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When applying Ground Penetrating Radar (GPR) to assess the moisture content of building materials, different medium properties, dimensions, interfaces and other unknown influences may require specific strategies to achieve useful results. Hence, we present an overview of the various approaches to carry out moisture measurements with GPR in civil engineering (CE). We especially focus on the applied Signal features such as time, amplitude and frequency features and discuss their limitations. Since the majority of publications rely on one single feature when applying moisture measurements, we also hope to encourage the consideration of approaches that combine different signal features for further developments.
To date, the destructive extraction and analysis of drilling cores is the main possibility to obtain depth information about damaging water ingress in building floors. The time- and costintensive procedure constitutes an additional burden for building insurances that already list piped water damage as their largest item. With its high sensitivity for water, a ground-penetrating radar (GPR) could provide important support to approach this problem in a non-destructive way. In this research, we study the influence of moisture damage on GPR signals at different floor constructions. For this purpose, a modular specimen with interchangeable layers is developed to vary the screed and insulation material, as well as the respective layer thickness. The obtained data set is then used to investigate suitable signal features to classify three scenarios: dry, damaged insulation, and damaged screed. It was found that analyzing statistical distributions of A-scan features inside one B-scan allows for accurate classification on unknown floor constructions. Combining the features with multivariate data analysis and machine learning was the key to achieve satisfying results. The developed method provides a basis for upcoming validations on real damage cases.
Das Neutronensondenverfahren wird bereits seit vielen Jahren erfolgreich zur Eingrenzung und Quantifizierung auftretender Feuchteschäden an Fußböden eingesetzt. Hierzu bedarf es jedoch einer Vielzahl zerstörender Sondierungsbohrungen, welche die gewonnenen Messdaten kalibrieren und eine Tiefenzuordnung des Flüssigwassers zulassen. Dadurch entsteht ein zeitlicher und finanzieller Aufwand, der durch den parallelen Einsatz des elektromagnetischen Radarverfahrens vermieden werden könnte. Mit seiner hohen Sensitivität für Wasser bietet diese Messmethode die Möglichkeit der vertikalen Lokalisierung von Feuchte, was zu einer automatisierten Klassifizierung typischer Schadensfälle beitragen soll.
In einem laufenden Forschungsvorhaben werden in systematischen Laborstudien gängige Schadensfälle an häufig anzutreffenden Fußbodenaufbauten simuliert und deren Einfluss auf die genannten Verfahren untersucht. Hierbei kommen Zement- und Anhydritestriche, sowie unterschiedliche Dämmmaterialen mit variierenden Schichtdicken zum Einsatz. Wesentlicher Bestandteil der Auswertung ist die Extraktion signifikanter Signalmerkmale des Radarverfahrens, welche Rückschlüsse auf den Schadensfall und ggf. die Wassermenge zulassen. Weiterführend sollen die Kombinationsmöglichkeiten der verschiedenen Signalmerkmale und der Neutronensondendaten durch Methoden der multivariaten Datenauswertung und des maschinellen Lernens geprüft werden. Die Unabhängigkeit gegenüber wechselnden Schichtdicken und Materialien steht hierbei besonders im Fokus und soll anhand der erzielten Ergebnisse evaluiert werden.
In this ongoing research project, we study the influence of moisture damage on Ground Penetrating Radar (GPR) in different floor constructions. For this purpose, a measurement setup with interchangeable layers is developed to vary the screed material (cement or anhydrite) and insulation material (glass wool, perlite, expanded and extruded polystyrene), as well as the respective layer thickness. The evaluation of the 2 GHz common-offset radar measurements is focused on the extraction of distinctive signal features that can be used to classify the underlying case of damage without any further information about the hidden materials or layer thicknesses. In the collected dataset, we analyze the horizontal distribution of A-scan features in corresponding B-scans to detect water in the insulation layer. Furthermore, possible combinations of these features are investigated with the use of multivariate data analysis and machine learning (logistic regression) in order to evaluate the mutual dependencies. In this study, the combination of an amplitude- and frequency-based feature achieved an accuracy of 93.2 % and performed best to detect a damage in floor insulations.
Related work
Laboratory Study:
Combining Signal Features of Ground-Penetrating Radar to Classify Moisture Damage in Layered Building Floors
https://doi.org/10.3390/app11198820
On-Site Study:
TBA
Doctoral Thesis:
Non-destructive classification of moisture deterioration in layered building floors using ground penetrating radar
https://doi.org/10.14279/depositonce-19306
Measurement Parameters
The GPR measurements were carried out with the SIR 20 from GSSI and a 2 GHz antenna pair (bandwidth 1 GHz to 3 GHz) in common-offset configuration. Each B-Scan consists of N A-Scans, each including 512 samples of a 11 ns time window. Survey lines were recorded with 250 A-Scans/ meter, which equals a 4 mm spacing between each A-Scan No Gains were applied.
Folder Description:
Lab_dry, Lab_insulDamage, Lab_screedDamage
- each contain 168 Measurements (B-Scans) in .csv on 84 dry floors, floors with insulation damage and screed damage.
- each floor setup was measured twice on two orthogonal survey lines, indicated by _Line1_ and _Line2_ in the file name.
- the file names encode the building floor setup e.g. CT50XP100 describes a 50 mm cement screed with 100 mm extruded polystyrene below
- the material codes are
CT: cement screed, CA: anhydrite screed, EP: expanded polystyrene, XP: extruded polystyrene, GW: glass wool, PS: perlites
further information can be found in the publication https://doi.org/10.3390/app11198820
OnSite_
- 5 folders containing B-Scans on 5 different practical moisture damages
- the building floor setup is encoded according to the lab with an additional measurement point numbering at the start and a damage case annotation at the end of the file name with _dry, _insulationDamage and_screedDamage
File Description:
B-Scans, Measurement files - no header
- dimension: 512 x N data point with N beeing the number of A-Scans including 512 samples of a 11 ns time window.
- survey lines were recorded with 250 A-Scans/ meter, which equals a 4 mm spacing between each A-Scan
Moisture References
- Moist_Reference of On-Site Locations include the columns MeasPoint: Measurement point, wt%Screed: moisture content of screed layer in mass percent; wt%Insul: moisture content of insulation layer in mass percent. References were obtained by drilling cores with 68 mm diameter in the center of each survey line.
- Moist_Reference_Screed of Lab data include the columns Screed: Screed material and thickness in mm, wt%Screed moisture content of screed layer in mass percent
- Moist Reference_Insul of Lab data include the columns Insulation: Insulation material and thickness in mm, water addition in l: water added to the insulation layer in liters, V%Insulation: water added to the insulation layer in volume percent, RH%: resulting relative humidy in the insulation layer during measurement. These References are only avaible for Lab measurements on insulation damages.
Die Bestimmung der Belegreife von Estrichen erfolgt im Bauwesen meist unter Verwendung von zerstörenden Verfahren, die Probenentnahmen erfordern und nur punktuelle Daten liefern. Bei anhydritgebundenen Estrichen gelten 0,5 M% und bei zementgebundenen ca. 3,5 M% und höher als belegreifer Feuchtegehalt. Die Belegreife wird als Feuchtegehalt in Masseprozent (M%) bezogen auf die Trockenmasse des Baustoffes angegeben. Zur zerstörungsfreien Feuchtemessung existieren verschiedene einfach zu bedienende Handgeräte, die u. a. auf elektrischen, elektromagnetischen und kapazitiven Methoden beruhen. In dieser Arbeit wurden ein kapazitives (Kugelsonde), ein elektromagnetisches (Mikrowellensensoren) und ein elektrisches Messverfahren (Vierelektroden-Sonde) untersucht. Mit Ausnahme der Vierelektroden-Sonde weisen die Handgeräte keine ausreichende Sensitivität in Bereichen niedriger Feuchtegehalte unterhalb von 1 M% auf und scheinen somit nicht für anhydritgebundene Estriche geeignet zu sein. Für zementgebundene Estriche lassen sich hingegen mit allen getesteten Geräten Änderungen in dem Bereich der Belegreife erfassen. In dieser Arbeit wird zusätzlich die Wasserabgabe in g/m²/Tag als Bezugsgröße herangezogen. Die Wasserabgabe stellt ein geeigneteres Maß für die Schadensträchtigkeit dar und ermöglicht direkte Vergleiche unabhängig von der verwendeten Estrichart. Für alle getesteten Estriche konnte eine Wasserabgabe von ca. 8-10 g/m²/Tag als Belegreifegrenzwert bestimmt werden.
Die Ermittlung der Belegreife von Fußbodenestrichen ist im Bauwesen von hoher Bedeutung,
da es bei dem Verlegen von Parkett oder anderen Bodenbelägen auf Estrichen zu erheblichen
feuchtigkeitsbedingten Schäden kommen kann, wenn diese noch nicht hinreichend
getrocknet sind. Für die Messung des Feuchtegehalts wird üblicherweise auf zerstörende
Methoden wie das Darr- und CM-Verfahren zurückgegriffen, die Probennahmen erfordern
und nur punktuelle Informationen liefern.
Ziel dieser Forschungsstudie ist die Untersuchung der Eignung und Anwendbarkeit des
Georadars und der Kernspinresonanz (NMR) zur zerstörungsfreien und flächendeckenden
Feuchtemessung von Estrichen. Dazu wurden Messungen mit beiden Verfahren an einer
Gruppe zementgebundener (CT) und einer Gruppe anhydritgebundener (CA) Estriche
während ihres Austrocknungsprozesses bei einem Konstant-Klima durchgeführt. Bei dem
Radarverfahren werden Amplitude und Laufzeit elektromagnetischer Reflexionen, die durch den Wassergehalt beeinflusst werden, gemessen. Die Radarmessungen erfolgten auf jeder
Probe entlang von zwei senkrechten Profilen mit einer 2GHz-Antenne. Die Kernspinresonanz
steht aufgrund ihrer Abhängigkeit zur magnetischen Kernresonanz der 1H-Wasserstoffatomen
in Relation mit dem Wassergehalt in dem Messvolumen der zu untersuchenden
Probe. Die Untersuchungen erfolgten mit dem NMR MOUSE System in Aufsatztechnik.
Dabei liegt die Eindringtiefe bei 24,8 mm.
Bei den Untersuchungen lässt sich für CT-Estriche ein starker vertikaler Feuchtegradient
feststellen. Die CA-Estriche weisen hingegen nur einen schwachen Feuchtegradienten bis
nahezu konstante Amplituden über die gesamte Tiefe auf. Nach Erreichen einer Amplitude
von ca. 5-8 lässt sich keine weitere Amplitudenveränderung registrieren bzw. sind ab diesen
Zeitpunkt die Änderungen im Wassergehalt zu gering, um von der NMR aufgelöst zu werden.
In den Ergebnissen des Radarverfahrens lässt sich ebenfalls ein von dem Feuchtegehalt
abhängiges Verhalten der Messparameter beobachten. Mit zunehmender Trocknung kann
man eine Abnahme der Laufzeit zwischen direkter und an der Rückwand reflektierter Welle
messen. Die Amplituden beider Wellen hingegen nehmen während des Austrocknungsprozesses
zu. Im Gegensatz zur NMR erhält man keine tiefenbezogenen Informationen.
Es lassen sich aber Rückschlüsse auf den Feuchtegehalt im Gesamtvolumen ziehen.
We have compared the performance of the typical Darr and CM moisture testing techniques, which are destructive with several non-destructive testing techniques on two types of floor screeds. In case of cement based screeds these destructive tests failed to deliver reliable results. Moreover, our measurements indicate significantly different drying and moisture transport behavior for the investigated cement based and calcium-sulphate based screeds. Whereas we have strong with depth decreasing moisture gradients in the CT material, we observe in the penetrated volumes of our ndt methods basically no clear moisture gradient in the CA samples. The findings with ndt methods could be supported by moisture gradient studies with nuclear magnetic resonance measurements.
The development of prevention methods and the detection of moisture related damages in buildings and transport infrastructure at an early stage are current issues in the field of non-destructive testing in civil engineering.
Especially the subject of partial saturation requires further research since it is more likely to occur than full saturation of the material. In fact, partial saturation in porous media is even more complicated because both fully and partly saturated pores (i.e. pores in which the surfaces are covered with thin water layers) are present.
As the non-destructive method nuclear magnetic resonance (NMR) enables the measurement and quantification of relative low moisture contents, it is suitable for the investigation of partly saturated porous building materials. Nevertheless, the differentiation between partly and fully saturated pores is still a challenge. Therefore, in this study, we investigate two sandstones types (Bozanov and Schönbrunner sandstone) at various defined saturation states by using NMR. Furthermore, we measure the relative humidities within the samples and compute the water layer thicknesses (WLT) along the pore walls of all pore sizes to calculate the corresponding degree of pore saturation. To finally assign the NMR signals to pore sizes and to differentiate between partly and fully saturated pores, the water content distribution obtained from the WLT calculation is used for calibration of the relaxation-time distribution. In this extended abstract, selected results only for Schönbrunner sandstone are presented.
NMR is gaining increasing interest in civil engineering applications for the use of microstructure characterization as e.g. pore size determination and monitoring of moisture transport in porous materials. In this study, the use of NMR as a tool for pore size characterization was investigated. For our study we used screed and synthetic materials at partial and full saturation. A successful determination could be achieved when having a reference or calibration method, although partly diffusion effects have been registered. Due to these diffusion effects, for the determination of pore size distributions of synthetic materials another NMR device was needed. Finally, the determination of the surface relaxivity of screed (50 μm/s) led to a higher value than first expected from literature.