Prototypische Anwendung von lichtoptischen Feuchtesensoren

Das Monitoring von Bauwerkszuständen wird ein immer wichtigerer Bestandteil im Bauwesen. Die Ermittlung von Bauwerksinformationen ist sowohl im Neubau als auch im Bestand für die Qualitätssicherung und Instandsetzung sowie für die Zustandserfassung von Bauwerken von großer Bedeutung. Im Bereich des Bauwesens gilt es nicht nur, Tendenzen innerhalb der technologischen Entwicklung, sondern auch Veränderungen in den Bereichen der Qualitätssicherung, der Sicherheit und der damit verbundenen Thematik der Überwachungsmessungen zu betrachten.

An der Professur für Bauchemie der Bauhaus-Universität in Weimar wurde eine neue Messmethode labortechnisch entwickelt, mit welcher man den Feuchtegehalt der Poren sowie das Porenvolumen ohne mathematisch abstrakte Modelle bestimmen kann. Diese Methode bietet im Vergleich mit anderen Porosimetrie- und Feuchtegehaltsbestimmungsverfahren gemäß Stand der Technik einige Vorteile. Die Erfindung ist im Besonderen im Hinblick auf die messtechnischen Erfordernisse in verschiedenartigen Revitalisierungsverfahren (Bestimmung des optimalen Sanierungszeitpunktes bzw. der Nachhaltigkeit/Wirksamkeit der technischen Maßnahmen) zu sehen. Auf diesem bautechnischen Gebiet ist es notwendig, in größeren Zeitabständen an definierten Orten im ­Volumen von Bauteilen realitätsnah die Feuchte ohne merkliche Verfälschungen durch Störeinflüsse (gelöste Salze, Temperatur, Oberflächentrocknung) und korrosive Sensor­degradation zu messen. Der optische Feuchtesensor ermöglicht das Monitoring der Feuchtegehalte bzw. ‑verteilung im Bauteilvolumen für die Bauwerksüber­wachung unabhängig von Mauerwerkssalzgehalt bzw. ‑temperatur. Im Mittelpunkt steht die bisher unbekannte Kombination von vorteilhafter langzeitiger Feuchtemessung in den örtlichen Original- bzw. Vergleichsbaumaterialien im zeitaktuellen Zustand des Bauteils mit einem IR-optischen Transmissionsprinzip der Sensoren. Zusam­menfassend dargestellt hat im Vergleich zur elektrischen Feuchtediagnostik der mittels Lichtdurchlässigkeit gemessene Durchfeuchtungsgrad nachhaltige Vorteile, welche für einen prototypischen Einsatz im Bauhandwerk entscheidende Impulse liefern können:

1. Unabhängigkeit vom Salzgehalt (keine Farbänderungen durch baurelevante Schadsalze),

2. Unabhängigkeit von der Temperatur der Porenlösung (kein relevanter Temperatureinfluss),

3. Chemisch „reaktionsneutrale“ Messungen am Bauwerkstoff (keine Elektrodenreaktion),

4. Möglichkeit des Langzeitmonitorings,

5. Günstige Messmethode, wartungsfrei, minimalinvasiv, die keine großen Vorbereitungen und keine aufwendige Messtechnik erfordert.

Im Rahmen des Wissens- und Technologietransfers initiierte die Handwerkskammer für Ostthüringen 2010 ein Projekt, gefördert vom Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie, mit dem Ziel, ein Messverfahren zur langzeitigen Betrachtung von Feuchtigkeit in verschiedenen Bauwerksbereichen bereitzustellen. Schwerpunkt in der Aufgabenstellung ist die Abstraktion beim Einsatz der Messelemente sowie die Nutzbarkeit für eine hohe Bandbreite von Anwendungen und Materialien, unter Berücksichtigung der Aspekte der einfachen und wenig aufwendigen Handhabung, eines geringen Kostenfaktors und der Bereitstellung von Parametern zur Qualitätssicherung handwerklicher Tätigkeit. Die Kooperationspartner des Projektes sind die Handwerkskammer für Ostthüringen mit dem Umweltzentrum des Handwerks Thüringen und die Bauhaus-Universität Weimar.

Lichtoptischer Feuchtesensor (LOF-Sensor)

Durch die Erkenntnis, dass poröse, in der Baupraxis eingesetzte Bauwerkstoffe eine quantitativ durch den Porenfeuchtegehalt bestimmte Lichtdurchlässigkeit aufweisen, ist es möglich geworden, derartige Bauwerkstoffe mit einer Materialdicke bis zu 9 mm zu analysieren [2]. Der Vorteil des neuen lichtoptischen Feuchtesensors besteht in der Integration von Lichtquelle und -empfänger in einem kompakten, robusten Gehäuse und in der Unabhängigkeit der Messung vom Salzgehalt der Porenlösung und von der Temperatur. Wie bekannt, sind elektrische Leitfähigkeitsmessungen bei höheren Salzgehalten nicht in der Lage, quantitative feuchtediagnostische Resultate zu liefern, da die Salzkonzentration den Widerstand der Lösung maßgeblich beeinflusst. Die optische Messmethode benötigt keine korrosionsanfälligen Metallelektroden und schließt dadurch die Elektrolyse aus. Der Aufbau des lichtoptischen Feuchtesensors ist in Abb. 1 schematisch dargestellt und besteht aus folgenden Teilen:

1. Poröser Bauwerkstoff (PBW)

2. Lichtquelle (LED)

3. Fotodiode (FD)

4. Kontaktschicht (porös)

5. Elektrischer Anschluss

6. Segment Isolationswand

Das Licht der Infrarot-LED wird durch die Porenfeuchte transmittiert und die Lichtintensität mit Hilfe der Foto­diode registriert. Je mehr Feuchtigkeit vorhanden ist, desto größer ist die Potenzialdifferenz an der Fotodiode.

Im Labor werden die Werte jedes Sensors mit unterschiedlichen Durchfeuchtungsgraden kalibriert. Die Baumaterialien wurden mit einer Diamantkreissäge in parallele Platten von wenigen Millimetern Dicke geschnitten. Die Kalibrierung wurde mit deionisiertem Wasser durchgeführt. Mit dem Verdunsten wurde der PBW bei Raumtemperatur auf einen bestimmten Durchfeuchtungsgrad eingestellt und anschließend gravimetrisch kontrolliert.

Wegen der kompakten Größe des lichtoptischen Feuchtesensors besteht die Möglichkeit, die Sensoren beim Errichten des Bauteils am Messort einfach zu applizieren oder nachträglich über eine kleine Kernbohrung in ein bestehendes Bauteil einzuführen [1, 2, 4]. Darauf folgend findet ein Feuchtigkeitsausgleich zwischen dem porösen Bauwerkstoff des Sensors und dem zu untersuchenden Bauwerkstoff statt. Dadurch ist es möglich, den Feuchtegehalt des zu untersuchenden Bauwerkstoffs zu bestimmen. Die Ausführung des lichtoptischen Feuchtesensors kann sich konstruktiv und technologisch unterscheiden. Es können Ein- und Mehrsegment-Feuchtesensoren bzw. eine geometrisch definierte Anordnung von mehreren Sensoren zum Einsatz kommen. Abb. 2 zeigt die Anwendung mehrerer lichtoptischer Feuchtesensoren im Mauerwerk. Durch auf diese Weise eingesetzte lichtoptische Feuchtesensoren ist es möglich, nicht nur den Feuchtegehalt zu bestimmen, sondern auch die Feuchteverteilung in der Tiefe des zu untersuchenden Bauteils.

Voruntersuchungen der Bauwerkstoffe

Für die lichtoptischen Untersuchungen zur Charakterisierung der Porensysteme wurden verschiedene Bauwerkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften herangezogen:

» Calciumsulfat-Fließestrich CAF-C25-F5 von Maxit

» Zementestrich CT-F4, Mischungsverhältnis 1:4, Portlandzement CEM I 42,5 N

» Kalkmörtel (MGII)

Die offene Porosität der Bauwerkstoffe beträgt in etwa 16 bis 30 %. Des Weiteren zeigen die porösen Bauwerkstoffe merklich verschiedene Porenradienverteilungen. Die Kennwerte der Bauwerkstoffe sind in Tabelle 1 dargestellt.

Die offene Porosität der Proben P_Vol. (in Vol-%) wurde mit der Gleichung 1, der während der Untersuchungen gemessene Durchfeuchtungsgrad (Dfg) mit der Gleichung 2 berechnet.

m Probenmasse in kg (t – trocken, fg – feucht-vollgesättigt)

V_Pr Probenvolumen in m³

r_W spezifische Dichte des Wassers

P_Vol. = r_W · (m_fg – m_t) · 100%

V_Pr.(1)

D_fg = m – m_t · 100%

m_fg – m_t(2)

ProbenTrockenrohdichte r [g/cm³]Offene Porosität P_Vol. [%]Zementestrich2,1716,1CaSO₄-Estrich 1,9221,6Kalkmörtel1,9329,3

Messungen

Diese Art von lichtoptischen Untersuchungen an verschiedenen Estrichen sind als erste derartige Versuchsarbeiten anzusehen, da bisher kein Nachweis erbracht wurde, dass der Feuchtegehalt von porösen Bauwerkstoffen, wie Estrich oder Kalkmörtel, mit Hilfe von lichtoptischen Messmethoden untersucht worden ist.

Bevor der LOF-Sensor unter Praxisbedingungen untersucht wurde, war zu prüfen, wie sich die Untersuchungsmaterialien infolge von Verlusten durch Wasserverdunstung in Abhängigkeit von der Zeit verhalten. Während der Erhärtung der verschiedenen Estriche wurde die Massenänderung von feuchten Proben im Labor in gleichen Gefäßen (10 x 10 x 3 cm³) in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Abb. 3 zeigt die Masseverluste von drei Proben als Funktion der Zeit. Sichtbar ist, dass der Verdunstungsprozess wesentlich langsamer abläuft als die optischen Aufnahmezeiten während der Untersuchung, die etwa zwei bis drei Sekunden betragen. Das heißt, ­während der Messung ist die Massendifferenz nicht zu er-kennen.

Während der Untersuchungen des lichtoptischen Feuchtesensors unter Praxisbedingungen an den Probenkörpern wurden zeitgleich die Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit gemessen.

Die Messungen wurden bei einer Raumtemperatur von 17,5 ± 2 °C vorgenommen. In Abb. 4 ist zu sehen, dass die Schwankungen der Temperatur nicht periodisch sind und die Erhöhung nur in der Mittagszeit für relativ kurze Zeit zu beobachten ist. Die relative Luftfeuchtigkeit wurde ebenfalls permanent gemessen (Abb. 5). Sie lag am Anfang der Untersuchungen bei etwa 60 % r. F. und sank im Laufe der Messungen unter 40 % r. F. Ein solcher Verlauf der Messwerte zeigt, dass die Trocknungsprozesse der beiden Estrichproben und der Mauerwerke die Luftfeuchtigkeit in der Halle beeinflussen.

Im Hinblick auf die erweiterte Anwendung war es notwendig, im Frischestrich vor der Porenbildung während der Erstarrungs- und Erhärtungsprozesse die Werte des LOF-Sensors zu messen, um somit den Sensor für die erste Phase der Estricherhärtung zu analysieren. Mit sinkendem Durchfeuchtungsgrad steigt der Lichtabsorptionskoeffizient, und es ändert sich die Spannung an der Fotodiode, welche das Licht von der Lichtdiode empfängt. Abb. 6a zeigt mehrere lichtoptische Sensoren, Abb. 6b den Untersuchungsaufbau der Messungen. Die in Bild 7b verwendeten Materialien sind im vorderen Bereich ein Zementestrich und im hinteren Bereich ein CaSO₄-Estrich.

In Abb. 7 ist die Fotodiodenspannung als Funktion der Zeit für die Erstarrung und Erhärtung des Zementestrichs dargestellt. In Abb. 8 ist die Fotodiodenspannung als Funktion der Zeit für den CaSO₄-Estrich abgetragen.

Die Untersuchungen haben deutlich gezeigt, dass der LOF-Sensor sehr empfindlich ist. Die Trocknungsprozesse der Estrichprobe wurden unter den gleichen Bedingungen vom LOF-Sensor gemessen. Die Experimente belegen, dass der Feuchtigkeitsausgleich zwischen dem Sensorbauwerkstoff und dem untersuchten Bauwerkstoff relativ schnell erfolgt. Parallel ist zu erkennen, dass die lichtoptischen Feuchtesensoren in der Lage waren, den nötigen Feuchtegehalt in den Estrichen zu registrieren, z. B. F = 1,9 M. %. Im zweiten Teil der Untersuchung wurde eine Probe mit einem applizierten lichtoptischen Feuchtesensor aus dem Zementestrich herausgeschnitten und erneut durchfeuchtet. Darauf folgend konnte die Probe von allen Seiten trocknen. In Abb. 9 sind die Probe (a) und die Maße der Probe mit beiden Sensoren dargestellt (b).

Derartige Messungen ermöglichen die Kalibrierung des lichtoptischen Sensors. In der Kalibrierkurve sind die Werte von dem Trocknungsprozess berücksichtigt. Die Messungen ermöglichten die Erstellung einer Kalibrierkurve für den lichtoptischen Feuchtesensor im Estrich von 100 Vol.% bis 10 Vol.% Feuchtegehalt.

Eine weitere Untersuchung wurde an einer Mauerwerkswand mit zwei lichtoptischen Feuchtesensoren durchgeführt. Die Sensoren wurden vertikal übereinander in den Zementmörtelfugen appliziert (Abb. 10). Das Mauerelement wurde in eine mit Wasser gefüllte Schale gestellt, so dass sich die Feuchtigkeit von unten nach oben ausbreitete. Die Untersuchungen wurden viermal wiederholt und zeigten, dass die Feuchtesensoren-Messdaten reproduzierbar reagierten (Abb. 11).

Zusammenfassung

Es wurde eine Reihe von Untersuchungen mit lichtoptischen Feuchtesensoren durchgeführt, die erstmals unter Praxisbedingungen im Thüringer Bauhandwerk erprobt wurden. Die Untersuchungen zeigen, dass die lichtoptischen Feuchtesensoren den Feuchtegehalt quantitativ auch unter 1,9 M. % ermitteln können. Die Sensoren können beim Errichten des Bauteils am Messort appliziert oder nachträglich über eine kleine Kernbohrung eingeführt werden. Der mittels Lichtdurchlässigkeit gemessene Durchfeuchtungsgrad hat mehrere Vorteile gegenüber der elektrischen Feuchtediagnostik:

1. Unabhängigkeit vom Salzgehalt (keine Farbänderungen durch Schadsalze),

2. Kein relevanter Temperatureinfluss der Porenlösung,

3. Chemisch „reaktionsneutrale“ Messungen am Bauwerkstoff,

4. Möglichkeit des Langzeitmonitorings,

5. Günstige Messmethode, wartungsfrei, minimalinvasiv, die keine großen Vorbereitungen und keine aufwendige Messtechnik erfordert.

Die Ausführung des lichtoptischen Feuchtesensors kann sich konstruktiv und technologisch unterscheiden. Weiterführend ist es möglich, mit empfindlicheren Fotosensoren die Bestimmungsgrenzen des Durchfeuchtungsgrades zu vergrößern. ¢ ↓

Danksagung

Wir bedanken uns für die Projektförderung durch das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie (Referat Handwerk) und die Handwerkskammer für Ostthüringen. Unsere Danksagung geht auch an die Mitarbeiter des Bildungsverbundes Bau- u. Ausbau gGmbH Gera.