Das Trag- und Verbundverhalten textiler Bewehrungen wurde in den vergangen Jahren umfassend experimentell untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse stützen sich jedoch fast ausschließlich auf einaxiale Beanspruchungszustände. Grundsätzlich können aus dem Vergleich von Versuchen an Rovings und an textilen Bewehrungsstrukturen Rückschlüsse auf den Einfluss der Quer- und Stützfäden und der verschiedenen Bindungstechniken auf das einaxiale Tragverhalten von Textilbeton getroffen werden. Offen bleibt jedoch, inwieweit sich die gefundenen Gesetzmäßigkeiten auf mehraxiale Beanspruchungssituationen übertragen lassen. Dadurch werden Fragen bezüglich des Tragverhaltens textiler Bewehrungen unter mehraxialen Zugbeanspruchungen aufgeworfen, welche die Motivation für die vorliegende Arbeit liefern. Die hierzu durchgeführten experimentellen Untersuchungen umfassen 84 Einzelversuche und wurden in einem speziell für zweiaxiale Zugbeanspruchungen entwickelten Versuchsaufbau durchgeführt. Als textile Bewehrungen kamen zwei verschiedene Gelegearten aus AR-Glas und Carbon zum Einsatz. Die Ergebnisse konnten die bisher ausschließlich an einaxialen Dehnkörpern gewonnenen Erkenntnisse über das Tragverhalten textiler Bewehrungen grundsätzlich bestätigen. Für den Übergang von Zustand I zum Zustand II konnte eine Abhängigkeit der Erstrissspannung vom Spannungsverhältnis nachgewiesen werden. Die Merkmale der Zustände IIa und IIb zeigen hingegen keine signifikante Abhängigkeit vom Verhältnis aus Längs- und Querzugspannung. Darüber hinaus haben offenbar durch Querzug induzierte bewehrungsparallele Risse keine maßgeblichen Auswirkungen auf das Verbundverhalten der Rovings in Längsrichtung. Eine wesentliche Erkenntnis aus den biaxialen Zugversuchen mit Carbon betrifft den Einfluss der Welligkeit. Es wurde deutlich, dass der Abbau der Welligkeit in beschichteten textilen Bewehrungen hochgradig lastabhängig ist. In zahlreichen Versuchen mit Carbon kam es innerhalb des Zustands IIb zu Delamination, einem bisher in diesem Umfang nicht beobachteten Effekt. Die Erkenntnisse hinsichtlich des Abbaus der Welligkeit wurden im Anschluss auf das Tragverhalten von AR-Glas übertragen und führten zu einer Neubewertung des bei AR-Glas beobachteten Steifigkeitsdefizits im Zustand IIb. Weiterhin wurde der Einfluss der Orientierung der Bewehrung unter einaxialer Beanspruchung an scheibenartigen Probekörpern untersucht. Es zeigte sich, dass die untersuchten Bewehrungen aus AR-Glas hinsichtlich der Tragfähigkeit bei schiefwinkliger Beanspruchung deutlich unempfindlicher reagieren als Bewehrungen aus Carbon. Für die Reduktion der effektiven Faserbruchspannungen wurde ein mathematisches Modell vorgestellt, welches eine getrennte Beschreibung der geometrischen Einflüsse sowie alle sonstigen, die Faserbruchspannung reduzierenden Effekte erlaubt. / The load bearing and bond behaviour of textile reinforcements has been comprehensively studied experimental in recent years. The findings are based almost exclusively on uniaxial loading. Generally, from the comparison of tests on rovings and fabrics conclusions can be drawn about the influence of transverse and supporting threads and different binding patterns on the uniaxial load-bearing behaviour. However, it remains open, to what extend the found principles are applicable to multi-axial loading situations. This raises questions about the load bearing behaviour under multi-axial tension loading, which provide motivation for this work. For the experimental studies on 84 specimens a specially developed test setup for biaxial tensile loading was used. Two different types of textile reinforcements made from AR-glass and carbon fibres were examined. The results generally approve the findings on the structural behaviour of textile reinforcements exclusively derived from uniaxial tests. A relationship between first cracking stress level and biaxial stress ratio has been found. The characteristics of the cracking phases and during stabilized cracking, however, show no significant dependencies on the ratio of longitudinal and transverse tensile stresses. Furthermore, parallel cracks induced by transverse tensile stresses have no significant impact on the bond behaviour of longitudinal rovings. An essential result from biaxial tensile tests with carbon is the strong influence of waviness. It became clear that the reduction of waviness in coated textile reinforcement is highly load-dependent. In numerous experiments with carbon reinforcement delamination occurred during stabilized cracking – an effect, that has been observed in this large scale for the first time. The findings regarding the reduction of the waviness were subsequently applied to AR-glass and led to a revaluation of the known stiffness deficit in the phase IIb. Furthermore, the influence of reinforcement orientation has been studied on discoidal specimens under uni-axial loading. It was found that the load bearing capacity of carbon reinforcement is much more sensible to load orientation than AR-glass. A mathematical model was presented, which allows the separate description of geometric factors and as well as all other effects that reduce the fibre tensile strength.

Meine Skulptur aus der Reihe „Hülle“ ist ein sehr filigraner, dünnwandiger Hohlkörper, der mit seinen fast durchscheinenden Wänden eine Leere umschreibt. Er balanciert auf einem einzigen kleinen Punkt, wodurch seine Leichtigkeit noch an Bedeutung gewinnt.

Afin de renforcer et de protéger les structures du Génie Civil vis-à-vis des incendies, un programme de recherche a été entrepris sur le développement d'un nouveau matériau composite TRC. Le composite TRC est généralement constitué de deux composants, le renfort textile et la matrice cimentaire. Les nouveaux composites du projet sont formulés d'une matrice phosphatique ou alumineuse avec des renforts textiles continus utilisant le verre, le carbone ou des hybrides. L'objectif de ce travail est d'examiner et de développer un TRC satisfaisant les critères de performances thermomécaniques. Le premier niveau de conception est de définir une méthodologie de caractérisation permettant d'identifier les caractéristiques thermomécaniques et les propriétés physico-chimiques des TRC à haute température. Plusieurs régimes de chargement thermique et mécanique couplé ainsi que des analyses thermiques ont été appliqués et pris en compte pour les différentes formulations de TRC. Dans une première partie expérimentale, l'effet du refroidissement et de la nature de la matrice sur le comportement thermomécanique de TRC a été étudié. La deuxième partie des essais explore le comportement thermomécanique et thermo-physico-chimique de deux familles de TRC. La première famille était formée d'une matrice phosphatique et des fibres de verre E. Cette partie concerne l'adhérence qui peut être développée au niveau de l'interface fibre-matrice par deux géométries différentes de textile verre E. L'efficacité du renfort est améliorée ensuite par une pré-imprégnation par une résine époxy. La deuxième famille de composite traite le renforcement d'une matrice alumineuse par des grilles de carbone. Cette famille a subi plusieurs modifications. Un chargement de la matrice par de l'alumine et de verre micronique n'a pas été suffisant pour améliorer le comportement du TRC. Une nouvelle grille de carbone a été ensuite utilisée et des couches de fibres discontinues de verre Mat AR ont été insérées dans la matrice. Ces couches de Mat AR créaient une bonne isolation thermique mais présentaient un problème de délaminage. Enfin l'ajout des fibres de polypropylène au sein d'un mortier alumineux à granulométrie étagée présentait des résultats satisfaisants. Après la recherche et la validation du TRC le plus performant, la fonction de " bouclier thermique " des matériaux isolants a été traitée afin d'améliorer la stabilité thermomécanique des TRC / In order to strengthen and protect civil engineering structures from fires, a research program was undertaken for the development of new TRC composite materials. The TRC composite generally consists of two components, the textile reinforcement and the cement matrix. The new composites of the project are formulated with an inorganic phosphate cement or an aluminous matrix with continuous textile reinforcements using glass, carbon or hybrids. The purpose of this work is to examine and develop TRC that meets the thermomechanical performance criteria. The first level of design is to define a characterization methodology, which identifies the thermomechanical characteristics and physicochemical properties of TRC subjected to high temperature. Several coupled thermal and mechanical loading regimes as well as thermal analyses were applied and taken into account for different TRC formulations. In a first experimental part, the nature of the matrix and the cooling effect on the thermomechanical behaviour of TRC were studied. The second part of the experimental work explores the thermomechanical and thermo-physico-chemical behaviour of two families of TRC. The first family of TRC was formed of a phosphate cement and E-glass textile. It examines the bond that can be developed through the fibre-matrix interface by two different geometries of textile. The effectiveness of the reinforcement is then improved by a pre-impregnation by a resin epoxy. The second family of TRC deals with the reinforcement of an aluminous matrix by carbon grids. This family has undergone several changes. Filling of the matrix with alumina and micron glass was not sufficient to improve the behaviour of TRC. A new carbon grid was then used and layers of Mat AR glass fibres were inserted into the matrix. These layers of Mat AR created good thermal insulation but presented a delamination problem. Finally, the addition of polypropylene fibres in an aluminous mortar with graded granulometry showed satisfactory results. After the search and validation of the most efficient TRC, the "heat shield" function of insulating materials was processed to improve the thermomechanical stability of TRC

Les matériaux composites TRC (Textile Reinforced Concrete), consistant d'une matrice cimentaire et d'un renforcement par des textile ou fibres (en carbone, en verre ou en autre matière, …) sont souvent utilisés pour réparer ou/et renforcer les éléments structurels porteurs (dalle, poutre, colonne) d'anciens ouvrages de génie civil. Ils peuvent être également utilisés comme des éléments porteurs dans les structures neuves (éléments de préfabrications). Afin de développer des composites TRC avec de bonnes caractéristiques à température élevée, on a fait une combinaison entre les textiles de carbone qui possède une bonne capacité mécanique et une matrice réfractaire qui assurent une transmission de charge entre le textile de renforcement et les protège thermiquement contre l'action de température élevée. Le comportement thermomécanique des composites TRC de carbone est expérimentalement et numériquement étudié à l'échelle mésoscopique dans cette thèse. L'avancement scientifique sur ce sujet de thèse permettrait d'améliorer la stabilité au feu des structures qui sont renforcées par des matériaux composites TRC. Ce sujet contribuerait aux intérêts sociaux et économiques significatifs pour le génie civil dans le monde entier en général et au Vietnam en particulier. La thèse concerne la caractérisation expérimentale et modélisation numérique du comportement thermomécanique à température élevée des matériaux composites TRC à l'échelle mésoscopique. Dans une première partie expérimentale, les textiles de carbone (des produits commerciaux sur le marché), la matrice du béton réfractaire et l'interface textile/matrice ont été testés au régime thermomécanique à température constante (allant de 25 °C à 700 °C). Les résultats obtenus montrent un effet du traitement du textile sur le comportement et mode de rupture des textiles de carbone et de l'interface textile/matrice. Un modèle analytique a été également utilisé pour déterminer l'évolution des propriétés thermomécaniques des textiles de carbone en fonction de la température. Le transfert thermique dans l'éprouvette cylindrique du béton réfractaire a été réalisé pour valider les propriétés thermiques du béton réfractaire. Tous les résultats obtenus dans cette partie sont utilisés comme données pour le modèle numérique dans la partie de modélisation. La deuxième partie expérimentale explore le comportement thermomécanique des TRCs sous deux régimes : thermomécanique à température constante et thermomécanique à force constante. Deux textiles de carbone, qui ont donné les meilleures performances à température élevée, ont été choisis pour une fabrication des TRCs. Les résultats expérimentaux montrent un comportement thermomécanique avec l'écrouissage (trois ou deux phases) à température modérée et un comportement fragile à température supérieure de 500 °C. Au régime thermomécanique à force constante, deux composites TRCs peuvent résister plus long que les textiles de carbone seuls grâce à bonne isolation thermique de la matrice cimentaire. En comparant les deux résultats sur les éprouvettes de TRC, l'effet du renforcement de textile (le taux de renfort, le produit de traitement, la géométrie du textile) sur le comportement thermomécanique a été analysé. Tous les résultats expérimentaux de cette partie ont été utilisés pour valider et comparer avec ceux obtenus à partir du modèle numérique. La partie de modélisation numérique a deux buts : prédire le comportement thermomécanique global du composite TRC à partir des propriétés thermomécaniques des matériaux constitutifs ; valider le transfert thermique dans le composite en cas d'augmentation de la température pour prédire la température de rupture ou la durée d'exposition du composite [etc...] / TRC materials, consisting of a cement matrix and a reinforcement by textiles or fibers (carbon, glass or other fibre, etc) are often used to repair or/and strengthen the loading structural elements (slab, beam, column) of old civil engineering works. They can also be used as loading elements in new structures (prefabrication element). In order to develop TRC composites with good characteristics at high temperature, a combination has been made between the carbon textiles which have a good mechanical capacity and a refractory matrix which provides a load transfer between the reinforcement textiles and thermally protects them against the action of high temperature. The thermomechanical behavior of carbon TRC composites is experimentally and numerically studied at the mesoscale in this thesis. Scientific advancement on this thesis topic would improve the fire stability of structures that are reinforced by TRC composite materials. This topic would contribute to significant social and economic interests for civil engineering worldwide in general and Vietnam in particular. My thesis work concerns the experimental characterization and numerical modeling of the high temperature thermomechanical behavior of composite materials TRC at the mesoscale. In a first experimental part, the carbon textiles (commercial products on the market), the refractory concrete matrix and the textile/matrix interface were tested at constant temperature thermomechanical regime (ranging from 25 °C to 700 °C). The results obtained showed an effect of the textile treatment on the mechanical behavior and failure mode of the carbon textiles and the textile/matrix interface. An analytical model was also used to identify the evolution of thermomechanical properties of carbon textiles as a function of temperature. The thermal transfer in the cylindrical specimen was carried out to validate the thermal properties of refractory concrete. All results obtained in this part are used as input data for the numerical model in the modeling part. The second experimental part explores the thermomechanical behavior of TRCs under two regimes: thermomechanical at constant temperature and thermomechanical at constant force. Two carbon textiles, which gave the best performance at high temperature, were chosen for the manufacture of TRCs. The experimental results showed a hardening behavior with three or two phases at moderate temperature and a brittle behavior at higher temperature of 500 °C. In thermomechanical regime at constant force, two TRC composites can resist longer than carbon textiles alone thanks to good thermal insulation of refractory matrix. By comparing the two results on the TRC specimens, the effect of textile reinforcement (reinforcement ratio, treatment product and textile geometry) on the thermomechanical behavior was analyzed. All the experimental results of this part were used to validate and compare with those obtained from the numerical model. The purpose of the numerical modeling part is to predict the global thermomechanical

Hochduktile Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) und Textilbetone (engl.: Textile Reinforced Concrete – TRC) sind zwei neuartige Faserbetone, die ein duktiles und dehnungsverfestigendes Zugverhalten aufweisen. SHCC bestehen aus feinkörnigen Zementmatrizen und kurzen Hochleistungspolymerfasern, während TRC eine Kombination aus feinkörnigen Zementmatrizen und kontinuierlichen zwei- oder dreidimensionalen Textilschichten darstellt. Letztere bestehen aus Multifilamentgarnen aus Kohlenstoff, alkalibeständigem Glas oder Polymerfasern. Die hohe elastische Verformbarkeit beider Verbundwerkstoffe bis zum Erreichen der Zugfestigkeit entsteht aus der sukzessiven Bildung multipler feiner Risse. Neben der hervorragenden Risskontrolle und Duktilität weisen diese Verbundwerkstoffe ein hohes Energieabsorptionsvermögen auf, was in Bezug auf kurzzeitdynamische Belastungen eine durchaus erstrebenswerte Eigenschaft darstellt. Obwohl SHCC eine höhere Dehnungskapazität als herkömmliche TRC zeigen, weisen die Textilbetone eine erheblich höhere Zugfestigkeit auf. Darüber hinaus besitzen die textilbewehrten Betone deutlich niedrigere Einflüsse von Anwendungstechnologie und Maßstab auf das Zugverhalten, d. h. eine bessere Robustheit. Daher stellt die Kombination dieser beiden Bewehrungskonzepte einen vielversprechenden Ansatz dar. Während die Kurzfasern für eine bessere Risskontrolle und Erstrissfestigkeit sorgen, sichern die Textilgelege eine hohe Zugfestigkeit sowie Steifigkeit im gerissenen Zustand und eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte in der Verstärkungsschicht bzw. im Bauteil. Dieser synergetische Effekt kann jedoch nur durch eine zielgerichtete Materialentwicklung erreicht werden, die eine grundlegende Materialcharakterisierung unter verschiedenen Belastungsszenarien erfordert. Im Rahmen des DFG-finanzierten Graduiertenkollegs GRK 2250 „Impaktsicherheit von Baukonstruktionen durch mineralisch gebundene Komposite“ werden duktile und Impakt resistente Komposite entwickelt, charakterisiert und erprobt, die als dünne Verstärkungsschichten auf bestehende Konstruktionen bzw. Bauelemente aufgetragen werden und dadurch deren Widerstandsfähigkeit und Resilienz gegen extreme kurzzeitdynamische Beanspruchungen signifikant erhöhen. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des A3-Projektes innerhalb des GRK 2250/1 erzielt. Ziel dieser Arbeit war es, die grundlegenden mechanischen Eigenschaften und die Dehnratenabhängigkeit von mineralisch gebundenen Kompositen mit hybrider Faserbewehrung zu erfassen und zu beschreiben. Das Forschungskonzept besteht aus systematischen und parametrischen Untersuchungen der einzelnen Komponenten (Faser, Textil, zementgebundene Matrix), ihres Verbundes und der entsprechenden Verbundwerkstoffe. Hierfür wurden zweckbestimmte Prüfkonfigurationen und dreidimensionale Messverfahren angewandt, die in anderen Projekten des GRK 2250/1 entwickelt wurden. Außer uniaxialen, quasistatischen und dynamischen Zugversuchen wurden quasistatische und dynamische Einzelgarnauszugsversuche durchgeführt. Die wichtigsten untersuchten Materialparameter waren die Art der Kurzfaserbewehrung und der Textilien (Material, geometrische und Oberflächeneigenschaften, Art der Tränkung usw.). Auf Basis der mechanischen Experimente wurde ein analytisches Modell eingesetzt und angepasst, dass das Zugverhalten solcher Komposite in Abhängigkeit von verschiedenen Materialparametern abbilden soll. Zusätzlich zu der detaillierten Beschreibung der Materialeigenschaften, der maßgebenden Mechanismen und synergetischen Effekte bilden die erzielten Ergebnisse eine umfangreiche experimentelle Basis für eine empirische und Modell gestützte Weiterentwicklung und Optimierung dieser Verbundwerkstoffe mit Hinblick auf wirtschaftliche und ökonomische Aspekte. / Strain-hardening cement-based composites (SHCC) and textile-reinforced concrete (TRC) are two novel types of fiber-reinforced cementitious composites that exhibit ductile, strain-hardening tensile behavior. SHCC comprises fine-grained cementitious matrices and short, high-performance polymer fiber, while TRC is a combination of a fine-grained, cementitious matrix and continuous two- or three- dimensional textile layers of multi-filament yarns, usually made of carbon or alkali-resistant glass. Both composites yield high inelastic deformations in a strain-hardening phase due to the successive formation of multiple fine cracks. Such cracking behavior stands for high energy absorption of the composites when exposed to extreme loading, without abrupt loss of load-bearing capacity. In comparative terms, SHCC shows superior strain capacity, while TRC yields considerably higher tensile strength. The addition of short fibers strengthens the matrix by efficiently restraining the micro-cracks’ growth and reducing spallation, while the textile reinforcement ensures a secure confinement of the reinforced concrete element (substrate to be strengthened), as well as a favorable stress distribution. The combination of SHCC and textile reinforcement is expected to deliver high tensile strength and stiffness in the strain-hardening stage along with pronounced multiple cracking. In order to achieve a favorable synergetic effect, a purposeful material design is required based on a clear understanding of the mechanical interactions in the composites. In the framework of the DFG Research Training Group GRK 2250, which aims at enhancing structural impact safety through thin strengthening layers made of high-performance mineral-based composites, this work focuses on developing hybrid fiber-reinforced cementitious materials to be applied on the impact rear side. The development concept builds upon a systematic investigation of various aspects of the mechanical behaviors of SHCC and textile at quasi-static and impact strain rates, including the bond properties of fiber to matrix and textile to matrix. Accordingly, uniaxial quasi-static tension tests were first performed on SHCC, bare textile, and hybrid-reinforced composite specimens. The parameters under investigation were types of short fiber and textile reinforcements, reinforcing the ratio for textile as well as bond properties between textile and the surrounding SHCC. Furthermore, impact tension tests were performed to study the strain rate effect on the synergetic composite response. Finally, single-yarn pull-out tests were carried out under both quasi-static and impact loading rates to supplement the comparative assessment of the hybrid fiber-reinforced composites. These tests yielded shear strength-related parameters for quantifying the bond properties of different materials, which were then used as input of the analytical model developed to describe the mechanics of crack propagation and tension stiffening effect of textile-reinforced composites without short fibers. This model is the first step towards a comprehensive analytical description of the tensile behavior of hybrid fiber-reinforced composites based on the experimental data and input parameters attained through the work at hand.