Gefrier- und Auftauprozesse in gesättigten porösen Materialien

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Im Bauingenieurwesen finden Gefrier- und Auftauprozesse von Flüssigkeiten in porösen Materialien hinsichtlich der Problematik der Frostlanglebigkeit von Festkörpern zur Vorhersage der Ermüdung und Lebensdauerabschätzung eine immer größer werdende Bedeutung. Weiterhin werden künstliche Vereisungstechniken im Tunnelbau und anderen Erdbauwerken zur Sicherung von Baugruben eingesetzt. Das Verhalten von saturierten porösen Materialien unter zyklischer Wärmebelastung (Vereisung von Böden und Zementsteinen oder geothermische Untersuchungen) wird durch Phasenübergänge stark beeinflusst. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die theoretische Formulierung und die numerische Umsetzung eines konsistenten Modells zur Beschreibung der wesentlichen Effekte von Gefrier- und Auftauprozessen in porösen Materialien. Dazu ist es erforderlich, den Einfluss der Gasphase des entwickelten 4-Phasenmodells näher zu untersuchen und das Modell um die so genannte Gelwasserphase zu erweitern. Die Erweiterung des Modells ist notwendig, um mikromechanische Effekte, wie die Eislinsenbildung und den auftretenden Saugeffekt (Mikro-Eislinsen-Pumpe) sowie den damit einhergehenden viskosen Flüssigkeitsstrom zu den Eislinsen, zu berücksichtigen. Auf der Grundlage des weiterentwickelten Modells sollen numerische Simulationen von realistischen Prinzipbeispielen und praxisorientierten Problemstellungen die Anwendbarkeit und die Praxisrelevanz des Modells aufzeigen. Ferner ist geplant, ein vereinfachtes Schädigungsmodell zur Vorhersage der Frostbeständigkeit (CIF-Test) von porösen Materialien unter zyklischer Frost-Tau-Beanspruchung zu implementieren.