Strain-hardening cement-based composites (SHCC) are a special class of fiber-reinforced concrete which develop multiple, fine cracks when subjected to increasing tensile loading, reaching strain capacities of up to several percent. The tensile behavior of SHCC is a result of a purposeful material design accounting for the mechanical and physical properties of the cementitious matrix, of the reinforcing fibers and of their interaction. The exceptionally high energy dissipation through inelastic deformations before reaching tensile strength makes SHCC suitable for manufacturing or strengthening of structural elements which may be subjected to impact loading. However, the tensile behavior of SHCC is highly strain rate dependent, both in terms of tensile strength and strain capacity. The different strain rate sensitivities of the constitutive phases of SHCC (matrix, fiber and interfacial bond) lead to disproportionate dynamic alteration of their mechanical properties under increasing strain rates and, consequently, to an impairment of the micromechanical balance necessary for strain-hardening and multiple cracking. Thus, high energy dissipation under impact loading can only be ensured through a targeted material design. This work presents a series of mechanical experiments at different strain rates and different scales of investigation with the goal of developing a qualitative and quantitative basis for formulating material design recommendations for impact resistant SHCC. Three different types of SHCC were investigated, consisting of two types of polymer fibers (polyvinyl-alcohol and high-density polyethylene) and cementitious matrices (normal-strength and high-strength). Uniaxial tension experiments were performed on SHCC specimens and on non-reinforced matrix specimens with different testing setups at strain rates ranging from 10-4 to 150 s-1. Besides the measured mechanical properties, special attention was paid to the crack patterns and the condition of fracture surfaces. Additionally, micro-scale investigations were performed to quantify the strain rate dependent changes in the mechanical behavior of individual component phases, i.e., matrix, fibers and fiber-matrix bond. The results obtained from the micromechanical investigations were used in an analytical model for crack bridging. The model links the micromechanical parameters and their strain rate sensitivities to the single-crack opening behavior under increasing displacement rates, making it useful for material design purposes. If given an extensive experimental basis for the fracture mechanical properties of the non-reinforced cementitious matrices, the model can be extended for predicting the strain capacity (multiple cracking) of SHCC under different strain rates. / Die hochduktilen Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) bilden eine besondere Klasse von Faserbetonen, die eine multiple Rissbildung unter zunehmenden Zugspannungen aufweisen, was zu einer sehr hohen Bruchdehnung führt. Das dehnungsverfestigende, hochduktile Zugverhalten der SHCC wird durch eine gezielte Materialentwicklung erreicht, die die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der zementgebundenen Matrizen, der Kurzfasern und deren Zusammenwirkung berücksichtigt. Das außergewöhnliche Energieabsorptionsvermögen der SHCC durch plastische Verformungen vor dem Erreichen der Zugfestigkeit qualifiziert diese Verbundwerkstoffe für die Herstellung oder Verstärkung von Bauteilen, die Impaktbeanspruchungen ausgesetzt sein könnten. Jedoch weisen SHCC sowohl bezüglich deren Zugfestigkeit als auch deren Dehnungskapazität ein ausgeprägtes dehnratenabhängiges Verhalten auf. Unter zunehmenden Dehnraten führen die unterschiedlichen Dehnratensensitivitäten der gestaltenden Phasen von SHCC (Matrix, Faser und deren Verbund) zur Beeinträchtigung des mikromechanischen Gleichgewichts, welches für die Dehnungsverfestigung und multiple Rissbildung erforderlich ist. Eine hohe Energiedissipation unter Impaktbeanspruchungen kann deshalb nur durch eine gezielte Materialentwicklung der SHCC hinsichtlich deren Verhaltens unter hohen Dehnraten gewährleistet werden. Die vorliegende Arbeit umfasst eine Reihe von experimentellen Untersuchungen mit verschiedenen Dehnraten und an unterschiedlichen Betrachtungsebenen, mit dem Ziel eine qualitative und quantitative Basis für Empfehlungen zur Materialentwicklung von Impakt-resistenten SHCC zu schaffen. Drei verschiedene SHCC-Zusammensetzungen wurden untersucht. Die Referenz-Zusammensetzung aus einer normalfesten zementgebundenen Matrix und Polyvinyl-Alkohol-Kurzfasern wurde mit zwei unterschiedlichen SHCC verglichen (hochfest und normalfest), die mit Kurzfasern aus hochdichtem Polyethylen bewehrt wurden. Einaxiale Zugversuche wurden an SHCC-Proben und unbewehrten Matrix-Proben mit verschiedenen Prüfvorrichtungen bei Dehnraten von 10-4 bis 150 s-1 durchgeführt. Zusätzlich zu den gemessenen mechanischen Eigenschaften wurden die Rissbildung und die Bruchflächen detailliert untersucht. Darüber hinaus wurden mikromechanische Untersuchungen durchgeführt, um die Dehnratensensitivität der einzelnen Phasen, d.h. Matrix, Faser und deren Verbund zu beschreiben. Die aus den mikromechanischen Untersuchungen erzielten Ergebnisse wurden als Eingangswerte in einem analytischen Einzelriss-Modell verwendet. Das entwickelte Modell verbindet die mikromechanischen Parameter und deren Dehnratenabhängigkeit mit dem Rissöffnungsverhalten von SHCC bei zunehmenden Verschiebungsraten. Das macht es vorteilhaft für Materialentwicklungszwecke. Das Modell kann für die Vorhersage der Dehnungskapazität von SHCC bei diversen Dehnraten weiterentwickelt werden, wenn eine umfassende experimentelle Basis für die bruchmechanischen Eigenschaften der Matrizen vorliegt.

Strain-hardening cement-based composites (SHCC) are a special class of fiber-reinforced concrete which develop multiple, fine cracks when subjected to increasing tensile loading, reaching strain capacities of up to several percent. The tensile behavior of SHCC is a result of a purposeful material design accounting for the mechanical and physical properties of the cementitious matrix, of the reinforcing fibers and of their interaction. The exceptionally high energy dissipation through inelastic deformations before reaching tensile strength makes SHCC suitable for manufacturing or strengthening of structural elements which may be subjected to impact loading. However, the tensile behavior of SHCC is highly strain rate dependent, both in terms of tensile strength and strain capacity. The different strain rate sensitivities of the constitutive phases of SHCC (matrix, fiber and interfacial bond) lead to disproportionate dynamic alteration of their mechanical properties under increasing strain rates and, consequently, to an impairment of the micromechanical balance necessary for strain-hardening and multiple cracking. Thus, high energy dissipation under impact loading can only be ensured through a targeted material design. This work presents a series of mechanical experiments at different strain rates and different scales of investigation with the goal of developing a qualitative and quantitative basis for formulating material design recommendations for impact resistant SHCC. Three different types of SHCC were investigated, consisting of two types of polymer fibers (polyvinyl-alcohol and high-density polyethylene) and cementitious matrices (normal-strength and high-strength). Uniaxial tension experiments were performed on SHCC specimens and on non-reinforced matrix specimens with different testing setups at strain rates ranging from 10-4 to 150 s-1. Besides the measured mechanical properties, special attention was paid to the crack patterns and the condition of fracture surfaces. Additionally, micro-scale investigations were performed to quantify the strain rate dependent changes in the mechanical behavior of individual component phases, i.e., matrix, fibers and fiber-matrix bond. The results obtained from the micromechanical investigations were used in an analytical model for crack bridging. The model links the micromechanical parameters and their strain rate sensitivities to the single-crack opening behavior under increasing displacement rates, making it useful for material design purposes. If given an extensive experimental basis for the fracture mechanical properties of the non-reinforced cementitious matrices, the model can be extended for predicting the strain capacity (multiple cracking) of SHCC under different strain rates. / Die hochduktilen Betone (Engl.: Strain-Hardening Cement-based Composites – SHCC) bilden eine besondere Klasse von Faserbetonen, die eine multiple Rissbildung unter zunehmenden Zugspannungen aufweisen, was zu einer sehr hohen Bruchdehnung führt. Das dehnungsverfestigende, hochduktile Zugverhalten der SHCC wird durch eine gezielte Materialentwicklung erreicht, die die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der zementgebundenen Matrizen, der Kurzfasern und deren Zusammenwirkung berücksichtigt. Das außergewöhnliche Energieabsorptionsvermögen der SHCC durch plastische Verformungen vor dem Erreichen der Zugfestigkeit qualifiziert diese Verbundwerkstoffe für die Herstellung oder Verstärkung von Bauteilen, die Impaktbeanspruchungen ausgesetzt sein könnten. Jedoch weisen SHCC sowohl bezüglich deren Zugfestigkeit als auch deren Dehnungskapazität ein ausgeprägtes dehnratenabhängiges Verhalten auf. Unter zunehmenden Dehnraten führen die unterschiedlichen Dehnratensensitivitäten der gestaltenden Phasen von SHCC (Matrix, Faser und deren Verbund) zur Beeinträchtigung des mikromechanischen Gleichgewichts, welches für die Dehnungsverfestigung und multiple Rissbildung erforderlich ist. Eine hohe Energiedissipation unter Impaktbeanspruchungen kann deshalb nur durch eine gezielte Materialentwicklung der SHCC hinsichtlich deren Verhaltens unter hohen Dehnraten gewährleistet werden. Die vorliegende Arbeit umfasst eine Reihe von experimentellen Untersuchungen mit verschiedenen Dehnraten und an unterschiedlichen Betrachtungsebenen, mit dem Ziel eine qualitative und quantitative Basis für Empfehlungen zur Materialentwicklung von Impakt-resistenten SHCC zu schaffen. Drei verschiedene SHCC-Zusammensetzungen wurden untersucht. Die Referenz-Zusammensetzung aus einer normalfesten zementgebundenen Matrix und Polyvinyl-Alkohol-Kurzfasern wurde mit zwei unterschiedlichen SHCC verglichen (hochfest und normalfest), die mit Kurzfasern aus hochdichtem Polyethylen bewehrt wurden. Einaxiale Zugversuche wurden an SHCC-Proben und unbewehrten Matrix-Proben mit verschiedenen Prüfvorrichtungen bei Dehnraten von 10-4 bis 150 s-1 durchgeführt. Zusätzlich zu den gemessenen mechanischen Eigenschaften wurden die Rissbildung und die Bruchflächen detailliert untersucht. Darüber hinaus wurden mikromechanische Untersuchungen durchgeführt, um die Dehnratensensitivität der einzelnen Phasen, d.h. Matrix, Faser und deren Verbund zu beschreiben. Die aus den mikromechanischen Untersuchungen erzielten Ergebnisse wurden als Eingangswerte in einem analytischen Einzelriss-Modell verwendet. Das entwickelte Modell verbindet die mikromechanischen Parameter und deren Dehnratenabhängigkeit mit dem Rissöffnungsverhalten von SHCC bei zunehmenden Verschiebungsraten. Das macht es vorteilhaft für Materialentwicklungszwecke. Das Modell kann für die Vorhersage der Dehnungskapazität von SHCC bei diversen Dehnraten weiterentwickelt werden, wenn eine umfassende experimentelle Basis für die bruchmechanischen Eigenschaften der Matrizen vorliegt.

Bei den Forschungsaktivitäten wird von aktuellen Fragestellungen der Baustofftechnologie ausgegangen, wobei die Lösung akuter Probleme der Baupraxis und die Schaffung von soliden theoretischen Grundlagen in gleichem Maße angestrebt werden. Die Forschung wird hierbei vor allem durch interdisziplinäres Arbeiten geprägt. Zu den aktuellen Forschungsschwerpunkten zählen insbesondere: Entwicklung neuer zementbasierter Verbundwerkstoffe sowie von Verfahren zu deren Herstellung mit besonderem Akzent auf Faserbetone (Hochduktiler Beton mit Kurzfasern, Beton mit textiler Bewehrung, Ultrahochfester Beton mit innerer Nachbehandlung, Selbstverdichtender Leichtbeton, Beton mit sehr hohem Verschleißwiderstand) Untersuchung der Kurz- und Langzeiteigenschaften von neuen und bestehenden Baustoffen auf mineralischer Basis (Beton, Mörtel, Mauerwerk); Erforschung der für das Materialverhalten maßgebenden Mechanismen sowie der Mittel zu deren gezielten Beeinflussung (Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten unter monotoner, zyklischer und stoßartiger Beanspruchung sowie Schwinden und Kriechen von Beton; Transport von korrosiven Medien unter Berücksichtigung der Rissbildung, Schädigungsmechanismen und Dauerhaftigkeit) Modellierung des Baustoffverhaltens; Ableitung von stoffgesetzlichen Beziehungen; numerische Simulation des Materialverhaltens in unterschiedlichen Stadien seines "Lebens" (Herstellung, Verarbeitung, Erhärtung, mechanische Beanspruchung, Exposition von korrosiven Medien etc.)

Bei den Forschungsaktivitäten wird von aktuellen Fragestellungen der Baustofftechnologie ausgegangen, wobei die Lösung akuter Probleme der Baupraxis und die Schaffung von soliden theoretischen Grundlagen in gleichem Maße angestrebt werden. Die Forschung wird hierbei vor allem durch interdisziplinäres Arbeiten geprägt. Zu den aktuellen Forschungsschwerpunkten zählen insbesondere: Entwicklung neuer zementbasierter Verbundwerkstoffe sowie von Verfahren zu deren Herstellung mit besonderem Akzent auf Faserbetone (Hochduktiler Beton mit Kurzfasern, Beton mit textiler Bewehrung, Ultrahochfester Beton mit innerer Nachbehandlung, Selbstverdichtender Leichtbeton, Beton mit sehr hohem Verschleißwiderstand) Untersuchung der Kurz- und Langzeiteigenschaften von neuen und bestehenden Baustoffen auf mineralischer Basis (Beton, Mörtel, Mauerwerk); Erforschung der für das Materialverhalten maßgebenden Mechanismen sowie der Mittel zu deren gezielten Beeinflussung (Festigkeits-, Verformungs- und Bruchverhalten unter monotoner, zyklischer und stoßartiger Beanspruchung sowie Schwinden und Kriechen von Beton; Transport von korrosiven Medien unter Berücksichtigung der Rissbildung, Schädigungsmechanismen und Dauerhaftigkeit) Modellierung des Baustoffverhaltens; Ableitung von stoffgesetzlichen Beziehungen; numerische Simulation des Materialverhaltens in unterschiedlichen Stadien seines "Lebens" (Herstellung, Verarbeitung, Erhärtung, mechanische Beanspruchung, Exposition von korrosiven Medien etc.)

Hochduktiler Beton ist ein mit kurzen Kunststofffasern bewehrter Hochleistungs-verbundwerkstoff auf Zementbasis, der unter Zugbelastung eine hohe nichtelastische Verformbarkeit und ein verfestigendes Materialverhalten aufweist. Dieses Verhalten wird durch die Zugabe von diskontinuierlich verteilten Kurzfasern aus Kunststoff erzielt. In der vorliegenden Arbeit wurden einachsige Bauteilzugversuche durchgeführt auf deren Basis das globale und lokale Zugtragverhalten der großformatigen Versuchskörper beschrieben werden kann. Ausgangspunkt sind experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten des Stabstahls und des hochduktilen Betons sowie zu deren gemeinsamen Verbundverhalten. Die Untersuchungen zeigen, dass der Herstellungsprozess das Betongefüge und damit auch das mechanische Verhalten von hochduktilem Beton beeinflusst und dieser auf Grund seiner Zusammensetzung ein ausgeprägtes Schwindverhalten aufweist. Beides muss bei der Untersuchung großformatiger Versuchskörper berücksichtigt werden. Dazu wurden sowohl unbewehrte als auch bewehrte Dehnkörper mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt unter kontrollierten Herstellungsbedingungen in einem konventionellen Mischwerk hergestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung erlauben die Abbildung des Last-Verformungsverhaltens unter Berücksichtigung der hohen Schwindmaße durch isoliert ermittelte Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des hochduktilen Betons und des reinen Stahls. Dieses Verfahren erlaubt eine einfache Beschreibung des kombinierten Tragverhaltens unter Berücksichtigung der rissüberbrückenden Wirkung der Fasern. / SHCC is an advanced construction material developed especially for strain-hardening, quasi-ductile behaviour. Both are achieved through the combined interaction of short polymer fibres dispersed in the cementitious matrix. The resulting tensile behaviour of SHCC is characterized by a progressive formation of multiple cracks and high strain capacity, which influences the structural behaviour especially in combination with steel reinforcement. This thesis reports on experimental investigations to analyse the load-bearing behaviour of R/SHCC members. The investigations included the determination of relevant material properties as well as uniaxial tension tests on steel reinforced slab elements. The aim was to study the effect of multiple cracking on the bond interaction with steel reinforcement and their combined load-deformation behaviour. Specific attention was also given to the influence of the production process and shrinkage behaviour of SHCC. It was shown that production and size related changes of material properties influence the cracking behaviour of SHCC, which can lead to a significant reduction of tensile strain capacity in a structural element. The interaction with steel reinforcement, on the other hand, was found to facilitate multiple cracking and enhance tensile strain capacity during the stage of elastic steel deformations. However, a mutual dependency of SHCC fracture and plastic steel deformations could be observed in the post-yielding stage of the steel rebar. The experimental results were discussed with respect to their implications for constitutive modelling of the tensile load-bearing behaviour. The resulting relationships are based upon the individual material behaviour as well as their bond interaction. Further to that, the effects of SHCC shrinkage and early strain-hardening of steel reinforcement were assessed based on the experimental data. These results contribute to the understanding of the mechanical processes in order to determine the behaviour of steel reinforced SHCC for practical applications.

Aufgrund seines hervorragenden Verhaltens gegenüber verschiedenen Beanspruchungen ist hochduktiler Beton (engl.: Strain-hardening cement-based composite, SHCC) ein vielversprechender Baustoff für eine Vielzahl an Anwendungen unter statischen, stoßartigen und zyklischen Belastungen. Für einen sicheren Materialeinsatz ist ein tieferes Verständnis des zyklischen Verhaltens erforderlich. Dazu wurden zyklische Belastungsversuche an hochfestem SHCC mit Polyethylen (PE)- Fasern unter Variation des Belastungsregimes durchgeführt. Anhand der Versuche und der morphologischen Analysen konnte gezeigt werden, dass PE-SHCC eine große Sensitivität gegenüber der Variation der mechanischen Einwirkung zeigt.