Paul G. Bolz, Frohmut Wellner, Paul G. Lindner, Christian Schulze

• Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Etablierung des Elastizitätsmoduls als Parameter, der qualitative Aussagen über den Schädigungszustand des Baustoffes Straßenbeton ermöglicht. Zu diesem Zweck erfolgte eine systematische Ermüdung sowohl labor- als auch großmaßstäblicher Beton-Probekörper bei zeitgleicher Messung des Elastizitätsmoduls mithilfe von unterschiedlichen Verfahren. Im ersten Schritt wurde ein Versuchsprogramm entwickelt, mit dem Straßenbeton-Probekörper mittels des Spaltzug-Schwellversuchs gezielt in einen definierten Ermüdungszustand versetzt werden können. Hierfür wurde der Parameter des Grenz-Elastizitätsmoduls definiert, welcher, wenn er unterschritten wird, zum Pausieren des Versuchs führt. In diesen systematisch eingehaltenen Lastpausen erfolgten begleitende Untersuchungen der Ultraschalllaufzeit und der Eigenfrequenz zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls der untersuchten Probekörper während des Ermüdungsvorganges. Im zweiten Schritt wurden die Untersuchungen auf eine Betonplatte und einen Betonplattenstreifen ausgeweitet. Hierfür kam mit der Phase-Shift-Methode ein Verfahren zum Einsatz, das auf der Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) basiert und mithilfe dessen die Degradation großformatiger Straßenbetonelemente in Form der Verminderung des Elastizitätsmoduls messtechnisch nachgewiesen werden kann. Anhand von FEM-Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine Verminderung des Elastizitätsmoduls infolge der Ermüdung zu einer lokalen Konzentration der Beanspruchungen einer Betonplatte unter Last führt. Weiterhin ergab sich, dass die Verminderung der Beanspruchung der Betonplatte infolge eines ermüdungsbedingt verringerten Elastizitätsmoduls in einer Erhöhung der Beanspruchung der Beton-Unterlage resultiert. Dadurch bedingt kann es zu einer Verschlechterung der Auflagerungsbedingungen der Betonplatte kommen, was sich wiederum auf deren Beanspruchung und somit auf die Nutzungsdauer auswirken kann. Es zeigt sich zwischen den Ergebnissen aller untersuchten Verfahren eine sehr gute Synchronität hinsichtlich des qualitativen ermüdungsbedingten Verlaufs des Elastizitätsmoduls. Die vier angewandten Verfahren, die sich voneinander unabhängiger physikalischer Phänomene bedienen, ermöglichen neben einer qualitativen Aussage über die Schädigung des Materials die Bestimmung von Absolutwerten des Elastizitätsmoduls. Je nach verwendetem Verfahren weichen die absoluten Werte des Elastizitätsmoduls leicht voneinander ab. Der Elastizitätsmodul bestätigt sich als geeigneter Parameter zur Beschreibung der Degradation des Baustoffs Straßenbeton im Zuge des Ermüdungsprozesses. Die eingesetzte Phase-Shift-Methode kann in Kombination mit der Bestimmung charakteristischer Verläufe für die Verminderung des Elastizitätsmoduls im Zuge der Ermüdung potentiell die Basis für die zerstörungsfreie Bewertung der strukturellen Substanz von Betonfahrbahndecken in situ bilden. Perspektivisch kann dies die einfache und zielsichere Bewertung vorhandener Betonfahrbahndecken hinsichtlich ihrer Restnutzungsdauer und neuer Betonfahrbahndecken in Bezug auf ihre Dauerhaftigkeit ermöglichen
• The subject of the research project is the establishment of the modulus of elasticity as a parameter that enables qualitative statements about the state of damage of the concrete pavement building material. For this purpose, a systematic fatigue of both laboratory-scale and large-scale concrete specimens was carried out with simultaneous measurement of the elastic modulus by means of different methods. In the first step, a test program was developed for the targeted and systematic fatigue of concrete specimens by means of the cyclic indirect tensile test. For this purpose, a limit value for the modulus of elasticity was defined. When the modulus of elasticity fell below the limit, the test was paused to perform accompanying investigations of the ultra-sonic transit time and the natural frequency in order to determine the change of the modulus of elasticity of the specimens investigated during the fatigue process. In the second step, the investigations were extended to a concrete slab and a concrete slab section. For this purpose, the phase shift method was used, a method enabling the detection of the degradation of large-format concrete pavement elements by measuring the reduction of the modulus of elasticity which is based on the multichannel analysis of surface waves (MASW). FEM simulations showed that a reduction of the modulus of elasticity due to fatigue leads to a local concentration of the stress of a concrete slab under load. Furthermore, it was found that the fatigue-related reduction of the stress on the concrete slab results in an increase of the stress on the supporting structure. This can lead to a deterioration of the support conditions of the concrete slab, which in turn can affect its stress and thus its service life. There is a very good synchronicity between the results of all investigated methods for the qualitative determination of the modulus of elasticity. The four methods applied, which make use of physical phenomena that are independent of each other, allow, in addition to a qualitative statement about the damage to the material, the determination of absolute values of the modulus of elasticity. Although there are slight differences between the methods for the determination of the modulus of elasticity, the modulus of elasticity is confirmed as a suitable parameter for describing the degradation of the concrete pavement building material in the course of the fatigue process. The phase shift method applied, in combination with the determination of characteristic curves for the reduction of the modulus of elasticity in the course of fatigue, offers a high potential to form the basis for the non-destructive evaluation of the structural integrity of concrete pavements in situ. In perspective, this enables the straightforward and accurate assessment of existing concrete pavements with regard to their remaining service life and new concrete pavements with regard to their durability.