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Projektbeschreibung
Das Projekt verfolgt zwei Ziele: Zum einen die Untersuchung der Gefügeschädigung durch Ermüdung in zementären Hochleistungswerkstoffen mittels hochauflösender analytischer Elektronenmikroskopie. Dabei geht es insbesondere um den Zusammenhang mit vorhandenen Inhomogenitäten, z.B. den Resten der Fließmittel im erhärteten Material. Arbeitshypothese ist, dass in kapillarporenfreien Hochleistungsbetonen die Rissinitiierung mit solchen Inhomogenitäten verknüpft ist, während in üblichen Betonen die Rissinitiierung auf der Kapillar- und Verbundporosität beruht. Als zweites Ziel verfolgt das Projekt die mehrskalige Modellierung der Ermüdung von Hochleistungsbetonen mittels Bonded Particle Model (BPM). Das Projekt konzentriert sich auf kapillarporenfreie Betone. Die Untersuchung der Gefügeschädigung erfolgt an Mikroproben, die im Transmissionselektronenmikroskop Zugversuchen unterzogen werden, deren Ergebnisse mit der Verteilung der Phasen verknüpft werden. Die Untersuchung der Rissausbreitung erfolgt an makroskopischen ermüdungsgeschädigten Proben. Teile dieser Proben werden mittels FIB-Tomographie analysiert, wobei mit dieser Methode eine dreidimensionale Untersuchung der Struktur mit sehr hoher Auflösung möglich ist. Ein erheblicher Anteil der wissenschaftlichen Arbeit wird dabei die Methodenentwicklung in der hochauflösenden Elektronenmikroskopie einnehmen, die dem ganzen SPP anschließend zur Verfügung steht. Die Untersuchungen liefern aber auch grundlegende Ergebnisse zur Gefügeschädigung, Rissentstehung und Rissausbreitung unter Ermüdung für die eigenen Modellierungsarbeiten und anderer Projekte im Schwerpunktprogramm.
Die numerische Forschungsarbeit in diesem Projekt fokussiert sich auf die Entwicklung eines mehrskaligen, BPM-basierten Modellierungskonzeptes sowie auf die Entwicklung und Validierung von meso- und makromechanischen Modellen zur Beschreibung der Schädigungsprozesse. Die neue Methode soll in der Lage sein mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von zyklischen mechanischen Belastungen vorherzusagen, den Einfluss der Mesostruktur auf das makroskopische Verhalten von Beton zu berücksichtigen sowie die Entstehung und Koaleszenz von Mikro- und das Wachstum von versagensauslösenden Makrorissen zu beschreiben. Für die Modellierung von Betonen wird das selbst entwickelte DEM-Simulationssystem MUSEN mit verbesserten Berechnungsalgorithmen und neuen mechanischen Modellen erweitert. Die Validierung der Simulationsergebnisse sowie die Bestimmung der Modellparameter werden auf Basis von experimentellen Untersuchungen an Proben von ultrahochfestem Beton und dessen Komponenten erfolgen. Dabei wird nicht nur das makroskopische mechanische Verhalten von Materialen berücksichtigt, sondern auch die aus elektronenmikroskopischen Untersuchungen erhaltenen Informationen werden für die Modellbildung, die Anpassung und die Validierung eingesetzt.
