Prof. Dr. Ing. Harald S. Müller

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1 DFG FOR 1498/0 AKR unter kombinierter Einwirkung Teilprojekte 4 (BAM) und 6 (KIT) Auswirkungen von Ermüdungsbeanspruchungen auf Struktur und Eigenschaften von Fahrbahndeckenbeton Prof. Dr. Ing. Harald S. Müller Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Massivbau und Baustofftechnologie (IMB), Abteilung Baustoffe und Betonbau AKR unter kombinierten Einwirkungen Weimar, 21. Oktober 2014

2 Übersicht TP 4/TP 6: Harald S. Müller, Frank Weise, Andreas Wiedmann, Engin Kotan, Katja Voland, Karsten Ehrig Problemstellung und Zielsetzung Betone und Versuchsbeschreibung Betonzusammensetzung Frisch und Festbetoneigenschaften Schwingbalken zur mechanischen Vorschädigung (4 Punkt Biegeversuch) Probekörpergewinnung aus dem Schwingbalken Ergebnisse Schwingversuch und Schadensmonitoring Röntgentomografische Charakterisierung des mechanisch vorgeschädigten Betongefüges Bruchmechanische Kennwerte (3 Punkt Biegeversuch, zentrischer Zugversuch) Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Problemstellung Schädigungsprozess und Schadensrisiko einer AKR sind auf makroskopischer Ebene weitgehend unbekannt. Gründe: Abhängigkeit der Schadensentwicklung von der Gesamtbeanspruchung, welche bisher nur unzureichend erforscht ist Entwicklung der AKR Dehnung über die Zeit und den Fahrbahnquerschnitt sind unbekannt Änderungen der Betoneigenschaften sind bisher nicht quantifiziert Einwirkungen auf Betonfahrbahnen Schäden Na + K + Betondecke HGT Frostschutzschicht Schlechte Entwässerung Befeuchtung der Unterseite 3

4 Zielsetzung Untersuchung schädigender Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften Simulation der Einwirkungen Zyklische Beanspruchungen Einwalken der Alkalien AKR-prov. Lagerung Schwingbalken Analyse der Bauteilbeanspruchungen Analyse und Prognose der Bildung makroskopischer Risse in Straßenbetonen Herleitung von Gegenmaßnahmen 4

5 Betone und Versuchsbeschreibung (1) Zusammensetzung der aufdotierten Fahrbahndeckenbetone Betonzusammensetzung Gesteinskörnung Zement Merkmal Beton A Beton B Beton C Sand 0/2 mm Splitt 2/8 mm Splitt 8/16 mm Splitt 16/22 mm Art Na 2 O Äquivalent Gehalt 15 Vol. % Granodiorit 28 Vol. % 7,5 Vol. % Granodiorit 7,5 Vol. % Oberrhein 27 Vol. % Granodiorit 30 Vol. % Granodiorit CEM I 42,5 N (sd) 0,73 M. % 360 kg/m³ w/z Wert 0,42 Zusatzmittel Natriumchlorid 0,2 M. % LPS A 94 (bezogen auf den Zementgehalt) 1,11 g NaCl/100 g Zement 15 Vol. % Oberrhein 5

6 Betone und Versuchsbeschreibung (2) Frisch und Festbetoneigenschaften der aufdotierten Fahrbahndeckenbetone Beton A Beton C Mechanische Vorschädigung 1) ohne mit ohne mit Balken Nummer A1 IV A2 IV C1 IV C2 IV C3 IV Frischbeton (5 min) Luftporengehalt [Vol. %] 4,1 4,9 5,2 4,5 4,7 [g/cm³] Verdichtungsmaß [ ] 1,20 1,20 1,14 1,22 1,19 Festbeton Frischbetonrohdichte Biegezugfestigkeit 2) 3) 56 d Folie [N/mm 2 ] 4,2 (0,29) 4,2 (0,23) 4,2 (0,26) 4,2 (0,12) 3,9 (0,21) 1) Festbetonbalken 27 x 50 x 200 cm 3 2) Prismen 15 x 15 x 60 cm 3 3) Mittelwert (Standardabweichung) 6

7 Betone und Versuchsbeschreibung (3) Schwingbalken zur mechanischen Vorschädigung (4 Punkt Biegeversuch) Spannung σ o σ u Zeit [cm] , ,5 200 [cm] SEA-/US- Sensoren 1 2 Dehnmessstreifen/ induktive Wegaufnehmer 7

8 Betone und Versuchsbeschreibung (4) Prüfregime für zyklischen 4 Punkt Biegeversuch großformatiger Balken mit Zustands und Schadensmonitoring Ablauf des Belastungszyklus Gesamtlastregime 20 Belastungszyklen (1 Mio. LW) Ruhezyklus (US: Mess. OF Welle) 20 Belastungszyklen (1 Mio. LW) Ruhezyklus (US: Mess. OF Welle) 30 Belastungszyklen (1,5 Mio. LW) Ruhezyklus (US: Mess. OF Welle) 30 Belastungszyklen (1,5 Mio. LW) Ruhezyklus (US: Mess. OF Welle) 8

9 Betone und Versuchsbeschreibung (5) Probekörpergewinnung aus Schwingbalken nach mechanischer Vorschädigung [cm] Versuchsaufbauten zur Ermittlung bruchmechanischer Materialkennwerte 3 Punkt Biegeversuch Aluminiumblech induktiver Wegaufnehmer Kerbe induktive Wegaufnehmer Messgestell Zentrische Zugversuche induktiver Wegaufnehmer Kerbe Messgestell kleinformatiger Probekörper Kerbe kleinformatiger Probekörper kleinformatiger Probekörper 9

10 Charakterisierung mechanischer Vorschädigung (1) Messergebnisse in den Ruhezyklen: Änderung des relativen dynamischen E Moduls (E dyn,n /E dyn,0 ) in der oberen Betonrandzone in Abhängigkeit von der Lastwechselzahl Messung der Ultraschalllaufzeit rel. dyn. E-Modul [%] CEM I 42,5 N (sd), Na 2 O-Äqu. = 0,72 M.-% z = 360 kg/m³, w/z = 0,42 28 Vol.-% Sand 0/2 mm 15 Vol.-% Granodiorit- bzw. Kies-Edelsplitt 2/8 mm 27 Vol.-% Granodiorit-Splitt 8/16 mm 30 Vol.-% Granodiorit-Splitt 16/22 mm A2-IV C2-IV C3-IV A2-IV und C2-IV σ o = 2,4 N/mm² σ u = 1,4 N/mm² C3-IV σ o = 2,2 N/mm² σ u = 1,2 N/mm² Anzahl Lastwechsel [Mio.] Ultraschallmessgerät (UK 1401 der Firma Acoustic Control Systems Ltd.) 10

11 Charakterisierung mechanischer Vorschädigung (2) Messergebnisse der Belastungszyklen: Änderung der Dehnungen und der Schallemissionsaktivitäten in Abhängigkeit von der Lastwechselzahl für den Balken C2 IV DMS Messung SEA Messung (DMS unten [µm/m]) ,0 N/mm² 1,4 N/mm² 1,9 N/mm² 2,4 N/mm² Hits x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 Lastwechsel Lastwechsel Höchste Betondegradation im 1. Belastungszyklus 11

12 Charakterisierung mechanischer Vorschädigung (3) Messergebnisse der Belastungszyklen: Änderung der Dehnungen und der Schallemissionsaktivitäten in Abhängigkeit von der Lastwechselzahl für den Balken C3 IV DMS Messung SEA Messung (DMS unten [µm/m]) ,0 N/mm² 1,4 1,2 N/mm² 1,9 1,8 N/mm² 2,4 2,2 N/mm² 0 1x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 Lastwechsel Hits x10 6 2x10 6 3x10 6 4x10 6 5x10 6 Lastwechsel keine langfristige Ankündigung des Versagens 12

13 Charakterisierung mechanischer Vorschädigung (4) Visualisierung der durch Vorschädigung induzierten Mikrorisse Probekörper Röntgen 3D CT Bohrkern (Ø 3 cm) 27,0 50,0 17, cm 17,5 Beton C Beanspruchung: 3,25 Mio. Lastwechsel σ o = 2,2 N/mm² σ u = 1,2 N/mm² 13

14 Bruchmechanische Kennwerte (1) 3 Punkt Biegeversuch an prismatischen Probekörpern Beton C Balken f ct,fl,n [N/mm 2 ] G F,f [N/m] Mechanische Vorschädigung Mittelwert (Standardabweichung) Schwingbalken C3 IV; 3,25 Mio. Lastwechsel ohne C1 IV 4,4 (0,5) 208 (37,6) mit C3 IV 4,0 (0,7) 199 (17,2) 14

15 Bruchmechanische Kennwerte (2) Zentrischer Zugversuch an prismatischen Probekörpern Beton C Balken f ct,n [N/mm 2 ] G F [N/m] Mechanische Vorschädigung Mittelwert (Standardabweichung) Schwingbalken C3 IV; 3,25 Mio. Lastwechsel ohne C1 IV 2,5 (0,5) 114 (19,4) mit C3 IV 1,8 (0,7) 102 (8,9) 15

16 Bruchmechanische Kennwerte (3) Zentrischer Zugversuch an zylindrischen Probekörpern Beton A Balken f ct,n,cyl [N/mm 2 ] G F,cyl [N/m] Beton C Balken f ct,n,cyl [N/mm 2 ] G F,cyl [N/m] Mechanische Vorschädigung ohne A1 IV 3,0 (0,7) 154 (27,5) mit A2 IV 2,7 (0,5) 125 (23,2) Mechanische Vorschädigung ohne C1 IV 2,6 (0,3) 143 (30,9) mit C2 IV 2,5 (0,7) 114 (27,0) Mittelwert (Standardabweichung) Großbalken A2 IV; 5,0 Mio. Lastwechsel Mittelwert (Standardabweichung) Großbalken C2 IV; 5,0 Mio. Lastwechsel 16

17 Zusammenfassung Anwendung zerstörungsfreier Prüftechnik zur Erfassung relevanter Zustandsund Schädigungsindikatoren Charakterisierung der Rissbildung infolge mechanisch induzierter Vorschädigung mittels 3D CT Nachweis der Reduzierung der Zugfestigkeit und Bruchenergie Verlust des mechanischen Widerstands, den der Beton einer Fahrbahndecke gegenüber der Ausbildung breiter Risse entgegensetzen kann. 17

18 Ausblick Weitere Untersuchungen an mechanisch vorgeschädigten und AKRprovozierend gelagerten Probekörpern zur Ermittlung der zeitlichen Entwicklung bruchmechanischer Kennwerte Entwicklung eines Modells zur wirklichkeitsnahen Erfassung der Einwirkungen auf eine Betonfahrbahndecke und des Widerstands des Deckenbetons Herleitung von Maßnahmen zur zukünftigen Schadensreduzierung in Betonfahrbahndecken 18

19 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 19