Temperatur- und feuchteinduzierte Schädigungsprozesse infolge zyklischer mehrachsiger Druckschwellbeanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Harald Garrecht; Professor Dr.-Ing. Holger Steeb
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 353921616

Im vorliegenden Antrag haben sich Wissenschaftler der Universität Stuttgart aus den Gebieten der Materialwissenschaften (MPA Universität Stuttgart) und der Kontinuumsmechanik (Institut für Mechanik) zusammengeschlossen, um temperatur- und feuchteinduzierte Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen infolge zyklischer, mehrachsiger Druckschwellbeanspruchungen zu untersuchen. Als grundlegende Arbeitshypothese wird angenommen, dass räumliche Spannungszustände im Betongefüge wesentlichen Einfluss auf makroskopische Rissbildungsprozesse haben. Demgegenüber stehen ermüdungsbedingte Schädigungsprozesse, die wesentlich durch die Probekonditionierung (Feuchtegehalt und Temperatur) beeinflusst werden. Ermüdungsschäden laufen nach aktuellem Forschungsstand auf mikroskopischer Ebene in der Zementsteinstruktur ab. Entsprechend liegt der inhaltliche Schwerpunkt des Antrags auf der Erweiterung der in der ersten Förderphase vorgenommenen Untersuchungen von Schädigungsprozessen bei einachsigen Beanspruchungen, und widmet sich den mehrachsig wirkenden Druckschwellbeanspruchungen. In der Arbeitsgruppe Materialwissenschaften wird dazu eine Triaxialzelle zur Durchführung zyklischer Druckschwellversuche für Zylinderproben mit Durchmessern bis 60 mm entwickelt. Hierin lassen sich temperatur- und feuchteinduzierte Ermüdungsschädigungsprozesse systematisch untersuchen. Im Anschluss an die zyklischen mehrachsigen Belastungen sollen später auch komplexe Belastungsreihenfolgen überlagert werden. Die Charakterisierung der Schädigungsprozesse erfolgt mit Hilfe von BET, Hg-Porosimetrie und XRCT. Ergänzend kommen bildgebende Verfahren wie Lichtmikroskopie und REM skalenübergreifend zum Einsatz. Es wird erwartet, dass die gewonnenen Erkenntnisse erlauben, ein Modell zur Beschreibung der Schädigungsphänomene auf Basis globaler Schädigungsindikatoren abzuleiten. Mit diesem sollten sich dann erstmals qualitative Prognosen zur Degradationsentwicklung vornehmen lassen. In der Arbeitsgruppe Kontinuumsmechanik werden Zwillingsproben unter statischen triaxialen Vorlasten für einen breiten Frequenzbereich im Tangentialraum unter zyklischer Belastung visko-elastisch charakterisiert. Um den Temperatureinfluss zu erproben, werden die Proben in der Triaxialzelle mit einem temperierten Fluid über den Manteldruck belastet. Parallel dazu werden im offenen XRCT- Scanner hochauflösende Scans von geschädigten Proben charakterisiert. Basierend auf diesen Scans wird numerisch die hydro- mechanische Wechselwirkung von makroskopischen Einzelrissen auf die geschädigte Betonmatrix untersucht. Unter Verwendung einer hocheffizienten hybriden FEM werden in Erweiterung der in der 1. Antragsphase unternommenen numerischen Analysen nunmehr porenaufgelöste Simulationen vorgenommen. Ziel des Gesamtvorhabens ist, die in der 1. Förderphase gewonnenen Erkenntnisse der Schädigungsprozesse besser zu verstehen und abgeleitete Modelle zur Schädigungsinitiierung und Rissentwicklung weiter zu verallgemeinern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2020: Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab