Zustandsänderung von Baustoffen

Modelle für die Zustandsänderung von Baustoffen

Wichtige Teilaufgaben des Life-Cycle-Engineering sind die Identifikation und die modellhafte Beschreibung der physikalischen und chemischen Prozesse, die auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen miteinander interagieren und die Alterung von Baustoffen und Bauwerken bewirken. Beton, Stahl oder Holz erfahren während ihrer Lebensdauer vergleichbare planmäßige und unplanmäßige Einwirkungen, die jedoch unterschiedliche Auswirkungen haben können. So diffundiert z. B. Kohlendioxid in Betonbauteile und bewirkt eine Karbonatisierung der oberflächennahen Schichten. Stahlbauwerke sind inert gegen Kohlendioxid. Besonders aggressive chemische Einwirkungen sind z. B. bei Abwasseraufbereitungsanlagen und Abwasserkanälen vorhanden und führen hier zu erhöhter Abnutzung und früher Schädigung der Bauwerksoberflächen, ohne dass die Tragfähigkeit zwangsläufig gefährdet wird.

Die in der Regel auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen ablaufenden Prozesse sind miteinander verknüpft und beeinflussen sich gegenseitig. Auch die Art der Beanspruchung ist wesentlich. Wechselnde Anregungen führen zur Ermüdung eines Werkstoffs und zur Mikrorissbildung, z. B. bei Eisenbahnbrücken oder bei Windenergieanlagen, die unbeachtet katastrophale Folgen haben können. Sie müssen daher bereits beim Tragwerksentwurf und in ihrer Entwicklung berücksichtigt werden.

Mit den hier geplanten Arbeiten sollen die durch spezifizierte Einwirkungen initiierten Prozesse experimentell untersucht und mit Zustands- sowie Evolutionsgleichungen beschrieben werden, um die Alterung besonders von oberflächennahen Gebieten numerisch simulieren zu können. Die Prozesse sollen auf unterschiedlichen Modellierungsebenen beschrieben werden. Zum einen sind hochauflösende erkenntnisorientierte Modelle geplant, die die Mikromechanik und die Transport-eigenschaften des Baustoffs auf mehreren Skalen erfassen, zum anderen sind makroskopisch phänomenologische Modelle vorgesehen, die die Prozesse im Rahmen der Kontinuumsmechanik verschmiert beschreiben.

Mit streng gekoppelten Modellen soll das Zusammenwirken von Mechanik, Thermodynamik und Chemie im Detail berücksichtigt werden, wenn z. B. die Porenstruktur von Beton oder Holz bei chemischem oder thermischem Angriff verändert wird und sich als Folge die Transport- und die mechanischen Eigenschaften des Baustoffs verändern. Hierzu eignen sich generell Mehrfeld- und Mehrskalenansätze, die mit voll aufgelöster Mikrostruktur, mit repräsentativen Volumenelementen oder mit FE2-Ansätzen arbeiten.

Auf Grundlage der Ergebnisse sollen Ingenieurmodelle für das Eindringverhalten von Stoffen in poröse Oberflächen sowie für die Degradation der Baustoffe entwickelt werden. Die Modelle werden anhand der Experimente validiert.

Dis-1: Dissertationsthemen aus dem Bereich "Modellbildung"

Dis-1.1) Chemisch-physikalische Degradation von Beton

(Dinkler, Budelmann, Krafczyk)

Beton unter chemischem Angriff zeigt eine mit der Zeit zunehmende Degradation des Zementsteins, die auf unterschiedlichen Zeit- und Längenskalen stattfindet und die Struktur des Baustoffes dauerhaft verändert, siehe hierzu (Budelmann et al. [v.6]). Die Baustoffdegradation bewirkt eine Veränderung der Transporteigenschaften und der mechanischen Eigenschaften des Baustoffs, die wiederum einen entscheidenden Einfluss auf das Tragverhalten auf Bauwerksebene besitzen, siehe hierzu (Steffens et al. [v.21]), (Ostermann et al. [v.27]).

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines verallgemeinerten lokalen makroskopischen Modells zur Beschreibung der gekoppelten TMHC-Prozesse (Thermisch-Mechanisch-Hygrisch-Chemisch) auf Materialpunktebene. Vorarbeiten liegen mit (Kowalsky et al. [v.26]), (Cramer et al. [v.28]), (Ostermann et al. [v.27]) vor. Das Modell soll mikrophysikalisch begründet sein und die Ergebnisse aus Dis-1.3 sowie Dis-1.6 verwenden, um die Prozesse auf der Mikro- und Meso-Ebenen mit internen Variablen beschreiben zu können. Hierbei ist geplant, die Transporteigenschaften des Porenraums mit hochauflösenden Lattice-Boltzmann-Modellen (Krafczyk et al. [v.53], [v.59]) numerisch zu bestimmen und mit dem Experiment abzugleichen, siehe Dis-1.6.

Die Modellgleichungen auf der Makroebene beschreiben den Transport von Substanzen im Porenraum makroskopisch als Diffusion, Advektion und Kapillarwirkung sowie die Reaktionskinetik der chemischen Degradationsprozesse, die Deformationsprozesse und die Entwicklung der mechanischen Eigenschaften des Betons mit internen Variablen. Hierbei ist zu beachten, dass die Prozesse auf unterschiedlichen Zeit- und Raumskalen stattfinden.

Die Transporteigenschaften werden in Dis-1.6 auf der porenskaligen Ebene mit einem Mikromodell numerisch untersucht. Das Modell soll die in den Poren stattfindenden Transportprozesse von Wasser, Kohlenstoffdioxid und Chlorid mit den im Porenraum stattfindenden chemischen Prozessen und der daraus folgenden Degradation des Betons und der Wärmeentwicklung verknüpfen. Beschreibungsvariable sind die Massengehalte der verschiedenen Substanzen des Betongefüges sowie die Flüsse der eindringenden Stoffe. Dabei kommen als Geometrien hochaufgelöste Voxeldatensätze von Materialproben zum Einsatz, die mittels Röntgentomographie gewonnen werden. Die massenerhaltende porenskalige Modellierung der Geometrie der porösen Matrix durch chemisch bedingte Adsorption bzw. Desorption soll dazu in einer separaten Dissertation erarbeitet werden.

Dis-1.2) Mesoskalen-Modellierung der Riss-induzierten Durchlässigkeit von Beton

(De Lorenzis, Wriggers, Budelmann, Matthies)

Risse in Stahlbetonbauteilen sind Wege niedrigen Widerstandes für das Eindringen von Stoffen wie Wasser, Kohlenstoffdioxid und Chlorid in Betonbauteile. Makroskopisch macht sich der Effekt als Erhöhung der effektiven Diffusivität des Betons bemerkbar.

Dieses Projekt modelliert die von der Rissbildung verursachten Diffusivität des Betons auf der Mesoskala, einschließlich Zementmatrix, Gesteinskörnung und der Übergangszone. Es ist geplant, skalenübergreifende Verfahren zu entwickeln, die die Mikrorissbildung homogenisiert aber auch die Entwicklung lokaler Makrorisse beschreiben können. Erste Ansätze wurden in [82] und [84] unternommen, die aber bezüglich der Materialmodelle auf der Mikroebene und der zugehörigen Rissbeschreibung durch Schädigung noch verbessert werden müssen. Homogenisierungsansätze für Mikrorisse finden sich in [83]. Für eine effiziente und trotzdem genaue Behandlung des mehrskaligen Problems sind noch offene Fragen zu klären.

Eine besondere Herausforderung stellt die meso-skalige Beschreibung des Rissraumes und der Rissoberflächentopografie dar. Diese Eigenschaften hängen wesentlich vom Betongefüge und von der Rissentwicklung ab. Ferner ist der Rissraum auch bei konstanter globaler Rissbreite einem zeitlichen Veränderungsprozess unterworfen. Der Veränderungsprozess kann als "Selbstabdichtung" oder "Rissheilung" durch Feinstoffe oder Quellprozesse interpretiert werden oder aber bei Eintritt reaktiver Stoffe eine "Rissweitung" mit Erhöhung der Permeabilität zur Folge haben. Hinzu kommen ggf. Rissbreitenänderungen durch thermische, feuchtigkeitsbedingte oder mechanische Einwirkungen. Für die meso-skalige Modellierung der Vorgänge gibt es heute noch keine geeigneten Modellansätze, diese sollen erarbeitet werden.

Das Projekt erfordert zur Identifikation von Modellparametern experimentelle Untersuchungen an Betonkörpern mit definierten Rissgeometrien und ggf. Rissbreitenänderungen. Für die Darstellung von Transportvorgängen und Struktur-veränderungen im Rissraum sind mikro-tomografische experimentelle Untersuchungen vorgesehen.

Dis-1.3) Numerische Homogenisierung der Diffusivität der Zementmatrix in Beton

(De Lorenzis, Krafczyk, Budelmann, Matthies, Wriggers)

Zur Bewertung der Dauerhaftigkeit des Betons in Zusammenhang mit Chloridionen-induzierter Korrosion der Stahlbewehrung spielt die Diffusivität der Zementmatrix eine wichtige Rolle. In diesem Projekt wird ein Modell entwickelt, welches die Chloridionen-Diffusivität der Zementmatrix durch numerische Homogenisierung beschreibt. Ein 3D Modell der Zementmatrix soll mithilfe von mikro-tomografischen experimentellen Untersuchungen mit Voxel-basierter Modellierung der Geometrie erzeugt werden, siehe z.B. [v.83], [v.86]. Dabei werden sowohl die Heterogenität des Materials sowie seine Porosität betrachtet. Es ist insbesondere bedeutsam, dass die verschiedenen Phasen der Hydrationsprodukte (Calciumhydroxide, CSH-gel, Ettringite, uws.) unterschieden werden, da jede Phase verschiedene Diffusionseigenschaften besitzt und ihre Wechselwirkung mit den Chloriden eine noch offene Frage darstellt. Dies ist jedoch für die mikro-tomographischen Messungen eine besondere Herausforderung, sodass eventuell auch andere experimentelle Methoden als Ergänzung benötigt werden. Die Betrachtung der einzelnen Phasen würde es erlauben, die chemischen Reaktionen der Chloride mit Ettringit und anderen Phasen explizit zu modellieren. Thermische Effekte sind bei diesen Reaktionen nicht vernachlässigbar.

Darüber hinaus kann der Transport der Feuchtigkeit in den Fluid- und Dampfphasen im Porenraum mit der Lattice-Boltzmann-Methode beschrieben werden, siehe Dis-1.6. Die "effektive" Diffusivität wird durch numerische Homogenisierung als Funktion der Porosität und der Sättigung in den Poren bestimmt. Die Ergebnisse des Projektes können im Rahmen anderer Projekten als konstitutive Gleichungen für die Zementmatrix innerhalb einer Beschreibung des Betons auf der Mesoskala benutzt werden, siehe Dis-1.1.

Das gekoppelte 3D chemo-thermo-mechanische Modell wird mit der Finite-Element-Methode progammtechnisch so aufbereitet, dass ein effizientes und robustes numerisches Verfahren für die Strukturanalyse entwickelt werden kann. Insbesondere sind die Konvergenzeigenschaften des globalen Newton-Raphson Verfahrens für die iterative Lösung des gekoppelten Mehrfeld-Problems von Interesse, sowie alternativ die Effizienz von Staggered-Algorithmen für die schrittweise Lösung des jeweiligen Einzelproblems.

Dis-1.4) Phasenfeld-Modellierung des Bruchs poröser Medien

(De Lorenzis, Krafczyk, Dinkler)

Für die Untersuchung und Bewertung der Mikrorissbildung, der Rissausbreitung sowie des Bruchverhaltens können Beton sowie andere Baustoffe als poröse Medien modelliert werden. Die Nachteile der konventionellen Techniken zur Beschreibung des Bruchs in porösen Medien können durch die Verwendung von Phasenfeldmodellen vermieden werden. Dabei ist keine Änderung des Netzes während der Rissausbreitung erforderlich, sodass beliebig komplexe Rissgeometrien mit einem festen Netz analysiert werden können.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Phasenfeldmodellen für die Untersuchung des Bruchverhaltens poröser Medien mithilfe von Finite-Element-Methoden und isogeometrischen Ansätzen höherer Ordnung. Das Modell soll insbesondere die Rissentwicklung im Porengefüge infolge des Fluiddruckes im Porenraum beschreiben können. Daher soll die Formulierung mehrere Felder verknüpfen, die das mechanische Verhalten, das Phasenfeld sowie den Druck und den Transport der Fluidphase berücksichtigen können. Das Modell ist so aufzubereiten, dass die erforderlichen Erhaltungsgleichungen erfüllt werden.

Das diskretisierte nichtlineare Gleichungssystem wird mithilfe des Newton-Raphson-Verfahrens iterativ gelöst, wobei die Robustheit und die Effizienz der programmtechnischen Implementierung im Schwerpunkt stehen. Insbesondere soll untersucht werden, ob die Staggered-Solution-Algorithmen einen guten Kompromiss zwischen Robustheit und Genauigkeit liefern, und ob eine Entkopplung zwischen dem Fluidstrom in dem porösen Medium und der Fluidphase im Riss möglich ist. Andererseits kann durch die höhere Stetigkeit der isogeometrischen Formfunktionen eine höhere Geschwindigkeit der räumlichen Konvergenz erzielt werden. Für die Fluidphase soll die Beschreibung durch die Lattice-Boltzmann-Methode und deren Kopplung mit dem Modell des Festkörpers implementiert und untersucht werden, vergleiche Dis-1.6.

Dis-1.5) Dimensionsanalyse und Simulation von Transportprozessen in Beton bei raumzeitlicher Skalierung

(Krafczyk, Budelmann, Dinkler, De Lorenzis)

Bei der experimentellen Simulation der Altersbeständigkeit von Materialien werden Rahmenbedingungen geschaffen, die eine zeitrafferartige Verkürzung des Beobachtungszeitraumes bewirken sollen. Dies ist erforderlich, wenn der interessierende Zeitraum in der Regel 50 bis 100 Jahre oder mehr umfasst und mit Laboruntersuchungen nicht direkt beobachtet werden kann. Hierbei ist modelltheoretisch jedoch unklar, wie gut die Korrelation zwischen den Ergebnissen von Zeitrafferexperimenten und den Alterungsprozessen in der wirklichen Umgebung ist.

In diesem Forschungsvorhaben sollen daher die beteiligten Transport- und Reaktionsprozesse beim Eindringen von schädigenden Lösungen oder künstlich erhöhter Wärmebelastung durch Strahlung oder Wärmezufuhr in dimensionsloser Form mit den grundlegenden Transportgleichungen modelliert werden. Dies ermöglicht eine reduzierte Darstellung, die einen detaillierten Vergleich der dimensionslosen Kennzahlen (Peclet-Zahlen, Schmidt-Zahlen, Kapillarzahl, Rayleighzahl, Reaktionsraten u.a.) des "beschleunigten" experimentellen Setups mit denen realer Konfigurationen erlaubt. Dabei werden die entsprechenden Teilprozesse zum Teil linear skalieren, zum Teil jedoch nicht. Aus der Dimensionsanalyse können detaillierte Hinweise darauf gewonnen werden, für welche Teilprozesse die beschleunigten Alterungsexperimente verlässliche Prognosen zu liefern imstande sein werden und welche Aspekte des Alterungsprozesses mit erhöhten Unsicherheiten verbunden sind. Die analytischen Ergebnisse werden dann durch porenskalige und homogenisierte porenskalige Transport- und Reaktionssimulationen an virtuellen Materialproben, die aus Tomographiedaten rekonstruiert werden, ergänzt.

Ziel der Untersuchungen ist die theoretische Absicherung oder Verbesserung von experimentellen setups zu künstlich beschleunigten Alterungsexperimenten.

Dis-1.6) Modellierung und Simulation reaktiver Strömungen auf der Porenskala

(Krafczyk, Budelmann, Dinkler, De Lorenzis)

Die Permeabilität poröser Medien hängt neben den physikalischen Eigenschaften des Fluides wesentlich von den strukturellen Eigenschaften des Porenraumes ab, die sich bei transportlimitierten chemischen Reaktionen des Materials ändern können. Die numerische Untersuchung der Permeabilität erfordert daher eine konsistente Simulation der zeitlich variierenden Feststofoberflächen, welche durch chemisch bedingte Anlagerung oder Dissoziation sowohl Formänderungen als auch topologische Änderungen erfahren können, und damit die Lösung eines Mehrkomponenten-Mehrphasenproblems.

Für die zugrundeliegenden Euler-Gitter des hier vorgesehenen Lattice-Boltzmann-Verfahrens müssen dazu die cut-cell-Gitter in jedem Zeitschritt so modifiziert werden, dass eine asymptotisch konsistente und kontinuierliche Oberflächenänderung in Abhängigkeit der reaktiv bedingten diffusiv-advektiven Massenflüsse in der Umgebung einer Berechnungszelle erfolgen kann. Dies muss durch lokale Operationen erreicht werden, um die Parallelisierungseffizienz des Strömungslösers nicht zu reduzieren. Die bisher in der Literatur dokumentierten Verfahren sind nicht masseerhaltend und daher nur bedingt tauglich. Zur Verifikation der zu erarbeitenden Methodik für sowohl konkave als auch konvexe Oberflächen werden Simulationen von reaktiven Transportprozessen auf Kugel- bzw. Hohlkugelgeometrien durchgeführt, für die analytische Ergebnisse abgeleitet werden können.

Mit diesen erweiterten Verfahren können reaktive Strömungen auf der Porenskala konsistent beschrieben werden. Die so gewonnenen Informationen über reaktionsbedingte Transportvariationen im Porenraum können nach geeigneter Homogenisierung als Grundlage für die Parametrisierung makroskopischer Modelle verwendet werden, vergleiche Dis-1.1.

Dis-1.7) Schädigung von Stahl bei Überbeanspruchung

(Thiele, Dinkler)

Die Bemessungsrichtlinien für stählerne Tragwerke lassen die Bemessung nach Traglastverfahren zu, wenn die Duktilität des Baustoffes sichergestellt ist. Kurzzeitige Überbeanspruchungen bei Erdbeben, Sturm o.ä. Ereignissen bewirken eine Schädigung des Baustoffes, andauernde Wechselbeanspruchungen eine Ermüdung mit Versprödung des Baustoffes, siehe hierzu [v.73], [v.75], [v.76]. Beides verringert die Duktilität des Baustoffes und die Sicherheit der entsprechend belasteten Tragwerke, auch wenn in beiden Fällen noch keine Makrorisse aufgetreten sind.

Ziel des Projektes ist, die Prozesse bis zur Bildung von Makrorissen im Experiment zu untersuchen, zu charakterisieren und mit Modellen der Bruch- und Kontinuumsmechanik zu beschreiben, siehe hierzu [v.23], [v.24]. Die Experimente umfassen gekerbte Zugproben mit definierten Lastkollektiven im Ultra-Low-Cycle-Fatigue-Bereich mit hohen Deformations-amplituden sowie im High-Cycle-Fatigue-Bereich mit mäßigen Deformationsamplituden - wobei hierfür auch auf umfangreiche Datenbanken zurückgegriffen werden kann, z.B. [v.68]. Mit den Untersuchungen soll geklärt werden, ob eine ausreichende Duktilität derart geschädigter Bauteile vorhanden ist und eine mögliche Nachnutzung von Bauteilen und Tragwerken zulässig ist.

Dis-1.8) Zusammenwirken von Ermüdung und Korrosion bei Stahl

(Thiele, Dinkler)

Korrosion und Materialermüdung von Stahlbauteilen entwickeln sich an der Oberfläche, wobei die beiden Prozesse nicht zwingend gemeinsam auftreten. Insbesondere bei historischen Brücken tritt an ermüdungsrelevanten Stellen gleichzeitig Korrosion auf, bedingt durch unzureichenden Korrosionsschutz und nicht ausreichende Wartung. An diesen Stellen muss zur Bewertung des Baustoffzustandes auch das Zusammenwirken der Prozesse beachtet werden, da infolge von Schädigungen im Stahlgefüge in Form von Mikrorissen das Eindringen von korrosionsfördernden Stoffen in das Gefüge möglich ist. Mit fortschreitender Korrosion vergrößert sich die geschädigte Zone bis erste Makrorisse entstehen und das Bauteil nicht mehr nutzbar ist. Umgekehrt kann die Oberfläche durch Korrosion so verändert werden, dass lokal eine unplanmäßige Kerbwirkung entsteht, die eine Initiierung von Mikrorissen zur Folge hat.

Ziel des Projektes ist die experimentelle Untersuchung der gekoppelten Prozesse und die Entwicklung entsprechender Werkstoffgleichungen, die für eine numerische Tragwerks-analyse eingesetzt werden können. Im Experiment soll das Ausmaß der Wechselwirkung untersucht und in der räumlichen und zeitlichen Entwicklung beschrieben werden. Hierbei unterliegen die Proben alternierend korrosionsfördernden Einwirkungen in einer Klimakammer und Ermüdungsbeanspruchungen, die einen Rissfortschritt zur Folge haben. Die Prozesse sollen mit einer entsprechend fein aufgelösten FEM-Diskretisierung numerisch untersucht werden. Hierzu sind Modelle für den Rissfortschritt und für die Korrosion zu verknüpfen und in die FEM zu integrieren.

Die modellhafte Beschreibung der im Experiment untersuchten Prozesse erfolgt im Rahmen der Kontinuumsmechanik. Hierfür stehen klassische Modelle für die Beschreibung der Schädigung von Baustahl zur Verfügung, die mit neu zu entwickelnden Werkstoff-gleichungen für die Korrosion gekoppelt werden sollen. Das Modell für die Beschreibung der gekoppelten Prozesse soll numerisch erprobt und für Tragwerksanalysen aufbereitet werden.

Dis-1.9) Grenzflächencharakterisierung an Verklebungen zu Lignozellulose

(Kasal, Matthies)

Für eine effektive Nutzung von Holz und anderen lignozellulosen Materialien werden Holzverbundwerkstoffe in der Regel mittels Verklebungen hergestellt. Die Qualität und Dauerhaftigkeit des hergestellten Verbundmaterials wird dabei entscheidend von der Festigkeit und Ausbildung der Grenzfläche zwischen Klebstoff und zu klebender Oberfläche bestimmt. Beide Parameter werden durch die Grenzflächeneigenschaften des mit Klebstoff zu benetzendem Materials bestimmt.

Auf Lignozellulose basierende Materialien wie z.B. Holz besitzen aufgrund ihres anatomischen Aufbaus eine chemisch und mechanisch inhomogene und poröse Struktur. Makroskopische Ansätze zur Untersuchung der Grenzflächen sind daher nur begrenzt anwendbar. Aus diesem Grund ist es für die sichere und effiziente Verwendung von Klebstoffen wichtig, die Verklebungsprozesse grundlegend zu verstehen und Möglichkeiten ihrer gezielten Beeinflussung auf mikroskopischer Ebene zu erarbeiten.

Ziel des Forschungsvorhabens ist, die lokalen Grenzflächeneigenschaften lignozelluloser Materialien unter transienten Feuchtigkeitsbedingungen zu bestimmen und den Einfluss gezielter Modifikationen auf die Alterung zu identifizieren und zu beschreiben.

Die vorgesehenen Arbeiten umfassen die mikrophysikalische Charakterisierung der gewählten Holzwerkstoffe und die experimentelle Untersuchung der Klebewirkungen unterschiedlich behandelter Grenzflächen. Die Adhäsionskräfte werden für Lumens und Zellwände mit Hilfe des AFM gemessen. Da alle lignozellulosehaltige Materialien hydrophil sind, sind die Eigenschaften der Oberflächen stark von der Luft- und Materialfeuchte abhängig. Die Abhängigkeit der Eigenschaften des Substrats - z.B. der Zellwand - vom partiellen Wasserdampfdruck ist wegen der Hysterese der Sorptionsisotherme nicht linear und die Oberflächenparameter - z.B. die Affinität zu den OH-Gruppen - von der Evolution der Sorption und Desorption beeinflusst. Daher ist geplant, die Eigenschaften der Naturfaseroberflächen bei unterschiedlichem, partiellem Wasserdampfdruck zu messen. Der Wasserdampfdruck, der in Bauanwendungen existiert, ist relativ begrenzt und kann mit den existierenden Geräten simuliert werden. Die bei der Produktion der Naturfaserwerkstoffe vorhandenen Temperatur- und Feuchteparameter der Luft kann man mit den derzeitigen experimentellen Möglichkeiten experimentell nur begrenzt simulieren, sodass eine spezielle Klimakammer, in der man AFM-Messungen unter erhöhtem Wasserdampfdruck durchführen kann, benötigt wird. Da entsprechende experimentelle Einrichtungen noch nicht vorhanden sind, sollen sie in diesem Vorhaben entwickelt werden.

Für die Adhäsionskräfte wird in Abhängigkeit der experimentell zu variierenden Parameter ein mathematisches Modell entwickelt, um die Zusammenhänge funktional zu beschreiben. Das Modell wird die Hysterese der Sorptionsisotherme (load-history dependence) in Form von Evolutionsgleichungen phänomenologischer Materialmodelle erfassen. Die Modellparameter sollen mit Bayes'scher Identifikation ermittelt werden.

Der Einfluss von in Flüssigkeiten und Gasen vorhandenen Substanzen - wie z.B. Salz - auf die Eigenschaften der Zellenwände und Lumen sowie auf die Adhäsionskräfte ist bis heute nicht ergründet. Daher werden in diesem Teil des Projektes die Attraktionskräfte zwischen funktionalisierten Spitzen und Holzzellen unter Gasen und Flüssigkeiten (z.B. Salzwasser) untersucht. Die Verbesserung der Adhäsionseigenschaften ist mit einer Modifikation der Oberfläche möglich. Es ist vorgesehen, Holzfasern, Lignin-basierte Kohlenfasern und Zellulosefasern mit einer säurehaltigen (z.B. Salpetersäure) und oxidativen (z.B. Ozon, Kaliumpermanganat) Behandlung (Chtourou et al. [w.124]), (Desimoni et al. [w.125]) zu beeinflussen. (Uner [w.127]) und (Uner et al. [w.128]) dokumentierten das Potenzial für eine Verbesserung der Adhäsionswirkung.

Dis-1.10) Mechanisches Verhalten von Verklebungen organischer Baustoffe in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen

(Kasal, Matthies)

Für die effektive Nutzung von Holz und Naturfasern ist die Verwendung von Holzwerkstoffen bzw. Verbundwerkstoffen in Kombination mit weiteren Materialien wie Beton oder Glasfasern unumgänglich. Die Funktion und Dauerhaftigkeit der Verbundsysteme wird dabei von der Integrität der Grenzflächen und dem mechanischen Verhalten der angrenzenden Bereiche, der Interphasen, bestimmt. Um die Dauerhaftigkeit eines solchen Verbundes vorhersagen zu können, müssen in diesen Grenzbereichen sowohl die Interaktion der Materialien als auch das Verhalten in den Kombinationen als Funktionen variierender klimatischer Beanspruchungen untersucht werden.

Die Abhängigkeit der makroskopischen Eigenschaften der Naturfaser von der Feuchte ist bekannt und experimentell abgesichert. Die mikro-physikalischen Prozesse auf der Ebene der Zellwandschichten sind jedoch physikalisch und chemisch noch weitgehend unbekannt. Um auf das makroskopische Verhalten rückschließen zu können, ist es notwendig, die Mikroebene der Verbundzone experimentell zu untersuchen und zu verstehen.

Ziel der Forschungsarbeit ist es, das physikalisch-chemische Verhalten der Grenzschichten im Verbund mit Holz bzw. Naturfasern - dies sind z.B. die Klebfugen - unter dem Einfluss verschiedener äußerer Einflüsse mit mikroskopischen Verfahren zu untersuchen und zu charakterisieren, wobei die Forschungsarbeiten in Dis-1.9 Vorleistung für das hier vorgeschlagene Vorhaben sind. In der Folge sollen deterministische und stochastische Modelle für die Beschreibung der Prozesse entwickelt werden.

Zunächst sollen die Komponenten (Zellulose, Hemizellulosen, Lignin) und deren Interaktion mit Umgebungsparametern auf elementarer und molekularer Ebene getrennt untersucht werden. In einem zweiten Schritt werden komplexe lignozellulose Systeme untersucht. Die Untersuchungen der geklebten Systeme (nicht modifizierte und modifizierte nach Dis-1.9 werden unter monotonen und zyklischen Einwirkungen durchgeführt. Die Effekte der Umweltfaktoren auf das mechanische Verhalten und die Dauerhaftigkeit (Temperatur, Feuchte, aggressive Flüssigkeiten) werden mit klassischen Methoden untersucht. Das mikromechanische Verhalten wird mittels CMT untersucht (Niemz et al. [w.129]).

Die experimentellen Ergebnisse werden daraufhin für die Entwicklung der analytischen Modelle genutzt. Mit den Modellen werden die Penetrationen des Polymers (Klebstoff) in das poröse Material (Holz, Naturfaser) und die Änderung der Eigenschaften der Übergangszone dargestellt. Die Identifikation der Koeffizienten der analytischen Modelle erfolgt mit Bayes´schen Verfahren.

Dis-1.11) Stochastische Multiskalen-Materialmodelle zur Alterung von Werkstoffen

(Matthies, De Lorenzis)

Viele Baustoffe, insbesondere Holz und Beton, sind über mehrere Skalenordnungen hinweg heterogen. Heterogene Werkstoffe sind auf der Mikroskala praktisch immer - außer im Sonderfall periodischer Anordnungen - in einem gewissen Maß von der genauen Konstellation her unbekannt und daher unsicher. Homogenisierungsverfahren, die ein "effektives" Verhalten auf der makroskopischen Ebene beschreiben sollen, sind daher in solchen Fällen von nur beschränktem Wert. Die Unsicherheit der Materialeigenschaften kann jedoch mit stochastischen Methoden beschrieben werden, so dass probabilistische, mit Unsicherheiten behaftete Materialmodelle möglich sind.

In diesem Vorhaben soll die "interfacial transition zone" (ITZ) im Beton genauer betrachtet werden. Die ITZ entsteht durch den gegenseitigen Einfluss von Zement und Zuschlag und ist eine Zone erhöhter Porosität. Eine Vorstellung ist, dass das Verbundwerkstoff typischerweise hier versagt, weil die ITZ das "schwächste Glied in der Kette" ist (die anderen Glieder sind Zuschlag und Zement). Die konstitutiven Parameter der ITZ sind jedoch experimentell kaum messbar. Die ITZ soll daher in der Feinskala eines Multiskalen-Modells aufgelöst werden, um beispielhaft zuerst die Diffusivität auf der nächst gröberen Skala identifizieren zu können. Die ionische Diffusivität steht als ein Beispiel für Transport-Eigenschaften, thermische oder elektrische Leitfähigkeit wären ähnlich zu betrachten. Die Diffusivität ist insofern interessant, als sie mit der Dauerhaftigkeit von Beton in Verbindung gebracht wird. In späteren Phasen können dann auch mechanische Eigenschaften betrachtet werden.

Hier soll ein Verfahren entwickelt und erforscht werden, welches nicht nur die physikalischen und chemischen Prozesse über die Skalen korrekt verbindet, sondern auch die probabilistische Beschreibung des Materialverhaltens. Damit können die verbleibende Unsicherheit der kleinen Skalen, sowie das auf der gröberen Skala nicht aufgelöste Mikroverhalten zumindest als probabilistisches "Rauschen" in der Beschreibung und Berechnung verbleiben.