Ermüdungsinduzierte Schädigung von UHPC - Experimentelle Ergebnisse und BPM-Modellierung
Creators: name: Rybczynski, Sebastian
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: Betonermüdung
subject: DEM
subject: Ermüdungssimulation
subject: REM
subject: TEM
subject: UHPC
classificationCode: 6
subject: Technology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials Science

description: Aufgrund der steigenden Bedeutung von filigraneren, leichteren und damit nachhaltigeren Betonstrukturen wird der Bedarf an ultrahochfesten Betonen (UHPC - ultra-high performance concrete) immer größer. Trotz der beeindruckenden mechanischen Eigenschaften muss festgehalten werden, dass die Toleranz gegenüber zyklischen Belastungen im Vergleich zu Normalbeton deutlich reduziert ist. Bisher erfolgte die Beschreibung des Ermüdungswiderstandes über makroskopische Zusammenhänge. Eine Untersuchung der Mechanismen auf kleineren Skalen fand im Hinblick auf die Ermüdungsproblematik aber nicht statt. Infolgedessen verfolgt diese Arbeit das Ziel, ermüdungsinduzierte Schädigungen auf der Nano-, Mikro- sowie Meso- und Makroskala mithilfe experimenteller (REM, TEM) und numerischer Methoden (Bonded Particle Model) zu untersuchen. Im Zuge einer umfangreichen mechanischen Charakterisierung eines UHPC wurden sowohl statische als auch zyklische Versuche durchgeführt. Ein eigens entwickeltes rheologisches Ermüdungsmodell ermöglichte es, Ermüdungssimulationen durchzuführen, welche die essenziellen Ermüdungscharakteristika des Materials wiedergeben. Hervorzuheben ist dabei der schädigende Einfluss der Gesteinskörnung, der zu Spannungsspitzen im Gefüge führt und somit eine Schlüsselrolle in den mesoskaligen Schädigungsmechanismen spielt. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Zyklensprungmethode entwickelt, um tiefergehende Einblicke während hochzyklischer Belastung zu erlangen. Diese Methode wurde in Verbindung mit Erkenntnissen über den Einfluss des unhydratisierten Zements auf die Bruchlastspielzahlen gebracht, wodurch mögliche Erklärungen für die beobachteten experimentellen Streuungen gezeigt werden konnten. Zudem zeigten TEM Untersuchungen signifikante Gefügeveränderungen in der C-S-H-Struktur und eine Ausbildung von Rissvorstufen während der Ermüdung. Durch eine höhere Konzentration von Schwefel und Aluminium im umliegenden Bereich der Rissvorstufen wird vermutet, dass die Veränderungen mit der Präsenz und Umkristallisation von Ettringit assoziiert sind. Die Kopplung der angewandten experimentellen und numerischen Methoden erwies sich als effektives Werkzeug für die Untersuchungen auf Nano-, Mikro-, Meso- und Makroskala. Dadurch wurden essentiell Erkenntnisse gewonnen, die das Verständnis des Ermüdungsprozesses entscheidend vertiefen.
description: Due to the growing demand for more delicate, lighter and therefore more sustainable concrete structures, the need for UHPC is becoming more and more significant. Despite the impressive mechanical properties, it must be noted that the tolerance to cyclic loads is significantly reduced compared to normal concrete. Until now, the description of fatigue resistance has been based on macroscopic relationships. However, an investigation of the mechanisms on smaller scales did not take place with regard to the fatigue problem. Consequently, this work pursues the goal of investigating fatigue-induced damage on the nano, micro, meso and macro scales using experimental (SEM, TEM) and numerical methods (Bonded-Particle-Model). In the scope of mechanical characterisation of the UHPC, both static and cyclic tests were carried out. A specially developed rheological fatigue model made it possible to carry out fatigue simulations that reflect the essential fatigue characteristics of the material. The damaging influence of the aggregate, which leads to stress peaks in the microstructure and thus plays a key role in the mesoscale damage mechanisms, should be emphasised. Furthermore, a cycle jump method was developed within the scope of this work in order to gain deeper insights during high-cycle loading. This method was combined with findings on the influence of the unhydrated cement on the fracture load cycles, showing possible explanations for the observed experimental scatter. In addition, TEM investigations showed significant microstructural changes in the C-S-H structure and a formation of crack precursors during fatigue. Due to a higher concentration of sulphur and aluminium in the surrounding area of the crack precursors, it is suspected that the changes are associated with the presence and recrystallisation of ettringite. The joint coupling of the applied experimental and numerical methods proved to be an effective tool for the investigations on nano, micro, meso and macro scales. As a result, essential insights were gained that decisively deepen the understanding of the fatigue process.