Titelaufnahme

Titel
Onset of cracking in concrete: debonding or ITZ failure? : a micromechanical approach / von Markus Königsberger
VerfasserKönigsberger, Markus
Begutachter / BegutachterinPichler, Bernhard ; Hellmich, Christian
Erschienen2012
UmfangVII, 100 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2012
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Beton / Rissbeginn / elastische Grenzbeanspruchung / Mikromechanik / Versagensart
Schlagwörter (EN)concrete / crack initiation / elastic limit / micromechanics / failure mode
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-59991 Persistent Identifier (URN)
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Onset of cracking in concrete: debonding or ITZ failure? [1.02 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Beton stellt im Wesentlichen ein Matrix-Einschluss-Verbundmaterial dar, wobei Zuschlagskörner in einer Zementsteinmatrix eingebettet sind. In einer ca. 15Mikrometer großen Schnittstellen-Übergangszone ("interfacial transition zone" ITZ) rund um die Zuschlagskornoberflächen weist der Zementstein allerdings aufgrund von Entmischungsvorgängen während der Betonherstellung eine größere Porosität als im Rest der Zementsteinmatrix auf. Steigert man monoton die makroskopische Beanspruchung von Betonen, so wird einsetzende Mikrorissbildung in dieser ITZ beobachtet. Die exakte Position der beginnenden Rissbildung und der damit verbundene Versagensmechanismus sind jedoch immer noch unklar. Betonbruchstücke aus zerstörenden Druckversuchen weisen auf zwei Möglichkeiten hin: manchmal sind die Zuschlagskornoberflächen sauber von der Zementsteinmatrix getrennt, ein andermal Regionen bleiben sehr dünne Zementsteinschichten auf den Zuschlagskörnern zurück. Die erste Beobachtung verdeutlicht, dass Ablösung in der zweidimensionalen Trennfläche zwischen den Zuschlagskörnern und der ITZ maßgebend sein könnte, während die zweite Beobachtung anzeigt, dass Versagen innerhalb der dreidimensionalen ITZ ebenso plausibel erscheint. Das ist die Motivation, einsetzendes Risswachstum in Betonen mit Hilfe eines mikromechanischen Modells zu untersuchen.

Es werden zwei Zugfestigkeitskriterien entwickelt: zum einen Ablösen entlang der zweidimensionalen Oberfläche der Zuschlagskörner und zum anderen ITZ Versagen. Ablösen wird vorhergesehen, wenn die größte auf die Zuschlagskornoberfläche wirkende Normalspannung eine entsprechende Zugfestigkeit erreicht. ITZ Versagen wiederum wird vorausgesagt, wenn die größte Hauptnormalzugspannung in der ITZ eine entsprechende Zugfestigkeit erreicht. Diese beiden Versagenskriterien erfordern die Quantifizierung mikroskopischer Spannungszustände als Funktion der makroskopischen Beanspruchung von Beton. Dieser Skalenübergang wird mit Hilfe der Kontinuumsmikromechanik ermöglicht, wobei die Mikrostruktur von Beton basierend auf dem Maßstabstrennungprinzip ("separation of scales requirement") modelliert wird. Auf dem Beobachtungsmaßstab von einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern wird Beton als Matrix-Einschluss-Verbundwerkstoff betrachtet, wobei kugelförmige Zuschläge kraftschlüssig mit der umgebende Zementsteinmatrix verbunden sind, d. h. die ITZ wird als zweidimensionale Trennfläche modelliert, weil die ITZ-Dicke einerseits gegenüber der charakteristischen Größe der Zuschlagskörner vernachlässigbar ist, und andererseits auch wesentlich kleiner als der charakteristische Zuschlagskornabstand. Auf dem viel kleineren Beobachtungsmaßstab von einigen Mikrometern wird die ITZ allerdings als dreidimensionale und 15 Mikrometer dicke Kugelschale modelliert, welche die Zuschlagskörner umhüllt und mit ihnen ebenfalls kraftschlüssig verbunden ist. Diese Darstellung der Mikrostruktur von Beton ist die Basis für den Maßstabsübergang von makroskopischer Betonbeanspruchung hinunter auf mikroskopische Spannungsvektoren an der Zuschlagskornoberfläche und Spannungszustände in der ITZ. Mit Hilfe von Verzerrungskonzentrationstensoren der Kontiuumsmikromechanik werden zuerst die mittleren Spannungs- und Verzerrungszustände der Zuschläge berechnet. Da diese Spannungen auch an den Zuschlagskornoberflächen relevant sind, werden die ortsabhängigen Spannungsvektoren, die auf den Zuschlagskornoberflächen wirken, mit Hilfe der Cauchyschen Formel berechnet. Die Normalspannungskomponenten gehen in das Versagenskriterium für Ablösen der Zementsteinmatrix vom Zuschlagskorn ein. Weiters zieht kraftschlüssiger Verbund Kontinuitätsbedingungen für Spannungen und Verschiebungen nach sich; und damit können Spannungs- und Verzerrungszustände der Zuschläge in dreidimensionale und ortsabhängige Spannungszustände in der ITZ übersetzt werden. Eine nachfolgende Hauptnormalspannungsanalyse führt auf die größte Hauptzugspannung der ITZ, die in das zuvor genannte ITZ-Versagenskriterium eingeht.

In realen Betonen führt einsetzendes Mikrorisswachstum zu Nichtlinearitäten in makroskopisch gemessenen Last-Verschiebungs-kurven, sodass beginnende Mikrorissbildung mit der elastischen Grenzlast von Beton verbunden ist. Somit ergeben die beiden beschriebenen Versagenskriterien zwei elastische-Grenzbeanspruchungsflächen im Hauptnormalspannungsraum.

Basierend auf typischen Betoneigenschaften werden Modellprognosen berechnet und mit experimentell beobachteten elastischen Grenzlasten von Beton unter einaxialer Zug- bzw. Druckbeanspruchung verglichen. Das erlaubt die Schlussfolgerung, dass einsetzendes Risswachstum unter dominanter Druckbeanspruchung von ITZ-Versagen herrührt. Unter dominanter Zugbeanspruchung ist sowohl Ablösen als auch ITZ-Versagen möglich, und die Frage, welcher der beiden Mechanismen relevant ist, kann nur anhand des Verhältnisses der beiden Zugfestigkeiten entschieden werden. Abschließend wird die Sensitivität der Modellprognosen in Hinblick auf Variationen der Betoneigenschaften untersucht, wobei sowohl die Steifigkeiten der Zuschläge, der Zemensteinmatrix und der ITZ, als auch die Zuschlagsdosierung und die Querdehnungszahl des Zuschlagsmaterials variiert werden. Diese Untersuchung weist darauf hin, dass Normalbeton und Leichtbetone hinsichtlich einsetzender Mikrorissbildung ein markant unterschiedliches Verhalten aufweisen.

Zusammenfassung (Englisch)

Concrete is primarily a matrix-inclusion composite consisting of cement paste and embedded aggregates. However, within a so-called interfacial transition zone (ITZ) of 15 microns around the surface of the aggregates, cement paste exhibits a larger porosity than in the bulk, stemming from segregation effects during production of concrete.

During monotonous increase of mechanical loads, onset of concrete microcracking is observed in the region of the ITZ. However, the exact location at which microcracking starts and the related failure mechanism are still unclear. Inspection of post-failure fragments of concrete allows for a posteriori identification of two possibilities: in some parts of the aggregates surface, a clean debonding from cement paste is observed, while in other parts, a very thin layer of cement paste remains attached to the aggregates. The former observation implies that onset of microcracking might be related to debonding in the two-dimensional interface between the aggregates and the surrounding ITZ, while the latter one suggests that also bulk failure of the thin ITZ is possible. This provides us with the motivation to study onset of concrete cracking by means of a micromechanics approach.

Herein, we develop tensile failure criteria (i) for debonding directly at the two-dimensional aggregate surface, and (ii) for bulk failure within the three-dimensional ITZ, respectively. Debonding is envisioned, once the maximum normal component of the traction vectors acting on the aggregate surface reaches a corresponding tensile bond strength. ITZ failure, in turn, is considered if the largest maximum principal ITZ stress reaches the tensile strength of the ITZ. The two failure criteria require access to traction vectors acting on aggregate surfaces and to the full three-dimensional stress states within the ITZs. This is provided by a continuum micromechanics model, resolving the microstructure of concrete, based on the separation of scales principle.

On the scale of several millimeters to centimeters, concrete is considered as a matrix-inclusion composite, where spherical aggregates are perfectly bonded to a matrix of cement paste. Since the thickness of the ITZ is negligible compared to the diameter of the aggregates and is significantly smaller than the typical mean inter-aggregate spacing, the ITZ is treated as a two-dimensional interface. On the much smaller scale of a few microns, the ITZ is represented as a three-dimensional spherical shell which exhibits a shell thickness of 15 microns, perfectly bonded to the aggregates. The described representation of concrete allows us to perform the scale transition from concrete-related macroloading down to microscopic traction vectors and ITZ stresses.

Based on continuum micromechanics-related estimates for strain concentration tensors, we first quantify the average stresses and strains of the aggregates. Since these stresses are also relevant for the aggregates' surfaces, we use Cauchy's formula in order to compute the orientation- I dependent traction vectors acting on the aggregate surface. Their normal components are involved in the aforementioned debonding criterion. Perfect bond-related continuity conditions for stresses and displacements, in turn, allow us to translate aggregate stresses and strains into three-dimensional, position-dependent ITZ stress states. A subsequent principal stress analysis delivers principal ITZ stresses which are involved in the aforedescribed ITZ failure criterion.

In real concretes, onset of microcracking manifests at the material scale of concrete as the onset of pre-peak nonlinearities in measured force-displacement diagrams, such that onset of microcracking refers to the elastic limit of concrete. Consequently, our two models result in estimates for two elastic limit surfaces in the macroscopic principal stress space. Considering typical concrete properties in order to compute model predictions, and comparing them with experimentally observed elastic limits of concrete under uniaxial tension and compression, respectively, allows us to conclude that ITZ failure is governing for onset of concrete microcracking under compression-dominated loading scenarios. For tension-dominated loading scenarios, in turn, both debonding and ITZ failure appear to be possible, and the relevant failure mode is governed by the ratio between the tensile strength values related to debonding and to ITZ failure, respectively. Finally, we study the sensitivity of our model predictions with respect to the properties of the constituents of concrete, including the stiffness of aggregates, of cement paste, and of the ITZ, as well as the dosage and the Poisson's ratio of the aggregates. This shows onset of microcracking in normal concretes is quite different from that of lightweight concretes.