Specimen heating as damage indicator for fatigue tests of concrete
Final Report Abstract
Hochfeste fließfähige Vergussmörtel werden häufig bei Windenergieanlagen für die Herstellung von Verbindungen zwischen Turm und Gründungsstruktur eingesetzt, wo sie hochzyklischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. In eigenen Vorarbeiten konnten geringere Bruchlastwechselzahlen für einen Vergussmörtel gegenüber einem Normalbeton festgestellt werden, was auf ein abweichendes Ermüdungsverhalten von Vergussmörteln hinweisen könnte. Die daraufhin erwarteten drastischen Unterschiede in den Bruchlastwechselzahlen von Vergussmörteln und hochfestem Beton konnten für die hier untersuchten Vergussmörtel so nicht festgestellt werden. Für den Vergussmörtel FB1 (Größtkorn dG = 1 mm) wurden für beide Oberspannungsniveaus nahezu identische Mittelwerte der logarithmierten Bruchlastwechselzahlen ermittelt. Dies ist ein vollkommen atypisches Verhalten, was in der Literatur bislang nicht zu finden ist. Dies deutet auf sich überlagernde Effekte hin, die die Ursache für das atypische Verhalten sein könnten. Der Vergleich der Bruchlastwechselzahlen, der bis zur Prüfung unter Wasser gelagerten und bis zur Massekonstanz darrgetrockneten Proben zeigte, dass darrgetrocknete Proben etwa um den Faktor 10 höhere Bruchlastwechselzahlen erreichten. Demnach hat die Probenfeuchte hat einen entscheidenden Einfluss auf die Bruchlastwechselzahl und auf den Ermüdungswiderstand von Vergussmörteln. Bei Ermüdungsuntersuchungen an Vergussmörteln zeigte sich, dass höhere Erwärmungsraten mit einem kleineren Größtkorn korrelieren. Ferner wurde bei steigendem Bindemittelvolumen tendenziell eine höhere Erwärmungsrate festgestellt. Insbesondere Vergussmörtel mit einem hohen Feinstanteil weisen gegenüber hochfestem Beton höhere Erwärmungsraten auf, wonach das Betongefüge die Erwärmungsrate beeinflusst. Weiterhin konnte eine Abhängigkeit der Erwärmungsrate vom Oberspannungsniveau, von der Prüffrequenz und von der Probenfeuchte festgestellt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Probekörpererwärmung die Ermüdungsschädigung allenfalls unwesentlich unmittelbar beeinflusst, jedoch sehr wohl als ein geeigneter Schädigungsindikator für Ermüdungsversuche genutzt werden kann. Eine größere Steigung in der zweiten Phase der Dehnungsentwicklung korreliert mit einer höheren Erwärmungsrate im gleichen Zeitraum. Die Vergussmörtel weisen - im Vergleich zum hochfesten Beton - steilere Steigungen der Dehnung auf. Die Vergussmörtel haben ein erhöhtes Bindemittelvolumen gegenüber dem hochfesten Beton. Es kann vermutet werden, dass mit größerem Bindemittelvolumen die Dehnungen im Ermüdungsprozess und auch die ertragbaren Gesamtdehnungen bei ähnlich großer Bruchlastwechselzahl zunehmen und somit die Vergussmörtel größere Verformungen bis zum Ermüdungsbruch ertragen können. Das Gefälle der Steifigkeit lag für Vergussmörtel und hochfestem Beton in einem ähnlichen Bereich. Allein aufgrund einer steileren Steigung der Dehnung kann also noch nicht auf ein ungünstigeres Ermüdungsverhalten der Vergussmörtel geschlossen werden. Als wesentliche Ursache der Probekörpererwärmung wurde die innere Reibung untersucht. Die innere Reibung kann zum einen in die „trockene“ Reibung zwischen Gesteinskorn und Zementstein und zum anderen in die „flüssige“ Reibung, die auf (Transport-)Vorgängen innerhalb des Zementsteins beruht, unterteilt werden. Als Kenngröße für die innere Reibung wurde die dissipierte Energie je Lastwechsel verwendet, auch wenn die dissipierte Energie je Lastwechsel weitere Anteile, insbesondere von Schädigung, beinhaltet. Höhere dissipierte Energien je Lastwechsel korrelieren mit höheren Erwärmungsraten. Die mittlere dissipierte Energie je Lastwechsel sowie die Erwärmungsrate steigen mit höherem Bindemittelvolumen des abgesiebten hochfesten Betons und mit höherem Blaine-Wert der Vergussmörtel an. Basierend auf Erkenntnissen zum Kriechen von Beton wird vermutet, dass die viskose Phase des Vergussmörtels einen großen Einfluss auf die innere Reibung hat. Entsprechend zeigen bis zur Massekonstanz darrgetrockneten Proben eine geringere Erwärmungsrate und eine geringere dissipierte Energie je Lastwechsel. Weiterhin wurde der Einfluss der Prüffrequenz auf den Ermüdungswiderstand untersucht. Für Smax = 0,75 waren bei 10 Hz höhere Bruchlastwechselzahlen feststellbar als bei 1 Hz. Für Smax = 0,65 jedoch, konnten für FB0 und HPC-ab bei geringerer Prüffrequenz ähnliche bzw. höhere Bruchlastwechselzahlen erreicht werden. Dies deutet auf einen zusätzlich wirkenden Schädigungsmechanismus hin. Hypothesen eines direkten schädigenden Einflusses der Probekörpererwärmung konnten jedoch nicht bestätigt werden. Die Untersuchungen mit ansteigenden Prüffrequenzen haben gezeigt, dass die Prüffrequenz einen erheblichen Einfluss auf die erreichbare Bruchlastwechselzahl und auf den Ermüdungswiderstand hat. Dieser Einfluss ist vom Material und damit vom Betongefüge abhängig. Gleichwohl kann die Probekörpererwärmung als Regelungsparameter für eine „optimal“ gewählte Prüffrequenz genutzt werden, so dass möglichst zeitsparende Ermüdungsversuche unter Vermeidung „vorzeitiger“ Brüche ausgeführt werden können.
Publications
- Prüftechnische Einflüsse auf das Ermüdungsverhalten hochfester feinkörniger Vergussbetone. Beton- und Stahlbetonbau, Jahrgang 111, Heft 4, Ernst & Sohn, 2016, S. 233-240
Elsmeier, K.; Hümme, J.; Oneschkow, N.; Lohaus, L.
(See online at https://doi.org/10.1002/best.201500065) - Temperature effects on the fatigue resistance of high strength grout and high strength concrete. Proceedings of the fib Symposium 2017, 12.-24.06.2017, Maastricht, Netherlands
Otto, C.; Elsmeier, K.; Lohaus, L.
- Entwicklung einer zeiteffizienten Prüfmethodik für die Durchführung von Ermüdungsversuchen an Beton. Tagungsband der 20. internationalen Baustofftagung (ibausil) in Weimar, 12.-14.09.2018
Otto, C.; Lohaus, L.
- Premature failure of high-strength grouts due to the warming of specimen during cyclic loading. Proceedings of 5 th International fib Congress: Better - Smarter - Stronger, 7.-11.10.2018, Melbourne, Australia
Otto, C.; Lohaus, L.; Cotardo, D.
- Differences in the fatigue behaviour of high-strength grouts and high-strength concrete. Proceedings of fib Krakow, May 2019
Otto, C.; Oneschkow, N.; Lohaus, L.
- Einfluss der Probekörpererwärmung auf den Ermüdungswiderstand von Vergussbeton. Dissertation, Hannover, 2019
Elsmeier, K.
