Gekoppelter Einfluss von Entlastungsgeschwindigkeit und Wassergehalt auf Mörtel bei differenzieller zyklischer Belastung

Warum Wasser und Spannung für alltäglichen Beton wichtig sind

Von Staudämmen und Deichen bis zu Brücken und Tunneln besteht ein großer Teil unserer kritischen Infrastruktur aus Beton oder Mörtel, der ständig nass wird, austrocknet und die Zug‑ und Druckwechsel wechselnder Lasten spürt. Wenn der Wasserstand im Reservoir steigt und fällt oder Verkehr und Wellen in Zyklen auftreten, wird der Beton in diesen Bauwerken wiederholt zusammengedrückt und entlastet. Diese Studie untersucht eine einfache, aber wichtige Frage: Wie beeinflussen wechselnder Wassergehalt und ungleiche Lade‑Entlade‑Zyklen gemeinsam die Festigkeit und die langfristige Dauerhaftigkeit von Mörtel, der Zement‑Sand‑Mischung, die Beton zusammenhält?

Beton unter realen Druck‑ und Zugbedingungen

Die meisten Labortests drücken und entlasten Beton bei jedem Zyklus mit derselben Geschwindigkeit, was die Auswertung erleichtert, aber nicht der Realität entspricht. In echten Staudämmen steigen Wasserstände zum Beispiel oft langsam an und fallen schnell, sodass das Material mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten belastet und entlastet wird. Die Autoren nennen dies „mehrstufige differentielle zyklische Belastung“: Die maximale Last in jedem Zyklus nimmt schrittweise zu, und die Ladegeschwindigkeit unterscheidet sich von der Entladegeschwindigkeit. Gleichzeitig kann der Beton trocken, teilweise nass oder vollständig mit Wasser gesättigt sein. Um diese Bedingungen nachzubilden, goss das Team Mörtelprismen, stellte ihren Feuchtegehalt gezielt auf drei Niveaus ein (0,00 %, 6,99 % und 13,98 % der Masse) und unterzog sie dann wiederholten Zyklen in einer Prüfanlage, während sie die Verformung und das Versagen verfolgten.

Systematische Versuche mit kontrollierter Feuchtegestaltung

Um realistische Feuchtezustände zu erzielen, trockneten die Forschenden zunächst einige Proben vollständig und tauchten dann andere in Wasser, wobei sie die Massenzunahme über die Zeit maßen. So identifizierten sie einen halbgesättigten Zustand bei etwa 6,99 % Wasser und einen vollgesättigten Zustand bei 13,98 %. Einzelne Einmal‑Druckversuche bestätigten, dass nasse Proben schwächer und verformbarer als trockene waren. Auf dieser Grundlage führten sie insgesamt 45 zyklische Versuche durch, in denen sie die drei Feuchteniveaus mit fünf unterschiedlichen Entladungsgeschwindigkeiten von sehr langsam bis sehr schnell kombinierten, wobei die Ladegeschwindigkeit konstant gehalten wurde. In jedem Versuch wurde die Maximalbelastung in jedem Zyklus um einen festen Betrag erhöht, bis die Probe versagte, und die Maschine zeichnete Spannung und Dehnung kontinuierlich auf.

Wie Nässe und Entladungsgeschwindigkeit das Verhalten umformen

Unter diesen gestuften Zyklen zeichneten die Spannungs‑Dehnungs‑Kurven des Mörtels Schleifen, die zeigten, wie viel Verformung zwischen den Zyklen nicht zurückging. Bei feuchteren Proben und schnellerer Entladung wurden diese Schleifen dichter und verschoben sich nach rechts, was bedeutet, dass das Material mehr bleibende Deformation anhäufte und bei geringerer Spannung versagte. Die Autoren verfolgten, wie sich die Dehnung von Zyklus zu Zyklus aufbaute, und fanden eine klare, nahezu lineare Beziehung zwischen der kumulativen Dehnung und der Anzahl der Zyklen. Dieses einfache lineare Gesetz galt über verschiedene Feuchtegrade und Belastungspfade hinweg und könnte somit verwendet werden, um vorherzusagen, wann ein Bauwerk aus ähnlichem Mörtel dem Versagen nahekommt. Sie trennten außerdem die Steifigkeit in einen Lade‑Modul (wie steif der Mörtel beim Zusammendrücken ist) und einen Entlade‑Modul (während der Entlastung). Wiederholtes Zyklieren führte zunächst zur Schließung feiner Risse und Poren und damit vorübergehend zu einer Erhöhung der Steifigkeit, doch ein höherer Wassergehalt reduzierte beide Module konstant und machte das Material empfindlicher gegenüber dem Belastungsmuster.

Energie, Schäden und verborgene Schwellenwerte

Da Rissbildung und plastische Verformung Energie verbrauchen, analysierte das Team, wie viel mechanische Energie in die Proben eingeleitet, wie viel zurückgewonnen und wie viel irreversibel als Schaden dissipiert wurde. Sie zeigten, dass nasserer Mörtel deutlich weniger Gesamtenergie zum Versagen benötigt: Vollgesättigte Proben brauchten nur etwa ein Zehntel der Energie, die trockene Proben aufnahmen. Das Verhältnis von dissipierter zu zugeführter Energie veränderte sich bei sehr langsamen Entladungsgeschwindigkeiten unregelmäßig, stabilisierte sich jedoch, sobald die Entladungsgeschwindigkeit etwa 2,0 kN/s überschritt. Ebenso entdeckten sie beim Vergleich der trockenen, halb­nassen und voll­nassen Zustände eine ausgeprägte Schwelle um den mittleren Wassergehalt (6,99 %), an der sich die Trends der Energieanteile mit der Entladungsgeschwindigkeit umkehrten. Ein aus kumulativ dissipierter Energie abgeleiteter Schadensindikator stieg exponentiell mit der Anzahl der Zyklen; höhere Feuchtegrade erhöhten sowohl den Gesamtschaden als auch die Verwischung der Unterschiede zwischen den Entladungsgeschwindigkeiten.

Was das für Staudämme und andere Bauwerke bedeutet

Zusammengefasst zeigt die Studie, dass Wasser Mörtel nicht nur weicher und schwächer macht, sondern ihn auch anfälliger für versteckte Ermüdung werden lässt, wenn Lasten mit ungleichen Geschwindigkeiten ansteigen und abfallen. Es gibt kritische Kombinationen — ein mittlerer Feuchtegrad um die Halb­sättigung und eine Entladungsgeschwindigkeit von etwa 2,0 kN/s — bei denen sich das Steifigkeits‑ und Energieverhalten des Materials grundlegend ändert. Für Ingenieure ist das Erkennen dieser Schwellenwerte entscheidend, um abzuschätzen, wie Staudämme, Deiche und andere wasserexponierte Betonstrukturen unter realistischen Betriebsbedingungen altern. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die langfristige Sicherheit nicht allein anhand der Festigkeit beurteilt werden kann; die Historie von Benetzung und Austrocknung sowie die Details, wie Lasten aufgebracht und entfernt werden, sind gleichermaßen wichtig, um vorherzusagen, wann sich schädliche Schäden bis zu gefährlichen Ausmaßen anhäufen werden.

Zitation: Liu, Z., Cao, P., Liu, L. et al. Coupled effect of unloading rate and water content on mortar under differential cyclic loading. Sci Rep 16, 5927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36289-5

Schlüsselwörter: Betondauerhaftigkeit, zyklische Belastung, Wässersättigung, Staudammsicherheit, Materialermüdung