Qualitätssicherung und Monitoring im Bauwesen durch die prototypische Anwendung von lichtoptischen und elektrischen Feuchtesensoren in der handwerklichen Praxis

Monitoring von Bauwerkszuständen wird ein immer wichtigerer Bestandteil im Bau­wesen. Die Ermittlung von Bauwerksinformationen ist sowohl im Neubau als auch im Bestand für die Qualitätssicherung, Instandsetzung sowie für die Zustandserfassung von Bauwerken von großer Bedeutung. Im Bereich des Bauwesens gilt es nicht nur Tendenzen innerhalb der technologischen Entwicklung, sondern auch Veränderun­gen in den Bereichen der Qualitätssicherung, der Sicherheit und der da­mit verbun­denen Thematik der Überwachungsmessungen zu betrachten.

Die Bauhaus-Universität Weimar und das Umweltzentrum des Handwerks Thüringen starteten ein Projekt, um eine neue Messmethode in eine prototypische Anwendbarkeit zu überführen.

An der Professur Bauchemie der Bauhaus-Universität in Weimar wurde eine neue Messmethode labortechnisch entwickelt, mit welcher man den Feuchtigkeitsgehalt der Poren sowie das Porenvolumen ohne mathematisch abstrakte Modelle bestim­men kann. Diese Methode bietet im Vergleich mit anderen Porosimetrie- und Feuch­tigkeitsgehaltbestimmungsverfahren gemäß Stand der Technik einige Vorteile. Die Erfindung ist im Besonderen im Hinblick auf die messtechnischen Erfordernisse in verschiedenartigen Revitalisierungsverfahren (Bestimmung des optimalen Sanie­rungszeitpunktes bzw. der Nachhaltigkeit/Wirksamkeit der technischen Maßnahmen) zu sehen. Auf diesem bautechnischen Gebiet ist es notwendig in größeren Zeitab­ständen an definierten Orten im Volumen von Bauteilen realitätsnah die Feuchte ohne merkliche Verfälschungen durch Störeinflüsse (gelöste Salze, Temperatur, Oberflächentrocknung) und korrosive Sensor-Degradation zu messen. Der optische Feuchtigkeitssensor ermöglicht das Monitoring der Feuchtigkeitsgehalte bzw. -ver­teilung im Bauteilvolumen für die Bauwerksüberwachung unabhängig von dem Mau­erwerkssalzgehalt bzw. –temperatur. Im Mittelpunkt steht die bisher unbekannte Kombination von vorteilhafter langzeitlicher Feuchtigkeitsmessung in den örtlichen Original- bzw. Vergleichsbaumaterialien im zeitaktuellen Zustand des Bauteils mit einem IR-optischen Transmissionsprinzip der Sensoren. Zusammenfassend darge­stellt, hat im Vergleich zur elektrischen Feuchtigkeitsdiagnostik der mittels Licht­durchlässigkeit gemessene Durchfeuchtungsgrad nachhaltige Vorteile, welche für einen prototypischen Einsatz im Bauhandwerk entscheidende Impulse liefern kön­nen.

1. Unabhängigkeit vom Salzgehalt (keine Farbenänderungen durch baurelevante Schadsalze)
2. Unabhängigkeit von der Temperatur der Porenlösung (kein relevanter Temperatureinfluss)
3. Zerstörungsarme und chemisch „reaktionsneutrale“ Messungen am Bauwerkstoff (keine Elektrodenreaktion)
4. Möglichkeit des Langzeitmonitorings
5. günstige Messmethode, wartungsfrei, minimalinvasiv, die keine großen Vorbereitungen und keine aufwendige Messtechnik erfordert

Die vorhandenen Feuchtigkeitsmessmethoden lassen sich in konventionelle Verfah­ren (CM-Methode, Darrmethode, Elektrischer Widerstand, Elektrische Kapazität, Ult­raschall, Tracer-Methode) und unkonventionelle strahlungstechnische Verfahren (Röntgenstrahlung, Mikrowellen, Gammastrahlung, Neutronenstrahlung, Kernmag­netische Resonanz) einteilen. Obwohl diese Verfahren in mehr oder weniger großer Breite angewendet werden, zeigt sich, dass quantitative bzw. unverfälschte Ergeb­nisse zum Durchfeuchtungsgrad nur erzielbar sind, wenn Parameter wie z. B. der Salzgehalt, die Temperatur und die Vielfalt des Einflusses der inneren Phasengren­zen des zu untersuchenden Werkstoffs berücksichtigt werden. Dabei erfordert diese genaue Untersuchung oft die Teilzerstörung des Bauteils. Für eine realitätsnahe un­verfälschte Messung des Feuchtigkeitsgehalts im Volumen von porösen Bauwerk­offen sind elektrische Verfahren wegen des merklichen Störeinflusses von mobilen Salzionen und den sekundären Temperatureinfluss weitgehend ungeeignet.

Das Ziel des Vorhabens war es, die Technologie der Messung von Bauwerksinformationen prototypisch in die praktische Anwendung zu integrieren, um damit den Anforderungen des Marktes in den Bereichen des Neubaus, der Modernisierung, der Sanierung sowie der Restauration von denkmalgeschützten Objekten Rechnung zu tragen. Das Ergebnis des Projektes sollte zum einen die Möglichkeiten des Transfers des Messverfahrens in eine praktikable Anwendung evaluieren und Voraussetzungen spezifizieren. Das Ergebnis des Transferprojektes beinhaltet die Bereitstellung eines Messverfahrens zur langzeitlichen Betrachtung von Feuchtigkeit in verschiedenen Bauwerksbereichen. Schwerpunkt in der Aufgabenstellung ist die Abstraktion beim Einsatz der Messelemente sowie die Anwendbarkeit auf eine hohe Bandbreite von Anwendungen und Materialien, unter Berücksichtigung der Aspekte der einfachen und wenig aufwendigen Handhabung, einem geringen Kostenfaktor und der Bereitstellung von Parametern zur Qualitätssicherung handwerklicher Tätigkeit.

Theoretische Grundlagen des Messprinzips

Durch die Erkenntnis, dass poröse, in der Baupraxis eingesetzte Bauwerkstoffe eine quantitativ durch den Porenfeuchtigkeitsgehalt bestimmte Lichtdurchlässigkeit auf­weisen, ist es möglich geworden, derartige Bauwerkstoffe mit einer Materialdicke bis zu 9 mm zu analysieren. Die Lichtdurchlässigkeitsuntersuchungen zeigten, dass die Poren je nach ihrer Struktur und lichtoptischen Matrix-Eigenschaften eine unter­schiedliche Lichtdurchlässigkeit besitzen. Die Lichtleitung des Wassers in den Po­ren eines Bauwerkstoffs ermöglicht die Messung des Feuchtigkeitsgehalts. Die Lichtlei­tung bzw. –streuung in einem porösen Bauwerkstoff mit hoher Feuchtigkeitsbelas­tung ist in der oberen Abbildung dargestellt. Der Einfluss des Durchfeuchtungsgrades (Dfg) auf die Lichtleitverhältnisse im Porensystem erscheint nahe liegend. In dieser stark vereinfachten, strahlenoptischen Betrachtung erfolgt die Lichtstreuung vorzugsweise durch Beugungserscheinungen an Gefügebestandteilen (Spalten, Kreisöffnungen bzw. Porenengstellen, engen Kapillarporen oder Oberflächenrauhigkeiten) bzw. durch Totalreflexion an den Grenzflächen Wasser/Luft.

Der Vorteil des neuen lichtoptischen Feuchtigkeitssensors besteht in der Integration von Lichtquelle und –empfänger in einem kompakten robusten Gehäuse und in der Unabhängigkeit der Messung von dem Salzgehalt der Porenlösung und der Tempe­ratur. Wie bekannt ist, sind elektrische Leitfähigkeitsmessungen bei höheren Salz­gehalten nicht in der Lage, quantitative feuchtigkeitsdiagnostische Resultate zu lie­fern, da die Salzkonzentration den Widerstand der Lösung maßgeblich beeinflusst. Die optische Messmethode benötigt keine korrossionsanfälligen Metallelektroden und schließt das Messergebnis verfälschende Wassersetzung (Elektrolyse) aus. 

Der Aufbau des lichtoptischen Feuchtigkeitssensors ist in der  Abbildung schema­tisch dargestellt. 

Das Licht der Infrarot-LED wird durch die Porenfeuchtigkeit transmittiert und die Lichtintensität mit Hilfe der Fotodiode registriert. Je mehr Feuchtigkeit vorhanden ist, desto größer ist die Potenzialdifferenz an der Fotodiode. Die Ausführung des lichtoptischen Feuchtigkeitssensors (LOF-Sensor) kann sich konstruktiv und technologisch unterscheiden. Es können Ein- und Mehrsegment- Feuchtigkeitssensoren bzw. eine geometrisch definierte Anordnung von mehreren Sensoren zum Einsatz kommen. Wegen der kompakten Größe des Sensors besteht die Möglichkeit, die Sensoren beim Errichten des Bauteils am Messort einfach zu applizieren oder nachträglich über eine kleine Kernbohrung in das Bauteil einzuführen, z. B. in ein bestehendes Mauerwerk.

Projektbericht zum Download.

Projektpartner

• Bauhaus-Universität Weimar - Fakultät Bauingenieurwesen - Professur Bauchemie   
• Bildungsverbund Bau- und Ausbau gGmbH Gera