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.

In der vorliegenden Arbeit wird das bruchmechanische Verhalten von Materialien untersucht, welche mit einer Faserverstärkung ausgestattet sind. Dies geschieht unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Ergebnisse und Methoden aus der stochastischen Geometrie. Ein zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Modells einer stochastischen kohäsiven Zone, welche bruchmechanische Vorgänge nahe der Rissspitze faserverstärkter Materialien beschreibt. Hierbei können Eigenschaften der zufälligen Natur der Faserverstärkung wie z.B. die Verteilung der Faserlänge und -orientierung aber auch der Natur der zufälligen Lage der Fasern zueinander verwendet werden. Mit Hilfe dieser und weiterer Charakteristiken des faserverstärkten Materials kann sowie der mittlere mechanische Widerstand gegen Rissöffnung als auch die Varianz desselben berechnet werden. Damit bildet diese Arbeit eine wesentliche Erweiterung und Verallgemeinerung ähnlicher Ergebnisse aus der Vergangenheit, welche mit diesem Thema beschäftigten. Darin wird lediglich der mittlere mechanische Widerstand unter Annahme konstanter Faserlänge und isortroper Faserorientierung thematisiert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass für Materialien mit gestreuter Faserlänge diese Annahme zu erheblichen Modellierungsfehlern führen kann. Darüber hinaus wird ein numerisches Verfahren vorgeschlagen um die erarbeiteten mathematischen Gleichungen effizient auszuwerten. Mit Hilfe der damit verbundenen Berechnungen und praktischen Messungen an faserverstärkten Materialien konnten die Ergebnisse des stochastischen Modells validiert werden.:1. Einleitung 2. Grundlagen und Begriffe 3. Stochastische Darstellung von Fasersystemen 4. Modellierung des mittleren Spannungs-Separations-Verhaltens 5. Die Varianz des Separationswiderstands 6. Monte-Carlo-Simulation der Modus-I-Separation mit Fasern 7. Experimentelle Validierung und Anwendung des stocahstischen Modells 8. Zusammenfassung und Ausblick

Concrete has many advantageous properties as regards resistance to fire. It is non-flammable and it has a low thermal conductivity. However, concrete structures, which are not designed for resistance against fire, show significant damage after heating. In particular, the explosive flaking with the consequence of weakening the reinforced concrete cross-section and exposing the steel reinforcement to the temperatures higher than critical temperature of reinforcement. There are only a few possible measures of preventing or mitigating the effects temperature load used. Ways of protection can be divided into two systems: active and passive. Active systems are designed to ensure the greatest possible reduction of temperatures the concrete is exposed to. Passive systems directly resist to high temperatures and fire. Design of composition of concrete with the aim of higher resistance to exposition to high temperatures belongs among the passive systems. A part of the work focuses on summary searches of the problems of concrete and reinforced concrete structures exposed to high temperatures and fire. The goal of the work is defining requirements for cement matrix based composite material and its design ensuring the highest possible resistance to high temperatures or direct fire.

Um den Spritzgießprozess zu simulieren, sind korrekte Materialdaten nötig. Diese Daten umfassen Viskositätsmodelle, Wärmekapazitätskoeffizienten, Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, PVT-Modelle und bei reaktiven Materialien Härtungsmodelle. Bei der Spritzgießsimulation von Thermoplasten sind die Materialdaten in der Regel in den Simulationstools verfügbar. Der Anwender kann problemlos Thermoplastmaterialdaten auswählen, die bereits in die Materialdatenbank der Simulationswerkzeuge eingebettet waren, um die gesamten Phasen des Thermoplastspritzgießprozesses zu simulieren. Bei der Duroplastspritzgießsimulation sind nur begrenzt Materialdaten vorhanden und selten aus der Datenbank der Simulationswerkzeuge verfügbar, da sie nicht nur bei der Messung rheologischer und thermischer Eigenschaften, sondern auch bei der Modellierung rheologischer und kinetischer mathematischer Modelle kompliziert sind. Daher ist es notwendig, eigene Materialdaten zu generieren. Um dieses Problem zu lösen, bedarf es einer umfangreichen Wissensbasis bei der Messung von Materialeigenschaften sowie der Erstellung eines Optimierungsalgorithmus´. Um den Prozess des duroplastischen Spritzgießens exakt zu simulieren, bedarf es zudem fundierter Kenntnisse über die Formfüllungseigenschaften dieser Materialien. Die Untersuchung des Fließverhaltens von duroplastischen Spritzgießmassen im Inneren der Kavität ist jedoch nicht ausreichend beschrieben. Bisher gab es noch keine veröffentlichten Hinweise, die zeigen, wie man aus experimentellen Messdaten (thermische und rheologische Daten) für den reaktiven Spritzgießsimulationsprozess komplette Materialdaten für Duroplaste erzeugen kann. Diese Probleme führen zu einer Abhängigkeit der Anwender von der Materialdatenbank der Simulationssoftware, was zu einer Einschränkung der Anwendung der Computersimulation in der duroplastischen Spritzgießsimulation und dem Vergleich zwischen experimentellen und Simulationsergebnissen führt. Darüber hinaus stellt sich die Frage, ob es beim Füllen der Kavität ein Wandgleiten zwischen Duroplastschmelze und Wandoberfläche gibt oder nicht. Aus diesem Grund wird die Wirkung des Wandgleitens auf die Kavitätenoberfläche bei der Simulation des duroplastischen Spritzgießens immer noch vernachlässigt. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf drei wichtige wissenschaftliche Ziele. Das erste ist die Innovation eines neuen technischen Verfahrens zur physikalischen Erklärung des Formfüllverhaltens von duroplastischen Spritzgießmassen. Das zweite Hauptziel ist die Entwicklung einer numerischen Methode zur Erstellung eines duroplastischen Materialdatenblattes zur Simulation der Formfüllung von duroplastischen Spritzgießmassen. Schließlich wird die Erstellung von Simulationswerkzeugen auf der Grundlage der physikalischen Gegebenheiten und des erzeugten Materialdatenblattes durchgeführt. / To simulate the injection molding process, it is necessary to set material data. The material data for an injection molding process must include a viscosity model and its fitted coefficients, heat capacity coefficients, thermal conductivity coefficients, a PVT model and its coefficients, a curing model and its coefficients (only for reactive injection molding). With thermoplastics injection molding simulation, the material data is generally available from simulation tools. Users could easily choose thermoplastics material data that was already embedded in the material data bank of simulation tools to simulate the entire phases of thermoplastics injection molding process. However, with thermosets injection molding simulation, the material data is found in limited sources and seldom available from data bank of simulation tools because of complication not only in rheological and thermal properties measurement but also in modeling rheological and cure kinetics mathematical models. Therefore, with thermoset injection molding compounds that its material data bank has not been found in data bank of simulation tools, before setting material data, it is necessary to create its own material data that simulation packages do not supply a tool. Therefore, to solve this problem, it requires an extensive knowledge base in measurements of material properties as well as optimization algorithm. In addition, to simulate exactly the thermosets injection molding compound process, it requires a profound knowledge in the mold filling characteristics of thermoset injection molding compounds. However, investigation of flow behavior of thermosets injection molding compounds inside the mold has not been adequately described. Up to now, there has not been any article that shows a complete way to create thermoset material data from measured experimental data (thermal data and rheological data) for the reactive injection molding simulation process. These problems are leading to the users ‘dependency on the material data bank of simulation tools, leading to restriction in application of computer simulation in the thermoset injection molding simulation and comparison between experimental and simulation results. Furthermore, there is still a big question related to whether there is or no slip phenomenon between thermosets melt and the wall surface during filling the cavity, for which has not yet been found an exact answer. Because of this the effect of wall slip on the cavity surface is still ignored during thermoset injection molding simulation process. This thesis focused on three key scientific goals. The first one is innovation of a new technical method to explain the mold filling behavior of thermoset injection molding compounds physically. The second key goal is developing numerical method to create thermoset material data sheet for simulation of mold filling characterizations of thermoset injection molding compounds. Finally, creating a simulation tool base on the physical technique and generated material data sheet.