DE19714870C2

DE19714870C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Betonverdichtung unter Ausnutzung seiner elektrischen Eigenschaften

Info

Publication number: DE19714870C2
Application number: DE1997114870
Authority: DE
Inventors: Eberhard Glaeser; Stefan Dr Brosig
Original assignee: Ed Zueblin AG
Current assignee: Ed Zueblin AG
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1997-04-10
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2017-04-11
Also published as: DE19714870A1

Description

Im Bauwesen tritt beim Füllen einer Schalung mit Beton oft das Problem der Dichtemessung am flüssigen Beton auf. Beim Verdichten desselben wird die in ihm befindliche leichte Luft herausgedrängt und seine Dichte steigt an. Bislang ist es allerdings nicht möglich "in vivo" (im Bauteil selbst) die Dichte zu messen. Es müssen Erfahrungswerte herangezogen werden. Dennoch tritt immer wieder das Problem einer zu geringen Verdichtung auf mit daraus folgender mangelhafter Festigkeit des erhärteten Betons. Störend ist auch der schlechte optische Eindruck an der Oberfläche und die höhere Korrosi onsanfälligkeit von Bewehrungen in schlecht verdichtetem Beton. Nicht im mer ist auch eine optische Kontrolle wenigstens der Oberfläche möglich. Vor allem im Tunnelbau tritt dieses Problem verstärkt auf.

Daher besteht weiterhin der Bedarf nach zuverlässigen und bautauglichen Verfahren für die Messung der Betonverdichtung.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Betonverdichtung unter Ausnutzung der Dichteabhängigkeit der Permittivitätszahl ε_R des Betons zu bestimmen.

In der DE 197 12 577 A1 wird ein Verfahren beschrieben, welches es erlaubt, die Verfüllung einer Schalung (selbstverständlich auch eines beliebigen an deren Hohlraumes) durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Betons oder der dielektrischen Eigenschaften des Betons in den kritischen Bereichen der Schalung (bzw. des Hohlraumes) festzustellen. Dort wird die elektrisch isolierende Luft, die ein Dielektrikum mit der Permittivitätszahl (auch als rela tive Permittivität oder Dielektrizitätszahl bekannt) ε_R ≈ 1 darstellt, durch den aufgrund seiner Alkalinität elektrisch leitfähigen flüssigen Beton (ε_R größen ordnungsmäßig 5 bis 20, je nach Wassergehalt und Zuschlagstoffen) ersetzt. (Das Verfahren ist dabei aber nicht auf Beton als Bindemittel beschränkt, da auch andere nichtalkalische Bindemittel gegenüber der Luft stark erhöhte Leitfähigkeit oder veränderte dielektrische Eigenschaften aufweisen). Bei Unterwasserbetonierungen wird entsprechend Wasser (je nach Salzge halt sehr schlecht oder gut leitend; ε_R ≈ 80) durch Beton anderer Leitfähigkeit und Permittivität ersetzt.

In der beschriebenen Form ist das Verfahren nach DE 197 12 577 A1 aller dings nur für Messungen tauglich, die eine Ja/Nein-Antwort liefern sollen, ob oder ob nicht Beton in Kontakt mit den Elektroden steht. Über die Dichte des Betons und damit seine Qualität erhält man keine quantitative Antwort. Es ist für dieses Verfahren auch nicht unbedingt ein Meßgerät erforderlich, welches genaue Werte angeben kann.

In der sowjetischen Offenlegung SU 1324849 A1 wird ein Verfahren zur Messung der Betonverdichtung angegeben, welches auf der zeitabhängigen Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Betons beruht. Es wird dort so lange gemessen, bis sich der Leitfähigkeitswert während des Verdichtungs vorganges stabilisiert.

Diese Methode ist allerdings, vor allem bei schnell abbindenden Betonen, ungenau, denn durch den fortwährend stattfindenden Erhärtungsvorgang steigt die Viskosität des Betons ständig an (vom Beginn bis zur vollendeten Erhärtung um viele dekadische Größenordnungen!). Da die Leitfähigkeit aber sehr stark von der Viskosität abhängt (die Ionen müssen sich schließlich durch das Medium hindurchbewegen!), kann kein konstanter Wert erreicht werden, zumal die Viskosität auch stark von der eingebrachten Rüttelenergie abhängt.

Es bestand daher weiterhin der Bedarf nach einem Verfahren, welches es zuverlässig erlaubt, die Betonverdichtung festzustellen.

Erfindungsgemäß wird daher die Permittivitätszahl als Meßgröße herangezo gen. Die Permittivitätszahl ε_R ist z. B. in den Gleichungen für die Kapazität von Kondensatoren enthalten, so daß Kapazitätsmessungen Aufschluß über ihre Größe geben.

(Kapazität C eines einfachen Plattenkondensators mit Platten des Abstandes d und der Fläche A:

ε₀ elektrische Feldkonstante).

Die Permittivitätszahl weist eine geringere Temperaturabhängigkeit und fast gar keine Viskositätsabhängigkeit in ihrer Größe auf. Es können z. B. mit Hilfe genormter Elektroden "in vivo" gemessene Werte mit "in vitro" (z. B. im Labor) gemessenen Referenzwerten verglichen und daraus die Dichte vor Ort be rechnet.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung schlägt allerdings ein etwas ver ändertes Meßverfahren vor, bei dem nicht der Absolutwert der elektrischen Kenngröße (Kapazität) gemessen wird, sondern deren relative Veränderung mit der Zeit. Dabei wird die Tatsache ausgenützt, daß das erstrebte Endziel beim Bau der völlig verdichtete Beton ist. Ist dieses Ziel erreicht, finden aber auch keine Veränderungen in der Umgebung der Meßsonden mehr statt. Damit bleiben dann auch die gemessenen elektrischen Kenngrößen kon stant. Das Verfahren sieht somit vor, so lange Schwingungsenergie in den Beton einzubringen, bis die Meßgeräte keine oder nur noch geringfügige Veränderungen der gemessenen Größen anzeigen. Bei hinreichend geringen Änderungen kann ein optisches und/oder akkustisches Signal erfolgen, ähn lich, wie es bei modernen digitalen Fieberthermometern der Fall ist, die an fangen zu piepsen, wenn keine meßbare Temperaturänderung mehr stattfin det.

Gerade für Fälle, in denen es nicht auf höchste Qualität des Betons an kommt, ist aber auch noch eine gewisse, empirisch zu bestimmende, Verän derung der gemessenen Größen bei Abbruch des Eintragens von Schwin gungsenergie tragbar.

Inhomogenitäten im Beton (z. B. Kieselsteine) erzeugen bei ihrem Durchgang zwischen den Elektroden Meßwertschwankungen. Es gibt zwei prinzipielle Methoden, über die Inhomogenitäten des Betons (Grob- und Feinanteile) zu mitteln: räumliche Mittelung und zeitliche Mitte lung. Beide Methoden können auch kombiniert werden zu einer "raumzeitlichen" Mittelung.

Bei der räumlichen Mittelung werden die Abmessungen der Elektroden groß gegenüber denen der Inhomogenitäten gewählt, bei der zeitlichen Mittelung wird über einen Zeitraum gemittelt, der groß ist gegenüber dem Zeitraum, den eine Inhomogenität benötigt, die Meßsonde zu passieren.

Fig. 1 zeigt (am Beispiel der Permittivität) schematisch die Meßkurve der elektrischen Kenngröße bei räumlicher Mittelung (große Elektroden),

Fig. 2 (ebenfalls am Beispiel der Permittivität) die Meßkurve vor einer zeitli chen Mittelung (grau), und nach einer solchen Mittelung (Glättung der Kurve; schwarz). Die zeitliche Mittelung kann elektronisch oder durch ein träge rea gierendes Meßgerät erfolgen.

Fig. 3 zeigt von der Seite den speziellen Fall eines Plattenkondensators, zwi schen dessen Platten die Betonverdichtung vor sich geht. Der Abstand der Platten eines solchen Kondensators ist vorteilhafterweise ungefähr so groß (oder größer), wie der Durchmesser der größten typischen festen Inhomo genitäten im Beton. Dadurch wird ein Verstopfen des Durchganges zwischen den Platten vermieden. Ein Abstand von größenordnungsmäßig 2 Zentime tern ist sinnvoll und wird durch isolierte oder isolierende Abstandshalter ge währleistet. Die Metallplatten oder -folien sind durch eine dünne Isolations schicht (z. B. Kunststoff) gegen den Beton isoliert, um Spannungsverluste durch die Leitfähigkeit des Betons zu verhindern. In einer einfachen Ausfüh rung reicht hierfür schon ein dichter Kunststoffbeutel, z. B. ein Gefrierbeutel, aus.

Die Meßsonden sind an der Bewehrung, an der Schalung, oder an speziel len Trägem ortsfest angebracht.

Es können mehrere Meßsonden unabhängig voneinander an verschiedenen Stellen der Schalung die Betonverdichtung messen. Dabei können die ein zelnen Meßsonden über eigene Meßgeräte verfügen oder an einem gemein samen Meßgerät angeschlossen sein, das über Wechselschalter Verbindung zur jeweiligen Meßsonde aufnimmt.

Mit der Vorrichtung läßt sich nicht nur die Betonverdichtung messen, sondern auch die Verfüllung des Hohlraumes, wenn nämlich die Meßsonden an Stel len der Schalung plaziert sind, die als letzte von Beton erreicht werden. Eine drastische Änderung der elektrischen Meßgröße Kapazität zeigt dabei an, daß der Beton die Meßsonde erreicht hat und umspült, eine langsame Ände rung und Erreichen eines Grenzwertes ist Zeichen für die anschließend statt findende Verdichtung.

Bezugszeichenliste

1

flüssiger Beton

2

Kondensatorplatte

3

Isolationsschicht

4

isolierender, stabförmiger Abstandshalter

5

isoliertes Kabel

6

Kapazitätsmeßgerät

Claims

1. Verfahren zur Feststellung der Verdichtung von Beton, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Ort im Beton eine Meßsonde plaziert ist, die

1. a.) entweder in Größe, Form, Fläche, Abstand genormt ist, die Permittivi tätszahl des Betons in ihrer näheren Umgebung mißt und diese mit einem Referenzsollwert vergleicht, oder
2. b.) ungenormt sein kann und dafür die Änderung der Permittivitätszahl mit der Zeit verfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator, bevorzugt ein Plattenkon densator, bei dem der zu messende Beton das Dielektrikum darstellt, zur Messung der Betonverdichtung herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die permittivitätsabhängige Kapazität des Kondensators zur Bestimmung der Betonverdichtung herangezogen wird, indem wiederum von dieser abhängige Größen, z. B. die Frequenz eines Schwingkreises aus der zu bestimmenden Kapazität und einer vorgege benen Induktivität, gemessen werden.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßsonden unabhängig an meh reren Orten die Betonverdichtung überwachen.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei hinreichender Annäherung an den Refe renzsollwert oder bei hinreichender Abnahme der Änderung der gemesse nen Größen ein akkustisches oder optisches Signal gegeben wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens aus folgenden Bestandtei len besteht:

1. a.) Meßgerät für die Permittivität, welches in der Lage ist, die elektrischen Kenngrößen oder davon abhängige Meßgrößen auf mindestens 20% ge nau, bevorzugt 5% genau oder besser, zu messen und anzuzeigen.
2. b.) mindestens einem Elektrodenpaar
3. c.) isolierten Zuleitungskabeln zu den Elektroden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden gegen ihre Umgebung elek trisch isoliert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation aus einer dünnen Kunststoff schicht besteht.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare durch isolierende Ab standshalter gehaltert einen Abstand voneinander haben, der ungefähr dem Durchmesser der größten üblichen im Beton vorhandenen Inhomo genitäten entspricht oder größer als diese ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand ungefähr 0,5 bis 5 Zentimeter beträgt.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eine Fläche aufweisen, die ungefähr mindestens 5 mal so groß ist wie die senkrecht projizierte Fläche der größten üblichen Inhomogenität.

12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode eine seitliche Ausdehnung von ungefähr 1 bis 30 Zentimetern aufweist.