DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Ortung von Putzablösungen auf Beton und Mauerwerk mit der Puls-Phasen-Thermografie

R. Arndt, Ch. Maierhofer, M. Röllig, F. Weritz, H. Wiggenhauser Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin
Kontakt: Dipl.-Ing. Ralf Arndt

Abstract

In the recent years the application of infrared thermography and especially its active approaches lock-in thermography, impulse themography and pulse phase thermography (PPT) has gained more importance for non-destructive testing (NDT). In this paper it is demonstrated that PPT is very well suited for NDT in civil engineering. The method is based on pulse heating of the investigated specimen and on the observation of the cooling down process on its surface with an infrared camera. The transient behaviour is afterwards analysed with Fast Fourier Transformation, enabling the creation of phase and amplitude images with enhanced visualisation of the defects. Results of European and National (i.e. DFG) funded projects are presented, for example the detection of voids and inhomogeneities close to the surface and the localisation of delaminations on plastered concrete and masonry specimen.

ZUSAMMENFASSUNG

Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Vorhabens zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen wird in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin (TUB) die Puls-Phasen-Thermografie (PPT) weiterentwickelt, bewertet und eingesetzt. Die durch die Impuls-Thermografie (IT) aufgenommenen Daten werden mittels Fast Fourier Transformation (FFT) bearbeitet. Die durch die FFT gewonnenen Phasenbilder reduzieren die Störeinflüsse von Oberflächeninhomogenitäten und ungleichmäßiger Erwärmung.
Die dargestellten Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich die PPT sehr gut zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen eignet. Insbesondere Inhomogenitäten im oberflächennahen Bereich, wie Ablösungen und Hohlstellen hinter Beschichtungen (Putz, CFK-Laminate etc.), aber auch Defekte in größeren Tiefen können zuverlässig geortet und bildgebend dargestellt werden.

1 Einleitung

In den letzten Jahren hat sich die PPT als Werkzeug der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung etabliert. Besonders bei der Ortung von Defekten in mehrlagigen Systemen aus Aluminium und Kunststoffen liefert diese Methode zuverlässige Ergebnisse in der Qualitätssicherung und bei Sonderprüfungen [1], [2].
Die PPT ist eine Erweiterung der Impuls-Thermografie (IT). Wie bei der IT wird die Oberfläche eines betrachteten Bauteiles durch einen Wärmeimpuls erwärmt. Der anschließende Abkühlungsvorgang wird bildgebend mit einer Infrarotkamera aufgenommen; die zeitliche Veränderung der Oberflächentemperatur wird als Abfolge von Thermogrammen digitalisiert und gespeichert. Die Daten werden in Temperaturwerte umgerechnet und können über die Temperaturdifferenz zwischen gestörten und ungestörten Bereichen ausgewertet werden (IT), siehe Bild 1 [3], [4].


Bild 1: Prinzip der Impuls-Thermografie (links) mit Fehlstellenanalyse (rechts).

Bei der PPT werden, analog zur Lock-In-Thermograpfie (LT) [5], die zeitlichen Änderungen der Temperatur jedes erfassten Oberflächenpunktes (Transiente) mittels FFT in den Frequenzbereich transformiert und in ihre spektralen Komponenten zerlegt. Die Frequenzauflösung Df bei der PPT ist gegeben durch die Länge der Beobachtungszeit T (Df = 1/T) und kann ggf. durch "Zeropadding" der Transienten verkleinert werden. Die frequenzabhängige Darstellung von Amplitude A und Phase f eines jeden Datenpunktes kann wiederum bildlich erfolgen (siehe Bild 2).


Bild 2: Prinzip der Puls-Phasen-Thermografie nach Maldague [6], verändert.

Insbesondere die Phasenauswertung liefert, verglichen mit der Transientendarstellung, zusätzliche Informationen über den inneren Aufbau der Konstruktion, indem sie einen quantitativen Wert für die Phasenlage der spektralen Komponente liefert. Ist ein Frequenzanteil im Vergleich zwischen einem gestörten und einem ungestörten Bereich verzögert, manifestiert sich dies als Phasenverschiebung und kann bei einer bildlichen Darstellung visualisiert werden [6].

Die Vorteile gegenüber der herkömmlichen IT sind ähnlich denen, die aus der LT bekannt sind, bei der über die thermische Diffusionslänge µ eine eindeutige Tiefenauswertung erfolgen kann [5]. Die Phasenbilder im Frequenzraum stellen eine Art Querschnitt durch das betrachtete Bauteil dar - je höher die Frequenz, desto näher der Oberfläche befindet sich das erkennbare Tiefenprofil und umgekehrt [7]. Es wird eine erhöhte Nachweisempfindlichkeit der Defektgeometrie und eine bessere Tiefenauflösung erzielt Auch ein Zusammenhang zwischen Tiefenlage und der Frequenz, bei der eine Struktur sichtbar wird, ist zu beobachten[8].

Im Rahmen dieser Arbeit werden Ergebnisse von systematischen Untersuchungen an einem Betonprobekörper mit unterschiedlichen Putzschichtdicken und Putzablösungen sowie an verputztem Mauerwerk vorgestellt

2 Anwendungen

2.1 Experimenteller Aufbau

Der experimentelle Aufbau und die Messparameter variierten je nach Aufgabenstellung (siehe Tabelle 1). Der Aufbau umfasste die Infrarotkamera Inframetrics SC1000 mit Detektorarray (256 x 256, PtSi-Chip, 3-5 µm), eine Erwärmungseinheit und den Messrechner.

Problem Anwendungsort Kamera Erwärmungseinheit Erwärmungszeit [min] Datenerfassung [Hz]
Ablösungen
und
variierende
Putzschicht-
dicke bei
Putz auf
Beton
Labor (innen) Inframetrics
SC 1000
drei Infrarot-
Heizstrahler mit
je 2400 W
12 0,50
Ablösungen
bei Putz auf
Naturstein
Labor (außen) Inframetrics
SC 1000
drei Infrarot-
Heizstrahler mit
je 2400 W
12 0,20
Tabelle 1: Experimenteller Aufbau und Messparameter

Bild 3: Versuchsaufbau für die durchgeführten Labormessungen.
Die thermische Erwärmungseinheit für die Laboruntersuchungen (siehe Bild 3) setzt sich aus drei einzelnen Infrarot-Heizstrahlern mit einer elektrischen Anschlussleistung von je 2400 W zusammen, die senkrecht zur Anordnung gleichmäßig über die zu erwärmende Oberfläche bewegt werden können. Der Abstand der Erwärmungseinheit zur Oberfläche ist variabel. Für die Messungen wurde eine Entfernung von 15 cm gewählt.

2.2 Betonprobekörper mit unterschiedlich dicken Gipsputzschichten

Die Messungen erfolgten an einem verputzten Betonprobekörper (1,50 x 1,50 x 0,50 m3) mit Gipsputzschichten unterschiedlicher Dicke (unten links: 10 mm, oben: 15 mm und unten rechts: 20 mm) der definierte Ablösungen zwischen Beton- und Putzschicht aufweist. Diese wurden bei der Herstellung des Probekörpers durch gelochte und ungelochte Papierstreifen (variierend zwischen 0,10 x 0,10 und 0,20 x 0,20 m²) realisiert (siehe Bild 4).


Bild 4: Betonprobekörper ohne Bewehrung (150 x 150 x 50 cm3). Gipsputz mit Ablösungen unterschiedlicher Ausdehnung (alle Angaben in cm).

Der Probekörper wurde für die Messungen auf der Putzseite erwärmt: Die Erwärmungszeit betrug 12 und die nachfolgende Beobachtungszeit 24 min. Ausgewählte Messergebnisse sind in Bild 5 zusammengefasst. Die obere Bildreihe zeigt Thermogramme nach 10, 100 und 500 s Abkühlung. Deutlich ist der Einfluss der in den Randzonen inhomogenen Erwärmung zu erkennen. Die untere Reihe zeigt Phasenbilder bei 6,94 x 10-4 Hz (Periodendauer 1440 s), 6,94 x 10-3 Hz und 3,47 x 10-2 Hz. Da die Amplitudenbilder gegenüber den Thermogrammen und Phasenbildern keine zusätzlichen Informationen enthalten, werden sie an dieser Stelle nicht weiter thematisiert. Neben den Fugen sind die Bereiche unterschiedlicher Putzdicke gut zu unterscheiden. Im ersten Phasenbild, bei einer Frequenz von 6,94 x 10-4 Hz, erscheint die Putzschicht mit 10 mm hell, die mit 15 mm hellgrau und die mit 20 mm dunkel.

Bild 5: Thermogramme nach 10 / 100 / 500 s Abkühlung (oben, von links nach rechts) und zugehörige Phasenbilder bei ausgewählten Frequenzen (unten).

Bei den Thermogrammen erscheinen die einzelnen Bereiche weniger scharf aufgelöst. Durch die PPT ist eine Arbeitsfuge in einer Tiefe von ca. 10 mm im Bereich mit 20 mm dicker Putzschicht im Phasenbild mit 3,47 x 10-2 Hz zu erkennen. Bei 6,94 x 10-4 Hz und 500 s Abkühlung sind die Ablösungen 3, 5 und 7 (ungelochtes Papier) zu erkennen. Die Fehlstellen 1, 2, 4 und 6 (gelochtes Papier) sind nicht nachweisbar.

2.3 Putz auf einem Mauerwerksprobekörper

Im Rahmen eines EU-Projektes ("ONSITEFORMASONRY") wurde in der BAM ein großformatiger Probekörper für Strukturuntersuchungen an historischem Mauerwerk erstellt [9] (vergleiche auch den Beitrag von A. Wendrich in diesem Band). Dieser wurde aus sorgfältig ausgewählten Materialien nach traditioneller Bauweise aufgebaut, um typische baupraktische Fragestellungen bei historischen Bauwerken untersuchen zu können. Der untersuchte Bereich hat eine Größe von ca. 1,0 x 1,0 m2 und besteht aus Feldsteinen unterschiedlicher Größe, die mit einer Kalkputzschicht variierender Dicke (0,0 bis ca. 3,5 cm) verputzt sind. Im oberen Bereich wurde in 3 cm Tiefe eine Mauerwerkssäule eingebaut. Die Oberfläche wurde 12 min erwärmt. Die Aufnahmezeit betrug 30 min. Der Versuchsaufbau ist in Bild 3 und Tabelle 1 dargestellt, die Thermogramme und Phasenbilder in Bild 6. Auf die Darstellung der Amplitudenbilder wird aufgrund des fehlenden zusätzlichen Informationsgehaltes erneut verzichtet.

Bild 6: Thermogramme nach 0 / 50,0 / 500,0 / 1790,0 s Abkühlung (von links nach rechts, oben) und zugehörige Phasenbilder bei ausgewählten Frequenzen (unten).

In den Phasenbildern (Bild 6, unten) sind die Feldsteine und die Struktur der eingebrachten Mauerwerkssäule klarer zu erkennen als in den Thermogrammen (Bild 6, oben).
Das niederfrequente Phasenbild auf der linken Seite zeigt die gesamte verfügbare Information bis zur Hälfte der thermischen Eindringtiefe des Versuches. Mit zunehmender Frequenz der Phasenbilder nimmt die Informationstiefe ab und umgekehrt.

3 Ergebnisse und Ausblick

Die PPT bildet eine sinnvolle Ergänzung zur Impuls-Thermografie im Bauwesen. Die Auswertung der Messdaten ermöglicht eine kontrastreichere Darstellung der Fehlstellen sowie eine deutliche Reduzierung des Einflusses von Oberflächeneffekten wie z. B. der inhomogenen Verteilung der Emissivitäten oder der inhomogene Erwärmung.

Im Rahmen des DFG-Projektes werden weitergehende systematische Untersuchungen durchgeführt. Zielsetzung ist es dabei u.a., den Zusammenhang zwischen der Frequenz, bei der eine Inhomogenität in den Phasenbildern sichtbar wird, zu verdeutlichen, sowie Aussagen über die Tiefenlage und Geometrie von Fehlstellen treffen zu können.

DANKSAGUNG

Das Vorhaben "Struktur- und Feuchteuntersuchungen von Bauteil- und Bauwerksoberflächen mit der Impuls-Thermografie, Teil 2" wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (Ma 2512 BAM).

Die Messungen am Mauerwerksprobekörper in der BAM und im Alten Museum erfolgten im Rahmen des EU-Projektes "ONSITEFORMASONRY" (www.onsiteformasonry.bam.de).

LITERATUR

  1. Maldague, X.: Theory and practice of Infrared Technology for non-destructive testing, John Wiley and Sons, Inc., 2001.
  2. Vavilov, V. and Marinetti, S.: Thermal Methods Pulsed Phase Thermography and Fourier-Analysis Thermal Tomography, Russian Journal of Nondestructive Testing, Vol. 35, No. 2, 1999, pp. 134-145.
  3. Maierhofer, C., Brink, A., Hillemeier, B., Rieck, C., Röllig, M., Wiggenhauser, H.: Struktur- und Feuchteuntersuchung in Betonstrukturen mit der Impuls-Thermografie, Bauphysik 25 (2003) 1, S. 22-26.
  4. Zwischenbericht zum DFG-Forschungsvorhaben: Struktur- und Feuchteuntersuchungen von Bauteil- und Bauwerksoberflächen mit der Impuls-Thermografie, Geschäftszeichen WI 1785/1-1/2 und HI 636/2-1/2, Berlin, 2001 (unveröffentlicht).
  5. Wu, D., Wu, C. Y. and Busse, G.: Investigation of resolution in lock-in thermography: theory and experiment, in: Proceedings of QIRT 1996, Pisa: Edizioni ETS (1997) pp. 269-274.
  6. Maldague, X. and Marinetti, S.: Pulse Phase Thermography, J. Appl. Phys., 79, (1996) 5, pp. 2694-2698.
  7. Weritz, F., Wedler, G., Brink, A., Röllig, M., Maierhofer, C. and Wiggenhauser, H.: Investigation of concrete structures with Pulse Phase Thermography, in: DGZfP (Ed.) International Symposium on Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE), 16.-19. September 2003, Berlin, Proceedings on BB 85-CD, V80, Berlin (2003).
  8. Maierhofer, C., Arndt, R., Röllig, M., Weritz, F. und Wiggenhauser, H.: Untersuchung von Betonstrukturen mittels Puls-Phasen-Thermografie, in: Thermografie-Kolloquium 2003, 25.09.2003, Universität Stuttgart, DGZfP-Berichtsband 86-CD, 2003, Vortrag 6.
  9. Maierhofer, Ch., Wendrich, A. and Ch. Köpp: ONSITEFORMASONRY - a European Research Project: On-site investigation technique for the structural evaluation of historic masonry buildings, in: Proceedings of ITECOM, 16.-17. December 2003, Athen, Greece, in print

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