Materialgesetze für das Spannungs-Dehnungs-Zeitverhalten von ultra-hochfestem Beton
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des vorliegenden Forschungsprojekts wurde aufbauend auf experimentellen Untersuchungen ein Modell zum Schwinden und ein nichtlineares Stoffgesetz zur Vorhersage des Kriechens ultra-hochfester Betone unter konstanten und veränderlichen Spannungen sowie der Relaxation entwickelt. Es basiert auf einer Reihenschaltung verschiedener rheologischer Grundelemente, deren Materialkennwerte innerhalb des gesamten Gültigkeitsbereichs des Modells thermodynamisch widerspruchsfrei formuliert sind. Hierdurch treten im Gegensatz zu verschiedenen Modellen aus der Literatur weder eine Dehnungsumkehr in der Berechnung der verzögert elastischen Rückverformung noch ein Vorzeichenwechsel in der Spannungsrelaxation auf. Grundlage für die Entwicklung und Optimierung des Ansatzes bildete ein umfassendes Versuchsprogramm an den beiden im DFG-Schwerpunktprogramm festgelegten ultra-hochfesten Referenzbetonen M2Q und B5Q. Das rheologische Kriechmodell entspricht einem Summationsansatz, anhand dessen zwischen reversiblen verzögert elastischen Verformungen und irreversiblen Fließverformungen unterschieden wird. Die einzelnen Modellparameter sind an die vorliegenden Versuchsdaten angepasst und ermöglichen somit eine gute Vorhersage des Verformungsverhaltens der beiden Referenzbetone unter konstanten und veränderlichen Spannungen. Zur Einbindung in für die Praxis geeignete Bemessungsansätze für Beton- und Stahlbetonbauteile wird neben dem nichtlinearen Summationsansatz ein vereinfachtes, linearisiertes Kriechmodell vorgestellt. Dieses verknüpft über das der DIN 1045-1 zugrundeliegende Kriechmodell das Materialverhalten ultra-hochfester Betone mit dem in der Literatur veröffentlichten Kenntnisstand zum Kriechverhalten normal- und hochfester Betone. Die nichtlineare sofortige Dehnung während der Lastaufbringung im Kriech- bzw. Relaxationsversuch wird über einen eigenen Modellteil beschrieben. Für die Vergleichbarkeit von gemessenen und berechneten Relaxationsdaten beinhaltet dieser sowohl die reversiblen elastischen als auch die irreversiblen plastischen Anteile. Folglich werden im Gegensatz zu verschiedenen Modellen aus der Literatur die plastischen Anteile nicht der Kriech- bzw. Fließverformung zugeschlagen. Des Weiteren wurde ein Modell für das Schwinden von UHPC hergeleitet. Unter Einbindung von Versuchsergebnissen eines weiteren Teilprojekts des DFG-Schwerpunktprogramms an der TU Braunschweig berücksichtigt das entwickelte Schwindmodell insbesondere das hohe Grundschwinden ultra-hochfester Betone innerhalb der ersten 24 Stunden nach der Betonherstellung. Zusätzlich besitzt es über eine Funktion in Abhängigkeit des Wasserzementwertes sowohl für ultra-hochfeste als auch für normalund hochfeste Betone Gültigkeit. Verschiedene Versuche ergaben keinen Einfluss des Fasergehaltes auf das Kriech- und Schwindverhalten der beiden Referenzbetone. Dementgegen bewirkt eine zweitägige Wärmebehandlung eine beschleunigte Hydratation des Zementsteins und eine entsprechende Reduktion der Kriechverformungen. Die gemessenen Quellverformungen wärmebehandelter Schwindproben liegen unter Umständen in chemischen Reaktionen im Zementstein begründet. Die Ursache ist in zukünftigen Forschungsvorhaben anhand systematischer Strukturuntersuchungen zu klären. Die Dauerstandfestigkeit der untersuchten ultrahochfesten Betone im Alter von 28 Tagen ist mit derjenigen normal- und hochfester Betone vergleichbar. Eine zweitägige Wärmebehandlung bewirkt ausschließlich beim Feinkornbeton M2Q eine leichte Reduktion der Dauerstandfestigkeit. Bei Herstellung dieses Betons ohne die Zugabe von Fasern brechen die Probekörper explosionsartig und spröde ab Belastungsgraden zwischen 60 und 70 % der Kurzzeitdruckfestigkeit. Die Untersuchung der verschiedenen Einflussparameter auf das Spannungs-Dehnungs-Zeitverhalten bildete eine erste systematische Datenbasis für die Modellierung des Verhaltens ultra-hochfeste Betone. Für eine weitergehende Optimierung der entwickelten Funktionen bzw. die Einbindung zusätzlicher Eingangsparameter in die Modelle sind zukünftig jedoch weitere Langzeituntersuchungen notwendig. Beispielsweise erfordert die genaue Bestimmung des Übergangs von linearen zu nichtlinearen Kriechverformungen die Untersuchung zusätzlicher Belastungsgrade. Des Weiteren wurden sämtliche Versuche an unversiegelten Probekörpern unter konstanten klimatischen Bedingungen von 20°C und 65 % rel. F. durchgeführt. Eine funktionale Einbindung der Umgebungsfeuchte in das Modell war auf Basis dieser begrenzten Daten nicht möglich. Die beiden im Schwerpunktprogramm vorgegebenen Referenzbetone unterscheiden sich neben dem Gehalt an grober Gesteinskörnung im Wasserzementwert und der Zusammensetzung der Matrix. Für die systematische Trennung dieser Einflussparameter sollten weitere ultra-hochfeste Betone mit entsprechend eingestellter Mischungszusammensetzung untersucht werden. Insbesondere im jungen Belastungsalter weist Beton ein hohes Kriechvermögen auf. Dieses ist eng mit der Festigkeitsentwicklung verknüpft, die in diesem Alter insbesondere von der Reaktivität der Bindemittel, der Zugabe von Zusatzmitteln und den Temperaturbedingungen abhängig ist. Diese Zusammenhänge sollten in einem zukünftigen speziell auf das Kriechverhalten junger Betone unter Druckbeanspruchung ausgerichteten Versuchsprogramm ermittelt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Creep and Shrinkage Characteristics of Ultra-High Strength Concrete (UHPC). In: Fehling, E.; Schmidt, M.; Stürwald, S. (Ed.): Ultra High Performance Concrete (UHPC). Proc. of 2nd International Symposium on Ultra High Performance Concrete. University of Kassel, Germany, March 5-7, 2008 (Structural Materials and Engineering Series, 10), pp. 469–476, kassel university press, Kassel, 2008
Burkart, Isabel; Müller, Harald S.
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Creep and Shrinkage Characteristics of Ultra-High Strength Concrete (UHPC). In: Tanabe, T.-a. et al. (Ed.): Creep, Shrinkage and Durability Mechanics of Concrete and Concrete Structures. Proc. of CONCREEP 8. Ise-Shima, Japan, September 30 - October 2, 2008, CRC Press, 2009
Burkart, Isabel; Müller, Harald S.
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Time-Dependent Behaviour of Ultra High Performance Concrete (UHPC). In: The International Federation for Structural Concrete (fib) (Ed.): Proc. of the 3rd International fib Congress and Exhibition. Incorporating the PCI Annual Convention and Bridge Conference. Washington, D.C., 2010, proceedings disk ID178
Müller, Harald S.; Burkart, Isabel; Budelmann, Harald; Ewert, Jens; Mechtcherine, Viktor; Dudziak, Lukasz et al.
