Spatial variability of concrete properties within a building component

• Unité de recherche: OFROU RPT
• Numéro de projet: AGB2002/027
• Titre du projet anglais: Spatial variability of concrete properties within a building component

Mots-clé (Allemand)

Beton, Homogenität, Probabilisitk, Dauerhaftigkeit, Porosität, Permeabilität

Mots-clé (Anglais)

concrete, homogeneity, probabilistic, durability, porosity, permeability

Description succincte (Allemand)

Ein Hauptproblem bei der Qualitätskontrolle und Zustandserfassung von Bauwerken ist das Fehlen von detailierten Daten, um eine Einschätzung der Bauwerksqualität vornehmen zu können. Aus diesem Grund ist einerseits das Ziel dieses Projektes das Erheben von Daten hinsichtlich Permeabilität und Porosität, indem verschiedene dauerhaftigkeitsrelevante Untersuchungen an neu erstellten Bauwerken durchgeführt werden. Darauf aufbauend wird der Schwerpunkt der weiteren Projektarbeit das Entwickeln einer probabilistischen Grundlage für die Quantifizierung der erhobenen Daten sein. Zustandsindikatoren für Permeabilität und Porosität sind dabei zu formulieren, um eine Qualitätskontrolle und Beurteilung eines Bauwerkes zu ermöglichen.

Description succincte (Anglais)

One of the basic problems in quality control and condition assessment of structures is the lack of detailed data. Therefore the first aim of the suggested project is the collection of measurements of permeability and porosity by conducting a number of tests.
Thereafter focus will be laid on establishing a consistent probabilistic model for the quantification of the inspection results. Condition indicators will be formulated based on the model and can serve as acceptance rules.

Description du projet (Allemand)

siehe Anhang 1 und 2

Méthodes (Allemand)

Literaturrecherche / Feldversuche / Charakterisierung der Betoneigenschaften (auch zerstörungsfrei) / Statistische Datenauswertung und wahrscheinlichkeitstheoretische Betrachtung.

Etat des recherches effectuées par le requérant (Allemand)

In einer 1997 an der EMPA durchgeführten Studie wurde der Einfluss der Intensität der Verdichtungsarbeit auf die Festbetoneigenschaften untersucht (Olbrecht, 1997). In diesem Projekt wurden Bauteile mit verschiedenen Betonsorten mit und ohne Zusatzmittel hergestellt. Bedingt durch Entmischungseffekte ergaben sich grosse Unterschiede bezüglich der Festbetoneigenschaften in Abhängigkeit von Zusammensetzung, Konsistenz und Verdichtungsdauer, insbesondere bei hoher Zusatzmitteldosierung.
In einem vom ASTRA teilfinanzierten Forschungsprojekt (AGB2000/481) werden Untersuchungen zum Herstellungskonzept und zur Dauerhaftigkeit von selbstverdichtendem Beton durchgeführt. Im Rahmen des Projektes wurde die Homogenität von Bauteilen aus SCC mit solchen aus konventionell eingebautem Beton untersucht. Es wurde festgestellt, dass grosse Streuungen in den Betoneigenschaften vorliegen (siehe Figur 1, Anhang 2).
Prof. Faber befasst sich mit der Risiko- und Zuverlässigkeits-Betrachtung von Bauwerken auf der Basis von Modellen (Faber & Rostam, 2001 / Faber & Gehlen, 2002). Dabei richtet sich sein Augenmerk unter anderem auf die Inspektions- und Unterhaltsplanung (Faber & Sorensen, 2002).
Professor Brühwiler beschäftigt sich unter anderem mit dem Monitoring und Unterhalt von Brücken. In diesem Zusammenhang weist er Erfahrungen mit der Anwendung und Beurteilung von Messungen mit der Torrent-Methode auf (Adey et al., 1998).

Objectifs du projet (Allemand)

• Erfassen der räumlichen Verteilung dauerhaftigkeitsrelevanter Betoneigenschaften (Po-rosität, Permeabilität) an verschiedenen Bauteilen
• Auswertung der Messdaten mit probabilistischem Ansatz
• Entwicklung einer Methode für die Beurteilung der Streuung von Porosität und Permeabi-lität in einem Bauteil:
  - ermöglicht die Quantifizierung der räumlichen Verteilung der Betoneigenschaften
  - erleichtert die Formulierung der Akzeptanzkriterien (Definition der tolerierbaren Streu-ung) hinsichtlich der räumlichen Verteilung von Porosität und Permeabilität in einem Bau-werk
  - die Akzeptanzkriterien werden so formuliert, dass die entwickelte Methodik in der Praxis umgesetzt werden kann

Objectifs du projet (Anglais)

i) Determination of the spatial variability of concrete properties (permeability and porosity) in selected structural components
ii) Evaluation of the collected data
iii) Use the inspection results to develop a probabilistic method for the quantification of the spatial variability which facilitates the formulation of acceptance rules in regard of the spatial variability of porosity and permeability

Plan de recherche (Allemand)

In der ersten Projektphase wird ein Modell für die Datenauswertung entwickelt, um die Effizienz der geplanten Bauteiluntersuchungen zu optimieren. Die Anzahl der benötigten Proben und die Form des Untersuchungsrasters werden festgelegt. Anschliessend werden die Bauteile für die Untersuchung identifiziert.

Das erste Bauteil wird in der zweiten Projektphase untersucht. Mit der Torrent-Methode wird die Qualität des Überdeckungsbetons im Alter von etwa 28 Tagen erfasst. Die Messungen werden anhand des in der ersten Projektphase definierten Rasters durchgeführt. An den gleichen Messtellen wie bei der Torrent-Methode werden Bohrkerne entnommen. Die Porosität des Überdeckungs- und des Innenbetons wird nach SIA 162/1 ermittelt (Wassersättigung, Luftporenvolumen, Wasserleitfähigkeit) und mit den Permeabilitätsdaten des Überdeckungsbetons verglichen.

In der dritten Projektphase werden die erhobenen Messdaten mit dem in der ersten Projektphase entwickelten Modell ausgewertet. Damit soll einerseits das Modell selbst und andererseits das verwendete Entnahmeraster überprüft und nach Bedarf angepasst werden. Auch bezüglich der verwendeten Prüfmethoden werden unter Umständen Anpassungen vorgenommen.

Nach der Validierung der verwendeten Methoden werden in der vierten Projektphase die weiteren Bauteile untersucht.

In der fünften Projektphase erfolgt die Auswertung aller erhobenen Daten. Das entwickelte und validierte Modell soll es gestatten, anhand der Erhebung weniger Betonproben, eine Aussage über die wahrscheinliche Streuung von Porosität und Permeabilität in einem zu machen. Bezüglich der Anwendung des Modells und der Probenahme der Betonproben werden Empfehlungen formuliert.

Vor und während des ganzen Projektes sind zwei ETH-Institute involviert, welche in der Zusammenarbeit ihre Erfahrungen einbringen und von den materialtechnologisch orientierten Schwerpunkten der EMPA profitieren. (siehe auch) Anhang 1 und 2

Résumé des résultats (Abstract) (Allemand)

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Mise en oeuvre et application (Allemand)

Die Streuung der Porosität und Permeabilität ist ein entscheidender Faktor für die Dauerhaftigkeit eines Betonbauteils. Schädigungen und Unterhaltsmassnahmen sind meist bedingt durch örtlich auftretende Schwachstellen. Die im Projekt erhobenen Daten liefern eine wichtige Datenbasis über die tatsächlich auftretende Streuung der untersuchten Betoneigenschaften im Bauteil. Zudem liefern sie die Grundlage für die Entwicklung und Validierung eines Modells, das Aussagen über die räumliche Streuung der Betoneigenschaften ermöglicht.
Das entwickelte Modell kann in der Planungsphase eines Bauvorhabens ein wichtiges Instrument für die Definition der zulässigen Streuung der dauerhaftigkeitsrelevanten Betoneigenschaften bilden. Bei der Abnahme eines Bauwerks soll es mit Hilfe des Modells möglich sein, anhand weniger Datenpunkte die mögliche Streuung der Betoneigenschaften im Bauteil zu ermitteln, um die definierte Streuung zu überprüfen.
Mit Hilfe dieser Arbeit werden die Messdaten aus den Untersuchungen eine Grundlage bilden, die Qualität des Bauwerkes bestimmen und den mit der Zeit auftretenden Schädigungsgrad von Bauwerken vorhersagen zu können. Daraus kann der Aufwand von Bauwerkskontrollen und eventuell notwendigen Instandhaltungsarbeiten geplant werden, um umfangreiche Investitionen für Instandsetzungen zu vermeiden.

Es ist ein Fortsetzungsprojekt geplant, um das Modell unter Einbezug älterer Bauwerke mit bereits vorhandenen Schäden (z. Bsp. Zebras) zu erweitern. Dies würde es ermöglichen, die Probabilistik von bestimmten Schädigungsgraden aktualisieren und den momentanen Zustand eines Bauwerkes beurteilen zu können. Das Untersuchen von älteren Bauwerken würde eine Korrelation der in Laborprüfungen gemessenen Betoneigenschaften mit der tatsächlich auftretenden Schädigung (Chlorid-Eintrag, Karbonatisierungstiefe, Ablösungen durch Frost- und Frost-Tausalz-Angriff) gestatten. Aufgrund dieses Zusammenhangs wäre es möglich bei neuen Bauwerken nicht nur die erlaubte Streuung zu definieren, sondern auch absolute Werte für Porosität und Permeabilität als Abnahmekriterien festzulegen und zu überprüfen. Bei bereits bestehenden Bauwerken wäre das Modell ein wichtiges Instrument für die Inspektions- und Unterhaltsplanung.

No du rapport (Allemand)

611

Littérature (Allemand)

Adey, B., Roelfstra, G. & Brühwiler, E., "Permeability of Existing concrete bridges", 2nd Int. Symp. Civil Engineering, Budapest (1998).
Arya, C & Ofori-Darko, F. K., "Influence of crack frequency on reinforcement corrosion in concrete", Cem. Conc. Res., Volume 26, 345-353 (1996).
Corradini G., Scoccia G., Volpe R. & Tarano S., "Statistical evaluation of mechanical properties of superplasticized concrete", Cem. Conc. Res., 14 (3), 375-385 (1984)
Dinku A. & Reinhardt H. W., "Gas permeability of cover concrete as a performance control", Materials and structures, 30 (201), 387-393 (1997).
Faber M. H. & Rostam S.., "Durability and Service life of Concrete Structures – the Owners Perspektive", International Conference – Malta, (2001).
Faber M. H. & Gehlen C., "Probabilistischer Ansatz zur Beurteilung der Dauerhaftigkeit von bestehenden Stahlbetonbauten", Beton- und Stahlbetonbau 97, Heft 8, 421-429 (2002).
Faber M. H. & Sorensen, J.D., "Indicators for inspection and maintenance planning of concrete structures", Structural safety, 24, 377-396 (2002).
Fattuhi N. J. & Huges B. P., "Ordinary portland cement mixes with selected admixtures subjected to sulphuric acid attack", ACI Mat. J., 85-M50, 512-518 (1988).
Ghosh R. S. & Malhotra V. M., "Use of superplasticizers as water reducers", Cem. Conc. Agg., 1(2) 56-63 (1979).
Jacobs F., "Permeabilität und Porengefüge zementgebundener Werkstoffe", Diss ETHZ No. 10818 (1994).
Malhotra V. M., "Developments in the use of superplasticizers", ACI Publication SP-68, American Conc. Inst., Detroit (1981).
Olbrecht Hp., "Einfluss des Vibrierens auf die Festbeton-Eigenschaften", Schweizer Baublatt, 4-7 (1998).
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Ramachandran V. S., Feldmann R. F. & Beudoin J. J., "Concrete Science: Treatise on Current Research", Heyden & Sons Ltd, London, (1981).
Stewart, M. G., Faber, M.H., " Probabilistic Modelling of Deterioration Mechanisms for Concrete Structures", Proceedings to the 9th (ICASP) Int. Conf. Applied Statistics and Probability, San Francisco (2003).
Torrent R. & Ebensperger L., Studie über "Methoden zur Messung und Beurteilung der Kennwerte des Überdeckungsbetons auf der Baustelle", ASTRA-Bericht Nr. 506 (1993).
Verbeck G., "Mechanisms of corrosion in concrete", Corr. Metals Conc., ACI SO-49, 21-38 (1975).
Verbeck G. & Klieger P., "Studies of salt scaling of concrete", Highway Research Board Bulletin No 150 (1956).
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