Einfluss der Faserverteilung und -orientierung auf die residuelle Biegezugfestigkeit von ultrahochfestem Beton

Forschungsschwerpunkt

Bemessen und Konstruieren mit Ultrahochleistungsbeton (UHPC)

Finanzierung und Laufzeit

Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb), Forschungsvorhaben V 501, Teilprojekt A
Laufzeit: Januar 2019 bis Oktober 2020

Bearbeiter

Lennart Heck, M.Sc.

Projektbeschreibung

Ziel des Forschungsvorhaben war es, die im Rahmen des DAfStb-Forschungsvorhabens V 497 gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse durch ergänzende optoanalytische Untersuchungen der Proben zu validieren, und damit die geplanten Regelungen der DAfStb-Richtlinie "Ultrahochfester Beton" zur Umrechnung zwischen residueller Biegezugfestigkeit und zentrischer Nachrisszugfestigkeit abzusichern.

Die Untersuchung der Faserverteilung und -orientierung erfolgte an 54 Balken (9 Serien à 6 Balken), die im Rahmen des DAfStb-Forschungsvorhabens V 497 mit unterschiedlichem Größtkorn der Gesteinskörnung, unterschiedlicher Fasergeometrie und unterschiedlichem Fasergehalt hergestellt und in 3-Punkt- oder 4-Punkt-Versuchen geprüft worden waren. Dazu wurde aus dem noch intakten Bereich der Balken, nahe dem Querschnitt, in dem das Biegeversagen stattgefunden hatte, eine ca. 4 cm dicke Scheibe herausgesägt (Bild 1). Die dem Bruchquerschnitt zugewandte Seite wurde poliert, um die elliptische Form der geschnittenen Fasern zu rekonstruieren. Anschließend wurden kontrastreiche und hochauflösende Fotoaufnahmen der polierten Fläche erstellt.

Die optoanalytische Auswertung der Faserverteilung und -orientierung erfolgte mithilfe der Analyse-Software FiDiOr. Auf Grundlage dieser Daten wurde dann für jede analysierte Querschnittsfläche (bzw. Ausschnitte davon) der mittlere volumenbezogene Faserorientierungsbeiwert und der "effektive" Fasergehalt berechnet.

Mittlere Faserorientierungsbeiwerte in den Balkenquerschnitten von 0,54 bis 0,67 weisen darauf hin, dass sich die Fasern beim Befüllen der Balkenschalungen von einem Stirnende aus bevorzugt in Fließrichtung des Frischbetons, d. h. in Richtung der Balkenlängsachse, ausrichten. Die Orientierung in Balkenlängsrichtung ist bei langen Fasern und kleinem Größtkorndurchmesser deutlicher ausgeprägt als bei kurzen Fasern in Grobkorn-UHFB. Es zeigt sich, dass die ermittelte Tragfähigkeit in den Biegeversuchen (DAfStb-Forschungsvorhabens V 497) mit dem im jeweiligen Balkenquerschnitt in Zugrichtung wirksamen Fasergehalt (= Produkt aus Faserorientierungsbeiwert und "effektivem" Fasergehalt) korreliert. Die Tragfähigkeit wächst jedoch nur unterproportional mit steigendem wirksamen Fasergehalt.

Für die meisten UHFB-Mischungen ist eine leichte Zunahme des Fasergehalts in Richtung des unteren Schalungsrands festzustellen (Bild 2c). Ein systematischer Einfluss der Faserlänge, des Größtkorndurchmessers oder des Nennfasergehalts ist dabei nicht zu erkennen. Hinsichtlich der Faserorientierung zeigt sich für alle Serien eine systematisch heterogene Verteilung innerhalb der Balkenquerschnitte (Bild 2a). Faserorientierungsbeiwerte von unter 0,5 im mittleren Drittel der oberen Querschnittshälfte weisen darauf hin, dass die Faserausrichtung hier deutlich von der Balkenlängsachse abweicht. Als Ursache werden Turbulenzen während des Einströmens des Frischbetons in die Balkenschalung vermutet.

Zugversuche an aus Balken herausgesägten Zugproben (DAfStb-Forschungsvorhabens V 497) zeigen, dass die systematisch heterogene Verteilung des wirksamen Fasergehalts mit einer systematisch heterogenen Verteilung der zentrischen Nachrisszugfestigkeit innerhalb eines Balkenquerschnitts korreliert. Durch das Kerben und Drehen des Balkens um 90° werden die Auswirkungen der systematisch heterogenen Verteilung des wirksamen Fasergehalts auf die Tragfähigkeit des Biegebalkens jedoch weitgehend kompensiert.

Theoretische Überlegungen zeigen, dass im Vergleich zu einer homogenen Verteilung des wirksamen Fasergehalts beim 3-Punkt-Versuch etwas niedrigere Biegetragfähigkeiten erhalten werden, während bei den in 4-Punkt-Versuchen geprüften (ungekerbten) Balken als Folge der systematisch heterogenen Verteilung des wirksamen Fasergehalts tendenziell etwas höhere Biegetragfähigkeiten zu erwarten sind. Ein signifikanter Einfluss der systematisch heterogenen Verteilung des wirksamen Fasergehalts auf das Verhältnis zwischen zentrischer Nachrisszugfestigkeit und residueller Biegezugfestigkeit kann jedoch praktisch ausgeschlossen werden.

Publikationen

LEUTBECHER, T., 2022. Influence of fiber orientation on the mechanical properties of ultra-high performance fiber-reinforced concrete | Einfluss der Faserorientierung auf die mechanischen Eigenschaften von ultrahochfestem Stahlfaserbeton. In: Kongressunterlagen 66. BetonTage: Nachhaltiger Bauen mit Beton. Ulm, 21.-23. Juni 2022. Betonwerk und Fertigteil-Technik/Concrete Plant and Precast Technology. 88(6), 72. ISSN 0373-4331