Experimentell-validiertes, stochastisches Model zur Beschreibung des Frost-Tauwiderstands von Zementstein

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Beer; Dr. Matteo Broggi; Professor Dr.-Ing. Michael Haist
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496491159

Die Nachhaltigkeit von Betonbauwerken wird maßgeblich durch ihre Dauerhaftigkeit gegenüber Umwelteinwirkungen wie beispielsweise dem Frostangriff bestimmt. Bislang liegen jedoch keine geeigneten Modellansätze in der Literatur vor, die eine korrekte und quantifizierte Vorhersage des Frostwiderstands ermöglichen. Die Gründe hierfür sind vielfältig: Zum einen ist die Belastung, d.h. die Frost-Tauwechselbeanspruchung, ein hochgradig stochastischer Prozess und nur schwer zu beschreiben. Zum Anderen führt eine Frost-Tauwechselbeanspruchung zu einer hochgradig lokalen Schädigung (insbesondere der Betonoberfläche), die aufgrund ihrer geringen räumlichen Ausdehnung nur schwer detektiert und quantifiziert werden kann und zudem stark vom Feuchtegehalt und Feuchte- und Wärmetransport im Beton abhängig ist. Der vorliegende Antrag adressiert diese Kernfragen indem er darauf abzielt, ein stochastisches, räumlich (in Schichten) aufgelöstes Schädigungsmodel für frost-tauwechselbeanspruchten Beton einzuführen. Zur Vereinfachung sollen dabei alle Untersuchungen an Zementstein durchgeführt werden. Dieser wird bestehend aus repräsentativen Volumenelementen (RVE) aufgebaut. Die einzelnen RVEs bestehen aus einem nanoporösen, homogenen und isotropen Zementstein-Feststoff, in den Kapillarporen mit Durchmessern zwischen ca. 10 µm und 100 µm eingebettet sind. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der RVEs werden numerisch simuliert und durch statistische Nanoindentations- und NMR-Untersuchungen (sowie weiterer Methoden) am Feststoff, und Mikroindentations-Untersuchungen (liefert bruchmechanische Eigenschaften) auf der Sub-Mikro- und Mesoebene kalibriert. Die Entwicklung der mechanischen und physikalischen Eigenschaften der RVEs infolge einer Frost-Tauwechselbeanspruchung wird nun numerisch sowie experimentell mit hoher Ortsauflösung (d.h. insb. Abstand z von bewitterter Oberfläche) untersucht. Während der aktuelle Wissensstand bislang auf (i) nicht ortsaufgelöste Messungen und (ii) auf indirekte Messmethoden (d.h. es wurden nicht die Festigkeit oder die Steifigkeit sondern lediglich Hilfsgrößen gemessen) beschränkt waren, wird durch den Einsatz der hier vorgesehenen ortsaufgelösten Techniken mit einem erheblichen Erkenntnisgewinn gerechnet. Die enge Koppelung sowohl experimenteller als auch numerischer Untersuchungen wird dabei ein stark vertieftes, insbesondere jedoch verallgemeinertes Verständnis der Frost-Degradation ermöglichen. Das Projekt wird in einer engen Zusammenarbeit auf der einen Seite zwischen Prof. Michael Beer und Dr. Matteo Broggi, die für die stochastische und numerische Modellierung verantwortlich zeichnen, und auf der anderen Seite durch Prof. Michael Haist, der die experimentellen Arbeiten und die physikalische Modellierung durchführt, beantragt. Die Arbeiten sollen durch Kurzbesuche von vier eingeladenen Gastwissenschaftler unterstützt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China, Frankreich, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Pierre Beaurepaire; Professor Jianbing Chen, Ph.D.; Dr. Roland J.-M. Pellenq; Professor Dr. Matthieu Vandamme