Experimentelle Untersuchung und Analyse der Schädigungsevolution in Beton unter hochzyklischen Ermüdungsbeanspruchungen
Thiele, Marc; Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin (Organisation)
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht das Ermüdungsverhalten von Beton unter hochzyklischen Druckschwellbeanspruchungen. Der aktuelle Wissensstand bezüglich des Ermüdungsverhaltens ist nach wie vor sehr lückenhaft. Ganz besonders trifft das auf den eigentlichen Ermüdungsprozess zu, der dem abschließenden Ermüdungsversagen vorausgeht. Dem Defizit im Wissen um das Ermüdungsverhalten steht allerdings eine zunehmende Bedeutung der Thematik in der Baupraxis gegenüber. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit eine systematische Untersuchung des Ermüdungsprozesses vorgenommen. Damit wird ein Beitrag geleistet, um einen tieferen Einblick und ein besseres Verständnis für den Schädigungsprozess und die damit verbundenen Vorgänge innerhalb des Betons zu gewinnen. Die experimentellen Untersuchungen bestehen im Wesentlichen aus einstufigen Dauerschwingversuchen im Druckschwellbereich an zylindrischen Probekörpern aus Normalbeton. Verwendet wurden zwei verschiedene Ermüdungslastniveaus, die Bruchlastzyklen zwischen 1E6 und 1E7 sowie zwischen 1E3 und 1E4 erzeugten. Die Untersuchung des Ermüdungsvorgangs erfolgte durch den Einsatz verschiedener ZfP- und ZP-Methoden, wie der Dehnungsmessung, der Messung flächiger Oberflächenverformungen, der Ultraschallmessung, der Schallemissionsmessung, der Lichtmikroskopie und des Rasterelektonenmikroskops. Zur Bewertung einiger Einflussgrößen im Zusammenhang mit dem Ermüdungsverhalten fanden zudem ergänzende Versuche zum Kriecheinfluss sowie zum Einfluss der Probengröße statt. Es konnte festgestellt werden, dass es sich bei dem Ermüdungsvorgang um eine von Beginn an einsetzende Schädigungsevolution innerhalb des Betons handelt. Diese beeinflusst die verschiedenen Materialeigenschaften des Betons in vielfältiger und sehr unterschiedlicher Weise. Die wesentlichste Feststellung in diesem Zusammenhang ist, dass die ermüdungsbedingte Materialschädigung zu einer Veränderung der gesamten Spannungs-Dehnungs-Beziehung führt, die sich ebenfalls in einem fortlaufenden Evolutionsprozess äußert. Aus den Untersuchungen konnten als entscheidende Ursache für die beobachteten Veränderungen im makroskopischen Materialverhalten Veränderungen in der Mikrorissstruktur nicht festgestellt werden. Vielmehr weisen die Ergebnisse der Untersuchungen darauf hin, dass die ermüdungsbedingten Veränderungen speziell in den Phasen I und II vorrangig das Resultat von viskosen Prozessen innerhalb des Zementsteins sind. Darüber hinaus geht aus den Versuchen hervor, dass auch das Kriechen zu relativ ähnlichen, aber weniger stark ausgeprägten Veränderungen im Material führt. Ein Einfluss der Probengröße auf das resultierende Verhalten konnte sowohl im statischen als auch im zyklischen Fall beobachtet werden. Aus den gewonnenen experimentellen Erkenntnissen wird eine Beschreibung der Vorgänge abgeleitet, die während des Ermüdungsprozesses im Materialgefüge ablaufen und zu den beobachteten makroskopischen Veränderungen führen. In diesem Zusammenhang hat sich herausgestellt, dass eine Erfassung der ermüdungsbedingten Schädigung anhand einer skalaren Größe über die Steifigkeit der tatsächlichen Veränderung der Spannungs-Dehnungs-Beziehung nicht gerecht wird. Eine Betrachtung im Hinblick auf einen zuverlässigen Schädigungsindikator im Zusammenhang mit den gemessenen Größen liefert zudem einen Überblick über die Eignung verschiedener Größen zur Erfassung des Ermüdungsschädigungsgrades im Beton. Abschließend wird ein Ansatz vorgestellt, der die beobachteten Entwicklungen entscheidender Größen im Ermüdungsvorgang abzubilden vermag.
The main objective of this thesis is the fatigue behavior of concrete under high-cycle compressive loadings. Current knowledge about fatigue behavior of concrete is still incomplete. This concerns especially the process of fatigue which is preceding the fatigue failure. The leak of knowledge about fatigue behavior is opposed to the steady growing importance of this topic within the practice in civil engineering. Therefore, within this thesis a systematic and comprehensive investigation of the process of fatigue itself was done. This contributes to the better understanding of the progression of damage and the corresponding processes within the material.
The experimental investigation consisted mainly of experiments with constant amplitude loadings in compression with cylindrical specimen made of normal strength concrete. Two differed load levels were used which resulted in numbers of cycles to failure of 1E6 and 1E7 as well as 1E3 and 1E4. The experiments were done in combination with different types of nondestructive and destructive testing methods like strain measuring, deformation of surface, ultrasonic signals, acoustic emissions, optical microscopy and also scattering electron microscopy. To access some parameters of influence in relation to the fatigue behavior additional creep tests and also several tests with different scales of specimen were done.
The fatigue process of concrete is determined as an evolution of damage that starts from the beginning of the loading process. This evolution has manifold and different influences on the different material properties of concrete. In this relation a major finding was that fatigue related damage leads to a transformation of the complete stress-strain-relationship. This relationship is also subjected to an evolution process.
Due to the authors observations it could not be determined that the investigated changes in macroscopic material behavior are caused by a development of micro cracks within the material structure. The results of the investigation indicated that rather the fatigue related changes in material behavior are mainly a result of viscous processes in cement stone especially in phase I and II of the fatigue process. Furthermore, it was observed that creep in concrete leads to similar but lesser changes in material behavior of concrete. Beside this, tests with different scales of specimens have shown an appreciable effect of size on the resulting material behavior under static and cyclic loadings respectively.
From these experimental findings a detailed description was derived about the processes which take place within the material structure during the fatigue loading and also leads to the observed macroscopic changes in material behavior. In this context, the tests have shown that relating to stiffness reduction a scalar value could not capture the damage effect on the stress-strain-relationship caused by fatigue. A following consideration gives an overview about applicability of the different measured parameters for the detection of the degree of fatigue damage with regard to a reliable damage indicator. Finally an approach is presented which is able to describe the investigated developments of significant values within the observed fatigue process.
