Ermüdungsinduzierte Schädigung von UHPC - Experimentelle Ergebnisse und BPM-Modellierung

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.