Fracture mechanical and stereoscopic characterization of cement bonded interfaces

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Ermittlung des Zusammenwirkens der Oberflächenausbildung mit den Verbundeigenschaften von zementgebundenen Interfaces. Dabei wurde grundsätzlich der Fragestellung nachgegangen, wie Beton-Beton-Verbundbaustoffe herzustellen sind, um das Verbundverhalten zwischen den beiden Baustoffen bestmöglich zu optimieren. Diese Frage entstand primär daraus, dass die herkömmlich angewandten Methoden zur Charakterisierung der Oberflächenrauheit sowie zur Ermittlung der Verbundeigenschaften oft nur ungenügende Aussa-gen über Zusammenhänge zwischen Oberflächenausbildung und Verbundfestigkeit des Interfaces liefern. Um diese Problemstellung besser beleuchten zu können, erfolgte die Erfassung der Oberflä-cheneigenschaften neben dem gängigen Verfahren der Rautiefenbestimmung nach N. Kaufmann [KAUF 71] mit einem Verfahren zur Erstellung von dreidimensionalen Oberflächenmodellen. Die Ver-bundeigenschaften in Abhängigkeit einer Oberflächenprofilierung wurden durch Prüfung der Haftzug-festigkeit sowie durch Bestimmung der bruchmechanischen Kennwerte mit der Keilspaltmethode nach E. K. Tschegg [TSCH 86] ermittelt. Die theoretischen Grundlagen geben einen Literaturüberblick über den derzeit aktuellen Wissensstand wodurch eine Basis für die zu untersuchenden Fragestellungen geschaffen wird. Dabei wird vorerst im ersten Kapitel die generelle Materialstruktur von Beton beleuchtet, um das Werkstoffverhalten dieses Baustoffes besser verstehen zu können. Das darauf folgende Kapitel stellt die bruchmechanische Materialcharakterisierung mit speziellem Fokus auf Beton dar. Diese Zusammenstellung liefert die Grundlagen zu der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Charakterisierung der Verbundeigen-schaften mit der Keilspaltmethode nach E. K. Tschegg. Ein weiteres Kapitel beschreibt die Oberflä-chencharakterisierung von Werkstoffen. Diese im Bauwesen noch wenig verbreitete Disziplin liefert die Basis zur exakten mathematischen Erfassung von Oberflächenkenngrößen sowie einen Überblick über mögliche Bestimmungsmethoden. Das letzte Kapitel des Literaturüberblicks beleuchtet den bisherigen Wissensstand des Zusammenwirkens von Oberflächenausbildung auf die Verbundeigenschaften von Beton-Verbundkonstruktionen. Dabei werden Mechanismen des Tragverhaltens, der Einfluss von Kontaktzonen sowie Zusammenhänge zwischen Oberflächenausbildung und Verbundfestigkeit verschiedenster Beton-Verbundbaustoffe dargelegt. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden grundsätzlich mehrere Anwendungsfälle von Betonverstärkungsmaßnahmen betrachtet. Der erste Themenblock behandelt das Zusammenwirken von Beton mit hochelastischen Spritzabdichtungen für Brückentragwerke. Diese an unterschiedlichen Abdichtungssystemen durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass durch die alleinige Prüfung der Haftzugfestigkeit keine qualifizierten Aussagen zum Verbundverhalten dieser Systeme getroffen werden konnten. Erst die bruchmechanischen Untersuchungen mit der Keilspaltmethode nach E. K. Tschegg konnten darlegen, dass das Materialverhalten der untersuchten Systeme sehr unterschied-lich, jedoch für das Verbundverhalten die Ausbildung der Betonrandzone in Interfacenähe entschei-dend ist. Der zweite Themenblock widmet sich dem Verbundverhalten von zwei zu unterschiedlichen Zeitpunk-ten hergestellten Betonschichten. Bei diesen im Rahmen von Instandsetzungsmaßnahmen aber auch im Neubau ausgeführten Verbundbauweisen wird auf eine bestehende Betonschicht eine weitere auf-gebracht. Bei diesen Untersuchungen wurde der Fokus speziell auf den Einfluss unterschiedlicher Oberflächenausbildung auf das Zusammenwirken von zwei Betonschichten gelegt. Da die herkömm-lich eingesetzte Bestimmungsmethode der Rautiefenbestimmung mit dem Sandflächenverfahren nach N. Kaufmann keine fundierte Interpretation der Oberflächenbeschaffenheit zulässt, erfolgte darüber hinaus die Erfassung der Oberflächeneigenschaften mit einem stereoskopischen Verfahren zur Erstel-lung eines dreidimensionalen Oberflächenmodells. Im Rahmen dieser Untersuchungen konnten zwar Korrelationen zwischen der Rautiefe nach N.<br />Kaufmann und den bruchmechanischen Kennwerten hergestellt werden, eindeutig bessere Aussagen lieferte jedoch die Gegenüberstellung der Kerb-Spaltzugfestigkeit und der spezifischen Bruchenergie mit den Oberflächenparametern aus dem drei-dimensionalen Oberflächenmodell. Es konnte dargelegt werden, dass Zusammenhänge zwischen ausgewählten Oberflächenparametern des Oberflächenmodells und den bruchmechanischen Kenn-werten existieren. Der dritte abschließende Themenblock behandelt Versuche zum Einfluss von mit unterschiedlichen Intensitäten hochdruckwassergestrahlten Oberflächen auf das Verbundverhalten. Diese Untersuchungen konnten darlegen, dass nicht nur die Oberflächenausbildung an sich sondern auch die Festigkeitseigenschaften der an das Interface angrenzenden Betonflächen für das Bruchver-halten der Verbundfuge wesentlich sind.<br />

This thesis deals with the experimental determination of the interaction of the surface characteristics between interface properties of cement-bonded interfaces. Basically the question was addressed on how to establish concrete-concrete-connection material in order to make the best possible improve-ment of bonding property between both these construction materials. This question arose primarily from the fact that the conventionally used methods for the characterization of the surface roughness as well as for the determination of the compound characteristics were inconclusive. They often only provide insufficient statements about the relationships between surface formation and bond strength of the interface. To examine this problem more effectively, the acquisition of the surface characteristics, beside the common procedure of determination of the surface roughness according to N. Kaufmann [KAUF 71], took place with a method for creating three-dimensional elevation models. The interface properties in dependence of surface profiling were determined by examination of adhesive tensile strength as well as by determination of fracture mechanical properties with the wedge splitting method according to E. K. Tschegg [TSCH 86]. The theoretical bases give a bibliographical overview of the current knowledge, whereby a basis for the examined questions will be covered.<br />In the first chapter, the general material structure of concrete is illustrated in order to be able to understand the material behaviour of this construction material bet-ter. The chapter following on it presents the fracture mechanical material characterization with special focus on concrete. This compilation supplies the basics in context with this thesis to put into effect the characterization of the interface properties with the wedge splitting method according to E. K. Tschegg. A further chapter describes the surface characterization of materials.<br />This style of civil engi-neering is still rarely used; it supplies the basis for the accurate mathematical measurement of surface characteristics as well as an overview of possible methods of determination. The last chapter of this overview illuminates the current state of knowledge of the cooperation of the surface formation on the interface properties of concrete composite structure. Mechanisms of structural behaviour, the influ-ence of contact zones as well as the connections between surface formation and bond strength of various concrete-connection materials are presented. Generally, in context of experimental investigations, several applications of concrete reinforcement have been considered. The first section deals with the interaction of concrete with high elastic spray-on waterproofing for bridge support structure. These investigations, accomplished at different sealing systems, showed that by the exclusive examination of adhesive tensile strength no qualified state-ments could be made for the bond property of these systems. Only the fracture mechanical investiga-tions with the wedge splitting method according to E. K. Tschegg could demonstrate that the material behaviour of the examined systems is very different. However, it is decisive for the formation of the bond property of the concrete edge zone next to the interface. The second section gives special attention to the bonding property of two produced concrete layers at different times. Within this context of maintenance measure, but also of new building implemented composite construction, a further layer is applied to the existing concrete layer.<br />In these investigations the focus was particularly on the influence of different surface characteristics on the interaction of two concrete layers. As the conventionally used method of determination of the surface roughness with the sand surface method according to N. Kaufmann, does not permit a founded interpretation of the surface property, beyond that of the acquisition of the surface characteristics with a stereoscopic method for creating a three-dimensional elevation model. In context, these investigations correlations between roughness depth according to N. Kaufmann and fracture mechanical properties could be established, however, clearly better statements could be provided by the comparison of the notch-splitting tensile strength and the specific fracture energy with surface parameters from the three-dimensional elevation model. It could be stated that connections between selected surface parameters of the elevation model and fracture mechanical properties exist. The third concluding section deals with experiments covering the influence of with different intensities of high pressure water sprayed surfaces on the bond property. These investigations could demonstrate that not only the surface formation per se but also the mechanical properties of the concrete surfaces that adjoin the interface are essential for the fracture behaviour of the composite joint.