8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 363 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen Annette Dahlhoff, M. Sc. Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University (ibac) Dipl.-Ing. Bernd Winkels Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University (ibac) Dr.-Ing. Cynthia Morales Cruz Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University (ibac) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Michael Raupach Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University (ibac) Zusammenfassung Zentrische Zugversuche weisen aufgrund verschiedener Faktoren häufig hohe Standardabweichungen auf, sodass in der Vergangenheit verschiedene Versuchsauf bauten entwickelt wurden. Basierend auf den Anforderungen der ASTM C307- 18 wurde der Versuchsauf bau weiterentwickelt, um durch den Versuchsauf bau selbst bedingte Streuungen zu reduzieren und somit zuverlässige, reproduzierbare Prüfergebnisse zu erhalten. Zur Validierung des weiterentwickelten Versuchsauf baus und zur Verifizierung wurde ein optisches 3D-Messsystem eingesetzt, sowie ein auf die Prüfkörpergeometrie abgestimmter Positionieradapter zur konsistenten Positionierung der Prüfkörper entwickelt. Zudem wurde untersucht, ob der Versuchsauf bau für Materialien mit geringen Festigkeiten geeignet ist. Im weiterentwickelten Versuchsauf bau wurden drei mineralische Baustoffe mit Zugfestigkeiten im Bereich von 0,4 bis 5,9-N/ mm² untersucht. Für die niedrigfesten mineralischen Baustoffe konnten Zugfestigkeitsprüfungen durchgeführt und Empfehlungen für die Prüfparameter Prüfgeschwindigkeit, Vorspannung und erforderliche Prüfkörperanzahl entwickelt werden. 1. Einführung Das Zugtrag- und Verformungsverhalten von mineralischen Baustoffen kann z. B. für die Bewertung von Rissen bei Bauwerksbewegungen infolge thermischer Ausdehnung entscheidend sein. Es gibt direkte und indirekte Prüfungen zur Ermittlung der Zugfestigkeit von Baustoffen, vgl. [1, 2]. Die Versuchsauf bauten unterscheiden sich dabei in der Art der Lasteinleitung. Nach [3] lassen sich die in [4] vorgestellten Prüfverfahren zur Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit in vier Untergruppen einteilen: • Lasteinleitung durch Formschluss mit Prüfkörpern angepasster Geometrie; • Lasteinleitung über in den Prüfkörper eingebettete Stahlstäbe; • Seitliche Lasteinleitung mit konstantem oder variablem Anpressdruck; • Lasteinleitung über aufgeklebte Stahlstempel. Die genannten Gruppen möglicher Lasteinleitungen und die Prüfkörpergeometrie für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit sind beispielhaft in Abb. 1 in Anlehnung an [4] dargestellt. Je nach Versuchsauf bau können z.- B. Axialversuche durch entstehende Exzentrizitäten bei der Prüfung beeinflusst werden, wodurch es zu einer inhomogenen Spannungsverteilung über den Querschnitt und damit zu großen Streuungen kommen kann. Exzentrizitäten können beispielsweise aus einer Schiefstellung der Stahlstempel durch unsachgemäßes Schleifen oder Kleben entstehen, vgl. [1]. Zudem sind Prüfungen bei hohen Temperaturen nur mit speziellen Klebstoffen durchführbar. Abb. 1: Experimentelle Versuchsauf bauten der zentrischen Zugprüfung in Anlehnung an [4]. 364 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen (a) (b) Abb. 2: Zentrische Zugfestigkeit nach ASTM C307-18 [5]. (a) Brikettprüfkörper (technische Zeichnung); (b) C-Typ Klemme beidseitig gelenkig in die Prüfmaschine mit Prüfkörper eingebaut. Ein großer Nachteil der mechanischen Lasteinleitung mittels konstantem oder variablem Anpressdruck ist die Spannungsverteilung an den Übergangszonen, die zu einem vorzeitigen Versagen in diesen Zonen und damit zu hohen Standardabweichungen der Zugfestigkeit führen kann [2, 4]. Der vergleichsweise hohe Prüfaufwand bei den aus der Literatur bekannten Prüfverfahren [1-4, 6] und die fehleranfällige zentrische Lasteinbringung kann zu ungenauen und nicht repräsentativen Zugfestigkeitswerten einhergehend mit hohen Standardabweichungen und einer geringen Reproduzierbarkeit führen. Zusätzlich zu dem in [3, 4] erwähnten Versuchsaufbauten werden brikettförmige Prüfkörper nach ASTM C307-18 [5] zur Bestimmung der zentrischen Zugfestigkeit verwendet, vgl. Abb. 2a. In ASTM C307-18 [5] werden die Prüfkörper mit Hilfe von Klemmen zentrisch gezogen. Der Versuchsaufbau, insbesondere die in Abb. 2b gezeigte Klemme, im Folgenden als C-Typ bezeichnet, wurde u.-a. von [1, 2, 7] verwendet. Das Prüfverfahren wurde in Ringversuchen verifiziert, die von sechs verschiedenen Prüflaboren durchgeführt wurden [8]. Die Labore führten 3 Versuchsreihen mit jeweils 6 Einzelversuchen an einem chemikalienbeständigen Mörtel mit einer Zugfestigkeit von etwa 14,6-N/ mm² mit einem Variationskoeffizient von rd. 7-% [8] durch. Das Prüfverfahren wurde durch die Auswertung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit validiert. Nach ASTM C307-18 [5] müssen mindestens 6 Brikettprüfkörper für jedes Material lagegeregelt mit einer Belastungsgeschwindigkeit von 5 bis 6,4-mm/ min bei einer Temperatur von 23-±-2-°C geprüft werden. Die Zugfestigkeit S wird nach Gleichung (1) durch Division der Last P zum Zeitpunkt des Risses oder Bruches durch die Querschnittsfläche berechnet: S = P/ (b∙d) (1) mit: S = Zugfestigkeit in der Mitte des Brikettprüfkörpers [N/ mm²], P = Kraft zum Zeitpunkt des Versagens [N], b = Breite in der Mitte des Brikettprüfkörpers [mm], d = Tiefe des Brikettprüfkörpers [mm]. Der Versuchsaufbau wurde bereits in vielen Anwendungsbereichen verwendet und weiterentwickelt. So nutzten [7, 9] den Versuchsaufbau, um den Einfluss des Sulfatangriffs auf verschiedene Bindemittel in Abhängigkeit unterschiedlicher Lagerungsbedingungen zu untersuchen. Der Versuchsaufbau nach ASTM C307-18 [5] wurde ebenso von [10] verwendet, um das temperaturabhängige Verhalten von Polymerklebstoffen bei Temperaturen bis zu 200°C zu charakterisieren. In weiteren Untersuchungen verwendete [11] den Versuchsaufbau , um die Zugfestigkeit einer mit anorganischen Mikrofasern verstärkten Zementschlämme zu bestimmen. Um den Einfluss der Prüfkörpergeometrie zu bestimmen, wurden in [1] brikettförmige Prüfkörper, Zylinder und eine auf Stahlstempel geklebte Freiform untersucht. In [1, 6] wurden die Abmessungen der brikettförmigen Prüfkörper sowie die für die Prüfung verwendeten Klemmen um den Faktor drei vergrößert. Darüber hinaus wurde die äußere Form der Klemmen rechteckig gestaltet. Mit den hochskalierten brikettförmigen Prüfkörpern und dem modifizierten Versuchsaufbau wurden Zugfestigkeitswerte mit Variationskoeffizienten von maximal 10--% erreicht [1]. Zusammenfassend wurden am Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University verschiedene Versuche mit dem C-Typ nach ASTM C307-18 [5] von [1, 3, 4, 6, 7, 9] durchgeführt. 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 365 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen In eigenen Vorversuchen an einem Instandsetzungsmörtel (RM-A4) mit dem C-Typ-Versuchsaufbau wurde eine vergleichsweise hohe Standardabweichung mit einem Variationskoeffizienten von 16,4-% ermittelt. Die Verformungen wurden mit dem optischen 3D-Messsystem ARAMIS ® der Carl Zeiss GOM Metrology GmbH erfasst und die Verformungsanalyse mit der GOM Correlate Pro Software durchgeführt. Die Auswertung der Verformungen während des Versuchs ergaben Verschiebungen und Verdrehungen der Prüfkörper in den drei Dimensionen. Grundsätzlich ist eine Torsion der Prüfkörper zulässig, sollte aber ab einem bestimmten Belastungsniveau vor Erreichen der Maximallast beendet sein, damit die Zugspannungen in der Mitte der Brikettprüfkörper gleichmäßig senkrecht zur Ebene ausgerichtet sind. Setzt sich die Torsionsbewegung bis zum Bruch fort, muss von einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung ausgegangen werden. Die Vorversuche zeigten, dass eine minimale Positionsänderung von 0,1-mm zu einer Verringerung der Verformungsdifferenzen um etwa 39-% führt. Darauf basierend wurden Zugversuche durchgeführt, um die nicht werkstoffspezifischen Abweichungen der Prüfergebnisse zu reduzieren. Im Rahmen der Untersuchungen wurde z.-B. die Positionierung der Prüfkörper sowie die Befestigung der Klemmen variiert. Basierend auf dem Versuchsaufbau der ASTM C307-18 [5] wurde dieser weiterentwickelt, um zuverlässige, reproduzierbare Prüfergebnisse mit geringerer Standardabweichung zu erhalten. Darüber hinaus wurde durch die Anwendung des „Setup Testing Tool“ in der optischen 3D-Messsoftware eine gleiche Ausgangsposition für jeden Test erreicht. Dieses Tool erlaubt es, die Position der Prüfkörper manuell über Live-Messungen auf der Oberfläche eines eigens entwickelten Positionieradapters zu variieren und einzustellen. In dem weiterentwickelten Versuchsaufbau wurden Zugfestigkeitsprüfungen nach ASTM C307-18 [5] an drei verschiedenen mineralischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Zugfestigkeitseigenschaften im Bereich von 0,4 bis 5,9-N/ mm² durchgeführt und Werte für die Prüfparameter wie Prüfgeschwindigkeit, Vorspannung und die empfohlene Prüfkörperanzahl einer Prüfserie abgeleitet. Die Anzahl der Prüfkörper wurde so festgelegt, dass mit einer möglichst geringen Anzahl von Prüfkörper repräsentative Ergebnisse erzielt werden. 2. Methoden und Materialien 2.1 Experimenteller Versuchsaufbau und Vorversuche In Vorversuchen wurde der C-Typ-Versuchsaufbau nach ASTM C307-18 [5] zur Bestimmung der zentrischen Zugfestigkeit eines Reparaturmörtels RM-A4 nach [12] verwendet. Die Versuche wurden in einer Universalprüfmaschine Zwick ZMART.Pro mit einer 10-kN Kraftmessdose durchgeführt. Zur Optimierung des Versuchsaufbaus wurden Versuche an einem brikettförmigen Stahlprüfkörper, welcher aus 42CrMo4-Stahl entsprechend der Geometrie in Abb. 2a gefräst wurde, durchgeführt. Der Stahlprüfkörper wurde wiederholend mit einer konstanten Laststeigerungsrate von 5-mm/ min bis zu einer Last von rd. 8-kN belastet und wieder entlastet. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Vorversuche wurde die Geometrie der Klemmen in [5] in Anlehnung an [1] modifiziert. Der modifizierte Versuchsaufbau wird im Folgenden als U-Typ bezeichnet. Um die Verformung in x- und y- Richtung weiter zu verhindern, wurden seitliche Schienen in die Klemme integriert. Anschließend wurde die Montage des Prüfkörpers mit dem entwickelten Positionieradapter (PA) unter Variation der Positionen des Prüfkörpers optimiert. Die gewählte Position wurde in weiteren Versuchen verifiziert. Tab. 1: Überblick der Versuche zur Optimierung des Versuchsaufbaus Versuchsaufbau Parameter Material Versuchsanzahl C-Typ Referenzversuche Mörtel RM-A4 6 Obere Klemme fest & gelenkig Stahl 5 U-Typ Obere Klemme fest & untere gelenkig Stahl 15 Untere & obere Klemme fest + seitliche Schienen 17 Untersuchung der Reibung: Drehmoment der Schrauben an seitlichen Führungsschienen von 1-bis 10-Nm (obere und untere Befestigung) Stahl 20 U-Typ mit PA Variation der Prüfkörperposition Stahl 22 Validierung finaler Versuchsauf bau & Position Stahl 10 2.2 Auswertungsmethodik Die Auswertung der experimentellen Versuche wurde mit dem optischen 3D-Messsystem ARAMIS ® durchgeführt. Weitere Angaben zur optischen Verformungsanalyse und Kalibrierung sind [13] zu entnehmen. Für die Auswertung wurde auf der Messfläche jedes Prüfkörpers eine Oberflächenkomponente definiert und darin vier Oberflächenpunkte gesetzt, vgl. Abb. 3. Mithilfe der Oberflächenpunkte wurde die Verschiebung und Verdrehung jedes Prüfkörpers aufgezeichnet sowie die Differenz der Verschiebungen der Punkte in x-, y- und z-Richtung bei 1/ 3 der maximalen Zugkraft berechnet. Für die Verschiebung in x-Richtung wurden die Punkte 1 und 2 und für die Verschiebung in y-Richtung die Punkte 3 und 4 verwendet. Die Differenz zwischen der minimalen und maximalen Verschiebung der Punkte 1-4 wurde zur Berechnung der Verschiebung auf der z-Achse verwendet. Angestrebt wurde das Ziel, dass alle Prüfkörper vor der Prüfung mit Hilfe eines Adapters in die gleiche Ausgangsposition ge- 366 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen bracht werden. Zu diesem Zweck wurde ein Positionieradapter (PA) entwickelt und gedruckt, vgl. Abb. 3b. Die Tiefe und die Oberflächenform des PA wurden so angepasst, dass der Adapter entfernt werden kann, ohne die Position der Prüfkörper zu verändern. Auf den Adapter wurden insgesamt 8 Punktmarkierungen geklebt, die eine Live- Messung in der optischen 3D-Messsoftware ermöglichten. (a) (b) (c) Abb. 3: Positionieradapter (PA): (a) Koordinatensystem und Position der Oberflächenpunkte der optischen 3D- Verformungsanalyse; (b) schematische 3D-Zeichnung des PA; (c) Prüfkörper und PA im Versuchsauf bau mit exemplarischen Werten der Verschiebungen des Prüfkörpers bezogen auf das Koordinatensystem. Mithilfe der Live-Messung kann die Verschiebung der Prüfkörperposition visualisiert werden, vgl. Abb. 3c. Dies ist möglich durch die Erstellung eines optomechanischen, selbst definierten Adapters in der optischen 3D- Messsoftware [14] anhand der 8 Punktmarker. Für die obere und die feste untere Klemme wurde ein lokales Koordinatensystem auf der Grundlage von Punktmarkierungen an den Klemmen definiert. 2.3 Materialien Für die experimentellen Untersuchungen wurden die folgenden drei Baustoffe mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften ausgewählt: Instandsetzungsmörtel (RM-A4), Verfugmörtel (PM21) sowie Porenbeton (AAC2-350). Die Zugfestigkeitswerte der verwendeten Baustoffe liegen im Bereich von 0,4 bis 5,9-N/ mm², was einer Ausnutzung von 2,6-% bis 39-% der 10-kN-Kraftmessdose der verwendeten Prüfmaschine entspricht. Abb.-4 zeigt exemplarisch jeweils einen brikettförmigen Prüfkörper der verwendeten Materialien. Materialeigenschaften sowie weitere Angaben zur Herstellung sind in [13] näher beschrieben. Die Prüfparameter der untersuchten Materialien sind in Tab. 2 zusammengefasst. Abb. 4: Brikettprüfkörper der drei untersuchten Materialien: (1) RM-A4, (2) PM21, (3) ACC2-350 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 367 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen Tab. 2: Prüfparameter der Zugversuche der drei untersuchten Materialien Material Prüfserie Prüfparameter Anzahl an Prüfungen Vorlast Prüfgeschwindigkeit [N] [mm/ min] RM-A4 Vorlast 0/ 100/ 200 5 9 Prüfgeschwindigkeit 200 0,1/ 0,6/ 2 Prüf-körper-anzahl 200 0,6 18 PM21 Vorlast 40/ 80/ 100 0,6 9 Prüfgeschwindigkeit 80 0,3/ 1/ 2 Prüfkörperanzahl 80 0,6 15 AAC2- 350 Vorlast 0/ 15/ 25 0,4 9 Prüfgeschwindigkeit 25 0,7/ 1/ 3 Prüf-körper-anzahl 25 0,6 18 Für die Zugversuche wurde der U-Typ-Versuchsaufbau verwendet und die brikettförmigen Prüfkörper mit Hilfe des PA und des Software Tools in der optischen 3D- Messsoftware in der definierten Position installiert, wie in Abschnitt 2.2 beschrieben. Zur Auswertung der Zugversuche wurden die Verformungen der Prüfkörper in x-, y- und z-Achse ebenfalls mittels optischer 3D-Messung erfasst. Nach der Prüfung wurden die Verformungen definierter Oberflächenpunkte bei einer Last von 1/ 3 der Zugfestigkeit ausgewertet und mit den Verformungen im Ausgangszustand bei Beginn der Lasteinleitung verglichen. Die Versuchsergebnisse wurden hinsichtlich der berechneten Mittelwerte und Standardabweichungen der Verformungsdifferenzen in x-, y- und z-Achse ausgewertet. Anschließend wurden die empfohlene Vorlast und Prüfgeschwindigkeit festgelegt. Um die erforderliche Anzahl von Prüfkörper der verwendeten Materialien abzuleiten, wurden die Prüfergebnisse statistisch ausgewertet. Zunächst wurde überprüft, ob die Zugfestigkeitswerte für jede Versuchsreihe normalverteilt sind. Dazu wurden die parametrischen Tests nach Kolmogorov-Smirnov und Shapiro-Wilk, wie sie z.-B. in [15] angegeben sind, angewendet. Die Erwartungswerte der Zugfestigkeit wurden für jede Versuchsreihe ermittelt. Für ein Konfidenzintervall von 95-% wurde die erforderliche Anzahl von Prüfkörper n einer Versuchsreihe gemäß [16] unter Verwendung von Gleichung (2) mit der Gesamtzahl der Prüfkörper N, dem in [16] für die Normalverteilung angegebenen konstanten Faktor z = 1,96 und der Standardabweichung s berechnet. (2) mit: n = erforderliche Prüfkörperanzahl, N = Gesamtanzahl der durchgeführten Prüfungen, s = Standardabweichung der Zugversuche, x mean = Mittelwert der Zugversuche. 3. Ergebnisse 3.1 Weiterentwickelte Versuchseinrichtung In den Vorversuchen mit RM-A4 und einer zwischen 0 und 100- N variierenden Vorspannung konnte für diese Versuchsreihe eine mittlere Zugfestigkeit von 5,2-N/ mm² mit einer Standardabweichung von 0,86-N/ mm² und einem Variationskoeffizienten von 16,4-% ermittelt werden. Die weiteren Versuche wurden mit dem brikettförmigen Stahlprüfkörper durchgeführt. Mit dem C-Typ-Versuchsauf bau wurde in y-Richtung eine durchschnittliche Verschiebungsdifferenz von rd. 0,13-mm festgestellt. In der z-Achse wurde eine durchschnittliche Kippbewegung von 0,07-mm mit Einzelwerten von bis zu 0,24-mm ermittelt. Die Verformungsdifferenzen der Vorversuche am RM-A4 sind zusammenfassend in Tab. 3 dargestellt. Zur Weiterentwicklung des Versuchsauf baus wurde der C-Typ-Versuchsauf bau in Anlehnung an [1, 2, 5] modifiziert. In Anlehnung an [2] wurde eine rechteckige äußere Klemmengeometrie gewählt, vgl. Abb. 5a. Die inneren Abmessungen wurden nicht angepasst und entsprechen der ASTM C307-18 [5]. Diese neue Klemme wurde aus 42CrMo4-Stahl auf einer CNC-Fräsmaschine hergestellt. Zusätzlich wurden seitliche Führungsschlitze eingefräst und Schienen aus 42CrMo4-Stahl angebracht, vgl. Abb. 5b, die entweder an der oberen oder an der unteren Klemme befestigt werden können. Ziel war es, durch die seitlichen Führungen eine Verschiebung der Klemmen in y- und z-Achse zu verhindern und einen zentrischen Zug in x-Achse zu ermöglichen. Die untere Klemme ist dagegen fest gelagert. Der weiterentwickelte Versuchsauf bau ist in Abb. 5c dargestellt. Zusammenfassend sind in Tab. 3 die Verformungsdifferenzen der Versuche zur Weiterentwicklung der Klemmen, d.-h. mit Stahlprüfkörper, dargestellt. Mit den durchgeführten Modifikationen konnte. 368 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen (a) (b) (c) Abb. 5: U-Typ: (a) schematische 3D-Zeichnung der oberen Klemme; (b) Seitliche Führungsschienen; (c) weiterentwickelter C-Typ-Versuchsauf bau Tab. 3: Verformungen des Stahlprüfkörpers bei einer Zugfestigkeit von 6-N/ mm² Typ Beschreibung ∆ x Δy Δz MW SD MW SD MW SD C Basis System [5] Wert [mm] 0,127 0,074 0,131 0,069 0,071 0,083 U Seitliche Führung unten fixiert Wert [mm] 0,009 0,007 0,009 0,007 0,029 0,013 Seitliche Führung oben fixiert Wert [mm] 0,023 0,016 0,023 0,016 0,020 0,008 Gelenkige obere Klemme Wert [mm] 0,044 0,042 0,044 0,042 0,020 0,015 Finaler Versuchsaufbau Wert [mm] 0,009 0,008 0,009 0,007 0,022 0,007 Verbesserung [%] 1) 92,9 91,7 85,7 92,5 94,5 95,3 MW = Mittelwert; SD = Standardabweichung 1) Prozentuale Verringerung der Verformungsdifferenzen im Vergleich zum C-Typ. (a) (b) 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 369 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen (c) Abb. 6: Optische 3D-Verformungsanalyse des C-& U-Typs bei 6-kN: (a) x-Achse Verformung; (b) y-Achse Verformung; (c) z-Achse Verformung. Zur Veranschaulichung der Verformungsdifferenzen zwischen den Typen C und U ist in Abb. 6 die mit der digitalen Bildkorrelation ermittelte Verformungsauswertung der Stahlprüfkörper dargestellt. Mit dem U-Typ-Versuchsauf bau wurde eine optimale Position des Prüfkörpers für die Prüfung untersucht. Dazu wurde das in Abschnitt 2.1 vorgestellte PA verwendet und die Position der brikettförmigen Stahlprüfkörper variiert. Die Positionsänderung in Bezug auf das Soll-Koordinatensystem wurde über die Exporte im Setup Testing Tool untersucht und die Auswirkung der Positionsänderung über die Verformung der Sollpunkte in der Messsoftware bewertet. Die erfolgten Modifikationen an dem Versuchsauf bau in Kombination mit der optimalen Positionierung der Prüfkörper führten zu einer Verringerung der Verformungsdifferenzen und der entsprechenden Standardabweichungen um bis zu rd. 95-%, was zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung im Querschnitt führt, vgl. Tab. 3. 3.2 Zentrische Zugversuche An den drei untersuchten Materialien wurden Zugversuche im neuen U-Typ-Versuchsauf bau durchgeführt und mithilfe der optischen 3D-Messsoftware ausgewertet. Es wurde eine Empfehlung für vergleichbare Materialien hinsichtlich Vorlast, Prüfgeschwindigkeit und der statistisch erforderlichen Anzahl der Prüfkörper in einer Prüfserie entwickelt. Instandsetzungsmörtel RM-A4 Für den Instandsetzungsmörtel wurden bei der Versuchsserie mit variierenden Vorlasten die konstantesten Ergebnisse für eine Vorlast von 200-N mit einer Prüfgeschwindigkeit von 5-mm/ min erzielt. Dabei wurde erwartungsgemäß die größte Verformung im Traversenweg bei den Versuchen ohne Vorlast beobachtet. Dies lässt sich dadurch erklären, dass erst eine Vorlast zum Setzen der Prüfkörper führt. Bei der Auswertung der Prüfkörperverformung ist nur eine geringe Abweichung in x- und y-Richtung bei allen Vorlaststufen zu erkennen. Die geringste Verdrehung der Prüfkörper um die z-Achse wurde bei einer Vorlast von 200-N beobachtet, siehe Tab. 4. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Verformung wurde für die Versuchsserie mit variierenden Prüfgeschwindigkeiten eine Vorlast von 200-N gewählt. Tab. 4: Ergebnisse der Versuchsreihe RM-A4 mit Spezifikation der Vorlast, der Prüfgeschwindigkeit und der Prüfkörperanzahl Serie Variierter Parameter Anzahl der Prüfungen Zugfestigkeit Traversenweg Verformungsdifferenz Δx Δy Δz MW SD MW SD MW SD MW SD MW SD [N/ mm²] [mm] [mm] [mm] [mm] Vorlast 1) 0 N 3 5,47 0,45 0,79 0,10 0,007 0,008 0,008 0,009 0,041 0,004 100 N 3 6,15 0,17 0,68 0,02 0,008 0,006 0,007 0,007 0,008 0,004 200 N 3 5,91 0,23 0,61 0,02 0,007 0,003 0,008 0,002 0,005 0,003 Prüfgeschwindigkeit 2) 0,1 mm/ min 3 5,14 0,15 0,55 0,01 0,011 0,000 0,010 0,000 0,002 0,002 0,6 mm/ min 3 5,45 0,13 0,58 0,03 0,003 0,001 0,003 0,001 0,008 0,011 2 mm/ min 3 5,41 0,24 0,59 0,02 0,004 0,003 0,005 0,002 0,021 0,009 Finale Parameter, Prüfanzahl 200-N, 0,6 mm/ min 18 5,89 0,32 0,63 0,03 - - - - - - MW = Mittelwert; SD = Standardabweichung 1) Prüfgeschwindigkeit 5 mm/ min 2) Vorlast 200 N 370 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen Je niedriger die Prüfgeschwindigkeit ist, desto geringer ist die Standardabweichung der Zugspannung. Zudem ist die Verformung der Prüfkörper bei einer Prüfgeschwindigkeit von 0,1-mm/ min am höchsten, und führt aufgrund der niedrigen Geschwindigkeit im Mörtel zu Kriecheffekten. Um dies zu verhindern, wurde die angestrebte Prüfzeit, wie in [17] empfohlen, auf ca. 1-min festgelegt. Daraus resultiert die Wahl einer Prüfgeschwindigkeit von 0,6-mm/ min, basierend auf den Ergebnissen der Traversenverschiebung. Die mittlere Zugfestigkeit dieser Versuchsreihe betrug 5,89-N/ mm² mit einer Standardabweichung von 0,32-N/ mm² und einem Variationskoeffizienten von 5,4-%. Aus Gleichung (2) ergibt sich eine empfohlene Anzahl von 4 Prüfkörpern pro Versuchsreihe. Für den RM-A4 wurde ein Verhältnis zwischen Zug- und Druckfestigkeit von 9-% ermittelt. Das Verhältnis wurde durch die Bestimmung der Druckfestigkeit an Standardprismen nach [18] und dem Mittelwert der Zugversuche berechnet. Verfugmörtel PM21 Beim Verfugmörtel PM21 wurden in der ersten Versuchsserie mit Variation der Vorlast bei einer konstanten Prüfgeschwindigkeit von 0,6-mm/ min unabhängig von der aufgebrachten Vorspannung mittlere Zugfestigkeitswerte von 1,47 bis 1,49-N/ mm² erreicht, vgl. Tab. 5. Der während der Zugversuche aufgezeichnete maximale Traversenweg nimmt erwartungsgemäß mit zunehmender Vorspannung leicht ab. Die geringsten Verformungsdifferenzen wurden bei einer Vorlast von 80-N ermittelt, sodass diese Vorlast für die Versuchsreihe mit konstanter Geschwindigkeit festgelegt wurde, vgl. Tab. 5. Die vergleichsweise langsame Prüfgeschwindigkeit von 0,1-mm/ min, die zunächst für den RM-A4 gewählt wurde und die zu Kriecheffekten während des Zugversuchs führen kann, wurde für den PM21 nicht untersucht. Stattdessen wurde die Prüfgeschwindigkeit gegenüber dem RM- A4 auf 0,3 bzw. 1-mm/ min erhöht. Die mit diesen Prüfgeschwindigkeiten erzielten Zugfestigkeitswerte sind mit 1,47 und 1,48-N/ mm² als identisch anzusehen. Der aufgezeichnete maximale mittlere Traversenweg ist mit 0,53-mm ebenfalls identisch. Eine Prüfgeschwindigkeit von 2-mm/ min, die als obere Grenze der Prüfgeschwindigkeit gewählt wurde, führte zu einer höheren maximalen Zugfestigkeit von 1,54-N/ mm² bei einem geringeren maximalen Traversenweg von 0,50-mm, vgl. RM-A4. Da die berechneten Verformungswerte für die gewählten Prüfgeschwindigkeiten von 0,3-mm/ min und 2-mm/ min nahezu identisch sind, scheint die Verformung kein zuverlässiges Kriterium für die Wahl einer geeigneten Prüfgeschwindigkeit für den PM21 zu sein. Wichtiger für die Durchführung der Zugversuche war eine geeignete Prüfdauer, vgl. RM-A4. Zu diesem Zweck wurde die angestrebte Prüfdauer für den PM21 ebenfalls auf ca. 1-min festgelegt. Im Hinblick auf den beobachteten Traversenweg wurde die Prüfgeschwindigkeit für die Versuchsserie „Anzahl der Prüfkörper“ zunächst auf 0,55-mm/ min festgelegt. Die für diese Versuchsserie verwendeten Prüfkörper stammten aus einer anderen Mörtelcharge als die in den ersten beiden Serien geprüften Prüfkörper und wiesen eine geringere Festigkeit einhergehend mit höheren Verformungen auf. Aus diesem Grund wurden die Prüfparameter zunächst auf 80-N und 0,6-mm/ min angepasst. Die mittlere Zugfestigkeit dieser Versuchsreihe betrug 1,40-N/ mm² mit einer Standardabweichung von 0,14-N/ mm² und einem Variationskoeffizienten von 9,6-%. Bei einem Signifikanzniveau von 5-% ( α = 0,05) ergibt sich aus Gleichung (2) eine empfohlene Prüfkörperanzahl von 8. Tab. 5: Ergebnisse der Versuchsreihe PM21 mit Spezifikation der Vorlast, der Prüfgeschwindigkeit und der Prüfkörperanzahl Serie Variierter Parameter Anzahl der Prüfungen Zugfestigkeit Traversenweg Verformungsdifferenz ∆ x ∆ y ∆ z MW SD MW SD MW SD MW SD MW SD [N/ mm²] [mm] [mm] [mm] [mm] Vorlast 1) 40 N 3 1,49 0,10 0,57 0,05 0,003 0,002 0,003 0,002 0,010 0,003 80 N 3 1,48 0,07 0,55 0,05 0,003 0,001 0,003 0,001 0,006 0,004 100 N 3 1,47 0,13 0,48 0,08 0,005 0,002 0,004 0,002 0,009 0,004 Prüfgeschwindigkeit 2) 0,3 mm/ min 3 1,47 0,03 0,53 0,03 0,005 0,003 0,005 0,003 0,005 0,002 1 mm/ min 3 1,48 0,07 0,53 0,10 0,007 0,001 0,007 0,001 0,010 0,001 2 mm/ min 3 1,54 0,02 0,50 0,02 0,004 0,003 0,005 0,002 0,006 0,003 Finale Parameter, Prüfanzahl 80-N, 0,6 mm/ min 15 1,40 0,14 0,66 0,13 - - - - - - MW = Mittelwert; SD = Standardabweichung 1) Prüfgeschwindigkeit 0,6-mm/ min 2) Vorlast 80-N 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 371 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen Porenbeton AAC2-350 Die Zugfestigkeit des AAC2-350 liegt insgesamt zwischen 0,37 und 0,43-N/ mm² mit einer Standardabweichung von 0,00 bis 0,04-N/ mm², siehe Tab. 6. Zur Bestimmung der optimalen Vorlast wurde diese zwischen 0 und 25-N, was max. rd. 9-% der erzielten Zugfestigkeit entspricht, variiert. Erwartungsgemäß führten die Versuche ohne Vorlast zum größten Traversenweg, aber im Gegenteil auch zur höchsten Zugfestigkeit und zur geringsten Standardabweichung aller Vorlaststufen. Die Vorlast von 15-N führte zu einem sehr kleinen Mittelwert und einer sehr kleinen Standardabweichung der erhaltenen Verformungsdifferenzen, was bedeutet, dass bei diesen Versuchen fast keine Torsion der Prüf körper zu beobachten war. Die dritte Vorlaststufe mit 25-N zeigte im Gegensatz zu den anderen Vorlaststufen eine konstante Anfangssteigung aller drei Kraft-Weg-Kurven, weshalb diese Last für die Versuchsreihe gewählt wurde, obwohl die Verdrehung der Prüf körper höher war als bei der Vorlast von 15-N. Die Prüfgeschwindigkeit wurde zwischen 0,7 und 3- mm/ min variiert. Die geringsten Verformungsdifferenzen in x- und y-Richtung wurden bei einer Prüfgeschwindigkeit von 0,7-mm/ min ermittelt, während die Prüf körper in z-Richtung kippten, vgl. Tab. 6. Die kleinsten Verformungsdifferenzen in z-Richtung wurden bei einer Prüfgeschwindigkeit von 3-mm/ min erzielt. Wie bereits für RM-A4 und PM21 beschrieben, scheint jedoch die Prüfdauer ein zuverlässigeres Kriterium für die Wahl einer geeigneten Prüfgeschwindigkeit zu sein als die erzielten Verformungsdifferenzen. Deshalb wurde auf der Grundlage des Traversenwegs eine Prüfgeschwindigkeit von 0,6-mm/ min mit einer Vorlast von 25-N gewählt, um die Anzahl der für den AAC2-350 erforderlichen Prüf körper zu untersuchen. Die mittlere Zugfestigkeit dieser Versuchsreihe betrug 0,43-N/ mm² mit einer Standardabweichung von 0,04-N/ mm² und einem Variationskoeffizienten von 8,9- %. Nach Gleichung (2) kann eine empfohlene Prüf körperanzahl von 8 festgelegt werden. Vergleich der Materialien Die Zugversuche am RM-A4, PM21 und AAC2-350 wurden mit dem weiterentwickelten U-Typ-Versuchsauf bau mit der Positionierung durchgeführt. Für die untersuchten Materialien konnten Referenzwerte für die optimale Vorlast bzw. Vorlastspannung, Prüfgeschwindigkeit sowie empfohlene Prüfkörperanzahl ermittelt werden, siehe Tab. 7. Die Vorlastspannung wurde zudem in Abhängigkeit von der erreichten Zugfestigkeit angegeben. Je geringer die Festigkeit, desto geringer die aufgebrachte bezogene Vorlastspannung. Die Prüfgeschwindigkeit wurde für alle Materialien gleich gewählt. Die Auswahl der Prüfgeschwindigkeit erfolgte in Abhängigkeit von der Prüfzeit und dem Traversenweg. Im Vergleich lässt sich feststellen, dass der Traversenweg der Materialien trotz unterschiedlicher Zugfestigkeitswerte nahezu identisch ist. Für die Materialien konnten die Zugfestigkeiten mit einer geringen Standardabweichung und einem geringen Variationskoeffizienten bestimmt werden. Der höchste Variationskoeffizient im Vergleich zeigt sich bei der Versuchsreihe von PM21. Dies ist auf das unterschiedliche Korngefüge im Mörtel zurückzuführen. Die Verteilung der Gesteinskörnung ist bei jedem Prüfkörper unterschiedlich und kann die Zugfestigkeit beeinflussen. Im Vergleich zur Druckfestigkeit kann für den RM-A4 ein Druckzu Zugfestigkeitsverhältnis von 9-% ermittelt werden, während der ACC2-350 ein Verhältnis von 15-% und der PM21 ein Verhältnis von 21-% aufweisen. Bei dem RM-A4 mit einem Variationskoeffizienten von etwa 5 % konnte die Anzahl der Prüfkörper im Vergleich zur ASTM C307-18 [5] auf 4 Prüfkörper pro Serie reduziert werden. Tab. 6: Ergebnisse der Versuchsreihe AAC2-350 mit Spezifikation der Vorlast, der Prüfgeschwindigkeit und der Prüfkörperanzahl Serie Variierter Parameter Anzahl der Prüfungen Zugfestigkeit Traversenweg Verformungsdifferenz ∆ x ∆y ∆z MW SD MW SD MW SD MW SD MW SD [N/ mm²] [mm] [mm] [mm] [mm] Vorlast 1) 0 N 3 0,42 0,01 0,90 0,03 0,159 0,244 0,026 0,020 0,063 0,027 15 N 3 0,39 0,04 0,43 0,18 0,000 0,001 0,000 0,001 0,004 0,002 25 N 3 0,39 0,04 0,72 0,15 0,009 0,004 0,009 0,003 0,016 0,011 Prüfgeschwindigkeit 2) 0,7 mm/ min 3 0,40 0,01 0,66 0,07 0,005 0,005 0,004 0,003 0,035 0,015 1 mm/ min 2 0,41 0,03 0,69 0,10 0,007 0,006 0,008 0,006 0,034 0,024 3 mm/ min 3 0,37 0,00 0,62 0,06 0,007 0,003 0,008 0,003 0,017 0,006 Finale Parameter, Prüfanzahl 25-N, 0,6 mm/ min 18 0,43 0,04 0,68 0,15 - - - - - - MW = Mittelwert; SD = Standardabweichung 1) Prüfgeschwindigkeit 0,4-mm/ min 2) Vorlast 25-N 372 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen Bei einem Variationskoeffizienten von bis zu 10 % sollte jedoch eine Anzahl von 8 Prüfkörper für mineralische Baustoffe gewählt werden. Tab. 7: Vergleich der Prüfparameter der untersuchten Materialien Material Vorlast ß P Prüfgeschwindigkeit Prüfkörperanzahl Mittlerer Traversenweg [N/ mm²] [mm/ min] [-] [mm] RM-A4 0,31 0,6 4 0,63 PM21 0,12 0,6 8 0,66 ACC2-350 0,04 0,6 8 0,68 Tab. 8: Vergleich der Zug- und Druckfestigkeit der untersuchten Materialien Material Zugfestigkeit ß Z ß P / ß Z 1) Druckfestigkeit ß D ß Z / ß D 2) MW SD VK MW MW [N/ mm²] [-%] [N/ mm²] [-%] RM-A4 5,89 0,32 5,4 5,3 67,8 9 PM21 1,40 0,14 9,6 8,5 6,5 21 ACC2-350 0,43 0,04 8,9 9,3 2,9 15 MW = Mittelwert; SD = Standardabweichung; VK = Variationskoeffizient 1) β P / β D = Verhältnis zwischen Vorlast und Zugfestigkeit 2) β Z / β D = Verhältnis zwischen Zug- und Druckfestigkeit 4. Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen der Untersuchungen wurden Einflussfaktoren auf die Zentrizität der Zugversuche, wie z.- B. die Prüfkörperlage beim Einbau oder die gelenkige Lagerung des Versuchsauf baus wie auch seitliche Verschiebungen der Klemmen, identifiziert und durch digitale Bildkorrelation in einer optischen 3D-Messsoftware quantifiziert. Basierend auf den Ergebnissen wurde der C-Typ nach ASTM C307-18 [5] zum U-Typ weiterentwickelt. Die Klemmen waren unten fest und oben gelenkig gelagert. Die Geometrie der Klemmen wurde nach [2] modifiziert und mit seitlichen Führungsschienen ergänzt, die die Klemmen in axialer Richtung fixieren. Um die gleiche Ausgangsposition jeder Prüfkörper zu erhalten, wurde ein Adapter für Prüfkörper nach ASTM C307-18 [5] entwickelt und konfiguriert. Das Positionieradapter und eine brikettförmige Stahlprüfkörper wurden verwendet, um die optimale Startposition im neuen Versuchsauf bau zu identifizieren. Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: • Insgesamt führten die Modifikationen des U-Typ-Versuchsauf baus in Kombination mit der optimalen Positionierung der Prüfkörper zu einer Verringerung der Verformungsdifferenz und der entsprechenden Standardabweichungen um bis zu rd. 95- %, was zu einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung im Querschnitt führt. • Unabhängig von der Materialfestigkeit ist die lagegeregelte Prüfgeschwindigkeit von 0,6-mm/ min angemessen, um Prüfzeiten von etwa 1-min zu erreichen. • Mit dem weiterentwickelten U-Typ-Versuchsauf bau können mineralische Baustoffe mit Zugfestigkeitswerten zwischen 0,4 und 5,9-N/ mm² reproduzierbar mit einem Variationskoeffizienten kleiner als 10-% geprüft werden. Die Zugfestigkeit des RM-A4 wurde dabei im Mittel von rd. 5,2-N/ mm² auf 5,9-N/ mm² erhöht und der Variationskoeffizient von 16,4 auf 5,4-% reduziert. • Der Ringversuch nach ASTM C307 bestand aus 3 Testreihen mit jeweils 6 Einzelprüfungen. Im Vergleich dazu ergaben die in diesem Beitrag vorgestellten Untersuchungen, dass bei einem Variationskoeffizienten von etwa 5-% die Anzahl der Prüfkörper auf 4 Prüfkörper pro Serie reduziert werden kann. Bei einem Variationskoeffizienten von bis zu 10-% sollte jedoch eine Anzahl von 8 Prüfkörper für mineralische Baustoffe gewählt werden. • Das in der Literatur angegebene Verhältnis von Zugzu Druckfestigkeit von etwa 10- % konnte für den RM-A4-Mörtel mit 9-% bestätigt werden, während Materialien mit geringer Zugfestigkeit (PM21 und AAC2-350) mit einem Verhältnis von bis zu 21- % deutlich höhere Verhältniswerte erreichten In zukünftigen Untersuchungen soll mit der modifizierten Prüfeinrichtung der Einfluss unterschiedlicher Umgebungsbedingungen sowie unterschiedlicher Temperaturen während der Prüfung auf das Zugtragverhalten der hier verwendeten sowie weiterer Materialien untersucht werden. Darüber hinaus werden weitere Analysen in ARAMIS ® durchgeführt, wie zum Beispiel die Bestimmung der Dehnungen zur Analyse des Verformungsverhaltens unter Zugbelastung. 5. Danksagung Ein besonderer Dank geht an Christian Niejahr vom Lehrstuhl für Thermodynamik mobiler Energiewandlungssysteme und Institut für Thermodynamik, RWTH Aachen University, für die Herstellung der Klemmen mittels CNC-Fräse. 8. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2023 373 Untersuchungen zum Versuchsaufbau für die Prüfung der zentrischen Zugfestigkeit nach ASTM C307 an mineralischen Baustoffen Literatur [1] M. Kalthoff, F. Gilleßen, M. Raupach, S. Schmidt, C. Kiesewetter-Marko und C. Brecher, Einfluss der Prüfkörpergeometrie auf das Zugtragverhalten von zementgebundenen Betonen, Ludwig H.-M., Fischer H.-B., editors (2018) [2] C. Neunzig, T. Heiermann und M. Raupach, Determination of the uniaxial tensile strength of concrete with a modified test setup, International Conference on Strain-Hardening Cement-Based Composites (2017) [3] P. Schubert und A. Caballero González, Zugfestigkeit von Porenbeton und Haftscherfestigkeit von Dünnbettmörtel auf Porenbeton, Mauerwerk-Kalender (1997) [4] A. Helbling und E. Brühwiler, Eine neue Halterung für Zugversuche mit Beton-Probekörper, Material und Technik (1987) [5] ASTM C307-18: Standard Test Method for Tensile Strength of Chemical-Resistant Mortar, Grouts, and Monolithic Surfacings (2018) [6] M. Kalthoff, M. Raupach und T. Matschei, Influence of High Temperature Curing and Surface Humidity on the Tensile Strength of UHPC, Materials 14 (2021) [7] J. Haufe und A. Vollpracht, Tensile strength of concrete exposed to sulfate attack, Cement and Concrete Research (2019) [8] Research Report: D01-1185 Interlaboratory Study to Establish Precision Statements for ASTM C307, Test Method for Tensile Strength of Chemical-Resistant Mortar, Grouts, and Monolithic Surfacings (2018) [9] J. Haufe, A. Vollpracht und T. Matschei, Development of a Sulfate Resistance Performance Test for Concrete by Tensile Strength Measurements: Determination of Test Conditions, Crystals (2021) [10] S. H. Okba, E.-S. A. Nasr, A. I. Helmy und I. A.-l. Yousef, Effect of thermal exposure on the mechanical properties of polymer adhesives, Construction and Building Materials (2017) [11] G. Quercia, D. Chan und K. Luke, Weibull statistics applied to tensile testing for oil well cement compositions, Journal of Petroleum Science and Engineering (2016) [12] TR IH: Technische Regel - Instandhaltung von Betonbauwerken (TR Instandhaltung) - Teil 1: Anwendungsbereich und Planung der Instandhaltung, Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) (2020) [13] A. Dahlhoff, B. Winkels, C. Morales Cruz und M. Raupach, Investigations on the Experimental Setup for Testing the Centric Tensile Strength According to ASTM C307 of Mineral-based Materials, Journal of Civil Engineering and Construction (2022) [14] Gom, User Guide Setup Testing - ARAMIS Setup Testing for Correlate Pro 2021, (2022) [15] N. M. Razali und Y. B. Wah, Power comparisons of shapiro-wilk, kolmogorov-smirnov, lilliefors and anderson-darling tests, Journal of statistical modeling and analytics (2011) [16] W. Benning, Statistik in Geodäsie, Geoinformation und Bauwesen, Wichmann (2011) [17] DIN EN 1015-11: Prüfverfahren für Mörtel für Mauerwerk - Teil 11: Bestimmung der Biegezug- und Druckfestigkeit von Festmörtel; Deutsche Fassung EN 1015-11: 2019 (2020-01) [18] DIN EN 196-1: Prüfverfahren für Zement - Teil 1: Bestimmung der Festigkeit; Deutsche Fassung EN 196-1: 2016 (2016-11)