Stahlfaserbeton schnell mit Computertomographie und Software kontrollieren

(5.3.2014) Man überspannt Täler und Flüsse mit ihm, man baut Wände daraus und kleidet damit Tunnels aus: Beton ist das am häufigsten verwendete Baumaterial. Meis­tens kommt Stahlbeton zum Einsatz. Das Prinzip kennt jeder, der schon einmal eine Baustelle näher betrachtet hat: Aus langen Stahlstangen biegen die Arbeiter ein dich­tes Stahlgerüst, die Bewehrung, die dann mit Beton aufgefüllt wird. Doch Stahlbeton­bau ist zeitraubend. Es können Tage und Wochen vergehen, bis die Bewehrung großer Gebäude geknüpft ist und endlich mit Beton vergossen werden kann.

Schneller geht es mit Stahlfaserbeton: Man mischt dem flüssigen Beton einfach kie­fernnadellange Stahlfasern bei. Im ausgehärteten Beton übernimmt das Fasergewebe dann die Aufgabe der klassischen Bewehrung. Es schluckt die Kräfte und gleicht Risse aus. Trotzdem hat sich der Stahlfaserbeton bislang nicht durchgesetzt. Der Grund: Seine Qualität lässt sich nur schwer ermitteln. Bisher gibt es keine Methode, mit der man einfach und zuverlässig untersuchen kann, wie gut sich die Fasern im Beton ver­teilt haben. Davon aber hängt die Tragfähigkeit des Werkstoffs entscheidend ab. Sind die Fasern verklumpt oder einzelne Bereiche einer Betonplatte völlig frei von Fasern, kann das Material Belastungen weniger gut widerstehen. Vielen Bauunternehmen ist der Einsatz von Stahlfaserbeton deshalb zu unsicher.

Foto: ibh Ingenieurbüro Helm, Wandlitz (Bild vergrößern; Bild aus dem Beitrag „Neue Richtlinie "Stahlfaserbeton" des DAfStb erschienen“)

Software bewertet das Fasersystem

Für Durchblick im Faserbeton sorgt jetzt ein neues Analyseverfahren, das Mathemati­ker vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaisers­lautern entwickelt haben: Mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung ermittelt es in wenigen Sekunden, wie die vielen Fasern in einer Betonprobe verteilt sind. Die Exper­ten um Projektleiter Dr. Ronald Rösch nutzen dafür Röntgendaten aus einem Compu­tertomographen (CT). „Das ist wie bei einer medizinischen Untersuchung“, sagt er, „nur, dass wir keinen Menschen, sondern eine Probe aus dem fertigen Bauteil unter­suchen.“

Die Forscher ziehen dazu einen etwa zehn Zentimeter langen Bohrkern aus dem Beton. Dieser wird mit Röntgenstrahlung abgetastet. Die Auflösung dieses industriellen CT ist etwa tausendmal feiner als bei einem medizinischen Gerät. Das System macht mikro­meterfeine Strukturen sichtbar. Es spuckt einen hochaufgelösten dreidimensionalen Datensatz der Betonprobe mit etwa acht Milliarden Bildpunkten aus; eine gewaltige Datei.

In der CT wird der Beton­zylinder detailliert darge­stellt. Ein Riss verläuft hier entlang der dunklen Fläche. (Bild vergrößern)
  

Diese Bilddaten analysieren Rösch und seine Mitarbeiter mit ihrer Software. Zunächst prüft diese anhand der Kontrastun­terschiede, zu welcher Struktur jeder einzelne Bildpunkt ge­hört, zum Beton, zu einem Steinchen, zu einer eingeschlos­senen Luftblase oder zu einer Stahlfaser. So werden im Bild nach und nach sämtliche Fasern sichtbar.

„Dieses Bild allein hilft aber wenig“, erklärt Rösch, „weil das Gewirr so dicht ist, dass man mit dem bloßen Auge kaum ein­zelne Fasern erkennen kann.“ Die Kaiserslauterer Forscher haben daher eine Software entwickelt, die Ordnung ins Cha­os bringt: Sie bewertet nicht jede einzelne Faser, sondern gleich das ganze System. Das Programm entscheidet, ob ein Pixel Bestandteil einer Faser ist und welche Richtung sie hat.

Für jeden Bildpunkt berechnet das Programm, wie die benach­barten Stellen definiert sind. Handelt es sich um eine Faser oder nicht? Interessant sind vor allem die Punkte, an denen sich viele Fasern berühren oder kreuzen. Denn zunächst ist nicht klar, zu welcher Faser jedes einzelne benachbarte Pixel eigentlich gehört; zur Faser, die von links oben auf die Kreuzung trifft oder zur der, die direkt von oben kommt. Deshalb nutzen die Wissenschaftler hier die Wahrschein­lichkeitsrechnung. Sie gewichtet die Lage jedes Punkts und ordnet diesen logisch sinnvoll einer Faser zu. Die Software verrät nicht nur, wie hoch der Faseranteil in der Probe ist, sondern auch, wie die Fasern ausgerichtet sind. „Das ist vor allem wichtig, wenn die Betonbauteile Kräfte aus einer bestimmten Richtung aufnehmen müssen“, sagt Rösch, beispielsweise bei Brücken.

Natürlich weiß Rösch, dass sich ein Computertomograph, der derzeit noch die Größe eines Wandschranks hat, nicht direkt auf einer Baustelle einsetzen lässt. „Doch die Hürde ist überwindbar“, sagt Rösch. „Unsere Kollegen am Fraunhofer-Entwicklungs­zentrum Röntgentechnik EZRT in Erlangen haben schon ein Gerät von der Größe ei­ner Bierkiste entwickelt.“ Ein Prototyp für die Praxis könnte in fünf Jahren verfügbar sein, schätzt der Mathematiker.