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Reine Calciumsulfatbindemittel weisen eine hohe Löslichkeit auf. Feuchteinwirkung führt zudem zu starken Festigkeitsverlusten. Aus diesem Grund werden diese Bindemittel ausschließlich für Baustoffe und -produkte im Innenbereich ohne permanenten Feuchtebeanspruchung eingesetzt. Eine Möglichkeit, die Feuchtebeständigkeit zu erhöhen, ist die Beimischung puzzolanischer und zementärer Komponenten. Diese Mischsysteme werden Gips-Zement-Puzzolan-Bindemittel (kurz: GZPB) genannt. Mischungen aus Calciumsulfaten und Portlandzementen allein sind aufgrund der treibenden Ettringitbildung nicht raumbeständig. Durch die Zugabe von puzzolanischen Stoffen können aber Bedingungen im hydratisierenden System geschaffen werden, welche eine rissfreie Erhärtung ermöglichen. Hierfür ist eine exakte Rezeptierung der GZPB notwendig, um die GZPB-typischen, ettringitbedingten Dehnungen zeitlich zu begrenzen. Insbesondere bei alumosilikatischen Puzzolanen treten während der Hydratation gegenüber rein silikatischen Puzzolanen deutlich höhere Expansionen auf, wodurch die Gefahr einer potenziellen Rissbildung steigt. Für die Erstellung geeigneter GZPB-Zusammensetzungen bedarf es daher einer Methodik, um raumbeständig erhärtende Systeme sicher von destruktiven Mischungen unterscheiden zu können. Sowohl für die Rezeptierung als auch für die Anwendung der GZPB existieren in Deutschland keinerlei Normen. Darüber hinaus sind die Hydratationsvorgänge sowie die entstehenden Produkte nicht konsistent beschrieben. Auch auf die Besonderheiten der GZPB mit alumosilikatischen Puzzolanen wird in der Literatur nur unzureichend eingegangen. Ziel war es daher, ein grundlegendes Verständnis der Hydratation sowie eine sichere Methodik zur Rezeptierung raumbeständig und rissfrei erhärtender GZPB, insbesondere in Hinblick auf die Verwendung alumosilikatischer Puzzolane, zu erarbeiten. Darüber hinaus sollte systematisch der Einfluss der Einzelkomponenten auf Hydratation und Eigenschaften dieser Bindemittelsysteme untersucht werden. Dies soll ermöglichen, die GZPB für ein breites Anwendungsspektrum als Bindemittel zu etablieren, und somit vorteilhafte Eigenschaften der Calciumsulfate (geringe Schwindneigung, geringe CO2-Emission etc.) mit der Leistungs-fähigkeit von Zementen (Wasserbeständigkeit, Festigkeit, Dauerhaftigkeit etc.) zu verbinden. Als Ausgangsstoffe der Untersuchungen zu den GZPB wurden Stuckgips und Alpha-Halbhydrat als Calciumsulfatbindemittel in unterschiedlichen Anteilen im GZPB verwendet. Die Puzzolan-Zement-Verhältnisse wurden ebenfalls variiert. Als Puzzolan kam für den Großteil der Untersuchungen ein alumosilikatisches Metakaolin zum Einsatz. Als kalkspendende Komponente diente ein reiner Portlandzement. Das Untersuchungsprogramm gliederte sich in 4 Teile. Zuerst wurde anhand von CaO- und pH-Wert-Messungen in Suspensionen sowie dem Längenänderungsverhalten von Bindemittelleimen verschiedener Zusammensetzungen eine Vorauswahl geeigneter GZPB-Rezepturen ermittelt. Danach erfolgten, ebenfalls an Bindemittelleimen, Untersuchungen zu den Eigenschaften der als geeignet eingeschätzten GZPB-Mischungen. Hierzu zählten Langzeitbetrachtungen zur rissfreien Erhärtung bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen sowie die Festigkeitsentwicklung im trockenen und feuchten Zustand. Im nächsten Schritt wurde anhand zweier exemplarischer GZPB-Zusammensetzungen (mit silikatischen und alumosilikatischen Puzzolan) die prinzipiell mögliche Phasenzusammensetzung unter Variation des Puzzolan-Zement-Verhältnisses (P/Z-Verhältnis) und des Calciumsulfatanteils im thermodynamischen Gleichgewichtszustand berechnet. Hier wurde im Besonderen auf Unterschiede der silikatischen und alumosilikatischen Puzzolane eingegangen. Im letzten Teil der Untersuchungen wurden die Hydratationskinetik der GZPB sowie die Gefügeentwicklung näher betrachtet. Hierfür wurden die Porenlösungen chemisch analysiert und Sättigungsindizes berechnet, sowie elektronenmikropische, porosimetrische und röntgenografische Untersuchungen durchgeführt. Abschließend wurden die Ergebnisse gesamtheitlich interpretiert, da die Ergebnisse der einzelnen Untersuchungsprogramme miteinander in Wechselwirkung stehen. Als hauptsächliche Hydratationsprodukte wurden Calciumsulfat-Dihydrat, Ettringit und C-(A)-S-H-Phasen ermittelt, deren Anteile im GZPB neben dem Calciumsulfatanteil und dem Puzzolan-Zement-Verhältnis auch deutlich vom Wasserangebot und der Gefügeentwicklung abhängen. Bei Verwendung von alumosilikatischen Puzzolans kommt es wahrscheinlich zur teilweisen Substitution des Siliciums durch Aluminium in den C-S-H-Phasen. Dies erscheint aufgrund des Nachweises der für diese Phasen typischen, folienartigen Morphologie wahrscheinlich. Portlandit wurde in raumbeständigen GZPB-Systemen nur zu sehr frühen Zeitpunkten in geringen Mengen gefunden. In den Untersuchungen konnte ein Teil der in der Literatur beschriebenen, prinzipiellen Hydratationsabläufe bestätigt werden. Bei Verwendung von Halbhydrat als Calciumsulfatkomponente entsteht zuerst Dihydrat und bildet die Primärstruktur der GZPB. In dieses existierende Grundgefüge kristallisieren dann das Ettringit und die C-(A)-S-H-Phasen. In den GZPB sorgen entgegen der Beschreibungen in der Literatur nicht ausschließlich die C-(A)-S-H-Phasen zur Verbesserung der Feuchtebeständigkeit und der Erhöhung des Festigkeitsniveaus, sondern auch das Ettringit. Beide Phasen überwachsen im zeitlichen Verlauf der Hydratation die Dihydratkristalle in der Matrix und hüllen diese – je nach Calciumsulfatanteil im GZPB – teilweise oder vollständig ein. Diese Umhüllung sowie die starke Gefügeverdichtung durch die C-(A)-S-H-Phasen und das Ettringit bedingen, dass ein lösender Angriff durch Wasser erschwert oder gar verhindert wird. Gleichzeitig wird die Gleitfähigkeit an den Kontaktstellen der Dihydratkristalle verringert. Eine rissfreie und raumbeständige Erhärtung ist für die gefahrlose Anwendung eines GZPB-Systems essentiell. Hierfür ist die Kinetik der Ettringitbildung von elementarer Bedeutung. Die gebildete Ettringitmenge spielt nur eine untergeordnete Rolle. Selbst ausgeprägte, ettringitbedingte Dehnungen und hohe sich bildende Mengen führen zu frühen Zeitpunkten, wenn die Dihydratkristalle noch leicht gegeneinander verschiebbar sind, zu keinen Schäden. Bleibt die Übersättigung bezüglich Ettringit und somit auch der Kristallisationsdruck allerdings über einen langen Zeitraum hoch, genügen bereits geringe Ettringitmengen, um das sich stetig verfestigende Gefüge stark zu schädigen. Die für die raumbeständige Erhärtung der GZPB notwendige, schnelle Abnahme der Ettringitübersättigung wird hauptsächlich durch die Reaktivität des Puzzolans beeinflusst. Die puzzolanische Reaktion führt zur Bindung des aus dem Zement stammenden Calciumhydroxid durch die Bildung von C-(A)-S-H-Phasen und Ettringit. Hierdurch sinkt die Calcium- und Hydroxidionenkonzentration in der Porenlösung im Verlauf der Hydratation, wodurch auch die Übersättigung bezüglich Ettringit abnimmt. Je höher die Reaktivität des Puzzolans ist, desto schneller sinkt der Sättigungsindex des Ettringits und somit auch der Kristallisationsdruck. Nach Unterschreiten eines noch näher zu klärendem Grenzwert der Übersättigung stagnieren die Dehnungen. Das Ettringit kristallisiert bzw. wächst nun bevorzugt in den Poren ohne eine weitere, äußere Volumenzunahme zu verursachen. Um eine schadensfreie Erhärtung des GZPB zu gewährleisten, muss gerade in der frühen Phase der Hydratation ein ausreichendes Wasserangebot gewährleistet werden, so dass die Ettringitbildung möglichst vollständig ablaufen kann. Andernfalls kann es bei einer Wiederbefeuchtung zur Reaktivierung der Ettringitbildung kommen, was im eingebauten Zustand Schäden verursachen kann. Die Gewährleistung eines ausreichenden Wasserangebots ist im GZPB-System nicht unproblematisch. In Abhängigkeit der GZPB-Zusammensetzung können sich große Ettringitmengen bilden, die einen sehr hohen Wasserbedarf aufweisen. Deshalb kann es, je nach verwendeten Wasser-Bindemittel-Wert, im Bindemittelleim zu einem Wassermangel kommen, welcher die weitere Hydratation verlangsamt bzw. komplett verhindert. Zudem können GZPB-Systeme teils sehr dichte Gefüge ausbilden, wodurch der Wassertransport zum Reaktionsort des Ettringits zusätzlich behindert wird. Die Konzeption raumbeständiger GZPB-Systeme muss anhand mehrerer aufeinander aufbauender Untersuchungen erfolgen. Zur Vorauswahl geeigneter Puzzolan-Zementverhältnisse eignen sich die Messungen der CaO-Konzentration und des pH-Wertes in Suspensionen. Als alleinige Beurteilungsgrundlage reicht dies allerdings nicht aus. Zusätzlich muss das Längenänderungs-verhalten beurteilt werden. Raumbeständige Mischungen mit alumosilikatischen Puzzolanen zeigen zu frühen Zeitpunkten starke Dehnungen, welche dann abrupt stagnieren. Stetige – auch geringe – Dehnungen weisen auf eine destruktive Zusammensetzung hin. Mit diesem mehrstufigen Vorgehen können raumbeständige, stabile GZPB-Systeme konzipiert werden, so dass die Zielstellung der Arbeit erreicht wurde und ein sicherer praktischer Einsatz dieser Bindemittelart gewährleistet werden kann.  

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Charakterisieren struktureller Veränderungen zementgebundener Baustoffe durch zwei auf dem Ultraschall-Transmissionsverfahren beruhenden Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit mechanischen Wellen vorgenommen. Zur kontinuierlichen Charakterisierung der Erstarrung und Erhärtung frischer zementgebundener Systeme wird ein auf Ultraschallsensoren für Longitudinal- und Scherwellen basierendes Messsystem in Kombination mit zugehörigen Verfahrensweisen zur Datenauswertung konzipiert, charakterisiert und angewandt. Gegenüber der bislang üblichen alleinigen Bewertung der Verfestigung anhand indirekter Ultraschallparameter wie Ausbreitungsgeschwindigkeit, Signalenergie oder Frequenzgehalt der Longitudinalwelle lässt sich damit eine direkte, sensible Erfassung der sich während der Strukturbildung entwickelnden dynamischen elastischen Eigenschaften auf der Basis primärer physikalischer Werkstoffparameter erreichen. Insbesondere Scherwellen und der dynamische Schubmodul sind geeignet, den graduellen Übergang zum Festkörper mit Überschreiten der Perkolationsschwelle sensibel und unabhängig vom Luftgehalt zu erfassen. Die zeitliche Entwicklung der dynamischen elastischen Eigenschaften, die Strukturbildungsraten sowie die daraus extrahierten diskreten Ergebnisparameter ermöglichen eine vergleichende quantitative Charakterisierung der Strukturbildung zementgebundener Baustoffe aus mechanischer Sicht. Dabei lassen sich typische, oft unvermeidbare Unterschiede in der Zusammensetzung der Versuchsmischungen berücksichtigen. Der Einsatz laserbasierter Methoden zur Anregung und Erfassung von mechanischen Wellen und deren Kombination zu Laser-Ultraschall zielt darauf ab, die mit der Anwendung des konventionellen Ultraschall-Transmissionsverfahrens verbundenen Nachteile zu eliminieren. Diese resultieren aus der Sensorgeometrie, der mechanischen Ankopplung und bei einer Vielzahl von Oberflächenpunkten aus einem hohen prüftechnischen Aufwand. Die laserbasierte, interferometrische Erfassung mechanischer Wellen ist gegenüber Ultraschallsensoren rauschbehaftet und vergleichsweise unsensibel. Als wesentliche Voraussetzung der scannenden Anwendung von Laser-Ultraschall auf zementgebundene Baustoffe erfolgen systematische experimentelle Untersuchungen zur laserinduzierten ablativen Anregung. Diese sollen zum Verständnis des Anregungsmechanismus unmittelbar auf den Oberflächen von zementgebundenen Baustoffen, Gesteinskörnungen und metallischen Werkstoffen beitragen, relevante Einflussfaktoren aus den charakteristischen Materialeigenschaften identifizieren, geeignete Prozessparameter gewinnen und die Verfahrensgrenzen aufzeigen. Unter Einsatz von Longitudinalwellen erfolgt die Anwendung von Laser-Ultraschall zur zeit- und ortsaufgelösten Charakterisierung der Strukturbildung und Homogenität frischer sowie erhärteter Proben zementgebundener Baustoffe. Während der Strukturbildung wird erstmals eine simultane berührungslose Erfassung von Longitudinal- und Scherwellen vorgenommen. Unter Anwendung von tomographischen Methoden (2D-Laufzeit¬tomo¬graphie) werden überlagerungsfreie Informationen zur räumlichen Verteilung struktureller Gefügeveränderungen anhand der longitudinalen Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. des relativen dynamischen Elastizitätsmoduls innerhalb von virtuellen Schnittebenen geschädigter Probekörper gewonnen. Als beton-schädigende Mechanismen werden exemplarisch der kombinierte Frost-Tausalz-Angriff sowie die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) herangezogen. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung bieten erweiterte Möglichkeiten zur Charakterisierung zementgebundener Baustoffe und deren strukturellen Veränderungen und lassen sich zielgerichtet in der Werkstoffentwicklung, bei der Qualitätssicherung sowie zur Analyse von Schadensprozessen und -ursachen einsetzen.

Self-healing materials have recently become more popular due to their capability to autonomously and autogenously repair the damage in cementitious materials. The concept of self-healing gives the damaged material the ability to recover its stiffness. This gives a difference in comparing with a material that is not subjected to healing. Once this material is damaged, it cannot sustain loading due to the stiffness degradation. Numerical modeling of self-healing materials is still in its infancy. Multiple experimental researches were conducted in literature to describe the behavior of self-healing of cementitious materials. However, few numerical investigations were undertaken. The thesis presents an analytical framework of self-healing and super healing materials based on continuum damage-healing mechanics. Through this framework, we aim to describe the recovery and strengthening of material stiffness and strength. A simple damage healing law is proposed and applied on concrete material. The proposed damage-healing law is based on a new time-dependent healing variable. The damage-healing model is applied on isotropic concrete material at the macroscale under tensile load. Both autonomous and autogenous self-healing mechanisms are simulated under different loading conditions. These two mechanisms are denoted in the present work by coupled and uncoupled self-healing mechanisms, respectively. We assume in the coupled self-healing that the healing occurs at the same time with damage evolution, while we assume in the uncoupled self-healing that the healing occurs when the material is deformed and subjected to a rest period (damage is constant). In order to describe both coupled and uncoupled healing mechanisms, a one-dimensional element is subjected to different types of loading history. In the same context, derivation of nonlinear self-healing theory is given, and comparison of linear and nonlinear damage-healing models is carried out using both coupled and uncoupled self-healing mechanisms. The nonlinear healing theory includes generalized nonlinear and quadratic healing models. The healing efficiency is studied by varying the values of the healing rest period and the parameter describing the material characteristics. In addition, theoretical formulation of different self-healing variables is presented for both isotropic and anisotropic maerials. The healing variables are defined based on the recovery in elastic modulus, shear modulus, Poisson's ratio, and bulk modulus. The evolution of the healing variable calculated based on cross-section as function of the healing variable calculated based on elastic stiffness is presented in both hypotheses of elastic strain equivalence and elastic energy equivalence. The components of the fourth-rank healing tensor are also obtained in the case of isotropic elasticity, plane stress and plane strain. Recent research revealed that self-healing presents a crucial solution also for the strengthening of the materials. This new concept has been termed ``Super Healing``. Once the stiffness of the material is recovered, further healing can result as a strengthening material. In the present thesis, new theory of super healing materials is defined in isotropic and anisotropic cases using sound mathematical and mechanical principles which are applied in linear and nonlinear super healing theories. Additionally, the link of the proposed theory with the theory of undamageable materials is outlined. In order to describe the super healing efficiency in linear and nonlinear theories, the ratio of effective stress to nominal stress is calculated as function of the super healing variable. In addition, the hypotheses of elastic strain and elastic energy equivalence are applied. In the same context, new super healing matrix in plane strain is proposed based on continuum damage-healing mechanics. In the present work, we also focus on numerical modeling of impact behavior of reinforced concrete slabs using the commercial finite element package Abaqus/Explicit. Plain and reinforced concrete slabs of unconfined compressive strength 41 MPa are simulated under impact of ogive-nosed hard projectile. The constitutive material modeling of the concrete and steel reinforcement bars is performed using the Johnson-Holmquist-2 damage and the Johnson-Cook plasticity material models, respectively. Damage diameters and residual velocities obtained by the numerical model are compared with the experimental results and effect of steel reinforcement and projectile diameter is studied.

Wiederkehrende Belastungen, wie sie beispielsweise an Brücken oder Windenergieanlagen auftreten, können innerhalb der Nutzungsdauer solcher Bauwerke bis zu 1.000.000.000 Lastwechsel erreichen. Um das dadurch eintretende Ermüdungsverhalten von Beton zu untersuchen, werden diese zyklischen Beanspruchungen in mechanischen Versuchen mit Prüfzylindern nachgestellt. Damit Versuche mit solch hohen Lastwechselzahlen in akzeptablen Zeitdauern durchgeführt werden können, wird die Belastungsfrequenz erhöht. Als Folge dieser erhöhten Belas-tungsfrequenz erwärmen sich allerdings die Betonprobekörper, was zu einem früheren, unrealistischen Versagenszeitpunkt führen kann, weshalb die Erwärmung begrenzt werden muss. Um die Wärmefreisetzung in der Probe zu untersuchen, wurden Versuche und Simulationen durchgeführt. Im Beitrag wird die analytische und messtechnische Analyse des Wärmeübergangs an erwärmten Betonzylindern vorgestellt. Resultierend daraus wird eine Möglichkeit zur Reduktion der Erwärmung an zyklisch beanspruchten Betonzylindern vorgestellt.

The underlying goal of this work is to reduce the uncertainty related to thermally induced stress prediction. This is accomplished by considering use of non-linear material behavior, notably path dependent thermal hysteresis behavior in the elastic properties. Primary novel factors of this work center on two aspects. 1. Broad material characterization and mechanistic material understanding, giving insight into why this class of material behaves in characteristic manners. 2. Development and implementation of a thermal hysteresis material model and its use to determine impact on overall macroscopic stress predictions. Results highlight microcracking evolution and behavior as the dominant mechanism for material property complexity in this class of materials. Additionally, it was found that for the cases studied, thermal hysteresis behavior impacts relevant peak stress predictions of a heavy-duty diesel particulate filter undergoing a drop-to-idle regeneration by less than ~15% for all conditions tested. It is also found that path independent heating curves may be utilized for a linear solution assumption to simplify analysis. This work brings forth a newly conceived concept of a 3 state, 4 path, thermally induced microcrack evolution process; demonstrates experimental behavior that is consistent with the proposed mechanisms, develops a mathematical framework that describes the process and quantifies the impact in a real world application space.