Lena Mengel, M.Sc.
Mesoskalen-Modellierung der Riss-induzierten Durchlässigkeit von Beton
Die Rissbildung durch das Zugversagen von Beton ist ein wesentliches Merkmal des Stahlbetonbaus. Im Fall von Trennrissen können sich bereits sehr kleine Rissbreiten aufgrund des erhöhten Stofftransports durch die Risse negativ auf die Dauerhaftigkeit von Bauteilen auswirken. Insbesondere die realitätsnahe Vorhersage des Wassertransports ist von zentralem Interesse. Zum Einfluss der Rissbreite auf die Durchflussmenge wurden in diversen Forschungsarbeiten bereits wichtige Erkenntnisse gewonnen. Neben der Rissbreite haben auch die Rauigkeit der Rissflanken sowie der Rissverlauf (Tortuosität) einen großen Einfluss auf die Durchflussmenge.
Zum besseren Verständnis dieser Zusammenhänge ist die Durchführung verschiedener Experimente geplant. Dazu gehören die Untersuchung der Rauigkeit verschiedener Betone mittels Digitalmikroskopie sowie die Bestimmung der Tortuosität mittels mikro-Computertomografie. Desweiteren sollen Durchflussversuche an bewehrten Probekörpern mit definierten Rissbreiten an der Probenoberfläche durchgeführt werden.
Ziel des Teilprojektes ist es, ein Ingenieurmodell zur Vorhersage des Flüssigkeitstransportes durch Trennrisse zu entwickeln. Als Grundlage dafür wird das um den Durchflussbeiwert ξ (0 < ξ < 1) erweiterte "cubic-law"-Modell nach Hagen-Poiseuille genutzt. Demnach ergibt sich der Durchfluss durch einen Trennriss zu q = (ξ∙g∙I∙b∙w³)/(12∙ν) [m³/s].
Darin ist g die Gewichtskraft, I der Druckgradient, b die Risslänge orthogonal zur Fließrichtung, ν die kinematische Viskosität des Wassers und w die Rissbreite an der Bauteiloberfläche. Das "cubic-law"-Modell soll weiter optimiert und gegebenenfalls auf zusätzliche Lastfälle erweitert werden. Von besonderem Interesse sind darin ξ und w. Beide Parameter sollen mithilfe der aus den Ergebnissen der Untersuchungen gewonnenen erweiterten Wissens- und Datengrundlage zum Einfluss der Betoneigenschaften und der Bewehrung besser beschreibbar werden.
Die erweiterte Datengrundlage aus den experimentellen Untersuchungen soll die stochastische Beschreibung der Mikro- und Makrorauigkeit und schließlich eine Übertragung der Ergebnisse in ein Ingenieurmodell für den Flüssigkeitstransport ermöglichen.
Publikationen im Rahmen des GRK:
Konferenzbeiträge mit Veröffentlichung:
L. Mengel, D. Köhnke and H. Budelmann. Radiation effects on concrete. Research on Radioactive Waste Management, Ethics - Society - Technology. Final ENTRIA Conference, Braunschweig, September 2017.