Teilvorhaben: „Wirkung von Mikrofasern auf die Degradation in Hochleistungsbeton unter zyklischer Beanspruchung“

Ziel des Forschungsprojektes ist es, das Potential von Mikrofasern auf die Degradation in Hochleistungsbeton unter zyklischer Beanspruchung hinsichtlich einer Mikrorissbreitenbegrenzung zu beurteilen. Dazu wurden in der ersten Förderperiode insbesondere das Verbundverhalten von Fasern zur Überbrückung von Mikrorissen sowie deren Auswirkung auf die Entwicklung von Mikrorissen während zyklischer Beanspruchung untersucht. Ebenso wurden experimentelle Analysen zum Einfluss der Gesteinskörnung auf den Ermüdungswiderstand von hochfestem Beton durchgeführt. Daraus haben sich erste Erkenntnisse ergeben, in welchem Stadium des Schädigungsprozesses die Mikrofasern ihre Wirkung entfalten. Des Weiteren wurde untersucht, ob bei hochzyklischer Druckbeanspruchung primär eine Zunahme der Anzahl der Mikrorisse stattfindet oder sich bereits entstandene Mikrorisse kontinuierlich ausbreiten. Mit dem Fokus auf die zyklisch induzierten Schädigungsprozesse wurde auch untersucht, inwieweit die Mikrorissbildung und -entwicklung im Beton durch die Gesteinskörnung und im Zementstein durch dessen Homogenität (Kapillarporen, Mikroluftporen) beeinflusst wird.  Aufbauend auf den Erkenntnissen der 1. Förderperiode sollen in der 2. Förderperiode weiterführende Untersuchung durchgeführt werden. Die bisherigen experimentellen Ergebnisse bestätigen die im Projekt verfolgte Hypothese, wonach Materialermüdung in hochfestem Beton als mehrskaliger, stochastischer Prozess auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen zu betrachten und zu modellieren ist. Die darauf aufbauende Modellierungsstrategie erfordert daher die experimentelle Analyse sowohl der mikrostrukturellen Änderungen auf der CSH-Ebene als auch der zyklenbedingten Veränderungen des Betongefüges durch Mikrorisse auf der Meso-Skalen-Ebene. Ein weiteres wichtiges Forschungsziel in der zweiten Phase liegt auf der experimentellen Untersuchung und der Modellierung der Wirkung unterschiedlicher Fasertypen auf das Ermüdungsverhalten von hochfestem Beton bei hochzyklischer Beanspruchung. Neben dem Einfluss von Carbon- und Mikrostahlfasern auf die Mikroriss-Entwicklung wird auch die Wirksamkeit von Carbon-Nanotubes (CNTs) bei der Überbrückung potenzieller Nanodefekte /-risse untersucht.  Die Schädigungsprozesse werden sowohl in einschlägigen Laboruntersuchungen experimentell erfasst als auch durch gefügeorientierte numerische Modelle – im Experimental-Virtual-Lab - beschrieben, um die Mikrorissbildung sowie die Schädigungsakkumulation im Zuge zyklischer Beanspruchung abzubilden.

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• Schäfer, N.; Breitenbücher, R. (2021). Microcracking of high-performance concrete under cyclic loading and the influence of the aggregate. In: Proceedings of the 13th fib PhD Symposium 2021, Paris, France, pp. 275-282
• Schäfer, N.; Gudžulić, V.; Breitenbücher, R.; Meschke, G. Experimental and Numerical Investigations on High Performance SFRC: Cyclic Tensile Loading and Fatigue. Materials 2021, 14, 7593. https://doi.org/10.3390/ma14247593.
• Schäfer, N.; Breitenbücher, R. (2020). Influence of Aggregate on Fatigue Behavior of High-Performance Concrete Under Cyclic Loading. In: Proceedings of the fib Symposium 2020, Shanghai, China, pp. 781-787
• Gudžulić V., Timothy J.J.., Schäfer N., Breitenbücher R., and Meschke G. (2019). Computational modeling of damage evolution in concrete due to cyclic loading. VI International Conference on Computational Modeling of Fracture and Failure of Materials and Structures, CFRAC 2019, 12.07. – 14.07.2019 in Braunschweig, Germany
• Schäfer, N.; Breitenbücher, R. (2019): Pull – Out tests of carbon and high-strength steel microfibres in a cement-based matrix. In: Derkowski, W. et al. (Ed.): Proceedings of the fib Symposium 2019, 27.-29.05.2019 in Krakau (Polen), S. 1888-1895
• Schäfer, N.; Gudžulic, V.; Timothy, J.J.; Breitenbücher, R.; Meschke, G. (2019): Fatigue behavior of HPC and FRC under cyclic tensile loading: Experiments an modeling. In: Structural Concrete 20, pp. 1265-1278
• Schäfer, N.; Przondziono, R.; Breitenbücher, R. (2018): Microstructural degradation in cementitious materials induced by cylic loading. In: 2nd Materials Chain International Conference, MCIC 2018, 12.11.-14.11.2018 in Bochum