Teil 4 - TU Dresden

Fakultät Bauingenieurwesen, Institut für Baustoffe, Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine
Modul 4-21, WS
Bauen im Bestand – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe
Teil 4:
Temperaturverteilung und Feuchtetransport
Viktor Mechtcherine
Institut für Baustoffe
Bauwerke unter
thermisch-hygrischer
yg
Belastung
g
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-2-
Beispiel: Temperaturverlauf in einer Platte
Absta
and von der
Obe
erfläche
200
0 [mm]
1702
1700
Zeit 1000
820
W/m2
1720
Regen
g + Hagel
g
20 °C
C
51 °C
C
45.5 °C
2 °C
C
38.5 °C
20 °C
33 °C
33 °C
33 °C
auch Berücksichtigung von:
- Temperaturwechsel Tag / Nacht
- jahreszeitliche Temperaturwechsel
- Temperaturbelastung durch Nutzung
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-3-
Temperaturänderung infolge Hydrationswärme
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Tage
Stunde
en
Temperaturverteilung in einer Wand infolge
Hydratationswärme und anschließende Abkühlung
-4-
Grundgleichung für den Wärmetransport
Fouriersche Gesetz
! # 2T # 2T "
#T
& $ 2 ' 2 % ' q ( , )c )
#y +
#t
* #x
T = Temperatur [K]
T = Zeit [s]
! = Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)]
q = Wärmequelle im Körper [W/m³]
" = Rohdichte [kg/m³]
[kg/m ]
c = spezifische Wärmekapazität [kJ/(kg·K)]
x, y = kartesische Koordinaten in x, y Richtung
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-5-
Wärmeleitfähigkeit von Beton
Temperatureinfluss
Norm
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Feuchteeinfluss
Norm
-6-
Spezifische Wärmekapazität von Beton
Temperatureinfluss
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Feuchteeinfluss
-7-
Temperaturmessverfahren
Kontaktmessung / Infrarotthermometer
(hier in Kombination)
Vorteile
• schnelle Kontrolle der Oberflächentemperaturen
p
((abhängig
g g vom Messfühler))
• geringer Aufwand
• Kontaktmessung unabhängig vom Emissionsgrad
• Kontaktmessung als Kalibriermessung zur Ermittlung
des Emissionsgrades geeignet
• berührungslos (Infrarotthermometer)
• Messfleck,
Messfleck Temperatur und Emissionsgrad
dokumentierbar
Nachteile
• nur „Punktmessungen“ möglich
• keine visuelle Bauteilübersicht
• nachträgliche Bearbeitung von Messdaten
nur eingeschränkt möglich
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Messgerät
g
-8-
Temperaturmessverfahren
Thermografie-Scanner
Vorteile
• große Bauteilflächen können erfasst werden
• Thermografien können nachträglich bearbeitet
werden
• optimale Visualisierung von thermischen
Schwachstellen
• Bei geeigneten Randbedingungen auch zur
Visualisierung von Durchfeuchtungen einsetzbar.
(Interpretation jedoch problematisch und fehleranfällig).
Nachteile
• Durchführung und Auswertung erfordert
besondere Qualifikation
(„Bunte Bilder“ werden oft falsch bewertet)
• Ergebnisse sind manipulierbar
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-9-
Temperaturdehung
Temperaturdehnung
-cT ( . T ) /T
Hot
Cold
#cT = thermische Dehnung
.T = Temperaturdehnungs-Koeffizient
$T = Temperaturdifferenz
Beispiele für .T:
Beton
6 – 12 [*10-6 1/ K ]
Stahl
10 – 16 [*10-6 1/ K ]
Gl
Glas
3 – 10 [*10-66 1/ K ]
Aluminium
23 – 24 [*10-6 1/ K ]
Kunststoffe
50 – 250 [[*10-6 1/ K ]
Holz (abhängig von der Faserrichtung)
-parallel
15 – 60 [*10-6 1/ K ]
-rechtwinklig
ht i kli
3–8
[*10 6 1/ K ]
[*10-6
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- 10 -
Temperaturdehnung von Beton
Einfluss von Zuschlagart und Lagerungsbedingung auf den
Temperaturdehnungs Koeffizienten %T von Beton
Temperaturdehnungs-Koeffizienten
Zuschlag
Betonlagerung
g
g
.T in 10-6 1/K
für Zementgehalte
g
in kg/m
g 3
300 kg/m3
500 kg/m3
Quarz,
S d or
Sand
Kies
in Wasser
11,6
11,6
bei 65 % r.F.
13,0
13,8
Granit
in Wasser
8,1
8,5
bei 65 % r.F.
9,7
10,9
in Wasser
5,7
6,3
bei 65 % r.F.
7,2
8,7
dichter
Kalkstein
praktische Zwecke ! !T = 10·10-6 1/K
für p
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- 11 -
“Zwang” Definitionen für homogene Materialien
U b hi d t
Unbehindert
Ein Material kann sich frei Verkürzen oder
Ausdehnen ((ohne Spannungsentwicklung)
g
g)
Vollständig behindert
Ein Material
Ei
M t i l kkann sich
i h nicht
i ht Verkürzen
V kü
oder
d
Ausdehnen (max. Spannungsentwicklung)
Teilweise behindert
(ein Teil des Schwindens oder Ausdehnens ist
behindert)
Zwang wirkt von außen auf das
M t i l
Material
Weiss (2006)
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- 12 -
Aufteilung der Spannungen
((hier thermische Belastung)
g)
Zusammenstellung der Spannungen in einer Betonplatte
nach Abkühlung von oben
(Annahme einer konst. Nullspannungstemperatur über die Plattenhöhe)
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- 13 -
Feuchtetransport
Yerevan, Armenien
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- 14 -
Bedeutung des Feuchtetransports
Mit einer Wasseraufnahme verbunden sind
• ein Quellen (Dehnung)
• eine Verminderung der Festigkeit; Gefahr der Abplatzungen bei Brand
• eine
i Erhöhung
E höh
d
der Wä
Wärmeleitfähigkeit
l itfähi k it
• eine Förderung von Korrosion an Metallen und chem. Angriffs auf Beton
• bei weitgehender Porenfüllung Zerstörungen durch Frost
Frost.
Die Grundlagen des Wasser- und Dampftransportes in
Baustoffen sind von Bedeutung für
• das Austrocknen und die Wasseraufnahme
• wärmetechnische
ä
t h i h Berechnungen
B
h
• das Auslaugen löslicher Stoffe
• den Transport von Schadstoffen
Schadstoffen.
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- 15 -
Hygrische Kenngrößen
Wasser-/ Feuchtegehalt
Der Feuchtegehalt W ist der Quotient aus der in den Poren des Stoffes enthaltenen
Menge Wassers mw (ungebunden, verdampfbar) und der Trockenmasse mtr des
Stoffes.
m f 0 m tr
mw
) 100 (
) 100
W (
m trt
m trt
[%]
Der Wassergehalt wird i.d.R. gravimetrisch bestimmt durch Trocknung:
g um ein Austreiben
• durch Erhitzen auf 105 °C ((oder auch niedriger,
von chemisch gebundenem Wasser zu vermeiden (z.B. bei Gips 40 °C)
• durch Evakuieren und Verdampfen des Wassers
(Vakuum unterhalb des Dampfdruckes: bei 20 °C
C ca. 0,0235 bar),
• durch Trocknungsmittel, z.B. Silikagel oder Phosphorpentoxid (P2O5) in
geschlossenen Behältern (Exsikkator),
• durch Gefriertrocknung.
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- 16 -
Hygrische Kenngrößen
Diffusion
(eindimensionalen Transportvorgang,
Transportvorgang stationärer Zustand )
1. Ficksche Gesetz:
dc
d
n ( 0D)
dx
bzw.
dc
I ( 0D) A)
dx
n
Stoffmenge (pro Zeit und Flächeneinheit)
[g/m²s]
I
Massenstrom
[g/s]
D
Diffusionskoeffizient
[m²/s]
c
Konzentration
[g/m³]
x
Ortskoordinate
[[m]]
A
durchströmte Fläche
[m²]
Triebkraft => Partialdruckdifferenz des Gases
(keine Strömung nach dem HAGEN-POISEULLESCHEN Gesetz)
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- 17 -
Hygrische Kenngrößen
Wasserdampfdiffusion
Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl
Äquivalente Luftschichtdicke
Diffusionsleitkoeffizienten
(für Wasserdampf in Luft bei 20 °C
und 1013 hPa Luftdruck)
Wasserdampf-Diffusionsstromdichte
Partialdruckdifferenz
Probendicke
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- 18 -
Hygrische Kenngrößen
Luftfeuchte und Kondensation
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- 19 -
Hygrische Kenngrößen
Wasserdampfaufnahme
Sorptionsisothermen poröser Baustoffe (allgemein)
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- 20 -
Hygrische Kenngrößen
Wasserdampfaufnahme
Schematische Sorptionsisothermen einiger poröser Baustoffe
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- 21 -
Hygrische Kenngrößen
Kapillare Wasseraufnahme
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- 22 -
Hygrische Kenngrößen
Kapillare Wasseraufnahme
Kapillare Steighöhe des Wassers
= Oberflächenspannung des Wassers (bei 20 °C ist &w = 0,0727 N/m)
= Randwinkel des Wassers gegen den Feststoff
(bei vollständiger Benetzung ist ' = 0, d.h. cos ' = 1)
= Radius der Kapillare (m)
= Dichte des Wassers (kg/m³) (bei 20 °C ist "w = 998 kg/m³)
= Erdbeschleunigung (9,81 m/s²)
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- 23 -
Hygrische Kenngrößen
Wasser- und Wasserdampfaufnahme
Ki
Kiessl
l (1983)
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- 24 -
Feuchtetransport – Basisformeln
Feuchtigkeitstransport auf Basis nichtlinearer Diffusionstheorie:
3
#3
( div 1D(3 ) ) grad (3 )2
#t
Feuchtegehalt
D(3 ) Feuchte abhängig vom Diff.-Koeffizienten
div
räumlicher Differenzialoperator “Divergenz”
grad räumlicher Differenzialoperator “Gradient”
Feuchtigkeitsaustausch zw. Oberfläche (O) und der Umgebungsluft (A):
qn ( H F ( 3 O 0 3 A )
qn
Feuchtestrom
HF
Feuchtigkeitsübergangskoeffizient
3O 0 3 A Differenz des Feuchtegehaltes
Schwinddehnung infolge der Feuchteänderung:
/- sh ( . h ) /3
.h
hygrischer Ausdehnungskoeffizient
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- 25 -
Mechanismen von Schwinden und Quellen
Spaltdruck
Quellen
Schwinden
H2O
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H2O
- 26 -
Mechanismusmen von Schwinden und Quellen
Zug- oder Druckspannungen in den Porenwänden
Fü Schwinden:
Für
S h i d
• Abnahme der relativen Luftfeuchte
der umgebenden Atmosphäre
• Abnahme der relativen Feuchte
in Poren
• Abnahme der Meniskenradien
des Porenwassers
Kapillardruck
24 ) cos(
pc (
r
mit
4 = Obenflächen
Obenflächenspannung
&
pc
"k
&
(
r
• Zunahme der Zugspannung
im Porenwasser
• Druckspannung im
Zementsteingerüst
• Volumenabnahme des
G
Gesamtsystems
t
t
(autogenes
( t
Schwinden).
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- 27 -
Hygrische Kenngrößen – Permeation
Geschwindigkeitsverteilung einer Flüssigkeit in einer Kapillare
nach dem Hagen-Poisseuille
Hagen-Poisseuille’schen
schen Gesetz
$p = Druckdifferenz
[N/m² = Pa = 10-5 bar]
)=
dynamische Viskosität der Flüssigkeit
[Ns/m²]
Für die je Zeiteinheit transportierte Flüssigkeitsmenge (Volumenstrom)
Q = v A = v  *  R² [m³/s] gilt:
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- 28 -
Hygrische Kenngrößen – Permeation
Die Wasserdurchlässigkeit wird durch den Durchlässigkeitswert
(Permeabilitätskoeffizient) k beschrieben, den man besonders in der Bodenmechanik
benutzt. Durchflussmenge q nach Darcy (1856) für laminare Strömungen:
q=ki
q
=
Durchflussmenge (Filtergeschwindigkeit) je Querschnittfläche,
bezogen auf die Zeit in m³/(s  m²)
K
=
g
(Filterkonstante)
(
) in m/s,,
Durchlässigkeitsbeiwert
i
=
hydraulische Druckhöhe je Länge
Prüfung der Wasserdurchlässigkeit
(schematisch)
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- 29 -
Risse und Permeation
Selbstheilung von Fehlstellen im Beton
Zeitraum der Selbstheilung:
• statische Risse – ca. 20 Tage
• dynamische Risse – bis zu 25 Wochen (max. Änderung $w + 10 %)
• Rückgang auf 1 bis 20 % der anfänglichen Leckage in den ersten 3…5
3 5 Tagen.
Tagen
Voraussetzung:
Begrenzung des Gehalts an CO2 auf + 40 mg/l und pH-Wert auf , 5,5.
[Edvardsen 1996]
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- 30 -
Risse und Permeation
Bereich der Selbstheilung von Rissbreiten
in Abhängigkeit vom Druckgefälle
rechnerische Rissbreite
wk in mm
0,20
nach Edvardsen:
statische Risse (ruhend)
0,15
dyn. Risse ($wk + 10 %))
dyn. Risse ($wk + 50 %))
0 10
0,10
nach WU-Richtlinie
(statische und dyn. Risse
$wk+ 10 %)
0,05
10 15 20
25 30
40
Druckgefälle i
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[Edvardsen 1996]
- 31 -
Risse und Permeation
Selbstheilung von Fehlstellen im Beton
Ursachen und ihre Einflussgrößen
mechanisches
Zusetzen
chem./phys.
Prozesse
Neubildung von
Calciumcarbonat
(> 75 %)
Quellen des
Zementsteins
(< 10 %)
Feinststoffe im
Wasser
lose Partikel
aus dem Beton
Nachhydratation
y
des Zementsteins
(< 15 %)
[Edvardsen 1996]
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- 32 -
Risse und Permeation
Selbstheilung von Fehlstellen im Beton
Prozess der Selbstheilung auf der Außenseite eines Wasserbehälters etwa 2
Wochen nach der Probefüllung.
Probefüllung
(Druckgefälle i = 25; Risse mit w < 0,15 mm, waren anfänglich Wasser führend)
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- 33 -
Risse und Permeation
Permeabilität-Messung (in situ) gegenüber Wasser / Selbstheilung
(hier: Untersuchung an textilbewehrtem Beton)
Sättigung der Probe bei 100 kPa
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Versuchsanordnung
- 34 -
Risse und Permeation
Permeabilität-Messung (in situ) gegenüber Wasser / Selbstheilung
(hier: Untersuchung an textilbewehrtem Beton)
80
Durchfluss bei 100 kPa
40‰
4,0
5
70
Volumen
nstrom
[cm³/(s*m
m²)]
H2O Volum
menstrom [[cm³/(s*m²²)]
90
60
50
40
4
3
2
1
0,083
0
0
30
20
4,611
0,180
0,710
2
4
Dehnung [‰]
6
2,4 ‰
10
-
1,5 ‰
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Zeit [h]
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0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
- 35 -
Risse und Permeation
Permeabilität-Messung (in situ) gegenüber Wasser / Selbstheilung
(hier: Untersuchung an textilbewehrtem Beton)
35 µm
30 µm
Riss vor dem Wasserkontakt
zugeheilter
g
Riss nach 9 Tagen
g
Wasserbeaufschlagung
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- 36 -
Schadensursachen und Feuchtemessung
Feuchteschaden
Abdichtungsmängel
Wä
Wärmebrücken
bü k
Luftfeuchte /
-temperatur
Rohrleitungsg
schäden
Messtechnik
Baustofffeuchte
Oberflächentemperatur
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Raumklima
- 37 -
Direkte Feuchtemessverfahren
Darr-Methode (Thermogravimetrie)
Trocknung (i.d.R. bei 105 °C) bis
kein Gewichtsverlust mehr eintritt.
Vorteile
• sehr hohe Genauigkeit
• keine Beeinflussung durch Salze und Metalle
• sinnvolle Kontrollmessung zur Kapazitivenund Leitfähigkeitsmessung
Nachteile
• zerstörend
• hoher Zeitaufwand
• bedingt durch den Aufwand meist nur
wenige Einzelpunktentnahmen
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Beispiel einer Bohrkernentnahme
Feuchtegehalt:
W (
W (
mw
) 100
m tr
m f 0 m tr
m tr
[%]
) 100 [%]
- 38 -
Direkte Feuchtemessverfahren
CM-Messung (Carbid-Methode)
Calciumcarbid CaC2+ Baustofffeuchte 2H2O = Ca(OH)2 + Acetylengas C2H2
Calciumcarbid wird durch Wasser zersetzt und bildet Acetylengas. Je nach vermuteter
Durchfeuchtung wird dem zu prüfenden mineralischen Bauteil eine Messprobe von
ca.10-50
10 0 g entnommen.
Vorteile
• vor Ort einsetzbar
• Ergebnis liegt sofort vor
• gute Messgenauigkeit bei Gips und Anhydrit
• sinnvolle Kontrollmessung (Belegreife von Estrichen)
Nachteile
• zerstörend
• die Wassergehalte zementgebundener
Materialien werden zu niedrig
g angezeigt
g
g
Messgerät
• Werte nicht mit Darr-Ergebnissen vergleichbar
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- 39 -
Indirekte Feuchtemessverfahren
Leitfähigkeitsmessung
Anzeigewert je nach Messgerät als Holzfeuchteäquivalent
f
(HFÄ)
( Ä)
Messung des elektrischen Widerstandes zwischen den Elektroden.
Vorteile
• zerstörungsarm
• gute Genauigkeit bei Holzfeuchtemessung
• schnelle Eingrenzung von Feuchteschäden
auch in Fugen und Hohlräumen
Nachteile
• Messwertbeeinflussung durch Salze u. Metalle
• nur qualitative Aussagen möglich
(Ausnahme: Holz)
• nur vergleichende Messungen möglich
(Ausnahme: Holz)
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Messgerät
- 40 -
Indirekte Feuchtemessverfahren
Kapazitive Feuchtemessung
(auch: dielektrische Feuchtemessung)
Ermittlung einer höheren elektrischen Kapazität mit zunehmender Baustofffeuchte,
Arbeit mit Wechselstromfrequenzen von 1-200 MHz zur Minimierung des Einflusses
der elektrischen Leitfähigkeit.
Leitfähigkeit
Vorteile
• zerstörungsfrei
• schnelle Eingrenzung von Feuchteschäden
Nachteile
• Messwertbeeinflussung durch Salze u. Metalle
• nur qualitative Aussagen möglich
• nur vergleichende Messungen möglich
Messgerät
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- 41 -
Indirekte Feuchtemessverfahren
Neutronensonde
Neutronensonden messen die Feuchtigkeit in
Bauteilen durch die Analyse der Konzentration
von Wasserstoffatomen. Schnelle Neutronen
werden an Wasserstoffatomen auf "thermische
G
Geschwindigkeit"
h i di k it" abgebremst,
b b
t wobei
b i die
di
Auslösung elektrischer Impulse nachgewiesen
werden kann. Diese Impulse
p
werden von
Mikroprozessoren im Anzeigegerät als
Zahlenwerte dargestellt. Der Feuchtigkeitsgehalt
kann direkt angegeben werden
Prinzip
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- 42 -
Indirekte Feuchtemessverfahren
Neutronensonde
Vorteile
• Messung auch in der Tiefe
• keine
k i B
Beeinflussung
i fl
d
durch
hS
Salze
l
• rationelles Verfahren für Rastermessungen
Nachteile
• radioaktiver Strahler
• neben den Wasserstoffatomen im freien
Wasser werden auch die Atome im
chemisch gebundenen Wasser und in
einigen Kunststoffen mitgezählt.
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Messung an einem Flachdach
- 43 -
Indirekte Feuchtemessverfahren
Mikrowellensonde
Zwei-Loch-Methode
Zwei
Loch Methode / NMR
NMR-Aufsatztechnik
Aufsatztechnik (Resonator Methode) / Ein
Ein-Loch-Methode
Loch Methode
Messprinzip
Messen des Energieverlustes, der entsteht, wenn
Flüssigkeiten von außen durch Mikrowellen hoher
Frequenzen bis zur Resonanz angeregt werden.
Vorteile (Resonator Methode)
• zerstörungsfrei bzw. -arm
• keine Beeinflussung durch Salze
• rationelles Verfahren für Rastermessungen
(Resonator Methode)
• hohe Genauigkeit bei homogenen Bauteilen
Nachteile (Resonator Methode)
• Störeinflüsse schwer erkennbar
• Fehlerquelle Inhomogenität
(Hohlräume, Materialübergänge, Bewehrungsstäbe)
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- 44 -
Indirekte Feuchtemessverfahren
Hygrometrische Feuchtemessung
Luftfeuchteausgleichverfahren
Messung der relativen Luftfeuchte in einem abgeschlossenen Hohlraum,
der sich im direkten hygrischen Kontakt mit dem Baustoff befindet,
nach Einstellung der Ausgleichsfeuchte.
Ausgleichsfeuchte
Vorteile
• zerstörungsarm
• keine Beeinflussung durch Salze und Metalle
• Langzeitmessung möglich
• hohe
h h Genauigkeit
G
i k i z. B
B. b
beii Beton
B
Nachteile
• hoher Zeitaufwand
• meist nur Einzelpunktmessung vertretbar
Messgerät
• Bohrlöcher müssen 24 h vor Messung angebracht sein
• Messwert erst 4-8 h nach Beginn der Messung ablesbar
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- 45 -
Indirekte Feuchtemessverfahren
Hygrometrische Feuchtemessung
Luftfeuchteausgleichverfahren
Um einen Feuchtemesswert in M-.%
anzugeben, muss die Sorptionsisotherme
d untersuchten
des
t
ht Materials
M t i l bekannt
b k
t sein.
i
Lässt sich das untersuchte Material nicht
eindeutig einer Sorptionsisotherme zuordnen,
kann der tatsächliche Wassergehalt des
gemessenen Luftvolumens zur Bewertung
genutzt werden.
Bsp.:
Klima im Bohrloch:
90,6% r.F. u. 18,0°C = 11,7 g/kg
Klima im untersuchten Raum:
40,4% r.F. u. 20,8°C = 5,9 g/kg
Einfache Auswertung
g z.B. durch
HX-Diagramm nach Mollier
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