- Matrix modification of jute/polypropylene composites with MAHgPP - Fibre surface modification for epoxy/jute composites, including: NaOH treatment, silane coupling agents, epoxy dispersion and their combinations - Investigation the influence of modification on the performance of jute fibre and jute compostites. / Untersuchungen zum mechanischen und thermischen Verhalten sowie zur Benetzung von Jute­fasern im Ausgangszustand, nach Entwachsen und nach Oberflächenmodifikation, mit dem Ziel einer Verwendung als Verstärkungsfasern in Verbundwerkstoffen. Untersuchungen zum mechanischen und thermischen Verhalten sowie zur hygrothermischen Alterung von Jute/Polypropylen (PP) Verbunden. Einfluss des PP-Typs, der Modifizierung der Matrix mit Maleinsäureanhydrid gepfropftem PP und des Faservolumengehalts.Untersuchung der Grenzschicht in Jute/Epoxidharz Verbunden in Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften nach Alkalibehandlung und Oberflächenmodifikation der Jutefasern. Jutefasern haben gute spezifische mechanische Eigenschaften. Die Einzelfasereigenschaften unterliegen der bei Naturfasern üblichen Streuung der mechanischen Eigenschaften. Im Gegensatz zu konventionellen Verstärkungsfasern (Glas, Carbon) nimmt wachstumsbedingt mit zunehmendem Faserquerschnitt die Festigkeit tendenziell zu. Faseroberflächenbehandlungen verbessern die Benetzbarkeit, erhöhen die thermische Stabilität und reduzieren die Feuchteaufnahme sowie den Diffusionskoeffizient. Jute/Polypropylen-Verbunde Chemische und physikalische Wechselwirkungen zwischen Faser und MAHgPP nach optimierter Kopplerauswahl verbessern in Abhängigkeit vom PP-Typ die Grenzflächenscherfestigkeit und die mechanischen Eigenschaften. Durch Einbeziehen der Grenzflächeneigenschaften können mit einer modifizierten Mischungsregel die Zugfestigkeiten der Verbunde beschrieben werden. Jute/Epoxidharz-Verbunde Faseroberflächenbehandlungen mit Natronlauge, Organosilanen, Epoxiddispersionen und deren Kombinationen führen zu verbesserter Benetzung, reduzierter Wasseraufnahme und verbesserter Haftung sowie verbesserten mechanischen Eigenschaften in Jute/Epoxidharz-Verbunden.

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die gezielte Analyse des Verbundverhaltens zwischen Bewehrungsstahl und Beton unter kombinierter Beanspruchung aus Ermüdung und Querzug. Den Hintergrund bilden Stahlbetonbauteile, wie z. B. Fahrbahnplatten von Verbundbrücken, welche einen zweiaxialen Lastabtrag unter nicht vorwiegend ruhenden Belastungen aufweisen. Die Untersuchungen für normal- und hochfesten Beton erfolgten an Ausziehkörpern mit einem durch Querzugspannungen hervorgerufenen Längsriss entlang des Bewehrungsstabes. Das Versuchsprogramm beinhaltete hochzyklische Schwellversuche mit unterschiedlichen Schwingspielen und variierenden Längsrissbreiten bis zu einer Million Lastwechseln. Anhand der Entwicklung des Schlupfes zwischen Bewehrungsstab und Beton konnte eine deutliche Abhängigkeit des Verbundwiderstandes vom Querzug beobachtet werden. Aufbauend auf der Schlupfentwicklung erfolgt die Ableitung von normierten Wöhlerlinien der Verbundermüdung. Diese Wöhlerlinien können direkt in Beziehung zu den Wöhlerlinien der Betonstahlermüdung gesetzt werden und vereinfachen die Erstellung von Dauerfestigkeitsdiagrammen für Bemessungszwecke. Es wird deutlich, dass die Ermüdungsfestigkeit des Verbundes durch das Vorhandensein eines Längsrisses gegenüber der Betonstahlermüdung verstärkt an Bedeutung gewinnt. / The main focus of the present work is the specific analysis of the bond behaviour between reinforcement and concrete under combined loading due to fatigue and transverse tension. The background is formed by reinforced concrete elements such as bridge decks of steel-concrete composite bridges, which show a biaxial load bearing behaviour under not predominantly monotonic loading. The investigations for both normal strength and high performance concrete were conducted on pull-out specimens with a longitudinal crack along the reinforcing bar caused by transverse tensile stresses. The experimental program included high cyclic tests with different stress ranges and varying longitudinal crack widths up to one million load cycles. By means of the slip development, a definite dependency of the bond strength on the transverse tension could be observed. Based on the slip development, normalised S-N curves for bond fatigue have been deduced. These S-N curves can be set in direct relation to the S-N curves for steel fatigue and simplify creating constant life diagrams for design purposes. It becomes clear that the bond fatigue strength, due to an existing longitudinal crack, gains in importance in comparison to the fatigue strength of the reinforcing steel.

Concrete is undoubtedly the most important construction material, with widespread applications worldwide. Despite its many advantages, however, concrete exhibits low tensile strength and tends toward brittle failure. The most promising approach for improvement of its tensile properties is the addition of fibres. By addition of only one or two percent of high-performance polymer fibres to a cementitious matrix, strain-hardening can be developed under uniaxial tensile loading. Such materials yield multiple cracking and permit large inelastic deformation in a hardening regime, for which they are usually called Strain-Hardening Cement-based Composites (SHCC). However, the behaviour of SHCC depends on loading conditions, where the most critical case is cyclic loading in tension-compression regimes, in which the ductile properties of the composite can be lost after only several hundred cycles due to degradation of the fibre bridging capacity. The thesis at hand presents the results of experimental investigations into the crack-bridging behaviour of polymer fibres in SHCC subject to alternating tension-compression loading regimes. The investigations covered monotonic loading as well. The experimental programme included fibre tension tests; single-sided, single fibre pull-out tests; double-sided, single and multiple fibre pull-out tests; and microscopic analysis of the specimens after testing. The bridging and pull-out behaviour of single PVA fibres embedded in cement-based matrices were comprehensively characterised and described by a new model. The Locking Front Model explains different interaction phenomena between fibre and matrix after full de-bonding. Furthermore, the interaction and damage mechanisms under cyclic loading were understood. The damage types depend on various parameters such as fibre inclination angle to the crack plane. Above all, however, the deterioration of bridging capacity results from the damage of the fibres between the crack faces in alternating tension-compression regime. The severity of damage is mostly determined by the number of cycles, compressive stress level, and crack width. The results of the experimental investigations at the micro- and meso-levels were analysed further to establish a multi-scale approach for describing the behaviour of a single crack in the composite. The Non-Simultaneity Hypothesis is proposed, which suggests that the crucial events of fibre bridging action may occur non-simultaneously with increasing crack opening displacement, and the bridging parameters may be reliably determined based on the overall behaviour of a group of specimens. Additionally, the Three-Stage Micromechanics-based Model is developed to describe the bridging behaviour of the fibres with different embedded lengths. The parameters of the model were obtained according to the overall bridging behaviour and the Non-Simultaneity Hypothesis. The parameters were validated by comparing prediction with experiment and observation of bridging behaviour in the tests with varied embedded lengths and multiple fibres. In the framework of the novel concept Criterion-Dependent Reference Volume (CDRV), the effective volume fractions of the fibres assuming non-uniform distribution of the fibres were determined over the length of a hypothetical specimen. The behaviour of a single crack was then predicted at the composite level and compared to the equivalent experimental results. The whole multi-scale approach manifests a considerable capability for analysing the behaviour of Fibre-Reinforced, Cement-based Composite (FRCC). Finally, the concept of Representative Continuum with Predetermined Cracking Sequence (RCPCS) is briefly explained for describing the stress-strain behaviour of SHCC in further development of the multi-scale approach. / Beton ist weltweit mit seinen vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten zweifelsohne der wichtigste Baustoff. Trotz der vielen Vorteile weist der Beton eine niedrige Zugfestigkeit und ein sprödes Versagen auf. Eine vielversprechende Methode zur Verbesserung dieser stellt seine Bewehrung mit Kurzfasern dar. Mit lediglich ein oder zwei Volumengehalt Prozent von Hochleistungspolymerfasern könnte das Dehnungs-Verfestigungsverhalten (engl.: Strain-hardening behaviour) unter einachsiger Zugbelastung erreicht werden. Allerdings ist das Verhalten des SHCC (engl.: Strain-Hardening Cementitious Composite) abhängig von dem Belastungsregime. Am kritischsten ist das zyklische Zug-Druck-Wechselbelastungsregime, denn dadurch wird kein duktiles Verhalten nach nur mehreren hundert Zyklen möglich sein, weil eine starke Degradation des Faserüberbrückungsvermögens stattfindet. Diese Dissertation beschreibt die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen des Überbrückungsverhaltens der Polymerfasern in SHCC mit dem Schwerpunkt Zug-Druck-Wechselbelastung. Außerdem umfassen die Untersuchungen monotone Belastung. Das experimentelle Programm enthält Faserzugversuche, einseitige- und zweiseitige Einzelfaserauszugsversuche sowie mikroskopische Analysen an den Probekörpern nach den Experimenten. Das Überbrückungs- und Auszugsverhalten der einzelnen PVA-Faser eingebettet in einer zementbasierten Matrix wurden ausführlich charakterisiert und mit einem neuen Modell beschrieben. Das „Locking Front Model“ erläutert spezifische Phänomene des Zusammenspiels der PVA-Faser und Matrix nach der vollen Ablösung. Zusätzlich wurden die Mechanismen der Zusammenwirkung und Schädigungen unter zyklischer Belastung dargestellt. Die Schädigungsarten sind abhängig von den verschiedenen Parametern wie z. B. Faserwinkel zur Rissebene. Vor allem resultierte die Verschlechterung der Überbrückungseigenschaften aus den Schädigungen der Faser zwischen den Rissebenen im Zug-Druck-Wechselbelastungsregime. Die Intensität der Schädigungen ist meistens mit Zyklenanzahl, zyklischer Druckbelastung und Rissbreiten korreliert. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen auf der Mikro- sowie Mesoebene wurden weiter ausgewertet, um einen Multiskalenansatz zur Bestimmung des Verhaltens eines einzelnen Risses im Werkstoff zu schaffen. Die „Non-Simultaneity Hypothese“ wurde vorgeschlagen, welche aussagt, den entscheidenden Vorgänge des Überbrückungsverhaltens der Fasern möglicherweise nicht gleichzeitig bei Vergrößerung der Rissöffnung auftreten. Deswegen sollten die Überbrückungsparameter am besten basierend auf dem allgemeinen Verhalten von vielen Proben in einer Gruppe bestimmt werden. Außerdem wurde das „Three-Stage Model“ zur Bestimmung des Überbrückungsverhaltens der Fasern mit verschiedenen Einbettungslängen entwickelt. Die Parameter des Modells wurden basierend auf dem allgemeinen Überbrückungsverhalten und der „Non-Simultaneity Hypothese“ bestimmt. Dann werden diese Parameter mit dem Überbrückungsverhalten anderer Einbettungslängen oder multipellen Fasern validiert. Im Rahmen des neuen Konzeptes, „Criterion-Dependent Reference Volume (CDRV)“, werden der effektive Volumenanteil der Faser in der Länge einer hypothetischen Probe aus Faserbeton mit ungleichmäßiger Faserverteilung bestimmt. Das Verhalten eines einzelnen Risses wird dann auf der Werkstoffebene bestimmt und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Der gesamte Multiskalenansatz manifestiert wesentliche Fähigkeit zur Analyse des Verhaltens von Faserbeton. Schließlich wird ein neues Konzept, „Representative Continuum with Predetermined Cracking Sequence (RCPCS)“, zur Bestimmung der Spannungs-Dehnungsbeziehung des hochduktilen Betons (SHCC) als zukünftige Entwicklungsmöglichkeit des vorliegenden Multiskalenansatzes kurz vorgestellt.

Der Verbundwerkstoff Stahlbeton zeichnet sich durch das effektive Zusammenwirken seiner beiden Einzelkomponenten Stahl und Beton aus. Dieses wiederum kann nur durch ausreichend gute Verbundbedingungen zwischen beiden Baustoffen gewährleistet werden. Die Verbundeigenschaften werden von zahlreichen Faktoren beeinflusst, zu denen u.a. die Oberflächenprofilierung des Stahls, die Betonfestigkeit und die Umschnürungswirkung durch den umgebenden Beton oder eine Querbewehrung zählen. Auch eine quer zum Stab angreifende Belastung kann einen erheblichen Einfluss auf den Verbundmechanismus und die Verbundversagensart haben. Bei Stahlbetonbauteilen unter einer zweiaxialen Zugbelastung, wie sie z.B. in Behälterwänden oder zweiachsig gespannten Platten auftritt, unterliegt die Bewehrung sowohl einer Längszug- als auch einer Querzugbeanspruchung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss einer Querzugbelastung auf das Verbundverhalten zwischen Rippenstählen und Normalbeton mit Hilfe von würfelförmigen Ausziehkörpern mit einer kurzen Verbundlänge untersucht. Dabei lag das Querzugniveau stets unterhalb der Risslast des Betons, so dass keine Risse entlang des einbetonierten Stabes auftraten. Neben der Höhe der Querzugbelastung wurden im Versuchsprogramm die Betonfestigkeit, der Stabdurchmesser und die Betondeckung variiert. Anhand der Versuchsergebnisse konnte gezeigt werden, dass sich auch unter einer Querzugbelastung der Verlauf der Verbundspannungs-Schlupf-Beziehung nicht ändert. Die Art des Verbundversagens wird jedoch maßgeblich durch den Querzug beeinflusst, welcher ein Spaltbruchversagen in jedem Fall begünstigt. Mit steigendem Querzug tritt auch bei großen Betondeckungen statt eines Ausziehversagens ein Spaltbruchversagen ein. Mittels des vorgeschlagenen Berechnungsmodells können in Abhängigkeit des Querzugniveaus und der Größe der Betondeckung Grenzlinien für den Wechsel im Verbundversagensmodus bestimmt werden. Hierbei wurde ebenfalls der Einfluss der Probekörpergeometrie auf die Versuchsergebnisse in die Berechnung einbezogen, so dass die angegebenen Grenzlinien auch für reale Einbettungslängen der Bewehrung gelten. Weiterhin wurde anhand der Versuchsdaten sowie eines Datensatzes aus der Literatur ein Verbundmodell für kurze Verbundlängen entwickelt, das den Einfluss der bezogenen Rippenfläche der Bewehrung und der Betonfestigkeit sowohl auf die Verbundspannungen als auch auf die zugehörigen Schlupfwerte berücksichtigt. Über einen zusätzlichen Datensatz zum Einfluss der Verbundlänge im Ausziehversuch konnte ebenfalls die Abhängigkeit zwischen den mittleren Verbundspannungen, den zugehörigen Schlupfwerten und der Verbundlänge spezifiziert werden. Somit ist eine Übertragbarkeit der Ergebnisse von Ausziehversuchen mit kurzen Verbundlängen auf eine reale Einbettungslänge im Bauteil möglich. Für die Bemessung von Stahlbetonkonstruktionen in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit erfolgt die Ableitung geeigneter Verformungskriterien für die Relativverschiebung zwischen Betonstahl und Beton und deren Verifizierung an Versuchsdaten aus der Literatur. Die aufgestellten Verformungskriterien in Abhängigkeit der Stahlspannung erlauben eine direkte Ermittlung bemessungsrelevanter Verbundspannungen anhand experimenteller Ausziehversuche. Die Berücksichtigung einer Querzugbelastung ist dabei in allen vorgestellten Berechnungsansätzen ebenfalls möglich. / Reinforced concrete as composite material is characterised by an effective interaction of its individual components reinforcing steel and concrete. This only can be assured by adequate bond conditions between these two materials. The bond quality is influenced by a wide range of parameters, amongst others including the rib geometry of the bar, the concrete strength and the confining action by the surrounding concrete or transverse reinforcement. Moreover loads, which act transverse to the reinforcing bar, can influence the bond mechanism and the bond failure mode significantly. Reinforced concrete structures, such as containment walls or two-way slabs, are often exposed to multiaxial loading conditions. In case of biaxial tensile stresses, reinforcement and surrounding concrete are loaded in tension in longitudinal as well as in transverse direction. An extensive experimental program was carried out in order to investigate the bond behaviour between reinforcing steel and normal strength concrete due to transverse tension. Cubic-shaped pullout specimens with a short bond length were used. The transverse tension level remained always below the cracking stress of concrete, meaning that no crack occurred along the pullout bar. The test program contained the variation of the transverse tension level, the concrete strength, the bar diameter and the concrete cover. From the test results no systematic influence of the transverse tension level on the shape of the bond stress-slip-relationship can be detected. The bond failure mode is significantly influenced by transverse tension, which promotes splitting failure. The higher the transverse tension level, even for high concrete covers, splitting failure occurs instead of pulling out the bar. From the test results, a failure criterion depending on the concrete cover and the transverse tension level could be determined, which indicates the failure mode and corresponding bond stress. For this purpose, the influence of the specimen geometry on the test results was considered, which results in a failure criterion that is also valid for real embedment lengths of the reinforcement. Furthermore, a bond model for short bond lengths has been developed, based on the test results and a dataset from literature. The model considers the influence of the related rib area of the reinforcing bar and the concrete strength on the bond stresses as well as on the corresponding slip values. By an additional dataset concerning the influence of bond length in pullout tests, the bond stresses and corresponding slip values could be specified as a function of the bond length. Therefore, the test results of pullout test with short bond lengths are transferable to real embedment lengths in structural elements. For the structural design of reinforced concrete elements in the ultimate and serviceability limit states, appli\\-cable deformation criterions concerning the relative displacement between reinforcing steel and concrete has been derived and verified by test data from literature. By means of the developed deformations criterions dependent on the steel stress, design bond stresses can be determined directly from experimental pullout tests. The consideration of transverse tensile loads is also possible for all presented design formulas.

This thesis documents the development of a simulation strategy to model the behavior of geomembranes at large deformations using the explicit finite difference code FLAC3D. The geomembrane is represented by special shell elements and interfaces at both sides of the geomembrane duplicating the interaction with the overlying and underlying materials. Chapter 1 provides an introduction to geotextiles and geomembranes, and their use in geotechnical engineering. Special attention is paid to pull-out tests because of their importance to describe the behavior at large deformations. Chapter 2 describes the proposed ‘liner’ model concept to simulate the interaction of a geomembrane with the over- and underlying material. Furthermore, this chapter documents in detail the simulation of uniaxial pull-out tests for validation of the proposed ‘liner’ model concept and compares it with the FLAC3D built-in geogrid element. To clarify more clearly the potential failure (crack propagation and rupture process) of the geomembrane, the ‘liner’ model under biaxial loading was investigated in Chapter 3. Chapter 4 documents a detailed parameter study with a special focus on the stiffness and frictional behavior of the ‘liner’ element using a simplified waste dump. In chapter 5 a new constitutive model (“Femesalz”) is proposed to describe the visco-elasto-plastic behavior of crushed salt and waste rock salt, respectively. The “Femesalz” constitutive model together with the ‘liner’ model is applied to simulate the behavior of a rock salt waste dump (2.5-dimensional) to validate both, the new constitutive model “Femesalz” as well as the ‘liner’ model. Chapter 6 documents the use of the ‘liner’ element and the “Femesalz” constitutive model to simulate salt dump models in 2D and 3D on different terrain types (mountain, valley, plain) for a time of 100 years to generate large deformations. Chapter 7 contains the main conclusions and recommendations.:ABSTRACT AND STRUCTURE OF THESIS 2 ACKNOWLEDGMENTS 4 CONTENTS 5 LIST OF TABLES 7 LIST OF FIGURES 10 NOMENCLATURE 16 CHAPTER 1: INTRODUCTION AND STATE-OF-THE-ART 22 1.1 Geosynthetic for geoengineering projects (overview) 22 1.2 Pull-out tests (overview) 29 CHAPTER 2: “LINER” CONCEPT AND NUMERICAL SIMULATIONS OF UNIAXIAL PULL-OUT TESTS 39 2.1 Introduction 39 2.2 Numerical calculations 39 2.2.1 General considerations 39 2.2.2 Concept of the 'liner' element 40 2.2.3 'Geogrid' versus 'liner' element 41 2.2.4 Verification of ‘liner’ element 42 2.2.5 Conclusions 58 CHAPTER 3: BIAXIAL LOADING OF “LINER” MODEL 61 3.1 Introduction 61 3.2 Model set-up 61 3.3 Results of biaxial pull-out test simulation 63 3.4 Summary and Conclusions 71 CHAPTER 4: PARAMETER STUDY OF EMBEDDED GEOMEMBRANE 74 4.1 Introduction 74 4.2 Model set-up 74 4.3 Results 77 4.3.1 Influence of interface stiffness 80 4.3.2 Influence of interface friction 87 4.4 Conclusions 93 CHAPTER 5: CONSTITUTIVE MODEL FOR SALT DUMP 95 5.1 Introduction 95 5.1.1 Overview of constitutive models for rock salt 97 5.1.2 Overview of constitutive models for crushed salt 104 5.2 ‘Femesalz’ constitutive model for crushed salt 106 5.2.1 Introduction 106 5.2.2 Compaction test 111 5.2.3 Triaxial test and realistic waste dump simulation 114 5.2.4 Numerical salt dump simulations 115 5.3 Summary 122 CHAPTER 6: SIMULATIONS CONSIDERING TOPOGRAPHY OF UNDERLYING MATERIAL 123 6.1 Introduction 123 6.2 Model set-up 123 6.3 Model parameters and calculation sequence 131 6.4 Calculation results 132 6.5 Discussion of results and conclusions 139 CHAPTER 7: CONCLUSIONS 141 REFERENCE 143

Cette recherche porte sur les fils multifilamentaires de verre utilisés pour renforcer les matériaux à base de ciment. Elle est focalisée sur les interactions mécaniques de ce type de fils, constitués d'un assemblage de milliers de filaments micrométriques, avec un micro-béton et sur le rôle spécifique de l'imprégnation du fil par cette matrice cimentaire. Trois pré-conditionnements des fils ont été employés lors de la fabrication des éprouvettes afin de moduler les conditions d'imprégnation par la matrice cimentaire. L'imprégnation de 5 fils multi-filamentaires par la matrice cimentaire a été caractérisée et les paramètres d'imprégnation ont été définis en s'appuyant sur des observations MEB, ainsi que des essais de porosimétrie au mercure et des essais spécifiques d'écoulement le long du fil enrobé. Des essais classiques d'arrachement de type pull-out ont été utilisés pour la caractérisation mécanique. L'analyse des liens entre les propriétés mécaniques et les paramètres d'imprégnation ont permis de mieux comprendre les micro-mécanismes d'interaction filaments / matrice cimentaire et d'expliquer le comportement macroscopique à l'arrachement. / This research deals with multi-filaments glass yarns used as reinforcement of cement based materials. It focuses on the mechanical interactions of these yarns, made of thousands of micrometric filaments, with a micro-concrete and on the specific part of the impregnation of the yarn by the cementitious matrix. Modulated impregnation conditions of the yarns were obtained by using three different manufacturing processes for the samples preparation. The impregnation of 5 multi-filament yarns by the cementitious matrix has been characterized and physical parameters of impregnation were determined using SEM investigations, mercury intrusion porosity measurements and specific tests of flow all along the embedded yarn. Classical pull-out tests have been used for the mechanical characterisation. The study of the links between the mechanical properties and the physical parameters of impregnation allowed accessing a better understanding of the filaments / cementitious matrix interaction micro-mechanisms, and explaining the macroscopic pull-out behaviour.

Die sichere Einleitung und Übertragung der wirkenden Kräfte ist Bedingung für die Funktionsfähigkeit und die vollständige Ausnutzung der Tragfähigkeit von Textilbetonbauteilen und -verstärkungsschichten. So kann es bei ungünstiger Konfiguration und Anordnung der Einzelkomponenten des Verbundbaustoffes zur Ausbildung einer Vielzahl verschiedener Verbundversagensformen kommen. Diese umfassen neben der Bildung von verbundschädigenden Delaminations- und Spaltrissen lokale Abplatzungen der Betondeckung oder einen vorzeitigen Auszug der Garne aus dem Beton. Besonders beansprucht sind in diesem Zusammenhang die bei einer Anwendung von Textilbeton erforderlichen Endverankerungs- und Stoßbereiche der textilen Bewehrungen. Zur sicheren Ausbildung und Bemessung dieser wichtigen Detailpunkte liegen jedoch momentan noch keine umfassenden und zusammenhängenden Untersuchungen vor. Hauptziel der vorliegenden Dissertation war daher eine systematische Erforschung und Beschreibung des Tragverhaltens von Textilbeton in Endverankerungs- und Übergreifungsbereichen. Eine funktionierende und schädigungsfreie Verbundkraftübertragung bildet die Grundlage für die sichere Lasteinleitung und -übertragung. Daher wurden im ersten Teil der Arbeit ausführliche Untersuchungen zur Charakterisierung der zwischen Bewehrungstextil und Feinbetonmatrix wirkenden Kräfte und -mechanismen durchgeführt. Nach der Entwicklung eines geeigneten Versuchsaufbaus erfolgten umfangreiche Parametervariationen zur experimentellen Überprüfung des textilspezifischen Verbundverhaltens. Den Schwerpunkt der Untersuchungen bildete die Identifikation und Bewertung der aus verschiedenen Verarbeitungsparametern der textilen Bewehrungen resultierenden Verbundeinflüsse. Die Versuchsergebnisse ermöglichen die Bestimmung der zugehörigen Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen (VSB) mithilfe eines erarbeiteten Modellierungsverfahrens. Die so ermittelten Verbundkennwerte bilden die Grundlage für die weiteren rechnerischen Untersuchungen. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgten Forschungen zum Tragverhalten von Endverankerungsbereichen. Hierbei stand der im Regelfall bemessungsrelevante Grenzzustand eines vorzeitigen Auszuges der Textilien aus der Betonmatrix im Mittelpunkt. Die Arbeiten umfassten experimentelle und theoretische Untersuchungen zur Beschreibung der Kraftübertragung. Aufbauend auf die ermittelten Verbundkennwerte wird ein unabhängiger analytischer Auswertealgorithmus zur Beschreibung des Verbundtragverhaltens in Endverankerungsbereichen dargestellt. Dieser ermöglicht eine detaillierte rechnerische Bestimmung der erforderlichen Endverankerungslängen von Textilbeton in Abhängigkeit konkreter bzw. untersuchter Bewehrungstextilien. Den dritten Forschungsschwerpunkt bildeten Untersuchungen zum Tragverhalten von Übergreifungsstößen in Textilbetonbauteilen. Mithilfe von umfassenden experimentellen und theoretischen Analysen an unterschiedlich konfigurierten und bewehrten Textilbetonen konnten die maßgebenden Versagensmechanismen untersucht und grundlegende Vorgaben für die Bemessung und Ausführung der Übergreifungsbereiche abgeleitet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden anhand von großformatigen Bauteilversuchen mit entsprechend konstruierten Übergreifungsstößen bestätigt. Zum Abschluss wird ein vereinfachtes Ingenieurmodell vorgestellt. Dieses erlaubt eine allgemeingültige und hinreichend genaue Bemessung der untersuchten Detailpunkte unter Beachtung der maßgebenden Grenzzustände. / The safe introduction and transmission of forces is a requirement for the workability as well as the possibility to make full use of the load bearing capacities of components and strengthening layers made of textile reinforced concrete. Accordingly, an unfavourable configuration and arrangement of the composite material’s individual components can lead to various modes of bond failure. These can result from the formation of bond damaging delamination cracks and longitudinal matrix splitting, local spalling of the concrete layer in the outer reinforcement layers or early yarn pull-out from the concrete. In this context, the areas of end anchorage and lap joints of the textile reinforcement, which cannot be avoided when using textile reinforced concrete, are particularly prone to failure. However, no comprehensive and coherent investigations regarding the safe configuration and dimensioning of these essential details are available yet. Consequently, systematic research into textile reinforced concrete’s load-bearing behaviour in the areas of end anchorage and lap joints and the subsequent description was the main goal of this dissertation. A working and damage-free transmission of bond force is the basis for a faultless load transmission and introduction. As a result, extensive tests concerning the characterization of the mechanisms and forces acting between reinforcing textile and fine grained concrete matrix were carried out as the first part of the investigations. After an appropriate test setup had been developed, a great variety of parameters was applied to experimentally examine the bond behaviour specific to the textile. The determination of the influencing factors resulting from various parameters in the textile reinforcement’s processing was a focus in the research. Based on a specifically developed modelling technique, the test results could be used to calculate the corresponding bond stress-slip-relation. The bond parameters, which were determined like this, served as the basis for the following calculations. The second part of the investigations was concerned with the load-bearing behaviour in end anchorage areas. In this case, the limit state of a yarn pull-out from the concrete matrix, which is usually essential for the dimensioning, was at the centre of attention. The investigations encompassed experimental and theoretical tests regarding the description of the force transmission. Based on the determined compound parameters, an independent analytic evaluation algorithm, which served to describe the load carrying behaviour of the bond in the end anchorage area, was presented. Through this algorithm, the detailed calculation of the required end anchorage lengths of textile reinforced concrete depending on the specific reinforcement textile was possible. The third research focus was on tests regarding the load-bearing behaviour of lap joints in textile reinforced concrete components. With the help of comprehensive experimental and theoretical analyses of variously configured and reinforced textile reinforced concretes, the decisive failure mechanisms were examined. Furthermore, fundamental demands for the dimensioning and execution of the lap joint areas could be derived. The findings were confirmed through tests on large-sized building components with corresponding lap joints. At the end of the investigations, a simplified engineering model is presented. This model makes a universally valid and exact dimensioning of the examined details possible while also paying attention to the decisive limit states.

Mit der Entwicklung und Einführung ökologischer Bauweise im Neubau sowie neuen Baustoffsystemen in Sandwichbauweise wird es zunehmend erforderlich, neue effektive Befestigungsvarianten zu entwickeln, die eine dauerhafte Fixierung auch unter sicherheitstechnischen Bestimmungen sowie aus Garantie- bzw. haftungsrechtlichen Gründen ermöglichen. Die aus der Praxis bisher bekannten chemischen Befestigungssysteme (Zweikomponentenverbundmörtel, Verbundankerpatronen) weisen hinsichtlich der Applikation unter bautechnischen Bedingungen noch einige Nachteile auf. Dazu gehören vor allem längere Aushärtungszeiten zur Realisierung der abschließenden Verbundfestigkeit, Inhomogenitäten im Verbund, der Einsatz toxischer Verbindungen und eine Limitierung der Applikationsmöglichkeiten in horizontalen und Überkopf-Einsatzbereichen sowie Hohlkammersystemen. Alle zuvor genannten Punkte haben bis jetzt die Nutzung solcher Verbundwerkstoffe als universale Anwendungsmöglichkeit verhindert. Ein neues chemisches Befestigungssystem, welches aus Novolak gehärteten mit Hexamethylentetramin (Hexa) und anorganischen Füllstoff besteht, wurde für Applikationen in Beton entwickelt. Das Bindemittel härtet bei der Temperaturzuführung aus. Die unkatalysierte Befestigungsmasse zeigt bei einer Temperatur zwischen 150-300 °C eine hohe Reaktivität. Die Vorteile dieses Systems sind die unbegrenzte Lagerfähigkeit der vorgemischten härtbaren Masse sowie die Gewährleistung einer homogenen Netzwerkstruktur im gesamten Verbund und sie ist frei von giftigen und flüchtigen Substanzen. Auf den Einsatz toxischer Substanzen wurde verzichtet. In dieser Arbeit wurde die Gesamtkinetik der Reaktion während des Aushärtungsprozesses dieser Polymerkomposite untersucht. Die DSC- (nicht-isothermen, isothermen) und MDSC-Untersuchungen haben sich als ein sicheres Verfahren zur Qualitätskontrolle des Aushärtezustands der Befestigungssysteme herausgestellt. Parallel zur nicht-isothermischen und isothermischen DSC wurden Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt, um den Endpunkt der Aushärtungsreaktion zu bestimmen. / The development and introduction of ecological construction methods and the use of sandwich materials make it necessary to develop new fixing systems and technologies. Dealing with the application in concrete and other substrates commercial chemical fixing systems show some disadvantages up to date. Especially the rather long curing time in order to realize the final bond strength, inhomogenities in the composite, the partial use of toxic substances and application limits of such systems in horizontal direction as well as hollow section materials has so far prevented the use of such composites for all-purpose applications. A new chemical fixing system, which consists of hexamethylene tetramine (hexa) cured novolac and inorganic filler, was developed for application in concrete. It is applied by a thermo-curing procedure. The uncatalyzed curable mixture has a high reactivity at temperature between 150-300 °C. Compared with commercial chemical fixing systems, the premixed curable mass has many benefits. First it has a unique storage stability and second, it is free of toxic and volatile substances. Another important aspect is, it is self-foaming. In this study was investigated the overall kinetics of the reaction during the curing process of these polymer composites. An appropriate method for this experiment proved to be the DSC in isothermal and non-isothermal mode and MDSC. This turned out to be a safe quality control technique for these systems. Parallel to the non-isothermal and isothermal DSC conductivity measurements have been performed to determine the end point of the curing reaction.

Short fibres of different materials are used for crack bridging in strain-hardening cement-based composites (SHCC). Their mechanical properties and the fibre-matrix interphase on the micro level have a significant influence on the macroscopic component properties. Investigations on the specific modification and adaptation of fibre properties in relation with the failure mechanisms at different strain rates hardly exist so far, since mainly commercially available fibres are used. In the frame of this work, two different fibre types – polypropylene (PP) fibres and alkali-resistant (AR) glass fibres – were produced on lab spinning devices and the properties were adapted in such a way that fundamental correlations between the influence of fibre geometry, mechanical properties, chemical functionalities and surface structure on the behaviour during fibre pull-out from the concrete matrix can be derived. The PP fibres were produced with different degrees of stretching, cross-sectional geometries (circular, trilobal) and fibre diameters, as well as without and with sizing. The resulting changes in the crystallinity of the PP structure, surface roughness and wetting behaviour could be demonstrated by differential scanning calorimetry (DSC), roughness measurements by atomic force microscopy (AFM), and contact angle measurements. AR glass fibres were used in the unsized state and various chemical surface treatments were applied. Aqueous polymer dispersions of different materials were characterized in detail regarding particle size, pH value, solid content, and surface tension. In addition, their film-forming properties were evaluated using prepared polymer films. Furthermore, the influence of cross-linking agents on the thermal and mechanical stability of polyurethane sizings was investigated using thermal analysis methods. After application of the sizings to the AR glass surface, changes in surface structure and roughness could be observed by scanning electron microscopy (SEM) and AFM. The amount of sizing, or rather the polymer content on the fibres, was systematically increased and investigated in the non-cross-linked and cross-linked state with respect to energy absorption during fibre pull-out. Using a high-strength concrete matrix, all modified PP and AR glass fibres were used to produce and test single-fibre model composites by single-fibre pull-out tests, whereby the fibre pull-out was either quasi-static or dynamic. Based on the test results, design strategies for PP and AR glass fibres were derived at the end of the thesis. / Für die Rissüberbrückung in hochduktilen Betonen (Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) werden Kurzfasern verschiedener Materialien eingesetzt. Ihre mechanischen Eigenschaften und die Faser-Matrix-Grenzschicht auf der Mikroebene beeinflussen die makroskopischen Bauteileigenschaften deutlich. Untersuchungen zur gezielten Veränderung und Anpassung von Fasereigenschaften im Zusammenhang mit den Versagensmechanismen bei unterschiedlichen Dehnraten existieren bisher kaum, da überwiegend kommerziell verfügbare Fasern eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher zwei verschiedene Fasertypen – Polypropylen (PP)-Fasern und alkaliresistente (AR)-Glasfasern – an Laborspinnanlagen selbst hergestellt und die Eigenschaften so angepasst, dass sich grundlegende Zusammenhänge zwischen dem Einfluss von Fasergeometrie, mechanischen Eigenschaften, chemischen Funktionalitäten und Oberflächenstruktur auf das Verhalten bei Faserauszug aus der Betonmatrix ableiten lassen. Die PP-Fasern wurden mit verschiedenen Verstreckungsgraden, Querschnittsgeometrien (rund, trilobal), Faserdurchmessern sowie ohne und mit Schlichte hergestellt. Die dadurch hervorgerufenen Eigenschaftsveränderungen hinsichtlich Kristallinität der PP-Struktur, der Oberflächenrauheit und des Benetzungsverhaltens konnten durch dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), Rauheitsmessungen mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Kontaktwinkelmessungen nachgewiesen werden. AR-Glasfasern wurden im ungeschlichteten Zustand verwendet und verschiedene chemische Oberflächenbehandlungen durchgeführt. Es wurden wässrige Polymerdispersionen verschiedener Materialien detailliert hinsichtlich ihrer Partikelgröße, pH-Wert, Feststoffgehalt und Oberflächenspannung charakterisiert sowie ihre Filmbildungseigenschaften anhand hergestellter Polymerfilme bewertet. Weiterhin wurde der Einfluss von Vernetzern auf die thermische und mechanische Stabilität von Polyurethanschlichten mit Methoden der thermischen Analyse untersucht. Nach dem Applizieren der Schlichten auf die AR-Glasoberfläche konnten Veränderungen der Oberflächenstruktur und Rauheit mit Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie AFM beobachtet werden. Die Schlichtemenge bzw. der Polymeranteil auf den Fasern wurde systematisch erhöht und im unvernetzten sowie vernetzten Zustand hinsichtlich der Energieabsorption bei Faserauszug untersucht. Mit allen modifizierten PP-Fasern und AR-Glasfasern wurden unter Einsatz einer hochfesten Betonmatrix Einzelfaser-Modellverbunde zur Durchführung von Einzelfaserauszugversuchen (Single-Fibre Pull-Out) hergestellt und geprüft, wobei der Faserauszug entweder quasistatisch oder dynamisch erfolgte. Basierend auf den Versuchsergebnissen wurden am Ende der Arbeit für PP-Fasern und AR-Glasfasern Designstrategien abgeleitet.

Vor dem Hintergrund zukünftiger Sensoren, basierend auf dem piezoresistiven Effekt von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), werden in dieser Arbeit umfangreiche Ergebnisse zum mechanischen Verhalten von Grenzflächen zwischen SWCNTs und edlen Metallen am Beispiel von Pd und Au präsentiert. Im Fokus steht dabei die Synergie von rechnerischen und experimentellen Methoden Molekulardynamik (MD), nanoskalige Tests und Analytik , um (1) mit guter Genauigkeit maximale Kräfte von gezogenen SWCNTs, welche in Metall eingebettet sind, vorauszuberechnen und (2) einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der zu Grunde liegenden Fehlermechanismen zu liefern. Es wurde ein MDModell eines in eine einkristalline Matrix eingebetteten SWCNTs mit Randbedingen eines Auszugsversuchs entwickelt. Mit diesem Modell können Kraft-Weg-Beziehungen und Energieverläufe für einen quasistatischen verschiebungsgesteuerten Auszugsversuch errechnet werden. Das Modell liefert kritische Kräfte bei Versagen des Systems. Des Weiteren können mit diesem Modell der Einfluss des SWCNT-Typus, der Einbettungslänge, der Temperatur, von intrinsischen Defekten und Oberflächengruppen (SFGs) auf das Grenzflächenverhalten untersucht werden. Zum Vergleich wurden kritische Kräfte experimentell durch in situ Auszugsversuche in einem Rasterelektronenmikroskop bestimmt. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung von rechnerischen und experimentellen Daten festgestellt. Der vorherrschende Fehler im Experiment ist der SWCNT-Bruch, jedoch wurden auch einige SWCNT-Auszüge beobachtet. Mit Hilfe der MD-Simulationen wurde gefunden, dass die SFGs als kleine Anker in der umgebenden metallischen Matrix wirken und somit die maximalen Kräfte signifikant erhöhen. Diese Grenzflächenverstärkung kann Zugspannungen verursachen, die genügend hoch sind, so dass SWCNT-Bruch initiert wird. Im Gegensatz dazu zeigten Simulationen von Auszugstests mit idealen SWCNTs nur kleine Auszugskräfte, welche meistens unabhängig von der Einbettungslänge des SWCNTs sind. Dieses Verhalten wird mit einer inkommensurablen Konfiguration der Kristallstrukturen an der Grenzfläche von SWCNTs und der einbettenden Edelmetalle interpretiert. Zur Qualifizierung der Existenz von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material wurden analytische Untersuchungen mittels Fluoreszenzmarkierung von Oberflächengruppen durchgeführt. In Übereinstimmung mit Literaturstellen zum gesicherten Nachweis von SFGs, bedingt durch technologische Behandlungen, weisen diese Experimente stark auf das Vorhandensein von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material hin. Demnach kann der dominante SWCNT-Bruch Fehler durch die Grenzflächenverstärkung auf Grund von SFGs erklärt werden. / In the light of future sensors, that are based upon the piezoresistive effect of singlewalled carbon nanotubes (SWCNTs), this work presents comprehensive results of studies on the mechanical behavior of interfaces between SWCNTs and noble metals using the examples of Pd and Au. With this contribution, the focus is on a synergy between computational and experimental approaches involving molecular dynamics (MD) simulations, nanoscale testing, and analytics (1) to predict to a good degree of accuracy maximum forces of pulled SWCNTs embedded in a noble metal matrix and (2) to provide valuable input to understand the underlying mechanisms of failure. A MD model of a SWCNT embedded in a single crystalline matrix with pull-out test boundary conditions was developed. With this model, force-displacement relations and energy evolutions for a quasi-static displacement controlled test can be computed. The model provides critical forces for failure of the system. Furthermore, the influence of SWCNT type, embedding length, temperature, intrinsic defects and surface functional groups (SFGs) on the interface behavior can be studied using this model. For comparison, critical forces were experimentally determined by conducting pull-out tests in situ, inside a scanning electron microscope. A very good agreement of computational and experimental values was discovered. The dominant failure mode in the experiment was a SWCNT rupture, although several pull-out failures were also observed. From MD simulations, it was found that SFGs act as small anchors in the metal matrix and significantly enhance the maximum forces. This interface reinforcement can lead to tensile stresses sufficiently high to initiate SWCNT rupture. In contrast, pull-out test simulations of ideal SWCNTs show only small pull-out forces, which are mostly independent on SWCNT embedding length. This behavior is interpreted with an incommensurate configuration of crystal structures at the interface between SWCNTs and embedding noble metals. To qualify the existence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material, an analytical investigation by means of fluorescence labeling of surface species was performed. In agreement with literature reports on the secured verification of SFGs due to necessary technological treatments, these experiments strongly indicate the presence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material. Thus, the dominant SWCNT rupture failure is explained with an interface reinforcement by SFGs.