Einfluss der Methode zur Befüllung der Balkenformen auf die Homogenität der Faserverteilung und -orientierung und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse von 3-Punkt-Biegezugprüfungen an UHFB

Forschungsschwerpunkt

Bemessen und Konstruieren mit Ultrahochleistungsbeton (UHPC)

Finanzierung und Laufzeit

Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb), Forschungsvorhaben V 507
Laufzeit: Januar 2020 bis August 2021

Bearbeiter

Lennart Heck, M.Sc.
Maximilian Schleiting, M.Sc. (Universität Kassel, Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie)

Projektpartner

Universität Kassel
Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie
Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Middendorf
Mönchebergstraße 7
34125 Kassel

Zielsetzung

Ultrahochfester Beton (UHFB) wird in der Praxis meist fließfähig bis sehr fließfähig verarbeitet. Der Entwurf der DAfStb-Richtlinie "Ultrahochfester Beton" sieht für diesen Fall vor, die Balken, an denen die residuelle Biegezugfestigkeit des stahlfaserbewehrten UHFB in 3-Punkt-Versuchen nach DIN EN 14651 bestimmt wird, durch Befüllen der Schalung von einer Stirnseite aus herzustellen. Frühere Untersuchungen der Faserorientierung und -verteilung hatten nahegelegt, dass sich bei den so hergestellten Balken im Balkenquerschnitt eine charakteristisch heterogene Faserorientierung einstellt. Dies warf die Frage auf, ob das Befüllen der Schalung von einer Stirnseite aus zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse gewährleisten kann.

Im Forschungsvorhaben V 507 sollten daher die Auswirkungen unterschiedlicher Methoden des Befüllens der Schalung in Hinblick auf die Homogenität der Faserorientierung untersucht werden. Des Weiteren sollte festgestellt werden, inwieweit sich eine modifizierte Vorgehensweise auf die residuelle Biegezugfestigkeit als wesentliches Leistungsmerkmal von stahlfaserbewehrtem UHFB auswirkt.

Das Versuchsprogramm umfasste zwei Serien à 6 Biegebalken mit b/h/l = 150 mm/150 mm/550 mm aus stahlfaserbewehrtem UHFB. Die Stahlfasern waren 13 mm lang und besaßen einen Durchmesser von ca. 0,20 mm. Der Fasergehalt betrug jeweils 1,5 Vol.-%. Variiert wurden das Größtkorn der Gesteinskörnung (D_max = 0,5 mm und 8 mm) sowie die Herstellmethode der Biegebalken.

Jeweils drei Balken einer Serie wurden nach der gegenwärtig im Entwurf der DAfStb-Richtlinie "Ultrahochfester Beton" vorgesehenen Methode (Befüllen von einer Stirnseite der Balkenschalung aus) hergestellt (Probekörpertyp E). Bei den übrigen drei Balken wurde die Schalung mithilfe eines Trichters mit rechteckförmigem Auslauf in ca. 6 Lagen befüllt (Probekörpertyp L). Dazu wurde der Trichter etwa 1 cm über dem bereits eingefüllten Beton gehalten und mit der Fließgeschwindigkeit des Betons von einer Seite zur anderen geführt. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über das Versuchsprogramm.

Alle 12 Balken wurden in 3-Punkt-Versuchen nach DIN EN 14651 geprüft. Anschließend wurden aus dem noch intakten Bereich jedes Balkens, nahe dem Querschnitt, in dem das Biegeversagen stattgefunden hatte, eine ca. 50 mm dicke Scheibe herausgesägt (Bild 1) und die Faserverteilung und -orientierung mithilfe der Analyse-Software FiDiOr optoanalytisch untersucht.

Drei der 12 Scheiben wurden zudem mittels Mikro-Computertomographie (µCT) analysiert. Mit dieser Methode kann die Lage und Orientierung jeder einzelnen Faser innerhalb eines dreidimensionalen Probenraums dargestellt und geometrisch definiert werden.

Versuchsauswertung

Die Auswertung der 3-Punkt-Versuche erfolgte in Form von Last-Durchbiegungs-Kurven, wie sie in Bild 2 beispielhaft für den Probekörpertyp L dargestellt sind. Aus den Daten wurden nach Gl. (1) residuelle Biegezugfestigkeiten für die Mittendurchbiegungen von δ₁ = 0,47 mm, δ₂ = 1,32 mm, δ₃ = 2,17 mm und δ₄ = 3,02 mm sowie ergänzend für das Maximum der Last-Durchbiegungs-Kurve berechnet.

In Gl. (1) ist F_j die im Versuch aufgezeichnete Kraft bei der Mittendurchbiegung δ_j in N, l ist die Stützweite des Balkens in mm, b ist die Breite des Probekörpers in mm und h_sp ist der Abstand zwischen der Spitze der Einkerbung und der Oberseite des Probekörpers in mm.

Aus den Daten der optoanalytischen Untersuchungen und der Untersuchungen mittels µCT wurden für die Querschnittsflächen der Balken sowie für verschiedene Schnitte der rekonstruierten Volumenstruktur der im µCT untersuchten Scheiben die Faseranzahl n_f, der mittlere volumenbezogene Faserorientierungsbeiwert η_V nach Gl. (2) und der "effektive" Fasergehalt ρ_f,ef nach Gl. (3) bestimmt.

In Gl. (2) und Gl. (3) ist n_f die Anzahl der detektierten Fasern in der ausgewerteten Fläche, η_i ist der Faserorientierungsbeiwert der Faser i, Φ_f ist der Fasernenndurchmesser, Φ_f2,i ist die Länge der größeren Ellipsenhauptachse der Faser i, A_f ist die Fläche des Faserquerschnitts und A_c ist die Fläche des Betonquerschnitts der ausgewerteten Fläche.

Die Visualisierung der Verteilung des Faserorientierungsbeiwerts η_V und des "effektiven" Fasergehalts ρ_f,ef innerhalb eines Schnitts erfolgte in Form von Konturdiagrammen, wie sie in Bild 3 exemplarisch für den Probekörpertyp E der Serie 2 dargestellt sind. Des Weiteren wurden die mittlere Verteilung des "effektiven" Fasergehalts über die Höhe der Balkenquerschnitte (Bild 4) sowie die relative Häufigkeit des Faserorientierungsbeiwerts ausgewertet. Bild 5 vergleicht am Beispiel zweier Proben die Verteilungen der relativen Häufigkeit des Faserorientierungsbeiwerts η, die sich nach Auswertung der Untersuchung mittels µCT und der optoanalytischen Untersuchung für einen Querschnitt ergeben.

Zusammenfassung der Ergebnisse und Schlussfolgerung

In den 3-Punkt-Versuchen wurden Unterschiede im Last-Verformungs-Verhalten festgestellt, die in erster Linie auf den Einfluss des Größtkorndurchmessers zurückgeführt werden können. Für den Feinkorn-UHFB ergaben sich höhere residuelle Biegezugfestigkeiten als für den Grobkorn-UHFB (Bild 2). Die Höchstlast trat beim Feinkorn-UHFB bei größeren Mittendurchbiegungen ein. Dagegen verlief die Entfestigung für den Grobkorn-UHFB rascher als für den Feinkorn-UHFB. Aufgrund des unstetigeren Verlaufs der Last-Durchbiegungs-Kurven lagen die Variationskoeffizienten für den Feinkorn-UHFB zumeist deutlich über den entsprechenden Werten des Grobkorn-UHFB. Hinsichtlich eines möglichen Einflusses der Herstellmethode ließen die Ergebnisse der 3-Punkt-Versuche hingegen keinen klaren Trend erkennen. Für die mit gleichem Größtkorn hergestellten Balken ergaben sich bei Normierung auf den im jeweiligen Balkenquerschnitt in Zugrichtung wirksamen Fasergehalt vergleichbare residuelle Biegezugfestigkeiten bzw. die Unterschiede lagen innerhalb des natürlichen Streubereichs.

Auch die optoanalytisch bestimmten Kennwerte der Balkenquerschnitte (Faseranzahl n_f, mittlerer Faserorientierungsbeiwert η_V, "effektiver" Fasergehalt ρ_f,ef) sowie deren Streuungen ließen sich nicht in einen Zusammenhang mit der Herstellmethode der Balken bringen. Es konnte jedoch auch hier ein offensichtlicher Einfluss des Größtkorndurchmessers festgestellt werden. Für den Feinkorn-UHFB ergaben sich höhere mittlere Faserorientierungsbeiwerte η_V als für den Grobkorn-UHFB sowie tendenziell größere Streuungen bei allen drei Kennwerten. Für den Grobkorn-UHFB lag die Verteilung der relativen Häufigkeit des Faserorientierungsbeiwerts näher am Ergebnis für eine räumlich zufällige Orientierung der Fasern. Beim Feinkorn-UHFB waren die Fasern verstärkt in Balkenlängsrichtung orientiert (Bild 5).

Eine Auswirkung der Herstellmethode auf die Faserorientierung konnte allenfalls für die Betonierrichtung, d. h. für die Richtung normal zur Balkenlängsachse, festgestellt werden. Hier lieferte die Auswertung der µCT-Untersuchungen für den lagenweise mit Trichter hergestellten Balken einen deutlich höheren mittleren Faserorientierungsbeiwert η_V als für den von einer Stirnseite aus gegossenen Balken. Eine unterschiedliche Faserorientierung normal zur Balkenlängsachse hat jedoch theoretisch keinen Einfluss auf das Ergebnis des 3-Punkt-Versuchs, und in den 3-Punkt-Versuchen konnte ein solcher Einfluss auch nicht festgestellt werden.

Eine systematisch heterogene Verteilung der Faserorientierung im Balkenquerschnitt, wie sie in früheren Untersuchungen beobachtet worden war, konnte weder für die lagenweise mit Trichter hergestellten noch für die von einer Stirnseite aus gegossenen Balken festgestellt werden. Zwar zeigten auch die im vorliegenden Forschungsvorhaben hergestellten Probekörper eine über den Querschnitt variierende Faserorientierung (Bild 3, links), ein Zusammenhang zwischen Herstellmethode und Homogenität der Balken ließ sich aus den Daten jedoch nicht ableiten.

Generell ließ sich bei den meisten Balkenquerschnitten eine leichte Zunahme des Fasergehalts in Richtung des Schalungsbodens feststellen (Bild 4). Die lagenweise mit dem Trichter hergestellten Balken schienen davon etwas weniger betroffen zu sein. Durch das Drehen der Balken um 90° zur Prüfung im 3-Punkt-Versuch wird die auf eine Sedimentation der Fasern hindeutende Heterogenität der Faserverteilung nahezu vollständig kompensiert. Auswirkungen eines innerhalb des Querschnitts lokal unterschiedlich hohen Fasergehalts auf die Prüfergebnisse sind daher nicht zu erwarten.

Wie sich bei der Auswertung der Daten aus der µCT-Untersuchung für verschiedene Querschnitte innerhalb eines Probenvolumens zeigte, variieren die Faseranzahl n_f und damit auch der "effektive" Fasergehalt ρ_f,ef in Balkenlängsrichtung bereits auf kurzer Distanz erheblich. Insofern können die in 3-Punkt-Versuchen erzielten residuellen Biegezugfestigkeiten streng genommen nur dann mit den Ergebnissen einer optischen Analyse oder µCT-Untersuchung zuverlässig korreliert werden, wenn die Faseranzahl und der "effektive" Fasergehalt für den eigentlichen Bruchquerschnitt und nicht für einen Querschnitt nahe dem Bruchquerschnitt bestimmt werden.

In der überwiegenden Zahl der analysierten Schnitte wurde – unabhängig von der Auswertemethode – ein "effektiver" Fasergehalts ρ_f,ef ermittelt, der zum Teil signifikant unter dem Nennfasergehalt lag (Bild 4). Für den Feinkorn-UHFB ergaben sich mit ρ_f,ef = 1,02 bis 1,13 Vol.-% (optische Analyse) bzw. ρ_f,ef = 0,85 bis 1,03 Vol.-% (Daten aus µCT-Untersuchung) die deutlichsten Unterschreitungen. Die Ursache hierfür ließ sich nicht ermitteln. Bereits in früheren Untersuchungen konnte bei einzelnen Serien eine zum Teil erhebliche Abweichung vom Nennfasergehalt festgestellt werden.

Der Vergleich der Ergebnisse der optoanalytischen Untersuchungen und der Untersuchungen mittels µCT zeigte eine insgesamt gute Übereinstimmung beider Auswertemethoden. Lediglich für Fasern, die annähernd normal zur betrachteten Schnittebene orientiert waren, lieferte die optische Analyse tendenziell etwas zu niedrige Faserorientierungsbeiwerte, da der Querschnitt der in der Schnittfläche detektierten Faser als stärker elliptisch erkannt wurde (Bild 5). Für den Feinkorn-UHFB unterschied sich der mittlere Faserorientierungsbeiwert η_V nach den beiden Auswertemethoden wegen des hohen Anteils überwiegend in Balkenlängsrichtung ausgerichteter Fasern am deutlichsten. Davon abgesehen können die Ergebnisse der optischen Analyse und der µCT-Untersuchung als gleichermaßen belastbar angesehen werden.

Zusammenfassend legen die Ergebnisse dieser Studie nahe, dass das Befüllen der Balkenschalung von einer Stirnseite aus und das lagenweise Befüllen mit Trichter gleichermaßen zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse liefern.

Da sich die elementaren Kenngrößen der nach beiden Methoden hergestellten Balken nicht signifikant unterscheiden, wird der Einfachheit wegen empfohlen, die im Entwurf der DAfStb-Richtlinie "Ultrahochfester Beton" bei fließfähiger bis sehr fließfähiger Konsistenz gegenwärtig vorgesehene Befüllung der Balkenschalung von einer Stirnseite aus beizubehalten und auf den Einsatz eines Trichters als zusätzliches Hilfsmittel zu verzichten.

Publikationen

LEUTBECHER, T.; HECK, L.; SCHLEITING, M., 2022. Prüfung von UHFB nach DIN EN 14651 – Zum Einfluss der Probekörperherstellung auf die Prüfergebnisse. Beton- und Stahlbetonbau. 117(6), 410-421. ISSN 0005-9900. doi:10.1002/best.202200027
Supporting Information: Data S1. Ergebnisse der optoanalytischen Untersuchung

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