Spannungs- und temperaturabhängiges Kriechverhalten von Polymerfaserbeton

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Anders; Dr.-Ing. Dominik Brands; Professor Dr.-Ing. Jörg Schröder
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533826000

Beton ist bekannt für seine Neigung zur Rissbildung, weshalb i.d.R. Stahlbewehrung eingesetzt wird. Zur Rissbreitenbeschränkung oder bei Logistikflächen werden Betone oft mit Stahlfasern bewehrt. Neben möglicher Korrosion von Stahlfasern stehen Energieaufwand und CO2-Bilanz im Rahmen der aktuellen gesellschaftlichen Herausforderungen in der Kritik. Als nachhaltige Alternative können teils Polymerfasern eingesetzt werden. Sie werden bereits vielversprechend in Einzelprojekten im In- und Ausland verwendet. Eine Verwendung in tragenden Bauteilen ohne Einzelzulassung ist u.a. in Deutschland nicht möglich. Wesentliches Hindernis ist mangelndes Wissen über das Kriechverhalten der Polymerfasern, vor allem bei veränderlichen Temperaturen. Daher ist es an der Zeit, die Potentiale von Polymerfaserbeton (PFB) konsequent wissenschaftlich zu analysieren. Hierzu ist die Beschreibung des temperaturabhängigen Kriechens von PFB sowie seine thermodynamisch konsistente Modellierung erforderlich. Zunächst wird das Kriechen einzelner Polymerfasern in Abhängigkeit von Spannung und Temperatur untersucht und mit „generalisierten rheologischen Modellen“ beschrieben. Dann werden Kurz- und Langzeitversuche im zentrischen Zug und Biegezug durchgeführt, um die numerischen Modelle zu kalibrieren. Die Biegezugversuche sind zudem erforderlich, um an bestehende Regelwerke anzuknüpfen. Neben der Temperatur- und spannungsabhängigen Beschreibung des Materialverhaltens soll gezeigt werden, dass die für Polymere bekannte und für Asphalt genormte „Hauptkurve“ geeignet ist, um bisher geforderte Prüfzeiten von 12 bis 18 Monaten auf 1/3 zu reduzieren. Aufgrund der visko-elastischen Eigenschaften der Polymerfasern (Dehnung bis 30%) wird das Konzept der generalisierten Spannungs-Dehnungsmaße für die Modellierung konsequent genutzt. Basierend auf Vorüberlegungen, erwarten wir bei Verwendung des nichtlinearen rheologischen Modells nach Schapery realistische ratenabhängige Spannungs-Dehnungskurven für die Polymerfasern. Hierbei werden die experimentellen Ergebnisse zur Kalibrierung verwendet. Ferner wird das “time-temperature superposition principle” herangezogen, um die Temperaturabhängigkeiten zu modellieren. Für die Beschreibung des Betons wird ein Phasenfeld-Modell eingesetzt, um die pathologische Netzabhängigkeit der FEM infolge des entfestigenden Materialverhaltens zu heilen. Die Modellierung des Zusammenspiels von Fasern und Matrix erfolgt für ausgesuchte Randwertprobleme zunächst im Rahmen der Rebar-Element-Technik und wird anschließend für praxisrelevante Problemstellungen mit einem Modell basierend auf Faser-Orientierungsverteilungsfunktionen erfasst. Da die Antragsteller schon in vorhergehenden Forschungsvorhaben mit ähnlichen Konzepten überzeugende Ergebnisse für stahlfaserverstärkte Betone erzielt haben, scheint mit den geplanten umfangreichen Erweiterungen der Experimente und Modelle die realitätsnahe Charakterisierung der PFB möglich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen