Mehraxiale Festigkeit von duktilem Hochleistungs­beton

Projektdaten

Kurzbeschreibung

Bei der zweiaxialen Beanspruchung von Hochleistungsbeton ist in der Umgebung des Spannungsverhältnisses Spannung 2/Spannung 1 = 1 die zweiaxiale Druckfestigkeit in derselben Größenordnung wie die Prismenfestigkeit bei einaxialer Beanspruchung. Dies wird auf die geringe Plastizität bzw. die große Sprödigkeit von Hochleistungsbeton zurückgeführt und kann in Einzelfällen zu einer Verminderung der Sicherheit führen. Durch die Zugabe von einem Fasermix aus Stahl- und Polypropylenfasern, der von Prof. König und Mitarbeitern (Leipzig) entwickelt wurde, konnte die Duktilität von Hochleistungsbeton unter einaxialer Beanspruchung deutlich verbessert werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens war es nun, das genannte Sicherheitsrisiko ebenfalls durch die Zugabe eines Fasercocktails zu beheben, der auf das Bruchverhalten unter mehraxialer Beanspruchung abgestimmt ist. Dazu wurden Würfel aus Hochleistungsbeton und einem Fasermix in der in Dresden vorhandenen Mehraxial-Prüfmaschine geprüft. Die Versuchsserie umfasst Festigkeitsklassen von B65 bis B115, welche unter zweiaxialer Druckbeanspruchung mit den Spannungsverhältnissen Spannung 2/Spannung 1 = 0/1; 0,05/1; 0,2/1; 0,4/1; 0,6/1; 0,8/1 und 0,95/1 und unter dreiaxialer Druckbeanspruchung mit den Spannungsverhältnissen Spannung 3/Spannung 2/Spannung 1 = 0,05/0,05/1; 0,05/0,20/1, 0,05/0,60/1 und 0,05/0,95/1 geprüft wurden. Durch die Zugabe von Fasercocktail wurde das Bruchverhalten deutlich verändert. Statt dem ursprünglich
explosionsartigen Versagen von Hochleistungsbeton fand eine ausgeprägte Plateaubildung statt. Die dabei auftretenden Risse waren sehr fein verteilt und nach der Entlastung mit bloßem Auge nicht mehr erkennbar. Die zweiaxiale Festigkeit konnte auf das 1,2- bis 1,25-Fache der einaxialen Druckfestigkeit angehoben werden und entspricht damit den Werten von Normalbeton.

Im Zusammenhang mit diesem Forschungsvorhaben wird der Einfluss der Lasteinleitung mittels Belastungsbürsten und der Einfluss der einteiligen Prüfmaschine auf das Festigkeits- und Verformungsverhalten der Probekörper untersucht.

Durch die Zugabe des so genannten Fasercocktails, einer Mischung aus Stahl- und Polypropylenfasern, wird das Spannungs-Dehnungsverhalten des Hochleistungsbetons positiv beeinflusst. Die Wirksamkeit ist aber abhängig von der Beanspruchungsart und der Orientierung der Fasern, welche wiederum von der Technologie bei der Betonherstellung abhängig ist.

Bei einaxialer Beanspruchung führte der Zusatz von Fasercocktail zu einer Erhöhung der Festigkeit. Diese war größer, wenn die Belastung in Betonierrichtung erfolgte und dadurch die Richtung der Fasern mit der Richtung der Querzugspannungen übereinstimmte. Außerdem konnte die Zunahme der Duktilität verzeichnet werden. Die Bruchdehnung vergrößerte sich und der Bruch erfolgte nicht explosionsartig, wie es von Hochleistungsbeton bekannt ist.

Am größten war der Festigkeitszuwachs gegenüber faserfreiem Hochleistungsbeton unter zweiaxialer Beanspruchung. Für eine optimale Wirksamkeit muss der Fasergehalt mit steigender Festigkeit des faserfreien Referenzbetons erhöht werden. Ausgehend von einer faserfreien Mischung steigt die Festigkeit nicht proportional mit dem Fasergehalt, sondern läuft gegen einen Grenzwert. Aber auch mit den geringeren Fasergehalten konnte die zweiaxiale Festigkeit, die bei faserfreiem Beton lediglich 9 % größer war als die einaxiale Festigkeit, auf einen Wert gebracht werden, der um 17 % oder mehr die einaxiale Festigkeit übertrifft.

Bei der Dehnung konnten analoge Zuwächse wie unter einaxialer Beanspruchung verzeichnet werden. Die dafür erforderlichen Risse sind sehr fein verteilt und werden durch die Fasern optimal vernäht, so dass sie nach einer Entlastung nicht mehr sichtbar sind. Eine anschließende einaxiale Belastung der zweiaxial vorgeschädigten Prüfkörper ergab im Mittel noch 99 % der Tragfähigkeit, die an nicht vorbelasteten Proben gewonnen wurde.

Bei den dreiaxialen Druckversuchen waren keine signifikanten Unterschiede in der absoluten Festigkeit zwischen faserfreien Hochleistungsbetonen und denen mit Fasercocktail festgestellt werden. Während bei ein- und zweiaxialer Beanspruchung das Risswachstum im Wesentlichen nur von den Fasern begrenzt werden kann, wirkt bei dreiaxialer Beanspruchung der stützende Querdruck einem Risswachstum entgegen. Da dieser Prozess unabhängig vom Fasergehalt abläuft, hat dieser auch keine signifikanten Auswirkungen auf die dreiaxiale Festigkeit. Da sich die Absolutwerte der dreiaxialen Festigkeit von Betonen mit und ohne Fasern kaum unterscheiden, die einaxiale Festigkeit bei Beton mit Fasern jedoch größer ist, liefert bei einer normierten Betrachtung der Beton mit Fasern die niedrigeren Werte.

Bei gleich bleibender Festigkeit weist der Hochleistungsbeton mit Fasercocktail die völligere Arbeitslinie und die größere Bruchdehnung auf. Die Risse sind sehr fein verteilt und es bilden sich keine durchgehenden Gleitebenen aus. Die Resttragfähigkeit nach der dreiaxialen Beanspruchung beträgt im Mittel 93 % der Festigkeit von nicht vorbelasteten Körpern.

Durch die Zugabe des Fasercocktails wird unabhängig von der Beanspruchungsart die Duktilität erhöht und ein explosionsartiges Versagen verhindert. Soll durch die Fasern auch die Festigkeit gesteigert werden, lohnt sich der Einsatz von Fasercocktail vor allem bei ein- und zweiaxialer Beanspruchung. Die Fasermenge ist dabei auf die Festigkeit des Betons und auf den Herstellungsprozess abzustimmen, da dieser zum einen die Orientierung der Fasern beeinflusst und zum anderen ein zu hoher Fasergehalt die Verarbeitbarkeit des Betons verschlechtert. Eine positive Auswirkung des Fasercocktails ist auch bei druck-zug-beanspruchten Bauteilen zu erwarten, wobei in diese Richtung weiterer Forschungsbedarf besteht.