DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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SIP: Messung des komplexen elektrischen Widerstandes von Beton und Mauerwerk - Ansätze zu einer neuen Prüfmethode

Ernst Niederleithinger, BAM IV.4, Berlin
Andreas Weller, TU Clausthal, Institut für Geophysik
Kontakt: E. Niederleithinger

Zusammenfassung

In der Geophysik wird seit einiger Zeit das Verfahren der "Spektralen Induzierten Polarisation (SIP)"eingesetzt, um nähere Informationen über die Art, die Struktur und den Zustand des Bodens zu erhalten. Die Methode beruht auf der Messung des komplexen spezifischen elektrischen Widerstands im Frequenzbereich zwischen 1 mHz und 10 kHz.

Die SIP kann neue Möglichkeiten beim Einsatz elektrischer Verfahren in der Bauwerksuntersuchung eröffnen. So lassen sich beispielsweise Materialunterschiede von Feuchteinhomogenitäten trennen, was mit konventioneller Widerstandsmessung nicht möglich ist. Ebenfalls denkbar ist eine Detektion kontaminierter Bereiche (z. B. bei starker Belastung durch organische Substanzen oder Salze) im Mauerwerk.

Vorgestellt werden das Verfahrensprinzip, die Messtechnik und erste Ergebnisse von Messungen an Mauerwerksziegeln.

Keywords
Bauwesen, Elektrik, Spektrale Induzierte Polarisation, Feuchtigkeit, Mauerwerk

Einführung

Einfache Messungen des elektrischen Widerstandes werden seit längerer Zeit im Bauwesen zur Bestimmung der Materialfeuchte eingesetzt. Insbesondere bei der Messung an Mauerwerk ist problematisch, dass die Widerstandswerte nicht nur von der Feuchte, sondern auch vom Salzgehalt abhängen. Die Ergebnisse sind also nicht eindeutig und nur schwer zu kalibrieren [Ref. 1].

In der Geophysik, die mit zerstörungsfreien Verfahren den Erduntergrund erkundet, tritt das gleiche Problem auf. Konventionelle geoelektrische Messungen liefern ebenfalls mehrdeutige Ergebnisse. Das Verfahren der "Spektralen Induzierten Polarisation (SIP)"kann hier eingesetzt werden, um nähere Informationen über den Untergrund zu erhalten [Ref 2, Ref 3]. Hierzu wird das Frequenzspektrum des spezifischen Widerstandes im Bereich von einigen mHz bis einigen kHz gemessen. Die änderungen der Werte mit der Frequenz bzw. die Phasenverschiebung zwischen eingespeistem Strom und gemessener Spannung lassen sich auf Polarisationsvorgänge in den Poren des Materials zurückführen und entsprechend interpretieren. In jüngster Zeit wurden unter anderem erfolgreich Messungen an Holz durchgeführt [Ref. 4].

Einige einfache Experimente sollten klären, ob die SIP-Methode einen neuen Ansatz zur elektrischen Bauwerksprüfung bietet. Mit dem Labormessgerät SIP-Mini (Radic Research) wurden mehrere Mauerwerkssteine untersucht, um zuklären, ob sich die geophysikalische Messtechnik anwenden lässt, ob sich die Widerstandsspektren unterschiedlicher Steine unterscheiden und wie sich Feuchteunterschiede bemerkbar machen.

Messaufbau

Der Messaufbau ist in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Die Einspeisung des Wechselstromes (Frequenzen hier 0,09 bis 12000 Hz) geschieht über die äußeren Elektroden, an den inneren wird die resultierende Spannung gemessen. Die Elektroden (medizinische gelierte Ag/AgCl-Elektroden) sind äquidistant angebracht (Wenner-Konfiguration). Aus Strom und Spannung lässt sich für jede Frequenz mit einem Konfigurationsfaktor ein scheinbarer [Scheinbar" deshalb, weil mit der Methode ein integraler Wert über den Volumenbereich unterhalb der Messanordnung erfasst wird. Eine Rekonstruktion zumindest angenähert wahrer Werte ist nur durch eine Vielzahl von Messungen und mathematische Modellierung möglich.] spezifischer Widerstand berechnen.

Abb 1: Messaufbau: A: Messgerät, B: Probe mit Elektroden, C: Steuerrechner, D, E: weitere Proben. Abb 2: Detail des Messaufbaus (Abb. 1). Probe: Gasbeton.

Widerstandsspektrum

Ein typisches Widerstandsspektrum ist in Abbildung 3 dargestellt. Es zeigt mit der Freqeunz abfallende Widerstände im gesamten dargestellten Bereich. Die Phasenverschiebung ist gering (nur einige Hunderstel Grad) und über weite Bereich in etwa konstant. Der Abfall bei hohen Frequenzen (letzter Messwert) ist auf Kopplungseffekte zwischen den Messkabeln zurückzuführen.


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Abb 3: Widerstandsspektrum für einen Vollziegel (feucht). Links Betrag, rechts Phasenverschiebung.

Die Daten sind reproduzierbar und weisen nur geringe Störungen auf. An trockenen Proben waren aber keine Messungen möglich, da sich über die Elektroden dann kein Strom mehr einspeisen ließ.

Typunterscheidung

An insgesamt drei Steintypen (unter Normaldruck und Zimmertemperatur eine Woche gewässert) wurden vergleichende Messungen durchgeführt. Die Daten sind in Abbildung 4 in Form von aus der Elektronik und Elektotechnik bekannten Arganddiagrammen [Ref. 5]. Der komplexe elektrische Widerstand wird hierfür in Realteil (Anteil, der mit dem Quellsignal in phasengleich ist) und Imaginärteil (phasenverschobener Anteil) getrennt und auf den Maximalwert des Betrages normiert. Real- und Imaginärteil werden für die einzelnen Messfrequenzen gegeneinander aufgetragen. Diese Darstellungsform ermöglicht einen objektiven Vergleich der Spektrenformen unabhängig von den Absolutwerten der spezifischen Widerstände, die stark von der erreichten Wassersättigung abhängen.

Alle Kurven zeigen einen starken Abfall bei hohen Frequenzen, der auf störende Kabelkopplungseffekte zurückzuführen ist. Die eigentlichen Polarisationsvorgänge "verstecken"sich im oberen, niederfrequenten Teil der Kurven, der bei den betrachteten Steintypen stark unterschiedlich ausfällt. Während sich der Realteil des Widerstandes bei Gasbeton mit der Frequenz kaum ändert, sinkt er beim Kalksandstein um etwa 2%, beim Vollziegel um etwa 4 %. Auch die Kurvenform und -lage unterscheidet sich deutlich. Dies könnte in Zukunft eine Erkennung bestimmter Mauerwerkstypen hinter Putz ermöglichen.

Abb 4: Arganddiagramme des spezifischen Widerstandes für drei Steintypen (wassergesättigt). Zahlenwerte an Kurven: Messfrequenz.

Feuchteverteilung

Der Absolutwert des spezifischen Widerstandes ist - wenn keine Salzbelastung vorliegt - primär von der Wassersättigung des Materials abhängig. Durch Veränderung der Messposition und der Eindringtiefe der Elektrodenanordnung sollte sich daher ein Abbild der Feuchtigkeitsverteilung ergeben.

Ein Vollziegel wurde nach mehrtägiger Wässerung zwei Tage in unveränderter Orientierung auf wasserundurchlässiger Unterlage bei Zimmertemperatur gelagert. Danach wurde eine elektrische Sektion (eine Art elektrischer Schnitt durch den Stein, Schema Abb. 5) gemessen, bei der mit verschiedenen Kombinationen von insgesamt neun auf der Oberfläche angebrachten Elektroden (in Abb. 5 markiert auf Oberseite) gemessen. Die Orts- und Tiefenzuordnung der 21 Messwerte sind auf der Seitenfläche markiert.

Abb 5: Messschema für elektrische Sektion auf Vollziegel. Elektrodenpositionen auf Oberseite, Messwertezuordnung auf Vorderseite.

In Abbildung 6 sind die erfassten Werte als Vertikalschnitt dargestellt. In Oberflächennähe sind die Widerstände deutlich höher als in größerer Tiefe. Dies korrespondiert mit dem Gradienten der Wassersättigung bei Austrocknung von der Oberseite. Zusätzlich zeigen sich auch laterale Inhomogenitäten, die auf Unregelmäßigkeiten im Ziegel zurückzuführen sein dürften. Es zeigt sich, dass mit derartigen Messungen recht detaillierte Bilder der Feuchtigkeitsverteilung im Material erzeugt werden können, wenn keine anderen Einflussgrößen (z. B. Salzgehalt) variieren.

Abb 6: Ergebnis der elektrischen Sektion (Betrag des Widerstandes bei 3 Hz).

Schlussfolgerungen und Ausblick

Erste Messungen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) an verschiedenen Mauerwerkssteinen zeigten, dass diese zwar geringe, aber gut reproduzierbare und je nach Typ unterschiedliche Polarisationseffekte im spezifischen Widerstand aufweisen. Primäre Einflussgröße für den Betrag des Widerstandes ist die Wassersättigung, die sich mit der Methode zumindest qualitativ gut erfassen lässt.

Der Messaufbau muss hinsichtlich Störempfindlichkeit und der Möglichkeit zur Messung sehr hoher Widerstände (trockenes Material) noch optimiert werden. Systematische Arbeiten zum Einfluss von Wassersättigung, Salzgehalt und weiteren Einflussgrößen sind notwendig, um zu verbesserten qualitativen und quantitativen Aussagemöglichkeiten zu kommen (z. B. Kontamination von Materialien). Die SIP-Methode bietet in jedem Fall ein deutlich größeres Potential als die konventionellen Messungen mit Gleichstrom.

Danksagung

Die Autoren danken der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe für die leihweise überlassung der Messapparatur und der Wienerberger AG für das zur Verfügung gestellte Probenmaterial.

Literaturverzeichnis

  1. Schickert, G., Henschen, J., Krause, M., Maierhofer, C., Weise, F., Wiggenhauser, H., & Borchardt, K.: ZfPBau-Kompendium, 1999.http://www.bam.de/service/publikationen/zfp_kompendium/welcome.html
  2. Knödel, K., Krummel, H., Lange, G.: Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten. Band 3: Geophysik. Springer, Berlin, 1997.
  3. Niederleithinger, E., Grissemann, Ch., & Rammlmair, D.: SIP Geophysical Measurements on Slag Heaps: a New Way to Get Information About Subsurface Structures and Petrophysical Parameters. Proceedings of ICAM 2000 Congress, Göttingen.
  4. Thierry, B.; Weller, A.; Schleifer, N.; Westphal, T.: Polarisation effects of wood. - 7th Meeting of Environmental and Engineering Geophysical Society (European Section) - Birmingham 2001.
  5. Luo, Y. & Zhang, G.: Theory and Application of Spectral Induced Polarization. Geophysical Monographs, SEG, Tulsa, 1998.

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