According to the objectives of the research group 1498, this paper deals with degradation effects in concrete structures that are caused by cyclic flexural loading. The goal is to determine their influence on the fluid transport processes within the material on the basis of experimental results and numerical simulations. The overall question was, to which extent the ingress of externally supplied alkalis and subsequently an alkali‐silica reaction are affected by such modifications in the microstructure. Degradation in the concrete microstructure is characterized by ultrasonic wave measurements as well as by microscopic crack analysis. Furthermore, experiments on the penetration behavior of water into the investigated materials were performed. The penetration behavior into predamaged concrete microstructures was examined by the classical Karsten tube experiment, nuclear magnetic resonance method, and time domain reflectometry techniques. In order to create an appropriate model of the material's degradation on the water transport, the Darcy law was applied to describe the flow in partially saturated concrete. Material degradation is taken into account by an effective permeability that is dependent on the state of degradation. This effective permeability is obtained by the micromechanical homogenisation of the flow in an Representative Elementary Volume (REV) with distributed ellipsoidal microcracks embedded in a porous medium. The data gained in the microscopic crack analysis is used as input for the micromechanical model. Finite element simulations for unsaturated flow using the micromechanical model were compared with the experimental results showing good qualitative and quantitative agreement.
Auf Grundlage der Zielsetzung der Forschergruppe 1498 beschäftigt sich dieser Beitrag mit den Auswirkungen einer zyklischen mechanischen Belastung im Vierpunktbiegeversuch auf das Transportverhalten in Betongefüge. Hierzu wurde zunächst die Degradation des Mikrogefüges mittels Ultraschallmessungen sowie rissmikroskopischen Untersuchungen an Dünnschliffen charakterisiert. Mit dem Ziel der numerischen Modellbildung wurden Untersuchungen zum Wassereindringverhalten durchgeführt. Es wurden u. a. das Wassereindringverhalten über die Zeit und der Einfluss von Vorschädigungen experimentell geprüft. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen zu den Einzelprozessen des Ionentransports in poröses Gefüge wurde ein mikromechanisches Mehrskalenmodell entwickelt, welches es ermöglicht, die Wirkung der Vorschädigung auf gekoppelte Feuchte‐ und Ionentransportprozesse vorherzusagen. Das Modell berücksichtigt die Topologie und räumliche Verteilung der Mikrorisse und deren Einfluss auf die Ionendiffusivität. Die numerische Simulation liefert bei anisotroper Verteilung der Mikrorisse eine erhöhte Alkali‐Eindringtiefe. Degradations in concrete due to cyclic loading and its effects on transport processes with regard to ASR damage According to the goals of the research group 1498, this paper deals with the effects of cyclic flexural loading in a four‐point bending test on the fluid transport processes within a concrete structure. Therefore, the degradation of the microstructure is characterized through ultrasonic wave measurements as well as microscopic crack analysis. In order to numerically model these processes, experiments on the penetration behavior of water into the concrete were carried out. The penetration behavior over time as well as the influence of degradation on the water transport were investigated. To predict the influence of concrete degradation on alkali diffusivity, a multi‐scale continuum micromechanics model is incorporated into the numerical model, which accounts for the topology and the three‐dimensional distribution of microcracks. As expected, the numerical simulation predicts larger alkali‐penetration in pre‐damaged concrete. Regarding the micro‐crack distribution, an anisotropic distribution of micro‐cracks tangential to the direction of the alkali and water flux increases their penetration depth.
In concrete pavements, special conditions, that increase the likeliness of damaging reactions, as for example an alkali-silica reaction (ASR), prevail. Especially to the superposition of microstructural degradation caused by cyclic loading with an external alkali supply can influence the sustainability negatively. Concrete pavements are subjected to cyclic loadings by traffic and climate changes. These cause microcracks (about 5 μm) within the concrete matrix during service. Additionally, an ASR in pavements is promoted by externally supplied alkalis (de-icing agents). By superposition of both effects the alkali capacity close to the ASR-reactive aggregate aggregate is increased substantially as the externally supplied alkalis can easily penetrate through the microcracks. Thus, both effects intensify the ASR in concrete pavements. Within cooperative research projects the different interdependent influencing factors for a damaging ASR in concrete pavements are studied by experiments as well as by numeric modelling. On the micro-level the ASR-related processes within the aggregate, such as gel-formation or ion-transport, are investigated. On the meso-level, the project focuses on the characterization of degradation effects in the concrete microstructure due to cyclic loading. Further, special attention is paid to the transport behavior of fluids in such pre-damaged concrete structures. A significant increase of the penetration depth of alkaline solutions could not only be observed at different stages of progressing degradation. It becomes also obvious that the ingress of externally supplied alkalis is enhanced by the overrunning traffic. Finally, on the macro-level, the risk of an ASR-damage is assessed.
In Betonbauwerken können zyklische Belastungen bereits lange vor einem Ermüdungsversagen zu Degradationserscheinungen im Mikrogefüge führen. In Kombination mit anderen Einwirkungen, z. B. alkalihaltige Taumittel oder Meerwasser, kann dadurch die Dauerhaftigkeit beeinträchtigt werden. Bei den zyklischen Belastungen ist zwischen lastabhängigen und lastunabhängigen zu unterscheiden. Lastunabhängige wiederkehrende Beanspruchungen stellen sich insbesondere durch thermische, in Sonderfällen auch durch hygrische Verformungen im Jahres‐ und Tagesgang ein. Lastabhängige zyklische Beanspruchungen können unterschiedlicher Natur sein, z. B. infolge Verkehr auf Fahrbahnen oder Brücken oder bei Windkraftanlagen infolge der Rotorblätter. Um den Einfluss der zyklischen Belastungen auf die Degradation und in Folge auf die Dauerhaftigkeit zeitraffend erfassen zu können, wurde am Lehrstuhl für Baustofftechnik der Ruhr‐Universität Bochum ein Mehrfachprüfstand für solche Beanspruchungen entwickelt. Dieser Prüfstand erlaubt eine praxisnahe Simulation zyklischer Lasten an großformatigen Betonkörpern. Die Entwicklung, das Funktionsprinzip sowie der erfolgreiche Einsatz des Mehrfachprüfstandes in mehreren Forschungsvorhaben werden in dieser Veröffentlichung dargestellt.
Die Dauerhaftigkeit von Betonbauteilen wird nachhaltig durch das Vordringen betonschädigender bzw. korrosionsfördernder Stoffe (Kohlendioxid, Chloride, Säuren, Sulfate, Alkalien usw.) in das Betongefüge bestimmt. Um diese Prozesse gering zu halten, wird vor allem auf ein dichtes Gefüge der Mörtelmatrix durch entsprechend niedrigen Wasserzementwert geachtet. Werden Betonbauteile während ihrer Nutzung zyklisch beansprucht, findet im Betongefüge sehr schnell eine Degradation in Form von mikrostrukturellen Schädigungen statt. Diese zeigen sich nicht makroskopisch, sondern in Form von feinsten Mikrorissen mit Breiten von etwa 5–15 μm in der Mörtelmatrix. Diese begünstigen wiederum den Eintrag von flüssigen Medien und damit auch betonangreifenden Stoffen. Typische Beispiele hierfür sind Verkehrsflächen aus Beton, die zum einen durch Verkehrslasten hohen zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, zum anderen im Winter mit alkalihaltigen Taumitteln beaufschlagt werden. Solch eine externe Alkalizufuhr begünstigt eine betonschädigende Allkali‐Kieselsäure‐Reaktion (AKR) nachhaltig. Ähnlich verhält es sich auch bei Offshore‐Windenergieanlagen im Meerwasser. In einschlägigen Untersuchungen lag der Fokus auf der Charakterisierung der Degradationseffekte auf mikrostruktureller Ebene des Betons sowie auf dem Transportverhalten von flüssigen Medien in sowohl intaktes als auch so vorgeschädigtes Betongefüge.
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