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Development of a novel test setup for the determination of the content and orientation of steel fibres in concrete based on electrical resistivity = Entwicklung eines neuartigen Prüfaufbaus für die Bestimmung des Gehalts und der Orientierung von Stahlfasern in Beton auf Basis der elektrischen Leitfähigkeit

Cleven, Simon^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Simon Cleven

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Matschei, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Dehn, Frank (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-07-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06873
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/961553/files/961553.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Baustoffkunde (311110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Baustoffe (frei) ; Beton (frei) ; Stahlfasern (frei) ; building materials (frei) ; concrete (frei) ; non destructive testing (frei) ; steel fibres (frei) ; zerstörungsfreies Prüfverfahren (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Stahlfaserbeton weist das Potential auf, kosteneffizient und recourcenschonend für vielseitige Anwendungen eingesetzt zu werden. Eines der größten Hindernisse für die weitere Anwendung besteht zurzeit darin, dass der Fasergehalt, die Faserverteilung und die Faserorientierung nicht exakt bestimmt werden können. Zwar lässt sich der globale Fasergehalt aus der gesamten Faserzugabe im Herstellwerk berechnen, aber lokale Unterschiede im Material, die aus der Schalungsgeometrie oder anderen Faktoren resultieren, sind jedoch nicht messbar. Bezüglich der Verteilung und Orientierung können zudem nur Annahmen getroffen werden. Dies hat zur Folge, dass für die statische Bemessung hohe Teilsicherheitswerte angesetzt werden müssen, was den effizienten Einsatz von Stahlfaserbeton in vielen Fällen nicht ermöglicht.Um dieser Herausforderung in Zukunft zu begegnen, war das Hauptziel dieser Dissertation die Entwicklung eines einfach zu handhabenden Messverfahrens, was die Bestimmung der oben genannten Parameter ermöglicht. Hierzu erfolgte aufbauend auf einer umfangreichen Literaturrecherche die Auswahl der elektrischen Widerstandsmessung als vielversprechender Ansatz der Messmethodik. Nach der Identifizierung der maßgebenden Einflussfaktoren aus dem Messprinzip und dem Werkstoff Stahlfaserbeton wurde ein prototypischer Messaufbau für würfelförmige Prüfkörper entwickelt und erprobt. Nach der Optimierung des Messsystems durch eine umfangreiche Parameterstudie wurde der Aufbau für zylindrische Proben erweitert, um die Analyse von Bohrkernen zu ermöglichen. Die Messung der elektrischen Widerstände zeigte gute Resultate bei der Nutzung eines Zwei-Elektroden-Aufbaus mit einer Wechselstrombeaufschlagung in einem Frequenzbereich von 1 bis 10 kHz. Geringere Frequenzen führten zu zeitabhängigen Messfehlern, die auf eine Polarisation an den Elektroden zurückgeführt werden können. Zur Analyse der Messergebnisse ist die Umrechnung der gemessenen elektrischen Widerstände in geometrieunabhängige spezifische Widerstände notwendig. Die hierzu benötigten Geometriefaktoren für definierte Elektrodenanordnungen könnten mit Hilfe einer FEM-Simulation in Kombination mit einer Multiphysik-Software durchgeführt werden. Über den Vergleich der ermittelten spezifischen Widerstände des Stahlfaserbetons mit einem unbewehrten Referenzbeton kann der Stahlfasergehalt ausreichend genau ermittelt werden. Die Abschätzung der Faserorientierung war durch die Relation unterschiedlicher Messrichtung einer Probe möglich. Als größte Herausforderung für die Weiterentwicklung des Messystems wurde das Erfordernis eines Referenzbetons bzw. die Kenntnis dessen spezifischen Widerstands identifiziert. Der Fokus zukünftiger Untersuchungen muss daher auf der Erstellung einer materialparameter-abhängigen Datenbank liegen, damit eine Analyse von Bauwerksbetonen realisiert werden kann. Zudem ist die Überführung des prototypischen Messsystems in ein System mit definierten Ankopplungsbedingungen und Messbedingungen notwendig. Nach der erfolgreichen Entwicklung und Adaptierung dieser Faktoren kann die Messmethodik in eine allgemeine Richtlinie oder Norm überführt werden, um neue statische Bemessungsprinzipien mit geringeren Teilsicherheitsbeiwerten realisieren zu können. Dies wird in Zukunft eine Material-effizientere Bemessung ermöglichen.

Steel fibre reinforced concrete (SFRC) has the potential to be used for versatile applications in a cost-efficient and resource-saving way. One of the biggest obstacles for further application at present is that the fibre content, fibre distribution and fibre orientation cannot be determined exactly. Although the global fibre content can be calculated from total fibre addition in the manufacturing plant, local differences regarding the fibre content within the material arising from formwork geometry or other factors remain difficult to quantify. Moreover, only assumptions can be made regarding the distribution and orientation of fibres. As a consequence, high partial safety factors have to be applied for the static design of structural elements, which prevents an economic use of steel fibre concrete in many cases. To address this challenge, the main objective of this thesis was the development of an easy-to-use measurement approach that enables the determination of the above-mentioned parameters. Based on an in-depth literature review, the electrical resistivity measurement was identified as a promising approach for the measurement methodology. After identifying the decisive influencing factors from the measurement principle and the material SFRC, a prototype test setup for cubic specimens was developed and tested. Following an extensive parameter study to optimize the measurement system, the setup was extended to include cylindrical specimens, allowing for the examination of drilling cores. Using a two-electrode setup with an alternating current application in a frequency range of 1 to 10 kHz, the electrical resistance measurements yielded positive outcomes. Lower frequencies led to time-dependent measurement errors, which can be attributed to a polarisation at the electrodes. To analyse the measurement results, it is necessary to convert the measured electrical resistances into geometry-independent electrical resistivities. Geometry factors for specific electrode arrangements can be obtained with help of FEM simulations, coupled to a multiphysics-software. By comparing the electrical resistivities of the SFRC with a plain reference concrete, the steel fibre content can be determined with sufficient accuracy. The estimation of the fibre orientation was possible by the relation of different measuring directions of a sample. The greatest challenge for the further development of the measurement system was identified with the need for a reference concrete or knowledge of its electrical resistivity. The focus of future investigations must therefore be on the creation of a material parameter-dependent database so that an analysis of structural concretes can be realised. In addition, it is necessary to transfer the prototype measuring system into a system with well-defined coupling and measuring conditions. After the successful development and adaptation of these factors, the measurement methodology may be transferred to a general guideline and/or standard in order to be able to realise new static design principles with lower partial safety factors. This will enable material-efficient design principles for steel fibre reinforced concrete in the future.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT030075016

Interne Identnummern
RWTH-2023-06873
Datensatz-ID: 961553

Beteiligte Länder
Germany