfärbung gemäß Verfahrensschritt b) wird ein vorzugsweise farbiges Bild der eingefärbten Oberfläche der Probe z. B. mit einem Stereomikroskop aufgenommen. Das Originalbild _wird vorzugsweise in den so genannten CIE-L*a*b*-Farbraum der Commission Internationale de l'Eclairage (CIE), Wien, 1986, umgerechnet. Hierbei beschreiben die Werte der Parameter

L*: die Helligkeitsempfindung,
a*: die Rot-/Grün-Empfindung, wobei a* > 0 eine rote und a* < 0 eine grüne Empfindung und
b*: die Gelb-/Blau-Empfindung, wobei b* > 0 eine gelbe und b* < 0 eine blaue Empfindung

jeweils der Netzhaut des menschlichen Auges.

Anschließend wird entsprechend Verfahrensschritt c) der relative Flächenanteil derjenigen Bereiche auf der Oberfläche der Probe, die die Farbe des calciumhaltigen Komplexes aufweisen, z. B. mit rechnergestützter Bildverarbeitung ermitt_elt. Aus diesen Aufnahmen ergibt sich der relative Flächenanteil des Zementsteins, woraus sich unter der Annahme, dass sich beide Flächenanteile zu 100% ergänzen, direkt das Verhältnis von Zementstein zu Zuschlag berechnen lässt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung setzt sich Verfahrensschritt c) aus einer Reihe von einzelnen Verfahrensschritten c1) c6) bis zusammen, die im Folgenden erläutert werden.

Zunächst wird gemäß Schritt c1) der Rot-Grün-Farbwert (CIE-a*-Wert) eines jeden Bildpunkts (Pixels) des aufgenommenen Bildes der eingefärbten Oberfläche der Probe im a*-Farbkanal des CIE-L*a*b*-Farbraums erfasst oder aus einer Aufnahme aus dem RGB-Farbraum (R = rot, G = grün, B = blau) hierin umgerechnet. Da der a*-Farbkanal, der die Rot-Grün-Farbwerte der einzelnen Bildpunkte enthält, nur einen sehr schmalen Bereich nutzt, werden die Bildpunkte im a*-Farbkanal gemäß Schritt c2) zur Kontrastverstärkung so modifiziert, dass der gesamte a*-Farbkanal besser ausgenutzt wird. Dadurch erscheint auf dem zugehörigen Bild der mit ARS eingefärbten Oberfläche der Probe der ehemals dunkelweinrote Zementstein intensiv hellrot; der Zuschlag weist nun eine grünblaue Färbung auf.

Hieran anschließend wird die Aufnahme in eine sog. Schwarz-Weiß-Bitmap umgewandelt. Hierzu wird das wie oben beschrieben modifizierte Bild gemäß Schritt c3) wieder in den RGB-Farbraum zurückgerechnet und der Grünkanal zur weiteren Auswertung benutzt. Im Gegensatz zum ursprünglichen Grünkanal lässt sich im RGB-Farbraum nun gemäß Schritt c4) ein Schwellenwert festlegen, der zur Trennung zwischen rot und grün, d.h. zwischen Zuschlag und Zementstein genutzt werden kann.

Jeder Bildpunkt, dessen Grünwert größer als der festgelegte Schwellenwert ist, wird dann gemäß Schritt c5) auf einen ersten Farbwert, bevorzugt Weiß, gesetzt. Ebenso wird jeder Bildpunkt, dessen Grünwert geringer als der Schwellenwert ist, auf einen zweiten Farbwert, der sich vom ersten Farbwert unterscheidet, bevorzugt schwarz, gesetzt. Das Ergebnis ist ein Bild, das nur aus zwei Farbwerten besteht, bevorzugt ein reines Schwarz-Weiß-Bild.

Schließlich wird dieses Bild nun gemäß Schritt c6) ausgewertet. Hierzu wird der relative Flächenanteil der beiden Farbwerte, bevorzugt Schwarz zu Weiß, ermittelt, wodurch sich das Verhältnis von Zementstein zu Zuschlag ergibt.

In einer besonderen Ausgestaltung werden während oder nach Verfahrensschritt c6) die Anzahl der ausgewerteten Einzelflächen ermittelt, wodurch sich die Anzahl der Zuschlagskörner ergibt. Ebenso lassen sich hiermit die Größenverteilung und Einzeldurchmesser der Zuschlagskörner ermitteln.

Mit den Verfahrensschritten a) bis c) werden die Voraussetzungen geschaffen, um den w/z-Wert eines Baustoffs zu ermitteln. Der w/z-Wert beeinflusst vor allem die Porenstruktur des Zementsteines. Sobald der w/z-Wert größer als 0,4 wird, ist im Beton überschüssiges Wasser vorhanden, das dort Poren in der Größe zwischen 0,1 μm und 10 μm bildet. Mit zunehmendem w/z- Wert wird der Zementstein immer poröser. In der Praxis wird wegen der Verarbeitbarkeit des Betons ein w/z-Wert zwischen 0,45 und 0,55 eingestellt.

Die Farbreaktion von ARS mit den verschiedenen Zementsteinphasen ist oberflächengebunden. Der begrenzende Faktor für die Farbreaktion ist die zur Verfügung stehende Oberfläche, so dass bei einem hohem w/z-Wert, also hoher Porosität und damit großer Oberfläche eine intensivere Färbung eintritt. Zementstein mit einem w/z-Wert von 0,4 ist theoretisch porenfrei, bei einem w/z-Wert von 0,5 besteht die Oberfläche theoretisch schon zu 12% aus Poren. Die zur Farbreaktion zur Verfügung stehende Oberfläche pro Flächeneinheit wächst also mit dem w/z-Wert. Proben mit hohem w/z-Wert, also hoher Porosität und großer relativer Oberfläche färben sich deshalb intensiver als Proben mit geringerem w/z-Wert. Im gefärbten Zustand nimmt daher mit steigendem w/z-Wert der CIE-a*-Wert in Richtung zu positiven Werten (rot) hin zu.

Im Anschluss an Verfahrensschritt c) werden daher gemäß Verfahrensschritt d) alle als Zuschlag erkannten Bildpunkte maskiert, d.h. bevorzugt auf weiß gesetzt.

Anschließend wird gemäß Verfahrensschritt e) auf dem ursprünglich aufgenommenen farbigen Bild der durchschnittliche Farbwert, bevorzugt der durchschnittliche Rot-Grün-Farbwert (CIE-a*-Wert) gemäß Verfahrensschritt c1), der Fläche, die dem Zementstein entspricht, ermittelt und dann gemäß Verfahrensschritt f) mit Werten aus einer entsprechenden Tabelle verglichen. Hierdurch ergibt sich das Verhältnis von Wasser zu Zement, das beim Anmachen des Betons eingestellt wurde, d.h. der w/z-Wert des untersuchten Baustoffs.

Tabelle 1 gibt den experimentell ermittelten Zusammenhang zwischen dem w/z-Wert und dem CIE-a*-Wert von Zementstein an, der mit ARS bei pH = 12 gefärbt wurde.

Bei bekanntem CIE-a*-Wert (Rot-Grün-Farbwert) lässt sich aus Tabelle 1 der gesuchte w/z-Wert ermitteln. In der Praxis ist hierfür die Bildung des Mittelwerts aus einer Reihe von Versuchen vorteilhaft.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere die folgenden Vorteile auf:

– Es lassen sich schnell und mit relativ geringem Aufwand Ergebnisse gewinnen. Die Zeitspanne zwischen Probennahme und Erhalt des Analyseergebnisses beträgt nur wenige Stunden.
– Nur die Farbstofflösung wird als Verbrauchsmaterial benötigt.
– Das Verfahren lässt sich durch Variation des pH-Wertes leicht an verschiedene Zuschlagsarten (Quarz, Kalkstein, Dolomit) anpassen.
– Die Ergebnisse sind gut reproduzierbar.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 CIE-a*-Wert Histogramm aus der mikroskopischen Aufnahme einer eingefärbten Betonprobe.
2 Berechnetes RGB-G Histogramm der eingefärbten Betonprobe aus 1.
3 Binarisierte Schwarz-Weiß-Aufnahme der eingefärbten Betonprobe aus den 1 und 2.
Laborversuche wurden mit Betonen bekannter Rezeptur bzw. in Kunstharz eingebetteten Kornfraktionen aus der Betonaufbereitung durchgeführt. Die maximale Abweichung des aus den Ausgangsstoffen berechneten Zuschlagsanteils lag bei quarzitischem Zuschlag bei ca. 3%.
Entscheidend für die Präparation ist, dass die Oberfläche der Proben ausreichend eben ist, um eine spätere Analyse zu ermöglichen. Der Sägeschnitt einer Feinsäge mit Diamantsägeblatt erwies sich hierfür als ausreichend, da nur eine geringe Vergrößerung angestrebt wird. Betonproben aus einem Bohrkern wurden in ca. 10 mm dicke Scheiben gesägt und auf ein Format von max. 5·5 cm² zugeschnitten, um sie noch unter dem Mikroskop untersuchen zu können.
Weiterhin muss die Oberfläche frei von Verunreinigungen sein, die bei der Präparation entstehen können. Daher wurden die Proben in einem Ethanolbad für 60 s mit Ultraschall gereinigt, womit sich z. B. Sägerückstände entfernen lassen. Anschließend wurden die Proben für 15 Min. bei 40°C getrocknet, um das Ethanol aus den oberflächlichen Poren zu entfernen. Eine längere und vollständigere Trocknung ist weniger geeignet, da durch Lagerung bei Raumluft die Carbonatisierung des Zementsteins einsetzt und sich bei zu langer Trocknung Risse im Zementstein bilden.
Für die Ermittlung des Zuschlaganteils ist die genaue Farbgebung des Zementsteines unerheblich, entscheidend ist nur ein guter Kontrast zum Zuschlag. Für diese Versuche wurden die folgenden ARS-Lösungen zur Einfärbung der Probe verwendet:

a) ARS1: ARS-Lösung mit pH = 1
b) ARS12: ARS-Lösung mit pH = 12

Die intensivste Färbung des Zementsteins gelingt mit ARS1. Für Betone mit CaCO₃-haltigem Zuschlag kann jedoch keine saure Farblösung verwendet werden, da sich Kalkstein genauso wie Zementstein dunkelrot färbt und so keine Unterscheidung zwischen beiden Materialien möglich ist. In diesem Falle wurde ARS12 benutzt. Bei dieser alkalischen Farblösung färbt sich CaCO₃ nicht mehr, während sich Portlandit Ca(OH)₂, der im nichtcarbonatisierten Zementstein ebenfalls vorhanden ist, violett einfärbt.
Es muss darauf geachtet werden, dass die Betonproben nicht zu lange an der Raumluft lagern, um eine Carbonatisierung der Oberfläche zu verhindern. Beim Einsatz von ARS1 genügt eine kurze Färbedauer von 60 s, da durch die saure Farblösung sehr schnell eine intensive Färbung eintritt. Beim Einsatz von ARS12 verläuft die Farbreaktion langsamer; hier empfiehlt sich eine Färbedauer von 300 s. Nach dem Färben werden die Proben für 24 h bei 40°C getrocknet.
Die Bildaufnahme wurde manuell durchgeführt, der Einsatz eines rechnergesteuerten Probentisches an einem automatisierten Mikroskop ist aber hierfür ebenso geeignet. Die Bilder wurden mit 6,3facher Vergrößerung an einem Stereomikroskop mit großem Arbeitsabstand aufgenommen. Die Auflösung der Bilder betrug 1152·1536 Pixel; dies stellt einen Kompromiss zwischen hoher Auflösung und verarbeitbarer Datenmenge dar.
Der a*-Farbkanal, der die Information über den Rot-Grün-Farbwert enthielt, wurde, wie aus 1a) erkennbar ist, nur in einem schmalen Bereich genutzt. Die CIE-a*-Werte der einzelnen Pixel wurden daher so umgerechnet, dass entsprechend 1b) eine möglichst volle Ausnutzung des a*-Kanals erfolgte. Hierdurch erschien auf dem zugehörigen Bild der Probe der ehemals dunkelweinrote Zementstein intensiv hellrot; der Zuschlag wies eine grünblaue Färbung auf. Dieses Bild wurde wieder in den RGB-Farbraum (R = rot, G = grün, B = blau zurückgerechnet; der Grünkanal (2) wird zur weiteren Auswertung benutzt.
Im Gegensatz zum ursprünglichen Grünkanal lässt sich hier ein Schwellenwert festlegen, der zur Trennung zwischen rot und grün, d.h. zwischen Zuschlag und Zementstein genutzt werden kann. Jeder Bildpunkt, dessen Grünwert größer als der festgelegte Schwellenwert ist, wurde auf 255, d.h. auf weiß gesetzt, alle Punkte mit einem kleineren Grünwert wurden auf 0, d.h. auf schwarz, gesetzt. Das Ergebnis ist ein reines Schwarz-Weiß-Bild entsprechend 3, das sich nun auswerten lässt. Hieraus lassen sich nun neben dem Flächenanteil weitere Größen wie die Anzahl der ausgewerteten Einzelflächen, d. h. die Anzahl der Zuschlagskörner, oder die Größenverteilung der Flächen oder der Einzeldurchmesser bestimmen.
Ist eine weiße Fläche komplett schwarz umrandet, wird sie nicht als Zementstein erkannt, sondern als Korn ausgewertet. Der Übergang zwischen Zementstein (dunkel) und Zuschlag (hell) verläuft linear über mehrere Pixel. Je nach Schwellenwert wird diese Übergangszone mehr oder weniger zum Zuschlag oder zum Zementstein gerechnet. Die Festlegung des Schwellwertes ist daher entscheidend für das genaue Ergebnis, da vor allem durch die Wahl dieses Wertes festgelegt wird, wie eng die einzelnen Körner ausgeschnitten werden. Daher muss der Schwellenwert über Versuche an bekanntem Beton kalibriert werden.
Die Schwarz-Weiß-Bilder wurden anschließend mit einer Bildanalysesoftware quantitativ analysiert. Gleichzeitig konnte eine Auswertung der Korngrößen erfolgen. Schwarze Flächen kleiner als 25 Pixel, was einer Fläche von 1909 μm² entspricht, wurden ausgeblendet, weil dort nicht klar zwischen Zuschlag und Fehler in der Bildaufbereitung unterschieden werden konnte. Der jeweilige Bildausschnitt war bei 6,3-facher Vergrößerung ca. 13,5 × 10 mm² groß.
Die zu untersuchende Fläche sollte abhängig vom Größtkorn D des Zuschlages mindestens D·2000 mm² groß sein. Um Fehler, die durch das Absinken des Zuschlags beim Verdichten entstehen, zu vermeiden oder auszumitteln, muss darauf geachtet werden, dass die einzelnen Proben aus unterschiedlichen Schichten der Betongesamtprobe stammen.
Wird die Analyse sowohl mit ARS1 als auch mit ARS12 durchgeführt, lässt sich aus der Differenz im Zuschlagsanteil auf die Zusammensetzung des Zuschlages schließen:
Zur Bestimmung des Zementgehaltes wurde ein durchschnittlicher Luftgehalt des Betons von 2,5 Vol.% angenommen. Makroluftporen mit einem Durchmesser von 50 μm bis zu mehreren Millimetern können das Ergebnis verfälschen, da sie meist eine geschlossene Zementsteinoberfläche besitzen und daher als Zementstein erkannt werden. Eine Möglichkeit diese Fehlerquelle auszuschließen besteht z. B. darin, die Luftporen zu markieren und diese Flächen von der Auswertung auszuschließen. Hierzu wurden von der Probe drei Bilder bei flach einfallendem Licht aus drei verschiedenen Richtungen aufgenommen (0°, 120° und 240°). An der Kante der Poren entstand auf der dem Licht zugewandten Seite ein scharfer Schattenrand. Überlagerte man diese drei Aufnahmen, so ergab sich ein Bild, in dem die Poren deutlich zu erkennen waren, wodurch eine Maskierung und Quantifizierung der Makroluftporen möglich wurde.
Im Zuge der Analyse des Zuschlagsgehaltes wurden die ursprünglichen Aufnahmen der Proben bereits soweit bearbeitet, dass eine einfache Maskierung und Auswertung des Zementsteines möglich war. Alle als Zuschlag erkannten Pixel wurden hierzu auf den Farbwert Weiß (255, 255, 255) gesetzt, und die übrigen Flächen auf ihren durchschnittlichen Farbwert hin ausgewertet. Dieser Farbwert wurde dann mit bekannten Standards verglichen und so auf den w/z-Wert geschlossen.
Für dieses Beispiel wurden 8 Aufnahmen aus unterschiedlichen Bereichen der Betonprobe verwendet; in der Praxis sollten es jedoch mehr sein. Aus der Auswertung der Daten ergab sich im Durchschnitt ein Zuschlaganteil von 61,3. Der eingestellte Sollwert lag bei 61.1%.
Die Auswertung der Farbe der als Zementsteinmatrix erkannten Flächenanteile ergab einen CIE-L*a*b*-Farbwert von (21,75; 27,25; 9,7). Der Vergleich des so erhaltenen CIE-a*-Werts der Probe mit den Vergleichswerten ergibt einen w/z-Wert von ca. 0,435. Der Beton war mit einem w/z-Wert von 0,45 angemacht worden.
In Tabelle 2 sind die Ergebnisse, die aus 8 Einzelergebnissen (Bild Nr. 862–869) gewonnen wurden, zusammengestellt. Diese Bilder wurden von einer Betonprobe, die mit ARS12 eingefärbt worden war, aufgenommen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses von Wasser zu Zement, das beim Anmachen eines Baustoffes, der eine Matrix aus Zementstein und einen darin eingebetteten Zuschlag umfasst, eingestellt wurde, mit den Verfahrensschritten a) Bereitstellen einer Probe aus dem Baustoff, b) Aufbringen einer Farbstofflösung auf die Oberfläche der Probe, wodurch diejenigen Bereiche auf der Oberfläche, in denen Zementstein vorliegt, durch Reaktion der Farbstofflösung mit im Zementstein enthaltenen Calciumverbindungen zu einem farbigen calciumhaltigen Komplex eingefärbt werden, wobei die Farbstofflösung und deren pH-Wert so gewählt werden, dass sich die Farbe innerhalb dieser Bereiche von der Farbe außerhalb dieser Bereiche unterscheidet, c) Aufnehmen eines Bildes der Oberfläche der Probe und Ermitteln des relativen Flächenanteils der eingefärbten Bereiche auf der Oberfläche der Probe, woraus sich das Verhältnis von Zementstein zu Zuschlag ergibt, d) Maskieren der Bildpunkte, die dem Zuschlag entsprechen, auf dem aufgenommenen Bild, e) Ermitteln des durchschnittlichen Farbwerts der Fläche, die dem Zementstein entspricht, auf dem aufgenommenen Bild, und f) Vergleichen des durchschnittlichen Farbwerts mit tabellierten Werten, woraus sich das Verhältnis von Wasser zu Zement, das beim Anmachen des Baustoffs eingestellt wurde, ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Farbstofflösung, die einen Alizarinfarbstoff umfasst, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Farbstofflösung, die Alizarinrot S umfasst, eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der im Baustoff eingebettete Zuschlag Quarz umfasst und für die Farbstofflösung ein pH-Wert unterhalb von 3 gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der im Baustoff eingebettete Zuschlag Kalkstein oder Dolomit umfasst und für die Farbstofflösung ein pH-Wert oberhalb von 6 gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem für die Farbstofflösung ein pH-Wert zwischen 10 und 14 gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei Verfahrensschritt c) die folgenden Schritte umfasst: c1) Erfassen des Rot-Grün-Farbwerts eines jeden Bildpunkts des aufgenommenen Bildes der Oberfläche der Probe im a*-Farbkanal des CIE-L*a*b*-Farbraums, c2) Verstärken des Kontrasts der Rot-Grün-Farbwerte der Bildpunkte, c3) Umrechnen der kontrastverstärkten Rot-Grün-Farbwerte in den RGB-Farbraum, c4) Festlegen eines Schwellenwerts zur Trennung zwischen rot und grün, c5) Setzen eines jeden Bildpunkts, dessen Grünwert größer als der Schwellenwert ist, auf einen ersten Farbwert, und eines jeden Bildpunkts, dessen Grünwert geringer als der Schwellenwert ist, auf einen zweiten Farbwert, der sich vom ersten Farbwert unterscheidet, wodurch ein Bild aus zwei Farbwerten entsteht, c6) Ermitteln des relativen Flächenanteils der beiden Farbwerte, wodurch sich das Verhältnis von Zementstein zu Zuschlag ergibt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei für die beiden Farbwerte weiß und schwarz gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem während oder nach Verfahrensschritt c6) die Anzahl der ausgewerteten Einzelflächen ermittelt wird, wodurch sich die Anzahl der Zuschlagskörner ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem nach Verfahrensschritt c1) alle als Zuschlag erkannten Bildpunkte maskiert werden und aus den Farbwerten der verbleibenden Bildpunkte der durchschnittliche Rot-Grün-Farbwert ermittelt wird.