Analyse und Strukturierung der Verbundzone zwischen integrierten faseroptischen Dehnungssensoren und Mörtel- und Betonmatrizes

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Holschemacher
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik ; Architektur, Bau- und Konstruktionsgeschichte, Bauforschung, Ressourcenökonomie im Bauwesen ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518861712

Die Entwicklung der faseroptischen Sensorik (FOS) brachte in den vergangenen Jahren vielfältige Anwendungen im Bauwesen hervor. Darunter finden sich Messaufgaben innerhalb des Hochbaus, Tiefbaus, des Spezialtiefbaus oder der Geotechnik. Insbesondere im Hinblick auf eine ressourcenschonende, langzeitliche Nutzung von Bauwerken durch eine umfassende Zustandsüberwachung zeigt die verteilte faseroptische Sensorik (VFOS) enorme Potentiale zur Dehnungs- und Rissmessung innerhalb der zementgebundenen Matrix. Als Sensoren dienen dabei optische Glasfasern, die mit einem Coating oder Kabelaufbau geschützt werden. Da die Dehnungsänderungen nur im Faserkern erfasst werden, können je nach Dicke und Material des Coatings bzw. Kabelaufbaus sogenannte Dehnungsübertragungsverluste aufgrund von Schubverzerrungen oder Schlupf zwischen dem umgebenden Substrat und Faserkern auftreten. Vorhandene Dehnungsübertragungsmodelle (DÜM) berücksichtigen bereits die Verluste innerhalb des Sensoraufbaus. Dehnungsübertragungsverluste entlang der Verbundzone (ITZ) zwischen Matrix und Fasersensor konnten bisher allerdings weder quantifiziert noch in die DÜM integriert werden. Diese Informationen sind jedoch zwingend erforderlich, um die Dehnungssignale der FOS adäquat beurteilen zu können. Die Untersuchungen umfassen zwei grundlegende Methoden: Die Aufnahme von Schwinddehnungen mittels VFOS sowie CT-Scans (M1) und REM-Untersuchungen der ITZ an Schnittflächen (M2) aus Zementmörtel mit eingebetteten FOS. Darüber hinaus werden durch eine freie (S1) und eine behinderte Schwindverformung (S2) zwei Belastungsszenarien betrachtet. Die Messungen erfolgen jeweils nach 24 Stunden (Nullmessung) sowie drei und sieben Tagen. Ziel des Forschungsprojekts ist es mithilfe der beiden bewilligten Großgeräte (REM, CT) die Eigenschaften der ITZ zwischen den FOS und der umliegenden zementbasierten Matrix detailliert zu betrachten und deren Einflüsse experimentell zu bestimmen. In Abhängigkeit von Fasermantelmaterialien, Sensorquerschnitt sowie der Zusammensetzung der Matrix (Zusatzstoffe) und der Beweglichkeit des Wassers (Zusatzmittel) soll ein DÜM formuliert und Handlungsempfehlungen für den Einsatz FOS zur Dehnungsmessung in zementgebundenen Matrices innerhalb des SHM abgeleitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen