Mehrskalige Untersuchung der Ermüdungsrissentwicklung in Hochleistungsbeton basierend auf Computertomographie und Phasenfeldmodellierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Thorsten Leusmann; Professorin Dr. Laura De Lorenzis
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 353942799

Hochleistungsbeton (HPC) wird heute für den Bau von Brücken, Türmen, Offshore-Bohrinseln, Kranbahnen, hohen Gebäuden, Windkraftanlagen und Straßen verwendet, die besonders anfällig für schwingende Beanspruchungen sind. Derzeit können die Chancen, die aus der Nutzung von HPC entstehen, aufgrund von allzu konservativen auf fehlenden Kenntnissen zur Materialdegradation unter Ermüdungsbeanspruchung beruhenden Bemessungsstandards nicht vollständig ausgenutzt werden. Das Ziel dieses Projektes ist es, diese Wissenslücken zu reduzieren.Es ist allgemein anerkannt, dass neue Erkenntnisse über das Verhalten von Beton durch eine explizite Modellierung dessen heterogener Struktur gewonnen werden können. In diesem Projekt wird ein numerisches Multiskalenmodell von HPC entwickelt, um die Grundlagen des Ermüdungsverhaltens und insbesondere die Schädigung, die Rissentwicklung und die Rissfortschrittsrate, beeinflusst durch die heterogene Struktur und die Materialeigenschaften der Komponenten genauer zu beleuchten. Das numerische Modell konzentriert sich auf die so genannte Mesoskala, in der HPC als Struktur betrachtet wird, die aus Zement-Mörtel, grober Gesteinskörnung, Luftporen und Kontaktzonenmörtel zwischen Gesteinskörnung und Zementmörtelmatrix zusammengesetzt ist. Die mehrskalige Natur des Modells ergibt sich aus der Notwendigkeit, in geeigneter Form die Materialeigenschaften von Matrix- und Kontaktflächenmörtel, die ihrerseits durch Zementstein, feine Gesteinskörnung und Poren auf Mikroscala gebildet werden, zuzuweisen. Der Übergang von der Mikro- zur Mesoskala wird auf der Annahme basieren, dass die Brucheigenschaften des Mörtels hauptsächlich von der lokalen Porosität abhängen. Schädigung und Rissbildung werden mit einem Phasenfeld-Modellierungsansatz beschrieben werden, der zur Integration von Ermüdungseffekten erweitert wird.Das Projekt beinhaltet ein umfangreiches Versuchsprogramm. Die Brucheigenschaften von Matrix- und Kontaktflächenmörtel werden abhängig von der lokalen Porosität charakterisiert, um den Übergang von der Mikro- zur Mesoskala experimentell zu untermauern. Die Geometrie des Mesoskalenmodells basiert vollständig auf geometrischen Informationen, die mit Hilfe der Computertomographie (CT) gewonnen werden. Zu diesem Zweck werden innovative Techniken entwickelt, um den Kontrast zwischen Gesteinskörnung und Mörtel zu verbessern und die automatische Bildsegmentierung zu ermöglichen. Die Rissbildung und der Rissfortschritt wird in einem umfangreichen Versuchsprogramm beobachtet, welches Versuche innerhalb des CT-Scanners beinhaltet, die eine dreidimensionale Messung von Dehnungen und Verschiebung unter monotoner und zyklischer Belastung ermöglichen. Die Experimente werden eine detaillierte Validierung des numerischen Mesomodells ermöglichen und beide werden die grundlegenden Mechanismen der Materialdegradation von HPC unter Ermüdungsbeanspruchung genau erkunden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2020: Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab
• Internationaler Bezug: Schweiz, USA
• Kooperationspartner: Dale P. Bentz; Professor Dr. Pietro Lura