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Amorphous, porous materials represent by far the largest proportion of natural and men-made materials. Their pore networks consists of a wide range of pore sizes, including mesoand macropores. Within such a pore network, material moisture plays a crucial role in almost all transport processes. In the hygroscopic range, the pores are partially saturated and liquid water is only located at the pore fringe due to physisorption. Therefore, material parameters such as porosity or median pore diameter are inadequate to predict material moisture and moisture transport. To quantify the spatial distribution of material moisture, Hillerborg’s adsorption Theory is used to predict the water layer thickness for different pore geometries. This is done for all pore sizes, including those in the lower nanometre range. Based on this approach, it is shown that the material moisture is almost completely located in mesopores, although the pore network is highly dominated by macropores. Thus, mesopores are mainly responsible for the moisture storage capacity, while macropores determine the moisture transport capacity, of an amorphous material. Finally, an electrical analogical circuit is used as a model to predict the diffusion coefficient based on the pore-size distribution, including physisorption.
Mit dem zerstörungsfreien Verfahren der nuklear magnetischen Resonanz (NMR) mit Fokus auf 1H-Protonen lässt sich der Feuchtegehalt in porösen Materialien bestimmen und bei einem vollgesättigten Medium eine Porengrößenverteilung ableiten. Für die Ermittlung der Porengrößenverteilung muss die gemessene T2-Relaxationszeitenverteilung mit dem Parameter Oberflächenrelaxivität (OR) umgerechnet werden. Ist dieser Parameter für das zu untersuchende Medium unbekannt, kann dieser mithilfe von Vergleichsverfahren abgeschätzt werden. Dabei kommen z. B. Gassorption, Quecksilberporosimetrie (MIP), Dünnschliff-Mikroskopie oder µ-Computer-Tomographie (µ-CT) zum Einsatz. Da die verschiedenen Verfahren allerdings unterschiedliche Auflösungsgrenzen aufweisen und auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen, können die ermittelten ORs für ein Medium stark variieren. Um ein besseres Verständnis für die OR und die Einflüsse der Vergleichsverfahren zu bekommen, wurden 19 verschiedene Sandsteintypen untersucht. Die OR wurde zum einen basierend auf der spezifischen inneren Oberfläche aus der dynamischen Dampfsorption (DVS) und der Gassorption abgeleitet. Zum anderen wurden die Relaxationszeitenverteilungen durch manuelles Anpassen der OR derart in Porengrößenverteilungen umgerechnet, sodass es eine Übereinstimmung mit den Porengrößenverteilungen aus MIP und/oder µ-CT gibt. Die Umrechnung von Relaxationszeitverteilungen in eine Porengrößenverteilung berücksichtigt dabei sowohl fast- als auch slow-diffusion. Insgesamt ergab sich für die Sandsteine ein breites Spektrum an ORs, bei dem die über die innere spezifische Oberfläche ermittelten ORs andere Größenordnungen aufwiesen (< 10 µm/s), als bei dem Vergleich mit MIP oder µ-CT (bis 600 µm/s). Die mit MIP und µ-CT ermittelten Werten lagen dabei um einen Faktor von 1 bis 30 auseinander. Dieser umfangreiche Datensatz, der vier verschiedene Vergleichsverfahren einbezieht, soll neue Erkenntnisse in der Charakterisierung von porösen Materialien (z. B. bezüglich der Oberflächenrauigkeit) und in der Ursache für die starke Variation der OR ermöglichen. Durch das Berücksichtigen von fast- als auch slow-diffusion, können dabei sogar Daten in eine Porengrößenverteilung umgerechnet werden, bei denen das fast-diffusion-Kriterium nach Brownstein und Tarr nicht erfüllt ist. Außerdem ergibt sich aus der Berücksichtigung des slow-diffusion-Regimes ein neues Verständnis für die obere Auflösungsgrenze von NMR.
An Ontology-Based Approach to Enable Data-Driven Research in the Field of NDT in Civil Engineering
(2021)
Although measurement data from the civil engineering sector are an important basis for scientific analyses in the field of non-destructive testing (NDT), there is still no uniform representation of these data. An analysis of data sets across different test objects or test types is therefore associated with a high manual effort. Ontologies and the semantic web are technologies already used in numerous intelligent systems such as material cyberinfrastructures or research databases. This contribution demonstrates the application of these technologies to the case of the 1H nuclear magnetic resonance relaxometry, which is commonly used to characterize water content and porosity distri-bution in solids. The methodology implemented for this purpose was developed specifically to be applied to materials science (MS) tests. The aim of this paper is to analyze such a methodology from the perspective of data interoperability using ontologies. Three benefits are expected from this ap-proach to the study of the implementation of interoperability in the NDT domain: First, expanding knowledge of how the intrinsic characteristics of the NDT domain determine the application of semantic technologies. Second, to determine which aspects of such an implementation can be improved and in what ways. Finally, the baselines of future research in the field of data integration for NDT are drawn.
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.
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.
Die zerstörungsfreie Ermittlung der Materialfeuchte in Baustoffen ist für das Bauwesen von großer Bedeutung, denn ein erhöhter Feuchteeintrag kann zu Schimmelbildung, Alkali-Kieselsäure-Reaktionen, Korrosion etc. führen und somit ein hohes Schadenspotential mit sich bringen. Auch wenn zur qualitativen Lokalisierung möglicher Schad- und Risikostellen bereits zahlreiche zerstörungsfreie Verfahren in der Praxis Anwendung finden, besteht ein Mangel an quantitativen Verfahren, die auch bei niedrigen Feuchtegehalten sensitiv sind. Eine Methode zur zerstörungsfreien und quantitativen Bestimmung des Feuchtegehaltes und der effektiven Porosität ist die 1H-Kernspinresonzanzmethode (NMR). Da NMR sensitiv für die molekulare Beweglichkeit von Wasserstoffprotonen ist, lassen sich Informationen über die Bindungsform und -stärke sowie der Umgebung (Porengröße und Mineralzusammensetzung) der Wasserstoffprotonen gewinnen. Obwohl es bereits seit über 20 Jahren mobile NMR-Messeräte gibt, wird NMR heutzutage immer noch weitestgehend im Labor eingesetzt. Dies liegt daran, dass sie aufgrund der verwendeten Permanentmagnete schwer sind und nur äußerst geringe Eindringtiefen ermöglichen. In einer derzeit laufenden Forschungsarbeit wird deshalb ein speziell für Bohrkerne entworfener NMR-Tomograph eingesetzt. Mit seiner minimalen Echozeit von 50 µs lässt sich (abhängig von der Oberflächenrelaxivität) Wasser bis in nanometergroßen Poren erfassen. Um die Sensitivität von NMR bei Teilsättigung zu untersuchen, wurden verschiedene Sandsteinproben in Exsikkatoren mit relativen Luftfeuchten im Bereich von 33 % bis 96 % gelagert. Als Referenzen dienen zum einen das NMR-Signal bei Vollsättigung und zum anderen die Porengrößenverteilung aus Quecksilberporosimetriemessungen (MIP). Um die NMR-Sensitivität zu bewerten, wird die Korrelation der NMR-Amplitude mit den gravimetrisch ermittelten Feuchtegehalten sowie ein Vergleich der Porosität aus NMR und MIP betrachtet. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass sowohl die Reduzierung der Wasserfilmdicke als auch die Verkleinerung von Porengrößen zu einer ähnlichen Verkürzung der T2-Relaxationszeit führt. Als Ausblick wird ein Lösungsansatz vorgestellt, bei dem die NMR-Signale mit der Wasserfilmdickenberechnung basierend auf der relativen Luftfeuchte im Material korreliert werden.
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.
The detection of moisture in building materials has a high priority in civil engineering to locate and prevent possible moisture damages, e.g. mold, corrosion, delamination etc. Furthermore, it is of great significancy to achieve a better understanding of moisture transport and pore space in different materials. To prevent the degeneration of structures and materials, non-destructive testing methods are more and more deployed. As a non-destructive method in this work, nuclear magnetic resonance (NMR) is applied using a strayfield open magnet device that enables one-dimensional measurements in a defined volumen. By using NMR, the water content of the sample can be determined and also the pore size distribution can be deduced from the relaxation time distribution when having a comparison method like mercury intrusion porosimetry.
In this study different synthetic homogenous materials with defined and almost unimodal pore size distributions are investigated as well as building materials like screed. For analyzing the pore space, the samples were measured at different saturation levels and the building materials at different hydration states as well.
Da Feuchte insbesondere in Form von Flüssigwasser ein hohes Schadenspotential für Baustoffe und Konstruktionen darstellt, finden zerstörungsfreie Verfahren wie die Kernspinresonanz (NMR) zunehmend Einsatz im Bauwesen. Auch wenn zur qualitativen Lokalisierung möglicher Schad- und Risikostellen bereits zahlreiche zerstörungsfreie Verfahren in der Praxis Anwendung finden, so besteht beispielweise bei der Porenraumcharakterisierung und dem Verständnis von Feuchtetransportmechanismen weiterhin Forschungsbedarf. Eine besondere Herausforderung stellt in diesem Zusammenhang die (ortsaufgelöste) Erfassung und Quantifizierung von Feuchteverteilungen bei Teilsättigung dar.
Mittels 1H-NMR lassen sich der Wassergehalt sowie die Relaxationszeiten der Wasserstoffprotonen in Abhängigkeit von ihrer Bindungsart und der Porenumgebung messen. In vollgesättigten porösen Baustoffen kann somit das NMR-Signal als Porengrößenverteilung interpretiert werden. Da aber in der Praxis nur selten bis nie vollgesättigte Zustände vorliegen, befasst sich eine laufende Forschungsarbeit mit dem Verständnis der NMR-Signale teilgesättigter Porensysteme, die teilweise multimodale Porengrößenverteilungen aufweisen.
Im Rahmen dieser Arbeit werden insgesamt 19 Sandsteine aus Deutschland, Tschechien und Italien sowohl im voll- als auch im teilgesättigten Zustand mit NMR untersucht. Definierte teilgesättigte Zustände werden durch Aufsättigen der Proben in Exsikkatoren mit verschiedenen relativen Luftfeuchten (z. B. 33 %, 75 %, 96%) erzeugt. Die Regulierung der Luftfeuchten erfolgt mit Hilfe von gesättigten Salzlösungen. Als Ergebnis wird die Veränderung der Signalamplitude und der T2-Relaxationszeitenverteilungen in Abhängigkeit von dem Feuchtezustand näher betrachtet. Des Weiteren erfolgt die Berechnung des Flüssigwasseranteils bzw. der adsorbierten Wasserfilmdicke einzelner Poren aus der mit Quecksilberporosimetrie bestimmten Porengrößenverteilung und der Annahme einer Porengeometrie (z.B. Schlitz-, Zylinderpore, etc.). Am Ende dieser Arbeit soll der Zusammenhang des NMR-Signals (Amplitude und Relaxationszeiten) mit dem Porensättigungsgrad in einem Porensystem mit multimodaler Porengrößenverteilung bei Teilsättigung aufgezeigt werden.
Die Porosität sowie die Porengrößenverteilung (PSD) eines Baustoffs sind wichtige petrophysikalische Eigenschaften, die Transportprozesse im Material beeinflussen und im direkten Zusammenhang mit der Schadensanfälligkeit stehen (Frost-Tau-Schäden, Schäden durch Salzeinträge und sauren Regen). Verfahren zur Ermittlung der Porosität stellen die Quecksilberporosimetrie (MIP), das Prinzip der Tauchwägung nach Archimedes (triple weighing method, TWM) und die Nuklear Magnetische Resonanz (NMR) dar.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist der Vergleich der drei Methoden für die Porositätsbestimmung. Als Untersuchungsmaterial wurde Sandstein gewählt. Als Baustoff wird Sandstein trotz einer teilweise geringen Festigkeit, aber aufgrund seiner Farbvielfalt häufig für Kulturbauten, Gehwegmaterial und Fassaden eingesetzt. Sandsteine weisen zudem meist eine hohe effektive Porosität (bis zu ca. 30 %) und teilweise breite Porengrößenspektren auf, wodurch Feuchte- und Ioneneinträge begünstigt werden und zu z. B. langfristigen Verfärbungen an Sandsteinfassaden führen können.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Porositäten von 10 verschiedenen Sandsteinen aus Deutschland und Tschechien bestimmt. Für die Untersuchungen mittels TWM und NMR wurden für jede Sandsteinart zwei zylinderförmige Proben unter Unterdruck mit Leitungswasser aufgesättigt. Beim Vergleich der Verfahren liegt der Fokus insbesondere auf NMR und der verwendeten Gerätetechnik, die mit einer minimalen Echozeit von 50 µs ein Wasserstoffsignal in Sandsteinen aus bis zu ca. 2 nm kleine Poren erfassen kann. Darüber hinaus wird das Auflösungsvermögen von MIP und NMR bezüglich der Poren- bzw. Poreneingangsgrößen diskutiert. Für den Vergleich von NMR und MIP werden an ausgewählten Sandsteinproben ebenfalls die zusätzlich ermittelten PSD in Korrelation zueinander gebracht.
Erste Ergebnisse zeigen eine gute Korrelation von NMR- und TWM-Daten, aber teilweise starke Abweichungen zu den mit MIP bestimmten Porositäten. Ergebnisse zu den PSD zeigen teilweise nahezu identische Kurvenverläufe. Jedoch ist die Abschätzung des Umrechnungsfaktors für die NMR-Daten ohne Hinzuziehen von zusätzlichen Referenzverfahren wie Röntgen-Computer-Tomographie oder Spektral Induzierte Polarisation teilweise sehr schwierig.