1. Motivation:

3. Lösungsansatz: 4. Experimentelle Untersuchungen:

5. Einfluss der Prüfvorschriften: 6. Einfluss der Lagerungsbedingungen:

7. Zusammenfassung und Ausblick:

2. Grundlagen der Spaltzugprüfung:

AL Sp DIN AL Sp AL Sp DIN0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

Schicht 1Schicht 2Schicht 1Schicht 3

AL Sp-Beton DIN EN 12390-6Mi elwertStAbw.

WaschbetonSpal

tzug

fes

gkei

t f ct

,sp [N

/mm

²]

Unterbeton0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Stan

dard

abw

eich

ung s [

N/m

m²]

20/65 Wasserg. 20/65 Wasserg. 20/65 Wasserg.0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

Schicht 3Schicht 1Schicht 2

20/65 Wassergesä gt Mi elwert StAbw.

Unterbeton BAB 11Spal

tzug

fes

gkei

t f ct

,sp [N

/mm

²]

Einschichter Beton BAB 140

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Stan

dard

abw

eich

ung s [

N/m

m²]- 12,7 %

- 7,9 %

- 15,5 %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5000

10000

15000

20000

25000

Belastung in % der Bruchlast

Anza

hl d

er S

chal

lere

igni

sse

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10000

20000

30000

40000

50000

Belastung in % der Bruchlast

Anza

hl d

er S

chal

lere

igni

sse

Ergebnisse:

- höhere Festigkeiten und größere StAbw. bei AL-Sp Beton im Wasch- und Unterbeton- Einfluss der Schichthöhe im Unterbeton ist vernachlässigbar- homogener Waschbeton mit geringerer Spaltzugfestigkeit- die Kombination der beiden Prüfvorschriften ist folglich nicht möglich

Zur Gegenüberstellung der Prüfvorschriften wurden 5 Versuchsserien analysiert:

- 3 Serien nach AL-Sp Beton und 2 Serien nach DIN EN 12390-6 geprüft- eine Prüfserie besteht aus 10 einzelnen Probekörpern- Lagerungsbedingungen: 20°C / 65% rel. Luftfeuchtigkeit

Zur Gegenüberstellung der Lagerungsbedingungen wurden 6 Versuchsserien analysiert:

- Es wurden je 3 Prüfserien unter Normbedingungen bei 20 °C / 65 rel. Luftfeuchtigkeitbzw. bis zur Wassersättigung gelagert

- eine Prüfserie besteht aus 10 einzelnen Probekörpern- alle Serien wurden nach der AL-Sp Beton geprüft

Ergebnisse:

- der Feuchteinfluss hat, wie bei der Druckfestigkeit, eine erheblichen Einfluss auf die Spaltzugefestigkeit- bei Wassersättigung geringere Spaltzugfestigkeit als unter Lagerung bei 20°C / 65% rel. Luftfeuchtigkeit- die Lagerungsbedingung hat keinen erkennbaren Einfluss auf die Standardabweichung - Zusammenhang zwischen Wasseraufnahme und Festigkeitsabfall (siehe Tabelle)- die Ergenisse der unterschiedlichen Lagerungsbedingungen können nicht miteinander verglichen werden

Prüfserie Wasseraufnah-me [g/dm³]

Fes gkeits-abfall [%]

A 11 2. Schicht 8 - 7,9

A 141. Schicht 26 - 12,7

3. Schicht 44 - 15,5

Hintergrund:Nach AL-Sp Beton erfolgt die Restsubstanzbewertung von Altbetonen (Bestandsbetone) an Proben mit 20°C / 65% rel. Luffeuchtigkeit. Neu-betone (Laborbetone) müssen wassergesättigt geprüft werden.

Lasteinleitung nach DIN EN 12390-6 Lasteinleitung nach AL-Sp Beton

- Die Auswertung Schallemssions-Aktivität zeigt auf, dass sich bei beiden Arten der Lasteinleitung ein sehr sprö-des Materialversagen einstellt. Bei DIN geprüften Probekörpern kündigt sich der Bruch jedoch noch später an.

- Bei Prüfungen nach der AL-Sp Beton kommt es häufiger zu Schubbrüchen (Y-Bruch), während bei DIN Prü-fungen sich ein „reiner“ Zugbruch durch ein mittig verlaufenden Bruch einstellt.

- Die Bilder der Verformungsanalyse bestätigen die Bruchbilder. In dem linken Verformungsbild treten starke Dehnungskonzentration auf, während rechts die Oberflächendehnungen geringer und breiter verteilt ist.

- Es ist gelungen das Bruchverhalten unter spaltzuginduzierter Belastung hinsichtlich verschiedener Ein-flussparameter zu charakterisieren und zu erklären.

- Prüfungen nach der AL-Sp Beton ergaben höhere Spaltzugfestigkeiten als bei Prüfungen in Anlehnung an DIN EN 12390-6 mit ebenen Lasteinleitungsschienen und Hartfaserstreifen.

- Wassergesättigte Probekörper von Neubetonen (Laborbeton) haben eine geringere Spaltzugfestigkeit.

- Die Verformungen konnten in guter Übereinstimmung konventionell mit Dehnmessstreifen, sowie innovativ auf der Stirnseite photogrammetrisch mit dem Aramis-System gemessen werden.

- Die quantitative SE-Aktivität stellt den Rissbildungsmechanismus über den Belastungszeitraum sehr gut dar, zeigt aber als Schädigungsindikator keine weiteren Erkenntnisse über den Bruchvorgang auf.

- Der mittig zwischen den Lasteinleitungsschienen verlaufende Bruch konnte über den Ortungsalgorithmus der SEA aufgezeigt werden. Eine dreidimensionale Darstellung sollte Bestandteil weiterer Forschung sein.

- Großes Potenzial zur Charakterisierung des Bruchvorgangs hat die Aufzeichnung des Probekörperversa-gens mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit nachgeschalteter Verformungsanalyse mittels Aramis.

- Für die dynamischen Untersuchungen muss ein Schädigungsindikator erarbeitet werden.

Tabellarische Übersichtzur Wassersättigung

- Durch die Inhomogenität des Baustoffs Beton ist es schwierig die Zugfestigkeit durch eine axiale Zugkraft zu bestimmen.

- Die Spaltzugprüfung (auch Querzugprüfung oder indirekte Zugprüfung) ist ein indirektes Verfah-ren um die Zugfestigkeit des Betons zu bestimmen.

- Probekörper (Zylinder oder Prismen) werden über zwei sich genau gegenüber liegende Mantel-linien in einer Druckprüfmaschine bis zum Bruch belastet.

- Um Unebenheiten der Mantelfläche auszugleichen werden Zwischenstreifen eingelegt. In Ab-hängigkeit der Breite der Lasteinleitungsstreifen stellen sich verschieden Versagensformen ein:

Druckversagen „reines“ Zugversagen Schubversagen

Durch die Einführung der „Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung von Betondeckenim Oberbau von Verkehrsflächen „bildet die Spaltzugfestigkeit einen wesentlichen Bemessungs-kennwert von Straßenverkehrsflächen. Sowohl als Hauptbemessungskenngröße für Neubetone (Laborbeton) als auch für die Restsubstanzbewertung an Altbetone (Bestandsbetone).

Als anzuwendendes Prüfverfahren wird die „Arbeitsanleitung zur Bestimmung der charakteristi-schen Spaltzugfestigkeit an Zylinderscheiben als Eingangsgröße in die Bemessung von Betonde-cken für Straßenverkehrsflächen (AL-Sp Beton)“ festgelegt.

In einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführten Ring-versuchs, wurde die Präzision des Prüfverfahrens unter Wiederhol- und Vergleichsbedingungen untersucht.

In der Abschlussarbeit war es beabsichtigt, in ergänzenden bzw. weiterführenden Untersu-chungen des Ringversuchs, weitere Erkenntnisse über das Versagensverhalten unter statischer und dynamischer Spaltzugbeanspruchungen bei der Variation verschiedener Einflussfaktoren zu gewinnen.

Zur Charakterisierung der inneren und äußeren Schädigungsprozesse werden verschiedene Prüftechniken eingesetzt:

Schädigungsindikatoren zur Charakterisierung der Bruchmechanismen

währendder Beanspruchung

nach

- Schallemissionsanalyse (SEA)

- Ultraschallgeschwindigkeit

- Querdehnung

- Photogrammetrie Aramis (flächig)

- Dehmessstreifen (punktuell)

- Äußere Rissentwicklung auf der Stirnseite

- Spaltzugfestigkeit (fct,sp)

- Bruchbilder

Betonzusammensetzung [kg/m³] Waschbeton UnterbetonZement CEM I 42,5 (-st) 420 350Sand 0/2 519 (31%) 567 (31%) 2/8 1155 (69%) 292 (16%)Edelsplitt 8/16 - 475 (26%) 16/22 - 494 (27%)Frischwasser 188 156BV Woerment BV 25 (BASF) 1,68 -LP-Bildner Micro Air 102 (BASF) 0,71 0,63Luftporen [l/dm³] 6,5 4,0w/z-Wert 0,45 0,45

Die rechts dargestellte Prüfeinrichtung wurde je nach Bedarf durch die entsprechende Prüftechnik ergänzt.

Durchführung der Untersuchungen an derBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Betreuung in der BAM durch: Dr.-Ing. Frank Weise und Dr.-Ing. Götz Hüsken

AL Sp DIN AL Sp AL Sp DIN0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

Schicht 1Schicht 2Schicht 1Schiccccccccht 3

AL Sppppp-BetonDIN EN 12390-6

MMii eeeellwweerrttStAbwwww.

WaschhhhhhhhhhbetonSpal

tzug

fes

gkei

tf cff t

,ttsp

[N/m

m²]

Unterbeton0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Stan

dard

abw

eich

ungs[

N/m

m²]

20/65 Wasserg. 20/65 Wasserg. 20/65 Wasserg.0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

Schiccccccccccccccccccht 3Schiccccccccccccccccccht 1Schiccccccccccccccccccht 2

20000/65WWWWassergesä gtMMMMMMii eellwweerrttSttttAbw.

Unterbetoooooooooooooooooon BAB 11Spal

tzug

fes

gkei

tf cff t

,ttsp

[N/m

m²]

Einnnnnnnnnnnnnnnnnschichter BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBeton BAB 140

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Stan

dard

abw

eich

ungs[

N/m

m²]- 111112,7 %

- 7777,9 %

- 111115,5 %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5000

10000

15000

20000

25000

Belastung in % der Bruchlast

Anza

hlde

rSch

alle

reig

niss

e

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10000

20000

30000

40000

50000

Belastung in % der Bruchlast

Anza

hlde

rSch

alle

reig

niss

e

Ergebnisse:

- höhere Festigkeiten und größere StAbw. bei AL-Sp Beton im Wasch- und Unterbeton- Einfluss der Schichthöhe im Unterbeton ist vernachlässigbar- homogener Waschbeton mit geringerer Spaltzugfestigkeit- die Kombination der beiden Prüfvorschriften ist folglich nicht möglich

Zur Gegenüberstellung der Prüfvorschriften wurden 5 Versuchsserien analysiert:

- 3 Serien nach AL-Sp Beton und 2 Serien nach DIN EN 12390-6 geprüft- eine Prüfserie besteht aus 10 einzelnen Probekörpern- Lagerungsbedingungen: 20°C / 65% rel. Luftfeuchtigkeit

Zur Gegenüberstellung der Lagerungsbedingungen wurden 6 Versuchsserien analysiert:

- Es wurden je 3 Prüfserien unter Normbedingungen bei 20 °C / 65 rel. Luftfeuchtigkeitbzw. bis zur Wassersättigung gelagert

- eine Prüfserie besteht aus 10 einzelnen Probekörpern- alle Serien wurden nach der AL-Sp Beton geprüft

Ergebnisse:

- der Feuchteinfluss hat, wie bei der Druckfestigkeit, eine erheblichen Einfluss auf die Spaltzugefestigkeit- bei Wassersättigung geringere Spaltzugfestigkeit als unter Lagerung bei 20°C / 65% rel. Luftfeuchtigkeit- die Lagerungsbedingung hat keinen erkennbaren Einfluss auf die Standardabweichung - Zusammenhang zwischen Wasseraufnahme und Festigkeitsabfall (siehe Tabelle)- die Ergenisse der unterschiedlichen Lagerungsbedingungen können nicht miteinander verglichen werden

Prüfserie Wasseraufnah-me [g/dm³]

Fes gkeits-abfall [%]

A 11 2. Schicht 8 - 7,9

A 141. Schicht 26 - 12,7

3. Schicht 44 - 15,5

Hintergrund:Nach AL-Sp Beton erfolgt die Restsubstanzbewertung von Altbetonen (Bestandsbetone) an Proben mit 20°C / 65% rel. Luffeuchtigkeit. Neu-betone (Laborbetone) müssen wassergesättigt geprüft werden.

Lasteinleitung nach DIN EN 12390-6 Lasteinleitung nach AL-Sp Beton

- Die Auswertung Schallemssions-Aktivität zeigt auf, dass sich bei beiden Arten der Lasteinleitung ein sehr sprö-des Materialversagen einstellt. Bei DIN geprüften Probekörpern kündigt sich der Bruch jedoch noch später an.

- Bei Prüfungen nach der AL-Sp Beton kommt es häufiger zu Schubbrüchen (Y-Bruch), während bei DIN Prü-fungen sich ein „reiner“ Zugbruch durch ein mittig verlaufenden Bruch einstellt.

- Die Bilder der Verformungsanalyse bestätigen die Bruchbilder. In dem linken Verformungsbild treten starke Dehnungskonzentration auf, während rechts die Oberflächendehnungen geringer und breiter verteilt ist.

- Es ist gelungen das Bruchverhalten unter spaltzuginduzierter Belastung hinsichtlich verschiedener Ein-flussparameter zu charakterisieren und zu erklären.

- Prüfungen nach der AL-Sp Beton ergaben höhere Spaltzugfestigkeiten als bei Prüfungen in Anlehnung an DIN EN 12390-6 mit ebenen Lasteinleitungsschienen und Hartfaserstreifen.

- Wassergesättigte Probekörper von Neubetonen (Laborbeton) haben eine geringere Spaltzugfestigkeit.

- Die Verformungen konnten in guter Übereinstimmung konventionell mit Dehnmessstreifen, sowie innovativ auf der Stirnseite photogrammetrisch mit dem Aramis-System gemessen werden.

- Die quantitative SE-Aktivität stellt den Rissbildungsmechanismus über den Belastungszeitraum sehr gut dar, zeigt aber als Schädigungsindikator keine weiteren Erkenntnisse über den Bruchvorgang auf.

- Der mittig zwischen den Lasteinleitungsschienen verlaufende Bruch konnte über den Ortungsalgorithmus der SEA aufgezeigt werden. Eine dreidimensionale Darstellung sollte Bestandteil weiterer Forschung sein.

- Großes Potenzial zur Charakterisierung des Bruchvorgangs hat die Aufzeichnung des Probekörperversa-gens mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit nachgeschalteter Verformungsanalyse mittels Aramis.

- Für die dynamischen Untersuchungen muss ein Schädigungsindikator erarbeitet werden.

Tabellarische Übersichtzur Wassersättigung

- Durch die Inhomogenität des Baustoffs Beton ist es schwierig die Zugfestigkeit durch eine axiale Zugkraft zu bestimmen.

- Die Spaltzugprüfung (auch Querzugprüfung oder indirekte Zugprüfung) ist ein indirektes Verfah-ren um die Zugfestigkeit des Betons zu bestimmen.

- Probekörper (Zylinder oder Prismen) werden über zwei sich genau gegenüber liegende Mantel-linien in einer Druckprüfmaschine bis zum Bruch belastet.

- Um Unebenheiten der Mantelfläche auszugleichen werden Zwischenstreifen eingelegt. In Ab-hängigkeit der Breite der Lasteinleitungsstreifen stellen sich verschieden Versagensformen ein:

Druckversagen „reines“ Zugversagen Schubversagen

Durch die Einführung der „Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung von Betondeckenim Oberbau von Verkehrsflächen „bildet die Spaltzugfestigkeit einen wesentlichen Bemessungs-kennwert von Straßenverkehrsflächen. Sowohl als Hauptbemessungskenngröße für Neubetone (Laborbeton) als auch für die Restsubstanzbewertung an Altbetone (Bestandsbetone).

Als anzuwendendes Prüfverfahren wird die „Arbeitsanleitung zur Bestimmung der charakteristi-ischen Spaltzugfestigkeit an Zylinderscheiben als Eingangsgröße in die Bemessung von Betonde-cken für Straßenverkehrsflächen (AL-Sp Beton)“ festgelegt.“

In einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführten Ring-versuchs, wurde die Präzision des Prüfverfahrens unter Wiederhol- und Vergleichsbedingungen untersucht.

In der Abschlussarbeit war es beabsichtigt, in ergänzenden bzw. weiterführenden Untersu-chungen des Ringversuchs, weitere Erkenntnisse über das Versagensverhalten unter statischer und dynamischer Spaltzugbeanspruchungen bei der Variation verschiedener Einflussfaktoren zu gewinnen.

Zur Charakterisierung der inneren und äußeren Schädigungsprozesse werden verschiedene Prüftechniken eingesetzt:

Schädigungsindikatoren zur Charakterisierung der Bruchmechanismen

währendder Beanspruchung

nach

- Schallemissionsanalyse (SEA)

- Ultraschallgeschwindigkeit

- Querdehnung

- Photogrammetrie Aramis (flächig)

- Dehmessstreifen (punktuell)

- Äußere Rissentwicklung auf der Stirnseite

- Spaltzugfestigkeit (fct,spff )

- Bruchbilder

Betonzusammensetzung [kg/m³] Waschbeton Unterbeton 420 350Zement CEM I 42,5 (-st) 519 (31%) Sand 0/2 567 (31%) 1155 (69%) 2/8 292 (16%) - Edelsplitt 8/16 475 (26%) - 16/22 494 (27%) 188 Frischwasser 156 1,68 BV Woerment BV 25 (BASF) - 0,71 LP-Bildner Micro Air 102 (BASF) 0,63 6,5 Luftporen [l/dm³] 4,0 0,45 0,45w/z-Wert

Die rechts dargestellte Prüfeinrichtung wurde je nach Bedarf durch die entsprechende Prüftechnik ergänzt.

Durchführung der Untersuchungen an derBundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Betreuung in der BAM durch: Dr.-Ing. Frank Weise und Dr.-Ing. Götz Hüsken

Bachelorarbeit 2012 – Daniel Frost

Prof. Dipl.-Ing. Jürgen Berger

Analyse von Schädigungsprozessen statischer und dynamischer Spaltzugversuche