Einfluss der Faserorientierung auf die Druckfestigkeit von ultrahochfestem Beton

Forschungsschwerpunkt

Bemessen und Konstruieren mit Ultrahochleistungsbeton (UHPC)

Finanzierung und Laufzeit

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

Bearbeiter

Philipp Riedel, M.Sc.

Projektbeschreibung

Abhängig von Geometrie und Herstellmethodik können sich in Bauteilen aus faserbewehrtem Beton (lokal) sehr unterschiedliche Faserorientierungen einstellen. Der Faserbeton verhält sich in der Folge nicht mehr isotrop, sondern zeigt je nach Beanspruchungsrichtung ein unterschiedliches Zug- und Drucktragverhalten. Für ultrahochfesten Beton (UHFB) ist dieser Aspekt von besonderer Relevanz, da UHFB in der Anwendung meist hohe Fasergehalte aufweist. Bislang fehlten aussagekräftige Daten, um die auf die Faserbewehrung zurückzuführende Anisotropie im Drucktragverhalten größenmäßig fassen zu können.

Im Rahmen einer Versuchsreihe wurde daher der Einfluss der Faserorientierung und des Fasergehalts auf das Bruchverhalten und die Druckfestigkeit von Fein- und Grobkorn-UHFB eingehend untersucht. Das Versuchsprogramm umfasste insgesamt 5 Serien mit Druckfestigkeitsprüfungen an Zylindern mit h/d = 200 mm/100 mm und Würfeln mit d = 100 mm aus faserbewehrtem UHFB. Die Studie konzentrierte sich auf Fasergehalte zwischen 1,5 Vol.-% (schlanke Fasern) und 3,5 Vol.-% (gedrungene Fasern). Zudem wurden der Größtkorndurchmesser der Gesteinskörnung D_max und die Faserlänge l_f innerhalb des für UHFB typischen Wertebereichs variiert.

Je Serie wurden neben 9 Zylindern (Cyl) und 12 Würfeln (Cube A) in Standardschalungen drei Balken mit l/b/h = 750 mm/100 mm/100 mm betoniert (Bild 1, links). Das Befüllen der Balken erfolgte von einem Schalungsende aus, um – bedingt durch den Fließprozess in Verbindung mit den vorhandenen Schalungswänden – eine überwiegend unidirektionale Faserorientierung in Fließ- bzw. Balkenlängsrichtung zu provozieren. Aus dem mittleren Bereich der Balken wurden weitere 12 Würfel (Cube B) mit einer Kantenlänge von rund d = 100 mm herausgesägt.

bild1

Die Zylinder sowie 6 der in Standardschalung hergestellten Würfel (Cube A1) und 6 der aus Balken herausgesägten Würfel (Cube B1) wurden in Betonierrichtung belastet. Die übrigen Würfel (Cube A2 und Cube B2) wurden senkrecht zur Betonierrichtung geprüft. Bild 1, rechts, zeigt die Belastungsrichtung für die vier Gruppen der Würfel und veranschaulicht qualitativ die Ausrichtung der Fasern.

Die genaue Faserorientierung wurde für alle Serien an verschiedenen Schnittflächen der Probekörper durch optoanalytische Untersuchungen bestimmt. Messungen mit einem zerstörungsfreien Induktionsmessverfahren zur Bestimmung von Fasergehalt und mittlerer anteiliger Ausrichtung der Fasern in den drei Raumrichtungen ergänzten die optischen Analysen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Druckfestigkeit bei überwiegend unidirektionaler Ausrichtung der Fasern in der Ebene senkrecht zur Belastungsrichtung mit steigendem Fasergehalt deutlich zunimmt. Dagegen ist der Einfluss des Fasergehalts bei einer überwiegend unidirektionalen Ausrichtung der Fasern in Belastungsrichtung gering. Abhängig von der Belastungsrichtung unterscheidet sich die Druckfestigkeit am Würfel um bis zu 26 N/mm² bzw. 14 %. Die Differenz zwischen Würfel- und Zylinderdruckfestigkeit nimmt mit steigendem Fasergehalt zu (Bild 2). So beträgt der Unterschied zwischen Zylinder- und Würfeldruckfestigkeit von in Standardschalung hergestellten Probekörpern bei einem Fasergehalt von 1,5 Vol.-% ca. 5 bis 7 N/mm² und bei einem Fasergehalt von 2,5 bis 3,5 Vol.-% ca. 11 bis 13 N/mm².

Sofern nicht eine differenziertere Regelung unter Berücksichtigung des Einflusses des Fasergehalts angestrebt wird, schlagen die Autoren vor, die bei Prüfung am Würfel zu erbringende Druckfestigkeit konservativ mit f_ck,cube = f_ck,cyl + 15 N/mm² festzulegen. Die Betonfestigkeitsklassen lauten dann C130/145, C150/165 und C175/190.

Eine besondere Abminderung der Zylinderdruckfestigkeit zur Berücksichtigung einer "ungünstigen" Faserorientierung in Bauteilen erscheint auf Basis der Ergebnisse dieser Studie verzichtbar.

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

LEUTBECHER, T.; RIEDEL, P., 2022. Einfluss der Faserorientierung auf die Druckfestigkeit von stahlfaserbewehrtem UHFB. In: BERGER, J., Hrsg. Innsbrucker Bautage 2022: Festschrift zum 60. Geburtstag von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Feix. Innsbruck: STUDIA Universitätsverlag, S. 287-298. Innsbruck - Massivbau und Brückenbau, Band 7. ISBN 978-3-99105-024-7

RIEDEL, P.; LEUTBECHER, T., 2021. Effect of Fiber Orientation on Compressive Strength of Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete. ACI Materials Journal. 118(2), 199-209. ISSN 0889-325X. doi:10.14359/51730417

RIEDEL, P.; LEUTBECHER, T., 2020. Einfluss der Faserorientierung und des Fasergehalts auf die Druckfestigkeit von ultrahochfestem Beton. Beton‐ und Stahlbetonbau. 115(10), 789-800. ISSN 0005-9900. doi:10.1002/best.202000020

LEUTBECHER, T.; RIEDEL, P., 2020. Compressive strength classes and performance classes of ultra-high-performance concrete (Part 2) | Druckfestigkeits- und Leistungsklassen für ultrahochfesten Beton (Teil 2). Betonwerk und Fertigteil-Technik/Concrete Plant and Precast Technology. 86(10), 46-53. ISSN 0373-4331

LEUTBECHER, T.; RIEDEL, P., 2020. Compressive strength classes and performance classes of ultra-high-performance concrete (Part 1) | Druckfestigkeits- und Leistungsklassen für ultrahochfesten Beton (Teil 1). Betonwerk und Fertigteil-Technik/Concrete Plant and Precast Technology. 86(9), 46-54. ISSN 0373-4331

Aktualisiert via XIMS am 18.8.2022 von Leutbecher