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20 Jahre Materialforschungs- und -pr체fanstalt an der Bauhaus-Universit채t Weimar


Inhalt |

20 Jahre

Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar

20 Jahre MFPA – Bilanz und Ausblick

4 |

Fachgebiete

11 |

Baustoffe

12 |

Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfung

16 |

Chemie und Umwelt

20 |

Werkstoffe und Bauteile

22 |

Geotechnik

26 |

Prüf-, Überwachungs- und Zertifizierungsstelle

30 |

Fachbeiträge

35 |

Wissenschaftliche Begleitung von Restaurierungsmaßnahmen auf der Wartburg

36 |

Regionalspezifische Aspekte bei der Bewertung von historischen Bauwerken

40 |

Thüringen »schmilzt« – Gläser, Fasern und Schäume aus alternativen Rohstoffen

44 |

Sticktechnische Integration optischer Faser-Bragg-Gitter Messsensoren auf Trägergewebe zur Applikation an Tragwerken im Bauwesen

48 |

Ziegelprüfung – mechanisch, thermisch und durch Simulation

52 |

Bauphysikalische Vor-Ort-Untersuchungen

56 |

Zerstörungsfreie Prüfung von Bauteilen und Bauwerken

58 |

Elektromagnetische Messverfahren zur Bestimmung der Materialfeuchte

62 |

Prüfung von Kleinkläranlagen im Spiegel dezentraler Abwasserbeseitigung

66 |

Naturbadeteiche – Freibäder mit biologischer Wasseraufbereitung

70 |

Entwicklung eines Prüfstandes für kombinierte Innen- und Außendruckbelastung

74 |

Material- und Schichtanalytik als Werkzeug in der Entwicklung neuer Funktionswerkstoffe

78 |

Entwicklung eines Prüfstandes mit vier synchronen Zylindern für großflächige Lasteinleitung

82 |

Mechanisch-klimatische Umweltsimulation

84 |

Dichtungswirkung von Bentonitmatten unter zyklischer Belastung

88 |

Bindemittel – ein Stoff, aus dem die Träume sind

92 |

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20 Jahre MFPA – Bilanz und Ausblick

D

ie MFPA Weimar blickt mit Stolz auf ihr 20-jähriges Bestehen zurück. Die Geschichte der Materialprüfung begann in vorindustrieller Zeit. Trotzdem ist der Name »Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität« wie auch ihre Rechtsform »Landesbetrieb« immer noch für viele erklärungsbedürftig. Deshalb vorab einige Erklärungen zum Verständnis. Wenn man Werkstoffentwicklung, Lebensdaueroptimierung von Bauteilen oder die Sicherheit von Bauwerken und technischen Anlagen als ein altmodisches Anliegen betrachtet, so sind wesentliche Aufgaben der MFPA altmodisch aber von großer Aktualität. Mit dem Entstehen der Industriegesellschaft verstärkte sich der Einsatz veredelter Werkstoffe und Materialien. Die damit verbundene fortschreitende Technisierung brachte als Kehrseite Risiken durch technisch bedingte Unfälle.

Technisch bedingte Unfälle können Schäden am Leben und Gesundheit von Menschen Umweltzerstörungen oder -schädigungen sowie Ressourcenverknappung verursachen. Nach einer Häufung von Eisenbahnunfällen entstanden im späten 19. Jahrhundert die ersten staatlichen Materialprüfanstalten bzw. -ämter in Deutschland. So ist die heutige Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Berlin Nachfolgerin einer bereits 1871 gegründeten Mechanisch-Technischen


20 Jahre MFPA – Bilanz und Ausblick |

Versuchsanstalt. Die Notwendigkeit einer unabhängigen Materialprüfung begründete der damalige Direktor des Königlich Preußischen Materialprüfungsamtes wie folgt: »Eine gut ausgestaltete Materialprüfungsanstalt kann sehr wesentlich zur Förderung der Industrie und des Handels eines Landes beitragen, wenn sie den Bedürfnissen von Verbrauchern und Erzeugern der Materialien gerecht wird, aber von einseitigen Interessen dieser Kreise unbeeinflußt bleibt. Daher sollte diese Stelle zwar vom Staate unterhalten werden, aber von den interessierten technischen Staatsbehörden (Eisenbahnen, Verkehrsanstalten, Militärbehörden u. a. m.) ebenso unbeeinflußt bleiben wie von den übrigen Interessenten. Ihr sollte lediglich die Verpflichtung auferlegt werden, frei nach den Regeln der wissenschaftlichen Technik und unter Anwendung aller Kunst mit den besten, stets unter Kontrolle gehaltenen Werkzeugen von größtem Zuverlässigkeitsgrade, Materialprüfungen auf Antrag eines jeden Staatsbürgers auszuführen und in Streitfällen auf Anrufen der Parteien als Schiedsrichter zu wirken.« *

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Der Name Materialforschungs- und -prüfanstalt hat den Bestandteil »Anstalt« und liefert so den Verweis, dass es sich bei der MFPA Weimar um eine staatliche Einrichtung handelt. Der Charakter als Forschungseinrichtung wird durch den Zusatz »an der Bauhaus-Universität« unterstrichen und erfordert einen Exkurs in das Hochschulrecht. »An« sagt in diesem Fall, dass die MFPA ein An-Institut ist und zu den außeruniversitären Forschungseinrichtungen gehört. Das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung Karlsruhe hat im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Jahr 2007 eine Studie vorgelegt mit dem Titel »Die Bedeutung der An-Institute im wirtschaftlichen Innovationsprozess«. Darin werden An-Institute definiert als Einrichtungen, die rechtlich von der Hochschule unabhängig sind einen Rahmenvertrag mit der Hochschule haben nicht primär aus Haushaltsmitteln der Hochschule finanziert werden. Diese Definition beschreibt die Stellung der MFPA als An-Institut der Bauhaus-Universität hundertprozentig.

* [Martens, A.: Grundsätze für die Organisation des öffentlichen Materialprüfungswesens (1912), Vortrag auf dem VI. Kongreß des Internationalen Verbandes für die Materialprüfungen der Technik]


Die Befragung von Unternehmen über Kooperationen mit AnInstituten ergab im Rahmen der genannten Studie: An-Institute werden praxis- und verwertungsorientierter und weniger bürokratisch als Hochschulen wahrgenommen. Unternehmen messen den An-Instituten eine hohe Bedeutung bei und betonen die Notwendigkeit der An-Institute als Bindeglied zwischen den Hochschulen und der Wirtschaft. Struktur der Mitarbeiter / Stand Januar 2012 Anzahl Wissenschaftliche Mitarbeiter

36

Ingenieure

13

Techniker

2

Laboranten

14

technische Mitarbeiter

15

Verwaltung

11

Gesamt

91

Eigene Befragungen von Forschungspartnern und Auftraggebern der MFPA berechtigen zu der Einschätzung, dass diese Sicht auf An-Institute auch auf die MFPA zutrifft. Die Rechtsform »Landesbetrieb« der MFPA erfordert zur Erklärung wiederum einen Verweis auf die Landeshaushaltsordnung. »Landesbetriebe sind rechtlich unselbständige Teile der Landesverwaltung, die sich dadurch von der übrigen Verwaltung unterscheiden, dass sie sich wie Unternehmer erwerbswirtschaftlich betätigen.« [Erläuterung zu § 26 Thüringer Landeshaushaltsordnung] Damit verbunden sind die kaufmännische Buchführung und die Anwendung der Vorschriften des Handelsgesetzbuches für große Kapitalgesellschaften. Insgesamt ist die MFPA damit eine außeruniversitäre Forschungseinrichtung mit einem starken wirtschaftlichen Bezug. Die heute mehr als 90 Mitarbeiter bilden einen Pool von Spezialisten unterschiedlicher Fachrichtungen. Begonnen wurde bei der Gründung der MFPA mit 40 Mitarbeitern und dem Auftrag, sich als Forschungseinrichtung und als Materialprüfanstalt zu etablieren. Vorausgegangen war die deutsche Wiedervereinigung und die Festlegung im Artikel 38 des Einigungsvertrages, dass die Forschungsinstitute der ehemaligen Bauakademie der DDR zunächst bis zum 31. Dezember 1991 als Einrichtungen der Länder fortzuführen sind. Das in Weimar ansässige Institut für Baustoffe fiel unter diese Regelung. Das Land Thüringen hat sehr zügig und zukunftsorientiert über dieses Institut entschieden.


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Nach einer kurzen Vorbereitungszeit und in Anlehnung an Strukturen und Aufgaben von vergleichbaren Einrichtungen in den alten Ländern wurde zum 01.01.1992 die Materialforschungsund -prüfanstalt in Weimar gegründet. Die Infrastruktur und die ersten Mitarbeiter wurden aus dem vormaligen Institut für Baustoffe übernommen.

bildungsaufgaben war von da an forciert fortzusetzen. In diesem Prozess wurden auch Forschungsgebiete und Tätigkeitsfelder aufgegeben, die nicht wirtschaftlich oder zukunftsorientiert waren. So gehören Tätigkeitsfelder wie Asphalt, Bitumen, Eisenbahn- und Verkehrswesen oder Baukonstruktionen nicht mehr zum Profil der heutigen MFPA.

Parallel lief das Wissenschaftler-Integrations-Programm der Bundesregierung, das Mitarbeitern aus vormaligen Akademieinstituten eine Übergangsfinanzierung mit Projektmitteln ermöglichte. Entsprechende Projektgruppen, die aus dem Institut für Baustoffe stammten, wurden organisatorisch an die MFPA Weimar angegliedert. In einem schwierigen politischen Entscheidungsprozess wurde in der Mitte der 90er Jahre des vorigen Jahrhunderts erreicht, dass erfolgreiche Projektgruppen in die MFPA integriert wurden. Auch dadurch hat Thüringen eine herausragende Erfolgsquote bei der Integration von Wissenschaftlern aus ehemaligen Akademieinstituten in Hochschulen und neu gegründeten Forschungseinrichtungen erreicht.

Die Palette der Werkstoffe und Bauteile, die erforscht, analysiert, geprüft und zertifiziert werden, ist vielfältig und der Ein- und Ausgang von Proben mit Kurierdiensten oder Speditionen würde einem Beobachter schnell einen Eindruck darüber verschaffen. Es finden sich in diversen Verpackungen Natursteine, Betonwaren, Zemente, Betonzusatzmittel, Flugaschen, Filterstäube, Betonproben, Bodenproben, Bodenbindemittel, Glasschaum, Fliesenkleber, Abwasser, Kunststoffe, Kunststoffrohre, Kunststoff- und Betonbehälter, Kleinkläranlagen, Kraftstoffschläuche, Elektronikbaugruppen, Rohre, Common-Rails, Dämmstoffe, Mauerwerksziegel usw.. Die Absender sind in Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Polen, Tschechien, Österreich, Schweiz, Finnland, Norwegen, Italien, Japan, Südkorea, Indien, USA und weiteren Staaten. Die Ausstrahlung der MFPA ist in der Forschung und der Prüfung international, die Verankerung in Thüringen aber weiterhin wesentlich.

Die Integration der Projektgruppen erweiterte erheblich den personellen und inhaltlichen Rahmen der noch jungen MFPA. Der Prozess der Etablierung von Forschungs-, Prüf- und Weiter-

Umsatzerlöse nach Regionen im Jahr 2010 Ausland

6%

Thüringen

45%

Deutschland ohne Thüringen

49%


Bei aller Anwendungsorientierung wird jedoch auch die Gewinnung von Grundlagenwissen nicht vernachlässigt. So wird der Frage nachgespürt, wie man eventuell vorhandene Wassergehalte auf dem Mars messen kann. Dahinter steht in Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaftlern die Frage, ob es Leben auf dem Mars geben könnte. Im Zuge von industriellen Ansiedlungserfolgen in Thüringen waren und sind auch die Nähe und die Leistungsfähigkeit der MFPA gefragt. So hat die MFPA Aufgaben im Rahmen der Qualitätssicherung bei Unternehmen übernommen, die im Gewerbegebiet »Erfurter Kreuz« angesiedelt wurden. Diese vielfältige und bewährte Zusammenarbeit mit Thüringer Unternehmen macht die MFPA zu einem wichtigen Teil der Forschungs- und Dienstleistungsinfrastruktur, die für das Wachstum des Freistaats entscheidend ist.

Diese skizzierte Entwicklung der MFPA war nur möglich, weil der Freistaat Thüringen die Voraussetzungen für Forschung und Prüfung geschaffen hat. Die modernen Gebäude und Laborausstattungen belegen diese Unterstützung. Dafür sei dem Land und insbesondere dem Thüringer Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur gedankt. Viele Leiter und Mitarbeiter aus der Hochschul- und Forschungsabteilung haben in den vergangenen Jahren durch ihr Engagement erst die Entwicklung der MFPA ermöglicht.

Die überwiegend anwendungsorientierte Forschung der MFPA ist gekoppelt mit einem Wissens- und Technologietransfer in die Unternehmen. Die Transferwege sind vielfältig und reichen von Forschungsprojekten für branchenspezifische Forschungsvereinigungen über Verbundforschungsvorhaben bis zu gemeinsamen Schutzrechtsanmeldungen.

Die MFPA hat mit ihrer Leistungsentwicklung den Vorschuss an Vertrauen, Geld und Unterstützung gerechtfertigt. Es ist gelungen, die Drittmitteleinnahmen aus Forschungsprojekten und Prüf-, Überwachungs-, Zertifizierungs- und Weiterbildungsleistungen stetig zu erhöhen. Dadurch ist der Anteil der Landesmittel am Betriebshaushalt der MFPA kontinuierlich gesunken. Es ist ein wesentliches Ziel für die kommenden Jahre, diesen Prozess erfolgreich fortzusetzen. Dazu ist das Forschungs- und Dienstleistungsprofil kontinuierlich neu zu justieren und die Zusammenarbeit mit den Forschungs- und Unternehmenspartnern zu stärken.

6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 2005

2006

2007

FuE-Drittmittel Drittmittel aus Umsatzerlösen Landesmittel

2008

2009

2010

2011


20 Jahre MFPA – Bilanz und Ausblick |

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Eine Bilanz zum 20jährigen Bestehen wäre ohne eine Würdigung der Mitarbeiter der ersten Stunde, der ehemaligen Mitarbeiter und der vielen Wegbegleiter insbesondere aus der BauhausUniversität, dem Ministerium und dem Kuratorium unvollständig. Die Zahl der noch im Arbeitsprozess stehenden Mitarbeiter aus der Gründungszeit der MFPA hat sich in den letzten Jahren merklich verringert. Die Verantwortlichen im Ministerium haben gewechselt, Fachgebietsleiter aus der Bauhaus-Universität sind im Ruhestand und manche Meinungsverschiedenheit aus den Auf baujahren verblasst in der Erinnerung. Allen, die mitgewirkt haben an der Entwicklung der MFPA, gilt unser Dank. Das 20-jährige Jubiläum bringt auch eine Zäsur bei der Leitung der MFPA. Der bisherige Wissenschaftliche Direktor, Prof. Dr.Ing. Joachim Bergmann, wird verabschiedet und sein Nachfolger, Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Könke, in sein Amt eingeführt. Wir danken dem scheidenden Direktor für die Arbeit der vergangenen Jahre und wünschen dem neuen viel Erfolg bei der Gestaltung der zukünftigen Ausrichtung der MFPA.

01/02 Eingang zum CIB.Weimar mit der MFPA als Hauptnutzer Innenhof des Büro- und Laborgebäudes Coudraystraße 9 Fotos: gildehaus.reich architekten BDA


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Fachgebiete


Fachgebiet: Baustoffe

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austoffe sind auf Grund ihres komplexen chemisch-physikalischen Auf baus und ihrer Wechselwirkung untereinander ein häufig unterschätztes Forschungsgebiet. In Baustoffen sind komplexe chemische Verbindungen enthalten, die mit der Umwelt und untereinander über die gesamte Lebenszeit interagieren. Physikalisch bestehen Baustoffe aus räumlich angeordneten Partikelgemischen, geometrisch betrachtet aus Nanopartikeln bis hin zu Bestandteilen im Dezimetermaßstab, die von teils mit Flüssigkeiten gefüllten Hohlräumen durchsetzt sein können. Das Verständnis der Interaktion dieser Mehrphasenstoffgemische bei veränderlichen Bedingungen wie Temperatur-, Feuchte- oder Ionenkonzentrationen ist für die Errichtung und die Langzeitstabilität von Bauwerken von großer Bedeutung. Das Verständnis dieser komplexen Zusammenhänge erfordert die interdisziplinäre Zusammenarbeit verschiedener Fachrichtungen. Das Fachgebiet Baustoffe, zusammen mit den anderen Fachgebieten der MFPA, hat über die letzten 20 Jahre umfangreiches Wissen über interdisziplinäre Forschung und umfangreiche Praxiserfahrungen gesammelt. Die wissenschaftlich-technische Kompetenz der Fachleute im Bereich Baustoffe führt durch umfangreiche Beratungs-, Forschungs- und Publikationstätigkeit zu einer neuen, nachhaltigen Denkweise auf vielen Gebieten des Bauwesens.

Forschung und Entwicklung Kaum ein anderes Bauteil stellt sowohl an das eingesetzte Material als auch an die handwerkliche Leistung des Ausführenden so hohe Anforderungen wie der Estrich. Der dazu benötigte Estrichmörtel muss in besonders gleichmäßiger Qualität verarbeitet werden, damit Estrichkonstruktionen mit hohen Anforderungen an die Ebenheit und die Qualität hergestellt und rissfrei sowie mit geringen Verformungen erhärten können. Forschungsseitig wird die Entwicklung neuartiger Estrichmörtel betrieben. Dazu werden neue Bindemittelsysteme untersucht. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf schwind- und verformungsarme Rezepturen gelegt, deren Austrocknung bis zur Belegreife in einem für den Baufortschritt verträglichen Zeitraum erfolgt. Derartige Rezepturen zeichnen sich durch eine weichplastische bis fließfähige Konsistenz des Frischmörtels aus und sind damit ohne nennenswerte Verdichtungsarbeit zu verlegen. Aufgrund des über den gesamten Bauteilquerschnitt gleichmäßigen Gefüges sind diese Estriche im Vergleich zu konventionellen Estrichen gleicher Nenndicke und Biegezugfestigkeitsklasse höher belastbar. Durch die technologische Entwicklung von Feuchtigkeitssensoren in Verbindung mit einem speziellen Messverfahren soll zukünftig die quantitative Bestimmung des Feuchtegehaltes in Bauteilen aus Beton oder Estrichmörtel ermöglicht werden. Es wird beabsichtigt, Sensoren zum Zeitpunkt der Herstellung im Bauteilquerschnitt zu applizieren. Es werden wichtige Kenndaten über den zeitlichen Verlauf der Austrocknung, den Zeitpunkt des Erreichens des ausgleichsfeuchten Zustandes sowie über die Feuchtebelastung von Bauteilen in Abhängigkeit der Umge-


Fachgebiet: Baustoffe |

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01 Mörtellabor Mischung

02 Frost E-Modul

bungsbedingungen erfasst. Nach Auswertung der Ergebnisse sind detaillierte Aussagen zur Optimierung des Bauablaufs bzw. zum Feuchtehaushalt möglich.

insbesondere das spröde Materialversagen der CFK-Lamellen und das gering duktile Verbundverhalten zwischen Beton und CFK-Material. Im Rahmen des durch das BMBF geförderten Regionalen Wachstumskerns »high stick« wurde ein faseroptisches Messsystem entwickelt, das in CFK-Lamellen integriert und fixiert werden kann, wobei die sensorbasierte Textilarmierung neben der eigentlichen Bauwerksertüchtigung durch den Einsatz von FBG-Sensoren die Aufgabe eines Bauwerksmonitorings (Überwachung von Dehnung, Durchbiegung, Temperatur) übernimmt.

Die Messung von Verformungen ist zur Überwachung der Standsicherheit und des Langzeitverhaltens von Bauwerken eine der wichtigsten Größen. Die Entwicklung von sensorintegrierten Kohlefaserlamellen, die sowohl zur Überwachung von Bauteilen als auch zur Bauwerksverstärkung eingesetzt werden, ist ein Forschungsziel. Dabei werden Sensorsysteme entwickelt und eingesetzt, die Dehnungs- und Temperaturmessungen auf faseroptischer Basis ermöglichen. Großräumige Messungen von Setzungen und / oder Hebungen bei Tunnelbauwerken in Städten oder Deponien erfordern Sensornetzwerke. Werden die Signale dieser Sensoren elektrisch über größere Entfernungen übertragen, ist die Datenübertragung durch äußere Umwelteinflüsse störanfällig. Ein Forschungsziel ist die Entwicklung von Sensorprinzipien auf glasfaseroptischer Basis. So können physikalische Größen wie Druck, Höhenunterschiede oder Lageabweichungen ausschließlich durch Licht, welches durch Glasfasern auch über größere Entfernungen übertragen wird, gemessen werden. Mittels optischer Erfassung geometrischer Eigenschaften von Bauteilen und Bauwerken kann ohne mechanische Abtastung der Zustand und die Veränderung von Bauwerken erfasst werden. Im Betonbau hat sich die Bauteilverstärkung mit CFK-Lamellen bewährt. Neben zahlreichen Vorteilen treten bei CFK-Systemen jedoch Einschränkungen bei der Applikation auf. Dazu zählen

Im Bereich der ICE-Neubaustrecke Halle/Leipzig durchqueren mehrere Eisenbahntunnel die Höhenzüge von Finne und Schrecke. Der Finnetunnel, bestehend aus zwei parallel verlaufenden 6.880 m langen Tunnelröhren, ist der längste Eisenbahntunnel der gesamten Neubaustrecke. Die Tunnelröhren weisen eine maximale Überdeckung von 65 m auf und sind durch geologische Verwerfungen extrem druckwasserbeansprucht. Im Abstand von 500 m sind die Tunnelröhren mit Querschlägen verbunden, die einen druckwasserdichten Anschluss an die Tübbingauskleidung der Tunnelröhren erfordern. Im Rahmen von verschiedenen Entwicklungsvorhaben wurden seit dem Jahr 2009 diverse Prüfstände zur realitätsnahen Simulation der Wasserdichtigkeit von Verbundkörpern konzipiert, um damit die Eignung verschiedener, technischer Lösungskonzepte zu überprüfen. Die ursprünglich favorisierte Lösung mittels Los-Festflansch-Konstruktion und Elastomerabdichtung wurde durch eine deutlich verbesserte anwendungsfreundliche und wirtschaftliche Lösung


mittels Klebverbindungen abgelöst. Die MFPA Weimar hat dazu eine Vielzahl von Zeitstandsversuchen bei Wasserdrücken bis 12 bar durchgeführt und die Fremdüberwachung der Ausführung der Abdichtungsmaßnahmen aller 13 Querschläge übernommen. Über einen Zeitraum von 15 Jahren wurden mehrere Forschungsprojekte, die vom Umweltbundesamt, der Deutschen Bundesstiftung Umwelt und dem TMWFK gefördert worden, bearbeitet. Die Inhalte dieser Projekte waren die Erfassung von umweltbedingten Veränderungen an Bauwerksoberflächen. Weiterhin wurden Forschungsprojekte zur Entwicklung von Technologien und Materialien für Sanierungs- und Restaurierungsmaßnahmen an Altbauten und Denkmalen (z. B. acrylatgebundene Mörtelsysteme für die Restaurierung, gipshaltige Mörtelsysteme für die Sanierung, gipsgebundene Dekorfußböden) bearbeitet. Diese Projekte wurden über die Programme PROINNO und ZIM gefördert. Ebenfalls wurde ein Mörtelkalorimeter für den Einsatz in der Forschung entwickelt.

blick auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber der aufgetretenen Exposition ist entscheidend für die Dauerhaftigkeit. Jahrzehntelange Erfahrungen auf dem Gebiet komplexer Bauzustandsuntersuchungen und Bewertungen von Bauschäden liegen vor. Diese umfassen Brücken, Gebäude im Hochbau, Bauwerke im Trinkwasser- und Abwasserbereich sowie Tunnelbauwerke im In- und Ausland. Die Bauzustandsanalyse ist Grundlage für die Ausführungsplanung und entscheidend für die Qualität und Lebensdauer von Instandsetzungsmaßnahmen. Schadensdiagnosen an Fußbodenkonstruktionen, bestehend aus Estrich und Belag sowie an hochbeanspruchten Industrieestrichen sind Bestandteil der Prüfleistungen.

Die Prüfung von Bauprodukten auf Basis entsprechender Normen und Richtlinien sowie technischer Spezifikationen ist eine Grundvoraussetzung für den Einsatz in der Baustoffindustrie. Die akkreditierte Prüfstelle des Fachgebietes Baustoffe ist auf dem Gebiet der Produktprüfungen für Bindemittel, Zusatzstoffe, Betonzusatzmittel, Gesteinskörungen und Gesteinsgemische sowie Natursteinen und Natursteinprodukten tätig. Gesteinskörnungen werden hinsichtlich ihres Grades der Reaktivität gegenüber Alkali-Kieselsäure-Reaktion eingestuft.

Bau- und Werkstoffe, Bauteile und Baukonstruktionen unterliegen während ihrer Nutzungsdauer einer Vielzahl von Umwelteinflüssen. Die Umweltbedingungen beeinflussen die Leistungsfähigkeit, das Funktionsverhalten, die Lebensdauer und die Effizienz der eingesetzten Materialien. Mit innovativen Verfahren werden die Wechselwirkungen von Bauteil- / Werkstoffoberflächen zu den jeweiligen Umweltbedingungen erfasst, analysiert und bewertet. Die zumeist komplex vernetzten Wirkungsketten der physikalischen und chemischen und Umwelteinwirkungen werden hierbei modellhaft strukturiert und Kausalzusammenhänge analysiert. Bei der Klärung von Schadensursachen und der relevanten Einflussfaktoren auf die Alterung und Verwitterung von Bau- und Werkstoffen ist die Feinstrukturanalyse eine wesentliche Voraussetzung. Ziel der Beständigkeitsprüfungen ist die Aufklärung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in Hinblick auf ein nachhaltiges Bauen.

Die Prüfung der Dauerhaftigkeit von Betonen ist eine wesentliche Aufgabenstellung zur Beurteilung der Widerstandsfähigkeit von Baustoffen gegenüber äußeren Umwelteinflüssen. Diese können ausgelöst werden durch Betonkorrosion infolge Frost-, Frosttausalzbeanspruchung, chemische Beanspruchung, Verschleißbeanspruchung, Alkali-Kieselsäure-Reaktion sowie Bewehrungskorrosion infolge Karbonatisierung und Chloridbeaufschlagung. Die richtige Bewertung des Baustoffes im Hin-

Bei den Untersuchungen zur Materialbeständigkeit spielen Fragen der Zeitraffung und der künstlichen Alterung eine wesentliche Rolle. Die Einwirkungen auf Werk- und Baustoffoberflächen werden mittels spezieller Anlagen und Prüfverfahren für Klimawechselbelastungen, für chemische Verwitterungen durch saure Medien, Salznebeleinwirkungen, Schwallwasserbeaufschlagungen und UV-Bestrahlungen simuliert. Die Umwelteinflüsse können sowohl natürlichen Ursprungs sein (Klima) oder technisch

Prüfen von Bauprodukten, Baustoffen, Bauwerken, Bauteilen


Fachgebiet: Baustoffe |

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bedingt (Luft- und Wasserverunreinigungen). Die Bewertung von Strukturänderungen durch Alterungs- und Verwitterungsvorgänge erfolgt durch Anwendung innovativer analytischer Verfahren auf der Grundlage mechanischer, chemischer, mikroskopischer, röntgendiffraktometrischer und thermischer Analysen. Spezialfelder zur Identifikation der Belastungswirkungen bilden die Dünnschliffmikroskopie, Porositätsanalysen, die phasenanalytische Identifikation sowie die Ermittlung von Feuchteund Salzprofilen in oberflächennahen Randzonen.

Kondensatbeaufschlagungen im Vordergrund. Verfügbar sind Klimaprüfgeräte mit unterschiedlichen Kammervolumina für Kombinationsbeanspruchungen mit konstanten oder zyklisch wechselnden Klima-, Medien- und Bestrahlungsbelastungen. Geprüft werden vorrangig Bauteile aus der Elektronik / Elektrotechnik, dem Fahrzeugbau, der Optoelektronik, dem allgemeinen Maschinenbau und der Solarindustrie. Die Umweltsimulation ist heute ein wesentlicher Bestandteil eines gesamtheitlichen Life-Cycle-Engineerings.

Im harmonisierten Europäischen Regelwerk für Produkte und Systeme der Instandsetzung von Betonbauwerken sind die Anwendungsbereiche Abwasser, Trinkwasser und Kraftwerksanlagenbau explizit ausgeschlossen. Für die Applikation von Mörtel für Neubau und Instandsetzung von Entwässerungssystemen mussten daher geeignete Prüfverfahren zum Nachweis der Beständigkeit bei stark saurem Angriff XA3 sowie gegenüber biogenem Schwefelsäureangriff XBSK entwickelt werden. Unter Verwendung von rechnergestützten Titrationsanlagen ist nunmehr die Ermittlung der Säurebeständigkeit von Mörteln durch zeitraffende Einlagerungsversuche sowohl für den Anwendungsbereich der biogenen Schwefelsäurekorrosion (pH 0 bis pH 3) als auch für den Bereich des stark sauren Angriffs bei pH-Werten von 3 bis 6 mit hoher Genauigkeit zu ermitteln. Je nach Beanspruchungsgrad wird bei diesen Einlagerungsverfahren eine rechnerische oder visuell sichtbare Korrosionstiefe ermittelt.

Weiterbildung, Fachtagungen

Umweltprüfungen müssen maßgeschneidert auf die jeweiligen Umwelteinwirkungen abgestimmt sein, ohne durch Zeitraffereffekte eine Überhöhung der natürlichen Belastungen im Nutzungszeitraum zu erreichen. Dazu wurden definierte Umweltklassen normenkonform und bauteilspezifisch entwickelt, auf deren Grundlage die spezifischen Prüf beanspruchungen festgelegt werden können. Im Rahmen der Prüfungen zur Umweltsimulation stehen die Korrosionsprüfungen in künstlichen Atmosphären mit Einzelund Mischbegasungen stark korrosiver Medien wie Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff sowie Korrosionsprüfungen durch Angriff flüssiger Medien bei Sprühnebel-, Schwallwasser- und

Das Angebot an Weiterbildungsmaßnahmen und Fachtagungen rundet das Profil des Fachgebietes Baustoffe ab. Seit 1992 fanden im Bereich Weiterbildung Betonbau an der Außenstelle Apolda 45 Lehrgänge zum Erwerb erweiterter betontechnologischer Kenntnisse (E-Schein) mit insgesamt 1.230 Teilnehmern statt. Weiterhin wurden 40 Betonprüferlehrgänge, 42 Auf baulehrgänge für E-Scheininhaber, 13 Fachtagungen »betonbau.aktuell« und eine Vielzahl von Betonpraxis-Lehrgängen durchgeführt. Das Weiterbildungszentrum Betonbau Apolda führt die nun schon traditionellen Weiterbildungslehrgänge im Betonbau mit bundesweit anerkanntem hohem Praxisbezug durch: Erweiterte betontechnologische Ausbildung (»E-Schein«-Ausbildung) Lehrgang zum Erwerb des Betonprüferzertifikates Betonpraxis-Lehrgang (Herstellung, Verarbeitung, Prüfung) Auf baulehrgang für »E-Schein«-Inhaber (Anwendung der aktuellen Normenwerke im Betonbau) Auf baulehrgang für Betonprüfer (Herstellung und Prüfung von Beton nach aktuellem Stand der Normung) Fachtagung »betonbau.aktuell« mit jährlich wechselnden Themen

kontakt Dipl.-Ing. Astrid Fischer Mail: astrid.fischer@mfpa.de


Fachgebiet: Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfung

D

ie Arbeit des Fachgebietes deckt ein breites Spektrum von Themen rund um die Entwicklung und Anwendung von bauphysikalischen und zerstörungsfreien Messverfahren ab. Im Bereich der Bauphysik stehen Messungen der Wärmeleitfähigkeit und der feuchtetechnischen Eigenschaften von Bau- und Dämmstoffen im Vordergrund. Ein Schwerpunkt ist dabei die Ziegelprüfung. Mit Vor-Ort-Messungen wird das Raumklima in Gebäuden überwacht und es werden Undichtheiten und Wärmebrücken detektiert. Die Messung der Feuchte von Böden, in Deichen, in der Landwirtschaft und an Lebensmitteln mit neuartigen Messverfahren steht im Mittelpunkt der Feuchtemessverfahren. Mit den Methoden der Zerstörungsfreien Prüfung wird der innere Auf bau von Bauteilen aus dem Bauwesen und aus Industriewerkstoffen abgebildet. So kann ihre Qualität nachgewiesen werden, aber auch Fehlstellen lassen sich erkennen und lokalisieren. Die Genauigkeit der elektrischen Messgeräte und mechanischen Prüfmaschinen, die intern und bei unseren Auftraggebern eingesetzt werden, wird regelmäßig durch den Bereich Kalibrierung überprüft. Einen großen Raum nimmt die Entwicklung neuer Mess- und Prüfverfahren ein. Dafür wird angewandte Forschung in Förderprojekten und als Auftragsforschung durchgeführt. Ein ganzes Spektrum von Prüfleistungen wird als Dienstleistung für Sachverständige, die Wirtschaft und öffentliche Auftraggeber angeboten. Für Energieberater wird gemeinsam mit der BauhausUniversität eine Weiterbildung durchgeführt. Darüber hinaus arbeiten Mitarbeiter des Fachgebietes in verschiedenen Fachausschüssen mit. Ferner werden Praktika von Schülern und Studenten sowie studentische Arbeiten betreut.

01 Prüfung der Maßhaltigkeit von Dachziegeln

Im Laufe der 20 Jahre seines Bestehens hat sich das Profil des Fachgebietes gewandelt. Als Fachgebiet Bauphysik mit den klassischen Inhalten Wärme, Feuchte und Schall gegründet, kam durch die Integration der Ziegelprüfstelle ein neuer Schwerpunkt hinzu. Dafür verschwanden Themenbereiche wie klimatische Belastungstests, Umweltsimulation und bauakustische Untersuchungen. Ebenso wurden die Arbeit als Güteprüfstelle für bauakustische Messungen an Gebäuden sowie die Messung von Umgebungslärm eingestellt. Bereits früh entwickelte sich der zweite Schwerpunkt des Fachgebiets mit den zerstörungsfreien Messverfahren. Zunächst kamen zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden mittels Ultraschall und bald darauf die Feuchtemessverfahren hinzu. Für schwingungstechnische Untersuchungen wurde eine eigene Arbeitsgruppe aufgebaut, die vor kurzem in ein anderes Fachgebiet eingegliedert wurde. Schließlich erweiterte die Prüfmaschinenkalibrierung die Kalibriermöglichkeiten des Fachgebietes auf mechanischem Gebiet.


Fachgebiet: Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfung |

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03/04 Infrarot-Thermografie des SchimmelForschungshauses mit unterschiedlich starker Wanddämmung Ultraschall-Prüfkopfarray bei der Messung auf Beton

02 Evaluierung eines Resonators zur Feuchtemessung am Netzwerkanalysator

Bauphysik und Ziegelprüfung Um die ständig steigenden Anforderungen des Wärmeschutzes an Bau- und Dämmstoffe messtechnisch zu unterstützen, bietet das Fachgebiet wärme- und feuchtetechnische Untersuchungen an. Es wird nach neuen Materialien und Bauformen gesucht, die eine gute Dämmwirkung und damit eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. So werden Neuentwicklungen aus Naturmaterialien, Kunststoffen oder Bau- und Dämmstoffen gemessen und bewertet. Dabei spielt vor allem die Ermittlung der Materialkennwerte Wärmeleitfähigkeit, Diffusionswiderstand, spezifische Wärmekapazität und Ausgleichsfeuchte eine große Rolle. Schwerpunkt der Dienstleistungen ist die Prüfung von Ziegeln, die wärmetechnische Untersuchungen und mechanische Prüfungen umfasst. In diesem Bereich hat sich die MFPA bundesweit als verlässlicher Partner und anerkannte Prüfstelle etabliert. Im Laufe der Jahre entstanden rege Kontakte zu Sachverständigen und Planern aus der Region. Durch diese werden Prüfdienstleistungen des Fachgebietes wie Infrarot-Thermografie und Luftdichtheitsmessungen beauftragt. Es werden unter anderem Messungen zu gerichtlichen Gutachten durchgeführt. In komplizierten Fällen – z. B. bei Schwimmbädern und Thermen – wird gern auf diese Erfahrungen zur Beurteilung der Gebäudehülle zurückgegriffen. Dazu zählt auch die Berechnung von Wärmebrücken. Die Prüfungen im Labor und vor Ort werden durch Simulationsrechnungen des Wärme- und Stofftransportes in Bauteilen und Baustoffen ergänzt und unterstützt. Die Forschungs- und

Entwicklungsaufgaben reichen bis zur Teilnahme an einem durch die Europäische Union geförderten Forschungsprojekt, das gemeinsam mit 12 Partnern aus dem In- und Ausland bearbeitet wird. Daneben werden Bauteile wie Fenster- und Fassadenprofile, Hochlochziegel, Trennelemente für Balkonplatten und Befestigungselemente durch Messungen und Simulationen entwickelt. Weitere Beispiele sind Strömungssimulationen für die Entwicklung von Zuluftfenstern. Es wurden mehrere Forschungsthemen zum Monitoring der Feuchte in austrocknenden Estrichen sowie der Beurteilung des Schimmelrisikos auf Bauteiloberflächen mittels RFID-basierter Sensorsysteme durchgeführt. Ein in den letzten Jahren entstandener Schimmelwarnsensor basiert auf der Messung der relativen Feuchte und Temperatur auf den inneren Oberflächen von Bauteilen. Zu dessen Entwicklung wurde ein Versuchshaus errichtet, in dem die Wärme- und Feuchtebedingungen zum Wachstum von Schimmel auf Wärmebrücken durch einen Freilandversuch nachgebildet wurden. Die Mitarbeiter sind in Normausschüssen und in der Weiterbildung von Architekten und Ingenieuren, insbesondere auch in der Ausbildung von Sachverständigen für Schallschutz, Schäden an Gebäuden und Energieberatern engagiert. Für die Weiterbildung eLearning-Bauphysik an der Bauhaus-Universität wurde ein Praxisseminar entwickelt, in dem die Kursteilnehmer seit 2008 an der MFPA bauphysikalische Prüfungen im Labor und vor Ort an Gebäuden durchführen.


Feuchtemessverfahren und Zerstörungsfreie Prüfung

05 Ultraschallabbildung eines Betonbauteils mit kleinem Hohlraum und Rückwandversatz

Auf dem Gebiet der Feuchtemessverfahren wird bei der Bearbeitung von Forschungsprojekten und Aufträgen aus der Wirtschaft ein umfangreiches Spektrum hochwertiger Messtechnik genutzt. Messverfahren wie Resonatorverfahren, Ultrabreitbandverfahren, Durchstrahlungsverfahren und Reflexionsverfahren werden im Frequenz- und im Zeitbereich angewendet. Dabei besteht die Möglichkeit, dielektrische Messungen im Frequenzbereich von 1 MHz bis 40 GHz an Böden, Baumaterialien, Lebensmitteln, Flüssigkeiten und anderen dielektrischen Materialien sowie an Absorbermaterialien durchzuführen. Für die Generierung und Simulation von Sensormodellen mit dielektrischen Materialien wird das 3D-Finite-Elemente-Programm HFSS eingesetzt. Damit können komplexe Auf bauten von Sensoren für Versuchszwecke vermieden und Kalibrierungen vereinfacht werden. Mit den verfügbaren Techniken wird die Feuchte sowohl an der Oberfläche, als auch ortsaufgelöst an Profilen bestimmt. Mit einem speziellen Messgerät ist es sogar möglich, Spurenfeuchte in kleinsten Mengen zu ermitteln. Im Bereich der Dienstleistung werden Feuchtemessgeräte an industrielle Prozesse angepasst und kommerzielle Feuchtemessgeräte überprüft. Die Ergebnisse dieser Arbeiten kommen im Bauingenieurwesen, dem Bergbau, der Geotechnik, der Agrarwirtschaft, der Verfahrenstechnik sowie in der Lebensmittelindustrie zum Einsatz. Bei der Anwendung der zerstörungsfreien Prüfung werden vor allem Ultraschall- und Impakt-Echo-Verfahren eingesetzt, um Bauteile aus so unterschiedlichen Materialien wie Beton, Keramik, Stahl und Kunststoff zu untersuchen. Im Zentrum stehen dabei die Erforschung und Entwicklung von Mess- und Abbildungsverfahren im Rahmen von Forschungsprojekten und gezielter Auftragsforschung für die Industrie. Im Prüf bereich haben Sonderprüfungen von Bauteilen aus grobkörnigen oder stark dämpfenden Werkstoffen einen wichtigen Anteil. Ein Beispiel ist die Prüfung von Tunnelinnenschalen.

06 Messung der Wärmeleitfähigkeit mit dem Poensgen-Gerät

Ein Schwerpunkt sind die Entwicklung und der Einsatz von Abbildungsverfahren mit Ultraschall. Speziell für die Bauwerksdiagnostik wurde ein automatisches Abbildungssystem mit dreiachsigem Scanner entwickelt. Besonderheiten sind ein elektronisch gesteuertes Prüfkopfarray und das tomographische SAFT-Abbildungsverfahren, das für eine ortsrichtige Darstellung mit hoher Auflösung sorgt. Damit kann das Volumen von Betonbauteilen samt enthaltenen Einbauteilen und Fehlstellen dreidimensional visualisiert werden.


Fachgebiet: Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfung |

Kalibrierung Die MFPA führt die Kalibrierung von Messmitteln für elektrische, geometrische und klimatische Messgrößen intern und die Prüfung und Kalibrierung von Werkstoffprüfmaschinen als akkreditiertes Prüflaboratorium bundesweit durch. Werkstoffprüfmaschinen sind integraler Bestandteil der Qualitätssicherung im produzierenden Gewerbe. Die regelmäßige Kalibrierung von Prüfmaschinen und Geräten ist daher eine wichtige Voraussetzung zur Verbesserung der Produktqualität.

07 Kalibrierung einer LängenänderungsMesseinrichtung

Bei der Kalibrierung werden die tatsächlichen Einstellwerte eines Gerätes oder einer Prüfmaschine mit denen eines genaueren Referenzgerätes der MFPA verglichen. Die Messabweichungen werden dokumentiert und die Messunsicherheit berechnet. Bei Geräten, die bestimmten Vorschriften oder Geräteklassen genügen müssen, wird dies bei erfolgreicher Prüfung im Prüf bericht bescheinigt. Das Referenzgerät muss seinerseits kalibriert und auf einen Referenzstandard rückführbar sein. Die Kalibrierung gilt nur für einen begrenzten Zeitraum von meist ein bis zwei Jahren und ist danach zu wiederholen. Die Leistungen umfassen die Prüfung aller gängigen Typen von Werkstoff- und Baustoffprüfmaschinen, wie Zug-, Druck-, Schwing-, Biegeprüfmaschinen, Spannvorrichtungen sowie Pendelschlagwerke, Härteprüfmaschinen und LängenänderungsMesseinrichtungen. Die MFPA ist als amtliche Prüfstelle für Werkstoffprüfmaschinen vom Verband der Materialprüfanstalten empfohlen und arbeitet im bundesweiten Arbeitskreis Prüfmaschinen und Prüfgeräte mit.

kontakt Dipl.-L. Paul Rieger Mail: paul.rieger@mfpa.de

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Fachgebiet: Chemie und Umwelt

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as Fachgebiet Chemie und Umwelt bietet umfassende Forschungs- und Prüfleistungen in den Bereichen Verfahrenstechnik der Abwasserreinigung, Mikrobiologie und der Bau- und Umweltchemie an. Ein wesentliches Standbein ist die Prüfung von kompletten Bauprodukten bzw. die chemische Analytik ausgewählter Parameter für Produktprüfungen innerhalb der MFPA. Das Fachgebiet verfügt seit 1994 über Erfahrungen bei der praktischen Prüfung von Kleinkläranlagen sowohl bei der bis 2002 üblichen Prüfung am Einbauort, als auch bei der Prüfung auf einem institutseigenen Prüffeld in den Folgejahren. Seit 2006 besitzt das Fachgebiet auch die Anerkennung der Kompetenz zur Durchführung von Erstprüfungen bei Kleinkläranlagen nach mehreren Normenteilen der Normenreihe EN 12566. Auf dem Prüffeld der MFPA werden ausgewählte Anlagengrößen einer praktischen Prüfung nach einem vorgegebenen Ablauf unterzogen. Ziel dieser über 38 Wochen verlaufenden Prüfung ist die Ermittlung der Leistungsfähigkeit dieser Anlagen, die als Abbaugrad bestimmter abwassertechnischer Parameter ausgedrückt wird. Mit der Ausführung weiterer Prüfungen im Rahmen der sogenannten Erstprüfung wird für den jeweiligen Auftraggeber die Grundlage geschaffen, seine Produkte normenkonform mit einer CE-Kennzeichnung zu versehen. Die Prüfbedingungen mit der diese Ergebnisse zu erzielen sind, werden weitestgehend durch die Norm beschrieben. Im Einzelfall sind für die Herstellung der möglichen Prüf bedingungen innovative Lösungen zu finden. Durch Entwicklungen und Forderungen zur Vermeidung oder Wiederverwendung von Abfällen in der Abfallwirtschaft veranlasst, entwickelte eine Vielzahl von Produzenten in den letzten Jahren Verpackungen, die biologisch abbaubar und kompostierbar sind. Diese werden teilweise auf der Basis nachwachsender Rohstoffe oder beispielsweise Polyestern auf der Grundlage von Stärken oder Zellulosen hergestellt. Biologisch abbaubare Werkstoffe (BAW) können bei DIN CERTCO registriert und zertifiziert werden. Der Aufdruck eines sogenannten BAW-Zeichens auf diese Verpackungen setzt eine erfolgreiche Prüfung nach EN 13432 voraus. Das Fachgebiet Chemie und Umwelt führt als anerkanntes Prüflabor von DIN CERTCO Prüfungen zum Nachweis der biologischen Abbaubarkeit und Kompostierbarkeit von Werkstoffen aus. Neben reinen Laborversuchen, in denen der prinzipielle biologische Abbau im aquatischen Medium oder unter kontrollierten Kompostierungsbedingungen nachgewiesen

01 Ökotoxizitätsprüfung für BAW's

wird, erfolgt der Nachweis der Kompostierbarkeit zusätzlich im kleintechnischen Versuchsmaßstab. Als Grundvoraussetzung für die Anerkennung als BAW gilt u.a. die Einhaltung von Grenzwerten bestimmter Elemente, insbesondere von Schwermetallen. Das Fachgebiet verfügt zum Nachweis dieser Parameter über leistungsfähige Analysengeräte. Für die Eignung von Materialien als BAW ist unter bestimmten Bedingungen zusätzlich nachzuweisen, dass der BAW umweltverträglich ist. Dazu werden neben der Analytik des Kompostes Keimversuche mit verschiedenen Kulturpflanzen angewendet. BAW’s werden aus bestimmten Grundsubstanzen mit unterschiedlichsten Zusatzstoffen hergestellt. Für die Zertifizierung werden diese Zusammensetzungen festgeschrieben. Mit der Anfertigung eines Infrarot-Spektrums wird quasi ein Fingerabdruck eines BAW’s zum Zeitpunkt der Zertifikatsbeantragung erzeugt. In der Folgezeit kann mit dem Vorliegen dieses Vergleichs-IR-Spektrum überprüft werden, ob der Hersteller die Zusammensetzung seines BAW signifikant verändert hat. Die MFPA fertigt im Auftrag von DIN CERTCO solche Vergleichsspektren an.


Fachgebiete: Chemie und Umwelt |

Das Fachgebiet Chemie und Umwelt hat in den vergangenen Jahren erfolgreich Forschungsthemen zur Reinigung spezieller Abwässer abgeschlossen, die durch wesentliche Abweichungen zur üblichen Zusammensetzung kommunaler Abwässer gekennzeichnet sind. Neben der Reinigung von Deponiesickerwässern durch ein naturnahes Verfahren wurden die Bedingungen von bepflanzten Bodenfiltern an Raststätten untersucht, die durch ein stark verzerrtes Nährstoffverhältnis gekennzeichnet sind. Weiterhin wird an der Optimierung von Verfahren zur Schwimmund Badeteichreinigung gearbeitet. Hierbei ist die sichere Einhaltung von Hygieneparametern das Ziel. Die personelle Basis des Fachgebietes bietet die Möglichkeit, mikrobiologische Untersuchungen sowohl im Abwasserbereich als auch bei Schadensanalysen an Materialien und Bauwerken anzuwenden. Das Spektrum wird ergänzt durch Untersuchungen an holzzerstörenden Pilzen und Schimmelbildungen im Bereich von Räumen. Die Basis für die meisten der beschriebenen Aufgabenstellungen ist ein akkreditiertes, leistungsfähiges Labor im Hintergrund. Mit der Zusammenführung der bauchemischen und umweltchemischen Labore in 2003 wurde eine leistungsfähige Einheit geschaffen, die eine Vielzahl von Aufgabenstellungen bearbeiten kann. Durch die Bündelung der apparativen Ressourcen konnten viele Abläufe optimiert werden. Wesentlicher Bestandteil der täglichen Arbeit ist die chemische Analyse von Baustoffen oder Baumaterialien für andere Fachabteilungen der MFPA oder für externe Kunden. Daneben gehören Untersuchungen von schädigenden Bestandteilen in Baustoffen, von Zusatzmitteln für die Beton- und Zementindustrie, Hüttensandanteile in Zement und

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03 Chromatuntersuchungen an Zementen

die Bestimmung von Mischungsanteilen in Mörteln und Beton zu den regelmäßigen Aufgaben. Neben den erforderlichen Analysen in Zusammenhang mit BAW-Prüfungen sind Untersuchungen an Abfällen, Komposten oder Böden weitere Betätigungsfelder des Labors. Mineralische Reststoff- bzw. Abfalluntersuchungen nach LAGA (Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Abfall) basieren auf akkreditierten Untersuchungsmethoden. Die Anerkennung des Fachgebiets als Prüfstelle bzw. Prüflaboratorium in den Bereichen Abwasser, Bioabfall, Deponie, BAW oder Kleinkläranlagen bildet die Grundlage für Tätigkeiten im gesetzlich geregelten und nicht geregelten Bereich. Aufgrund der umfangreichen gerätetechnischen Ausstattung und den langjährigen Erfahrungen der Mitarbeiter ist es möglich, nicht nur Routineaufgaben zu lösen, sondern sich auch unkonventionellen Problemen zu stellen.

kontakt Dipl.-Ing. Jörg Müller Mail: joerg.mueller@mfpa.de


Fachgebiet: Werkstoffe und Bauteile

02 Simulation einer Rissfortschrittsfront

03 Mikroskopische Aufnahme zur Bruchfl채chenanalyse


Fachgebiet: Werkstoffe und Bauteile |

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as Fachgebiet bietet Forschungs- und Dienstleistungen im Bereich von Werkstoffen, Bauteilen, Baugruppen und Baukonstruktionen an. Die Tätigkeiten umfassen sowohl die Simulation von Werkstoff- und Bauteileigenschaften als auch deren experimentelle Untersuchung. Eine Vielzahl der dabei eingesetzten Prüfverfahren ist akkreditiert. Den Kern des Fachgebietes bilden die Arbeitsgruppen Bauteilfestigkeit, Innendruckschwellversuche und Schwingprüfung. Ergänzt werden diese durch das Prüfzentrum Schicht- und Materialeigenschaften sowie die Arbeitsgruppe Kunststoff bauteile.

Bauteil- und Innendruckschwellfestigkeit Innerhalb der Arbeitsgruppe Bauteilfestigkeit werden Untersuchungen zum statischen und zyklischen Verhalten von Bauteilen und Werkstoffen durchgeführt. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf der Ermittlung der Schwing- und Dauerfestigkeit metallischer Bauteile oder metallischer Werkstoffe. Für die experimentellen Untersuchungen können verschiedene Standardprüfmaschinen genutzt werden. Weiterhin verfügt die Arbeitsgruppe über ein Aufspannfeld für solche Belastungsversuche, welche mit Standardprüfmaschinen nicht abgedeckt werden können. Die Belastungseinheit des Aufspannfeldes ist mit einem geregelten Servohydrauliksystem sowie verschiedenen Prüfzylindern ausgestattet. Damit können ein- oder mehrachsige Belastungsprüfungen mit Kräften von bis zu 600 kN realisiert werden. Verschiedene Kraft- und Wegaufnehmer sowie weitere Messtechnik komplettieren das Prüffeld. Entsprechend der unterschiedlichen Prüfaufgaben besteht die Möglichkeit, individuell angepasste Lösungen anzubieten. Für die Untersuchung der Schwingfestigkeit von innendruckbeanspruchten Bauteilen oder speziellen Werkstoffproben stehen in der Arbeitsgruppe Innendruckschwellversuche sechs Hochdruckprüfstände mit zyklischem Innendruck von bis zu 4.500 bar und Prüffrequenzen von 20 Hz zur Verfügung. Die Entwicklungsarbeit für diese Prüfstände wurde im Fachgebiet geleistet. Typischerweise werden Komponenten von Dieseleinspritzsystemen aus dem Automobil- oder dem Schiffsbau durch Innendruck beansprucht. Zusätzlich besteht bei den Hochdruckprüfständen die Möglichkeit, die Prüftemperaturen zu variieren. Je nach Anforderung können diese in einem Bereich von -40° C bis 150° C liegen.

04 Langzeitprüfstand für Kunststoffbauteile

05 Hydraulikverteiler

Neben der Durchführung von Experimenten ist die Arbeitsgruppe Bauteilfestigkeit zusätzlich in der Lage, die geprüften Bauteile oder Werkstoffe hinsichtlich der Versagensursachen zu bewerten. Mittels makro- und mikrofraktographischer Untersuchungen können beispielsweise die Lage und Größe versagensauslösender Fehler ermittelt werden. Eingesetzt wird moderne Licht- und Rasterelektronenmikroskopie.


Schwingprüfung Das Spezialgebiet der Arbeitsgruppe Schwingprüfung sind Lebensdauerprüfungen von Bauteilen und Baugruppen unter definierten mechanischen und klimatischen Belastungen. Sinus- und Rauschfunktionen oder die Schockbeanspruchung sind typische Belastungsformen bei diesen Prüfungen, welche zusätzlich mit Niedrigtemperatur-, Hochtemperatur- oder einer Feuchtebeanspruchung kombiniert werden können. Die Laserscanningvibrometrie zur Durchführung von Betriebs- und Eigenschwingformanalysen an Strukturen und Bauteilen unter variierten dynamischen Belastungszuständen ergänzt die Prüfmöglichkeiten des Arbeitsgebietes. Typische Anwendungsfälle für die möglichen Prüfungen ergeben sich aus den Anforderungen der Automobilindustrie oder denen der Bahnfunktechnikausrüster. Schwingungsuntersuchungen an Maschinen und Anlagen oder Erschütterungsmessungen an Gebäuden und Fundamenten runden das Angebot ab.

06/07 Shakerprüfstand


Fachgebiet: Werkstoffe und Bauteile |

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Prüfzentrum Schicht- und Materialeigenschaften

Kunststoffbauteile

Das Prüfzentrum Schicht- und Materialeigenschaften der MFPA Weimar ist als Außenstelle am Institut für Werkstofftechnik der TU Ilmenau angesiedelt. Das Prüfzentrum bietet umfassende Dienstleistungen in den Bereichen Materialprüfung, -analytik und Schadensuntersuchungen an. Vorrangig werden festkörperphysikalische und chemische Untersuchungsmethoden eingesetzt. Ein Schwerpunkt ist dabei die Untersuchung von funktionellen Beschichtungen oder Schichtsystemen. Genutzt werden zusätzlich die klassischen Verfahren der Werkstoffprüfung und Materialographie.

Die Arbeitsgruppe Kunststoff bauteile führt überwiegend mechanisch-technologische Prüfungen durch. Typische Prüfobjekte sind beispielsweise Kunststoff bauteile für den Einsatz in den Bereichen Rohrleitungsbau oder Entwässerung. Ergänzt werden diese Prüfungen durch Untersuchungen zu den Stoffkennwerten, chemischen oder physikalischen Parametern der für die Bauteile verwendeten Kunststoffe. Zusätzlich können auch Verlegetechniken für den Rohrleitungsbau getestet werden. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Überwachungs- und Zertifizierungstätigkeit für Kunststoffrohre, -formteile und -schächte nach Landesbauordnung. Weiterhin wird der Einbau von Kunststoffkomponenten in Deponien oder Konstruktionen des Hochund Tief baues überwacht.

Das Prüfzentrum ist ebenfalls im Bereich der anwendungsorientierten Forschung tätig. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung von Verfahren zur Charakterisierung dünner Schichten sowie die Durchführung von grundlegenden Arbeiten zur rekalibrationsfreien und standardfreien Glimmentladungsspektroskopie. Weiterhin werden funktionelle Schichten für die Bereiche Tribologie, Korrosionsschutz oder EMV-Anwendungen entwickelt und modifiziert.

kontakt Dr.-Ing. Rayk Thumser Mail: rayk.thumser@mfpa.de


Fachgebiet: Geotechnik

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as Fachgebiet Geotechnik bietet mit einem erfahrenen Team von Mitarbeitern umfassende Forschungs- und Prüfleistungen auf den Gebieten des Erd- und Grundbaus, der Umweltgeotechnik und der Geokunststoffe an. An der Schnittstelle zwischen Forschung und Baupraxis liegt der Fokus neben den standardisierten Prüfleistungen vor allem auf der Entwicklung und Anpassung von Prüfverfahren und den zugehörigen Prüfeinrichtungen. Der Praxisbezug entsteht unter anderem durch die fachliche Begleitung von Baustellen, der Durchführung von fachspezifischen Feldprüfungen sowie des Bauwerkmonitorings. Grundlage aller Forschungs- und Prüfleistungen auf dem Gebiet des Erd- und Grundbaus ist die Ermittlung der bodenphysikalischen Eigenschaften des Bodens. Das akkreditierte Labor im Fachgebiet Geotechnik bietet die Möglichkeit, alle Standardprüfungen an Fest- und Lockergesteinen durchzuführen. Zusätzlich sind eine Vielzahl komplexer Prüfungen möglich, wie statische und zyklische Triaxialversuche sowie zyklische Kompressionsversuche an Böden und Festgesteinen. In enger Zusammenarbeit mit der Bauhaus-Universität werden im Rahmen von Forschungsdienstleistungen Prüfeinrichtungen entwickelt und Sonderversuche durchgeführt. Das Leistungs-

spektrum umfasst dabei die gerätetechnische Konzeption, den Auf bau der Prüfeinrichtung sowie die Implementierung der Mess- und Regeltechnik. Forschungsschwerpunkte waren in den letzten Jahren Untersuchungen zum erosiven und suffosiven Materialtransport an Dämmen sowie zum hydraulischen Grundbruch in bindigen Böden. Die Forderung, effizient und Ressourcen schonend zu bauen, hat zum Einsatz von Zusatzmitteln zur Behandlung von Böden geführt. Dabei soll ein vorhandener Boden in seinen Eigenschaften so verändert werden, dass er den gewünschten Anforderungen entspricht. Im Verkehrswegebau hat sich der Einsatz von Bodenbindemitteln als Alternative zu aufwändigen Maßnahmen wie dem Bodenaustausch durchgesetzt. Dadurch werden nicht nur massiv Baukosten gesenkt, sondern auch ein aktiver Beitrag zum Umweltschutz geleistet. Um die größtmögliche Effizienz bei Bodenverbesserungs- und -verfestigungsmaßnahmen zu erreichen, werden im Fachgebiet Geotechnik Eignungsuntersuchungen zur Festlegung des optimalen Bindemittels (Art und Menge) durchgeführt. Im Rahmen eines Forschungsauftrages der Bundesanstalt für Straßenwesen stehen speziell Bodenverfestigungen mit Mischbindemitteln im Visier. Anhand komplexer Versuchsreihen (Druckfestigkeits- und Frostprüfungen) sollen Kriterien für zukünftige Eignungsprüfungen zur Qualitätssicherung abgeleitet werden.


Fachgebiet: Geotechnik |

01/02 Punktlastversuch am Festgestein Bestimmung Glühverlust

Ein weiteres interessantes Beispiel für Bodenbehandlungen ist die Hydrophobierung. Über Zusatzmittel können die hydraulischen Eigenschaften des Bodens verändert werden. In den meisten Anwendungsbereichen wird die Hydrophobierung zum »Schutz vor Wasser« genutzt, so beim Abdichten von Deichbauwerken zur Erhöhung des Strömungswiderstandes. Entgegengesetzt dazu steht die Hydrophobierung zum »Schutz des Wassers« in klimatischen Trockengebieten: hydrophober Sand verbessert das Wasserrückhaltevermögen landwirtschaftlicher Nutzflächen, das Versickern des Wassers in den tiefen Untergrund wird verhindert. Im Fachgebiet Geotechnik wurde in schematischen Versuchsreihen hydrophober Sand hinsichtlich seiner Eignung als basales Abdichtungsmaterial in landwirtschaftlichen Trockengebieten untersucht. Mithilfe verschiedener Prüfeinrichtungen konnte die Wirkung der Hydrophobierung und ihr Nutzen untersucht werden. Auch beim Einsatz von Geokunststoffen ist eine deutliche Zunahme in der Produktvielfalt und der Anwendungsgebiete zu verzeichnen. Typische Anwendungsbereiche der Geokunststoffe sind Erd- und Grundbau, Straßen- und Verkehrswegebau, Tunnelbau, Wasserbau und Umweltgeotechnik. Je nach Aufgabenstellung und Anforderung stehen maßgeschneiderte Kunststoffe zur Verfügung, die eine optimale technische und wirtschaftliche Lösung erlauben. Zu den eingesetzten Produkten zählen Vliese, Gewebe, Geogitter, Dichtungsbahnen, Drainagematten und Erosionsschutzmatten, die Funktionen wie Bewehren, Trennen, Abdichten, Dränen, Schützen und Filtern übernehmen. Entsprechend der Vielfalt der Produkte, der Funktionen und der Einsatzmöglichkeiten ist auch das Spektrum der durchzuführenden Prüfungen riesig. Das Fachgebiet bietet alle Standardprüfungen als akkreditierte Verfahren an, eine Vielzahl weiterer genormter und nicht genormter Versuche kann durchgeführt werden.

03/04 Hydrophobierung: Wasser perlt auf dem Sand ab und versickert nicht. Einsatz von Geokunststoffen – Funktion »Abdichten« – Berstdruckversuch einer Kunststoffdichtungsbahn.

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05/06 Probefeldbau auf einer Deponie Kontrolle der Trag fähigkeit der Bettungsschicht

Neben den projektbezogenen Prüfungen führt das Fachgebiet auch die Eigen- und Fremdüberwachung von Geokunststoffherstellern im In- und Ausland durch. Für neuentwickelte Produkte oder neue Anwendungsbereiche werden in Entwicklungsaufträgen neue Prüfeinrichtungen konzipiert oder angepasst und neue Prüfverfahren erprobt. Große Anwendungsgebiete der Geokunststoffe sind die Umweltgeotechnik und der Deponiebau. Hier steht der Schutz der Umwelt und des Grundwassers an erster Stelle. Entsprechend werden sehr hohe Anforderungen an die eingesetzten Materialien und die Bauausführung gestellt. Insbesondere der Bauüberwachung kommt hier eine sehr hohe Bedeutung zu. Sie muss zu jedem Zeitpunkt sicherstellen, dass die Bauausführung den hohen Anforderungen gerecht wird. Ein unsachgemäßer Einbau der mineralischen oder geotextilen Elemente des Abdichtungssystems kann neben oberflächlichen Rutschungen zu einer massiven Verunreinigung des Grundwassers durch Deponiesickerwässer und damit zu erheblichen Umweltrisiken führen. Für den Einbau von Geokunststoffen und mineralischen Elementen in Deponieabdichtungssystemen übernimmt das Fachgebiet im Rahmen der Eigen- oder Fremdüberwachung im Auftrag von Baufirmen,

Zweckverbänden oder Überwachungsbehörden einen wesentlichen Teil der Bauüberwachung. Neben Aufgaben beim Bau einer Deponie werden als Nachauftragnehmer von Forschungsvorhaben Aufgrabungen an bestehenden Deponien durchgeführt. Hintergrund dieser Aufgrabungen sind Langzeituntersuchungen an den verwendeten Geokunststoffen oder die geplante Nachnutzung der Deponiefläche. Die kuppelförmige Ausbildung der Deponien ermöglicht eine teilweise Nutzung der Oberfläche zum Aufstellen von Solaranlagen. Für die hierfür erforderlichen Standsicherheitsberechnungen werden Angaben zu den Scherparametern in den Materialien und den Interaktionsbereichen zwischen den Materialien benötigt. Die Bestimmung der Scherparameter erfolgt durch Großrahmenscherversuche im Labor. Die Materialproben werden auf der Deponie entnommen und die entstehenden Fehlstellen wieder fachmännisch verschlossen. Im Bereich der Feldmesstechnik und des Bauwerksmonitorings bietet das Fachgebiet neben den klassischen Verfahren zur Baugrunderkundung Schwingungsmessungen, Inklinometermessungen und Pfahlintegritätsprüfungen an.


Fachgebiet: Geotechnik |

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07/08/09 Rutschung einer Oberflächenabdichtung. Probenahme bei schwierigen Untergrundverhältnissen (Rammkernsondierung). Einsatz von Geokunststoffen – Funktion »Bewehren mittels Geogitter«.

Vertikale und horizontale Inklinometermessungen mit einer Messlänge bis zu 75 m werden zur Messung lateraler Verschiebungen von Hängen, Böschungen oder Dämmen durchgeführt. Mit diesem Messverfahren können Verschiebungen ortsaufgelöst sehr genau ermittelt werden. Anhand des Vergleiches der Nullmessung mit den Folgemessungen können die aufgetretenen Verformungen gemessen und Rückschlüsse auf das Setzungsverhalten oder auf Hangverschiebungen gezogen werden. Ein sehr häufig eingesetztes Verfahren zur Gründung von Bauwerken auf wenig tragfähigen Böden ist die Pfahlgründung. Die Qualität der Pfähle ist hierbei von entscheidender Bedeutung für die Standsicherheit des Bauwerkes. Da vom Erdreich umgebene Ortbetonpfähle visuell nicht bewertet werden können, wird die Qualität der Pfähle durch eine Pfahlintegritätsprüfung nach dem »low-strain-Verfahren« kontrolliert. Bei diesem Verfahren wird ein Impuls auf den Pfahlkopf aufgebracht und die Pfahlkopf beschleunigung mit einem hochempfindlichen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer erfasst und über die Geschwindigkeit integriert. Die Interpretation der Signale erfolgt über die Geschwindigkeits-Zeit-Verläufe. Im Idealfall wird der eingeleitete Impuls ausschließlich am Pfahlfuß reflektiert. Bei bekannter Wellengeschwindigkeit kann aus der Laufzeit auf die Länge des Pfahles geschlossen werden. Abweichungen in den Signalverläufen deuten auf Fehlstellen im Pfahl (z. B. Fehlstellen oder Querschnittsverringerungen) hin. Neben der Bearbeitung aller anstehenden Forschungs- und Prüfleistungen erfolgt im Fachgebiet zukunftsorientiert die Ausbildung von Lehrlingen, sowie die Einarbeitung und fachliche Betreuung von Studenten bei ihren Bachelor- oder Masterarbeiten sowie von Doktoranden.

kontakt Dipl.-Ing. Jens Köditz Mail: jens.koeditz@mfpa.de


Prüf-, Überwachungs- und Zertifizierungsstelle

Überwachung und Zertifizierung von Bauprodukten

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ersteller von Produkten dürfen diese auf der Grundlage eines Brauchbarkeitsnachweises in Verkehr bringen. Die Brauchbarkeit wird durch die nachgewiesene Konformität des Bauproduktes mit einer harmonisierten Produktnorm erbracht (Konformitätsnachweisverfahren) und mittels der CEKennzeichnung ausgewiesen – das Produkt darf innerhalb der Mitgliedsstaaten der EU uneingeschränkt in Verkehr gebracht werden. Eine CE-Kennzeichnung (grafisches Symbol »CE«) bestätigt, dass ein Produkt mit einer harmonisierten EN im Einklang steht, aber nicht, dass es unbedingt und uneingeschränkt verwendet werden kann! Die Vorschriften zur Verwendung der Produkte sind Angelegenheit der Mitgliedsstaaten der EU, die jeweils individuelle Regelungen treffen können. Der Verwendbarkeitsnachweis wird durch Übereinstimmung des Bauproduktes mit einer geltenden, technischen Regel erbracht (Übereinstimmungsnachweisverfahren) und in Deutschland mittels Ü-Zeichen (grafisches Symbol »Ü«) dokumentiert. Im Unterschied zu anderen Produktbereichen mit einem Produktsicherheitskonzept von sicheren oder unsicheren Produkten geht es im Bausektor in erster Linie um die Herstellung und den Erhalt sicherer Bauwerke aus Baustoffen, die dauerhaft und zuverlässig über bestimmte technische Eigenschaften verfügen. Um technische Handelshemmnisse im Bauproduktensektor zu beseitigen sowie die Akzeptanz der Leistungserklärung der Her-

steller und die Glaubwürdigkeit des Systems der CE-Kennzeichnung zu stärken, wurde durch das Europäische Parlament eine Verordnung zur Festlegung harmonisierter Bedingungen für die Vermarktung von Bauprodukten (Bauproduktenverordnung – BauPVO) verabschiedet, welche im April 2011 in Kraft getreten ist. In dieser Bauproduktenverordnung sind Bestimmungen zur Akkreditierung, Marktüberwachung und CE-Kennzeichnung als zentrale Instrumente enthalten und einheitliche Grundsätze zu den Verantwortlichkeiten der Wirtschaftsakteure (Hersteller, Importeure, Händler …), sowie für die Bewertung und Überprüfung der Leistungsbeständigkeit (Konformitätsbewertung) festgelegt. Akkreditierungen sind der Nachweis technischer Bewertungsstellen, also Laboratorien, Inspektions- oder Zertifizierungsstellen, dass sie fachlich kompetent und unabhängig Konformitätsbewertungen durchführen können. Neben der Akkreditierung (Kompetenzfeststellung) dieser Stellen ist eine Notifizierung (Anerkennung) – in Deutschland durch das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) – weitere Grundvoraussetzung für eine unabhängige Überprüfung und Bewertung geregelter Bauprodukte.

01/02/03/04 ICE-Trasse Unstruttalbrücke. Steinverwallung BAB4 bei Jena. Transportbetonwerk. Dokumentation Schadensbild in Kläranlage.


Prüf-, Überwachungs- und Zertifizierungsstelle |

Die Materialforschungs- und -prüfanstalt Weimar mit ihrer Außenstelle in Apolda ist seit 20 Jahren als Prüf-, Überwachungsund Zertifizierungsstelle für die Bestätigung der Konformität, Bestätigung der Übereinstimmung, die Fremdüberwachung, die Brauchbarkeitsbeurteilung und die Überprüfung von Bauprodukten bauaufsichtlich anerkannt bzw. notifiziert (Notified Body = 0992, PÜZ-Stelle = THU 01) und seit 2009 akkreditiert. Zum Erfahrungsbereich zählen: Zemente, Baukalke, Spezialbindemittel Flugaschen, Trasse Betonzusatzmittel, Betonzusatzstoffe Gesteinskörnungen, Wasserbausteine Mörtel, Beton Betonfertigteile Betonherstellung, Betoneinbau, Betoninstandsetzung Mauersteine, Kalksandsteine Wärmedämmstoffe (Schaumglas) Geokunststoffe Kunststoffprodukte Zu den Auftraggebern von Erst-, Regel-, Kontrollprüfungen, Fremdüberwachungen und Zertifizierungen für Baustoffe, Bauteile, Bauwerke, Betonwerke und Baustellen zählen neben Herstellern aus Deutschland auch Unternehmen aus Polen, der Tschechischen Republik, der Schweiz, Großbritannien, Bulgarien, Rumänien, Finnland, der Türkei, Indien und den Vereinigten Arabischen Emiraten.

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Die Außenstelle Apolda der MFPA Weimar verfügt über langjährige Erfahrungen als Überwachungsstelle der Bauprodukte für den Beton- und Stahlbetonbau. Produktbezogen werden Transportbetonwerke, Fertigteilwerke, Baustellen der Überwachungsklasse 2 bzw. 3 und Baustellen der Betoninstandsetzung überwacht. Seit 1992 wurden durch die Außenstelle Apolda 35 verschiedene Transportbeton- und Fertigteilwerke fremdüberwacht. Die Anzahl der fremdüberwachten Baustellen der Überwachungsklassen 2 oder 3 und der Betoninstandsetzung beläuft sich auf ca. 180 jährlich. Insgesamt werden jährlich etwa 250 Überwachungsvorgänge auf Baustellen und in Betonwerken durchgeführt. Auch für spezielle betontechnologische Aufgaben bei Großprojekten wie zum Beispiel dem Finnetunnel an der ICE Neubaustrecke Erfurt-Leipzig oder dem Jagdbergtunnel im Zuge des dreistreifigen Ausbaus der BAB A4 bei Jena waren die Ingenieure der Betonüberwachung Apolda als kompetente Berater gefragt. Auch für die bautechnische Instandsetzung von Trinkwasserbehältern ist eine Überwachung durch eine anerkannte Überwachungsstelle vorgeschrieben. Die Fremdüberwachung beinhaltet für den bautechnisch sensiblen Bereich der Wasserkammern neben der Kontrolle der Eigenüberwachung durch das bauausführende Unternehmen spezielle Kontrollprüfungen, die insbesondere auf die hohen hygienischen Anforderungen abgestimmt sind. Neben den Überwachungen von Instandsetzungsmaßnahmen in Deutschland werden seit 2010 auch Maßnahmen in anderen europäischen Ländern, zum Beispiel verschiedene Behältersanierungen in der Schweiz, durch die MFPA Weimar überwacht.


05/06 Herstellung von Trinkwasserzisternen. Betonsegmente zum Bau des ICE-Finne-Tunnels.

Abwassertechnische Anlagen unterliegen extremen klimatischen und chemischen Beanspruchungen. Die Fremdüberwachung von Instandsetzungsmaßnahmen in abwassertechnischen Anlagen beinhaltet neben den für die allgemeine Betoninstandsetzung geltenden Regelungen spezielle Kontrollprüfungen wie die Bestimmung der Gaspermeabilität und Schichtdickenprüfungen. Besondere Anforderungen werden an die Instandsetzung von Faulbehältern in Kläranlagen gestellt. Hierbei werden nur Materialien und Verfahren zur Anwendung zugelassen, die eine sehr rasche Inbetriebnahme ermöglichen. Bei der Fremdüberwachung zum Oberflächenschutz von Parkdecks und Tiefgaragen werden die nach DBV-Merkblatt gestellten Anforderungen an Materialien, Geräte und Personal überprüft. Eine besondere Bedeutung kommt hierbei der Überprüfung der Chloridmigration in der Stahlbetonkonstruktion zu. Zusätzliche Kontrollprüfungen bieten dem Bauherrn eine erhöhte Sicherheit für die Gebrauchstauglichkeit über der geplanten Nutzungsdauer.

Mit der Integration der PÜZ-Stelle für Ziegel des aufgelösten Instituts für Bau- und Grobkeramik Weimar im Jahr 2002 wurden die Möglichkeiten der Güteüberwachung von Ziegeln in der MFPA erweitert. Diese umfasst neben den Produktprüfungen auch die Überwachung der werkseigenen Produktionskontrolle vor Ort. Dabei wird die Qualitätssicherung des Werkes begutachtet. Resultat dieser Überwachung im Werk und der durchgeführten Prüfungen ist ein Zertifikat für die korrekte Qualitätssicherung des Herstellers und die Konformität der vom Hersteller deklarierten Produkteigenschaften. Dieses Zertifikat bescheinigt, dass die tatsächlichen Eigenschaften der entnommenen Ziegelprodukte denen entsprechen, die der Hersteller in seiner Produktbeschreibung oder im Datenblatt ausweist.


Prüf-, Überwachungs- und Zertifizierungsstelle |

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07/08 Betoninstandsetzung in einem Parkhaus. Verlegung von Kunststoffdichtungsbahnen auf Deponie.

Neben den bauaufsichtlich anerkannten Stellen betreibt die MFPA Weimar eine Inspektionsstelle auf der Grundlage der »Richtlinie der BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) für die Anforderungen an die Qualifikation und Aufgaben einer fremdprüfenden Stelle beim Einbau von Kunststoffkomponenten« bei Deponiebaumaßnahmen sowie verschiedene privatrechtlich anerkannte Prüfstellen, z. B. eine Prüfstelle für Baustoffe und Baustoffgemische im Straßenbau (RAP Stra).

kontakt Dipl.-Ing. Marek Schulz Mail: marek.schulz@mfpa.de


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Fachbeitr채ge


Wissenschaftliche Begleitung von Restaurierungsmaßnahmen auf der Wartburg

01 Detail einer Wandfläche an der Westseite des Palas – Für die Überarbeitung wurden von der MFPA entwickelte acrylatgebundene Steinergänzungsmörtel für Rätsandsteine und ein spezieller mineralisch gebundener Verfugmörtel verwendet.

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ie Wartburg bei Eisenach ist das bekannteste Baudenkmal in Thüringen und wurde 1999 von der UNESCO in die Liste des Welterbes der Menschheit aufgenommen. Seit 1993 wird die MFPA Weimar regelmäßig mit wissenschaftlichen Begleituntersuchungen in die Vorbereitung und Durchführung von Restaurierungsmaßnahmen einbezogen. Es begann mit der Überarbeitung von Außenputzfassaden an der dreitorigen Halle, dem Ritterhaus, der Vogtei und dem Elisabethengang. Hier bestand die Aufgabe in der Entwicklung von Außenputzen für Ausbesserungen an Fehl- und Schadstellen im vorhandenen Bestand. Durch Analysen am Istbestand konnte überwiegend aus regional vorhandenen Ausgangsstoffen eine Nachstellung der vorhandenen Putze ausgeführt werden. Von Vorteil waren hier Kenntnisse zu Zusammenhängen zwischen Mischungsverhältnissen und Mörteleigenschaften, die einige Jahre davor in Forschungsprojekten des Instituts für Baustoffe der Bauakademie erarbeitet worden waren. Mitte der 90er Jahre des 20sten Jahrhunderts begannen umfangreiche Sanierungsmaßnahmen an den Außenfassaden des

Palas der Wartburg. Der Palas wurde in der 2. Hälfte des 12ten Jahrhunderts errichtet und ist damit das älteste Gebäude auf der Wartburg. An den Außenfassaden gab es starke Schäden an den Natursteinoberflächen. Nach Untersuchungen zum Istzustand durch die MFPA und der Ableitung von Schadensursachen erfolgte hier die Entwicklung eines Mörtelsystems für die Ergänzung von Schadstellen an den Natursteinen sowie von Verfugmörteln und Putzen. Bei der Entwicklung der Mörtel für Steinergänzungen wurde auf Erfahrungen von Thüringer Restauratoren aufgebaut. Diese nutzen bereits seit einigen Jahren empirisch zusammengesetzte Mörtel mit Acrylatdispersionen als Bindemittel. Nach systematischen Untersuchungen an diesem System durch die MFPA konnten für die auf der Wartburg verbauten Natursteine spezifische Anpassungen vorgenommen werden. Seit etwa 1995 sind diese Steinergänzungsmörtel mit Erfolg auf der Wartburg im Einsatz. Das System der acrylatgebundenen Mörtel ist später auch für Anwendungen an anderen Natursteinen und Objekten weiterentwickelt worden. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde von der MFPA gemeinsam mit einem mittelständischen Partner


Fachgebiet: Baustoffe |

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02 Zugang zur Wartburg durch eine dreitorige Halle – Der Putz wurde 1995 ausgebessert und farblich überarbeitet. Es kamen durch die MFPA entwickelte Mörtel zum Einsatz.

03 Wandfläche am Wartburghotel – Die Überarbeitung der Verfugung am Mauerwerk aus Wartburgkonglomerat erfolgte im Jahr 2011 mit einem von der MFPA entwickelten Mörtel.

eine Technologie zur Produktion der genannten Mörtel entwickelt. Auf der in Kirchheim bei Erfurt stehenden Anlage wird seit einigen Jahren diese Technologie eingesetzt. Die dort produzierten Mörtel werden europaweit vertrieben.

vielen Reparatur- und Umbauphasen über mehrere Jahrhunderte ergaben, berücksichtigt werden. Zusätzlich führten Wassereinträge zu Materialumlagerungen innerhalb der Mauern. Zur Reduktion der Wassereinträge über die Mauerkronen ist durch die MFPA beispielsweise ein spezielles Sandwichsystem aus verschiedenen Mörteln entwickelt und erprobt worden.

An den Mitte des 19. Jahrhunderts – vor allem aus Wartburgkonglomerat errichteten Bauten der Wartburg – traten erhebliche Schäden an den Verfugmörteln auf. Mehrfache Reparaturen in der Vergangenheit hinterließen dort ein unbefriedigendes Erscheinungsbild. Durch die MFPA wurden in mehreren Schritten Verfugmörtel, die den jeweiligen Anforderungen angepasst sind, entwickelt und erprobt. Diese Verfugmörtel wurden bisher am Wartburghotel und am Bergfried der Wartburg eingesetzt. Bei der Entwicklung sind Möglichkeiten der industriellen Herstellung der Spezialmörtel durch Produzenten in Thüringen berücksichtigt worden. Aktuell erfolgt die Anwendung dieser Spezialmörtel an den Wehrmauern. Für die Restaurierung der Wehrmauern mussten im Vergleich zu den Gebäuden aus dem 19ten Jahrhundert starke Variationen in den Mörtelzusammensetzungen, die sich aus

Im Palas der Wartburg befinden sich in der Elisabethgalerie, im Landgrafenzimmer und im Sängersaal Wandmalereien Moritz von Schwinds aus den Jahren 1854 / 55. Bereits unmittelbar nach der Fertigstellung der Fresken traten erste Schäden auf. Ab dem Ende des 19ten Jahrhunderts erfolgten deshalb mehrfach Restaurierungskampagnen. Seitens der MFPA wurden ab 2002 zunächst Ursachen für die Schäden an den Fresken untersucht. Gegenstand dieser Untersuchungen waren auch Recherchen zu bisherigen Untersuchungsergebnissen, zu den bis dahin angewandten Restaurierungstechniken sowie zu Veränderungen am Mauerwerk unter den Fresken und im unmittelbaren Umfeld des Palas.


Während der Ausführung der Fresken durch Moritz von Schwind waren hohe Feuchte- und Salzbelastungen – Teile des Palas wurden in der Vergangenheit unter anderem als Küche genutzt – im Mauerwerk vorhanden. Diese Belastungen verursachten bereits starke Schäden an den vorher vorhandenen Putzen. Vor dem Auftrag der Fresken erfolgte eine Putzerneuerung. Der von Moritz von Schwind aufgetragene Deckputz – auf dem sich die Fresken befinden – besitzt eine überwiegend hohe und gleichmäßige Qualität in der Ausführung. Der Unterputz ist dagegen sehr inhomogen ausgeführt und eher von stark variierender Qualität. Im Laufe der Jahre kam es erneut zu Salzeinträgen aus dem Mauerwerk in die Putze und in der Folge zu Schäden an den Fresken. Zusätzlich wurden bei den Restaurierungsmaßnahmen und -versuchen in der Vergangenheit nicht immer geeignete Materialien und Technologien angewandt. Zur Reduktion der Feuchtebelastungen im Mauerwerk erfolgten bereits vor längerer Zeit Veränderungen der Wasserführung auf dem Burghof in unmittelbarer Nähe des Palas. Aktuelle Untersuchungen an Tiefenprofilen durch die MFPA, die Putzschichten und Teile des Mauerwerks erfassten, zeigen, dass im Bereich der Fresken keine signifikanten Feuchtebelastungen, die auf im Mauerwerk aufsteigendes Wasser zurückgeführt werden können, vorhanden sind. Durch die außerordentliche kulturhistorische Bedeutung der Fresken waren Probenentnahmen aus dem Originalbestand nur in Kleinstmengen möglich. Deshalb mussten über Untersuchungen im Umfeld der Fresken (z. B. in der Dekorationsmalerei) Informationen zu den Belastungen im Bereich der Fresken gewonnen werden. Aber auch dort standen nur relativ kleine Probenmengen zur Verfügung. Zur Gewinnung von Aussagen zur Belastungssituation und somit zu Schadensursachen mussten deshalb geeignete Analysenmethoden herangezogen werden. Diese standen in der MFPA zum überwiegenden Teil zur Verfügung.

04 Südlicher Teil der Westfassade des Palas – Bei der denkmalgerechten Restaurierung wurden von der MFPA entwickelte Steinrestaurier- und Verfugmörtel eingesetzt.

05 Sängerkriegsbild – Starke Schäden befinden sich im unteren Teil des Bildes. Mit der Höhe nimmt das Ausmaß der Schäden ab. (Bild von Restaurator Jürgen Scholz)

Im Ergebnis von Untersuchungen zu Salzbelastungen und –verteilungen an den Fresken wurde festgestellt, dass sehr heterogene Salzverteilungen im Bereich der Fresken vorliegen, dass die Salze vor allem aus den Belastungen im Mauerwerk stammen aber auch durch Restaurierungsmaterialen und durch den Besucherverkehr eingetragen wurden.


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So konnte beispielsweise nachgewiesen werden, dass Gipsbelastungen auf den Freskenoberflächen auch aus dem Abrieb der im Palas vorhandenen gipsgebundenen Estriche stammen und von Chloridbelastungen aus Streusalzeinträgen, die Besucher über Anhaftungen an den Schuhsohlen eintrugen. Neben chemischen Analysen wurden Untersuchungen zu raumklimatischen Bedingungen und Wechselwirkungen zwischen belasteten Materialproben, die von den Wandoberflächen stammen, durchgeführt. Dabei konnte durch die MFPA festgestellt werden, dass Zusammenhänge zwischen den Belastungen und dem Feuchtesorptionsverhalten der belasteten Materialien bestehen. Im Ergebnis der Zustanduntersuchungen ergaben sich Fragen nach Möglichkeiten der Erhaltung der Fresken im Einbauzustand und zu Randbedingungen, die eine Verringerung der Schädigungsgeschwindigkeit erlauben würden. Es wurde sehr schnell klar, dass die Salzbelastungen in den Putzen und den Malschichten reduziert werden müssen. Der Reduzierung sind aber Grenzen gesetzt. Denn mit der Reduktion der Salzgehalte kommt es auch zu einer Reduktion der Pigmentbindemittel in den Malschichten. Um mögliche schädliche Veränderungen durch Restsalzgehalte zu reduzieren, mussten deshalb Grenzen für das Bauklima im Inneren des Palas festgelegt werden. An der Findung dieser Grenzen waren neben der MFPA auch andere Forschungseinrichtungen aus ganz Deutschland beteiligt. Zur Reduktion der Salzgehalte sind Vorversuche und technologische Erprobungen gemeinsam mit Restauratoren aus Thüringen durchgeführt worden. Durch die Anwendung von Cellulosekompressen sind deutliche Reduktionen der Salzbelastungen möglich. Gegenwärtig laufen im Palas umfangreiche Bauarbeiten zum Austausch der Fußböden und zum Einbau eines besser regelbaren Heizsystems. Die alten Gipsestriche werden entfernt und durch einen Belag aus Solnhofer Platten ersetzt. Dadurch entsteht kein gipshaltiger Abrieb mehr. Durch die jahrelange und regelmäßige Zusammenarbeit mit der Wartburg-Stiftung Eisenach konnten in der MFPA umfangreiche Kenntnisse zum baulichen Zustand von vielen Gebäuden auf der Wartburg gesammelt werden. Diese Kenntnisse bewirken eine schnellere Einordnung von verbauten Materialien und deren Erhaltungszustand bei bisher noch nicht untersuchten und nicht restaurierten Gebäuden oder Gebäudeteilen auf der Wartburg.

06 Fresko »Ankunft der heiligen Elisabeth auf der Wartburg« – Deutlich erkennbar sind von oben nach unten zunehmende Schäden an der Bildoberfläche. Diese sind durch Salzbelastungen im Putz und im Mauerwerk bedingt. (Bild von Restaurator Jürgen Scholz)

kontakt Dr.-Ing. Hans-Werner Zier Mail: hans-werner.zier@mfpa.de


Regionalspezifische Aspekte bei der Bewertung von historischen Bauwerken

»Das Thüringer Land ist geologisch von der größten Reichhaltigkeit. Alle in Deutschland vorkommenden Formationen sind auch in Thüringen durch ihre Gesteine vertreten« (Weber, H.: »Einführung in die Geologie Thüringens«, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften Berlin, 1955)

B

edingt durch die geologische »Reichhaltigkeit« kommen in Thüringen unterschiedlichste Rohstoffe für die Herstellung von Baustoffen vor. Neben einer Vielzahl von Natursteinen sind auch nahezu alle in Deutschland vorkommenden Mörtelausgangsstoffe anzutreffen. In der Vergangenheit wurde von der Vielfalt dieser Mörtelrohstoffe rege Gebrauch gemacht. Da die Transportmöglichkeiten der Gegenwart nicht zur Verfügung standen, erfolgte vor allem die Ausbeutung regionaler Vorkommen. Teilweise wurden die Ausgangstoffe für den Hausbau unmittelbar neben dem Standort und / oder teilweise aus den Baugruben gewonnen. Häufig gab es auch auf kleinster Fläche mehrere Rohstoffe, die zur Mörtelherstellung geeignet waren. Es entwickelten sich gewisse Traditionen in der Anwendung. Diese gerieten in Vergessenheit und neue Traditionen entwickelten sich. Durch diesen über viele Jahre andauernden Prozess des Wechsels zwischen unterschiedlichen Technologien sind auch Situationen entstanden, die zu starken Schäden an der Bausubstanz führten oder auch noch führen können.

01 Lobdeburg bei Jena – Zum Bau der Lobdeburg wurden Kalksteine aus dem Fels unter der Burg verwendet. Als Bindemittel in den Mörteln kamen Kalk und auch Gips, der in der Nähe ansteht, zur Anwendung.

In den meisten Regionen Thüringens kommt Gips als natürlicher Rohstoff für die Mörtelherstellung vor und konnte über relativ kurze Transportentfernungen nahezu flächendeckend verwendet werden. Aus Gips wurden Mörtel für die Errichtung von Mauerwerk, für die Herstellung von Putzen, Verfugungen und Stuck sowie Fußböden hergestellt. Nachweisbar sind aber auch aus Gipsmörtel vorgefertigte Teile für statisch relevante Anwendungen in Treppenstufen, Gewölberippen oder Formsteinen. Häufig kam es zu Anwendungen im Außenbereich. Moderne gipshaltige Mörtel sind für den Außenbereich nicht mehr einsetzbar. Ab der Mitte des 19ten Jahrhunderts entwickelte sich die Eisenbahn als modernes Transportmittel und fast zeitgleich begann die Verbreitung von Roman- und Portlandzementen. Damit begann eine Verdrängung der regional angewandten Baustoffe durch die damals modernen, scheinbar effektiver einsetzbaren und beständigeren Zemente. Gleichzeitig kam es aber auch zu Schäden an mit Gips errichteten Bauwerken, wenn zementhaltige Mörtel im direkten Kontakt zu Gipsmörteln angewendet wurden.


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02 Rathaus in Weißensee – Im Rathaus sind regional vorkommende Natursteine (vor allem Kalkstein, Travertin, Gipsstein) verbaut worden. Als historische Mörtelbindemittel kamen Kalk, Gips und Lehm zum Einsatz. Der Einsatz von Zementsuspensionen für Injektionen führt zu starken Schäden an Mauerwerk und Putz.

Im Laufe der Zeit ging viel Wissen über die historischen Techniken der Gipsanwendung und über die Häufigkeit der Anwendung verloren. Nach der Wiedervereinigung Deutschlands setzte ein Bauboom ein und über Jahrzehnte vernachlässigte Objekte sollten schnellstens saniert werden. Relativ schnell stellten sich Schäden nach Sanierungsmaßnahmen ein, wenn gipshaltige Mörtel im historischen Mauerwerk vorhanden waren und Injektionen mit zementhaltigen Suspensionen erfolgten. Beispiele, die auch in der Tagespresse Beachtung fanden sind die Runneburg in Weißensee und das Schloss in Wiehe. Sanierungsplanern oder Ausführungsfirmen aus anderen Bundesländern lagen häufig keine Kenntnisse über das Vorkommen von gipshaltigen Baustoffen in historischen Bauwerken vor und somit bleiben regionalspezifische Besonderheiten oft unberücksichtigt. Durch die MFPA Weimar erfolgten Untersuchungen an einer Reihe von Gebäuden, die durch Treibmineralbildungen geschädigt wurden. Treibminerale bilden sich zum Beispiel durch Reaktionen von Gips mit Zementbestandteilen. Die Folge ist eine Volumenzunahme, die Mauerwerk auseinandertreiben kann. Im Laufe der Zeit deuteten sich systematische Zusammenhänge für die Ausbildung von Schäden an. Diese Zusammenhänge waren Anlass für die Bildung einer Arbeitsgruppe in der WTA (Wissenschaftlich-Technische Arbeitsgemeinschaft für Bau-

werkserhaltung und Denkmalpflege e. V.). In der Arbeitsgruppe war die MFPA mit zwei Mitarbeitern vertreten und konnte mit umfangreichen Kenntnissen zu Schadensursachen und Zusammenhängen mit dazu beitragen, dass im Jahre 2007 ein Merkblatt »Gipsmörtel im historischen Mauerwerksbau und an Fassaden« und ein Fachbuch gleichen Titels entstanden. Nachdem die Probleme erkannt und dokumentiert worden waren, ergaben sich Fragen nach geeigneten Materialien und Technologien für Sanierungen an Gebäuden mit Gipsmörteln im Mauerwerk oder mit gipshaltigen Putzen an Wandoberflächen. Gemeinsam mit mittelständischen Industriepartnern aus Thüringen sind mehrere vom Bundesministerium für Wirtschaft (Programme PROINNO bzw. ZIM) geförderte Forschungsprojekte in der MFPA bearbeitet worden. Gegenstand eines Projektes war das Aufgreifen der historischen Technologien zur Herstellung und Verarbeitung von Gipsmörteln unter Einbeziehung des aktuellen Standes des Wissens. Im Ergebnis der Bearbeitung entstanden Rezepturen für die Herstellung von gipsgebundenen Mauer-, Verfug- und Putzmörteln sowie für Estriche. Durch die gezielte Variation der Zusammensetzung der Mörtel sind spezifische Eigenschaften für die jeweils konkrete Anwendung einstellbar.


In einem weiteren Forschungsprojekt sind Ergänzungs- und Hinterfüllmörtel für historische Glanzputze und Stuck entwickelt worden. Die genannten Anwendungen sind in der historischen Bausubstanz weit verbreitet und es fehlte an Materialien für die Sanierung. Berücksichtigt werden mussten eine Vielzahl von Materialkombinationen. Beispielweise können die Untergründe Lehmmauerwerk, Ziegelmauerwerk, Natursteinmauerwerk und Mischmauerwerk aus verschiedensten Materialien sein. Zur Anpassung an die Vielzahl der Ausgangszustände wurden neben gipshaltigen Bindemitteln in den Mörtelsystemen für die Sanierung auch Kunststoffe als Bindemittel eingesetzt oder gipshaltige Bindemittel mit Kunststoffen modifiziert. Als Partner im durch die MFPA initiierten Projekt wirkten zwei Stukkateurfirmen aus Thüringen mit. Besonders problematisch sind Injektionen im Mauerwerk, das gipshaltigen Mörtel enthält. Untersuchungen, die gemeinsam mit Partnern aus drei Fachhochschulen erfolgten, zeigen, dass alle Zemente zu Schäden bei derartiger Anwendung führen können.

Um trotzdem notwendige Sicherungen am Mauerwerk ausführen zu können, wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes in der MFPA gemeinsam mit einem mittelständischen Unternehmen Technologien unter Verwendung von Kunstharzen (PU- und EP-Harze verschiedener Hersteller) zur Sanierung von gipshaltigem Mauerwerk untersucht und unter Praxisbedingungen erprobt. Häufig kommen gipshaltige Mörtel im direkten Kontakt zu Bauhölzern (z. B. im Fachwerk) vor. Im Rahmen von technologischen Abstimmungen nach Bauzustandsbewertungen ergaben sich oft Fragen zu Möglichkeiten der Anwendung von Schwammsanierungsmaßnahmen. Durch gezielte chemische Untersuchungen konnten die Rahmenbedingungen (Temperaturbereiche, Inhaltsstoffe, die nicht zur Anwendung kommen dürfen) abgesteckt werden. Die Beispiele aus der Anwendung des Rohstoffes Gips zeigen, dass die Kenntnis der regional vorkommenden Baustoffe und der Rohstoffe aus denen diese hergestellt werden, von großer Bedeutung für die Bewertung von Gebäuden und deren Erhaltungszustand ist.


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03 Teilbereich der Stadtmauer in Mühlhausen – Verbaut sind regional anstehender Travertin und Kalkstein. Als Bindemittel im Mörtel wurde im dargestellten Bereich Gips verwendet. Auftretende Schäden sind durch in das Mauerwerk eindringendes Wasser bedingt und durch ungeeignete Materialien während der Sanierung. 04 Portal der ehemaligen Klosterkirche in Reifenstein – Als Steinmaterial dominiert regional anstehender Kalkstein und als Mörtel diente Gips, der in etwa 1 km Entfernung gewonnen wurde. 05 Portal der ehemaligen Klosterkirche in Reifenstein nach der Restaurierung – Zum Einsatz kamen speziell abgestimmte Gipsmörtel als Mauer- und Verfugmörtel. Für Sicherungsmaßnahmen im Inneren des Mauerwerks wurden auch Reaktionsharze eingesetzt. 06 Stark geschädigte Putzfläche in der Kirche in Neustadt (Eichsfeld) – Bei der Sanierung ist nicht berücksichtigt worden, dass im Mauerwerk gipshaltige Mörtel vorhanden sind.

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Thüringen »schmilzt« – Gläser, Fasern und Schäume aus alternativen Rohstoffen

B

ei technologischen Hochtemperaturverfahren, z. B. der Erzeugung von Bindemitteln oder Elektroenergie werden staubförmige Stoffe, die sich nachteilig auf die Umwelt auswirken oder die Produkteigenschaften ungünstig beeinflussen, aus dem Verfahrensprozess ausgeschleust. Sie werden bei der Abgasreinigung oder in Bypass-Anlagen abgeschieden und können im Zuge einer anlagenintegrierten Kreislaufführung oft nur teilweise wieder verwendet werden oder sind als technologischer Abfall vollständig zu entsorgen. Während die Staubabscheidung in Abgasfilteranlagen der Emissionsminderung dient, werden Bypass-Anlagen betrieben, um prozesstechnisch ungünstige Stoffe kontinuierlich auszuschleusen. Mineralogisch können solche Prozessstäube – je nach Entstehungsort innerhalb des Herstellungsverfahrens – aus wechselnden Anteilen unreagierter oder teilweise calcinierter Komponenten, Freikalkanreicherungen, Alkalisulfaten und -halogeniden sowie weiteren Übergangsverbindungen bestehen. Eine bereits erprobte Alternative, die chemische Charakteristik und die stofflichen Eigenschaften solcher Prozessstäube zu nutzen, ist die Verwendung als Rohstoffkomponente sowohl bei der Herstellung von Glasschäumen als auch von Gläsern für die Glasfaserherstellung. Beim Schäumen bzw. Schmelzen silicatischer Gemenge werden in der Regel Alkaliverbindungen zugesetzt, die als Flussmittel eine Schmelzpunkterniedrigung bewirken. Diese Funktion kann durch den Einsatz von alkalihaltigen Prozessstäuben erreicht werden, wodurch ein Teil der oft teueren Gemengerohstoffe substituiert werden kann. Von zusätzlichem Nutzen können außerdem hydraulisch aktive Bestandteile der Prozessstäube sein, die als Bindemittel bei der Agglomeration oder Granulierung der Gemenge vor dem eigentlichen Schäum-, Bläh- oder Schmelzprozess wirken. Darüber hinaus werden bei der Herstellung geschäumter bzw. geblähter Glasprodukte Trennmittel eingesetzt, die ebenfalls durch sekundäre Rohstoffe substituiert werden können.

Stoffliche Voraussetzungen Hauptkriterium für eine Verwendung von Gemengen zur Herstellung von Gläsern und Glasschäumen ist deren definierte chemische Zusammensetzung. Voraussetzung für den Einsatz von Prozessstäuben ist daher die Kenntnis ihrer stofflichen Eigenschaften. Da Prozessstäube (in Abhängigkeit vom technologischen Verfahren) zum Teil in großen Mengen anfallen, erscheint für die glastechnische Verwendung insbesondere der Einsatz in Massenprodukten sinnvoll.

01 Versuchsschmelze

In traditionellen Glasgemengen werden Rohstoffe eingesetzt, die überwiegend eine oder zwei chemische Verbindungen (meist Oxide) in das Glas eintragen. Seltener im Einsatz sind Rohstoffe, die drei oder mehr chemische Verbindungen einbringen. Echte Multikomponentensysteme werden bisher überwiegend nur in Form von Glasscherben anteilig eingesetzt. Das heißt, zu einem Rohstoff-Gemenge werden Glasscherben gleicher Zusammensetzung zugemischt und als »Gemenge-Scherben-Gemisch« zu Glas erschmolzen. Entscheidend für den Grad der Substitution primärer Gemengerohstoffe durch Multikomponentensysteme sind in erster Linie deren chemische Zusammensetzung, ihre Gleichmäßigkeit und der Gehalt an flüchtigen bzw. gasbildenden Bestandteilen. Von grundlegender Bedeutung für den Einsatz von Prozessstäuben zur Herstellung verschiedener Schaum-, Bläh- oder Schmelzprodukte sind daher zuverlässige Angaben über die Zusammensetzung der gelieferten Charge sowie ihre Homogenität. Im Rahmen von Forschungsprojekten der MFPA Weimar mit verschiedenen Kooperationspartnern wurden beispielsweise das Aufkommen verwertbarer Abfall-Stäube sowie deren chemische Zusammensetzung stichpunktartig erfasst, ausgewählte Hersteller beprobt und deren Prozessstäube näher untersucht. Ziel der Untersuchungen war die Bewertung der Gleichmäßigkeit der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung sowie eine Beurteilung von Effekten einer zusätzlichen Homogenisierung durch Zwischenlagerungen. Bild 5 zeigt eine graphische Darstellung ausgewählter Ergebnisse. Es sind die Gehalte an Alkalien, Sulfat und Chlorid sowie an weiteren Bestandteilen in einem Dreistoff-Diagramm dargestellt.


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Erprobte Anwendungen Blähglasgranulate und Mineralschäume Zur Herstellung von Blähgläsern wurden Gemenge durch Mischen der Prozessstäube mit Glasmehl sowie einem Blähmittel hergestellt. Diese Versatzmischungen wurden zu Granalien aufgranuliert. Als Granulieren wird die Agglomeration von pulvrigem Feingut zu grobkörnigen bis kleinstückigen Stoffportionen, den Agglomeraten oder Granalien, bezeichnet. Durch die Agglomeration werden nachteilige Eigenschaften feiner Stoffe, wie z. B. unkontrolliertes Verstauben oder Zusammenkleben etc. vermieden. Im anschließenden Produktionsprozess wurden diese Gemenge-Granalien mit unterschiedlichen Gehalten an Prozessstäuben in einer technischen Drehofenanlage zu Blähglasgranulaten gebläht. Die Sinterung und die gleichzeitige Schäumung der Granulate erfolgten bei Temperaturen über 1.000 °C. GemengeGranalien mit Anteilen von bis zu 50 M.-% an Prozessstäuben blähten zu Blähglasgranulaten marktüblicher Qualität. Die Schüttdichte dieser Granulate lag im Bereich von 0,4 – 0,6 kg/l, bei weiterer Optimierung können durchaus geringere Rohdichten erzielt werden. Bei einer 75 %-igen Substitution des Glasmehls durch Prozessstäube bildeten sich dagegen inhomogene Schaumstrukturen, teilweise noch mit Sintereinschlüssen durchsetzt. Eine Temperatursteigerung um nur 10 K bewirkte bereits ein Verschmelzen der Granulate. Neben dem Blähverhalten wurde die Eignung der Prozessstäube als Trennmittel untersucht. Eine Granulatherstellung im Drehrohrofen erfordert Trennmittel, welche das Verkleben der Granulate untereinander sowie das Anhaften an der Ofenwandung verhindern. Eine Anreicherung des Trennmittels mit Bestandteilen des Rohstoffgemenges und der hierdurch bedingte, kontinuierliche Austausch des Trennmittels sind unumgänglich. Bei der Verwendung von Prozessstäuben als Trennmittel können diese jedoch, im Gegensatz zu traditionellen Trennmitteln, als Rohstoffkomponente in den Prozess wieder eingetragen werden.

02 Mineralschaum-Schotter

Zur Bewertung der Schäumfähigkeit erfolgte im Rahmen weiterführender Untersuchungen die Herstellung von Glas- / Mineralschäumen in einem industriellen Tunnelofen. In Bild 2 ist eine Mineralschaumprobe zu sehen, die in einer solchen Tunnelofenanlage hergestellt wurde. Basierend auf einer grundsätzlich unterschiedlichen Technologie gegenüber der Herstellung von Blähglasgranulaten konnte in diesem Versuch die Eignung der Gemenge aus Glasmehl und Prozessstäuben zur Herstellung von Mineralschaumprodukten nachgewiesen werden. Dabei wurden die Produkteigenschaften maßgeblich von der chemischen Zusammensetzung der Gemenge beeinflusst. Neben klassischen Glas- / Mineralschäumen in marktüblicher Qualität entstanden auch Schäume mit Sinterrückständen als auch keramikähnliche Schmelzprodukte. Die Versuchsergebnisse lassen erwarten, dass bei einer Optimierung der Ofenbetriebsparameter Glas- / Mineralschäume mit von ≥ 20 M.-% an Prozessstäuben produziert werden können.

Gläser und Glasfasern Vor der Glasproduktion werden Gemenge hergestellt, die es auf Grund der Rohstoffauswahl ermöglichen, Gläser mit definierten Eigenschaften zu schmelzen. Für ein Grundglas werden die landläufig bekannten Rohstoffe Sand, Soda und Kalk eingesetzt. Je nach Einsatzzweck des Glases werden weitere Rohstoffe hinzugefügt. Ein qualitativ hochwertiges Gemenge ist homogen, d.h. bereits vor der Glasschmelze sollten die Rohstoffpartikeln so gleichmäßig verteilt sein, dass sie der Zusammensetzung des Glases entsprechen. Beim Einsatz von Prozessstäuben in Verbindung mit Sand, Soda, Kalk und weiteren Rohstoffen ist jedoch ein sehr großes Spektrum an Partikelgrößen vorhanden (Prozessstäube sehr fein – Sand relativ grob). Aus diesem Grund wurde zunächst das Mischverhalten von Prozessstäuben mit abgestuften Gehalten an Glasschmelzsand und anschließend von vollständigen Gemengen einschließlich der erforderlichen Korrekturstoffe untersucht und bewertet. Dabei konnten bis zu 75 M.-% der klassischen Gemengebestandteile durch Prozessstäube ersetzt wurden, ohne das Inhomogenitäten auftraten. In den Gemengerezepturen wurden bis zu 20 M.-% Prozessstäube eingesetzt. Diese Rezepturen entsprachen der Zusammensetzung von kommerziellem chemisch beständigem Glas, das für die Herstellung von Glasfasern nach dem Düsenziehverfahren (sog. »C-Glas«) eingesetzt wird. Dabei stellte sich heraus, dass auch


03 Prozessstaub-Glasmehl-Granalien.

04 Glasartikel (Kompakt-Glas) aus Prozessstaub

bei stark unterschiedlichen Feinheiten der Gemengebestandteile homogene Mischungen bereits mit geringem Aufwand, beispielsweise durch Einsatz eines Zwangsmischers, zu realisieren sind. Nach dem Mischen der Prozessstäube mit Korrekturstoffen wurden diese zu kugeligen Aggregaten aufgranuliert. Bei der Glasschmelze ist diese Agglomeration der Gemenge von Vorteil, da u. a. Verstaubungsverluste beim Einlegen des Gemenges vermieden werden und gleichzeitig bessere Transport- und Dosiereigenschaften für die Gemenge erzielt werden können. Die Granulierversuche der Gemenge zeigten ein weiteres sehr positives Ergebnis. Infolge der Erhärtung hydraulisch aktiver Bestandteile der ausgewählten Prozessstäube während der Granulation bildeten sich feste, druck- und abriebstabile und außergewöhnlich verstaubungsarme Granalien (Bild 3). Sie ließen sich ausgezeichnet dosieren und in den jeweiligen glastechnischen Prozess einbringen. Die hohe Dichte der Granalien dürfte außerdem für das überraschend gute Einschmelzverhalten verantwortlich zu sein. Die sich anschließenden Ausführungen der Glasschmelzen erfolgten sowohl im erdgasbeheizten Oberflammenofen, als auch in einem elektrisch beheizten Hafen-Ofen mit einem Fassungsvermögen von ca. 50 – 80  l und einer maximalen Temperatur während des Schmelzvorgangs von ≈ 1400° C. Ausgewählte Ergebnisse dieser Schmelzversuche sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.

Aus den granulierten Gemengen wurden Glasprodukte (Bild 4) und Pellets in handelsüblicher Qualität erschmolzen. Als Referenz-Glasgemenge ohne Prozessstäube kam ein der industriellen Produktion entsprechendes Scherben-Rohstoff-Gemisch mit einem Scherbenanteil von ca. 35 M.-% zum Einsatz. Während die Masseverluste (Umsetzungsrate) der ProzessstaubGemenge-Schmelzen wesentlich auf die eingetragenen Feuchtigkeitsgehalte und in nur geringem Maße auf Verdampfungsverluste zurückzuführen sind, resultiert der Schmelzverlust beim Referenz-Glasgemenge ausschließlich aus Verstaubungs- und Verdampfungsverlusten. Setzt man den in der Tabelle angegebenen spezifischen Energieeinsatz des Referenzgemenges zu 100 %, ergeben sich für die Prozessstaub-Gemenge-Schmelzen spezifische Energieverbräuche von 85 – 90 % in Bezug auf das ReferenzGlasgemenge. Durch die feste Bindung der Gemengebestandteile konnten die Verstaubungen beim Einlegen in den heißen Ofen drastisch reduziert werden. Durch die räumliche Nähe der Komponenten in den Granalien wurde eine gute Homogenität der Glasschmelzen erreicht. Zur Herstellung der erforderliche Proben und Beurteilung der Verarbeitungseigenschaften wurden alle Schmelzen verschiedenen Verfahren der Formgebung unterworfen. Zur Anwendung kamen das Gießen von Probeplatten und Formkörpern, das Pressen von Plaketten und das Einblasen in Hohlglas.

Prozesstechnische Kenngrößen ausgewählter Glasschmelzversuche Gemengegröße

Anteil Prozessstaub im Gemenge

Umsetzungsrate

spezifischer Energieeinsatz

Prozessstaub 1

≈ 126 kg

9,6 M. %

≈ 105 kg ≙ 83 %

670 kWh 6,37 kWh / kg Glas

Prozessstaub 2

≈ 128 kg

10,4 M. %

≈ 106 kg ≙ 83 %

775 kWh 7,31 kWh / kg Glas

Prozessstaub 3

≈ 150 kg

8,4 M. %

≈ 126 kg ≙ 84 %

740 kWh 5,87 kWh / kg Glas

ReferenzGlasgemenge

≈ 125 kg

0 M. %

≈ 111 kg ≙ 89 %

785 kWh 7,09 kWh / kg Glas


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Glasfasern Die Versuche zur Verarbeitung der Glas-Pellets zu Glasfasern wurden auf der Faserspinnmaschine eines Thüringer Glasfaserherstellers vorgenommen. Dieser Faserziehprozess ist mit einer erneuten Schmelze der hergestellten Glas-Pellets verbunden und erlaubt somit auch Aussagen zum Reboilverhalten der entsprechenden Gläser. Als Vergleichsmaterial wurden kommerzielle, wannengeschmolzene C-Glas-Pellets eingesetzt. Die Glas-Pellets mit Anteilen an Prozessstäuben ließen sich in ähnlicher Weise zu Fasern weiterverarbeiten wie die Pellets des Referenzgemenges und wie kommerzielle, wannengeschmolzene C-Glas-Pellets. Nach dem Ziehprozess wurden die Glasfasern zu Faserband mit 400 tex Feinheit versponnen. Aus allen Fasern ließen sich Spulen herstellen und anschließend zu Glasfasertextilien verweben. Sowohl die Verarbeitungstemperaturen der Prozessstaub-Glas-Pellets, die Anzahl der Faserabrisse beim Faserziehen als auch die Eigenschaften in der Weiterverarbeitung entsprachen den Vergleichswerten bei der Produktion mit kommerziellen Pellets.

Ausblick Die bisher vorliegenden Untersuchungsergebnisse dokumentieren die erfolgreiche Verwendung von Prozessstäuben aus technologischen Hochtemperaturverfahren insbesondere bei der Herstellung von geschäumten bzw. geblähten mineralischen Produkten, kompakten Gläsern, sowie Glasfasern für textile Produkte und Dämmstoffe. Eine glastechnische Verwertung der Prozessstäube eröffnet Alternativen zur bisherigen Entsorgung dieser Prozessstäube. Für die Glas- bzw. glasverarbeitende Industrie stehen bei einer industriellen Umsetzung infolge des anteiligen Ersatzes von Rohstoffkomponenten durch Prozessstäube Verringerungen der Produktionskosten in Aussicht. Der potentielle Substitutionsgrad, mit dem primäre Glasrohstoffe durch Prozessstäube ersetzt werden können, ergibt sich im jeweiligen Einsatzfall aus der individuellen Staubzusammensetzung und den Anforderungen der Gläser. Neben den hier aufgezeigten Verwertungsmöglichkeiten in

05 Verhältnis der Gehalte an Alkalien zu Sulfat und Chlorid in verschiedenen Prozessstäuben

»klassischen« Schmelzen erscheinen Prozessstäube grundsätzlich auch zum Recyceln von Abfällen künstlicher oder natürlicher Mineralfasern geeignet. Diese Abfälle entstehen z. B. bei der Produktion von Mineralfasern, beim Einbau von Mineralwolleerzeugnissen als Verschnitt oder beim Rückbau fasergedämmter Bauteile oder Gebäude. Zum Wiedereinführen der faserigen und staubförmigen Abfälle in den Produktionsprozess können diese, unter Nutzung hydraulischer Abbindeeigenschaften der Prozessstäube mit diesen gemischt, angefeuchtet und zu Formkörpern verarbeitet werden. Die hydraulischen Abbindeeigenschaften verschiedener Prozessstäube lassen sich ebenfalls zur gezielten Alkali-Aktivierung diverser alumosilikatischer Nebenprodukte nutzen. Solche Bindemittel, die durch Aktivierung einer alkalischen Lösung erhärten sind beispielsweise als Geopolymere, Alkali-SchlackenBindemittel bzw. alkali-aktivierte Schlacken und Flugaschen bekannt.

kontakt Dipl.-Ing. Marek Schulz Mail: marek.schulz@mfpa.de


Sticktechnische Integration optischer Faser-Bragg-Gitter Messsensoren auf Trägergewebe zur Applikation an Tragwerken im Bauwesen

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er Einsatz von Kohlefaserverstärkten (CF) Kunststoffen zur Tragwerksertüchtigung ist Stand der Technik. Eine Überwachung dieser verstärkten Bauwerke ist bisher nur mit großem nachträglichen Aufwand möglich. Sensorbasierte Textilarmierungen, die diese beiden Aufgaben integral erfüllen können, sind im Rahmen des regionalen Wachstumkerns »highStick« entwickelt wurden. Dazu wurden textile Kohlefaser-Gelege mit optischen Glasfasern bestickt, die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren enthalten. Im Betonbau hat sich die Bauteilverstärkung mit Kohlefaserverstärkten (CF) Kunststoffen bewährt. Zu den Vorteilen zählen neben einem hohen E-Modul und großer Zugfestigkeit auch Korrosionsbeständigkeit sowie ein geringes Kriechen und Schwinden. In Glasfasern integrierte optische Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-S) können Dehnungen und Temperaturen zuverlässig erfassen. Da Glasfasern mechanisch leicht zu beschädigen, eine sehr glatte Oberfläche und einen kleinen Durchmesser von typischerweise 0,25 mm aufweisen, ist das Anbringen an Messobjekte bisher kompliziert und fehlerbehaftet.

Faser-Bragg-Gitter Ein Bragg-Gitter besteht aus einer periodischen Abfolge künstlich erzeugter äquidistanter Brechzahländerungen im Kern einer optischen Faser, welches durch »Einbrennen« eines Interferenzmusters, erzeugt mittels einer Talbot-Interferometeranordnung und eines Hochleistungs-Impuls-UV-Lasers als Strahlquelle geschieht. Das Bragg-Gitter wirkt in der Glasfaser wie ein wellenlängenselektiver Spiegel, der genau das Licht der Bragg-Wellenlänge λ B reflektiert und die anderen Wellenlängen passieren lässt:

Wobei n die effektive Brechzahl des Glases und G die Gitterkonstante des Bragg-Gitters ist. Die Änderung der Bragg-Wellenlänge kann wie folgt beschrieben werden:

Hierbei ist φ eine Photoelastische Komponente (≈ 0,22) und D ist die Dehnungsänderung des FBG:

Durch eine sticktechnische Integration sensorintegrierter Glasfasern kann der Verlauf dieser optischen Faser auf dem Textil frei gewählt werden, wodurch sich z. B. eine Temperaturkompensation in mechanisch entkoppelten Bereichen realisieren lässt. Die Fixierung am Bauteil geschieht mittels Epoxidharzklebern, die das technische Textil durchdringen und gleichzeitig den Klebeverbund zum Bauteil herstellen. Am Bauteil entsteht ein Sensorbestückter Faserverbundwerkstoff, der äußerst flexibel eingesetzt werden kann. Neben der Bauwerkertüchtigung sind z. B. auch reine Monitoringaufgaben möglich.

01 Detailaufnahme einer aufgestickten FBG-Sensorglasfaser auf CF-Gelege (Durchmesser der Glasfaser: 0,25 mm)

02/03 Meßprinzip FBG-Sensoren. Transmittiertes und reflektiertes Licht an einem Faser-Bragg-Gitter.


Fachgebiet: Baustoffe |

Eine mechanisch oder temperaturbedingte Längenänderung der Glasfaser und damit des eingebetteten Bragg-Gitters ändert somit die reflektierte Lichtwellenlänge. Für Dehnungsmessungen wird das FBG fest mit dem Messobjekt verbunden, für Temperaturmessungen muss das FBG mechanisch unbeansprucht sein. Da ein Bragg-Gitter nur das Licht genau einer Wellenelänge λ B reflektiert und die anderen Wellenlängen passieren lässt, können auf eine Glasfaser mehrere Bragg-Gitter unterschiedlicher Gitterkonstanten G eingebracht werden. Damit sind mehrere unabhängige Sensoren für Temperatur und Dehnung auf einer Glasfaser integriert.

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Applizieren der optischen Sensorglasfasern durch Aufsticken Bisher erfolgt das Auf bringen von FBG-Sensorglasfasern meist durch punktuelle Fixierung (z. B. mit Epoxidharz auf dem Messobjekt. Dabei muss in der Regel das Coating der Faser im Bereich der Fixierung entfernt werden, um die Kraftübertragung auf den Glaskern zu gewährleisten. Das ist in der Praxis schwierig und fehleranfällig. Einzelne FBG-Sensoren in verschiedene Raumrichtungen anzuordnen, ist dabei bisher nicht leicht zu realisieren.

Sollen explizit Dehnungsmessungen durchgeführt werden, ist eine Kompensation des Temperatureinflusses unbedingt erforderlich. Dies kann z. B. durch Anordnung eines separaten FaserBragg-Gitters in einem mechanisch unbeanspruchten Bereich der Glasfaser erfolgen. Um die FBG-Sensoren auslesen zu können, wird breitbandiges Licht in die optische Faser eingekoppelt. Das an den Bragg-Gittern reflektierte Licht wird in der Regel über ein Spektrometer erfasst. Jedes FBG erzeugt dabei einen spezifischen Peak mit der Bragg-Wellenlänge λ B im Spektrum. Die Wellenlänge des Peaks wird dann nach den oben aufgeführten Gleichungen in Dehnungswerte umgerechnet.

06/07/08 Stickmaschine mit CF-Gelege. Aufsticken der optischen Faser auf CF-Gelege. Fertiges sensorintegriertes CF-Gelege auflaminiert auf Versuchsbalken.

04/05 Spektrum von drei FBG-Sensoren auf einer Glasfaser und einem Referenz-FBG. Messwerte von drei FBG-Sensoren während einer Messung (Violett: Temperaturkompensation mittels FBG-Sensor).


Versuche

09 Kraft-Dehnungskurven von FBG und DMS des Balkens 3, Versuchsserie 2

Um erfolgreich sensorbasierte CF-Gelege herstellen zu können, ist eine ausreichende Fixierung der optischen Glasfasern mit integrierten FBG-Sensoren unabdingbar. Hier wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Sensorglasfaser mittels Sticktechnik direkt auf ein CF-Trägergewebe aufgebracht werden kann.

In Laborversuchen sollten die Eigenschaften der sensorintegrierten CF-Gelege bestimmt werden. Dazu wurden Stahlbetonbalken mit einer Länge von 70 cm und einem quadratischen Querschnitt von 15 × 15 cm², jeweils mit zwei Betonstählen mit 6 mm Durchmesser als Biegebewehrung hergestellt. Die Balken wurden auf der Unterseite der Betonzugzone mit den sensorintegrierten CF-Gelegen, die mit Epoxydharz fixiert wurden, versehen. In die CF-Gelege waren auf einer Glasfaser jeweils drei FBG-Sensoren integriert. Das Stickmuster wurde so gepunscht, dass zwei FBG-Sensoren in Längsrichtung, der Zugrichtung und ein FBG in Querrichtung (spannungsfrei zur Temperaturkompensation) angeordnet waren. Ein weiterhin auf der Unterseite angebrachter elektrisch arbeitender Dehnmesssteifen (DMS) diente zur Überprüfung der Messwerte der FBG-Sensoren. In Vier-Punkt-Biegezugversuchen wurden die Balken bis zum Bruch belastet. Für die Wegsteuerung wurden induktive Wegaufnehmer und Kraftmessdosen verwendet. Bei allen Versuchsbalken wurde das Versagen durch die Zerstörung des Verbundes zwischen aufgeklebter CFK-Verstärkung und Betonoberfläche verursacht.

Wenn das Stickmuster so gepunscht (programmiert) wird, das die einzelnen FBG-Sensoren jeweils in verschiedene Richtungen auf dem Gewebe ausgerichtet sind, können zweidimensionale Spannungszustände erfasst werden. Ist eine Belastungsrichtung spannungsfrei, kann ein in diese Richtung angeordneter FBGSensor zur Temperaturkompensation herangezogen werden. Bei dem hier vorgestellten Verfahren erfolgt das Aufsticken der optischen Fasern mittels einer Spule, die die Faser zuführt, und eines Stickkopfes der die Faser in einem Zick-Zack-Muster überstickt. Die ebenfalls integrierbaren Stecker sind mit Schutzhüllen versehen, die ein Abknicken der Glasfasern im Randbereich der sensitiven CF-Gelege verhindern. Um während des Stickprozesses die Knickbelastung für die optischen Fasern so gering wie möglich zu halten, werden die Trägergelege mittels Fixiereinrichtung in X-Y-Richtung auf dem Sticktisch bewegt. Stickkopf und Spule sind drehbar und passen sich so dem jeweiligen Verlauf auf dem Gelege an. Das sensorbewehrte CF-Textil kann nun vorlaminiert oder direkt auf der Baustelle in Handlamination zum CFK-Werkstoff weiterverarbeitet werden. Hierzu wird das sensitive CF-Gelege in ein Reaktionsharzsystem eingearbeitet. Der Kleber realisiert gleichzeitig die Klebeverbindung des Geleges zum Untergrund.

10 Anbringung der sensorintegrierten CF-Gelege an eine Versuchshalle.


Fachgebiet: Baustoffe |

Sowohl die FBG-Sensoren als auch der DMS zeigten bei allen Versuchen jeweils einen analogen Messwertverlauf, wobei alle Sensoren bis nach dem Versagen ausgelesen werden konnten. Die relativ großen Abweichungen zwischen den Messergebnissen der FBG-Sensoren als auch dem DMS ergeben sich aus der räumlichen Trennung der Sensoren, der unterschiedlichen Größe der Sensoren und der Bildung von Rissen durch das nichtlineare Verhalten des Verbundbauteils (Beton, Betonstahl, CFK) und der damit verbundenen lokal unterschiedlichen Dehnungszustände. An einer Versuchshalle in Taucha bei Leipzig fanden umfangreiche Praxisversuche über einen Zeitraum von 18 Monaten statt. Dabei wurden sensorintegrierte CF-Gelege an Trägern und Stützen angebracht und das Langzeitverhalten und der Eintrag von Lasten durch Verfahren eines Hallenkranes mit einer Last von ca. 15 Tonnen realisiert. Die Versuche zeigten, dass CF-Gelege mit integrierten FBG-Sensorfasern langzeitstabil, präzise und praxistauglich sind.

Fazit Durch die sticktechnische Integration optischer Faser-BraggGitter Sensorglasfasern auf Trägergewebe lassen sich langzeitstabile, leicht zu applizierende Sensorelemente serienreif produzieren. Durch Verwendung von CF-Lamellen als Trägergewebe können Bauwerke verstärkt und saniert werden und gleichzeitig kann eine langzeitstabile Überwachung gewährleistet werden. kontakt Dr. rer. nat. Michael Kuhne Mail: michael.kuhne@mfpa.de

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Ziegelprüfung – mechanisch, thermisch und durch Simulation

01 Einbau einer Wand in den Prüfstand zur Bestimmung des Wärmedurchlasswiderstandes

Z

iegel sind einerseits traditionelle Baumaterialien, die seit tausenden von Jahren zum Bau von Gebäuden verwendet werden. Andererseits wurden sie vor dem Hintergrund besserer Wärmedämmung und längerer Haltbarkeit in den letzten Jahren zu spezialisierten technologischen Produkten weiterentwickelt. Heute wird eine Vielfalt solcher Produkte aus gebrannten keramischen Materialien – Hochlochziegel, Klinker und Dachziegel – an der MFPA geprüft. Nach deutscher bzw. europäischer Norm oder bauaufsichtlicher Zulassung müssen die Bauprodukte Anforderungen bezüglich Festigkeit, Wärmedämmung, Dauerhaftigkeit, Brandschutz und Schallschutz genügen. Zum Erlangen einer solchen Zulassung müssen die Ziegel einer Erstprüfung unterzogen werden. Unser Anteil dabei sind die Untersuchungen der Festigkeits- und Wärmedämmeigenschaften der Ziegel, die dann später einer regelmäßigen Kontrolle unterliegen. Dachziegel und Klinker müssen in Prüfungen außerdem ihre Frostbeständigkeit und Wasserundurchlässigkeit unter Beweis stellen. Zu unseren Kunden zählen neben deutschen Herstellern zunehmend auch Produzenten und Institute aus anderen europäischen Ländern. Hilfreich bei der Auftragserteilung durch unsere Kunden ist dabei unser Status als ein nach DIN EN 17025 akkreditiertes Prüflaboratorium.

standteil des Fachgebiets Bauphysik. Das Produkt Ziegel hat dabei im Laufe der Jahre immer stärker an Bedeutung gewonnen. Zunächst alte Geschäftsbeziehungen des Instituts für Baustoffe fortsetzend, wurde in der MFPA mit modernisierter übernommener Technik im »Thermisch-hygrischen Prüffeld« für Kunden aus der Region gearbeitet. Zunehmender Bedarf an Prüfkapazität durch Kunden aus ganz Deutschland und dem europäischen Ausland konnte durch Neu- bzw. Ersatzbeschaffungen neuester Prüftechnik abgedeckt werden. Mit der später erfolgten Integration der Ziegelprüfstelle in das Fachgebiet bieten wir unseren Kunden aus der Ziegelindustrie nun ein größeres Leistungsspektrum aus einer Hand an. Dies beinhaltet neben der thermischen Ziegelprüfung und Modellierung des Wärmedurchgangs auch die mechanische Ziegelprüfung sowie Festlegung von Bemessungswerten und Zertifizierung von Ziegelprodukten.

Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Bau- und Dämmstoffen sowie des Wärmedurchlasswiderstandes von Bauteilen bildet seit der Gründung der MFPA einen wesentlichen Be-

Die zu untersuchenden Ziegelprodukte werden zuerst auf verschiedene Abmessungen und Maße überprüft, dann werden die Ziegelrohdichte im trockenen Zustand sowie die Scherben-

Die Untersuchung von keramischen Produkten wird auch in Zukunft eine große Rolle im Leistungsspektrum der MFPA spielen. Nach dem vollen Inkrafttreten der europäischen Bauproduktenverordnung ist es dank der in der MFPA aufgebauten Strukturen möglich, Ziegelprodukte zu überwachen und zu zertifizieren.

Mechanische Ziegelprüfung


Fachgebiet: Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfung |

02 Einschnittiger Scherversuch am Verfüllziegel

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03 Bestimmung der Abmessungen am Hochlochziegel

Thermische Ziegelprüfung rohdichte durch Unterwasserwägung bestimmt. Für die Tragfähigkeit eines Ziegels sind ein korrektes Lochbild und festes Scherbenmaterial entscheidend. Die Untersuchung der Druckfestigkeit erfordert für einen gleichmäßigen Krafteintrag ebene, planparallele Oberflächen. Diese werden durch präzises Planschleifen der Ober- und Unterseite jedes abzudrückenden Ziegels mittels einer Nassschleifmaschine erreicht. Während die Produzenten von Hochlochziegeln ihre Produkte regelmäßig prüfen und überwachen lassen müssen, ist das für die Produzenten von Dachziegeln freiwillig. Als eines der wenigen Prüfinstitute in Deutschland ist die MFPA in der Lage, Dachziegel nach allen in Europa angewendeten Frostprüfverfahren zu testen. So können die unterschiedlichen Klimazonen Europas für die Festlegung des Belastungsregimes berücksichtigt und deren Einfluss auf die Dachziegel überprüft werden. Neben den herkömmlichen Prüfverfahren entsprechend den einschlägigen Normen werden auch spezielle Prüfungen angeboten. Für die Überprüfung der Scherbruchkraft von Hochlochziegeln, wichtig bei aufliegenden Decken und auskragenden Bauelementen, konnte der einschnittige Scherversuch als Routineprüfung in der MFPA etabliert werden. Für Füllziegel, die immer häufiger verbaut werden, ist diese Untersuchung zwingend in den bauaufsichtlichen Zulassungen vorgeschrieben.

Der Wärmetransport durch eine Ziegelwand aus Hochlochziegeln erfolgt über Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. International üblich ist die Wärmeleitfähigkeitsmessung des Scherbenmaterials und anschließende Modellierung dieser Prozesse. In Deutschland und Österreich ist die Messung des ganzen Ziegels, also die Erfassung aller genannten Wärmetransportprozesse mit Hilfe einer Wandmessung, traditionell vorgeschrieben. Dafür wird aus den angelieferten Ziegeln ein Prüfkörper mit den Abmessungen 1,5 m × 1,5 m aufgemauert. Als Mörtel kommen dabei je nach Zulassung Wärmedämmmörtel, Dünnbettmörtel, leichte Deckelmörtel oder ein Spezialschaum zum Einsatz. Nach der Trocknung des Wandprüfkörpers wird dieser in einen der beiden modernen Prüfstände eingebaut, die seit dem Umzug in das CIB im Jahre 2009 zur Verfügung stehen. Die Wand aus den zu prüfenden Ziegeln befindet sich in einem wärmegedämmten Rahmen zwischen zwei klimatisierten Kammern mit 0 ° C und 20 ° C. Während der Prüfung wird die Luft in beiden Kammern umgewälzt und strömt gegenläufig jeweils zwischen Wandoberfläche und speziellen Luftleitblechen. Ein Wärmeflussmesser auf der Warmseite erfasst die durch die Wand strömende Wärme. Die Messung der Temperaturen von Oberflächen und der Luft erfolgt mit Thermoelementen. Aus den Temperaturdifferenzen und der mittleren Wärmestromdichte wird dann der Wärmedurchlasswiderstand berechnet. Die verwendete Prüfanordnung bietet die Möglichkeit zur Prüfung von Mauerwerk bis zu einer Wandstärke von 50 cm. Entsprechende moderne Ziegel können


04/ 05 Temperaturverlauf in einem Leichthochlochziegel und 3D-Modell

bezüglich des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wertes) Passivhausniveau erreichen. Neben Ziegelwänden wurden auch schon Elemente aus anderen Materialien – vom Reetdach über Leichtbeton bis zum Betonsandwichelement – getestet. Neben dem Lochbild beeinflussen die bei der Herstellung verwendeten Ausgangsstoffe sowie die Rohdichte und Wärmeleitfähigkeit des Scherbens wesentlich die Dämmwirkung der Ziegel. Für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien wie Dämmstoffen, Mörtel, Leichtbeton und auch Ziegelscherben stehen zwei Poensgen-Plattenmessgeräte zur Verfügung. Deren Messprinzip besteht in der Bestimmung der elektrisch erzeugten Wärmemenge, die bei einer bestimmten Temperaturdifferenz und Mitteltemperatur von der Heizplatte durch die Probe zur Kühlplatte fließt. Im Allgemeinen wird die Probe dabei im trockenen Zustand geprüft. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Wärmedämmung einer Außenwand ist die Kombination von Dämmstoff und Ziegel. Am bekanntesten ist das Wärmedämmverbundsystem (WDVS). Zusätzlich laufen bei den Ziegelproduzenten seit den 1990er Jahren erfolgreiche Entwicklungen, bei denen ein dämmendes Material (z. B. Schaumkunststoff, Faserdämmstoff, mineralischer Schaum oder Perlite) in den Ziegel eingelagert wird. Die Auf-

gabe besteht darin, die Wärmeleitfähigkeit des Ziegelscherbens und die des Füllmaterials im trockenen Zustand zu messen. Die im Nutzungszustand in Baustoffen immer vorhandene Feuchte erhöht deren Wärmeleitfähigkeit. Deshalb muss zusätzlich bei Wärmeleitfähigkeitsprüfungen das Sorptionsvermögen des geprüften Materials bei 23 ° C und 80 % relativer Luftfeuchtigkeit gemessen werden.

Modellierung des Wärmedurchgangs Neben der Messung der Wärmeleitfähigkeit von Ziegeln gewann in den letzten 10 Jahren die Modellierung und Berechnung des Wärmedurchgangs unter Verwendung der Methode der finiten Elemente zunehmend an Bedeutung. Die Methode ist besonders vorteilhaft einsetzbar für die Neu- und Weiterentwicklung sowie Optimierung von Fensterprofilen, Verbindungselementen und eben auch von modernen Ziegeln. Berechnet werden dabei eine Vielzahl von Lochbildern sowie die oben erwähnten, mit Dämmstoffen verfüllten Ziegel. Die Messung des Materials und Berechnung des Wärmedurchlasswiderstandes aus einer Hand sind dabei eine komplexe Leistung für die Hersteller der Produkte. Ergänzend dazu werden auch die Ermittlung und Festlegung von Bemessungswerten der Wärmeleitfähigkeit z. B. im Rahmen von bauaufsichtlichen Zulassungen und für Zertifikate nach europäischer Normung durchgeführt.


Fachgebiet: Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfung |

06/07 Schleifanlage zur Herstellung planparalleler Oberflächen für thermische und mechanische Prüfungen

08 Prüfung der Frost-Tau-Beständigkeit an Pflasterziegeln

Fremdüberwachung und Zertifizierung Nach der Übernahme der PÜZ-Stelle für Ziegel vom aufgelösten Institut für Bau- und Grobkeramik Weimar ist seit 2002 eine komplette Güteüberwachung von Ziegeln möglich. Diese umfasst neben den beschriebenen Prüfungen auch die Vor-OrtÜberwachung der Produktionskontrolle der Ziegelwerke. Resultat von Überwachung und Produktprüfungen ist ein Zertifikat für die korrekte Qualitätssicherung des Herstellers und die Konformität der vom Hersteller deklarierten Produkteigenschaften. Dieses Zertifikat, ausgestellt durch die ebenfalls akkreditierte Zertifizierungsstelle der MFPA, bescheinigt, dass die tatsächlichen Eigenschaften der entnommenen Ziegelprodukte denen entsprechen, die der Hersteller in seiner Produktbeschreibung oder im Datenblatt ausweist.

kontakt Dipl.-Ing. Alexander Freyburg Mail: alexander.freyburg@mfpa.de

09 Prüfung der Biegetrag fähigkeit an Dachziegeln

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Bauphysikalische Vor-Ort-Untersuchungen

01 Das Schillerhaus in Weimar. Im Infrarotbild werden das Fachwerk und Stellen erhöhter Wärmeverluste (rot / gelb) sichtbar

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edes Jahr häufen sich besonders in der kalten Jahreszeit die Anfragen von Bausachverständigen und Baugutachtern nach bauphysikalischen Vor-Ort-Untersuchungen. Im Winter sind die Temperaturunterschiede zwischen dem Inneren und Äußeren von Gebäuden besonders groß und die Voraussetzungen für die Prüfungen günstig. Während bei den Normuntersuchungen im Labor vor allem Betriebe als Auftraggeber fungieren, sind es hier Ingenieubüros und Freiberufler, die bei ihrer Arbeit für Gerichte oder Kunden mit Messtechnik unterstützt werden. Häufig sind es Streitfälle nach eingetretenen Bauschäden, manchmal auch Untersuchungen im Rahmen einer Bauabnahme. Als Untersuchungsmethoden stehen die Infrarot-Thermografie und das Differenzdruckverfahren, auch als Blower Door-Verfahren bezeichnet, im Vordergrund. Daneben werden auch raumklimatische Messungen, endoskopische Untersuchungen und Feuchtebestimmungen vorgenommen. Die Vor-Ort-Prüfungen erfordern von den ausführenden Mitarbeitern umfassendes Wissen über die physikalischen Vorgänge und kompetentes Auftreten als neutrale Personen bei Ortsterminen mit öffentlich bestellten Gutachtern.

Infrarot-Thermografie Bei der Infrarot-Thermografie handelt es sich um ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, bei dem die Temperaturen einer Oberfläche punktweise erfasst und in einem Bild entweder farblich oder als Grautöne dargestellt werden. Das so entstandene Bild ähnelt einer Fotografie des dargestellten Objekts. Jeder Körper, dessen

Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt, strahlt meist unsichtbar Wärme ab und steht mit anderen Körpern im permanenten Strahlungsaustausch. Die Aufgabe der Wärmebildtechnik ist es, diese Strahlung zu erfassen, ihre Intensität zu messen und daraus die Temperaturverteilung der zu untersuchenden Oberfläche berührungsfrei zu ermitteln. Die verwendete Infrarotkamera ermöglicht dank der Kühlung des Sensors auf ca. -200 ° C eine Auflösung der Temperatur auf 30 mK bei 360 × 240 Bildpunkten. Bei Neubauten wird diese Technik zur Kontrolle der Bauausführung eingesetzt und bei Altbauten, um thermische Schwachstellen zu lokalisieren, die im Zuge der Sanierung beseitigt werden sollen. Verborgene Strukturen, die Verwendung unterschiedlichen Materials und minderwertige bzw. fehlende Dämmung werden mittels Infrarot-Thermografie ebenfalls sichtbar. Da verdunstendes Wasser und kalte Luftströmungen in oder an einem Bauteil dessen Oberfläche abkühlen, kann man mittels InfrarotThermografie auch Feuchte registrieren und Leckagen orten. So können Bereiche eines Gebäudes oder Bauteils, an denen Energieverluste auftreten, leicht visualisiert werden. Voraussetzung dafür ist das Vorhandensein eines Temperaturgefälles und damit der Fluss von Wärme durch das beobachtete Bauteil. Die bei der Gebäudethermografie gewonnenen Erkenntnisse bilden für Sachverständige, Energieberater und Gutachter die Grundlage für Aussagen zu Energieeinsparpotentialen und der Beurteilung von Schadensbildern.


Fachgebiet: Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfung |

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nung und Norm geforderten n50-Wert, die auf 50 Pa bezogene Luftwechselrate. Dieser Wert sagt etwas über die Gebäudedichtheit aus. Abhängig von der Art des Gebäudes – Passivhaus, Haus mit Lüftungsanlage oder normales fensterbelüftetes Haus – liegen die Anforderungen zwischen n50 = 0,6 h-1 und n50 = 3 h-1.

02 Thermografie zur Lokalisierung von thermischen Schwachstellen und zur Darstellung der Lage von Fußbodenheizungen

Blower Door-Verfahren Das seit Mitte der 1990er Jahre in Deutschland in breitem Umfang verwendete Differenzdruckverfahren dient zum einen der Bestimmung der Luftwechselrate bei einem bestimmten Differenzdruck und zum anderen der Suche nach Leckagen in der Gebäudehülle. Die verwendete Blower Door-Technik kommt in der MFPA seit 1995 zum Einsatz. Sie besteht aus einem verstellbaren Rahmen, der mit einer Nylonplane bespannt ist. In der Plane befindet sich eine Öffnung für einen großen Ventilator. Diese Vorrichtung wird in eine Außentür oder ein Fenster eingesetzt. Zur Messung werden alle Türen im Inneren des Gebäudes geöffnet, so dass alle Räume miteinander im Luftverbund stehen, während Fenster, Außentüren oder sonstige Öffnungen nach außen wie Abzüge oder Kamine verschlossen sind. Am Ventilator wird der Differenzdruck zwischen Innen und Außen und damit der geförderte Luftvolumenstrom eingestellt, wobei sowohl Überdruck als auch Unterdruck erzeugt werden können. Als Folge werden Leckstellen wie undichte Fensteranschlüsse oder schlecht abgedichtete Installationsöffnungen mit Luft durchströmt. Der Luftstrom an den Leckagen kann dann geortet und seine Geschwindigkeit gemessen werden. Bei der Untersuchung eines Gebäudes wird der Luftvolumenstrom bei mindestens fünf Werten für die Druckdifferenz gemessen. Aus der Näherung des Verlaufs durch eine Potenzfunktion errechnet sich der Wert des Luftvolumenstroms für 50 Pa Druckdifferenz. Das Verhältnis des Luftvolumenstroms zum klimatisierten Gebäudevolumen ergibt den nach Energieeinsparverord-

Bei Wind oder infolge des natürlichen Druckunterschiedes zwischen innen und außen tritt Luft durch Leckagen in der Hülle des Gebäudes, und es findet ein Luftaustausch statt. Luft, die im Winter von innen nach außen strömt, kühlt beim Durchgang in der Wand ab, und es kommt zur Kondensation innerhalb der Konstruktion. Abhängig vom Baustoff können dadurch mehr oder weniger große Schäden entstehen. Besonders gefährdet sind Leichtbauten und Holzhäuser. Zur Detektion dieser Leckagen hat sich eine Kombination von Blower Door und Thermovision als besonders hilfreich erwiesen. Dabei hat die durch das Bauteil strömende Luft eine andere Temperatur als das Bauteil selbst und erwärmt oder kühlt die Umgebung der Leckagen ab. Solche Stellen können dann mittels Thermografie sichtbar gemacht werden. Typische Schadensbilder sind das Auftreten von Feuchteschäden in Innenräumen und der sich daraus entwickelnde Schimmel, der z. B. auf kalten Bauteilen oder bei hohen Raumluftfeuchten entstehen kann. Zur Ermittlung der Ursachen kann die MFPA das Raumklima über einen längeren Zeitraum erfassen, durch Einsatz der Thermografiekamera kühle Wandbereiche auffinden und mit der Blower Door Leckagen suchen. Die Feuchtedetektion mittels kapazitivem Messfühler zeigt qualitativ den Grad der Durchfeuchtung an. Genauere Bestimmungen der Feuchtegehalte durchfeuchteter Bauteile erfolgen durch Entnahme von Bohrkernen und Rücktrocknung des Materials im Labor. Zugluft, kalte Wandbereiche und hohe relative Raumluftfeuchten vermindern das Wohlbefinden eines Menschen in einem Haus oder einer Wohnung. Entsprechende Gerätschaften zum Nachweis von Beeinträchtigungen der Behaglichkeit werden bei Bedarf eingesetzt.

kontakt Dipl.-L. Paul Rieger Mail: paul.rieger@mfpa.de


Zerstörungsfreie Prüfung von Bauteilen und Bauwerken

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iele Komponenten von Flugzeugen, Eisenbahnen, Kraftwerken, Rohrleitungen oder Bauwerken sind sicherheitsrelevant und dürfen nicht ausfallen. Oder ihre Herstellung ist so komplex und teuer, dass die Integrität der Materialien während der Produktionsschritte überprüft werden muss. Oft muss auch die Gebrauchstauglichkeit von Bauteilen im Rahmen der Qualitätssicherung nachgewiesen werden. In diesen Fällen stellen Verfahren der Zerstörungsfreien Prüfung die Funktionsfähigkeit der Bauteile sicher, indem ihre Eigenschaften gezielt gemessen und Fehlstellen detektiert werden. An der MFPA werden Verfahren der Zerstörungsfreien Prüfung in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Bestimmung der elastischen Kennwerte von Proben aus Zement, Beton und Naturstein mit Ultraschall (Baustoffe) Induktive Überdeckungsmessung von Bewehrungsstahl in Stahlbetonbauwerken (Baustoffe) Überprüfung der Wärmedämmung und Luftdichtheit von Gebäuden mit Infrarot-Thermografie (Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfverfahren) Messung der Schweißnahtdicke von geotechnischen Abdich tungsbahnen aus Kunststoff mit Ultraschall (Geotechnik)

01 Ultraschall-Abbildungssystem während der Messung 02 Röntgenbild einer geotechnischen Tondichtung mit Trocknungsrissen


Fachgebiet: Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfung |

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Ultraschall im Bauwesen

03 Dreidimensionale Ultraschallabbildung von Rissen in einem Hochdruckbauteil bei 2.000 bar

Die allgemeine Anwendung und Weiterentwicklung von zerstörungsfreien Prüfverfahren ist in der Arbeitsgruppe »Feuchtemessverfahren und Zerstörungsfreie Prüfung« konzentriert. Hier werden vor allem Ultraschall-, Impakt-Echo- und Röntgenverfahren eingesetzt, um Bauteile aus so unterschiedlichen Materialien wie Beton, Keramik, Stahl und Kunststoff zu untersuchen. Das Arbeitsgebiet umfasst angewandte Forschungs- und Prüfaufgaben, die sich thematisch ergänzen. Im Forschungsbereich reicht das Spektrum von Grundlagenuntersuchungen zur Schallausbreitung in Beton über die Entwicklung von Mess- und Abbildungsverfahren bis zur Ermittlung der Prüf barkeit von Werkstoffen und Bauteilen. Dafür werden öffentlich geförderte Forschungs- und industrielle Kooperationsprojekte eingeworben und Forschungsarbeiten im Kundenauftrag bearbeitet. Im Prüf bereich liegt der Schwerpunkt auf Sonderprüfungen z. B. von Bauteilen aus grobkörnigen oder stark dämpfenden Werkstoffen. Dazu werden kommerzielle und selbst entwickelte Messund Abbildungssysteme eingesetzt. Mit zwei selbst entwickelten, scannenden Abbildungssystemen können Bauteile in verschiedenen Skalen dreidimensional abgebildet werden. Eigene Software implementiert digitale Signal- und Bildverarbeitung sowie bildgebende tomographische Verfahren. Die Software kann auch im Kundenauftrag angepasst und an den Kunden für eigene Prüfungen weitergegeben werden. Gemeinsam mit dem Bereich Bauphysik werden Monitoring-Systeme zur Überwachung von Temperatur und Feuchte in Bauwerken mit autarken Funksensoren entwickelt. Die MFPA ist in mehreren Ausschüssen der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP) aktiv, um ihre Erfahrungen in Merkblätter einfließen zu lassen.

Noch vor wenigen Jahren war zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen eine eher exotische Aufgabe. Speziell bei der Betonprüfung waren neben den mechanischen Prüfungen nur wenige einfache zerstörungsfreie Prüfmethoden im Gebrauch. Mittlerweile sind durch Forschung und technische Weiterentwicklungen Geräte und Messsysteme verfügbar, mit denen sich eine ganze Reihe von Prüfaufgaben an Bauteilen aus Stahlbeton lösen lassen. An der MFPA wird zur Bauwerksdiagnostik vor allem das Ultraschall-Echoverfahren eingesetzt, das sich für eine breite Palette von Anwendungen eignet, die von einzelnen Dickenmessungen bis zur Volumendarstellung von ganzen Betonbauteilen reichen. Das Messprinzip beruht auf dem Aussenden und Empfang von kurzen Ultraschallpulsen durch Ultraschallprüfköpfe. Die Si-

04 Ultraschall-Tiefenschnitte eines textilbewerten Betons

gnale breiten sich als elastische Wellen im Betonbauteil aus und werden von Spannkanälen oder Rückwänden reflektiert. Aus den Empfangssignalen werden Bilder der Reflektoren im Bauteilvolumen generiert. Für die Messungen, die meist einseitig auf der Bauteiloberfläche ausgeführt werden, stehen Handgeräte und automatisierte Abbildungssysteme zur Verfügung. Die automatisierten Ultraschall-Abbildungssysteme eignen sich dafür, Rückwände, Hüllrohre, Hohlräume, oberflächenparallele Risse, große Bewehrungseisen und Ablösungen abzubilden und in ihrer Lage zu bestimmen. Damit können Betonbauwerke zur Qualitätssicherung, Schadensanalyse und Zustandserfassung flächendeckend untersucht und eingehend erfasst werden. Auf Grundlage der Ergebnisbilder können gezielt Bereiche ausgewählt werden, in denen zerstörende Untersuchungen durchgeführt werden, und es lassen sich Pläne von Betonbauteilen erstellen, deren Auf bau unbekannt oder zweifelhaft ist.


05/06 3-Achs-Abbildungssystem mit elektronisch gesteuertem Prüfkopfarray. Elektronisch gesteuertes Prüfkopf-array mit 48 Einzelwandlern

Abbildungssystem FLEXUS Ein Schwerpunkt ist die Entwicklung und der Einsatz von Abbildungsverfahren mit Ultraschall. Für flächendeckende, zerstörungsfreie Untersuchungen an Betonbauteilen wurde das automatisierte Ultraschall-Abbildungssystem FLEXUS entwickelt, das direkt vor Ort dreidimensionale Bilder des Volumens von Betonbauteilen liefert. Es besteht aus einem NiederfrequenzUltraschallgerät, einem dreiachsigen Scanner sowie Programmen zur Steuerung und Bildgenerierung. Mit verschiedenen Ultraschallprüfköpfen lassen sich Durchdringungsfähigkeit, Auflösungsvermögen und Prüfgeschwindigkeit an die Aufgabenstellung anpassen. Mit dem Scanner werden die Prüfköpfe auf einem Messraster von 1,0 m × 0,8 m bewegt. Die aufgenommenen Messungen – zwischen 2.500 und 10.000 Messungen pro Quadratmeter – werden zu Schnittbildern oder einem Volumenbild verrechnet. Dazu wird die tomographische SAFT-Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique) verwendet, die den Informationsinhalt vieler Messsignale auf die einzelnen Bildpunkte des abgebildeten Volumens fokussiert. Das Resultat sind dreidimensionale Bilder, in denen innere Objekte an ihren tatsächlichen Positionen und mit hoher Auflösung dargestellt werden. Ein Signaldetektionsverfahren, das auf einer Modellierung der Rauschsignale durch Weibull-Funktionen basiert, hilft, das Bildrauschen zu unterdrücken.

Mit dem mehrkanaligen FLEXUS-Prüfkopfarray kann die Messgeschwindigkeit um den Faktor 10 erhöht werden. Es besteht aus 48 einzelnen Ultraschallwandlern, die in 16 Gruppen angeordnet sind. Durch die elektronische Ansteuerung können die Gruppen einzeln als Sender und Empfänger eingesetzt werden. Dadurch lassen sich virtuelle Prüfköpfe definieren, die sich während der Messung schnell über die Arrayfläche verschieben lassen. Ein mechanischer Versatz des gesamten Arrays ist nur noch in der zweiten Abtastrichtung nötig. Während des Versatzes wird aus den Messungen bereits ein Schnittbild berechnet, so dass direkt nach Abschluss der Messungen ein komplettes Volumenbild des untersuchten Bereichs zur Auswertung zur Verfügung steht. Ähnlich wie bei medizinischen Bildern ist zur Auswertung und Interpretation eine ausgebildete Fachkraft erforderlich. Das Abbildungssystem kann von zwei Personen transportiert und innerhalb von 30 Minuten messbereit gemacht werden. Es ist Ergebnis mehrer Forschungs- und Industrie-Kooperationsprojekte und wird über den Kooperationspartner Ing.-Büro Dr. Hillger vertrieben.


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Dickenmessung mit dem Impakt-Echo-Verfahren Oft muss die Dicke von Betonbauteilen, deren Rückseite wie bei einem Tunnel, einer Decke oder einem Fundament nicht zugänglich ist, an vielen Messpunkten gemessen werden. Dafür wird an der MFPA wegen des geringen Messaufwandes vor allem das Impakt-Echo-Verfahren eingesetzt. Es arbeitet ähnlich wie das Ultraschall-Echoverfahren mit kurzen Pulsen, die in das Betonbauteil eingeschallt werden. Die Pulse werden allerdings mechanisch erzeugt, so dass viel niedrigere Frequenzen im Hörbereich angeregt werden, und mehrfach zwischen Vorder- und Rückwand der Bauteile reflektiert. Aus der Resonanzfrequenz kann nach Kalibrierung die Dicke des Bauteils bestimmt werden. Auch lassen sich Verbundstörungen und größere Hohlräume detektieren. Die MFPA war an der Erstellung des Impakt-EchoMerkblatts B11 der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung federführend beteiligt. Ein Anwendungsbeispiel ist die Dickenmessung der Innenschalen von Tunneln. Diese Messung ist seit 2001 für alle neu gebauten Fernstraßentunnel in Deutschland gemäß Richtlinie RI-ZFP-TU vorgeschrieben und wird zunehmend auch in Bahnund U-Bahn-Tunneln durchgeführt. Die entsprechenden Tunnel sind zweischalig aufgebaut, wobei die Innenschale aus Ortbeton gegen eine Kunststoffdichtungsbahn betoniert wird. Bei Minderdicken liegt die rückseitige Bewehrung offen und kann die Kunststoffdichtungsbahn perforieren, wenn diese durch Bergwasser dagegen gedrückt wird. Es ist in der Vergangenheit bereits geschehen, dass dann Bergwasser eindringt und in größeren Mengen in den Tunnel läuft. Die Tunnelinnenschalen werden in Blöcken von 6 bis 12 m Länge und einer Dicke von 30 bis 60 cm hergestellt. Die Dickenmessungen werden auf einem Raster von 80 cm × 80 cm aufgenommen, das bei Minderdicken verdichtet wird. Minderdicken treten meist im First auf, aber auch seitlich, wenn der Schalwagen nicht richtig justiert wurde. Der Messbereich deckt deshalb Firstbereich und Blockfugen ab und ist H-förmig. In den Ergebnisgrafiken werden die Dicken farbkodiert und mit Höhenlinien dargestellt, so dass Bereiche mit Minderdicken sofort erkannt werden. In diesen Bereichen muss der Beton durch eine Firstspaltverpressung instandgesetzt werden, so dass Beschädigungen der Kunststoffdichtungsbahn vermieden werden. Die MFPA war an der Erstellung der entsprechenden Richtlinie RI-ZFP-TU beteiligt und ist von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) für diese Messungen anerkannt. 07 Messung der Dicke einer Tunnelinnenschale mit dem Impakt-EchoVerfahren

kontakt Dipl.-Ing. Martin Schickert Mail: martin.schickert@mfpa.de


Elektromagnetische Messverfahren zur Bestimmung der Materialfeuchte

01 Einsatz der Zeitbereichsreflektometrie im Altdeich.

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ie Materialfeuchtemessung ist ein interdisziplinäres Arbeitsgebiet an der Schnittstelle zwischen Werkstoffkunde und Messtechnik. In vielen Bereichen ist es notwendig, die Feuchte eines Stoffes oder Materials zu kennen, da sonst Schäden drohen oder höhere Kosten auftreten. Bei der Betonherstellung verursachen zu hohe Feuchtewerte in den Zuschlagstoffen Druckfestigkeitsverluste im Beton, die durch erhöhte Zementzugabe ausgeglichen werden müssen. Zu hohe Feuchte im Mauerwerk führt zur Reduzierung der Wärmedämmung; es können Formveränderungen, Korrosion, erhöhte Frostempfindlichkeit, Schäden durch aufsteigende Salze sowie Schimmel entstehen. Im Bereich der Umwelt ist die Kenntnis der Feuchte entscheidend bei der Wiederverwendung von Altpapier und -textilien sowie bei der energetischen Dimensionierung von Müllverbrennungsanlagen. Bei der Abdichtung von Deponien verhindert eine bestimmte Feuchte in Tonschichten oder Bentonitmatten, dass Schadstoffe durch den Regen in das Grundwasser gelangen. Die Feuchtemessung vieler Rohstoffe, Nahrungsmittel und landwirtschaftlicher Produkte trägt dazu bei, ihre Qualität zu sichern und Verluste im Handel zu vermeiden. Nach der Gründung der MFPA wurde die Feuchtemessung als Erfolg versprechendes Forschungsgebiet aufgenommen und die Arbeitsgruppe »Feuchtemessverfahren« gegründet, die sich seitdem vor allem mit der Entwicklung und Anwendung von dielektrischen Messverfahren beschäftigt. Im Mittelpunkt der Aufgaben steht die grundlagen- und vor allem die anwendungsorientierte Forschung. Durch die Zusammenarbeit mit Partnern aus

02 Becherresonatorfeuchtemessgerät für Schüttgüter und Oberflächenresonator zur Untersuchung von Bauwerksoberflächen. Einstechresonator – seine Resonanzkurve wird am Netzwerkanalysator gezeigt.

Industriebetrieben und wissenschaftlichen Instituten konnten zahlreiche private und öffentliche Projekte eingeworben werden, die durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, die Deutsche Forschungsgemeinschaft oder Thüringer Institutionen gefördert wurden. Die Labore der Arbeitsgruppe sind mit zwei Netzwerkanalysatoren im Frequenzbereich von 10 kHz – 40 GHz, Zeitbereichsgeneratoren, Ultrabreitbandequipment und HF-Messleitungen ausgerüstet. Die Entwicklung der Sensoren und Resonatoren erfolgt mit dem Finite-Elemente-Programm HFSS, in das auch die Materialeigenschaften integriert werden können. Somit ist es möglich, aufwendige Fertigungen von Sensoren für Versuchszwecke zu vermeiden und Kalibrierungen zu vereinfachen. Die Forschungsergebnisse kommen im Bauingenieurwesen, dem Bergbau, der Geotechnik, der Agrarwirtschaft, der Verfahrenstechnik sowie in der Lebensmittelindustrie zum Einsatz.

Dielektrische Feuchtemessverfahren Die Materialeigenschaften von nichtmagnetischen Stoffen werden bei dielektrischen Messverfahren mittels elektromagnetischer Wellen bestimmt. Grundlage bilden die hohe Dielektrizitätszahl von Wasser sowie die hohen dielektrischen Verluste im Mikrowellenbereich. Entsprechend dem Anwendungsbereich


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werden Messverfahren im Frequenz- oder im Zeitbereich eingesetzt. Hierzu zählen Reflexionsverfahren, Durchstrahlungsverfahren, Resonatorverfahren, die dielektrische Spektroskopie, das Ultrabreitbandverfahren, die Reflektometrie im Zeitbereich (TDR), Bodenradar (GPR) und die Mikrowellenfernerkundung (Remote Sensing). Bei allen diesen Verfahren ist eine Kalibrierung gegen ein Referenzverfahren notwendig. Dazu eignet sich z. B. die Dörr-Wäge-Methode, bei der Materialien unterschiedlicher Feuchte in einem Trockenschrank bei 105° C getrocknet und wiederholt gewogen werden. Die Kalibrierkurven können dann im Messgerät als Referenz für weitere Messungen hinterlegt werden.

Messungen mit Mikrowellenresonatoren Resonatorverfahren verwenden meist Schwingkreise im Mikrowellenbereich, die als Resonatoren bezeichnet werden. Durch ihre hohe Güte bilden sie die Basis für genaue Feuchtemessungen auch bei geringen Feuchten an der Oberfläche von Bauwerken, in Schüttgütern und bei der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln, wie Getreide oder Kaffee. Entsprechend ihrem Einsatzbereich können die Resonatoren als Oberflächen-, Einstech- oder Bechersensor ausgeführt werden (Bild 2). Ihre feuchteabhängigen Kenngrößen sind Resonanzfrequenz und Bandbreite, die durch Abtastung der Resonanzkurve (Bild 2) ermittelt werden.

03 Topfkreisresonator am Netzwerkanalysator und Simulation des Feldbildes.

Ein neu entwickeltes Verfahren führt Messungen bei zwei Frequenzen im Gigahertzbereich durch, um die Feuchte einer Probe dichteunabhängig zu bestimmen und gleichzeitig den Salzgehalt im Material zu messen. Durch dreidimensionale Modellierungen mit dem Simulationsprogramm HFSS konnte eine sehr gute Übereinstimmung der Parameter des Resonatormodells und der ausgeführten Resonatorkonstruktion erzielt werden. Bei diesem Topfkreisresonator können durch Variation des Durchmessers vom Resonatorinnenleiter sowohl grobkörnige Stoffe (wie Mais), als auch Wasser mit 5 % Salzgehalt gemessen werden (Bild 3). Die Resonatorbauform und das Messverfahren wurden zum Patent angemeldet.

Zeitbereichsreflektometrie Die Materialfeuchte in Böden wird bei neueren Anwendungen meist mittels Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry, TDR) bestimmt. Dazu wird ein kurzer elektrischer Puls mit einer Dauer von einigen Nano- bzw. Picosekunden auf eine Zwei- oder Dreidrahtleitung gegeben. Aus der Auswertung der Impulsantwort über die Länge des Kabelsensors kann eine ortsaufgelöste Feuchteverteilung oder ein Feuchteprofil ermittelt werden.

04/05/06 Installation von TDR-Kabelsensoren im Verschlussbauwerk in der Grube Teutschenthal. Installierte Kabelsensoren im Großversuch. Installation von TDR-Feuchtesensoren in einem Kleinversuch.

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07 Signaldarstellung über den Kabelsensoren in Abhängigkeit von der eingedrungenen Feuchte: Boden – hohe Feuchte, Firste – trocken.

08/09/10 Installation von TDR-Kabelsensoren in Vehra (Unstrut). Deich mit Messstation an der Unstrut. Profildarstellung der eingedrungenen Feuchte im Deich.

Die Bestimmung der Feuchte ist auch in Verschlussbauwerken von untertägigen Deponien für gefährliche Abfälle erforderlich, um eine Gefährdung durch einen Wasserzutritt rechtzeitig zu erkennen. Im Rahmen eines Forschungsprojektes beteiligt sich die MFPA an einem Großversuch in der Grube Teutschenthal in Sachsen-Anhalt. Längs des Verschlussbauwerks wurden an der Grenzfläche zum Salzgestein Kabelsensoren zur Feuchtemessung eingebaut (Bild 4, 5). Damit ist es bei den Verschlussbauwerken aus MgO-Beton im Karnallitit-Gestein möglich, die Feuchte von konzentrierten Salzlösungen ortsaufgelöst zu erfassen. Für die Detektion von Feuchtezutritten an den Kontaktzonen dieser Bauwerke ist dies von enormer Bedeutung. Zur Erprobung wurden vorab in einem Kleinversuch Dreidraht-Kabelsensoren in einen Hohlraum eingebaut (Bild 6), das Bauwerk mittels MgO-Beton verschlossen und nach der Aushärtung mit Lauge verpresst. Die Messwerte der vier Kabelsensoren wurden über den Zeitraum der Betonerhärtung und der Flüssigkeitsverpressung verfolgt (Bild 7). Die Messwerte zeigten, dass die Firste des Verschlussbauwerks trocken blieb, während sich am Boden Flüssigkeit ansammelte. Nach erfolgreicher Durchführung des Kleinversuches wurden Kabelsensoren und Steuerung in zwei Großversuchen installiert. Eine Flüssigkeitsdruckbeaufschlagung steht noch aus.

Unstrut und Elbe installiert, um den Stand der Sickerlinien zu detektieren (Bild 8, 9, 10) und bei lang anhaltendem Hochwasser den Betreibern einen möglichen Deichbruch zu signalisieren. In Vehra / Thüringen unterstrom des Hochwasserrückhaltebeckens-Straußfurt wurde eine Messstation mit einem MonitoringSystem ausgestattet, das dort seit 2007 zuverlässig arbeitet. In Buro / Sachsen-Anhalt wurde ein Deichabschnitt von 250 m Länge mit 24 TDR-Sensoren und einem autarken Messsystem ausgestattet, das von 2007 bis 2008 automatisiert Daten erfasst hat.

Die TDR-Technik wurde auch für die Bewertung und Prognose der Standsicherheit von Hochwasserschutzdeichen angewendet. Hierzu wurden Ketten von TDR-Sensoren in enger Zusammenarbeit mit den örtlichen Behörden in Altdeiche an

Die potenziellen Einsatzmöglichkeiten der TDR-Feuchtemesssysteme sind durch begrenzte Längen der Zuführungskabel (ca. 30 m) zwischen Messgerät und Feuchtesensoren stark eingeschränkt. Lange Kabel führen infolge hoher Dämpfung zu Signalverfälschungen. Für den flexiblen Feldeinsatz wurde aus diesem Grund eine Weiterentwicklung von Sensoren mit aktiven Sensorköpfen angestrebt, die eine variable Anordnung der Sensoren über wesentlich größere Flächen entlang eines Hochwasserschutzdeiches oder über landwirtschaftliche Nutzflächen zulassen, da auf lange Zuleitungskabel verzichtet werden kann. Vor diesem Hintergrund erfolgte für die Feuchtemessung in verschiedenen Böden in der Landwirtschaft und am Deich die Einführung einer neuen Ultrabreitbandtechnik, mit welcher der Informationsgehalt der Messung erhöht werden konnte. Durch die Entwicklung eines SoCs (System on Chip) konnte das Volumen der Sensorköpfe reduziert und deren Zuverlässigkeit erhöht werden. Bei großen Stückzahlen kann der Preis wesentlich


Fachgebiet: Bauphysik und Zerstörungsfreie Prüfung |

11/12 Vereinfachte Darstellung der Materialphasen, die die elektromagnetischen Materialkenngrößen von Böden beeinflussen. Numerische 3D-Feldsimulation einer koaxialen Messzelle zur Bestimmung elektromagnetischer Materialparameter von Böden.

13 Teilnehmer der Konferenz »Aquametry2010« beim feierlichen Meeting auf der Leuchtenburg.

verringert werden. Die Messstation in Vehra / Straußfurt wurde mit neuer Technik ausgerüstet und ein weiterer Standort bei der Lysimeterstation in Buttelstedt eingerichtet. Hier kommen speziell entwickelte Sonden in Kombination mit Referenzsystemen zum Einsatz. Der Standort Buttelstedt ermöglicht erstmals den in-situ Vergleich verschiedener ortsauflösender Feuchtemessgeräte und Verfahren (Neutronen-, kapazitive-, Resonaz,- und ultrabreitband Verfahren). Die Messtechnik erfasst Feuchteprofile bis zu 3 m Tiefe in einem zeitlich flexiblen Raster, welches über Fernsteuerung von der MFPA administriert werden kann.

Organisation von Konferenzen

In den unterschiedlichen Anwendungen ergaben sich eine Reihe grundlegender Fragestellungen zum praktischen Einsatz der hochfrequenten elektromagnetischen Messverfahren. Hierbei wurde deutlich, dass die elektromagnetischen Materialkenngrößen poröser Medien, wie zum Beispiel von Böden, aufgrund der Komplexität natürlicher Materialien nur ungenügend verstanden sind (Bild 11). Vor diesem Hintergrund sollen grundlagenorientierte Forschungsarbeiten einen verbesserten Einblick in die hydraulisch-dielektrisch gekoppelten Materialeigenschaften von mineralischen Böden schaffen. Hierbei wurden experimentelle Verfahren zur Erfassung (Bild 12) und theoretische Konzepte zur Beschreibung breitbandiger elektromagnetischer Materialkenngrößen von Böden entwickelt. Die Forschungsergebnisse sollen zur quantitativen Erfassung von Flüssigwasser in Böden unter Marsbedingungen mit breitbandigen elektromagnetischen Verfahren dienen.

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Anlässlich der Durchführung der ersten Europäischen Feuchtekonferenz Aquametry2010, an der über 100 Teilnehmer gezählt wurden, konnte die AG Feuchtemessverfahren mit den dielektrischen Feuchtemessungen auf ein 25-jähriges Jubiläum zurück blicken. Die Arbeitsgruppe ist inzwischen auf 6 Personen angewachsen. Die Konferenz basiert auf den Traditionen der Internationalen Konferenzen »Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances« 2005 und 2001, die jeweils mit über 110 Wissenschaftlern aus mehr als 20 Ländern in Weimar durchgeführt wurden. Grundlage für die Organisation waren wiederum nationale Tagungen, wie der »Feuchtetag«, der 2002 und 1997 ebenfalls in Weimar veranstaltet wurde. Zurzeit wird die nächste internationale Konferenz ISEMA für das Jahr 2013 in Weimar vorbereitet.

kontakt Dr. Klaus Kupfer Mail: klaus.kupfer@mfpa.de


Prüfung von Kleinkläranlagen im Spiegel dezentraler Abwasserbeseitigung

Die Rahmenbedingungen

I

m Freistaat Thüringen sind heute etwa 70 % der Einwohner an eine zentrale Kläranlage angeschlossen bzw. entsorgen das auf ihren Grundstücken anfallende Abwasser nach den bestehenden rechtlichen Vorgaben. Nach einer Erhebung des Thüringer Ministeriums für Landwirtschaft, Forsten, Umwelt und Naturschutz wurde 2010 das Abwasser von 680000 Einwohnern immer noch nach unzureichender Behandlung in bestehende Gewässer eingeleitet. In dünn besiedelten ländlichen Gebieten sind zentrale Kläranlagen oft nicht wirtschaftlich zu errichten und zu betreiben. In diesen Fällen werden Kleinkläranlagen mittlerweile durchaus als Ergänzung oder sogar als dauerhafte Alternative zur zentralen Abwasserentsorgung angesehen und gefördert. Sollen Kleinkläranlagen als Dauerlösung zum Einsatz kommen, verlangen der Gesetzgeber bzw. die für die Abwasserentsorgung zuständigen Behörden, dass eine Reihe von Randbedingungen erfüllt werden. Diese einzuhaltenden Randbedingungen werden beispielsweise durch das Wasserhaushaltsgesetz, den Absatz 1 der Abwasserverordnung und in Thüringen durch die Kleinkläranlagenverordnung (ThürKKAVO) und den daran anknüpfenden Klein-

kläranlagenerlass von 2010 fixiert. Während die ThürKKAVO vorrangig die Anforderungen an die Wartung und Kontrolle von Kleinkläranlagen beschreibt, legt der Erlass die Anforderungen an direkte Einleitungen aus Kleinkläranlagen, an Übergangslösungen und an auf Kleinkläranlagen basierende Dauerlösungen fest. Als zentrale Aussage für das Betreiben von Kleinkläranlagen wird in beiden Verordnungen die Forderung nach einer bauaufsichtlichen Zulassung erhoben. Solche bauaufsichtlichen Zulassungen werden in Deutschland nur durch das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) in Berlin ausgestellt, nachdem diese Zulassung von Kleinkläranlagenherstellern beantragt wurde.

Bauaufsichtliche Zulassung von Kleinkläranlagen Bauaufsichtliche Zulassungen für Kleinkläranlagen werden bereits seit den 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts ausgestellt. Zielstellung war es dabei, den Einbau und Betrieb dieser Anlagen auf eine einheitliche Basis zu stellen und das behördliche Genehmigungsverfahren zu vereinfachen. In dem Zusammenhang wurden von den Kläranlagenherstellern in der Regel sogenannte Baureihen kreiert, die für den Anschluss von 4 – 53 (50) Einwoh-


Fachgebiete: Chemie und Umwelt |

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nern bzw. einem maximalen Schmutzwasserzufluss von 8 m³/ Tag geeignet waren. In Bild 2 wird die Verteilung der in Zulassungen erfassten Reinigungsverfahren dargestellt. Bis zum Jahr 2002 war die wesentliche Voraussetzung für das Ausstellen einer bauaufsichtlichen Zulassung das Vorliegen einer praktischen Prüfung. Die Auslegung und Prüfung von Kleinkläranlagen erfolgte dabei auf der Basis der DIN 4261 Teil 1 und 2. Neben diesen Normen waren die seit Mitte der 80er Jahre vom DIBt herausgegebenen Bau- und Prüfgrundsätze zu berücksichtigen. Die praktische Prüfung von Kleinkläranlagen bestand nach den genannten Normen aus einer sogenannten Vor-OrtPrüfung. Dabei wurden bei Betreibern real eingebaute Anlagen nach einem festgelegten Procedere begutachtet und beprobt. Neben einer punktuellen Überwachung der Ablaufqualität wurde die Reinigungsleistung der geprüften Kleinkläranlagen an mehreren Terminen mit 24-Stunden-Mischproben ermittelt. In Bild 2 wurde der Anteil der Reinigungsverfahren in den erteilten Zulassungen ab 2001 dargestellt. Zwei Drittel der Zulassungen wurde für Belebungsanlagen im Aufstaubetrieb (SBR) ausgestellt. Die MFPA Weimar führt seit 1994 im Fachgebiet Chemie und Umwelt Prüfungen an Kleinkläranlagen durch. In den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts war die MFPA eine von 10 Einrichtungen in Deutschland, die vom DIBt Berlin als Prüfstellen für praktische Prüfungen anerkannt und zugelassen waren. In dieser Zeit wurde auch ein Vertreter des Fachgebiets in die Sachverständigenausschüsse für Klärtechnik beim DIBt berufen.

Prüfung von Kleinkläranlagen vor Ort Die sogenannten Prüfungen vor Ort verliefen entsprechend der Norm über ein Jahr. Die Prüfanstalten mussten dabei teilweise große Entfernungen zum Standort der Prüfanlage zurücklegen, was für die Hersteller eine erhebliche finanzielle Belastung innerhalb der Prüfkosten bedeutete. Daneben erschwerte eine Reihe nicht zu beeinflussender Randbedingungen die Prüfung und wirkte sich teilweise auch negativ auf die Aussagekraft der Ergebnisse aus. Neben dem unkontrollierten Schmutzwasserzufluss wurden die Anlagenfunktionen oft durch das Verhalten der Betreiber maßgeblich beeinflusst. Während die Norm von einem Schmutzwasserzufluss von 150 Litern / (Einwohner × Tag) ausging, fanden sich in der Praxis Zuflüsse von deutlich unter 100 Litern / (Einwohner × Tag). In die Anlagen wurden vereinzelt schädliche Zuflüsse (starke Reinigungsmittel, Verdünnungen,

01/02/03 Prüffeld der MFPA in Mellingen Verteilung der Reinigungsverfahren mit bauaufsichtlicher Zulassung (2001 – 2011) Typische Ablaufparameter einer Kleinkläranlage


Speisereste, Hygieneartikel etc.) eingeleitet, die die Reinigungsleistung der Anlagen früher oder später deutlich verschlechterte. Verlässliche Aussagen der Betreiber, was zur Verschlechterung der Reinigungsleistung geführt haben könnte, waren nur selten ermittelbar. Das führte dazu, dass vereinzelt die Prüfzeit über ein Jahr hinaus ausgedehnt oder die an einer ganz anderen Anlage neu aufgenommen werden musste. Eine der in Deutschland ersten Belebungsanlagen im Aufstaubetrieb (SBR) wurde 1997 – 1998 unter Federführung der MFPA noch vor Ort geprüft. Sonderfälle beim Anlagenbetrieb wie Stromausfälle, verringerte Zuläufe, Urlaubsbetrieb waren unter diesen Bedingungen quasi nicht nachzubilden. Der Schmutzwasserabfluss divergierte stark zu den Auslegungsparametern. Die fachgerechte Probenahme wurde durch die Bedingungen vor Ort teilweise erschwert oder erforderte aufwändige Sonderlösungen. Vor diesem Szenario wurde Ende der 90er Jahre mit der Arbeit einer Normenreihe für Kleinkläranlagen auf europäischer Ebene begonnen. Diese, derzeit aus 7 Teilen bestehende Reihe, beschreibt die Anforderungen an Kleinkläranlagen in verschiedenen Ausbaustufen. Für komplette Kläranlagen mit Abwasserbelüftung nach Teil 3 sind die Hersteller seit Mitte 2010 zur CE-Kennzeichnung ihrer Produkte zwingend verpflichtet. Die Normenreihe hat das Prüfprocedere für die praktische Prüfung grundlegend verändert. Aufgrund der beschriebenen Probleme bei Vor-Ort-Prüfungen wurde hier die praktische Prüfung auf sogenannten Test- oder Prüffeldern favorisiert. Als Alternative ist eine Vor-Ort-Prüfung defacto noch möglich, scheitert in der Praxis aber an den nicht nachzubildenden Prüfphasen.

Das Prüffeld der MFPA für Kleinkläranlagen Vor dem Hintergrund dieser Entwicklung entschloss sich die MFPA Weimar in 2002 zum Bau eines Prüffeldes. Als einziger institutsnaher Standort konnte die Gemeindekläranlage in Mellingen in Betracht gezogen werden. Diese bezieht das zufließende Abwasser im Trennsystem. Das Abwasser erfüllt die in der Norm fixierten Forderungen an die Konzentration abwassertypischer Parameter. Der Bau des Prüffeldes wurde großzügig durch das Land Thüringen unterstützt. Nach einer Bauzeit von acht Monaten wurde das Prüffeld im Frühjahr 2003 in Betrieb genommen. Vorerst für 4 Prüfanlagen konzipiert, konnte das Prüffeld aufgrund großer Nachfragen auf 6 Anlagen erweitert werden. Mit einigen Anpassungen ist es heute möglich, bis zu 8 Anlagen gleichzeitig zu prüfen.

Erstprüfungen nach DIN EN 12566-3 Ziel einer europäischen Norm ist es, die Gebrauchstauglichkeit eines Bauproduktes in Form einer Erstprüfung nachzuweisen. Das ist bei Kleinkläranlagen nicht anders. Als Sonderfall behält sich in Deutschland das DIBt das Recht vor, für den Einbau und die Anwendung von Kleinkläranlagen zusätzlich zur Erstprüfung die Ausstellung einer bauaufsichtlichen Zulassung zu verlangen. Diese Zulassung beinhaltet ausschließlich wasserrechtliche Belange bei Betrieb und Wartung von Kläranlagen. War die MFPA in 2003 nur berechtigt praktische Prüfungen auf dem Testfeld in Anerkennung des DIBt durchzuführen, konnte man 2006 erfolgreich die Anerkennung als Prüfstelle für Kleinkläranlagen nach dem Bauproduktengesetz erlangen. Damit ist es seitdem möglich, auch Erstprüfungen nach EN 12566-3 durchzuführen. Diese beinhalten folgende Anforderungen: Bestimmung des Wirkungsgrades der Reinigungsleistung (Prüffeld) Angaben zur Bemessung Nachweis der Wasserdichtheit Nachweis der Standsicherheit (Statik oder Belastungsversuche) Nachweis der Dauerhaftigkeit (Materialeigenschaften)

Bestimmung der Reinigungsleistung Der Nachweis der Reinigungsleistung bedeutet innerhalb der Einzelprüfungen den größten Aufwand. Dazu werden die Prüfanlagen 38 Wochen mit einer entsprechend der Größe definierten Abwassermenge beaufschlagt. Innerhalb eines Tages verfolgt der Schmutzwasserzulauf eine Tagesganglinie. In vorgegebenen Zeitabständen und zu jeder Prüfphase sind die Anlagen 26mal im Zu- und Ablauf zu beproben und hinsichtlich der wichtigsten abwassertechnischen Parameter zu untersuchen (Kohlenstoff, Stickstoff). Dazu verfügt das Fachgebiet über ein entsprechend ausgestattetes Labor. Je nach Zielstellung und Ergebnis der Prüfung kann das DIBt der geprüften Baureihe eine Ablaufklasse zuordnen.


Fachgebiete: Chemie und Umwelt |

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Nachweis der Dauerhaftigkeit Für den Nachweis der Dauerhaftigkeit von Materialien, die für die Herstellung von Kleinkläranlagen verwendet werden, sind ausgewählte Materialkennwerte zu bestimmen. Der Nachweis der Dauerhaftigkeit von Beton wird lediglich über die Bestimmung der Druckfestigkeit an mehreren Probewürfeln geführt. Dazu reicht es aus, dass eine vorgegebene Mindestdruckfestigkeit der eingereichten Proben entsprechend der Klasse C 35/45 nach EN 206-1 nachgewiesen wird. Bei Kunststoffen werden durch die Norm wesentlich höhere Anforderungen gestellt, die teilweise langwierige und kostenintensive Prüfungen verlangen. Für Polyethylene bestehen die Prüfungen im Nachweis bestimmter Fließ- und Zugeigenschaften, die in Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren definierte Grenzwerte einhalten müssen. Für glasfaserverstärkte Kunststoffe sind dagegen langwierig verlaufende Kriech- bzw. Alterungsfaktoren zu bestimmen, die nur mit aufwändigen Methoden nachzuweisen sind. 04/05 Pit-Test – Versuch in der Prüfgrube

Nachweis der Wasserdichtheit Den Nachweis der Wasserdichtheit führt die MFPA aus logistischen Gründen meist im Herstellerwerk durch. Dazu sind im Vorfeld ausgewählte Behältergrößen aufzubauen. Während der Prüfung ist ein eventueller Wasserverlust festzustellen und mit einem vorgegebenen Sollwert zu vergleichen. Die Wasserdichtheit wird sowohl an monolithischen Anlagen aus Beton als auch an Anlagen in Ringbauweise geprüft. Bei der Prüfung an Kunststoff behältern ist kein Wasserverlust während der Prüfzeit von einer halben Stunde zulässig.

Nachweis der Standsicherheit Für den Nachweis der Standsicherheit bestehen seitens der Norm mehrere Möglichkeiten. Historisch üblich ist ein rechnerischer Nachweis von Verformungen unter Berücksichtigung bestimmter vorgegebener Belastungs- bzw. Einflusskennwerte. Es hat sich in der Vergangenheit aber gezeigt, dass in Abhängigkeit von der Fertigungstechnologie der befriedigende Nachweis der Standsicherheit beispielsweise bei Betonkörpern besonders im Übergangsbereich Bodenplatte/aufgesetzter Ring schwierig ist. Bei anderen Materialien, wie dünnwandigen Kunststoffen, gelingt ein Nachweis auf rechnerischem Wege meist überhaupt nicht. Deshalb ist die MFPA Weimar dazu übergegangen, alternativ mögliche Prüfungen wie Belastungstests auf dem Aufspannfeld der MFPA oder beim Hersteller vor Ort anzubieten. Für Kunststoff behälter bietet sich der sogenannte Pit-Test – Einbau in der Grube – an.

Nach positivem Durchlaufen aller beschriebenen Tests sind die Voraussetzungen dafür gegeben, dass der Hersteller beim DIBt die Ausstellung einer bauaufsichtlichen Zulassung beantragen kann. Außerdem ist der Hersteller in der Lage, mit den nunmehr verfügbaren Dokumenten die nach EN 12566 vorgeschriebene CE-Kennzeichnung seiner Produkte vorzunehmen. Was man dabei alles beachten muss oder falsch machen kann, würde einen extra Beitrag füllen. Zumindest hat der Hersteller an diesem Punkt die Mindestanforderungen der Gesetzgeber erfüllt, die damit sein Produkt als Dauerlösung für die Abwasserreinigung empfehlen. Neben dem Nachweis der prinzipiellen Leistungsfähigkeit einer Kleinkläranlage ist im praktischen Betrieb die regelmäßige qualifizierte Wartung der Kläranlagen die Grundvoraussetzung für gute Reinigungsleistungen. Vielfach wird von Behörden, so auch in Thüringen, die Forderung erhoben, dass diese Wartungen von zertifizierten Wartungsunternehmen durchzuführen sind. Die Zertifizierung läuft bundesweit über die Vereinigung DWA. Die DWA nutzt dabei die Fachkompetenz von berufenen Abwasserexperten. Das Fachgebiet Chemie und Umwelt stellt einen solchen Experten für die Zertifizierung von Wartungsunternehmen in Thüringen. Die MFPA hat in diesem gesamten Prozess mit der Begleitung seiner Kunden von der Beratung für Zulassungsbeantragung über die praktische Prüfung bis zur Erstprüfung insgesamt sicher einen wichtigen Beitrag geleistet.

kontakt Dipl.-Ing. Jörg Müller Mail: joerg.mueller@mfpa.de


Naturbadeteiche – Freibäder mit biologischer Wasseraufbereitung

N

aturbadeteiche sind im Erholungs- und Freizeitbereich beliebt und angenommen. Sie werden seit etwa 15 Jahren professionell gebaut. Die »Naturbäder« stellen künstlich geschaffene, an der Natur orientierte Ökosysteme dar. In ihnen sollen Bedingungen wie in natürlichen Gewässern entwickelt und optimiert werden. Die eingebrachten Belastungen müssen durch das ökologische System und unterstützende Maßnahmen aus dem Badewasser eliminiert werden, um den Ansprüchen der Hygiene und eines sicheren Langzeitbetriebes gerecht zu werden. Eine Chlorung des Badewassers gibt es nicht. Badegäste wie auch Tiere können ggf. Krankheitserreger in Naturbäder einbringen. Der Nährstoff Phosphor stellt ein entscheidendes Regulativ des Ökosystems dar und hat insbesondere Einfluss auf das Wachstum von (unerwünschten) Cyanobakterien und Algen. In Naturbadeteichen wird mit der Wasserbehandlung bzw. -regeneration in spezifischen Auf bereitungsbereichen gezielt auf die natürlichen Selbstreinigungskräfte gesetzt, um unerwünschte stoffliche wie auch hygienisch relevante Belastungen weitestgehend auszuschließen bzw. abzubauen. Die Auf bereitungssysteme, zumeist Bodenfilter oder aquatische Körper, haben sich mittlerweile in der Praxis über Jahre bewährt. Mit den Empfehlungen der Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung Landschaftsbau e.V. (FLL Bonn) aus dem Jahre 2003

konnten die kommunalen »Naturbäder« erstmals standardisiert und in 2011 in einer Richtlinie aktualisiert werden. Das Fachgebiet Chemie und Umwelt der MFPA Weimar hat von der ersten Stunde an der Erarbeitung der Empfehlungen bzw. Richtlinien für kommunale Bäder und im Privatbereich (2006) entscheidend mitgearbeitet. Schwerpunkte waren und sind mikrobiologischhygienische Aspekte sowie Fragen einer optimalen Auf bereitung des Badewassers.

Betrachtungen zur Hygiene Der Kölner Hygieniker Reiner Müller bietet in seinem Lehrbuch von 1942 folgende Kurzdefinition an: »Die Hygiene versucht Krankheiten zu verhüten sowie das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit aller zu erhalten bzw. zu steigern«. Vor mehr als hundert Jahren wurden erstmals laute Forderungen nach Reinlichkeit, Sauberkeit und Körperpflege erhoben. Hygiene steht inzwischen als Synonym dafür. In der Gleichsetzung von Hygiene mit Reinlichkeit liegt jedoch ein Missverständnis, das wenig mit rational begründeter Hygiene zu tun hat. Es ist vielmehr sozial motiviert und entspringt einer subjektiven Ästhetik.

Pathogene Keime und Infektionsrisiko Ende der 60er Jahre beriet die Weltgesundheitsorganisation der Vereinten Nationen (WHO) über Richtlinien zum Schutz der Bevölkerung gegen Verschmutzungen in Freizeitgewässern. In


Fachgebiete: Chemie und Umwelt |

Anlehnung an die empfohlenen Überwachungskriterien und tolerierbaren Höchstwerte verabschiedete der Rat der Europäischen Gemeinschaft schließlich am 08.12.1975 die Richtlinie über die Qualität der Badegewässer, die seit Anfang 2006 in ihrer novellierten Fassung vorliegt. Man ging davon aus, dass bei Einhaltung der Grenzwerte keine nennenswerten gesundheitlichen Risiken bestehen. In jenen Ländern, in denen ähnliche Werte gültig waren, gab es keine auffällig häufigen badebedingten Erkrankungen zu beobachten. Zu den Erkrankungen gehörten lediglich leichte, kurzzeitige, auch ohne Behandlung von selbst ausheilende Durchfälle. Schwere Erkrankungen traten nicht auf. Das in der Trinkwasserhygiene bereits zu Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte Konzept der mikrobiologischen Markerkeime wurde zur Abschätzung des Infektionsrisikos in Badegewässern übernommen. Unter dem Oberbegriff der Markerkeime werden heute Indikator- und Index- Mikroorganismen als mikrobielle Parameter stellvertretend für die enorme Zahl der hygienisch relevanten Keime, hauptsächlich Bakterien und Viren, unterschieden. Indikatorkeime haben im Rahmen der GMP (»good manufactoring practice«) die Funktion der Prozess- und Qualitätskontrolle. Sie müssen ziemlich regelmäßig vorhanden und nach Möglichkeit quantitativ erfassbar sein. Indexkeime werden anstelle von pathogenen Mikroorganismen nachgewiesen. Sie sind ggf. selbst pathogen. Für darmpathogene (endogene) Erreger stehen z. B. die Fäkalstreptokokken und E. coli. Für weitere, exogene Erreger wird auf Pseudomonas aeruginosa, Legionella pneumophila, Staphylococcus aureus oder Mycobacterium spec. untersucht. Weltweit hat sich Escherichia coli als Indexkeim zur Indizierung

enteropathogener Erreger durchgesetzt, obwohl heutzutage Korrelationen zu einem potentiellen Infektionsrisiko nicht (mehr) gegeben sind. Die Fäkalstreptokokken (= Enterokokken) werden als die »besseren« Indexbakterien angesehen. Sie sichern die mikrobiologischen Befunde ab. In der Tabelle sind die hygienischen Qualitätskriterien der EUBadegewässerrichtlinie im Vergleich mit den in der FLL- Richtlinie für Naturbäder genannten Höchstwerten für die relevanten Parameter aufgeführt. Etwa 80 % aller badebedingten Infektionen sind banale MagenDarm-Erkrankungen. Weiterhin werden selbstausheilende Nasen-, Rachen- und Atemwegserkrankungen, fieberhafte Infekte, Augen-, Ohren- und Hautentzündungen beobachtet (MÜLLER, 2001). Durch endogene Erreger wird das Risiko, d. h. die mittlere Häufigkeit des Auftretens einer Banalinfektion, unabhängig von der Wasserqualität durch das Baden als solches verdoppelt. Es war bei dem von der EG- Richtlinie über die Qualität der Badegewässer (1975) festgelegten E. coli-Grenzwert von 2.000 KBE / 100 ml um etwa den Faktor 7 – 8 gegenüber dem Normalrisiko erhöht (MÜLLER, 2001). Mit der in der novellierten Form der EUBadegewässerrichtlinie festgelegten Herabsetzung des E. coliWertes auf 500 KBE / 100 ml für gute bzw. sehr gute Qualität der EU-Gewässer verringert sich das Risiko auf den Faktor 1,5 – 2 gegenüber Normalrisiko und liegt somit in jenem Bereich, der durch das Baden an sich ohnehin gegeben ist.

[KBE]

Ausgezeichn. *

Gute *

Ausreichende **

Höchstwert ***

pro 100 ml

Qualität EU

Qualität EU

Qualität EU

FLL-RW

Escherichia coli

250 (500)

500 (1000)

500 (900)

100

Enterokokken

100 (200)

200 (400)

185 (330)

50

Pseud. aeruginosa

10

Legionellen

nicht nachweisbar ****

Mikrobiologisch- hygienische Einstufung der Küsten-/Übergangsgewässer (Binnengewässer) innerhalb der EU- Badegewässerrichtlinie (2006) im Vergleich zu den im FLL- Regelwerk (RW) genannten Höchstwerten*** für Schwimm- und Badeteiche; (KBE: Kolonie bildende Einheiten) auf Grundlage einer 95-Perzentil-* bzw. 90-Perzentil-** Bewertung **** bei technischer Erwärmung des Badewassers

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Pseudomonas aeruginosa – der Problemkeim Bei der Bewertung der hygienischen Wasserqualität von Naturbädern wird neben den »gängigen« Parametern E. coli und Enterokokken auch der Parameter Pseudomonas aeruginosa ermittelt (vgl. Tabelle). Die Erstgenannten weisen auf mögliche fäkalische Belastungen und Verschmutzungen des Badewassers hin, die ggf. mit dem Eintrag von typischen Krankheitserregern im Sinne des Bundesinfektionsschutzgesetzes einhergehen können. Völlig anders verhält es sich mit Pseudomonas aeruginosa. Um die Wirksamkeit einer Chlordesinfektion in technischen Beckenbädern nachzuweisen, wurde dieser Parameter »einst« für klassische Schwimmbäder eingeführt. Die Übernahme des Parameters zur Bewertung der naturnahen Schwimm- und Badeteiche sorgt seit Jahren für Diskussionen. In der aktuellen wie auch ehemaligen EU- Richtlinie für (natürliche) Badegewässer ist Pseudomonas aeruginosa nicht enthalten. Die Pseudomonaden sind als wahrhaft ubiquitäre Mikroorganismen von herausragender ökologischer Bedeutung. Sie spielen eine Schlüsselrolle im globalen Kohlenstoffkreislauf, sowohl bei der Mineralisation organischer Stoffe (abgestorbene tierische und pflanzliche Materialien) als auch beim Abbau sog. Xenobiotika (schwer abbaubare, relativ persistente, oft toxische Verbindungen). Innerhalb der Gattung Pseudomonas gibt es Formen, die als (wirtsspezifische) Pathogene bei Pflanzen und opportunistische Pathogene bei Tier und Mensch, wie Pseudomonas aeruginosa, auftreten. Einige Stämme tragen eine Antibiotikaresistenz, können diese an andere Bakterien übertragen, sind aber auch resistent gegenüber antibakteriellen Agenzien. Andererseits finden sich Pseudomonas-Stämme, insbesondere von P. putida und P. fluoreszens, die Pflanzen vor Befall durch pathogene Schadpilze schützen. Auch die Bildung von Pflanzenhormonen sowie ihr Beitrag zum Frostschutz der Pflanzen via Phyllosphärenbesiedlung konnten mehrfach belegt werden. Bereits in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wird die Spezies Pseudomonas aeruginosa im Zusammenhang mit der Entstehung des grünspanartigen Eiters bei Wunden erwähnt (»aeruginosa« = grünspanig). Der Keim kann bei Pflanze, Tier und Mensch als Pathogen auftreten und ist als solcher nachgewiesen worden. Die Liste der »Materialien«, von denen er isoliert werden konnte, ist endlos. Bei dem Bakterium Pseudomonas aeruginosa handelt es sich um einen »Kosmopoliten«, der in den unterschiedlichsten

Umweltmilieus auftritt und Bestandteil der normalen Haut- und Darmflora des Menschen ist. Der Keim zeigt eine niedrige Virulenz und wird zurecht als opportunistischer Pathogen bezeichnet. Infektionen treten nur bei immunvorgeschädigten bzw. – geschwächten Menschen, insbesondere bei Kleinstkindern und alten Menschen auf. Normalerweise stellt er keine Gefahr dar. Pathogene Stämme wurden bei Infektionen des Atmungstraktes, der Harnwege, Ohren, in Wunden und Blut identifiziert. Pseudomonas aeruginosa verursacht keine übertragbaren Krankheiten im Sinne des Bundesinfektionsschutzgesetzes. Sein Auftreten in naturnahen Schwimm- und Badeteichen, auch bei größeren Keimzahlen, ist damit kein Indiz für eine real existierende Gesundheitsgefährdung, sondern lediglich der Beweis, dass dieses Bakterium in seinem natürlichen Lebensraum vorkommt. Pseudomonas aeruginosa konnte aus bzw. in Gewässern, Böden, Filtermaterialien und Biofilmen, auf Oberflächen von Pflanzen regelmäßig, aber auch bei Tieren nachgewiesen werden. In tierischen Fäkalien und Abwässern, in Waschbecken und Ausgüssen wurde das Bakterium gefunden und kann sich dort vermehren. Zahlreiche internationale Arbeiten der zurückliegenden Jahrzehnte zeigen, dass P. aeruginosa in der Phyllo- und Rhizosphäre der Pflanzen stark präsent ist und hier wichtige Aufgaben in der Nährstoffversorgung bzw. –mobilisierung, aber auch im Schutz der »Wirtspflanze« realisiert. Da das Bakterium in natürlichen Substraten auftritt, Oberflächen jedweder Art besiedelt und mit Pflanzen vergesellschaftet ist, lässt sich seine Anwesenheit in naturnahen Bädern nicht »ausschalten«.

Viren und Cyanobakterien (»Blaualgen«) Das Wasser spielt als Übertragungsweg für Viren eine höchst untergeordnete Rolle. So verursachen Rotaviren z.B. eine Wintergastroenteritis und sind im Sommer praktisch nicht nachweisbar. Eine durch Rotaviren übertragene Badewasserinfektion konnte bisher in keinem einzigen Fall aufgezeigt werden. Da Viren niemals frei im Wasserkörper vorkommen, sondern an grössere Partikel im Wasser, Sedimente und Substrate bei Passage der Auf bereitungsbereiche adsorbieren, ist die Infektionsgefahr in technischen Beckenbädern bei mangelnder Chlorung sogar grösser einzuschätzen. In naturnahen Schwimm- und Badeteichen wird dem Nährstoff Phosphor besondere Beachtung geschenkt, da bereits bei sehr


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geringen Konzentrationen und trotz Stickstoff- Mangel hepatound neurotoxinausscheidende »Blaualgen«, sog. Cyanophyceen, auftreten und ggf. eine ernstzunehmende hygienische Bedeutung erlangen können. Das Massenauftreten von toxischen Cyanobakterien wird weltweit von Binnen- und Küstengewässern berichtet. Die zunehmende Eutrophierung dieser Gewässer als Folge der »industrialisierten« Bodenbewirtschaftung und intensiver Viehhaltung sowie kommunaler Abwassereinleitungen werden als Hauptursachen gesehen. Allergien und Vergiftungen bei Mensch und Tier können auftreten. In Deutschland wurden gesundheitliche Beeinträchtigungen am Menschen bislang nicht registriert. Das Fachgebiet Chemie und Umwelt der MFPA Weimar arbeitet seit Jahren als Dienstleister für Firmen, die mit spezifischen Filtermaterialien die Auf bereitung des Badewassers zu optimieren suchen. Forschungsprojekte widmen sich den Fragen der Prozessstabilität, Hygiene und Nährstoffreduzierung in derartigen Systemen. Damit das Baden in unseren Tagen und zukünftig nicht zu einem »Gesundheitsrisiko« entartet bzw. unnötige Ängste aufkommen, sollte in Betrachtungen und Diskussionen zu Hygienefragen deutlicher und verstärkt auf das Immunsystem des Menschen fokussiert werden. Lebenswandel und vor allem gesunde Ernährung spielen bei einer dauerhaften Prophylaxe eine weitaus größere Rolle als bisher angenommen.

01/02/03 Naturbad mit Schwimmbereich Pflanzenbewuchs überstauter Bodenfilter zur Regeneration kontakt Dr. E.-Peter Kulle Mail: peter.kulle@mfpa.de


Entwicklung eines Prüfstandes für kombinierte Innen- und Außendruckbelastung

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ür ein werkstoffmechanisches Dauerfestigkeitskonzept zur Berechnung z.B. einsatzgehärteter Bauteile fehlen experimentell abgesicherte Dauerfestigkeitskennwerte für die unterschiedlichen lokalen Werkstoffzustände. Die bekannten Ansätze für die Berechnung der Dauerfestigkeit in der Einsatzhärteschicht basieren auf Korrelationsbeziehungen zur lokalen Härte und führen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Basis für die Korrelationsbeziehungen bilden experimentelle Versuchsergebnisse an einsatzgehärteten Proben mit Eigenschafts- bzw. Lastspannungsgradienten. Aus diesen Ergebnissen kann weder explizit auf die mittleren intrinsischen Dauerfestigkeiten des Werkstoffes, noch auf Streuung und Mittelspannungsempfindlichkeit der lokalen Werkstoffzustände geschlossen werden. Daraus ergab sich die Notwendigkeit, einen Prüfstand und Proben zu entwickeln mit dem es gelingt, die lokalen Dauerfestigkeiten für beliebige Punkte der Gradientenschicht experimentell zu ermitteln. Im Rahmen des Forschungsvorhabens »Einsatzhärten und Dauerfestigkeit« ist eine erste Version für Innen- und Außendruckbelastung entwickelt worden, die im Rahmen des Forschungsvorhabens »Entwicklung von Komponenten für 25.000 bar Autofrettageanlagen« weiterentwickelt wurde.

01 Rohrprobe

Anforderungen an Werkstoffversuche Werkstoffversuche sind notwendig, um die für die Auslegung von Bauteilen notwendigen Werkstofffestigkeiten experimentell zu ermitteln. Das Ziel des hier vorgestellten Prüfkonzeptes ist es, Dauerfestigkeiten und Streuungen sowie die Mittelspannungsempfindlichkeit für unterschiedliche Werkstoffzustände experimentell bestimmen zu können. Darüber hinaus bietet dieses Prüfkonzept die Möglichkeit, durch Wahl des Probendesigns die Werkstoffeigenschaften sowohl längs als auch quer zur Hauptumformrichtung des Vormaterials zu ermitteln. Dies ist besonders interessant vor dem Hintergrund, dass der überwiegende Teil der heute eingesetzten Stähle anisotrope Eigenschaften aufweist.

Entwicklung des Prüfstandes Um den Einfluss der jeweils in der Gradientenschicht lokal vorliegenden Härte auf die lokale Dauerfestigkeit einsatzgehärteter Schichten explizit zu untersuchen, müssen Proben mit homogenen Kohlenstoffgehalten untersucht werden. Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten wurden dazu Werkstoffproben als Rohrproben konstruiert sowie ein geeignetes Prüfkonzept entwickelt, das auch die Variation des Spannungsverhältnisses gestattet.

Die Werkstoffprobe wurde als dünnwandige Rohrprobe konzipiert, die durch Innenschwelldruck beansprucht wird. Durch entsprechende Einstellung des überlagerten statischen Außendruckes kann das im Prüfquerschnitt vorliegende Spannungsverhältnis frei eingestellt werden. Infolge der Beanspruchung und der Probennahme (Probenachse liegt parallel zur Hauptumformrichtung des Ausgangsmaterials) liegt bei diesen Rohrproben die größte Hauptspannung quer zur Hauptumformrichtung des Vormaterials (Stabstahl). Eine wesentliche Vorgabe für das Design der Rohrprobe war, dass die Wanddicke im Prüf bereich mit dem Verfahren Niederdruck-Aufkohlen durchgekohlt werden kann, um einen homogenen Kohlenstoffgehalt im Prüf bereich zu erzeugen. Dadurch ist es möglich, durch definierte Kohlenstoffgehalte gezielt homogene Härten im Prüfquerschnitt der Rohrprobe einzustellen. Bei den hier durchgeführten Untersuchungen wurde die Wanddicke im Prüf bereich der Rohrproben auf 1,2 mm festgelegt, s. Bild 1. Mit FE-Berechnungen wurde die Rohrprobe hinsichtlich Spannungsverteilung und Durchkohlung optimiert, s. Bild 2.


Fachgebiet: Werkstoffe und Bauteile |

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03 Adaption Rohrprobe für Innendruck

02 Kerbfaktorverlauf an Rohrprobe

04 Adaption Rohrprobe für Innen- und Außendruck

Die Verwendung der in Bild 1 dargestellten Rohrprobe als Werkstoffprobe für die Ermittlung von Schwingfestigkeitswerten bietet folgende Vorteile: Die Wanddicke im Prüfquerschnitt kann gleichmäßig auf den gewünschten C-Gehalt aufgekohlt werden. Die Wanddicke härtet durch und weist nach dem Anlassen homogene Härte bzw. statische Festigkeit auf. Durch Verwendung von Material aus derselben Stahlcharge für unterschiedliche Festigkeiten wird ein Stahlchargeneinfluss vermieden. Es ergeben sich nahezu konstante Beanspruchungen über die Wanddicke. Durch Wahl von Innen- und Außendruck kann das Spannungsverhältnis R frei eingestellt werden. Es gibt kein Problem mit dem Ausrichten der Probe in der Prüfmaschine und den damit verbundenen Sekundärspannungen. Es können mehrere Proben gleichzeitig getestet werden.

Für die Durchführung der Versuche wurde im Fachgebiet Werkstoffe und Bauteile der MFPA Weimar ein spezieller Prüfstand entwickelt. Für die Auf bringung des Innendruckes wurde zunächst auf einen bereits vorhandenen Prüfstand zurückgegriffen. Durch einen Druckübersetzer mit Servoventil können hier Drücke bis max. 4.500 bar dauerfest erzeugt werden. Als Prüfmedium wird ein Hydrauliköl eingesetzt. Für die Versuche wurden die Prüflinge mit entsprechenden Adaptern (Anschlussnippel, s. Bilder 3 bis 5) an den Mehrfachprüfkopf angeschlossen. Zur Erzeugung des Außendruckes wurde ein zweiter Druckübersetzer an den Prüfstand adaptiert. Zur Einleitung des Außendrucks wurde ein geeignetes Außendruckcontainment (Bild 4) um die Proben geschaffen. Bild 5 zeigt den schematischen Prüfauf bau mit zwei Prüflingen für die Prüfung mit zyklischem Innendruck und statischem Außendruck. Im Bild 6 ist der Prüfraum mit zwei eingebauten Prüflingen im Außendruckcontainment dargestellt.


Erzielte Ergebnisse

05 Schematischer Versuchsaufbau für Versuche mit kombiniertem Innen- und Außendruck

06 Ansicht des Prüfraums der Hochdruckprüfmaschine mit montierten Prüfteilen

Im Rahmen des Forschungsprojektes »Einsatzhärten und Dauerfestigkeit« wurde ein werkstoffmechanisch schlüssiges Modell zur Vorhersage der Dauerfestigkeit einsatzgehärteter Bauteile aus dem Stahl 20MnCrB5 entwickelt. Dabei wurden die Dauerfestigkeitskennwerte einsatzgehärteter Werkstoffzustände mit den konstanten Kohlenstoffgehalten von 0,18 % (für den nicht einsatzgehärteten Grundwerkstoff) und 0,40 %, 0,55 % und 0,70 % (exemplarisch für Werkstoffzustände in der einsatzgehärteten Schicht) anhand dünnwandiger Rohrproben bestimmt, s. Bild 7. Für alle Werkstoffzustände ergaben sich annähernd gleiche Wechselfestigkeiten von σzdw ≈ 490MPa und gleiche Mittelspannungsabhängigkeiten mit Mittelspannungsempfindlichkeiten von M≈0,75. Für den hier untersuchten Einsatzstahl 20MnCrB5 sind also die Schwingfestigkeitseigenschaften in der gesamten Einsatzhärteschicht bis in das Grundmaterial hinein gleich. Wegen der homogenen Festigkeitsverteilung konnte für die Vorhersage der Dauerfestigkeit ein vereinfachtes probabilistisches Konzept angewendet werden. Die Vorhersagegenauigkeit für bauteilähnliche gekerbte Proben war in den hier untersuchten Fällen hervorragend (± 8 %). Im Anschluss an die Ermüdungsversuche wurde der überwiegende Teil der gebrochenen Rohrproben fraktografisch untersucht, um die Lage des Bruchausganges und die Größe der bruchauslösenden Defekte zu ermitteln, s. beispielhaft Bild 8. Das Forschungsvorhaben »Einsatzhärten und Dauerfestigkeit« wurde als IGF-Vorhaben 15170 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Im Rahmen des Forschungsprojektes »25 kbar« werden derzeit Zeit- und Dauerfestigkeitsuntersuchungen an höchstfesten Werkstoffen durchgeführt, die als Konstruktionswerkstoffe für 25 kbar Komponenten eingesetzt werden können.

07 Werkstoffdauerfestigkeit – dünnwandige Rohrprobe unter zyklischem Innen- und statischem Außendruck

Das Forschgungsprojekt 2009 FE 9153 mit dem Thema »Entwicklung von Komponenten für 25.000 bar Autofrettageanlagen« wird vom Freistaat Thüringen gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionlae Entwicklung (EFRE) kofinanziert.


Fachgebiet: Werkstoffe und Bauteile |

08 Übersichts- und Detailaufnahmen des Bruchausgangs an einer Rohrprobe mit 0,55 % C (a) Makroansicht, Stereomikroskop (b) Übersicht, Lichtmikroskop (c) Schlackezeile am Bruchausgang, REM-SE (d) Schlackezeile am Bruchausgang, REM-BSE

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Schlussfolgerungen und Ausblick Im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben wurde ein Prüfkonzept zur experimentellen Ermittlung der Dauerfestigkeit von dünnwandigen Rohrproben erfolgreich entwickelt. Durch die Beanspruchung der Rohrproben mit zyklischem Innendruck und statischem Außendruck kann das Spannungsverhältnis frei eingestellt werden. Das Prüfkonzept ermöglicht erstmals, die Werkstoffdauerfestigkeiten,  Mittelspannungsempfindlichkeit und Streuungen quer zur Stabstahlrichtung zu ermitteln. Die Rohrprobe ist in der hier vorgestellten Variante so optimiert, dass in Zukunft auch Axialbeanspruchung aufgebracht werden kann und somit die Festigkeitseigenschaften quer und längs zur Stabstahlrichtung ermittelt werden können.

kontakt Dipl.-Ing. Andreas Kleemann Mail: andreas.kleemann@mfpa.de


Material- und Schichtanalytik als Werkzeug in der Entwicklung neuer Funktionswerkstoffe

01/02 Glimmentladungsspektrometer GDA 750 Glimmentladungslampe nach Grimm

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ie modernen festkörperanalytischen Messmethoden haben längst die Grundlagenlabore der Physiker verlassen und werden von Werkstoffwissenschaftlern und Chemikern als Handwerkszeug für die Entwicklung neuer Werkstoffe eingesetzt. Die Verfahren beruhen auf der Wechselwirkung zwischen dem zu untersuchenden Material bzw. der Schicht und Teilchen oder Photonen. Das Prüfzentrum Schicht- und Materialeigenschaften der MFPA Weimar an der TU Ilmenau nutzt eine Vielzahl dieser modernen Methoden in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstofftechnik und dem Zentrum für Mikround Nanotechnologien der TU Ilmenau. Bei den eingesetzten Verfahren handelt es sich vor allem um Wechselwirkungsprozesse mit Elektronen, Argon-Ionen und Röntgenstrahlen. Im Folgenden werden die wichtigsten Verfahren aufgezählt und deren Einsatz an einigen Anwendungsbeispielen dargestellt. Die Wechselwirkung Material bzw. Schicht mit den Elektronen wird im Rasterelektronenmikroskop genutzt. Die entstehenden Sekundärelektronen werden zur Abbildung der Topographie der Oberfläche verwendet, indem der einfallende Elektronenstrahl über die Probenoberfläche gerastert wird. Neben den Sekundärelektronen entsteht auch die sogenannte charakteristische Röntgenstrahlung, welche Aussagen zur chemischen Zusammensetzung des Materials bzw. der Schicht ermöglicht. Bei diesem chemischen Analyseverfahren spricht man von der Elektronenstrahlmikroanalyse (EDX), da der analysierte Bereich sehr klein ist. Der Durchmesser des Elektronenstrahls beträgt ca. 30 nm

und die Information über die chemische Zusammensetzung stammt dabei in Abhängigkeit von den Anregungsbedingungen aus einem Volumen von maximal 1 µm³. Zur Charakterisierung der Oberflächentopographie stehen dem Prüfzentrum an der TU Ilmenau weiterhin Rastersondenmikroskope (AFM, STM usw.) zur Verfügung. Die charakteristische Röntgenstrahlung kann auch durch Röntgenstrahlen angeregt werden. In diesem Fall spricht man von der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA). Auch dieses Verfahren gestattet die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung, erfordert jedoch deutlich größere Analysenflächen. Neben der Anregung charakteristischer Röntgenstrahlung wird ein weiterer Wechselwirkungsprozess von kristallinen Werkstoffen mit Röntgenstrahlen angewendet, die Röntgenbeugung (Röntgendiffraktometrie, XRD). Wichtigstes Aufgabengebiet der Röntgendiffraktometrie ist die qualitative und quantitative Phasenanalyse von unbekannten Stoffgemischen. Weitere Anwendungsgebiete sind die Präzisionsgitterkonstantenbestimmung, die Texturanalyse und die Messung von Eigenspannungen. Die Wechselwirkung des Materials mit Argon-Ionen in einem Glimmentladungsplasma führt zu einem Materialabtrag (Sputterprozess). Das abgetragene Material wird durch Zusammenstoß mit Ar-Ionen in einen angeregten Zustand überführt. Beim Rückfall in den Grundzustand werden für das Material charakte-


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ristische Lichtquanten ausgesendet. Durch spektrale Zerlegung des Lichtes kann eine Intensitätsmessung der einzelnen Linien erfolgen und damit die Zusammensetzung des Materials über die Tiefe bestimmt werden (Tiefenprofilanalyse).

Anwendungsbeispiele Absorbermaterialien für EMV-Anwendungen Der Schutz vor hochfrequenten Feldern spielt sowohl aus gesundheitlichen Aspekten als auch aus den technischen Aspekten der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) durch die Zunahme der Telekommunikation und IT-Branche eine immer größere Rolle. Die Ferrite bilden eine der wichtigsten HF-Materialgruppen als Absorber hochfrequenter elektromagnetischer Felder über einen breiten Frequenzbereich. Bisher kommen primär weichmagnetische Ferrite in Form gesinterter Ferritkacheln zum Einsatz. Der Nachteil dieser Keramikkacheln liegt in ihrem hohen Gewicht. In mehreren gemeinsamen Forschungsvorhaben mit dem Fachgebiet Werkstoffe der TU Ilmenau, der IMG gGmbH Nordhausen, dem HITK Hermsdorf und Industriepartnern wurden daher Lösungen nach leichteren Materialien gesucht, welche z. B. in Gehäusen oder als Gehäuse für die Elektronik eingesetzt werden können. Der erste Lösungsansatz lag in der Optimierung eines Ferrit-Polymer-Compositwerkstoffes. Ein zweiter Lösungsansatz wurde in der Entwicklung einer dünnen ferritischen Schicht mit einer ausreichenden Schirmdämpfung im Frequenzbereich von 30 MHz bis 1.000 MHz verfolgt. Auf den zweiten Lösungsansatz soll ausführlicher eingegangen werden. Für diesen Frequenzbereich kommen Ni-Zn-Ferrite und Mn-ZnFerrite in Betracht, die Wahl fiel auf die Ni-Zn-Ferrite. Die Abscheidung der dünnen Ni-Zn-Ferritschichten erfolgte mit Hilfe der DC-Magnetron-Sputtertechnologie an der TU Ilmenau. Die Dicke der abgeschiedenen Schichten betrug ca. 200 nm bis 500 nm. Zur Aufklärung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen wurden die Schichten einer umfassenden festkörperanalytischen Charakterisierung unterzogen. Einen besonderen Schwerpunkt bildete die Röntendiffraktometrie zur strukturellen Charakterisierung der Schichten (Ausbildung welcher Phasen und in welcher strukturellen Qualität) und zur Texturanalyse (Ausbildung von kristallographischen Vorzugsorientierungen). Die Oberflächentopographie und die Korngröße wurden mit dem Atomkraftmikroskop (AFM) untersucht. Ergänzt wurde die Charakterisierung der Schichten durch Messung der magnetischen Eigenschaften. Die Bestimmung des Absorptionsverhaltens im HF-Feld erfolgte durch die EMV-Arbeitsgruppe in der IMG

03 Beugungsdiagramm NiZn-Ferritschicht

gGmbH Nordhausen. Die Untersuchungen der für die praktische Anwendung wichtigen EMV-Eigenschaften (Absorptionsverhalten im HF-Feld, Schirmdämpfung bzw. Reflexionsdämpfung) zeigten den Zusammenhang der Gefügeeigenschaften Korngröße und Textur auf das Absorptionsverhalten im HF-Feld. Bei diesen sehr dünnen Schichten spielt natürlich auch die Ausbildung der Kristallstruktur des Spinells, welche für die weichmagnetischen Ferrite typisch ist, eine sehr große Rolle. Für PVDSchichten ist es typisch, dass diese ohne eine Wärmebehandlung amorph bzw. teilkristallin sind. Die röntgendiffraktometrischen Untersuchungen zeigten, dass die Schichten bereits ohne eine Wärmebehandlung eine sehr gute kristalline Struktur aufweisen, über eine Wärmebehandlung jedoch die Korngröße und die Kristallperfektion beeinflusst werden kann. Zu einem qualitativen Sprung kommt es bei einer Tempertemperatur von 500° C. Ab dieser Temperatur zeigen die polykristallinen Schichten eine extrem hohe Kristallperfektion, was sich in einer sehr geringen Halbwertsbreite der Beugungsreflexe zeigt. Die Schichten sind texturiert. Spätere Arbeiten zeigten eine weitere Verbesserung des Absorptionsverhaltens durch einen Multilayerauf bau.

Korrosionsschutzschichten Durch Korrosion entsteht in Deutschland jährlich ein extrem hoher volkswirtschaftlicher Schaden. Diese hohen Schäden können nur durch Neu- und Weiterentwicklungen sowie konsequente und beanspruchungsgerechte Anwendung von Korrosionsschutzmaßnahmen verringert werden. Dabei spielt die


04/05/06 Sputteranlage LA 440 (TU Ilmenau) Polfigur NiZn-Ferritschicht Topographie NiZn-Ferritschicht

moderne Oberflächentechnik in Wirtschaftszweigen wie der Automobilindustrie, der Bauwirtschaft sowie der chemischen Großindustrie eine entscheidende Rolle. Der Druck durch die weltweit immer strenger werdenden Umweltverordnungen sowie die Qualitätsanforderungen führte in den letzten Jahren bei vielen Oberflächen-Schutzsystem zu Umstellungen. So wurde im Rahmen der EU-Altautoverordnung der Einsatz von hexavalentem Chrom verboten. Seit ihrem Inkrafttreten im Juli 2007 ist der Einsatz der durch sehr gute Korrosionsschutzeigenschaften gekennzeichneten Cr(VI)-haltigen Gelb-, Schwarz- sowie Olivchromatierungen für Zink- und Zinklegierungsschichten stark eingeschränkt. Auf Grund des Cr(VI)-Verbotes werden heute neben Blaupassivierungen vor allem Dickschichtpassivierungen eingesetzt, die aufgrund der schlechten Korrosionsschutzeigenschaften vielfach durch organische bzw. silikatische Versiegelungen ergänzt werden. Dieses Systeme sind aufgrund ihrer geringen Härte anfällig für mechanische Verletzungen, da die Korrosionsschutzwirkung vor allem durch die 200 bis 500 nm dicke Passivierungsschicht sichergestellt wird, deren Selbstheilungseffekt wie bei den Cr(VI)-haltigen Chromatierungen fehlt. Besonders anfällig ist dabei Trommelware (z. B. Schrauben, Nieten, Muttern). Es besteht daher die Aufgabe, die Verschleiß- und Kratzbeständigkeit des Schichtsystems Dickschichtpassivierung / Zinkschicht durch die Einlagerung von Hartstoffpartikeln signifikant zu erhöhen. Bisher kommerziell verfügbare Systeme auf der Basis von SiO2-Nanopartikeln erfüllen die Anforderun-

gen nur unzureichend, da diese Partikel nur oberflächennah eingebaut werden. Es besteht daher das Ziel, geeignete Partikel (Al2O3, TiO2, AlN usw.) mit hohen Einbauraten konstant über die gesamte Schichtdicke einzubringen. Dazu werden mehrere Lösungsansätze verfolgt. Zum Erreichen der ambitionierten Ziele ist die entwicklungsbegleitende Schichtanalytik aus mehreren Gründen von entscheidender Bedeutung:

Die Schichtanalytik gestattet eine unmittelbare Rückkopplung der Partikeleinbaurate zu den Abscheidungsbedingungen sowie Elektrolytmodifikationen. Auf der Grundlage einer umfassenden Schichtanalytik ist eine Aufklärung der Partikeleinbaumechanismen in die Passivierungsschicht möglich. Die Schichtcharakterisierung entscheidet über die technische Einsetzbarkeit der entwickelten Schichten.

Speziell die Analyse mittels der optischen Glimmentladungsspektroskopie hat eine große Bedeutung, da innerhalb kürzester Zeit die genaue Analyse des Schichtsystems hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Schichtdicke sowie Partikeleinbau möglich ist. Die Bilder zeigen im Vergleich die Tiefenprofile einer kommerziellen Passivierung und einer ersten eigenen Entwicklung. Die kommerzielle Passivierung zeigt eine erhöhte SiKonzentration an der Oberfläche durch die Anreicherung der SiO2-Partikel an der Oberfläche der Passivierungsschicht. Die


Fachgebiet: Werkstoffe und Bauteile |

07 GD-OES-Tiefenprofil Konversionsschicht

Al2O3-Partikel konnten dagegen durch den Zusatz geeigneter Dispergierhilfsmittel in der gesamten Konversionsschicht eingebaut werden. Ziel der weiteren Arbeiten ist die Erhöhung der Einbaurate.

Verschleißschutzschichten Für den Verschleißschutz werden heute eine Vielzahl von Hartstoff beschichtungen eingesetzt, welche mit PVD- oder CVDVerfahren herstellt werden. Zu den typischen Hartstoffschichten gehören TiN, TiCN, TiAlN oder CrN. Aktuelle Forschungsschwerpunkte einer Vielzahl von Forschungseinrichtungen liegen in der Entwicklung von Produkten (z. B. Schneidwerkzeuge, Umformwerkzeuge usw.) mit verbesserten Oberflächeneigenschaften durch Einsatz von Mehrlagensystemen oder Veränderung des Eigenspannungszustandes der Schichten. Ziel sind deutlich verlängerte Werkzeugstandzeiten durch verbesserte thermische und chemische Stabilität als auch verbesserte Haftfestigkeit. Grundlegende Arbeiten werden auf diesem Gebiet durch die Arbeitsgruppe Beschichtung der GFE Schmalkalden e. V geleistet. Die Entwicklung dieser Beschichtungen erfordert wiederum eine umfassende festkörperanalytische Charakterisierung, wobei wiederum insbesondere die Glimmentladungsspektroskopie und die Röntgendiffraktometrie (Phasenanalyse und Eigenspannungsmessungen) zum Einsatz kommen.

kontakt Dr. rer. nat. Gerd Teichert Mail: gerd.teichert@tu-ilmenau.de

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Entwicklung eines Prüfstandes mit vier synchronen Zylindern für großflächige Lasteinleitung

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ie MFPA Weimar verfügt über ein Aufspannfeld für mechanische Versuche an Bauteilen und Komponenten, die mit Standardprüfmaschinen nicht abgedeckt werden können. Für die Vielfalt an wechselnden Anforderungen aus den Prüfaufgaben wurde das Aufspannfeld mit einem eng gerasterten Träger- und Rahmensystem ausgestattet. Der Arbeitsraum über dem Aufspannfeld kann so geometrisch optimal genutzt werden. Ergänzt wird das Trägersystem mit hydraulischen Prüfzylindern unterschiedlicher Größe, welche kraft- und wegkontrolliert gefahren werden können. Die Programmierung der Regelung erfolgt in LabView ® und kann somit an wechselnde Prüfaufgaben angepasst werden. In den vergangenen Jahren wurden seitens der kunststoffverarbeitenden Industrie für Tief bauprodukte große Anstrengungen unternommen hochwertige, langlebige und hochtragfähige Produkte zur Speicherung und Versickerung von Oberflächenwässern zu entwickeln bzw. zu optimieren. Dafür wurden Versuchsanforderungen für Bruch-, Kriechbruch- und Zeitstandversuche erarbeitet, die die MFPA zur Entwicklung eines Prüfstandes für großflächige Lasteinleitung veranlassten.

Anforderungen an Versuche An den zu entwickelnden Prüfstand für Bruch- und Kriechbruchversuche wurden durch unsere Kunden folgende Anforderungen gestellt: einachsige Belastungsrichtung biegesteife Lastplatten Seitensteifigkeit der beweglichen Lastplatte parallel geführte Lastplatten Lastfläche quadratisch Prüflast bis 400 kN Verformung der Lastplatten < 1 mm selbst bei ungünstiger lokaler Belastung Kraft- oder Wegregelung der Versuche Aufzeichnung der Weg- und Kraftkenngrößen flexible Prüfraumhöhe Durch die MFPA wurden die Anforderungen ergänzt, um den Prüfstand noch variabler gestalten zu können: Verwendung des vorhandenen Trägersystems mit 10 cm Rasterung zur Vergrößerung des Prüfraumes in alle Richtungen 250 mm Verfahrweg der hydraulischen Zylinder passend zum Größenraster der Träger und zu den großen Verformungen von Kunststoff bauteilen Die hydraulischen Prüfzylinder werden über die zentrale Hausversorgung mit bis zu 300 bar Antriebsdruck versorgt.


Fachgebiet: Werkstoffe und Bauteile |

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Entwicklung Prüfstandskonzept In der Entwicklungsphase wurden sehr früh ein zentraler Hydraulikzylinder und eine mechanische Seitenführung der Lastplatte aus Gründen einer reibungsfreien Bewegung ausgeschlossen. Um eine optimale Verdreh- und Seitensteifigkeit der beweglichen Lastplatte zu erreichen, wurde entschieden, vier parallel arbeitende Zylinder mit ausreichender Querkraftstabilität zu verwenden. Diese Entscheidung hat die Anforderungen an die Regelung beträchtlich erhöht. Es war notwendig, eine synchronisierte 4-Kanal-Regelung aufzubauen. Ein Vorteil dieser Entscheidung ist die vollständige Flexibilität bei der Verwendung der Hydraulikzylinder für mehrachsige Prüfaufgaben mit beliebiger Kraftrichtung auf dem Aufspannfeld. Mit Blick auf diese erweiterte Verwendungsmöglichkeit waren die Antriebe als Differentialzylinder auf Druck- und Zugkraft auszulegen. Die Parallelität beim Verfahren der Prüfzylinder im Synchronbetrieb ist über eine Master- und Slavedefinition der vier SSI-Wegaufnehmer zu erreichen. Parallel wird die Summenkraft aller Kraftmessdosen als Gesamtkraft ausgewertet. Abschaltgrenzen gegenüber der Gesamtkraft aber auch den Einzelkraftsignalen verhindern Überlastungen einzelner Prüfstandskomponenten.

Realisierung Prüfstand Die Prüfzylinder sind mit den Spezifikationen bzgl. Arbeitsdruck, Arbeitshub, integriertem Wegmesssystem und Anschlussflanschen speziell angefertigt. Zur Kraftmessung kommen vier kompakte ± 100 kN Kraftmessdosen zum Einsatz. Die Ansteuerung der Druckkammern der Hydraulikzylinder wird mit reaktionsschnellen Proportionalventilen realisiert. Der hydraulische Anschluss der Zylinder erfolgt mit flexiblen Hydraulikschläuchen und Schnellkupplungen, um jeden möglichen Anbaupunkt über dem Aufspannfeld zu erreichen. Die Lastplatte ist bezüglich Gewicht und geforderter Steifigkeit optimiert und als 1 m 2 große Aluminiumplatte gefräst. Die Platte wird über Bolzen und Gelenkösen an die Prüfzylinder angeschlossen. Der gelenkige Anschluss ermöglicht eine Neigung der Platte vor Prüf beginn entsprechend der Prüfkörperoberfläche mit beliebigem Winkel. Der Prüfstandsrahmen wurde symmetrisch aus vier Säulen und einem in der Höhe versetzbaren Trägerrost, zur Aufnahme der Zylinder, mit Schraubverbindungen gebaut. Die untere Lastplatte ist das Aufspannfeld, in dessen Nuten die Säulen verankert sind.

Die Regelung basiert auf einer Eigenentwicklung des Fachgebietes Werkstoffe und Bauteile. Sie ist in der Programmierumgebung LabVIEW® umgesetzt.

Schlussfolgerungen Der Prüfstand hat sich bereits bei Prüfaufgaben bewährt. Die Kombination aus biegesteifen und parallelen Lastplatten mit großer Dimension vereinfacht den Prüf betrieb bei unterschiedlichen Aufträgen und erweitert das Prüfportfolio der mechanischen Prüfungen der MFPA. In den vergangenen Jahren gab es sehr breit gefächerte Versuchsanforderungen für das Aufspannfeld mit geringem Wiederholfaktor und viel individuellem Anpassungsaufwand. Der neu entwickelte Vier-Zylinder-Prüfstand kann durch sein modulares Konzept einen großen Bereich an Prüfaufgaben abdecken und erweitert das Prüffeld mit vier synchronisierten flexibel positionierbaren Prüfzylindern.

kontakt Dr.-Ing. Stefan Linne Mail: stefan.linne@mfpa.de


Mechanisch-klimatische Umweltsimulation

01  Prüflabor mit Schwingprüfanlagen und der Belegschaft

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ei der Lebensdauerprüfung von technischen Produkten werden diese vor ihrer Anwendung mittels Belastungstests auf Praxistauglichkeit geprüft. Das betrifft vor allem Baugruppen und Bauteile, die in sicherheitsrelevanten Produkten zum Einsatz kommen, wie Raumfahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe sowie Busse und Bahnen, aber auch Chemieanlagen, Kernkraftwerke usw. Sie müssen, um Schäden weitestgehend zu verhindern, bauartgeprüft sein, was noch weitere Prüfungen umfasst. Aber auch Produkte für andere Einsätze (z. B. Kraftfahrzeuge), für die keine Bauartprüfung vorgeschrieben ist, werden zur Sicherung der Produktqualität im Auftrag geprüft. Zur Bauartprüfung gehören produktspezifische Belastungstests wie Kälte, Wärme, Feuchte, Druck, Vibration, Sonnensimulation, Schadgas, Salznebel usw. In der komplexen Lebensdauerprüfung werden, um den Praxisbedingungen recht nahe zu kommen, die wichtigsten Belastungen parallel und gleichzeitig in den Prüfling eingetragen. Damit erhöht sich der Stress und die Lebensdauerbedingungen werden im Zeitraffer simuliert.

In der MFPA werden eine Vielzahl von Umweltsimulationen durchgeführt. In der Arbeitsgruppe Schwingprüfung, werden mechanisch / klimatische Belastungstests durchgeführt. Zu ihnen gehört in erster Linie die Vibration mit Klimaüberlagerung (Kälte, Wärme, Feuchte). Produktspezifisch können noch andere Prüfungen wie zum Beispiel atmosphärische Prüfungen bei Transportsimulation (Luftfahrt), Druckimpuls- und Salznebelprüfungen (Kfz-Bereich), Sonnensimulation oder elektrische Funktionsprüfungen (Bahn) hinzu kommen. Schwerpunkt der zu prüfenden Produkte sind entwicklunsbegleitend die Prüfung von Zugfunktechnik für die Bahn und die Prüfung von Kraftstoffleitungen für die Automobilindustrie.


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Transportprüfung Bei Transportprüfung wird geprüft, ob das Produkt oder Bauteil in seiner Versandverpackung die Belastungen des Transports unbeschadet übersteht. Dabei geht es vorrangig um mechanische Belastungen wie Vibration, Schock und freier Fall. Die MFPA kann mit Prüfständen, bestehend aus elektrodynamischen Schwingerregern, Transportbelastungen in verschiedenen Anregungsformen (Sinus, Rauschen, Schock) mit Krafteintragsrichtungen in allen drei Raumachsen simulieren. Die Grundlage für die Prüfungen bildet vor allem die Norm DIN EN 60721-3-2 (Transportsimulation). In ihr sind die in umfangreichen Feldversuchen ermittelten Belastungsparameter in drei Gruppen zusammengefasst: Klasse 2M1 2M2 2M3

Die jeweilige Klasse deckt ab: Be- und Entladen mit mechanischen Hilfsmitteln, sowie Flugzeug, Kleintransporter und luftgefederte LKW. wie 2M1 und darüber hinaus noch alle LKWs, aber auf guten Straßen, sowie Schiffs- und Schienentransport (stoßgedämpft). wie 2M2 und darüber hinaus noch alle Transportarten auf allen Wegverhältnissen.

Transportprüfungen zeigen den Entwicklern von Verpackung und Versandstück an, wo im Design Schwachstellen vorhanden sind, die beseitigt werden müssen. Diese Arbeitsrichtung der Umweltsimulationsprüfungen ist noch nicht alt. Maschinen und Anlagen für die Transportprüfung befinden sich noch in der Weiterentwicklung. Um die Aggregate besser koppeln zu können, hat sich eine Arbeitgruppe bei der Gesellschaft für Umweltsimulation (GUS) gebildet, die eine DIN-Norm zur Vernetzung erarbeitet. In dieser Arbeitsgruppe (»AG-Schnittstellen«) ist die MFPA mit der Koordination des Teilbereichs »Systemabläufe« vertreten.

02/03 Transportsimulation / Rauschprüfung mit Shakeranlage Diagramme zur Transportsimulation / Rauschprüfung

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Prüfung von Kraftstoffleitungen

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uf dem Gebiet der Umweltsimulation ist neben den genormten Prüfungen die Entwicklung neuer Verfahren und Vorrichtungen eine zentrale Aufgabe der MFPA. Vor zirka 17 Jahren begann in der Automobilindustrie bei Kraftstoffleitungen ein Wechsel von Metall auf Kunststoff. Die Vorteile, wie geringes Gewicht, schnelle Herstellung, geringe Kosten, lagen auf der Hand. Parallel zu diesem Werkstoffwechsel wurden in der MFPA die Entwicklung, der Bau und der Betrieb eines Prüfstandes zur Durchführung von Lebensdauerprüfungen betrieben. Mit dem Prüfstand konnten im Entwicklungsprozess der Leitungen Schwachstellen erkannt und abgestellt werden. Dieser beträchtliche Entwicklungsaufwand von Leitungsherstellern hat sich gelohnt, denn die neuen Leitungen fanden bei allen großen Automobilherstellern Eingang. Heute kommen Prüflinge von Produktionsstätten, die über die ganze Welt verteilt sind, wie Belgien, Polen, England, Mexiko, Südafrika, Japan, Thailand usw. zur MFPA, um den Lebensdauernachweis zu erbringen. Der ursprünglich entwickelte Prüfstand erfährt eine ständige Weiterentwicklung, so dass mittlerweile sowohl nationale Normen als auch die Spezifikationen fast aller großen Autobauer abgefahren werden können.

04 Kraftstoffschläuche beim Test

Das Engagement für die Prüfstandsentwicklung für Kraftstoffleitungen wurde von der Fachwelt anerkannt und führte zu einer Mitarbeit im Normenausschuss Kraftstoffleitungen (FAKRA) im DIN.


Fachgebiet: Werkstoffe und Bauteile |

Bahnprüfungen Technische Defekte in sicherheitsrelevanten Einsatzbereichen, wie Bahn, Schiff und Flugzeug, aber auch in Chemieanlagen und Kernkraftwerken, können gefährlich werden. Deshalb hat der Gesetzgeber festgelegt, dass alle technischen Teile, die dort verbaut werden, bauartgeprüft sein müssen. Je nachdem welchen Belastungen das Bauteil später einmal ausgesetzt sein wird, werden bestimmte Tests für Bauartzulassungen festgelegt. Die MFPA bietet dazu mechanische, klimatische und atmosphärische Umweltprüfungen an. Schwerpunkt bei Prüfungen für die Bauartzulassung bei Bahnprodukten bildet die Prüfung von Zugfunktechnik. Hier ist zu prüfen ob es bei allen Belastungsarten (mechanisch, klimatisch, atmosphärisch usw.) zu keinerlei Beeinträchtigung des Funkverkehrs kommt. Da der größte europäische Hersteller von Zugfunktechnik seine Geräte vom Entwicklungsmuster bis hin zur Serienreife bei der MFPA prüfen lässt, fährt wohl der überwiegende Teil der in den letzten 20 Jahren in Europa ausgerüsteten Züge, mit Produkten, die in der MFPA getestet wurden. 05/06/07 Prinzipieller Aufbau der Funktionskontrolle zur Schwingprüfung. Mechanische Prüfungen (Anregung: Sinus, Rauschen, Schock) erfolgen in allen drei Raumachsen. Prüfung von Betriebsmitteln für Bahnfahrzeuge.

kontakt Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Rönicke Mail: hans.roenicke@mfpa.de

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Dichtungswirkung von Bentonitmatten unter zyklischer Belastung

Funktionalität durch natürliches Quellverhalten

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ypische Einsatzgebiete von Bentonitmatten sind Oberflächenabdichtungen von Deponien, der Bau von Regenrückhaltebecken, die Abdichtung von Dämmen und Deichen sowie Abdichtungen zum Grundwasserschutz im Verkehrswegebau. Mit ihnen lassen sich konventionelle mineralische Dichtungen vielfach wirtschaftlich und ressourcenschonend ersetzen. Der wesentliche Vorteil der Bentonitmatte gegenüber herkömmlichen mineralischen Dichtungen ist der einfache und schnelle Einbau. Bei vorschriftsmäßiger Verlegung wird bei einer wesentlich geringeren Schichtdicke eine gleichwertige Dichtwirkung erzielt. Witterungsanfällige Erdarbeiten können auf ein Minimum beschränkt werden, durch die hohe Verbundfestigkeit können steilere Böschungen gebaut werden, weite Transportwege großer Mengen von mineralischem Dichtungsmaterial entfallen.

Die Herstellung der geosynthetischen Tondichtungsbahnen erfolgt industriell auf modernen Fertigungsanlagen. Hier können für jede Baustelle individuell gefertigte Produkte hergestellt werden. Diese können sich durch die Wahl der verwendeten Kunststoffe, die Art und die Masse des verwendeten Bentonits sowie den erforderlichen Abmessungen unterscheiden. Als industriell gefertigte Produkte unterliegen Bentonitmatten einem strengen Qualitätssicherungssystem, welches die gleichbleibende Qualität der Bentonitmatten garantiert.

Bentonitmatten bestehen aus einem Verbundsystem aus Geokunststoffen und einem mineralischen Material (Bentonit). Daraus leitet sich auch die handelsübliche Bezeichnung Geosynthetische Tondichtungsbahn (GTD) ab. Der mechanische Verbund des dreilagigen Systems erfolgt industriell durch Vernähen oder Vernadeln der synthetischen Schichten. Die abdichtende Wirkung erhält die GTD durch das eingebettete Bentonit. Hauptbestandteil des natürlich vorkommenden Bentonits ist das sehr quellfähige Dreischicht-Tonmineral Montmorillonit. Bei Kontakt mit Wasser werden Wassermoleküle zwischen den einzelnen Schichten eingelagert und teilweise innerkristallin gebunden. Das führt zu einer starken Quellung des Bentonits und damit zur Bildung einer fast wasserundurchlässigen Schicht.

03 Wasseraufnahmevermögen von Bentoniten

01/02 Gequollenes Bentonit Beispiele von Bentonitmatten


Fachgebiet: Geotechnik |

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04/05 Versuchseinbau Prüfeinrichtung

Neben den Vorteilen bei der Verwendung von Tondichtungsbahnen sind bedingt durch die Wirkungsweise des Bentonits und dem lagenweisen Auf bau der Bentonitmatten Einschränkungen bei den Einsatzmöglichkeiten gegeben. Die Dichtwirkung der Bentonitmatten beruht ausschließlich auf dem Quellen des Bentonits. Die Möglichkeit der Wassereinlagerung und damit dem Quellen des Bentonits ist abhängig von äußeren Einflüssen. Längere Trockenperioden führen zum Beispiel zum Austrocknen des Bentonits. In der Folge kommt es zum Schrumpfen und zur Bildung von Schrumpfrissen in der Dichtungsschicht. Erst bei erneuter Wasserzufuhr schließen sich die Risse durch erneutes Quellen des Bentonits und stellen die Wirkung als Dichtungsschicht wieder her. Weitere Einflussfaktoren auf das Quellverhalten des Bentonits stellen die vorhandene Auflast und der hydraulische Gradient dar. Bei den klassischen Anwendungsfällen ist die Auflast in der Regel konstant und der hydraulische Gradient ändert sich nur geringfügig und langsam. Für diese Anwendungsbereiche liegt ein großer theoretischer und praktischer Erfahrungsschatz vor.

Ein Anwendungsfeld von Bentonitmatten mit vollständig anderen Randbedingungen liegt in der Abdichtung von Speicherteichen von Pumpspeicherkraftwerken. Diese Kraftwerke arbeiten reversibel und können sowohl zur Stromerzeugung als auch zur Energiespeicherung genutzt werden. Zur Stromerzeugung in Spitzenzeiten fließt das Wasser vom Oberbecken ins Unterbecken, bei einem Überschuss an Energie wird das Wasser von Unterbecken in das Oberbecken gepumpt. Diese Arbeitsweise führt in den Speicherbecken zu sich ständig ändernden Wasserhöhen und damit zu variablen Auflasten und hydraulischen Gradienten.

Innovation und Technik Im Fachgebiet Geotechnik der MFPA Weimar wurde eine Prüfeinrichtung entwickelt, die eine Prüfung von Bentonitmatten unter sich zyklisch ändernden hydraulischen Gradienten ermöglicht. Grundannahmen für die Versuche waren eine statische Auflast auf der Bentonitmatte von 10 kN/m² resultierend aus einer 50 cm dicken Kiesschicht, eine minimale Wasserhöhe von 1,70 m und eine Wasserhöhe bei maximalem Aufstau von 15,6 m. Als Zyklusdauer wurde ein Zeitraum von 12 Stunden gewählt. Ein Zyklus beginnt mit einer 90-minütigen Phase der Druckerhöhung (analog dem Ansteigen des Wasserspiegels). Anschließend wird der Druck für 270 Minuten auf dem Niveau des maximalen


Wasserstandes konstant gehalten. Die Phase des Stromerzeugens im Pumpspeicherkraftwerk wird durch das Absenken des Wasserdruckes auf das Niveau des minimalen Wasserstandes simuliert. Nach Erreichen des minimalen Wasserdruckes nach 90 Minuten wurde der Wasserdruck auf dem unteren Druckniveau für 270 Minuten konstant gehalten. Der Einbau der Proben erfolgte im trockenen Zustand. Anschließend wurde ein Wasseraufstau von wenigen Zentimetern auf die Probe aufgebracht. Um ein möglichst gutes Quellen des Bentonits zu erreichen, wurde zu diesem Zeitpunkt noch auf das Auf bringen einer Auflast verzichtet. Die statische Auflast wurde nach 24 Stunden über eine gelochte Belastungsplatte und einen Pneumatikzylinder aufgebracht. Durch die beidseitige Regelung des Zylinders wurde ein Quellen der Bentonitmatte bei konstanter Auflast ermöglicht. Nach weiteren 48 Stunden Quellen unter Auflast wurde die Zelle komplett mit Wasser gefüllt und an einen Vorratsbehälter angeschlossen. Das Erzeugen des variierenden Wasserdruckes erfolgte über einen geregelten Druckluftanschluss an der Oberseite des Vorratsbehälters. Der geregelte Luftdruck wirkt dabei auf den Wasserspiegel im Vorratsbehälter und simuliert somit die unterschiedlichen Druckniveaus im Speicherteich.

Messreihen geben ein Bild Systembedingt stellen Bentonitmatten kein absolut dichtes Abdichtungselement dar. Eine geringe Wasserdurchlässigkeit ist unvermeidbar und stellt für die genannten Einsatzzwecke kein Problem dar. Ein Maß für die Dichtigkeit bzw. die Durchlässigkeit einer Bentonitmatte stellt die Permittivität oder der Wasserdurchlässigkeitskoeffizient dar. Maßgebend für die Berechnung beider Werte ist die Masse des Wassers, die unter definierten Be-

dingungen durch die Bentonitmatte hindurch tritt. In den Versuchen wurde die durchfließende Wassermenge kontinuierlich gemessen und digital aufgezeichnet. Das abgebildete Diagramm 1 zeigt einen typischen Verlauf der Summenkurve der durch die Bentonitmatte fließenden Wassermenge über 4 Zyklen sowie den normierten Wasserdurchfluss in Gramm je Meter und Minute. Auffällig dabei sind die absinkenden Werte in der Summenkurve bzw. die negativen Werte im Wasserdurchfluss. Die Ursachen für diese Effekte lassen sich anhand des Diagramms 2 erklären. Im Diagramm 2 ist die Summenkurve des durchfließenden Wassers zusammen mit dem Druckverlauf dargestellt. Mit Beginn der Druckerhöhung steigt der Wasserdurchfluss durch die GTD und die Summenkurve zeigt einen annähernd linearen Verlauf bis zum Erreichen des oberen Druckniveaus. Das heißt, der Durchfluss je Zeiteinheit ist für die Dauer des Druckanstiegs konstant. Mit Erreichen des oberen Druckniveaus flacht die Kurve etwas ab. Sie bleibt aber annähernd linear bis zum Beginn des Absinkens des Druckniveaus. Mit dem Absinken des Druckniveaus und damit verbunden mit der Verringerung der Auflast und des hydraulischen Gradienten stellen sich ein Abfall in der Summenkurve bzw. negative Werte für den Wasserdurchfluss ein. Die Ursache dafür liegt in der Änderung der Fließrichtung des Wassers. Während der Druckerhöhung wurde Wasser aus dem Bentonit ausgepresst, mit zunehmender Entlastung nimmt das Bentonit wieder Wasser auf. Die Saugspannungen im Bentonit sind dabei so groß, dass das Wasser sogar entgegen des auch während der Entlastung wirkenden Druckgradienten aufgenommen wird. Der Abfall in der Summenkurve liegt damit im Quellen des Bentonits begründet. Dieser rückläufige Wasserfluss flacht mit Erreichen des unteren Druckniveaus ab und ist bis zum erneuten Beginn des folgenden Zyklus fast abgeschlossen.


Fachgebiet: Geotechnik |

Zusätzlich zur durchfließenden Wassermenge wurde die Verformung (Dickenänderung) der Tondichtungsbahn gemessen. Das Diagramm 3 zeigt den Verlauf der Dickenänderung über einen Zeitraum von 4 Zyklen. Es wird deutlich, dass mit Beginn der Druckerhöhung eine fast lineare Stauchung der Probe bis zum Erreichen des oberen Druckniveaus erfolgt. Danach flacht die Kurve bis zum Beginn der Druckabsenkung zunehmend ab, eine Konsolidation der GTD wird aber im gewählten Zeitraum nicht erreicht. Mit abnehmendem Druck nimmt die GTD wieder Wasser auf und wird dicker. Ein vollständiges Abklingen der Dickenänderung wird auch im unteren Druckniveau nicht erreicht. Insgesamt wurden die Versuche mit einer Laufzeit von einem Jahr und ca. 730 Zyklen durchgeführt. Nach einer kurzen Einlaufphase traten für die je Zyklus gemessenen Wassermengen nur noch geringe Schwankungen auf. Aus dem Diagramm 5 ist ersichtlich, dass nach einer Einlaufphase von ca. 100 Tagen die Dickenänderung innerhalb eines Zyklus annähernd gleich bleibt. Insgesamt ist die Bentonitmatte über die Versuchdauer geringfügig dicker geworden. Mögliche Ursachen sind anhaltende Quelleffekte des Bentonits und/oder es wird während der Entlastung und im niedrigen Druckniveau mehr Wasser aufgenommen, als während der Belastung und im oberen Druckniveau ausgepresst wird.

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Diagramm 1: Wasserdurchfluss über 4 Zyklen. Diagramm 2: Wasserdurchfluss und Druckverlauf über 1 Zyklus. Diagramm 3: Verformung und Druckverlauf über 4 Zyklen. Diagramm 4: Wasserdurchfluss je Zyklus über 365 Tage. Diagramm 5: Verformung je Zyklus über 365 Tage.

Über den Versuchszeitraum von einem Jahr war keine Verschlechterung der Dichtwirkung der Bentonitmatte zu beobachten. Die zyklische Belastung führte nicht zur Ausspülung von Bentonitteilchen aus der GTD oder zu einer Beeinträchtigung des Quellverhaltens des Bentonits. Unter den geprüften Bedingungen stellt die Bentonitmatte ein der rein mineralischen Dichtung gleichwertiges Dichtungselement dar.

kontakt Dipl.-Ing. Jens Köditz Mail: jens.koeditz@mfpa.de


Bindemittel – ein Stoff, aus dem die Träume sind

01 Probenvorbereitung: Homogenisieren, Mischen, Verdichten

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02 Veränderung des Bodens durch Bindemittelzugabe: Schluff mit 15% (a,b) und 20% (c,d) Wassergehalt vor und nach der Zugabe von Mischbindemittel (10% Mischbinder 50/50 auf 100% Trockenmasse)

Bindemittel – Effizienz im Verkehrswegebau

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us dem heutigen Verkehrswegebau sind Bindemittel nicht mehr wegzudenken. Durch den gezielten Einsatz von Kalken, Zement und Mischbindemitteln werden Böden für den Straßenbau trag- und widerstandsfähig gemacht. Nahezu jeder Boden lässt sich durch den »Traumstoff« Bindemittel verbessern und sogar bis zur Frostsicherheit bearbeiten. Schon die Zaren ließen im alten Russland ihre Wege mit gebranntem Kalk befestigen. Heute sind die Verfahren zur Verbesserung und Verfestigung des Bodens perfektioniert. Je nach Bodenart und Bauvorhaben werden gezielt Bindemittel mit Streugeräten auf dem Untergrund verteilt, eingefräst und anschließend verdichtet. Durch den Einsatz von Bindemitteln entfällt das Austauschen von nicht tragfähigem Boden, was nicht nur massiv Baukosten senkt, sondern auch einen aktiven Beitrag zum Umweltschutz leistet. Die optimierte Bodenbehandlung gewährleistet auch bei schlechtem Wetter eine kontinuierliche Baudurchführung und erhöht die Energie-, Ressourcen- und Kosteneffizienz. So wird das termingerechte Ausführen von Straßenbauarbeiten erst durch Bodenverbesserungen ermöglicht. Hierbei steht die Optimierung der Einbaufähigkeit und Verdichtbarkeit des Bodens im Vordergrund: auch ein sehr nasser Boden ist durch die gezielte Behandlung mit Bindemitteln sofort einbaufähig. Bei Boden-

verfestigungen werden zudem die Tragfähigkeit des Bodens und seine Widerstandsfähigkeit gegen Frost und Wasser dauerhaft gesteigert: trotz erhöhter Verkehrsbelastung und wechselnden Klimaeinflüssen hält dieser Boden langfristig stand. Die Eignung der verschiedenen Bindemittel ist von der jeweiligen Bodenart und dem erwünschten Wirken abhängig. Kalke (Branntkalk - CaO, Kalkhydrat - Ca(OH)2) verringern den Wassergehalt des Bodens um etwa 4 % bis 7 % und machen ihn so einbaufähig und besser verdichtbar. Zemente verfestigen den Boden durch Bildung eines Zementskeletts zwischen den einzelnen Bodenteilchen. Mischbindemittel koppeln synergetisch die spezifischen Vorteile der Ausgangsbindemittel Kalk und Zement. Sie gewinnen in der Praxis mehr und mehr an Bedeutung.

»Traumstoff« in Maßen Die erforderliche Zugabemenge eines jeden Bindemittels ist vom zu verbessernden Boden abhängig und muss grundsätzlich in einer Eignungsprüfung festgelegt werden. Um die größtmögliche Effizienz zu erreichen, gilt auch hier der Grundsatz »so wenig wie möglich, so viel wie nötig«. Die Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen hat in ihren Technischen Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau einheitliche Regeln und Anforderungen definiert,


Fachgebiet: Geotechnik |

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03 Ultraschallmessung an Prüfkörpern aus Boden-Bindemittel-Gemischen

04 Längenmessung während der Frostprüfung

um die Qualität und damit den Erfolg der einzelnen Bodenbehandlungen sicherzustellen. Für jede Bindemittelart wurden spezielle Eignungsprüfungen festgelegt. In experimentellen Untersuchungen müssen die bodenmechanischen und bautechnischen Eigenschaften des Bodens und der Boden-BindemittelGemische bestimmt werden. Wichtige Kennwerte sind hierbei Druckfestigkeit und Frostbeständigkeit des Materials.

Über Festigkeitsprüfungen (einaxiale Druckfestigkeits- und Frostprüfung) am Boden-Bindemittel-Gemisch kann die Qualität des Materials hinsichtlich seiner Standfestigkeit und somit seiner Eignung für den Erdbau mit konkreten Zahlen belegt werden.

Zu Beginn einer jeden Eignungsprüfung steht die Klassifizierung des Ausgangsmaterials. Über die Bestimmung der Korngrößenverteilung nach DIN 18123 wird eine Aussage zur Bodenart (Ton, Schluff, Sand, Kies) getroffen. Wassergehalt (DIN 18121-1) und Konsistenzgrenzen (DIN 18122-1) geben einen Wert für die Plastizität des Materials. Aus dem Glühverlust nach DIN 18128 lässt sich der Anteil an organischen Bestandteilen im Boden bestimmen. Diese Kennwerte sind Hauptkriterien bei der Auswahl des geeigneten Bindemittels. Zur Beurteilung der Bodenverdichtung wird ein Proctorversuch nach DIN 18127 durchgeführt, der die höchste unter definierter Verdichtungsarbeit erreichbare Dichte eines Bodens (Proctordichte) ermittelt. Ihre Größe gibt Hinweise auf die Verdichtbarkeit eines Bodens und ist ein Merkmal für dessen Eignung als Baustoff – je höher die Verdichtung desto geringer ist das Porenvolumen, die Zusammendrückbarkeit, die Wasseraufnahme und Wasserdurchlässigkeit des Bodens.

Wissen schaffen Im Fachgebiet Geotechnik der MFPA werden derzeit im Rahmen eines Forschungsprogramms verschiedene Boden-BindemittelGemische auf ihre bodenmechanischen und bautechnischen Eigenschaften untersucht. Aus den komplexen Versuchsreihen sollen Handlungsempfehlungen abgeleitet werden, welche Kriterien zukünftig bei der »Eignungsprüfung mit Mischbindemitteln« berücksichtigt werden müssen. Neben den klassischen Klassifizierungs- und Festigkeitsversuchen führt die MFPA forschungsorientiert Ultraschallmessungen an den Prüfkörpern durch. Diese zerstörungsfreie Prüfmethode erlaubt es, anhand der gemessenen Schallgeschwindigkeiten Erkenntnisse zum Abbindeverhalten der Boden-Bindemittel-Gemische zu gewinnen und die Eignungsprüfungen noch effizienter zu gestalten.

kontakt Dr. rer. nat. Anja Damaschke Mail: anja.damaschke@mfpa.de


Redaktionsteam Marek Schulz Martin Schickert Jörg Müller Dr. Torsten Richter Jens Köditz Brunhilde Ruf Dr. Konrad Nitsche

Gestaltung Klapproth+Koch, Weimar Fotos MFPA, Klapproth+Koch Druck Druckerei Schöpfel GmbH, Weimar Redaktionsschluss Februar 2012


Materialforschungs- und -prüfanstalt Weimar an der Bauhaus-Universität Weimar Coudraystraße 9 D-99423 Weimar Telefon: +49 (3643) 564 - 0 Telefax: +49 (3643) 564 - 201 E-Mail: info@mfpa.de Web: www.mfpa.de

20 Jahre MFPA Weimar  

Festschrift – 20 Jahre MFPA Weimar