Micro-CT zur Rissdetektion in Beton

Josef Feuerecker, 04.02.2014

English translation

Micro-Computer-Tomographie (Micro-CT) mit Röntgen- oder Gammastrahlen ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren, das durch Durchstrahlung und unterschiedlicher Strahlenabsorption ein lokales Abbild des Objektes liefert. Durch Rotation des Prüfkörpers und der computergestützten Überlagerung der Abbildungen entsteht eine Volumenaufnahme des Prüfkörpers.

Geschichtliche Entwicklung

Die 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen (1845 - 1923) entdeckte Röntgenstrahlung ist die Grundlage für alle weiteren Entwicklungen dieser Prüfmethode. Die ersten verwertbaren Entwicklungen hin zur Computertomographie entstanden im Jahre 1969 und wurden vorwiegend für medizinische Zwecke entwickelt. Das erste, von Godfrey Hounsfield entwickelte Gerät, besteht aus einer Röhre, die die Strahlung aussendet und einem Detektor, der die restliche eintreffende Strahlung misst. Detektor und Röhre bewegen sich translatorisch im festen Abstand zueinander und tasten die zu untersuchende Schicht so ab. Erst später erkannte man, dass sich diese Technologie auch für industrielle Zwecke eignet. Der Hauptunterschied zwischen heutigen CT-Geräten aus Industrie und Medizin sind, dass sich bei medizinischen Geräten die Röhre und der Detektor um das Objekt bewegen, hingegen bei industriellen Geräten das Untersuchungsobjekt selbst bewegt wird. Ebenfalls ist das Spektrum der zu untersuchenden Materialien in der industriellen Anwendung wesentlich breiter. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung der Geräte, verbessert sich auch die Auflösung der erzeugten Bilder. Ab einer Größe des Bildpunktes (Volumenelement) im zweistelligen Mikrometerbereich spricht man auch von Micro-CT.

Physikalische Grundlagen

Die physikalischen Grundlagen dieser Prüfmethode sind vor allem die der Röntgentomographie. Die eingesetzte Röntgenstrahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen im Wellenlängenbereich zwischen 0,1 Nanometer und 10 Nanometer, die sich geradlinig ausbreiten. Trifft Strahlung auf Materie, wird diese abgeschwächt. Die Abschwächung kann durch mehrere Faktoren beeinflusst werden. Zum einen hängt sie vom Material und besonders seiner Rohdichte und der chemischen Zusammensetzung ab, zum anderen auch von der Dicke des Prüfmaterials. Ein weiterer Einflussfaktor ist die Energie der Strahlung selbst. Sie kann durch die Spannung des Röhrengerätes oder durch den verwendeten Gammastrahler verändert werden. Bei der Durchstrahlung kann nun die austretende abgeschwächte Strahlung gemessen werden. Die Schwächung lässt sich durch folgende Formel ausdrücken, wobei:

• $//<![CDATA[ \begin{array}{l}I_0\end{array} //]]>$: Die Intensität der Primärenergiequelle in [keV]

• $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\mu\end{array} //]]>$: Der Absorptionskoeffizient des Materials in [$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\frac{1}{m}\end{array} //]]>$]

• $//<![CDATA[ \begin{array}{l}x\end{array} //]]>$: Die zurückgelegte Strecke in [m]

• $//<![CDATA[ \begin{array}{l}I\end{array} //]]>$: Die über die Strecke $//<![CDATA[ \begin{array}{l}x\end{array} //]]>$ geschwächte Strahlung in [keV]

darstellt.

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}I = I_0 * e^{-\mu x}\end{array} //]]>$

Der austretenden Strahlung wird je nach Abschwächung ein Absorptionsgrad zugewiesen und mit unterschiedlichen Graustufen hinterlegt. Aufgrund der verschiedenen Strahlungsschwächung sind die einzelnen Materialien voneinander zu unterscheiden. So entsteht eine Projektion eines Volumenkörpers auf die Ebene. In der Computertomographie werden jedoch viele solcher Abbilder von unterschiedlichen Blickrichtungen aus erstellt und mit einem computergestützten Algorithmus übereinander gelegt. So entsteht ein Abbild der Volumenstruktur des Prüfkörpers. Da ein manuelles Auswerten der dargestellten Risse sehr aufwändig ist, benötigt man geeignete Algorithmen, die dies effizient und mit der gewünschten Präzision durchführen.

Anwendung

Für die Versuchsdurchführung wird ein gewünschter Prüfkörper auf den Prüftisch der Maschine gestellt. Die Abmessungen des Körpers sind vor allem durch die erzeugbare Strahlungsenergie begrenzt. Dies liegt daran, dass Beton eine relativ geringe Halbwertsschichtdicke aufweist. Das heißt, dass bei geringer Strahlungsleistung auch nur wenige Zentimeter durchdrungen werden können. Der Prüftisch dreht sich ab Beginn der Messungen, was im Unterschied zur medizinischen Anwendung mechanisch leichter zu realisieren ist. Dazu ist auf einer Seite der Maschine der Strahler platziert und dem gegenüber der Sensor, der die restliche Strahlung misst. So kann der Körper Schicht für Schicht komplett durchstrahlt werden und man erhält die Volumenabbildung. Ein Vorteil der Rissdetektion in Beton ist, dass die Schwächungskoeffizienten, die ein Maß für die Strahlenschwächung sind, von Luft und Beton sehr unterschiedlich sind. Bei einer Strahlungsenergie von 10 MeV liegt der Schwächungskoeffizient von Beton bei $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\mu = 0,0537\end{array} //]]>$ [$//<![CDATA[ \begin{array}{l}cm^{-1}\end{array} //]]>$] und von Luft bei $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\mu> = 2,62 * 10^{-5}\end{array} //]]>$ [$//<![CDATA[ \begin{array}{l}cm^{-1}\end{array} //]]>$]. Damit sind die Schichtgrenzen vom Beton zum Riss (mit Luft gefüllt) deutlich messbar und der Riss gut darstellbar. Probleme aber können aus der stark inhomogenen Zusammensetzung des Betons entstehen. Zur Lösung dieses Problems werden meist zwei Strahlenquellen mit unterschiedlichen Strahlungsenergien verwendet. Dabei lassen sich die Schichtgrenzen besonders ähnlicher Materialien, wie Zementstein und Gesteinskörnung besser erkennen. Die systematische Auswertung der Datensätze ist jedoch relativ komplex. Die verwendeten Algorithmen müssen nämlich Schichtgrenzen zwischen Gestein und Zementmatrix oder kleine Luftporen zuverlässig als mögliche Risse ausschließen. Geeignete Algorithmen sind beispielsweise die Auswertung von Eigenwerten der Hesse-Matrix, kombiniert mit einer Perkolation. Ein weiteres Verfahren ist das sogenannte Template-Matching. Laut des Berichts ^[1] eignet sich dieses Verfahren besonders, da die erkannten Risse besser dargestellt und mit weniger Artefakten beladen sind. Ein weiterer Schritt zur Verbesserung der Ergebnisse ist die Nachbearbeitung durch Untersuchung der Nachbarschaft. Da Risse meist flächige Objekt sind und aus mehreren zusammenhängenden Voxeln bestehen, kann durch eine Untersuchung der Nachbarschaft ein zuvor falsch erkannter Riss entfernt werden. Sind in der Nachbarschaft zu wenige Rissvoxel vorhanden, so wird dieser Bereich nicht mehr dem Riss zugeordnet und entfernt. Das verbessert vor allem die Auflösung der Randbereiche.

Um nun genauere Aussagen über die Risse treffen zu können sind weitere Auswertungen erforderlich. Dies ist zum einen die Risseinbettung. Das heißt, es wird analysiert, durch welche Bereiche des Umgebungsmaterials (Beton oder Gestein) der Riss läuft. Dazu werden zu jedem Rissvoxel die umgebenden Grauwerte ermittelt. Aus dem Template-Matching erhält man zudem einen Template-Index, der aus den größten Differenzen der Grauwerte der angrenzenden Voxel einen Normalenvektor bildet. Mit diesem Index kann dann die Orientierung des Risses erfolgen und das durchlaufene Umgebungsmaterial ermittelt werden. Weitere Risscharakteristiken sind die Rissgröße, die Rissöffnung und die Rissfläche. Dabei ist die Rissgröße die Summe aller zu einem Riss gehörenden Voxel. Die Rissöffnung bezeichnet die durchschnittliche Öffnung des Risses und wird aus polygonalen Rissinterpretationen abgeleitet. Sie ergibt sich zum Beispiel aus einem Rissprofil. Auch die Rissfläche wird mithilfe von polygonalen Interpretationen erstellt. Dazu werden Dreiecksflächen generiert und diese dann ausgewertet. Die Fläche aller Dreiecksflächen ergibt dann die Rissfläche.

Literatur

• Grosse, C. U.: Grundlagen der Zerstörungsfreien Prüfung. Skript zur Vorlesung der TU München. München, 2013.
• Paetsch, O.; Baum, D.; Ehrig, K.; Meinel, D.; Prohaska, S.: Vergleich automatischer 3-D-Risserkennungsmethoden für die quantitative Analyse der Schadensentwicklung in Betonproben mit Computer Tomographie. Berlin, 2012.
• Versuch 9: Radioaktivität. Abgerufen am 18.01.2014.
• Gammastrahlung. Abgerufen am 10.01.2014.
• Computertomographie (CT). Abgerufen am 20.01.2014.

Einzelnachweis

1. Paetsch, O.; Baum, D.; Ehrig, K.; Meinel, D.; Prohaska, S.: Vergleich automatischer 3-D-Risserkennungsmethoden für die quantitative Analyse der Schadensentwicklung in Betonproben mit Computer Tomographie. Berlin, 2012.