Thema: Temperatur- und feuchteinduzierte Schädigungsprozesse infolge zyklischer (mehrachsiger) Druckschwellbeanspruchung
Moderne Hochleistungsbetone ermöglichen immer leichtere, filigranere und ressourcenschonendere Bauwerke, die jedoch aufgrund ihres reduzierten Eigengewichts schwingungsanfälliger sind. Bauwerke und Bauteile wie weitgespannte Brücken des Hochgeschwindigkeitszugverkehrs, Windenergieanlagen oder Maschinenfundamente sind zudem typischerweise sehr großen veränderlichen Beanspruchungen und sehr hohen Lastwechselzahlen ausgesetzt. Das Ermüdungsverhalten des Hochleistungsbetons ist für die Auslegung und Realisierung solcher Betonanwendungen entscheidend. Durch die derzeit noch bestehenden Wissenslücken hinsichtlich der Entstehung und Fortpflanzung von Ermüdungsschädigung in Hochleistungsbetonen wird der effektive Einsatz moderner Hochleistungsbetone behindert.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollen die temperatur- und feuchteinduzierte Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen infolge zyklischer, mehrachsiger Druckschwellbeanspruchungen untersucht werden. Für die Charakterisierung der Schädigungsprozesse wird aufgrund des dichten Gefüges von Hochleistungsbeton bei höheren Prüfgeschwindigkeiten eine Erwärmung der Probekörper und ein Ansteigen des Porenwasserdruckes im Zementsteingefüge erwartet. Beides überlagert sich mit der einwirkenden Druckschwellbeanspruchung. Die Kombination der drei Schädigungsparameter (Feuchtegehalt / Prüffrequenz / Temperatur) und der Einfluss der Vorschädigung durch Hydratationsvorgänge und Betonzusammensetzung auf das Ermüdungsverhalten hochfester Betone bilden den inhaltlichen Schwerpunkt des Forschungsantrags der ersten Förderphase.
In der zweiten Förderphase wird als grundlegende Arbeitshypothese angenommen, dass räumliche Spannungszustände im Betongefüge wesentlichen Einfluss auf makroskopische Rissbildungsprozesse haben. Demgegenüber stehen ermüdungsbedingte Schädigungsprozesse, die wesentlich durch die Probenkonditionierung, also vom Feuchtegehalt und von der Temperatur, beeinflusst werden. Ermüdungsschäden laufen nach aktuellem Forschungsstand auf mikroskopischer Ebene in der Zementsteinstruktur ab. Entsprechend liegt der inhaltliche Schwerpunkt des Forschungsantrags auf der Erweiterung der in der ersten Förderphase vorgenommenen Untersuchungen von Schädigungsprozessen bei einachsigen Beanspruchungen, und widmet sich den mehrachsig wirkenden Druckschwellbeanspruchungen.
Dazu wird eine Triaxialzelle zur Durchführung zyklischer Druckschwellversuche für Zylinderproben mit Durchmessern bis 60 mm entwickelt. Hierin lassen sich temperatur- und feuchteinduzierte Ermüdungsschädigungsprozesse systematisch untersuchen. Im Anschluss an die zyklischen mehrachsigen Belastungen sollen später auch komplexe Belastungsreihenfolgen überlagert werden. Die Charakterisierung der Schädigungsprozesse erfolgt mit Hilfe von BET, Hg-Porosimetrie, Ultraschall und XRCT. Ergänzend kommen bildgebende Verfahren wie Lichtmikroskopie und REM skalenübergreifend zum Einsatz. Es wird erwartet, dass die gewonnenen Erkenntnisse erlauben, ein Modell zur Beschreibung der Schädigungsphänomene auf Basis globaler Schädigungsindikatoren abzuleiten. Mit diesem sollten sich dann erstmals qualitative Prognosen zur Degradationsentwicklung vornehmen lassen.
Beteiligte Forschungsstellen:
- Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart
- Universität Stuttgart, Institut für Mechanik (Bauwesen), Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik
Forschungsförderung: DFG
Laufzeit des Vorhabens: Juli 2017 - September 2023 (beide Förderphasen)
Veröffentlichungen:
Deutscher, D.; Markert, M.; Tran N.C.; Scheerer, S.: Influence of the compressive strength of concrete on the temperature increase due to cyclic loading. In: Zhao B., Lu X. (Eds.): Concrete Structures for Resilient Society; Proceedings of the fib Symposium 2020, Held Online, China, 22-24 November 2020, pp. 773-780
Markert, M.; Laschewski, H.: Influencing factors on the temperature development in cyclic compressive fatigue tests: An overview. In: Otto Graf Journal 19 (2020), S. 147-162
Markert, M.; Katzmann, J.; Brodscholl, R.: Development of an ultrasonic testing method for continuous measurements on concrete with different moisture levels under compressive fatigue loading. In: Otto Graf Journal 19 (2020), S. 131-146
Markert, M.; Birtel, V.; Garrecht, H.: Influence of concrete humidity on the temperature development under fatigue compressive loading. In: 7th International Conference on Euro Asia Civil Engineering Forum - IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 615 (2019)
Sauer, J.; Musialak, J.; Steeb, H.; Markert, M.; Birtel, V.; Garrecht, H.: Experimental characterization of effective mechanical properties of (micro-) fractured high performance concrete, Advances in Engineering Materials, Structures and Systems: Innovations, Mechanics and Applications. In: Proceedings of the 7th International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Applications, pp. 1439-1443
Markert, M.; Birtel, V.; Garrecht, H.: Temperature and humidity induced damage processes in concrete due to pure compressive fatigue loading. In: Derkowski, W., u.a. (Eds.): Concrete - Innovations in Materials, Design and Structures; Proceedings of the fib Symposium 2019, held in Krakow, Poland, 27-29 May 2019, pp. 1928-1935
Kontakt
Veit Birtel
Dr.-Ing.Abteilungsleiter / Referatsleiter
Martin Markert
M. Sc.Wissenschaftler