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Organisationseinheit der BAM
High-strength concrete (HSC) will experience thermal microcracking, explosive spalling, and undesirable chemical changes when exposed to high temperatures, such as during fire, engulfment by lava flow, or nuclear meltdown. Knowledge of the resultant changes in mechanical, physical, and chemical properties is paramount for hazard mitigation. We present a multidisciplinary study on the influence of thermal-stressing on HSC. Our study shows that thermal microcracking in HSC initiates at 180 °C, is more prevalent during cooling, and exhibits the Kaiser 'temperature-memory' effect. We show that residual compressive strength, indirect tensile strength, ultrasonic wave velocities, and Youngs modulus and Poissons ratio decrease, whilst porosity and permeability increase with increasing temperature. We discuss these data in terms of the chemical changes during thermal-stressing, provided by thermo-gravimetric analysis, differential scanning calorimetry, and X-ray diffraction, and from optical microscopic analysis of thermally-stressed samples. We provide implications for thermally-damaged HSC structures and a new method for non-destructive monitoring.
This paper presents the results of an
experimental study on the transient strain of high
strength concrete (HSC) under heating up to 750 °C
and the impact of polypropylene (PP) fibers. Concerning
this topic only few results are available in the
literature and systematic investigations are missing.
However, basic knowledge is necessary for the
understanding of the internal damage processes in
the material as well as for heated structures. The
transient strain during heating can be separated in two
basic components: the free thermal strain and the
mechanical strain. They were experimentally determined
exemplarily for one HSC. For the determination
of the mechanisms of transient strain and particularly
the influence of PP fibers different techniques were
applied. In this context the monitoring of the microcracking
was done for the first time with acoustic
emission analysis in combination with ultrasonic
measurements. This new approach helps fundamentally
to explain the impact of PP fibers on free thermal
strain and mechanical strain during heating up.
Furthermore weight loss measurements were carried
out to characterize the moisture transport. It was
shown that the PP fibers cause an acceleration of the
moisture transport in the temperature range from 200
to 250 °C which leads to drying shrinkage in opposite
direction to the free thermal strain. Hence this paper is
a contribution to the general understanding of the
impact of PP fibers in HSC at high temperatures and
emphasizes the important influence of PP fibers on the
thermal and mechanical induced strain of HSC.
Bauteile bzw. Tragwerke aus Hochleistungsbetonen müssen in der Regel gegen brandinduzierte Abplatzungen mit geeigneten Maßnahmen geschützt werden, um einen ausreichenden Feuerwiderstand im Brandfall zu gewährleisten. Die bisher wirtschaftlich und technologisch sinnvollste Methode zur Verhinderung von explosionsartigen Betonabplatzungen im Brandfall ist die Zugabe von Polypropylen-Fasern. Die Wirksamkeit der Fasern konnte zwar empirisch gezeigt werden, es stellt sich allerdings die Frage, welche Mechanismen zur Verhinderung der Abplatzungen führen. Der vorliegende Beitrag fasst bisherige Theorien zur Wirkungsweise von Polypropylen-Fasern in brandbeanspruchten Hochleistungsbetonen zusammen und stellt eine innovative Methodologie zur Erforschung der mikrostrukturellen Prozesse vor. Die Ergebnisse zeigen, dass die nach dem Schmelzen und Zersetzen der Polypropylen-Fasern frei werdenden Mikrokanäle durch eine gleichzeitig einsetzende Mikrorissbildung netzartig verbunden werden. Die Mikrorissbildung ermöglicht somit den Abbau von Eigen- und Zwangsspannungen im Beton (mechanischer Effekt) und die Entstehung eines Transportwegesystems für den ausströmenden Wasserdampf (Permeationseffekt).--------------------------------------------------------------------------- Structural members and bearing structures of high performance concrete generally have to be protected against explosive spalling due to fire exposure to guarantee a sufficient fire resistance. Up to now, the economically and technologically most worthwhile method to prevent explosive spalling is the addition of polypropylene fibres. Though the effectiveness of the fibres could be shown empirically, the mechanisms preventing explosive spalling are still debatable. The present article summarizes the existing theories concerning the mode of action of polypropylene fibres in fire exposed high performance concretes and presents an innovative methodology for analysing the micro structural processes. The results show that due to the thermal decomposition of the polypropylene fibres micro channels are created and simultaneously connected due to a netlike micro crack formation. This enables the relief of internal stresses (mechanical effect) and the formation of a permeable transport system for the escaping water vapour (permeation effect).
The present study documents the results of an
inter-disciplinary model project that was planned with the
aim of developing an innovative winter covering system
for marble statuaries located on the Schlossbru¨cke (Berlin).
Such a system would need to fulfil the various requirements
for structural stability, aesthetics, climate and practical
use. This applied research represents the first complex
scientific study of the sustainability of a winter covering
system. The study is characterised by the use of complex
scientific instruments such as special laboratory analysis
and numerical simulation tools. The interaction between
the environment and the artefacts in connection with the
innovative winter covering structures were studied by
extensive climatic monitoring.
Alkali-silica reaction (ASR) is a chemical reaction within concrete which can lead over time to cracking and spalling. Due to the complexity of the problem, it still causes damage to concrete constructions worldwide.
The publication aims to illustrate the interdisciplinary research of the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) within the last 20 years, considering all aspects of ASR topics from the macro to the micro level. First, methods for characterization and assessment of ASR risks and reaction products used at BAM are explained and classified in the international context. Subsequently the added value of the research approach by combining different, preferably nondestructive, methods across all scales is explained using specific examples from a variety of research projects. Aspects covered range from the development of new test-setups to assess aggregate reactivity, to analysis of microstructure and reaction products using microscopical, spectroscopical and X-ray methods, to the development of a testing methodology for existing concrete pavements including in-depth analysis of the visual damage indicator and the de-icing salt input using innovative testing techniques. Finally, research regarding a novel avoidance strategy that makes use of internal hydrophobization of the concrete mix is presented.
Though, concrete in general is a non-combustible building material, modern High Performance Concrete (HPC) is very susceptible to violent explosive spalling during a fire attack. This requires protective measures for fire safety design of concrete structures. The current most worthwhile method to prevent explosive spalling is the addition of monofilament Polypropylene fibres (PP-fibres). However, since it has become common knowledge that PP-fibres are suitable for fire safety design, a variety of theories concerning the mode of action of PP-fibres have been suggested. The present article summarizes the most important hypothesis and presents an innovative method for the analysis of micro structural processes in heated specimens. The results show that due to the thermal decomposition of PP-fibres capillary channels are created. Simultaneously, a netlike micro crack formation occurs, which connects these capillary channels. This enables the relief of internal stresses (mechanical effect) and the formation of a permeable transport system for the escaping water vapour (permeation effect).
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. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
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.
Auswirkungen von Ermüdungsbeanspruchungen auf Struktur und Eigenschaften von Fahrbahndeckenbeton
(2015)
Ausgehend von der Zielsetzung der DFG-Forschergruppe 1498, die Einflüsse auf den AKR-Schädigungsprozess in Fahrbahndecken aus Beton grundlegend zu klären, sind zwei aufeinander aufbauende Untersuchungsschwerpunkte Gegenstand dieses Beitrags. Im ersten Schwerpunkt wurden die prüftechnischen Voraussetzungen für die Charakterisierung der Degradation und damit der Rissbildung im Fahrbahndeckenbeton durch die Vorschädigung infolge von Ermüdungsbeanspruchungen geschaffen. Realisiert wurde dies durch die Implementierung und Optimierung eines Monitoringsystems im zyklischen 4-Punkt-Biegeversuch zur simultanen Erfassung der Rissbildung im großformatigen Schwingbalken. Zusätzlich wurde die Röntgen-3D-Computertomografie für die hochauflösende räumliche quantitative Rissanalyse in den Bohrkernen aus den Schwingbalken ohne und mit Vorschädigung weiterentwickelt. Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wurde mittels vielfältiger Experimente an kleinformatigen Probekörpern aus dem Schwingbalken gezeigt, dass durch die Ermüdungsbeanspruchung die bruchmechanischen Materialkennwerte des Betons zum Teil eine signifikante Veränderung erfahren. Based on the objective of the DFG (German research foundation) funded research group 1498 to clarify the influences on the ASR damage process, this paper deals with two focuses of investigation. In the first focus the technical requirements for the characterisation concerning the degradation and the formation of cracks in concrete pavements by the pre-damage as a result of fatigue loading were created. This was realized by the implementation and the optimisation of a monitoring system in the cyclic four point bending test to capture simultaneously the formation of cracks in the beam under sinusoidal bending load. In addition, the X-ray 3D-computed tomography was enhanced for the high-resolution quantitative spatial crack analysis in the drilling cores extracted of the beam under sinusoidal bending load without and with a pre-damage. Building on the first focus, in the second focus of investigation a significant change of the fracture-mechanical properties of the concrete as a result of fatigue loading has been demonstrated in numerous experiments using small specimens extracted from the beam under sinusoidal bending load.
In this work, which is part of a larger research program, a framework called “virtual data fusion“ was developed to provide an automated and consistent crack detection method that allows for the cross-comparison of results from large quantities of X-ray Computed Tomography (CT) data. A partial implementation of this method in a custom program was developed for use in research focused on crack quantification in Alkali-Silica Reaction (ASR)-sensitive concrete aggregates. During the CT image processing, a series of image analyses tailored for detecting specific, individual crack-like characteristics were completed. The results of these analyses were then “fused” in order to identify crack-like objects within the images with much higher accuracy than that yielded by any individual image analysis procedure. The results of this strategy demonstrated the success of the program in effectively identifying crack-like structures and quantifying characteristics, such as surface area and volume. The results demonstrated that the source of aggregate has a very significant impact on the amount of internal cracking, even when the mineralogical characteristics remain very similar. River gravels, for instance, were found to contain significantly higher levels of internal cracking than quarried stone aggregates of the same mineralogical type.
Die Oberflächentexturierung der Betonfahrbahndecken mittels Grinding- und Grooving steht seit einigen Jahren im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung des Betonstraßenbaus in Deutschland. In den vergangenen Jahren wurden die vorteilhaften Oberflächenperformances derartiger Texturen wie z.B. Griffigkeit, Ebenheit, Lärmminderung in zahlreichen Forschungsprojekten umfassend untersucht und daraus die Technologie „Texturgrinding“ entwickelt.
Im Kontext des gegenwärtig verfolgten ganzheitlichen performanceorientierten Ansatzes liegt der Fokus nun verstärkt auf der Analyse und Charakterisierung der Oberflächentopografie von Grinding- bzw. Groovingtexturen. Insbesondere gilt ein Hauptaugenmerk hierbei der zeitlichen Entwicklung der Oberflächentexturen in Abhängigkeit von äußeren Einwirkungen durch Klima und Verkehr.
Dieser Beitrag zeigt, dass durch den Einsatz eines auf Streifenlichtprojektion basierenden Messsystems, eine hochaufgelöste dreidimensionale Erfassung der Oberflächentopografie verschiedenartiger Grinding- und Groovingtexturen möglich ist. Darauf aufbauend wurden messtechnische Voraussetzungen zur Gewährleistung reproduzierbarer Messungen geschaffen, die eine Dokumentation der zeitlichen Texturveränderungen infolge klimatischer Beanspruchung ermöglichen. Anschließend wurden Auswerteroutinen zur quantitativen und statistischen Charakterisierung der Oberflächentextur entwickelt und angewandt, um exemplarisch die Veränderungen der Oberflächentopografie infolge klimatischer Beanspruchung quantitativ abzubilden.
Thermally-induced moisture transport in high-performance concrete studied by X-ray-CT and 1H-NMR
(2019)
The thermohydraulic damage mechanism is one of the primary causes for explosive spalling of highperformance concrete. This paper presents the spatially- and temporally-resolved analysis of the thermally-induced moisture transport and reconfiguration processes by means of X-ray-CT and 1HNMR.
Thermal testing results for a high-performance concrete, which is sensitive to explosive spalling and which was prepared with and without added polypropylene fibres, are presented in this paper. These results indicate that the addition of fibres leads to a faster and deeper migration of the drying front and, thus, to a lower likelihood of vapour-pressure induced explosive spalling.
Einfluss einer druckschwellinduzierten Degradation von Fahrbahndeckenbeton auf die schädigende AKR
(2020)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz verstärkt Schäden an vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Neben dem AKR-fördernden Einfluss von alkalihaltigen Taumitteln werden Fahrbahndecken zyklischen mechanischen Belastungen infolge des Verkehrs und Zwangsspannungen durch klimatische Einwirkungen ausgesetzt. Solche mechanischen Belastungen werden bisher in keinem AKR-Prüfverfahren berücksichtigt. Die zyklischen Belastungen können zu einer Degradation des Betongefüges führen, die ggf. einen AKR-fördernden Einfluss hat. Dieser Beitrag stellt Untersuchungen vor, die zur Beantwortung der Frage nach dem Einfluss einer zyklischen mechanischen Belastung auf den AKR-Schadensprozess beitragen. Dabei wird der Hypothese nachgegangen, dass die ermüdungsinduzierte Degradation zu einer Erhöhung des Stofftransports führt.
Dieser hat einen Einfluss auf die AKR-Schadensentwicklung, da die Reaktionspartner zunächst zum Reaktionsort transportiert werden müssen. Daher wird angenommen, dass sich mit dem Stofftransport auch die AKR-Schädigung verstärkt. Es werden Betonproben aus typischen Fahrbahndeckenbetonen einer vorgeschalteten zyklischen Druckschwellbelastung ausgesetzt.
Die Degradation infolge der Vorbelastung wird simultan mittels ZfP-Verfahren charakterisiert. Anschließend werden die Auswirkungen der zyklischen Vorschädigung auf den Stofftransport sowie auf die AKR vergleichend an Prüfkörpern ohne und mit Vorschädigung untersucht. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die zyklische Vorschädigung sowohl den Stofftransport als auch die AKR fördert.
Water migration in one-side heated concrete: 4D in-situ CT monitoring of the moisture-clog-effect
(2019)
Explosive spalling due to fire exposure in concrete structures can lead severe damage and, in the worst case, to premature component failure. For this reason, an in situ investigation of water Migration in concrete due to surface heating was undertaken.
During these experiments, a miniaturized concrete specimen within a confining and insulating double-hull was subjected to surface heating during simultaneous X-ray computed tomography (CT) scanning. Through the use of subtraction-based Image analysis techniques, it was possible to observe and quantify not only drying within areas of the concrete matrix close to the heated surface, but also the migration of moisture to both pore and matrix regions deeper within the specimen. It was also discovered that the correction of CT images for specimen deformation using DVC and variable detector performance using calibrated image filters significantly improved the quality of the results. This clearly demonstrates the potential of X-ray CT for evaluation of other rapid-density-change phenomena in concrete and other building materials.
The primary aim of this paper is to analyze the impact of mechanical pre-damage and alkali–silica reaction (ASR) on the fracture mechanical properties of pavement concrete. For this purpose, a four point bending test was applied to large format beams to produce a defined level of cyclic pre-damage. The fatigue-induced concrete degradation process was simultaneously recorded using a testing procedure specifically developed for the purpose. In addition, fatigue-induced cracks on extracted drilling cores were spatially visualized and quantified using micro X-ray 3D-computed tomography (3D-CT). The storage of the small-format test specimens, with and without cyclic pre-damage, in an ASR-conducive environment showed that pre-damage leads to an increase in ASR damage processes. Subsequent structural mechanical investigations on small format specimens with and without pre-damage show that fatigue loading and ASR significantly influence fracture mechanical parameters of the concrete.
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.
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung. Dies führt bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und des alkalischen Milieus durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu.
Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig sind hierbei der relativ hohe prüftechnische Aufwand und die eingeschränkte Ortsauflösung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag anhand von Bohrkernen aus einem repräsentativen AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen von Bohrkernen aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels eines Ausschlusskriteriums (Ca-Gehalt) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse sowie nasschemische Analysen belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen. Allerdings bedarf es bei der quantitativen Ermittlung des Natriumgehaltes in der Betonfahrbahndecke noch weitergehender Untersuchungen.