Vergleichende Untersuchung zum Kriechverhalten von Mineralguss, Naturhartgestein und Nanodur-Beton

Transkript

1 Vergleichende Untersuchung zum Kriechverhalten von Mineralguss, Naturhartgestein und Nanodur-Beton Abschlussbericht Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher Dr.-Ing. Marcel Fey Aachen,

2 Inhalt 1 Ausgangssituation, Vorgehen und Zielsetzung 2 Versuchsaufbau 3 Versuchsbedingungen 4 Untersuchungsergebnisse 5 Zusammenfassung Seite 2

3 Ausgangssituation, Vorgehen und Zielsetzung Überblick Ausgangssituation Die Firma durcrete GmbH stellt Maschinenbauteile und Elemente aus Hochleistungsbeton Ultra High Performance Concrete her. Wesentlicher Bestandteil der Materialentwicklung ist die Durchführung von Untersuchungen an Materialproben. Zur Bestimmung der Materialeigenschaften des Betons werden unter anderem Kriechversuche durchgeführt. Zielsetzung Es werden vergleichende Untersuchungen zum Kriechverhalten an sechs Proben durchgeführt. Unter Kriechen wird hier eine plastische, zeitabhängige Verformung unter Last verstanden. Ziel ist es, die Durchbiegung aufgrund von Kriechen über der Zeit mittels geeigneter Messtechnik aufzunehmen und die Messwerte für einen Vergleich aufzubereiten. Folgende Proben werden untersucht: 2 x Nanodur ohne WB 2 x Nanodur mit WB 1 x Naturhartgestein 1 x Polymerbeton Vorgehen Zum Erreichen des definierten Ziels werden folgende Arbeitspunkte durchgeführt: Konstruktion, Fertigung und Inbetriebnahme von zwei Prüfständen Versuchsdurchführung Dokumentation Seite 3

5 Versuchsaufbau Prüfstand Seitenansicht F Prüflast Hebelarm Lastarm Auflage Gewicht zum Tausch der Proben F Gewicht Gewicht Zentrische Aufnahme der Verlagerung Probe Kraftmessdose Sensorschutz Grundplatte Wegsensor Seite 5

6 Versuchsaufbau Prüfstand Draufsicht Positionierung der Last Verschraubung Kraftmessdose Lastarm Sensorschutz Auflage Gewicht Seite 6

7 Versuchsaufbau Gesamtübersicht Prüfstand Messuhr Auflagepunkte Messpunkt Messuhr Lastarm Auflage Gewicht zum Tausch der Proben F Prüflast Gewicht Luftfeuchtigkeitssensor Schaltschrank Wegsensor Temperatursensor Seite 7

8 Versuchsaufbau Gesamtübersicht Prüfstand Messuhr Inbetriebnahme von zwei baugleichen Prüfständen Montage auf einem Tisch Lastaufbringung mithilfe eines konstanten Gewichts Messung der Last mittels einer Kraftmessdose über die gesamte Versuchsdauer Messung der Temperatur mittels Temperatursensoren ober- und unterhalb der Proben Messung der Verlagerung mittels taktilem Sensor unterhalb der Probe sowie einer digitalen Messuhr Aufzeichnung der Luftfeuchtigkeit über die komplette Versuchsdauer Seite 8

9 Versuchsaufbau Proben Proben Nanodur mit WB I / III Nanodur mit WB II Naturhartgestein Nanodur ohne WB I / III Nanodur ohne WB II Polymerbeton Seite 9

10 Versuchsaufbau Proben Abmessung der Probe und Spannungsverteilung Probe l/b/h [mm] σ [N/mm 2 ] b h Nanodur ohne WB I / III 160/40/14,6 5,26 Nanodur mit WB I / III 160/40/15,1 4,92 F Last = 230 N Nanodur ohne WB II 160/40/15 4,98 Nanodur mit WB II 160/40/14,9 5, mm Naturhartgestein 160/40/14,8 5,12 Polymerbeton 160/40/14,9 5,05 Seite 10

11 Versuchsaufbau Messtechnik Verwendung von zwei redundanten Messsystemen Keyence Mahr GT2-P12K Linearer Glasmaßstab Messbereich 12 mm Auflösung 0,1 µm Anzeigegenauigkeit 1 µm Aufzeichnung der Messwerte über gesamte Versuchsdauer Millimess 2001 Wegmessung Messuhr Messbereich 1,8 mm Auflösung 0,5 µm Anzeigegenauigkeit 0,6 µm Kontrollmessung ohne Aufzeichnung Seite 11

13 Versuchsbedingungen Polymerbeton / Nanodur ohne WB I* relative Luftfeuchtigkeit in % Temperatur in C Konstante Raumtemperatur von ca. 20 C ±1 C Konstante Luftfeuchtigkeit ± 5% Messschrieb Temperatur und Luftfeuchtigkeit Kurvenzüge Konstante Belastung 230 N Versuchsdauer min. 90 Tage op Nanodur ohne WB up Nanodur ohne WB op Polymerbeton up Polymerbeton RH Zeit in Tagen op: oberhalb der Probe up: unterhalb der Probe *Nanodur ohne WB I lieferte innerhalb dieser Messung keine verwertbaren Ergebnisse und taucht daher nachfolgend nicht mehr auf. Seite 13

14 Versuchsbedingungen Naturhartgestein / Nanodur mit WB I relative Luftfeuchtigkeit in % Temperatur in C Konstante Raumtemperatur von ca. 20 C ±1 C Konstante Luftfeuchtigkeit ± 5% Messschrieb Temperatur und Luftfeuchtigkeit Kurvenzüge Konstante Belastung 230 N Versuchsdauer min. 90 Tage op Nanodur ohne WB up Nanodur ohne WB op Naturhartgestein up Naturhartgestein RH Zeit in Tagen op: oberhalb der Probe up: unterhalb der Probe Seite 14

15 Versuchsbedingungen Nanodur mit WB II / Nanodur ohne WB II relative Luftfeuchtigkeit in % Temperatur in C Konstante Raumtemperatur von ca. 20 C ±1 C Konstante Luftfeuchtigkeit ± 5% Messschrieb Temperatur und Luftfeuchtigkeit Kurvenzüge Konstante Belastung 230 N Versuchsdauer min. 90 Tage op Nanodur ohne WB up Nanodur ohne WB op Nanodur mit WB up Nanodur mit WB RH Zeit in Tagen op: oberhalb der Probe up: unterhalb der Probe Seite 15

16 Versuchsbedingungen Nanodur mit WB III / Nanodur ohne WB III relative Luftfeuchtigkeit in % Temperatur in C Konstante Raumtemperatur von ca. 20 C ±1 C Konstante Luftfeuchtigkeit ± 5% Messschrieb Temperatur und Luftfeuchtigkeit Kurvenzüge Konstante Belastung 230 N Versuchsdauer min. 14 Tage op Nanodur ohne WB up Nanodur ohne WB op Nanodur mit WB up Nanodur mit WB RH Zeit in Tagen op: oberhalb der Probe up: unterhalb der Probe Seite 16

18 Untersuchungsergebnisse Detailauswertung Messung: Polymerbeton Verlagerung in mm Versuchsablauf Versuchslauf vom Ein Messwert alle 10 Sek. Ca Messwerte über 104 Tage Gemessene Durchbiegung ca. 3 µm Kontrollmessung Messuhr: 5 µm Messschrieb Wegsensor 0,0500 0,0480 0,0460 0,0033 mm 0,0440 0,0420 0,0400 Initiale Verlagerung aufgrund der Initiale Lastaufbringung Verlagerung aufgrund der Lastaufbringung Zeit in Tagen Seite 18

19 Untersuchungsergebnisse Detailauswertung Messung: Naturhartgestein Verlagerung in mm Versuchsablauf Versuchslauf vom Ein Messwert alle 10 Sek. Ca Messwerte über 92 Tage Gemessene Durchbiegung ca. 0,5 µm Kontrollmessung Messuhr: 1 µm Messschrieb Wegsensor 0,0200 0,0195 0,0190 Initiale Verlagerung aufgrund der Lastaufbringung 0,0005 mm 0,0185 0, Zeit in Tagen Seite 19

20 Untersuchungsergebnisse Detailauswertung Messung: Nanodur ohne WB I Verlagerung in mm Versuchsablauf Versuchslauf vom Ein Messwert alle 10 Sek. Ca Messwerte über 92 Tage Gemessene Durchbiegung ca. 1 µm Kontrollmessung Messuhr: 1,5 µm Messschrieb Wegsensor 0,0260 0,0240 Initiale Verlagerung aufgrund der Lastaufbringung 0,0220 0,0009 mm 0, Zeit in Tagen Seite 20

21 Untersuchungsergebnisse Detailauswertung Messung: Nanodur ohne WB II Verlagerung in mm Versuchsablauf Versuchslauf vom Ein Messwert alle 10 Sek. Ca Messwerte über 92 Tage Gemessene Durchbiegung ca. 1,5 µm Kontrollmessung Messuhr: 1 µm Messschrieb Wegsensor 0,0282 0,0279 0,0276 0,0273 Initiale Verlagerung aufgrund der Lastaufbringung 0,0015 mm 8h Stromausfall 0,0270 0,0267 0, Zeit in Tagen Seite 21

22 Untersuchungsergebnisse Detailauswertung Messung: Nanodur mit WB II Verlagerung in mm Versuchsablauf Versuchslauf vom Ein Messwert alle 10 Sek. Ca Messwerte über 92 Tage Gemessene Durchbiegung ca. 0,9 µm Kontrollmessung Messuhr: 1 µm Messschrieb Wegsensor 0,0296 0,0294 0,0292 0,0290 0,0009 mm 8h Stromausfall 0,0288 0,0286 Initiale Verlagerung aufgrund der Lastaufbringung Zeit in Tagen Seite 22

23 Untersuchungsergebnisse Detailauswertung Kontrollmessung: Nanodur ohne WB III Verlagerung in mm Versuchsablauf 15-tägiger Versuchslauf Ein Messwert alle 10 Sek. Ca Messwerte über 15 Tage Gemessene Durchbiegung ca. 0,9 µm Kontrollmessung Messuhr: 3 µm Messschrieb Wegsensor 0,0282 0,0280 0,0278 Initiale Verlagerung aufgrund der Lastaufbringung 0,0276 0,0009 mm 0,0274 0,0272 0, Zeit in Tagen Seite 23

24 Untersuchungsergebnisse Detailauswertung Kontrollmessung: Nanodur mit WB III Verlagerung in mm Versuchsablauf 15-tägiger Versuchslauf Ein Messwert alle 10 Sek. Ca Messwerte über 15 Tage Gemessene Durchbiegung ca. 1 µm Kontrollmessung Messuhr: 3,5 µm Messschrieb Wegsensor 0,0297 0,0294 0,0291 0,0288 0,0010 mm 0,0285 Initiale Verlagerung aufgrund der Lastaufbringung 0, Zeit in Tagen Seite 24

26 Zusammenfassung Übersicht Aufbau von zwei baugleichen Prüfständen in Anlehnung an die DIN vom Mai 1991 zur Durchführung von 3-Punkt-Biegeversuchen. Inbetriebnahme der Prüfstände in einem klimatisierten Raum mit maximaler Temperaturschwankung von ±1,5 K und einer relativen Luftfeuchtigkeit von ca. ±10 und 15 % zwischen den Messreihen. Prüfung der vier Probekörper (Nanodur mit WB, Polymerbeton, Nanodur ohne WB und Naturhartgestein) über 104 bzw. 92 Tage bei einer konstanten Belastung von 230 N. Die Messdaten der erste Messung Nanodur mit WB I war nicht verwertbar und ist daher nicht im Bericht aufgeführt. Zur Validierung der Messung II und zur Plausibilitätskontrolle der Messung I wurde ein 15-tägige Kontrollmessung durchgeführt. Ergebnisse der Versuchsreihen: Gemessene Verlagerung der Polymerbetonprobe nach 104 Tagen ca. 3 µm Gemessene Verlagerung der Naturhartgestein-Probe nach 92 Tagen ca. 0,5 µm Gemessene Verlagerung der Nanodurprobe mit WB I nach 92 Tagen ca. 1 µm Gemessene Verlagerung der Nanodurprobe ohne WB II nach 92 Tagen ca. 1,5 µm Gemessene Verlagerung der Nanodurprobe mit WB II nach 92 Tagen ca. 1 µm Kontrollmessung III bestätigt die Ergebnisse der Messung II Seite 26

27 Zusammenfassung Versuchsergebnisse Material Anfangsdurchbiegung u bei Lastaufbringung [mm] Kriechverformung u nach 90Tagen [mm] Kriechzahl φ = u/u im Belastungsalter von 90 Tagen Polymerbeton 0,0440 0,0032 0,07 Naturhartgestein 0,0185 0,0005 0,03 Nanodur ohne WB I 0,0222 0,0009 0,04 Nanodur ohne WB II 0,0265 0,0015 0,05 Nanodur mit WB II 0,0286 0,0009 0,03 Seite 27

28 Zusammenfassung Kriechzahl Kriechzahl Vergleich der Kriechzahlen 0,1 Naturhartgestein 0,08 Polymerbeton Nanodur ohne WB I 0,06 Nanodur ohne WB II Nanodur mit WB II 0,04 0,02 0 Definition Kriechzahl Kriechzahl = u/u Belastungsdauer in d Beispiel für Naturhartgestein: u = 0,00051 mm u = 0,0185 mm Kriechzahl = 0,0005/0,0185 0,03 Seite 28

29 Ansprechpartner Ihr Ansprechpartner in Sachen messtechnischer Untersuchungen an Werkzeug und Produktionsmaschinen: WZL Aachen GmbH Steinbachstr. 25 D Aachen Dr.-Ing. Marcel Fey Für Rückfragen steht Ihnen gerne zur Verfügung: Dr.-Ing. Marcel Fey M.Fey@wzl.rwth aachen.de +49 (0) Seite 29