Experimentelle Untersuchungen und mikrostrukturbasierte Modellierung des elastischen und viskoelastischen Verhaltens von PCC in Abhängigkeit von der Temperatur

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Andrea Osburg
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429470033

Durch die zunehmenden ökonomischen und ökologischen Anforderungen an Ingenieurbauwerke besteht verstärkt die Notwendigkeit, die Widerstandsfähigkeit des Baustoffs Beton gegen unterschiedlichste Beanspruchungen zu optimieren. Die Modifizierung des Bindemittels mit thermoplastischen Polymeren stellt seit vielen Jahren eine etablierte Methode dar, die Dauerhaftigkeit, chemische Beständigkeit und adhäsiven Eigenschaften von zementgebundenen Materialien zu verbessern. Die Anwendungsfelder von polymermodifizierten Mörteln und Betonen (polymer-modified cement concrete, PCC) wurden deshalb in den vergangenen Jahren stetig erweitert. Um PCC als Konstruktionsbaustoffe zu etablieren, ist ein umfassendes Verständnis der Auswirkungen von Polymermodifikationen auf das mechanische Verhalten grundlegend. Insbesondere bezüglich der elastischen und viskosen Verformungseigenschaften ergeben sich zum Teil deutlich Abweichungen gegenüber konventionellen Mörteln und Betonen. Aufgrund der ausgeprägten Temperaturabhängigkeit der Polymere ist es jedoch notwendig, das mechanische Verhalten von PCC als Funktion der Temperatur beschreiben zu können. Zielsetzung des Projektes ist es, die Temperaturabhängigkeit der elastischen und viskoelastischen Eigenschaften von ausgewählten PCC zu charakterisieren. Hierzu wird auf skalenübergreifende experimentelle und analytische Ansätze zurückgegriffen, die sich gegenseitig ergänzen. Der temperaturabhängige Einfluss der Polymere auf das Last-Verformungs-Verhalten von Zementsteinen, Mörteln und Betonen wird sowohl durch Standarduntersuchungen als auch durch neuartige Belastungsversuche charakterisiert. Letztere umfassen Kurzzeitkriechtests, bei denen die Probe während der ersten Woche nach der Herstellung stündlich für drei Minuten mit einer Druckkraft belastet wird. Diese Vorgehensweise ermöglicht die quasi-kontinuierliche Bestimmung der elastischen Eigenschaften und der Kriechdehnungen der Proben. Komplementiert werden diese Ergebnisse durch Langzeitkriechtests, sodass das Kriechverhalten der PCC umfassend beschrieben werden kann. Die jeweiligen Versuche werden bei verschiedenen Temperaturen zwischen -20 und +60 °C durchgeführt. Mikrostrukturuntersuchungen vor und nach der Temperaturbeeinflussung geben zudem Aufschluss zu Änderungen der Morphologie einzelner Phasen. Die gewonnenen Untersuchungsergebnisse werden in einem semi-analytischen Multiskalenmodell, das auf Methoden der Kontinuumsmikromechanik basiert, gebündelt. Durch einen Bottom-up Ansatz werden homogenisierte Eigenschaften auf der Makroskala ausgehend vom spezifischen mikrostrukturellen Verhalten bestimmt. Die sich infolge des Temperatureinflusses verändernde Mikrostruktur kann somit direkt mit dem makroskopischen Materialverhalten korreliert werden. Nach Erweiterung eines existierenden Multiskalenmodells durch die Berücksichtigung von Prinzipien der Thermoporoelastizität soll die Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von PCC vorhersagbar gemacht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen