DE3704390C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein spannungsoptisches Verfahren zur Prüfung der Verformbarkeit eines Werkstückes der Bautechnik bei Einwirkung einer äußeren Kraft, das aus einem Verbundsystem mit mehreren übereinanderliegenden Materialschichten besteht.

Verbundsysteme dieser Art sind beispielsweise aus folgenden Schichten zusammengesetzt:

• - Unterschicht, z. B. Beton
  Klebeschicht, z. B. hydraulisch erhärtender Dünnbett-, Mittelbett- oder Dickbettmörtel bzw. Dispersions- oder Reaktionsharzklebstoff-Fliesen
  Belagsschicht, z. B. keramische Belagsschicht in Form von Keramikfliesen
• - Unterschicht, z. B. Gips
  Sperrschicht, z. B. Grundierung
  Klebeschicht, z. B. Dispersionsklebstoff
  Belagsschicht, z. B. keramische Belagsschicht in Form von Keramikfliesen
• - Unterschicht, z. B. Beton
  ggf. Haftschicht, z. B. Haftbrücke
  Reparaturschicht, z. B. Reparaturmörtel
• - Unterschicht, z. B. Beton
  Beschichtung, z. B. Estrich
• - Bauelement, z. B. aus Beton
  Injektionsfüllmittel in Rißspalten im Bauelement

Derartige Verbundsysteme werden z.B. für Fußboden-, Wand- oder Dachkonstruktionen eingesetzt.

Aufgrund unterschiedlicher Elastizitätsmodule, Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten etc., kommt es beispielsweise bei einer Fußbodenkonstruktion, insbesondere bei Einsatz einer Fußbodenheizung, aber auch durch Belastung des Fußbodens durch Begehen, zu elastischen Verformungen, die eine ent­ sprechende Belastung für ein solches Verbundsystem dar­ stellen. Des weiteren sind beispielsweise mit Kera­ mik-Fliesen belegte Balkone, mit Estrich versehene Außen­ flächen von Gebäuden oder für diese Anwendungen geeignete Reparaturmörtel oder dergleichen durch starke Temperatur­ schwankungen im Sommer und Winter, als auch am Tag und in der Nacht und den damit verbundenen zerstörerisch wirken­ den Spannungen im höchsten Grad gefährdet.

Die Bauchemieindustrie ist daher bemüht, Mörtel zum Ver­ kleben von Keramikfliesen z.B. im Dünnbettverfahren, oder Zusätze dazu zu entwickeln, die die Mörtel flexibler wer­ den lassen; sie sind dadurch verformungsfähiger und können Spannungen aufnehmen und abbauen. Besonders für die Ver­ legung von keramischen Belägen und Dämmstoffplatten auf verformungsfähigen Untergründen, wie Betonfertigteilen, Heizestrichen, Gipskarton-, Gipsfaserplatten und Trocken­ estrichen etc., werden spezielle Grundierungen (Sperrschichten), Haftbrücken und hydraulisch erhärtende Dünnbett-, Mittelbett- oder Dickbettmörtel bzw. Dispersions- oder Reaktionsharzklebstoffe entwickelt. Für die Reparatur schadhafter Betonoberflächen werden Flick­ mörtel oder Mörtelhaftzusätze, wie PCI-Emulsion®, ent­ wickelt, ebenso wie Reparaturmörtel für Füllungen von Betonausbrüchen.

Um derartige neuartige Materialien entwickeln zu können bzw. den durch diese hervorgerufenen Fortschritt gegenüber den bekannten Materialien feststellen zu können, bedarf es der Ermittlung der physikalischen Materialeigenschaften. Insbesondere ist dabei von Interesse, wie sich die Mate­ rialien im Verbund mit anderen verhalten.

Im Bereich der Bauchemie ist es bekannt, Verbundsysteme in der Hauptsache nach ihrer Druckfestigkeit, Biegezugfestig­ keit und ihrer "Elastizität" zu beurteilen. Die "Elastizi­ tät" ist hierbei meist durch den E-Modul gekennzeichnet, der über die Druckfestigkeitsmessungen indirekt bestimmt wird. So wird z.B. für Stoffe für keramische Bekleidungen im Dünnbettverfahren die Haftzugfestigkeit im Verbund­ system nach DIN 18 156 bestimmt. Für die Prüfung der Ver­ formbarkeit von Klebungen mit Klebstoffen für keramische Bekleidungen liegt ein Entwurf DIN 53 265 vor.

Aus der US-PS 30 34 395 ist ein Verfahren zur Prüfung der Verformbarkeit eines Werkstückes bekannt, bei dem auf eine Flachseite desselben eine spannungsoptisch wirksame Platte aufgeklebt wird. Diese Platte enthält Epoxidharz und ist auf der Klebeseite mit einer metallischen, reflektierenden Schicht versehen. Auf der nach außen gerichteten Fläche trägt die Platte einen Polarisator. Das zur Prüfung verwendete Licht tritt durch den Polarisator in die Epoxidharzplatte ein und durchläuft sie infolge Reflexion an deren Rückseite zweimal, bis es nach erneutem Durchtritt durch den Polarisator aus diesem wieder austritt.

Aus der DE-OS 22 42 201 ist ein Verfahren zur fotoelastischen Dehnungsmessung bekannt, bei dem auf eine Flachseite eines Werkstückes eine durchsichtige Kunstharzfolie unter Verwendung eines lichtreflektierenden Klebers aufgeklebt wird, wobei die in der Folie bei zweimaligem Durchtritt von am Kleber reflektiertem polarisiertem Licht auftretende optische Anisotropie zur Bestimmung der Spannungsverteilung im Werkstück benutzt wird.

Ferner ist aus der Zeitschrift "Revue de Metallurgie", Vol. L III, 1956, Seiten 638 bis 644, ein Verfahren zur Darstellung von Spannungen und/oder Verformungen in einem Werkstück bei Einwirkung einer äußeren Kraft bekannt, wobei auf eine zur Hauptrichtung der Krafteinwirkung parallele, plane und zugängliche Fläche des Werkstückes mittels eines Klebstoffes eine spannungsoptische Schicht aufgeklebt wird, die an ihrer zum Werkstück gerichteten Fläche mit einer durch Auftrag eines Aluminiumstrichs oder durch Metallisierung gebildeten Reflexionsschicht versehen ist und mit polarisiertem Licht bestrahlt wird.

Diese bekannten Verfahren sind für den Einsatz bei der spannungsoptischen Prüfung von Verbundsystemen der Bautechnik nicht hinreichend geeignet, da derartige Verbundsysteme meist wenig Feinbearbeitung aufweisen und die Arbeitsweise in der Bautechnik auch eine verhältnismäßig robuste Behandlung von Prüfmaterial und Prüfeinrichtung ermöglichen soll.

Zwar ist es auf dem Gebiet der Modellstatik auch schon bekannt, unter Zuhilfenahme eines Modells aus Glas, Bakelit oder einem anderen Material mit Spannungsanisotropie den Spannungszustand des Modellkörpers durch Bestrahlen mit polarisiertem Licht unter Verwendung eines Reflexionspolariskops sichtbar zu machen. Damit wurden jedoch nur monolithische Elemente, z. B. aus Beton, grob untersucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, auf wirtschaftliche Weise und bei in der Bautechnik üblichen Arbeits- und Umweltbedingungen qualitativ und quantitativ gute Ergebnisse bei der Untersuchung von Spannungen oder Verformungen in oder von Verbundsystemen der Bautechnik zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Überraschenderweise hat sich bei einer Vielzahl von Versuchen gezeigt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Spannungsverläufe in Verbundsystemen der Bautechnik mit großer Genauigkeit und reproduzierbar dargestellt werden können.

Die Verbundsysteme können insbesondere Fußboden-, Wand- oder Dachkonstruktionen darstellen und in schichtweisem Aufbau jeweils aus einer oder mehreren Schichten aus Beton, Keramikfliesen, Fliesenklebstoff Haftbrücken, Reparaturmörtel, Estrich, Rißinjektionen, Dachbeschichtungen und/oder Korrosionsschutzmitteln bestehen. Mit besonders großem Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Verbundsystemen mit keramischen Belagsschichten anwendbar.

Die nach der Erfindung mit einer spannungsoptischen Schicht versehene Fläche des zu untersuchenden Verbundsystems ist meist eine Schnittfläche parallel zur Hauptbelastungsrichtung, beispielsweise bei einem waagrechten Fußboden eine Schnittfläche lotrecht in den Fußboden hinein. Die Untersuchung kann am Bau vor Ort erfolgen, wenn die Schnittfläche vorzugsweise annähernd orthogonal beleuchtet werden kann und zur getrennten Anordnung von Polarisator und Analysator frei zugänglich ist. Andernfalls kann die Untersuchung an einem entsprechenden Muster des jeweiligen Verbundsystems vorgenommen werden. Dieses Muster kann auch durch ein Bruchstück aus dem Verbundsystem gebildet sein.

Bei Verwendung eines Reflexionspolariskops werden im verformten, also belasteten Zustand des zu untersuchenden Verbundsystems Farblinien unterschiedlicher Dichte sichtbar, die einen Spannungsverlauf bzw. -abbau in dem jeweiligen Verbundsystem naturgetreu wiedergeben. Zur Auswertung dieser Farblinienbilder können optische Gesichtspunkte, das Auszählen der Linien gleicher Farbe (d. h. der Isochromaten) zur Bestimmung der Ordnungszahl und/oder die Errechnung des realen E-Moduls anhand der Ordnungszahl verwendet werden.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine hierfür geeignete Anordnung sind nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Musters eines Verbundsystems, bestehend aus einer Unter­ schicht, einer Klebeschicht und einer Belags­ schicht, sowie einer spannungsoptischen Schicht;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines schematischen Aufbaus der Meßanordnung mit einem Reflexionspolariskop; und

Fig. 3 eine Ansicht einer Epoxidharzplatte im Bela­ stungsfall durch ein Reflexionspolariskop mit beispielhaft eingezeichneten Isochromaten (=schwarze Linien).

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Muster eines Verbundsystems 1 in einer perspektivischen Darstellung. Es ist aufgebaut aus einer Unterschicht 2, z.B. Beton oder Estrich, einer darauf befindlichen Klebeschicht 3, z.B. Dünnbettmörtel, die die Unterschicht 2 mit einer Belagsschicht 4, z. B. einer Keramikfliese, verklebt. Die Hauptbelastungsrichtung dieses Verbundsystems 1 ist orthogonal zur Oberflächenebe­ ne der Belagsschicht 4 ausgebildet. Bei Begehung wirken die das Verbundsystem 1 belastenden Kräfte F entsprechend der Pfeilrichtung orthogonal auf die Oberfläche der Be­ lagsschicht 4. Eine bezüglich der Spannungen im Verbund­ system 1 interessierende Fläche ist die zum Betrachter weisende. Diese Schnittfläche 6 liegt parallel zur Haupt­ belastungsrichtung und ist plan.

Es sei erwähnt, daß Muster von Verbundsystemen ent­ sprechend 1 auch aus Beton, Haftbrücken, Grundierungen (Sperrschichten), Reparaturmörtel, Injektionsfüllmitteln oder Kombinationen mehrerer verschiedener Schichten dieser Materialien bestehen können. Auch können Materialblöcke aus einem Stück ein Verbundsystem 1 bilden und entsprechend untersucht werden.

Die Schnittfläche 6 ist mit Ausnahme ihres engsten Randbe­ reiches mit einem Klebstoff 7 bestrichen. Um insgesamt eine diffus reflektierende spannungsoptische Schicht zu erzeugen, ist dieser Klebstoff z.B. mit Aluminiumpulver als Reflexionsmaterial vermengt. Mittels dieses Kleb­ stoffes 7 ist eine etwas kleinere, aber dem Umriß der Schnittfläche 6 entsprechende, dünne Epoxidharzplatte 8 flächig und fest mit der Schnittfläche 6 verklebt, so daß die Oberflächenänderungen der Schnittfläche 6 direkt in die Epoxidharzplatte 8 übertragen werden. Die Epoxidharz­ platte 8 ist auf ihrer zum Verbundsystem 1 weisenden Flä­ che mit einer Beschichtung 9 versehen, welche als Spiegel dient. Die Beschichtung besteht aus Alumi­ nium, Zink oder Silizium. Die Epoxidharzplatte 8 und die Beschichtung 9 bilden, mit unterstützender Wirkung des Reflektormaterials des Klebstoffes 7, die eigentliche spannungsoptische Schicht 11.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht eines Aufbaus der Meßan­ ordnung mit einem Reflexionspolariskop 12. Dieses ist orthogonal im Abstand zur Schnittfläche 6 angeordnet und enthält prinzipiell eine Lichtquelle 13, deren Strahl durch einen Polarisator 14 und eine λ/4- Wellenplatte 16 hindurch auf die spannungsoptische Schicht 11 des Musters 1 gerichtet ist. Die Lichtquelle 13 ist derart angeordnet, daß ihr Lichtstrahl nicht exakt ortho­ gonal auftrifft, so daß das diffus reflektierte Licht orthogonal zur spannungsoptischen Schicht 11 im Auftreff­ punkt A beobachtet werden kann, bzw. mittels einer in diesen Strahlengang eingebrachten Kamera 17 abgebildet werden kann, nachdem das diffus reflektierte Licht erneut zunächst eine λ/4-Wellenplatte 18 und danach einen Polarisator 19 passiert hat. Dieses Reflexionspolariskop 12 kann durch ein beliebiges anderes ersetzt werden.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Aufnahme der Epoxidharz­ platte 8 des in Fig. 1 dargestellten Verbundsystems 1, bei einer Belastung F in Pfeilrichtung. Einige Isochromaten, d.h. Linien gleicher Farbe, sind als Linien 21 darge­ stellt. Wurde die Epoxidharzplatte 8 im unbelasteten Fall des Verbundsystems 1 völlig spannungsfrei aufgeklebt und in diesem Zustand zur Kalibrierung des Reflexionspolaris­ kops benutzt, dann ist es möglich, die Elastizität/Flexibilität von Verbundsystemen 1 objektiv, d.h. naturgetreu darzustellen, in Augenschein zu nehmen und über Berechnung aus der Isochromatenordnung den realen E-Modul zu ermitteln. In Versuchen wurden Ordnungszahlen bis zu 3,15 ermittelt, wobei dies keine Grenze des beschriebenen Verfahrens darstellt. Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist darin zu sehen, daß das Spannungsverhalten bei unterschiedlichster Art und Größe der auftretenden Kräfte zu jenem Zeitpunkt darge­ stellt, lokalisiert und filmisch festgehalten werden kann. Denkbar ist auch eine vollautomatische rechnergesteuerte Auswertung dieser Aufnahmen.

Claims (8)

1. Spannungsoptisches Verfahren zur Prüfung der Verformbarkeit eines Werkstückes der Bautechnik bei Einwirken einer äußeren Kraft, das aus einem Verbundsystem mit mehreren übereinanderliegenden Materialschichten besteht, die mit ihren senkrecht zum Schichtverlauf orientierten Stirnflächen in einer gemeinsamen, parallel zur Krafteinwirkung verlaufenden Ebene angeordnet sind, bei dem als spannungsoptische Schicht verwendet wird,
eine spannungsoptisch wirksame, auf ihrer zu den Stirnflächen der Materialschichten des Verbundsystems weisenden Fläche mit einer Beschichtung als Reflexionsschicht versehene Epoxidharzplatte, die auf die Stirnfläche aller übereinander angeordneten Materialschichten des Verbundsystems aufgeklebt wird,
in Verbindung mit einem Klebstoff zum Aufkleben der Epoxidharzplatte auf die Stirnflächen der Materialschichten des Verbundsystems, der Beimengungen eines reflektierenden Materials enthält, und
die Epoxidharzplatte unter Einwirkung der äußeren Kraft auf das Werkstück spannungsoptisch geprüft wird, wozu diese Epoxidharzplatte durch einen von ihr getrennt angeordneten Polarisator mit polarisiertem Licht bestrahlt und durch einen von ihr ebenfalls getrennt angeordneten Analysator untersucht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die spannungsoptische Schicht (11), die aus der Epoxidharzplatte (8), der Beschichtung (9) und dem ein reflektierendes Material enthaltenden Klebstoff (7) besteht, an einer zur Hauptbelastungsrichtung (F) parallelen, planen Schnittfläche (6) des Werkstückes (1) angebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die spannungsoptische Schicht (11) spannungsfrei mit dem Werkstück verklebt wird und dieser Zustand den Spannungsnullpunkt bildet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Beschichtung (9) der Epoxidharzplatte (8) aus Aluminium besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Beschichtung (9) der Epoxidharzplatte (8) aus Zink besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Beschichtung (9) der Epoxidharzplatte (8) aus Silizium besteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem dem Klebstoff zur diffusen Reflexion des auf die Klebstoffschicht auftretenden Lichtes Aluminiumpulver beigemengt ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Epoxidharzplatte (8) im Verhältnis zu ihren Längen- und Breitenabmessungen dünn ausgebildet wird.