Experimentelle Charakterisierung und Homogenisierung physikalischer Prozesse/Eigenschaften im Rahmen der Mehrskalenmodellierung

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1 Experimentelle Charakterisierung und Homogenisierung physikalischer Prozesse/Eigenschaften im Rahmen der Mehrskalenmodellierung Roman Lackner, Christian Pichler und Roland Traxl Universität Innsbruck

2 2 Inhalt Einleitung Charakterisierung Homogenisierung Mehrskalenmodelle AKR Forschung

3 Einleitung 3 Motivation Berücksichtigung der Mikrostruktur für (1) Materialeigenschaften als Funktion von Materialaufbau und Phaseneigenschaften (2) Berücksichtigung physikalischer/chemischer Prozesse auf der entsprechenden Skala (3) Materialoptimierung, Dauerhaftigkeit,

4 Einleitung 4 Hybrider Forschungsansatz Experimentell & Theoretisch zur Validierung der eingesetzten Homogenisierungsverfahren Identifikationexperimente zur Identifikation der Eigenschaften der Materialphasen Nanoebene Mikroebene Mesoebene Makroebene upscaling upscaling upscaling Validierungsexperimente Effektive Eigenschaften, effektives Verhalten

5 Experimentelle Charakterisierung NanoLab 5 uibk Charakterisierung von a) atomarer und molekularer Zusammensetzung b) Materialmorphologie c) Mechanische Eigenschaften d) Dünnschichttechnologie e) Brandschutz

6 Experimentelle Charakterisierung NanoLab - Morphologie 6 Feldemissionsmikroskop

7 Experimentelle Charakterisierung NanoLab - Morphologie 7 FIB-SEM Mikroskop Besonderheiten des FIB-SEM: Elektronenstrahl für Bildgebung und Ionenstrahl (Gallium-Ionen) für schichtenweisen Materialabtrag

8 Experimentelle Charakterisierung NanoLab - Morphologie 8 Sorptionswaage Desorption bei stufenweiser Abnahme der Luftfeuchtigkeit Ermittlung des makroskopischen Diffusionskoeffizienten

9 Experimentelle Charakterisierung NanoLab Mechanische Eigenschaften 9 Nanoindentation (NI) Untersuchung des - Materials - Oberflächen - Beschichtungen Bestimmung von - E-Modul - Härte - Viskose Eigenschaften Rasterindentation im Fall heterogener Materialien:

10 Homogenisierung Einleitung 10 Homogenisierung Skalenübergang Regelmäßige Mikrostruktur Unregelmäßige Mikrostruktur Einheitszelle (RUC) Repräsentatives Volumselement (RVE) [Rattensperger (2003). Berechnungsmodelle für verstärkte Elastomere und deren Anwendung für Hochdruck-Hydraulikschläuche. PhD thesis, TU Wien] [Traxl (2016). Continuum-micromechanics based determination of effective properties of elastoplastic matrix-inclusion materials. PhD thesis, UIBK]

11 Homogenisierung Einleitung 11 Einfluss der Mikrostruktur Matrix-Einschluss Material: Open-Cell Foam: Closed-Cell Foam: Granulares Medium: Materialmikrostruktur definiert das zu verwendende Homgenisierungsschema

12 Homogenisierung Einleitung 12 Beispiele für Mehrskalenmodelle Beton im jungen Alter - Elastischen Eigenschaften - Schwinden - Kriechen Asphalt - Thermorheologisches Verhalten - Ermüdung Stahlbeton - Beton-Stahl-Interaktion Bodenvereisung - Thermische Eigenschaften - Volumsausdehnung

13 Homogenisierung Beispiele Festigkeit von Keramiken 13 Mikromechanikbasierte Homogenisierung Der Einfluss des Matrixversagens Homogenisierung Fließfläche: Plastisches Problem Elastisches Ersatzproblem Effektive Fließfläche [Traxl and Lackner (2015). Multi-level homogenization of strength properties of hierarchical-organized matrix-inclusion materials. Mechanics of Materials]

14 Homogenisierung Beispiel Festigkeit von Keramiken 14 Geschlossene Lösung: Effektive Fließfläche (Modellverifikation mittels numerischer Simulationen): 20% Poren 20% Starre Einschlüsse

15 Homogenisierung Beispiel Festigkeit von Keramiken 15 Beispiel: Anwendung auf Mehrskalenhomogenisierung 30% Poren 30% starre Einschlüsse Einaxiale Druckfestigkeit Drei Spezialfälle: 1. Mikropartikel und große Poren 2. Ähnlich große Partikel und Poren 3. Mikroporen und große Partikel

16 Homogenisierung Beispiele Festigkeit von zementgebundenen Werkstoffen 16 DLO-basierte Homogenisierung Adaptive numerische Traglastanalyse (ADLO) f L f D d g p Nutzlast (veränderliche Last) Eigenlast (ruhende Last) Verschiebungen der Diskontinuitäten Materialfestigkeit plastische Multiplikatoren [S. Bauer, R. Lackner. Gradient-based adaptive discontinuity layout optimization for the prediction of strength properties in matrix inclusion materials. International Journal of Solids and Structures 63 (2015) 82 98] Nebenbedingungen:

17 Homogenisierung Beispiele Festigkeit von zementgebundenen Werkstoffen 17 Versagen bei unterschiedlichen Einschlussfestigkeit: niedrig mittel hoch Versagensmechanismus bei statistisch definierten Porenräumen:

18 Mehrskalenmodellierung Beispiele Eigenschaften von Faserverbundbauteilen 18 FEM-basierte Homogenisierung Mehrskalenmodellierung von Faserverbundbauteilen Ermittlung der effektiven mechanischen Eigenschaften zur optimierten Auslegung der Geflechte:

19 Mehrskalenmodellierung Beispiele Eigenschaften von Faserverbundbauteilen 19 Materialcharakterisierung: Charakterisierung der Matrix: Charakterisierung der Rovings: Homogenisierung RUC mit periodischen Randbedingungen:

20 Mehrskalenmodellierung Beispiele Eigenschaften von Faserverbundbauteilen 20 Validierungsversuche:

21 Mehrskalenmodellierung Beispiele Eigenschaften von Faserverbundbauteilen 21 Bestimmung der makroskopischen Festigkeit: Geflechtsmodell: Makroskopische Fließfunktionen:

22 Homogenisierung Beispiele Calciumauslaugung von Beton 22 Mikromechanikbasierte Homogenisierung Prognose der Calciumauslaugung von Beton

23 Homogenisierung Beispiele Calciumauslaugung von Beton 23 Bestimmung der effektiven Transporteigenschaften: Validierung und Einsatz als Prognose-Tool:

24 AKR Forschung Kooperationsprojekt Deutschland-Österreich 24 Projektkonsortium AB Materialtechnologie der Universität Innsbruck MFPA der Bauhaus-Universität Weimar Materialversuchsanstalt Strass Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-Aktiengesellschaft (ASFINAG) Ausgangssituation und Projektziel Erheblichen Reduzierung der Lebensdauer von Betonstraßen durch Fehler bei der Auswahl der Ausgangsstoffe Unterschiedliche Vorgehensweise in AT und DE durch landestypische Prüfverfahren zur Bewertung der Reaktivität der Gesteinskörnungen

25 AKR Forschung Schadensfälle 25 Bestätigte AKR-Schadensfälle Forschungsprojekt AKR Sperrbeton (1998): 1942 erbaute Talsperre Gmünd (Nordtirol) Gneis (ausgeprägte AKR nach 51 Jahren) Sommer, Steigenberger und Zückert (2001): 1990 erbautes Rollfeld kieseliger Kalk (ausgeprägte AKR nach 4 Jahren) Dissertation Fischboeck (2003): Sommer et al. (2001) 1990 erbaute Betondeckenfahrbahn A9 Pyhrnautobahn Quarzit, Gneis (ausgeprägte AKR nach 13 Jahren) 2000 erbaute Betondeckenfahrbahn A2 Südautobahn Basalt (AKR im Anfangsstadium nach 3 Jahren)

26 AKR Forschung Prüfmethoden 26 Österreich [ÖNORM B 3100] Mindestens 20 Jahre praktische Erfahrung ohne AKR Schädigung Schnellprüfung (4 cm x 4 cm x 16 cm, 14 Tage in 1M NaOH Lösung bei 80 C) Langzeitprüfung (10 cm x 10 cm x 40 cm, 52 Wochen in 1 M NaOH Lösung bei 38 C) Deutschland [ Alkali-Richtlinie des DAfStb] Schnellprüfverfahren (4 cm x 4 cm x 16 cm, 14 Tage in 1M NaOH Lösung bei 80 C) Nebelkammerlagerung (10 cm x 10 cm x 50 cm, Betonwürfel 30 cm Kantenlänge, 9 Monate bei mind. 99 % RH und 40 C) Betonversuch (7,5 cm x 7,5 cm x 28 cm, 140 Tage bei mind. 98 % RH und 60 C)

27 AKR Forschung Prüfmethoden 27 Komplexprüfverfahren [Weimar] Kombination folgender Prüfungen: 1.) Chemische Prüfung der Gesteinskörnung (in Anlehnung an ASTM C-289) 150 g Zuschlag in 25 ml 1M NaOH Lösung (24 Stunden bei 80 C) Bestimmung des löslichen Siliziumdioxids (SiO 2 ) Bestimmung der Verringerung der Alkalinität 2.) Mörtelschnellprüfung 1 cm x 1 cm x 4 cm in 10 %-iger KOH Lösung (6 Stunden bei 150 C) Bestimmung der Längenänderung an Kleinstprismen

28 AKR Forschung Prüfprogramm 28 Zu untersuchende Gesteine Unterschiedliche Reaktivität zur Bestimmung der Aussagekraft der jeweiligen Prüfverfahren AT: Kalkstein, Gneis, Schiefer Kalkstein (inert) Gneis (reaktiv im Grenzbereich) Schiefer (deutlich reaktiv) Entwicklung einer gemeinsamen Vorgehensweise für die künftige Prüfung des AKR Risikos Erarbeitung eines Vorschlags für ein alternatives Schnellprüfverfahren

29 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 29