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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.
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.
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.
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.
Um den Feuchtegehalt von Fußbodenestrich vor der Verlegung von Holz- oder anderen
Bodenbelägen zu bestimmen, werden zerstörende Prüfverfahren wie die Calcium-Carbid
Methode (CM) oder das thermogravimetrische Darr-Verfahren eingesetzt. Diese liefern
jedoch einmalig nur punktuelle Informationen und sind je nach Estrichtyp auch störanfällig.
Zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie wurde an der BAM ein Ringversuch
durchgeführt, dessen Ziel es war, verschiedene nach Möglichkeit zerstörungsfreie oder –
arme Prüfverfahren hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Sensitivität vor allem im Bereich der
Belegereife zu testen. Hier dargestellt sind die Ergebnisse aufgenommen an einer
Calciumsulphat-Estrich Probe vom Typ Knauf FE80 Largo mit drei Verfahren, die auch
Aussagen über die Feuchtegradienten in die Tiefe zulassen. Die Proben wurden bei
Konstant-Normklima mit T=23 °C und rH=50 % zur Trocknung gelagert.
Monitoring of the absolute water content in porous materials based on embedded humidity sensors
(2018)
Moisture transport monitoring may indicate the onset of deterioration in porous building materials Prior to damage occurring. Most moisture measurement systems provide only qualitative values, require extensive calibration, or are destructive. Thus, non-destructive and calibration-free monitoring Systems are required. Our approach of moisture monitoring is to embed sensors that measure the relative humidity.
In our experiment, screed samples are monitored during the Hydration and evaporation process. Every test sample is equipped with 10 embedded sensors which measure the relative humidity across the sample thickness. Based on Hillerborg’s approach, the relative humidity is converted into the corresponding pore saturation. In our study, the free water is computed without knowledge of the Sorption isotherm. The free water in the pore system is predicted and validated. The predicted weight decrease corresponds conclusively to gravimetrically measured weights. The embedded sensors yield the absolute liquid water content and enable an experimental, non-destructive monitoring of liquid water in porous materials.
Eight different screed types are tested including two different sample heights of 35 and 70 mm. The moisture of the four cement based and four sulphate based screeds are monitored during hydration and evaporation. All samples are stored in a climatic chamber at 23◦ C and 50 % relative humidity. Embedded sensors like temperature arrays, humidity sensor arrays, and multi-ring electrodes are embedded in the samples to yield a detailed moisture evolution with high depth resolution. Furthermore, nuclear magnetic resonance is used to quantify the water content at different depths. This multi-sensor approach allows a comprehensive monitoring of the moisture and its gradient in the different screed samples. This yields a deeper insight into the hydration, moisture convection, and diffusion processes.
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.
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.