Materialsteifigkeit des Straßenbetons im Verlauf des Ermüdungsprozesses

Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Etablierung des Elastizitätsmoduls als Parameter, der qualitativen Aussagen über den Schädigungszustand des Baustoffes Straßenbeton ermöglicht. Zu diesem Zweck erfolgte eine systematische Ermüdung sowohl labor- als auch großmaßstäblicher Beton-Probekörper bei zeitgleicher Messung des Elastizitätsmoduls mithilfe von unterschiedlichen Verfahren. Im ersten Schritt wurde ein Versuchsprogramm entwickelt, mit dem Straßenbeton-Probekörper mittels des Spaltzug-Schwellversuchs gezielt in einen definierten Ermüdungszustand versetzt werden können. Hierfür wurde der Parameter des Grenz- Elastizitätsmoduls definiert, welcher, wenn er unterschritten wird, zum Pausieren des Versuchs führt. In diesen systematisch eingehaltenen Lastpausen erfolgten begleitende Untersuchungen der Ultraschalllaufzeit und der Eigenfrequenz zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls der untersuchten Probekörper während des Ermüdungsvorganges. Im zweiten Schritt wurden die Untersuchungen auf eine Betonplatte und einen Betonplattenstreifen ausgeweitet. Hierfür kam mit der Phase-Shift- Methode ein Verfahren zum Einsatz, das auf der Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) basiert und mithilfe dessen die Degradation großformatiger Straßenbetonelemente in Form der Verminderung des Elastizitätsmoduls messtechnisch nachgewiesen werden kann. Anhand von FEM-Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine Verminderung des Elastizitätsmoduls infolge der Ermüdung zu einer lokalen Konzentration der Beanspruchungen einer Betonplatte unter Last führt. Weiterhin ergab sich, dass die Verminderung der Beanspruchung der Betonplatte infolge eines ermüdungsbedingt verringerten Elastizitätsmoduls in einer Erhöhung der Beanspruchung der Beton-Unterlage resultiert. Dadurch bedingt kann es zu einer Verschlechterung der Auflagerungsbedingungen der Betonplatte kommen, was sich wiederum auf deren Beanspruchung und somit auf die Nutzungsdauer auswirken kann. Es zeigt sich zwischen den Ergebnissen aller untersuchten Verfahren eine sehr gute Synchronität hinsichtlich des qualitativen ermüdungsbedingten Verlaufs des Elastizitätsmoduls. Die vier angewandten Verfahren, die sich voneinander unabhängiger physikalischer Phänomene bedienen, ermöglichen neben einer qualitativen Aussage über die Schädigung des Materials die Bestimmung von Absolutwerten des Elastizitätsmoduls. Je nach verwendetem Verfahren weichen die absoluten Werte des Elastizitätsmoduls leicht voneinander ab. Das Elastizitätsmodul bestätigt sich als geeigneter Parameter zur Beschreibung der Degradation des Baustoffs Straßenbeton im Zuge des Ermüdungsprozesses. Die eingesetzte Phase-Shift-Methode kann in Kombination mit der Bestimmung charakteristischer Verläufe für die Verminderung des Elastizitätsmoduls im Zuge der Ermüdung potentiell die Basis für die zerstörungsfreie Bewertung der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken in situ bilden. Perspektivisch kann dies die einfache und zielsichere Bewertung vorhandener Betonfahrbahndecken hinsichtlich ihrer Restnutzungsdauer und neuer Betonfahrbahndecken in Bezug auf ihre Dauerhaftigkeit ermöglichen.