A functional nanometer-scale hybrid coating layer with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and/or nanoclays, as mechanical enhancement to ‘heal’ surface microcracks and environmental barrier layer is applied to alkaliresistant glass (ARG) fibres. The nanostructured and functionalised traditional glass fibres show both significantly improved mechanical properties and environmental corrosion resistance. Early warning material damage can be achieved by carbon nanotubes concentrated interphases in the composites. / Eine funktionale nanometerskalige Hybridbeschichtung mit multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) und/oder Nanoclay wurde als mechanische Verbesserung des „Ausheilens“ von Oberflächen-Mikrorissen und Barriereschicht gegenüber Umwelteinflüssen auf alkaliresistente Glasfasern (ARG) appliziert. Die nanostrukturierten und funktionalisierten traditionellen Glasfasern zeigen signifikant verbesserte mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Die Frühwarnung des Materialversagens kann durch Carbon Nanotubes, konzentriert in der Grenzschicht der Composites, erreicht werden.

A functional nanometer-scale hybrid coating layer with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and/or nanoclays, as mechanical enhancement to ‘heal’ surface microcracks and environmental barrier layer is applied to alkaliresistant glass (ARG) fibres. The nanostructured and functionalised traditional glass fibres show both significantly improved mechanical properties and environmental corrosion resistance. Early warning material damage can be achieved by carbon nanotubes concentrated interphases in the composites. / Eine funktionale nanometerskalige Hybridbeschichtung mit multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) und/oder Nanoclay wurde als mechanische Verbesserung des „Ausheilens“ von Oberflächen-Mikrorissen und Barriereschicht gegenüber Umwelteinflüssen auf alkaliresistente Glasfasern (ARG) appliziert. Die nanostrukturierten und funktionalisierten traditionellen Glasfasern zeigen signifikant verbesserte mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit. Die Frühwarnung des Materialversagens kann durch Carbon Nanotubes, konzentriert in der Grenzschicht der Composites, erreicht werden.

Im Rahmen experimenteller Untersuchungen wurden Stahlbetonplatten hergestellt, mit verschiedenen textilen Bewehrungen verstärkt, mit 125 % Gebrauchslast vorgeschädigt und anschließend unter Gebrauchslast mit einer Brandbelastung nach der Einheitstemperaturkurve (ISO-834, Cellulosic curve) beaufschlagt. Alle Platten hielten der Brandbelastung bei gleichzeitiger Biegebeanspruchung mehr als 60 Minuten stand und zeigten weder Betonabplatzungen noch andere optische Schädigungen auf. Die für dieses überraschend positive Ergebnis verantwortlichen Mechanismen werden diskutiert, sind aber noch nicht vollständig verstanden. Eine Schlüsselrolle spielt dabei vermutlich das gute Rissverhalten von Textilbeton und interne Umlagerungen zwischen Textil und Stahlbewehrung.

The present work deals with the development and application of an acoustic long-period fiber grating (LPG) in conjunction with a special optical fiber (SF). The acoustic LPG converts selected optical modes of the SF. Some of these modes are characterized by complex, yet cylindrically symmetric polarization and intensity patterns. Therefore, they are the guided variant of so called cylindrical vector beams (CVBs). CVBs find applications in numerous fields of fundamental and applied optics. Here, an application to high-resolution light microscopy is demonstrated. The field distribution in the tight microscope focus is controlled by the LPG, which in turn creates the necessary polarization and intensity distribution for the microscope illumination. A gold nanoparticle of 30 nm diameter is used to probe the focal field with sub-wavelength resolution. The construction and test of the acoustic LPG are discussed in detail. A key component is the piezoelectric transducer that excites flexural acoustic waves in the SF, which are the origin of an optical mode conversion. A mode conversion efficiency of 85% was realized at 785 nm optical wavelength. The efficiency is, at present, mainly limited by the spectral positions and widths of the transducer’s acoustic resonances. The SF used with the LPG separates the propagation constants of the second-order polarization modes, so they can be individually excited and are less sensitive to distortions than in standard weakly-guiding fibers. The influence of geometrical parameters of the fiber core on the propagation constant separation and on the mode fields is studied numerically using the multiple multipole method. From the simulations, a simple mode coupling scheme is developed that provides a qualitative understanding of the experimental results achieved with the LPG. The refractive index profile of the fiber core was originally developed by Ramachandran et al. However, an important step of the present work is to reduce the SF’s core size to counteract the the appearance of higher-order modes at shorter wavelengths which would otherwise spoil the mode purity. Using the acoustic LPG in combination with the SF produces a versatile device to generate CVBs and other phase structures beams. This fiber-optical method offers beam profiles of high quality and achieves good directional stability of the emitted beam. Moreover, the device design is simple and can be realized at low cost. Future developments of the acoustic LPG will aim at applications to fiber-optical sensors and optical near-field microscopy. / Diese Arbeit behandelt die Entwicklung und Anwendung eines akustischen langperiodischen Fasergitters (LPG) in Verbindung mit einer optischen Spezialfaser (SF). Das akustische LPG wandelt ausgewählte optische Modi der SF um. Einige dieser Modi weisen eine komplexe, zylindersymmetrische Polarisations- und Intensitätsverteilung auf. Diese sind eine Form der so genannten zylindrischen Vektor-Strahlen (CVBs), welche in zahlreichen Gebieten der wissenschaftlichen und angewandten Optik zum Einsatz kommen. In dieser Arbeit wird eine Anwendung auf die hochauflösende Lichtmikroskopie demonstriert. Die fokale Feldverteilung wird dabei durch die Auswahl der vom LPG erzeugten Modi, welche zur Beleuchtung genutzt werden, eingestellt. Als Nachweis wird die entstehende laterale Feldverteilung mithilfe eines Goldpartikels (Durchmesser 30 Nanometer) vermessen. Aufbau und Test des akustischen LPGs werden im Detail besprochen. Eine wichtige Komponente ist ein piezoelektrischer Wandler, der akustische Biegewellen in der SF anregt. Diese sind die Ursache der Umwandlung optischer Modi. Die maximale Konversionseffizienz betrug 85% bei 785 nm (optischer) Wellenlänge. Die Effizienz ist derzeit hauptsächlich durch die Lage der akustischen Resonanzfrequenzen des Wandlers und deren Bandbreite begrenzt. Die benutzte SF spaltet die Ausbreitungskonstanten von Polarisationsmodi zweiter Ordnung auf, sodass diese individuell angeregt werden können und weniger anfällig gegen über Störungen der Faser sind, als das bei gewöhnlichen, schwach führenden Glasfasern der Fall ist. Das zu Grunde liegende Brechzahlprofil des Faserkerns wurde von Ramachandran et al. entwickelt. Für diese Arbeit wurde jedoch die Ausdehnung des Profils verkleinert – ein erster Schritt um Anwendungen bei kürzeren optischen Wellenlängen zu ermöglichen. Es werden numerische Simulationen mit der Methode der multiplen Multipole zur Berechnung der Modenfelder und den zugehörigen Propagationskonstanten vorgestellt. Diese zeigen u. a. den starken Einfluss von geometrischen Veränderungen des Faserkerns. Basierend auf den Simulationsergebnissen wird ein einfaches Kopplungsschema für die Modi entwickelt, welches ein qualitatives Verständnis der experimentellen Ergebnisse ermöglicht. In Kombination bilden die SF und das LPG ein vielseitiges Gerät zur Erzeugung von CVBs und anderen Strahlen mit komplexer Phasenstruktur. Die Methode besticht durch hohe Qualität des Strahlprofils, stabile Abstrahlrichtung, einfachen Aufbau, elektronische Steuerbarkeit und geringe Materialkosten. Zukünftige Weiterentwicklungen des akustischen LPGs zielen auf die Anwendung in faseroptischen Sensoren und in der optischen Nahfeldmikroskopie ab.

This thesis reports on experimental investigations of the mechanisms inherent in the joint action of short and continuous fibres in high-performance, cement-based composites. Experiments on different levels of observation (macro- meso- and micro-levels) were performed to provide detailed insights into the various effects of adding different types of short fibres (dispersed AR glass, integral AR glass and dispersed carbon fibres) on the strength, deformation, and failure behaviour of textile-reinforced concrete (TRC) subjected to tensile loading. Moreover, visual inspections of the specimens' surfaces and microscopic investigation of the fracture surfaces and the interface zone between fibre and matrix were performed and evaluated. Subsequently, the mathematical descriptions for TRC with short fibres under deformation controlled tensile loading conditions were derived based on a multi-scale rheological-statistical modelling approach. Based on a literature review, the state of the art is presented and discussed to identify key questions that are yet to be answered satisfactorily. This provides the starting point for the investigations presented in this thesis. The experimental program on the macro-level included uniaxial tension tests performed on thin, narrow plates reinforced by: a) only textile reinforcement, b) only short fibres, and c) hybrid reinforcement (both textile reinforcement with the addition of short fibres). Special attention was directed toward the course of the stress-strain relationship, crack pattern development, and fibre failure behaviour. The stress-strain curves resulting from uniaxial tension testing demonstrated clearly the positive influence of all types of short fibre on the mechanical performance of TRC. While the first-crack stress in TRC specimens increased significantly due to the addition of short fibres, an expansion of the strain region, where multiple cracks form, was observed for the stress-strain curves for TRC with added short fibres. The visual inspection of the specimens\' surfaces showed a higher number of cracks and finer crack patterns for given strain levels in the cases when short fibres were added to TRC. Moreover, depending on fibre type, the positive effects of the addition of short fibres on both tensile strength and work-to-fracture of the composite were found to vary significantly. The findings at the micro- and meso-levels of observation provided to a great extent a core of understanding of some particular mechanical behavioural properties of TRC with short fibres at the macro-level of observation. Thus, in addition to the experimental testing performed on composite materials with different parameter combinations, investigations of the action of individual material components, i.e., multifilament-yarns and single short fibres, embedded into cement-based matrices were carried out. It was found that short fibres indeed improve the bond between multifilament-yarns and the surrounding matrix. By their random positioning on the yarn\'s surface, short fibres built new adhesive cross-links which provided extra connecting points to the surrounding matrix. Furthermore, the water-to-binder ratio of the matrix influenced bond quality between fibre and matrix, i.e., various degrees of matrix-fibre bond were observed. As a result, the mechanical behaviour of the composite varied with w/b: While the good bond of the fibre embedded in a matrix with a low water-to-binder ratio leads to increase in stiffness and strength of the composite, fibres with weak bonding can be considered as defects with respect to stiffness as they lead to a decrease in the value. The thesis further derives the mathematical relationships for TRC with the addition of short fibres under deformation-controlled tensile loading. A physically based rheological model consisting of simple rheological elements was developed based on the experimental results on the micro-scale, using single-fibre pullout tests. Special attention was paid to the gradual de-bonding process and the resulting force-displacement branch. The model adequately reproduced both relevant fibre failure scenarios: fibre fracture and fibre pullout. By means of statistical procedures the combination of these models led to description of the stress-crack opening behaviour of an individual crack bridged by the given number of short fibres. The stress-strain relation for TRC with short fibres subjected to tensile loading was then derived. The concept followed at the macro-level of observation was modelling separately the three main regions of the characteristic stress-strain curve. The regions of crack-free material and crack-widening were considered linear and described based on the corresponding characteristic values of each region. The behaviour of the multiple cracking region was derived by considering an increasing number of cracks in serial interconnection and the contribution of the uncracked matrix in between. The stress transfer, i.e., bridging stress, across the crack was determined based on the contribution of both short fibres and multifilament-yarns. Behaviour of individual cracks was adjusted by varying the number of bridging fibres in different cracks and by varying the yarn bridging stress according to range observed in the pullout experiments. / In der vorliegenden Arbeit wird über Untersuchungen zu den Mechanismen der Wechselwirkungen zwischen Kurz- und Endlosfasern in zement-basierenten Hochleistungskompositen berichtet. Hierzu wurden experimentelle Untersuchungen auf verschiedenen Betrachtungsebenen (Makro-, Meso- und Mikroebene) durchgeführt mit dem Ziel, detaillierte Erkenntnisse zu den Auswirkungen der Zugabe von verschiedenen Arten von Kurzfasern (disperse und integrale AR-Glasfasern, Kohlenstofffasern) hinsichtlich des Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhaltens von Textilbeton (engl.: textile-reinforced concrete = TRC) unter Zugbeanspruchung zu gewinnen. Die Bruchflächen sowie die Gestalt der Interphase zwischen der Bewehrung aus Textilien oder Kurzfasern und der umhüllenden zemengebundenen Matrix wurden mit optischen und elektronenmikroskopischen Verfahren hinsichtlich der Wechselwirkungsphänomene ausgewertet. Die Ergebnisse der experimentellen Arbeiten bildeten den Ausgangspunkt für die mathematischen Beschreibungen für TRC mit Kurzfasern unter verformungsgesteuerter Zugbelastung. Die Formulierungen erfolgten auf Grundlage multiskalarer rheologisch-statistischer Modellansätze. In einer Literatursichtung wurde zunächst der Kenntnisstand zu den Materialien und zum Verhalten von TRC und Faserbeton unter Zugbeanspruchung dargestellt und diskutiert. Die noch zu erforschenden Fragen wurden präzisiert und die Grundlagen für deren Untersuchung geschaffen. Bei den Experimenten auf der Makroebene wurden drei Bewehrungsvarianten betrachtet: a) textile Bewehrung, b) Kurzfaserbewehrung, und c) hybride Bewehrung (Textil und Kurzfasern). An Dehnkörpern wurde die Spannungs-Dehnungsbeziehung unter einachsiger Zugbelastung studiert und dabei das Rissbild und die Phänomene des Faserversagens detailliert beobachtet. Anhand der Spannungs-Dehnungsbeziehungen konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von Kurzfasern bei allen untersuchten Kurzfaserarten zu einer erheblichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Textilbeton führt. Dies zeigte sich unter anderem in einer ausgeprägten Anhebung der Erstrissspannung sowie der Entwicklung von zahlreicheren und damit feineren Rissen, die zu einer Verbesserung der Duktilität führten. Ebenso wurden Steigerungen der Zugfestigkeit und der Energiedissipation festgestellt. In welchem Maß diese Änderungen stattfinden, hängt von der Art der Kurzfasern ab. Die Experimente auf der Mikro- und Mesoebene wurden so konzipiert, dass sie die Erkundung der Mechanismen, die den auf der Makroebene beobachteten Phänomenen zugrunde liegen, unterstützten. Auf der Mesoebene wurden Mulitifilamentgarnauszugversuche (mit und ohne Kurzfasern in der Matrix) und auf der Mikroebene Einzelfaserauszugsversuche für alle betrachteten Kurzfasertypen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Kurzfasern den Verbund zwischen Matrix und Multifilamentgarn verbessern. Kurzfasern können bei zufälliger Positionierung an der Garnoberfläche zusätzliche Haftbrücken bzw. Verbindungsstellen zu umgebender Matrix bilden. Für die Verbundqualität zwischen Faser und Matrix ist der Wasser-Bindemittel-Wert (W/B-Wert) von entscheidender Bedeutung. Bei einer Matrix mit niedrigem W/B-Wert führt die gute Qualität des Verbunds der eingebetteten Fasern zu einer Erhöhung der Steifigkeit sowie der Festigkeit des Komposites. Bei hohem W/B-Wert haben die Fasern einen schlechten Verbund zur Matrix und müssen überwiegend als Fehl- bzw. Schwachstellen betrachtet werden. Festigkeit und Steifigkeit des Komposits nehmen daher ab. Die Ableitung mathematischer Beziehungen für Textilbeton mit Zugabe von Kurzfasern unter verformungsgesteuerter Zugbelastung erfolgte aufbauend auf den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen auf der Mikroebene. Die Einzelfaserauszugsversuche wurden mit Hilfe eines physikalisch basierten Modelles nachgebildet, das aus einfachen rheologischen Elementen besteht. Phänomene wie die graduelle Ablösung der Faser, Faserbruch und Faserauszug wurden durch eine entsprechende Kombination und Parametrierung der rheologischen Elemente abgebildet. Im Ergebnis wurden zutreffende Kraft-Rissöffnungsbeziehungen modelliert. Auf der Mesoebene wurde ein einzelner Riss modelliert, der sowohl durch Multifilamentgarne als auch Kurzfasern überbrückt werden kann. Der rissüberbrückenden Wirkung der zahlreichen Kurzfasern wurde mit Hilfe statistischer Methoden rechnung getragen, die unterschiedliche Faser-Risswinkel und Einbindelängen berücksichtigen. Die resultierende Spannungs-Rissöffnungskurve umfasst die rissüberbrückende Wirkung von Multifilamentgarnen und Kurzfasern. Auf der Makroebene kann die charakteristische Spannungs-Dehnungsbeziehung von TRC unter Zugbelastung in 3 Bereiche (Zustände I, IIa, IIb) unterteilt werden. Die Kurvenverläufe im Zustand I (ungerissenen) sowie Zustand IIb (abgeschlossenes Rissbild) wurden als linear betrachtet und basierend auf den entsprechenden charakteristischen Werten des jeweiligen Zustands beschrieben. Das Verhalten im Zustand IIa (multiple Rissbildung) wurde durch die Reihenschaltung einer zunehmenden Anzahl von Rissen sowie den Beitrags der ungerissenen Matrix zwischen den Rissen modelliert.

This thesis reports on experimental investigations of the mechanisms inherent in the joint action of short and continuous fibres in high-performance, cement-based composites. Experiments on different levels of observation (macro- meso- and micro-levels) were performed to provide detailed insights into the various effects of adding different types of short fibres (dispersed AR glass, integral AR glass and dispersed carbon fibres) on the strength, deformation, and failure behaviour of textile-reinforced concrete (TRC) subjected to tensile loading. Moreover, visual inspections of the specimens' surfaces and microscopic investigation of the fracture surfaces and the interface zone between fibre and matrix were performed and evaluated. Subsequently, the mathematical descriptions for TRC with short fibres under deformation controlled tensile loading conditions were derived based on a multi-scale rheological-statistical modelling approach. Based on a literature review, the state of the art is presented and discussed to identify key questions that are yet to be answered satisfactorily. This provides the starting point for the investigations presented in this thesis. The experimental program on the macro-level included uniaxial tension tests performed on thin, narrow plates reinforced by: a) only textile reinforcement, b) only short fibres, and c) hybrid reinforcement (both textile reinforcement with the addition of short fibres). Special attention was directed toward the course of the stress-strain relationship, crack pattern development, and fibre failure behaviour. The stress-strain curves resulting from uniaxial tension testing demonstrated clearly the positive influence of all types of short fibre on the mechanical performance of TRC. While the first-crack stress in TRC specimens increased significantly due to the addition of short fibres, an expansion of the strain region, where multiple cracks form, was observed for the stress-strain curves for TRC with added short fibres. The visual inspection of the specimens\' surfaces showed a higher number of cracks and finer crack patterns for given strain levels in the cases when short fibres were added to TRC. Moreover, depending on fibre type, the positive effects of the addition of short fibres on both tensile strength and work-to-fracture of the composite were found to vary significantly. The findings at the micro- and meso-levels of observation provided to a great extent a core of understanding of some particular mechanical behavioural properties of TRC with short fibres at the macro-level of observation. Thus, in addition to the experimental testing performed on composite materials with different parameter combinations, investigations of the action of individual material components, i.e., multifilament-yarns and single short fibres, embedded into cement-based matrices were carried out. It was found that short fibres indeed improve the bond between multifilament-yarns and the surrounding matrix. By their random positioning on the yarn\'s surface, short fibres built new adhesive cross-links which provided extra connecting points to the surrounding matrix. Furthermore, the water-to-binder ratio of the matrix influenced bond quality between fibre and matrix, i.e., various degrees of matrix-fibre bond were observed. As a result, the mechanical behaviour of the composite varied with w/b: While the good bond of the fibre embedded in a matrix with a low water-to-binder ratio leads to increase in stiffness and strength of the composite, fibres with weak bonding can be considered as defects with respect to stiffness as they lead to a decrease in the value. The thesis further derives the mathematical relationships for TRC with the addition of short fibres under deformation-controlled tensile loading. A physically based rheological model consisting of simple rheological elements was developed based on the experimental results on the micro-scale, using single-fibre pullout tests. Special attention was paid to the gradual de-bonding process and the resulting force-displacement branch. The model adequately reproduced both relevant fibre failure scenarios: fibre fracture and fibre pullout. By means of statistical procedures the combination of these models led to description of the stress-crack opening behaviour of an individual crack bridged by the given number of short fibres. The stress-strain relation for TRC with short fibres subjected to tensile loading was then derived. The concept followed at the macro-level of observation was modelling separately the three main regions of the characteristic stress-strain curve. The regions of crack-free material and crack-widening were considered linear and described based on the corresponding characteristic values of each region. The behaviour of the multiple cracking region was derived by considering an increasing number of cracks in serial interconnection and the contribution of the uncracked matrix in between. The stress transfer, i.e., bridging stress, across the crack was determined based on the contribution of both short fibres and multifilament-yarns. Behaviour of individual cracks was adjusted by varying the number of bridging fibres in different cracks and by varying the yarn bridging stress according to range observed in the pullout experiments. / In der vorliegenden Arbeit wird über Untersuchungen zu den Mechanismen der Wechselwirkungen zwischen Kurz- und Endlosfasern in zement-basierenten Hochleistungskompositen berichtet. Hierzu wurden experimentelle Untersuchungen auf verschiedenen Betrachtungsebenen (Makro-, Meso- und Mikroebene) durchgeführt mit dem Ziel, detaillierte Erkenntnisse zu den Auswirkungen der Zugabe von verschiedenen Arten von Kurzfasern (disperse und integrale AR-Glasfasern, Kohlenstofffasern) hinsichtlich des Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhaltens von Textilbeton (engl.: textile-reinforced concrete = TRC) unter Zugbeanspruchung zu gewinnen. Die Bruchflächen sowie die Gestalt der Interphase zwischen der Bewehrung aus Textilien oder Kurzfasern und der umhüllenden zemengebundenen Matrix wurden mit optischen und elektronenmikroskopischen Verfahren hinsichtlich der Wechselwirkungsphänomene ausgewertet. Die Ergebnisse der experimentellen Arbeiten bildeten den Ausgangspunkt für die mathematischen Beschreibungen für TRC mit Kurzfasern unter verformungsgesteuerter Zugbelastung. Die Formulierungen erfolgten auf Grundlage multiskalarer rheologisch-statistischer Modellansätze. In einer Literatursichtung wurde zunächst der Kenntnisstand zu den Materialien und zum Verhalten von TRC und Faserbeton unter Zugbeanspruchung dargestellt und diskutiert. Die noch zu erforschenden Fragen wurden präzisiert und die Grundlagen für deren Untersuchung geschaffen. Bei den Experimenten auf der Makroebene wurden drei Bewehrungsvarianten betrachtet: a) textile Bewehrung, b) Kurzfaserbewehrung, und c) hybride Bewehrung (Textil und Kurzfasern). An Dehnkörpern wurde die Spannungs-Dehnungsbeziehung unter einachsiger Zugbelastung studiert und dabei das Rissbild und die Phänomene des Faserversagens detailliert beobachtet. Anhand der Spannungs-Dehnungsbeziehungen konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von Kurzfasern bei allen untersuchten Kurzfaserarten zu einer erheblichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Textilbeton führt. Dies zeigte sich unter anderem in einer ausgeprägten Anhebung der Erstrissspannung sowie der Entwicklung von zahlreicheren und damit feineren Rissen, die zu einer Verbesserung der Duktilität führten. Ebenso wurden Steigerungen der Zugfestigkeit und der Energiedissipation festgestellt. In welchem Maß diese Änderungen stattfinden, hängt von der Art der Kurzfasern ab. Die Experimente auf der Mikro- und Mesoebene wurden so konzipiert, dass sie die Erkundung der Mechanismen, die den auf der Makroebene beobachteten Phänomenen zugrunde liegen, unterstützten. Auf der Mesoebene wurden Mulitifilamentgarnauszugversuche (mit und ohne Kurzfasern in der Matrix) und auf der Mikroebene Einzelfaserauszugsversuche für alle betrachteten Kurzfasertypen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Kurzfasern den Verbund zwischen Matrix und Multifilamentgarn verbessern. Kurzfasern können bei zufälliger Positionierung an der Garnoberfläche zusätzliche Haftbrücken bzw. Verbindungsstellen zu umgebender Matrix bilden. Für die Verbundqualität zwischen Faser und Matrix ist der Wasser-Bindemittel-Wert (W/B-Wert) von entscheidender Bedeutung. Bei einer Matrix mit niedrigem W/B-Wert führt die gute Qualität des Verbunds der eingebetteten Fasern zu einer Erhöhung der Steifigkeit sowie der Festigkeit des Komposites. Bei hohem W/B-Wert haben die Fasern einen schlechten Verbund zur Matrix und müssen überwiegend als Fehl- bzw. Schwachstellen betrachtet werden. Festigkeit und Steifigkeit des Komposits nehmen daher ab. Die Ableitung mathematischer Beziehungen für Textilbeton mit Zugabe von Kurzfasern unter verformungsgesteuerter Zugbelastung erfolgte aufbauend auf den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen auf der Mikroebene. Die Einzelfaserauszugsversuche wurden mit Hilfe eines physikalisch basierten Modelles nachgebildet, das aus einfachen rheologischen Elementen besteht. Phänomene wie die graduelle Ablösung der Faser, Faserbruch und Faserauszug wurden durch eine entsprechende Kombination und Parametrierung der rheologischen Elemente abgebildet. Im Ergebnis wurden zutreffende Kraft-Rissöffnungsbeziehungen modelliert. Auf der Mesoebene wurde ein einzelner Riss modelliert, der sowohl durch Multifilamentgarne als auch Kurzfasern überbrückt werden kann. Der rissüberbrückenden Wirkung der zahlreichen Kurzfasern wurde mit Hilfe statistischer Methoden rechnung getragen, die unterschiedliche Faser-Risswinkel und Einbindelängen berücksichtigen. Die resultierende Spannungs-Rissöffnungskurve umfasst die rissüberbrückende Wirkung von Multifilamentgarnen und Kurzfasern. Auf der Makroebene kann die charakteristische Spannungs-Dehnungsbeziehung von TRC unter Zugbelastung in 3 Bereiche (Zustände I, IIa, IIb) unterteilt werden. Die Kurvenverläufe im Zustand I (ungerissenen) sowie Zustand IIb (abgeschlossenes Rissbild) wurden als linear betrachtet und basierend auf den entsprechenden charakteristischen Werten des jeweiligen Zustands beschrieben. Das Verhalten im Zustand IIa (multiple Rissbildung) wurde durch die Reihenschaltung einer zunehmenden Anzahl von Rissen sowie den Beitrags der ungerissenen Matrix zwischen den Rissen modelliert.

Im Rahmen experimenteller Untersuchungen wurden Stahlbetonplatten hergestellt, mit verschiedenen textilen Bewehrungen verstärkt, mit 125 % Gebrauchslast vorgeschädigt und anschließend unter Gebrauchslast mit einer Brandbelastung nach der Einheitstemperaturkurve (ISO-834, Cellulosic curve) beaufschlagt. Alle Platten hielten der Brandbelastung bei gleichzeitiger Biegebeanspruchung mehr als 60 Minuten stand und zeigten weder Betonabplatzungen noch andere optische Schädigungen auf. Die für dieses überraschend positive Ergebnis verantwortlichen Mechanismen werden diskutiert, sind aber noch nicht vollständig verstanden. Eine Schlüsselrolle spielt dabei vermutlich das gute Rissverhalten von Textilbeton und interne Umlagerungen zwischen Textil und Stahlbewehrung.

The present work deals with the development and application of an acoustic long-period fiber grating (LPG) in conjunction with a special optical fiber (SF). The acoustic LPG converts selected optical modes of the SF. Some of these modes are characterized by complex, yet cylindrically symmetric polarization and intensity patterns. Therefore, they are the guided variant of so called cylindrical vector beams (CVBs). CVBs find applications in numerous fields of fundamental and applied optics. Here, an application to high-resolution light microscopy is demonstrated. The field distribution in the tight microscope focus is controlled by the LPG, which in turn creates the necessary polarization and intensity distribution for the microscope illumination. A gold nanoparticle of 30 nm diameter is used to probe the focal field with sub-wavelength resolution. The construction and test of the acoustic LPG are discussed in detail. A key component is the piezoelectric transducer that excites flexural acoustic waves in the SF, which are the origin of an optical mode conversion. A mode conversion efficiency of 85% was realized at 785 nm optical wavelength. The efficiency is, at present, mainly limited by the spectral positions and widths of the transducer’s acoustic resonances. The SF used with the LPG separates the propagation constants of the second-order polarization modes, so they can be individually excited and are less sensitive to distortions than in standard weakly-guiding fibers. The influence of geometrical parameters of the fiber core on the propagation constant separation and on the mode fields is studied numerically using the multiple multipole method. From the simulations, a simple mode coupling scheme is developed that provides a qualitative understanding of the experimental results achieved with the LPG. The refractive index profile of the fiber core was originally developed by Ramachandran et al. However, an important step of the present work is to reduce the SF’s core size to counteract the the appearance of higher-order modes at shorter wavelengths which would otherwise spoil the mode purity. Using the acoustic LPG in combination with the SF produces a versatile device to generate CVBs and other phase structures beams. This fiber-optical method offers beam profiles of high quality and achieves good directional stability of the emitted beam. Moreover, the device design is simple and can be realized at low cost. Future developments of the acoustic LPG will aim at applications to fiber-optical sensors and optical near-field microscopy.:Abstract / Kurzfassung iii Table of contents v 1 Introduction 1 2 Fundamentals of optical waveguides 5 2.1 Introduction 5 2.2 Maxwell’s equations and vector wave equations 5 2.3 Optical waveguides 7 2.3.1 Dielectric waveguides 7 2.3.2 Metallic waveguides 9 2.4 Numerical calculation of modes by the multiple multipole program 10 2.4.1 Representation of simulated mode fields 11 2.5 Overview of coupled mode theory 14 2.5.1 Coupled mode equations 14 2.5.2 Co-directional coupling 15 2.6 Summary and conclusions 16 3 Polarization control for fundamental and higher order modes 17 3.1 Introduction 17 3.2 Description of light polarization 18 3.2.1 Stokes parameters and the polarization ellipse 18 3.2.2 Polarization of light beams in free space 20 3.2.3 Polarization of light beams in optical fibers 21 3.3 Short overview of cylindrical vector beam generation 22 3.4 Excitation of cylindrical vector beams in optical fibers 27 3.4.1 Free-beam techniques 27 3.4.2 In-fiber techniques 29 3.5 Polarization control in optical fibers 30 3.5.1 Phase matching and the beat length 30 3.5.2 Polarization-maintaining single-mode fibers 32 3.5.3 Higher-order mode polarization-maintaining fibers 32 3.6 Summary and conclusions 34 4 Simulation of core-ring-fibers 36 4.1 Introduction 36 4.2 Model geometries for index-tailored optical fiber 37 4.2.1 Special fiber and fabrication 37 4.2.2 Elliptical core boundaries 39 4.2.3 Overview of the applied MMP Models 41 4.3 Simulation results for circular core geometry 43 4.3.1 Mode fields 43 4.3.2 Scaling of the core radii 43 4.3.3 Wavelength dependence 48 4.4 Simulation results for non-circular geometry 50 4.4.1 Mode fields 50 4.4.2 Effects of individual rotation angles 53 4.4.3 Wavelength dependence 56 4.5 Summary and conclusions 61 5 Long period fiber gratings 63 5.1 Introduction 63 5.2 Principle of long-period fiber gratings 64 5.2.1 Results from coupled mode theory 64 5.2.2 Types of long-period gratings 65 5.2.3 Properties of acoustic long-period fiber gratings 67 5.3 Acoustic long-period grating setup 68 5.3.1 Transducer 69 5.3.2 Mechanical coupling 72 5.3.3 Acoustic dispersion of an optical fiber 75 5.3.4 Optical setup 77 5.3.5 Comparison to other acoustic LPG geometries 81 5.4 Experimental results 82 5.4.1 Transmission spectra 82 5.4.2 Discussion of transmission results 88 5.4.3 Direct mode field observation 93 5.4.4 Discussion of mode field observations 97 5.4.5 Time behavior and grating amplitude modulation 99 5.5 Summary and conclusions 101 6 Application of higher order fiber modes for far-field microscopy 104 6.1 Introduction 104 6.2 Complex beams in high-resolution far-field microscopy 104 6.3 Theoretical considerations 106 6.4 Experimental details 111 6.5 Results 114 6.6 Discussion 118 6.7 Summary and conclusions 122 7 Summary and outlook 124 Acknowledgments 139 Publications related to this work 142 List of figures 144 List of tables 150 List of acronyms 151 / Diese Arbeit behandelt die Entwicklung und Anwendung eines akustischen langperiodischen Fasergitters (LPG) in Verbindung mit einer optischen Spezialfaser (SF). Das akustische LPG wandelt ausgewählte optische Modi der SF um. Einige dieser Modi weisen eine komplexe, zylindersymmetrische Polarisations- und Intensitätsverteilung auf. Diese sind eine Form der so genannten zylindrischen Vektor-Strahlen (CVBs), welche in zahlreichen Gebieten der wissenschaftlichen und angewandten Optik zum Einsatz kommen. In dieser Arbeit wird eine Anwendung auf die hochauflösende Lichtmikroskopie demonstriert. Die fokale Feldverteilung wird dabei durch die Auswahl der vom LPG erzeugten Modi, welche zur Beleuchtung genutzt werden, eingestellt. Als Nachweis wird die entstehende laterale Feldverteilung mithilfe eines Goldpartikels (Durchmesser 30 Nanometer) vermessen. Aufbau und Test des akustischen LPGs werden im Detail besprochen. Eine wichtige Komponente ist ein piezoelektrischer Wandler, der akustische Biegewellen in der SF anregt. Diese sind die Ursache der Umwandlung optischer Modi. Die maximale Konversionseffizienz betrug 85% bei 785 nm (optischer) Wellenlänge. Die Effizienz ist derzeit hauptsächlich durch die Lage der akustischen Resonanzfrequenzen des Wandlers und deren Bandbreite begrenzt. Die benutzte SF spaltet die Ausbreitungskonstanten von Polarisationsmodi zweiter Ordnung auf, sodass diese individuell angeregt werden können und weniger anfällig gegen über Störungen der Faser sind, als das bei gewöhnlichen, schwach führenden Glasfasern der Fall ist. Das zu Grunde liegende Brechzahlprofil des Faserkerns wurde von Ramachandran et al. entwickelt. Für diese Arbeit wurde jedoch die Ausdehnung des Profils verkleinert – ein erster Schritt um Anwendungen bei kürzeren optischen Wellenlängen zu ermöglichen. Es werden numerische Simulationen mit der Methode der multiplen Multipole zur Berechnung der Modenfelder und den zugehörigen Propagationskonstanten vorgestellt. Diese zeigen u. a. den starken Einfluss von geometrischen Veränderungen des Faserkerns. Basierend auf den Simulationsergebnissen wird ein einfaches Kopplungsschema für die Modi entwickelt, welches ein qualitatives Verständnis der experimentellen Ergebnisse ermöglicht. In Kombination bilden die SF und das LPG ein vielseitiges Gerät zur Erzeugung von CVBs und anderen Strahlen mit komplexer Phasenstruktur. Die Methode besticht durch hohe Qualität des Strahlprofils, stabile Abstrahlrichtung, einfachen Aufbau, elektronische Steuerbarkeit und geringe Materialkosten. Zukünftige Weiterentwicklungen des akustischen LPGs zielen auf die Anwendung in faseroptischen Sensoren und in der optischen Nahfeldmikroskopie ab.:Abstract / Kurzfassung iii Table of contents v 1 Introduction 1 2 Fundamentals of optical waveguides 5 2.1 Introduction 5 2.2 Maxwell’s equations and vector wave equations 5 2.3 Optical waveguides 7 2.3.1 Dielectric waveguides 7 2.3.2 Metallic waveguides 9 2.4 Numerical calculation of modes by the multiple multipole program 10 2.4.1 Representation of simulated mode fields 11 2.5 Overview of coupled mode theory 14 2.5.1 Coupled mode equations 14 2.5.2 Co-directional coupling 15 2.6 Summary and conclusions 16 3 Polarization control for fundamental and higher order modes 17 3.1 Introduction 17 3.2 Description of light polarization 18 3.2.1 Stokes parameters and the polarization ellipse 18 3.2.2 Polarization of light beams in free space 20 3.2.3 Polarization of light beams in optical fibers 21 3.3 Short overview of cylindrical vector beam generation 22 3.4 Excitation of cylindrical vector beams in optical fibers 27 3.4.1 Free-beam techniques 27 3.4.2 In-fiber techniques 29 3.5 Polarization control in optical fibers 30 3.5.1 Phase matching and the beat length 30 3.5.2 Polarization-maintaining single-mode fibers 32 3.5.3 Higher-order mode polarization-maintaining fibers 32 3.6 Summary and conclusions 34 4 Simulation of core-ring-fibers 36 4.1 Introduction 36 4.2 Model geometries for index-tailored optical fiber 37 4.2.1 Special fiber and fabrication 37 4.2.2 Elliptical core boundaries 39 4.2.3 Overview of the applied MMP Models 41 4.3 Simulation results for circular core geometry 43 4.3.1 Mode fields 43 4.3.2 Scaling of the core radii 43 4.3.3 Wavelength dependence 48 4.4 Simulation results for non-circular geometry 50 4.4.1 Mode fields 50 4.4.2 Effects of individual rotation angles 53 4.4.3 Wavelength dependence 56 4.5 Summary and conclusions 61 5 Long period fiber gratings 63 5.1 Introduction 63 5.2 Principle of long-period fiber gratings 64 5.2.1 Results from coupled mode theory 64 5.2.2 Types of long-period gratings 65 5.2.3 Properties of acoustic long-period fiber gratings 67 5.3 Acoustic long-period grating setup 68 5.3.1 Transducer 69 5.3.2 Mechanical coupling 72 5.3.3 Acoustic dispersion of an optical fiber 75 5.3.4 Optical setup 77 5.3.5 Comparison to other acoustic LPG geometries 81 5.4 Experimental results 82 5.4.1 Transmission spectra 82 5.4.2 Discussion of transmission results 88 5.4.3 Direct mode field observation 93 5.4.4 Discussion of mode field observations 97 5.4.5 Time behavior and grating amplitude modulation 99 5.5 Summary and conclusions 101 6 Application of higher order fiber modes for far-field microscopy 104 6.1 Introduction 104 6.2 Complex beams in high-resolution far-field microscopy 104 6.3 Theoretical considerations 106 6.4 Experimental details 111 6.5 Results 114 6.6 Discussion 118 6.7 Summary and conclusions 122 7 Summary and outlook 124 Acknowledgments 139 Publications related to this work 142 List of figures 144 List of tables 150 List of acronyms 151