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Untersuchung des Bruchverhaltens von Leichtbetonen unter einaxialer Druckbelastung mittels hochauflösender Computertomographie (μ-CT)

Leichtbeton ist ein nach DIN EN 206 genormter Baustoff, welcher sich durch seine geringe Rohdichte von < 2.000 kg/m³ auszeichnet. In der vorliegenden Arbeit werden Betone mit leichter Gesteinskörnung, auch Konstruktionsleichtbetone genannt, betrachtet. In vorangegangenen Forschungsprojekten an der Universität Kassel wurde das Konzept von Leichtbeton mit dem eines ultra-hochfesten Beton (UHPC) kombiniert. Durch die sehr leistungsfähige Matrix von UHPC wurden Leichtbetone mit Festigkeiten von 60-130 N/mm² konzipiert, was über den genormten Bereich der DIN EN 206 hinausgeht. Daher wurde diese neue Materialklasse ultra-hochfester Leichtbeton (UHPLC) genannt.
Das Bruchverhalten von Leichtbeton wird in bisher aufgestellten Theorien von GRÜBL (1979) über das finale Bruchbild abgeleitet. Dabei werden für unterschiedliche Matrixfestigkeiten verschiedene Lastpfade und damit die unterschiedlichen Bruchbilder erklärt. Eine weitere Theorie von FAUST (2003) geht davon aus, dass der Anteil und die Festigkeit von leichter Gesteinskörnung ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit sind. Das sehr spröde Materialversagen von UHPC ohne Fasern wird bei UHPLC nicht beobachtet. Stattdessen versagen die Betone unter Druckspannung in der Sanduhrform, welche auch Normalbetone ausbilden. Bei UHPC wird von einem Lastabtrag über die Matrix ausgegangen, da diese druckfester als die Gesteinskörnung ist. Die meist quarzhaltige, feine Gesteinskörnung trägt jedoch auch zum Lastabtrag bei, und in Kombination werden Festigkeiten von 150-200 N/mm² erzielt. Bei UHPLC ist der Lastabtrag über die Gesteinskörnung durch die poröse, leichte Gesteinskörnung reduziert. Dadurch sinken nicht nur die Druckfestigkeit und der E-Modul, sondern auch der Bruch kündigt sich durch eine duktile Versagensform an. Um das Bruchverhalten und das resultierende Bruchbild besser verstehen und interpretieren zu können, wurden Aufnahmen von UHPLC mit Blähglas mittels hochauflösender Computertomographie (μ-CT) angefertigt, wobei die Proben in situ druckbelastet wurden. Bei fünf
unterschiedlichen Belastungszuständen wurden 3D-Aufnahmen erzeugt, ohne die Proben zwischenzeitlich zu entlasten. Die Auswertung der Daten erfolgte über verschiedene Schädigungsparameter und Verschiebungen sowie Rissöffnungen im stabilen Risswachstum (vor Erreichen der Maximallast) und über das Rissbild nach der Überschreitung der Maximallast.
Mit den Ergebnissen der Messungen für den UHPLC konnte ein Bruchverhalten beobachtet und ein Lastmodell entwickelt werden, welches die leichte Gesteinskörnung in den Lastabtrag einbezieht. Zudem wurde in Korrelation mit den mechanischen Eigenschaften eine Einflussmatrix von leichter Gesteinskörnung auf Frisch- sowie Festbetoneigenschaften erstellt.