Multifrequenz-Reflektometrie zur Analyse des Feuchte– und Salzgehaltes in Mauerwerk

Kurzbeschreibung

Ziel des Projektes ist Entwicklung eines Messsystems zur Bestimmung von Salz- und Feuchtebelastung in historischem Mauerwerk. Dabei kommt die tiefenabhängige zeitaufgelöste Reflektometrie mittels elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Frequenzen zur Anwendung. Die Messmethode der Reflektometrie stellt sicher, dass nur ein einseitiger Zugang zum Mauerwerk erforderlich ist. Oberhalb einer Frequenz von 100-200 MHz lässt sich so der Effekt von Salz und Feuchte auf den Real- und Imaginärteil der komplexen Dielektrizitätskonstante auftrennen und messtechnisch separieren.

Optimale Multifrequenzkombination

Ziel der geplanten Untersuchungen ist die Identifikation einer optimalen Multifrequenzkombination, mit der sich auch dicke Wände von historischem Mauerwerk bis in die Tiefe von mindestens 50 cm im Reflexionsmodus vermessen lassen und eine ortsabhängige Aussage zu Salz-, Feuchtegehalt und vorliegenden Salzarten erlauben. Weiterhin soll untersucht werden, wie über die Anwendung von „Machine learning-Algorithmen“ auch aus bisher nicht oder nur schlecht auswertbaren Signalen eine Messinformation extrahiert werden kann. Über eine Mehrfrequenzmessung soll außerdem erreicht werden, dass - unabhängig von der Art des Mauerwerks - auf den Feuchte- und Salzgehalt geschlossen werden kann.

Machine Learning-Algorithmen
Vorgesehen ist ein Labortest an bauwerkstypischen Mauerwerksmodellen mit verschiedenen Feuchte- und Salzkonzentrationen, Feuchte- und Salzprofilen sowie unterschiedlichen Salzarten bei mehreren Frequenzen. Auf Grundlage der Messdaten werden Simulationsmodelle zur Beschreibung der Experimente entwickelt bzw. angepasst. Zudem werden Auswertealgorithmen entwickelt, die auf „Machine Learning-Algorithmen“ basieren. Nach der Etablierung der Modelle im Laborversuch erfolgt ein finaler Test im Feld an realem Mauerwerk. Sowohl bei den Laborversuchen als auch bei den Feldtests werden die aus den Messdaten abgeleiteten Werte für Feuchte, Salzgehalt und Salzarten mit den über etablierten Methoden gewonnenen Referenzdaten verglichen.

Graphical abstract

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Quantification of Moisture in Masonry via AI-Evaluated Broadband Radar Reflectometry

Frenzel, Daniel; Blaschke, Oliver; Franzen, Christoph; Brand, Felix; Haas, Franziska...

Heritage 6 (7), S. 5030-5050.
DOI: 10.3390/heritage6070266

Open Access Peer Reviewed

ABSTRACT

Humidity, salt content, and migration in building materials lead to weathering and are a common challenge. To understand damage phenomena and select the right conservation treatments, knowledge on both the amount and distribution of moisture and salt load in the masonry is crucial. It was shown that commercial portable devices addressing moisture are often limited by the mutual interference of these values. This can be improved by exploiting broadband radar reflectometry for the quantification of humidity in historic masonry. Due to the above-mentioned limitations, today’s gold standard for evaluating the moisture content in historic buildings is still conducted by taking drilling samples with a subsequent evaluation in a specially designed laboratory, the so-called Darr method. In this paper, a new broadband frequency approach in the range between 0.4 and 6 GHz with improved artificial-intelligence data analysis makes sure to optimize the reflected signal, simplify the evaluation of the generated data, and minimise the effects of variables such as salt contamination that influence the permittivity. In this way, the amount of water could be determined independently from the salt content in the material and an estimate of the salt load. With new machine learning algorithms, the analysis of the permittivity is improved and can be made accessible for everyday use on building sites with minimal intervention by the user. These algorithms were trained with generated data from different drying studies on single building bricks from the masonries. The findings from the laboratory studies were then validated and evaluated on real historic buildings at real construction sites. Thus, the paper shows a spatially resolved and salt-independent measurement system for determining building moisture.

Quantification of Humidity and Salt Detection in Historical Building Materials via Broadband Radar Measurement

Blaschke, Oliver; Brand, Felix; Drese, Klaus Stefan (2023)

Sensors 23 (10), S. 4616.
DOI: 10.3390/s23104616

Open Access Peer Reviewed

ABSTRACT

For the investigation of moisture and salt content in historic masonry, destructive drilling samples followed by a gravimetric investigation is still the preferred method. In order to prevent the destructive intrusion into the building substance and to enable a large-area measurement, a nondestructive and easy-to-use measuring principle is needed. Previous systems for moisture measurement usually fail due to a strong dependence on contained salts. In this work, a ground penetrating radar (GPR) system was used to determine the frequency-dependent complex permittivity in the range between 1 and 3 GHz on salt-loaded samples of historical building materials. By choosing this frequency range, it was possible to determine the moisture in the samples independently of the salt content. In addition, it was possible to make a quantitative statement about the salt level. The applied method demonstrates that with ground penetrating radar measurements in the frequency range selected here, a salt-independent moisture determination can be carried out.