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Abschlussbericht Hildesheim/Göttingen Juni 2014 Band 4 Projekt:
Az: Modellhafte Entwicklung und Anwendung eines innovativen Systems zur berührungs‐und zerstörungsfreien Schadensanalyse von umwelt‐ geschädigten Steinobjekten unter Einsatz der Terahertz (THz) – Strahlung.
29379‐45 Projektbeginn: 13. Dezember 2012 Laufzeit: 26,5 Monate Bewilligungsempfänger: Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Viöl HAWK FH HHG Fakultät Naturwissenschaft und Technik Von‐Ossietzky‐Str.99 37085 Göttingen Tel: 0551‐3705‐218 Email: vioel@hawk‐hhg.de Verfasser: Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Viöl und Dipl. Rest. Kirsti Krügener Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Diagramverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1. Einleitung
2. Zusammenfassung der Projektphasen 3. Objektauswahl: Bestandserfassung und Zustandsbeschreibung 3.1 Objekte des Niedersächsischen Landesmuseum 3.2 Objekte des Niedersächsischen Landesamt für Denkmalpflege 4. Identifikation relevanter Kenndaten für die THz‐Analyse (Materialdatenbank) 4.1 Auswertung des Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten für THz 4.1.1 Materialauswahl und Herstellung der Prüfkörper 4.2 Materialauswahl Gestein 4.2.1 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten/Gestein 4.3 Materialauswahl Hinterfüllmörtel 4.3.1 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionsk./Hinterfüllmörtel 4.4 Materialauswahl Festigungsmittel 4.4.1 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten/Festiger 4.5 Materialauswahl von Terrakotta und Glasur 4.5.1 Materialzusammensetzung und Aufbau der glasierten Terrakotten 4.5.2 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionsk./Glasur und Terrakotta 4.6 Zusammenfassung der THz‐Messergebnisse 4.7 Kenndatenermittlung der Gesteine und Hinterfüllmörtel in Ultraschall 4.7.1 Prüfkörperkonfiguration und Voruntersuchung 5. Hohlraummessung mit zeitaufgelöster THz‐Spektroskopie (THz‐TDS) an Naturstein im Laboraufbau 5.1 Prüfkörperkonfigurationen mit planer Oberfläche 5.1.1 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS/Obernkirchener Sandstein 5.1.2 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS/Weiberner Tuff 5.1.3 Beurteilung der Messergebnisse 6. Identifikation von Materialübergängen an Naturstein mittels THz‐TDS und Ultraschall 6.1 Identifikation der Grenzschicht zwischen Hinterfüllmörtel und Naturstein (THz‐TDS) 6.1.1 Prüfkörperkonfiguration 6.1.2 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS/Hinterfüllmörtel KSE 500 STE 6.1.3 Beurteilung der Messergebnisse/Identifikation Hinterfüllmörtel 6.1.4 THz‐TDS Kontrollmessungen am Beispiel von Kirchheimer Muschelkalk 6.1.5 Beurteilung der Messergebnisse der Kontrollmessung 6.2 Identifikation der Grenzschicht zwischen Hinterfüllmörtel und Gestein (Ultraschall) 6.2.1 Prüfkörperkonfiguration 6.2.2 Darstellung und Beurteilung der Messergebnisse Ultraschall 6.3 Ermittlung zur Eindringtiefe von Festiger mittels THz‐TDS 6.3.1 Prüfkörperkonfiguration 6.3.2 Beurteilung zur Ermittlung der Eindringtiefe von Festiger mittels THz‐TDS 7. THz‐TDS Messung an glasierten Terrakottaprüfkörpern 7.1 Prüfkörperkonfiguration (TER5; TER6) 7.1.1 Darstellung der Messergebnisse/Terrakotta mit planer Glasurfläche 7.1.2 Beurteilung der Messergebnisse 7.2 Darstellung und Beurteilung der Messergebnisse/Terrakotta mit unregelmäßiger Glasurablösung 3 4
4 6 7 8 9 9 11 12 13 13 14 16 17 18 20 21 22 22 23 24 24 24 26 26 27 28 28 29 29 29 30 31 31 33 33 34 34 36 36 36 38 38 39 40 40 Seite 2 8. Bildgebende Detektion von Hohlräumen an Prüfk. im Laboraufbau (THz‐Reflexions‐Image‐Messung) 8.1 Bildgebende Detektion von Hohlräumen an Gesteinsprüfkörpern 8.1.1 Prüfkörperkonfiguration Gestein 8.1.2 Messung und Auswertung der THz‐Reflexions‐Image‐Messung/Gestein 8.1.3 Bewertung der Messergebnisse THz‐Reflexions‐Image‐Messung/Gestein 8.2 Bildgebende Detektion von Glasurablösungen an Terrakotta 8.2.1 Messung und Auswertung der THz‐Reflexions‐Image‐Messung/Terrakotta 8.2.2 Bewertung der Messergebnisse THz‐Reflexions‐Image‐Messung /Glasur 9. Objektmessung mit mobilem THz‐System 9.1 Hohlraumdetektion an den Grotesken Natursteinreliefs des NLM 9.1.1 Darstellung der Messergebnisse (THz‐Reflexionspunktmessung) 9.1.2 Bewertung der Messergebnisse (THz‐Reflexionspunktmessung) 9.2 Detektion von Hohlräumen und Materialübergängen mit THz‐Reflexionsmessung und THz‐ Imagemessung an bewittertem Gestein/Kordeler Sandstein 9.2.1 Darstellung zur Identifikation der Grenzschicht zwischen Injektionsmörtel und bewittertem Gestein/ (THz‐TDS) 9.2.2 Bewertung der THz‐Reflexionsmessungen an Kordeler Sandstein 9.2.3 Darstellung und Bewertung der THz‐Imagemessung an Kordeler Sandstein 9.3 Detektion der Glasurablösung am Terrakottamedallion des NLD 9.3.1 Darstellung und Bewertung der Messergebnisse (THz‐Reflexionspunktmessung) 9.3.2 CT‐Analyse des Terrakottamedallion 10. Untersuchung zum Einfluss materialspezifischer Störungseigenschaften in der THz‐Analyse 10.1 Grenzwertermittlung der zulässigen Materialfeuchte für THz‐Analysen 10.1.1 Messaufbau und Messablauf 10.1.2 Darstellung der Messergebnisse am Beispiel Baumberger Sandstein 10.2 Darstellung zum Einfluss der Oberflächenrauigkeit für THz‐Analysen von Gestein 10.2.1 Messaufbau und Messablauf 10.2.2 Darstellung und Beurteilung der Messergebnisse zum Einfluss der Oberflächenrauigkeit 11. Fazit 12. Literaturverzeichnis 13. Anhang mit eigenem Inhaltsverzeichnis 43 44 44 44 45 45 46 46 46 46 48 51 52 54 53 54 55 55 56 58 58 58 59 61
62 63 64 66 68 Abbildungsverzeichnis Abb.1 bis Abb.2 Objekte des Niedersächsischen Landesmuseums [Dokumentation] Abb.3 Teilbereich des Reliefs WM XXIV 46b mit Schadensbildern wie der Schalen‐und Rissbildung Abb.4 Objekt des NLM Abb.5 Schadensbild der abgelösten Glasur und Schalenbildung im weißen Glasurbereich. Abb.6 Gesteinsprüfkörpern im Transmissionsaufbau unter Stickstoffatmosphäre Abb.7 Prüfkörper Gesteine der THz‐Messreihe 1.1‐1.3 Abb.8 Prüfkörper Gesteine der Messreihe TH EP 1.1‐1.2 Abb.9 Prüfkörper Gesteine der Messreihe TH EP 1.1‐1.2 Abb.10 und 11 Prismenform und ausgeformter Prüfkörper KSE 500 STE 9 10 11 12 12 15 20 24 25 Seite 3 Abb.12 Gesägte Prüfkörper der Reihe H KM Abb.13 Schema des Prüfkörperaufbaus der Messreihe HU Abb.14 Messaufbau der Messreihe HU Abb.15 Prüfkörperreihe HU vor der Applikation des Hinterfüllmörtels Abb.16 Prüfkörper der Reihe TER 3., 5. und 6. vor dem Glasurbrand Abb.17 Prüfkörper der Reihe TER 3., 5. und 6. nach dem Glasurbrand Abb.18 Prüfkörper TER 6.5 mit Glasurablösung Abb.19 Prüfkörper TER 6.5 mit eingezeichneten Messpunkten Abb.20 3D Vermessung am VDX‐Digital‐Mikroskop zur Ermittlung der Glasurablösungshöhe am Prüfkörper TER 6.5 Abb.21 Prüfkörper Image Groß Kunzendorfer Marmor mit Einschnitten Abb.22 THz‐Image Obernkirchener Sandstein THz‐Image Kartierung über dem gemessenen Prüfkörper Abb.23 THz‐Image und Messergebnisse mit Signaldarstellung des Prüfkörpers TER 6.5 Abb.24 Händische Vormessung mit dem mobilen THz‐System am Grotesken Natursteinrelief im NLM Abb.25 Messung mit dem fixierten THz‐Handhold‐System am Grotesken Natursteinrelief im NLM Abb.26 Messpunktkartierung WM XXIV 46 Abb.27 Messpunktkartierung WM XXIV 46 d Abb.28 Messpunkt GR 1.2 am Natursteinobjekt des NLM WM XXIV 46 e Abb.29 Detailansicht des Messbereichs der Rahmung am Natursteinobjekt des NLM, WM XXIV 46 d Abb.30 Messobjekt Naturstein Teilbereich 1 Abb.31 Messobjekt Naturstein Teilbereich 2 Abb.32 Image Hohlraummessung an Objekt aus Kordeler Sandstein Abb.33 Markierung im Bereich der vermessenen Glasurablösung am Original Terrakottamedaillon Nr.4 Abb.34 CT‐Aufsichtdarstellung des aufgenommenen Objekts Terrakottamedaillon Nr.4 Abb.35 CT‐Darstellung des Vertikalschnittes durch das Terrakottamedaillon. Nr.4 mit verm. Hohlraum am THz‐Messpunkt Abb.36 Prüfkörper der Reihe RH mit Bruchkanten nach Bearbeitung/Biegezug Abb.37 Prüfkörper der Reihe RH RS.OKS1 und RS.OKS4 Abb.38 Schematische Darstellung zur Oberflächenbeschaffenheit des Prüfkörpers RB.BBS3 31 33 34 34 38 39 40 40 42 43 44 45 46 47 49 49 50 51 52 52 54 55 57 57 62 62 63 Tabellenverzeichnis Tab. 1 Objektbeschreibung der Reliefs des NLM Tab. 2 Objektbeschreibung Terrakottamedaillon des NLD Tab. 3 Prüfkörpermaterial Gestein Tab. 4 Prüfkörperreihe Gestein 10 11 15 16 Seite 4 Tab. 5 Brechungsindex der Gesteine aus Tab.3 Tab. 6 Prüfkörperreihe der Injektionsmörtel und deren Brechungsindex Tab. 7 Prüfkörperreihe Festiger und dessen Brechungsindex Tab. 8 Prüfkörperreihe Terrakotta/Glasuren und deren Brechungsindex Tab. 9 Prüfkörperreihe Ultraschall Kennwertermittlung Tab. 10 Prüfkörperbezeichnung Messreihe H Tab. 11 Prüfkörper der Messreihe HU Tab. 12 Prüfkörperbezeichnung Messreihe Grenzwertermittlung Materialfeuchte in THz‐Strahlung Tab. 13 Prüfkörperbezeichnung Messreihe RB Oberflächenrauigkeit in THz‐Strahlung 17 18 21 23 24 29 33 59 61 Diagramverzeichnis Diagr.1 Brechungsindex der Gesteine aus Tab.4 Diagr.2 Absorptionskoeffizient der Gesteine aus Tab.4 Diagr.3 und.4 Brechungsindex und Absorptionskoeffizient 2K und J30M Diagr.5 und 6 Brechungsindex und Absorptionskoeffizient Injektionsmörtel 500 STE Diagr.7 und 8 Brechungsindex und Absorptionskoeffizient Festigungsmittel Diagr.9 und 10 Brechungsindex und Absorptionskoeffizient Terrakotta Diagr.11 Schematische Darstellung zur Signalentwicklung der Messungen an Prüfkörpern Diagr.12 Messungen OB Diagr.13 Messungen WT Diagr.14 Messungen H KSE Diagr.15 Ergebnisse Messreihe H KM Messungen Diagr.16 Ergebnisse Kontrollmessung H KM Messungen Diagr.17 Ergebnisse der Oberflächenmessung am Prüfkörper HU AD 10_gegen die schmale Steinfläche Diagr.18 Ergebnisse der Oberflächenmessung am Prüfkörper HU AD 10_gegen die breite Steinfläche Diagr.19 Brechungsindex OKS getränkt mit Epilox® Diagr.20 Brechungsindex OKS ungetränkt Diagr.21 Messungen glasierte Terrakotta TER 5 Diagr.22 Prüfkörper TER 6.5 THz‐Puls der Messpunkte mit und ohne Hohlraum Diagr.23 Prüfkörper TER 6.5 THz‐Puls Frequenzspektrum der Messpunkte mit und ohne Hohlraum Diagr.24 Referenzmessung THz Diagr.25 Reflektierter THz‐Puls am Messpunkte GR 4.1 16 16 19 19 21 23 26 27 28 30 32 32 35 35 37 37 39 41 41 49 49 Seite 5 Diagr.26 Reflektierter THz‐Puls am Messpunkte GR 1.2 Diagr.27 und 28 Reflektierte THz‐Pulse an einem Messpunkt (GR5.1 u. GR5.2) mit minimaler Winkeländerung des Messkopfes Diagr.29 Reflektierte THz‐Pulse an einem Messpunkt (GR6.6) mit farbig gefasster Oberfläche Diagr.30 Messungen an der Hohlraumhinterfüllung von Kordeler Sandst. mit abnehmendem Feuchtegehalt Diagr.31 Messungen Hohlraum Terrakottamedallion Nr.4 Diagr.32 Frequenzspektrum der Messung am Terrakottamedallion Nr.4 Diagr.33 THz‐Messreihe zur zunehmenden Transparenz und Transmission bei zunehmender Trocknungszeit an BBS Diagr.34 Wasserabgabe bezogen auf das aufgenommene Wasser (=100 %) Diagr.35 Ergebnisse der THz‐Transmissionsmessung von BS in unterschiedlichen Stadien der Trocknung Diagr.36 Ergebnisse der THz‐Reflexionsmessung des Prüfkörpers RB.BBS. 49 50 51 53 56 56 59 60 60 63 Abkürzungsverzeichnis Abb. DBU Diagr. 2 dyn E N/mm
Fa. HFuLT Kap. KSE M % m/s max. NLD NLM ps r.F. Tab. THz THZ‐TDS Vol. % Zwischenb. Abbildung Deutsche Bundesstiftung Umwelt Diagramm dynamisches Elastizitätsmodul Firma TRANSMIT‐Geschäftsbereich für Hochfrequenz‐ und Lasertechnik, Marburg Kapitel Kieselsäureester Masse Schallgeschwindigkeit Maximum Niedersächsisches Landesamt für Denkmalpflege Hannover Niedersächsisches Landesmuseum Hannover Picosekunde relative Luftfeuchte Tabelle Terahertz Terahertz Time‐Domain‐Spectroscopy / Terahertz‐Zeitbereichspektroskopie Volumen % Zwischenbericht Seite 6 1. Einleitung Umweltbedingte Schäden an Natursteinobjekten, wie Schalenbildung, Hohlräume oder feine Rissbildung, sind äußerlich meist nicht sichtbar. Klimaschwankungen, wie Temperatur‐, Feuchte‐ und Frost‐Tau‐ Wechsel, können insbesondere in Verbindung mit Schadstoffemissionen zu irreversiblen Schäden bis hin zum Totalverlust von denkmalgeschützter Originalsubstanz führen. Die Voraussetzung der Langzeiterhaltung ist es daher, präventive Maßnahmen durch genau Analysen des Natursteingefüges festlegen zu können und somit die Objekte vor der irreversiblen Zerstörung der Originalsubstanz unterhalb der Oberfläche in ihrer Gesamtheit zu bewahren. Im Rahmen des Modellprojekts wurde deshalb die Potenziale der Terahertz‐Zeitbereichspektroskopie (THz‐TDS) als neuartige Messtechnik zur tiefenaufgelösten Schadensdiagnostik in Gesteinsobjekten für die Denkmalpflege erforscht. Ziel war es, mittels dieses zerstörungsfreien und berührungslosen Verfahrens die Bewahrung denkmalgeschützten Kulturguts aus Naturstein zu ermöglichen. Im Vordergrund stand besonders zeitsparend, (ressourcenschonend) und in bildgebender Weise zu arbeiten. THz‐TDS wurde dabei zur exakten Identifikation und Lokalisierung von Schadensbildern wie Schalenbildung, Glasurablösungen, Hohlraumdetektion sowie zur Analyse der Zusammensetzung von Materialverbindungen eingesetzt. Dies wurde als Grundlage, dafür gesehen einen, auf klimatische Einflüsse abgestimmten Maßnahmenkatalog insbesondere für die präventive Konservierung in der Tiefe zerstörter Natursteinobjekte und glasierter Terrakotten erstellen zu können. Darüber hinaus wurde THz‐TDS eingesetzt, um die angewendeten Maßnahmen zu bewerten, z. B. die Kontrolle der Eindringtiefe von Konservierungsmitteln, und die Anbindung von Hinterfüllmaterialien an ausgewählten Natursteinen. Für die Steinrestaurierung versprach THz‐TDS, die mit THz‐Pulsen arbeitet, aus folgenden Gründen und Alleinstellungsmerkmalen hohen Mehrwert: 
Laufzeitmessungen enthüllen in Analogie zur Ultraschalltechnik Schichtsysteme durch Reflexion an Grenzflächen. Gegenüber der Ultraschalldiagnostik ist einerseits jedoch kein Kontaktgel notwendig, andererseits werden die THz‐Pulse nicht durch Zwischenschichten aus Luft gestoppt, sodass sie auch Informationen über das Material hinter Hohlräumen liefern kann. 
Es besteht im Vergleich zu den niederfrequenten Mikrowellen die Möglichkeit einer hohen Ortsauflösung im Millimeterbereich. 
Messungen sind sowohl in Transmission als auch in Reflexion (bessere Zugänglichkeit zum Objekt) möglich, sodass sich der Probengeometrie flexibel begegnen lässt. 
Mobile THz‐Spektrometer stehen an der Schwelle zur industriellen Praxis und lassen sich mittelfristig vor Ort an denkmalgeschützten Objekten einsetzen. Alle Untersuchungen wurden hinsichtlich der langfristigen Umsetzung als Analysemethode für die Denkmalpflege im Reflexionsaufbau des mobilen Messsystems geplant und umgesetzt. Die im Projekt vorgenommen Messungen mittels THz‐Strahlung und Ultraschall wurde in enger Zusammenarbeit mit der HFuLT Marburg und der Firma Geotron Elektronik durchgeführt und ausgewertet. Im Folgenden werden die wesentlichen Arbeitsresultate des Projekts vorgestellt. Seite 7 2. Zusammenfassung der Projektphasen  Material und Objektauswahl Zu Beginn des Projektes wurden Art und Umfang der zu untersuchenden Materialien aufgrund der ausgewählten Objekte (NLD und NLM), so wie eine praxisorientierte Auswahl an Hinterfüll‐
Injektionsmörteln und Festigungsmitteln getroffen. Des Weiteren wurden unterschiedliche an Natursteindenkmälern verbaute Gesteinsarten, in die Messkonzeption aufgenommen. Zudem fand eine objektbezogene Auswahl von Glasuren‐ und Terrakottamaterial statt. 

Identifikation relevanter Kenndaten für die THz‐Analyse und Auswertung Um aus den THz‐Messdaten für Objektmessungen zuverlässige, aussagekräftige Kenngrößen extrahieren und damit den Materialzustand interpretieren zu können, mussten vorab dielektrische Parameter an Referenzmaterialien erfasst werden. Dazu wurden der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient von Gesteinen, Hinterfüllmörteln, Festiger, Glasuren und Terra‐
kotta im THz‐Frequenzbereich in einer Transmissionsgeometrie ermittelt. (Materialdatenbank) Messungen von Schadensbildern mit gepulster THz‐Strahlung unter Laborbedingungen Unter Einbeziehung der in den Voruntersuchungen erstellten Kennwerte für die THz‐Messungen wurden die unterschiedlichen Gesteins‐und Terrakotta Probekörper und deren potenziellen Schadensbilder auf die Möglichkeiten einer bildgebenden Darstellung (THz‐Image) hin unter‐
sucht. Ebenso wurde die Detektion von Hohlräumen und Materialübergängen (Gestein‐
Hinterfüllmörtel‐Gestein) mittels THz‐TDS (Terahertz‐Zeitbereichspektroskopie) Messungen im Reflexionsaufbau überprüft. Anwendungsbezogen auf das langfristige Ziel die THz‐Analyse in der Steinrestaurierung zu nutzen, wurden alle Untersuchungen bezogen auf die von einer Seite zugängige Objektgeometrie im Reflexionsaufbau vorgenommen.  Messungen mit Ultraschall unter Laborbedingungen Ebenso wie für die THz‐Analyse wurde für die Messung in Ultraschall (Ermittlung der
Laufzeitgeschwindigkeit) die Identifikation der Kenndaten aller gemessenen Materialien im Trans‐
missionsaufbau vorgenommen. Messungen zur Bestimmung von Verwitterungszuständen und der Eindringtiefe von Festigungsmaterial wurden ebenfalls in Transmission, die Bestimmung der Hinterfüllmassendetektion in Reflexion vorgenommen. 
Messungen zum Einfluss des Feuchtegehalt im Gestein auf die Messbarkeit mit THz‐Strahlung Der Einfluss des Feuchtigkeitsgehaltes und dessen Grenzwert auf die dielektrischen Kennwerte der Untersuchungsobjekte wurden analysiert, da dies als möglicher Störfaktor der Messungen berücksichtigt werden m. Hierzu wurden Probekörper aus ausgewählten Gesteinen mit abnehmendem Feuchtigkeitsgehalt auf die maximale Messbarkeit mit THz‐Strahlung hin untersucht. 
Anwendung am Objekt Ausgehend von den mittels THz‐Spektroskopie erzielten Untersuchungsergebnissen wurden Messungen mit einem mobilen THz‐System an festgelegten Bereichen der Naturstein‐ und Keramikobjekte durchgeführt. Maßgeblich hierbei war die Lokalisierung und exakte Bestimmung von Hohlräumen im Tiefenprofil. Unter Nutzung eines am Trierer Dom ausgebauten Originalstein konnte der Nachweis der Detektion von injiziertem Hinterfüllmörtel erbracht werden. Seite 8 3. Objektauswahl: Bestandserfassung und Zustandsbeschreibung Ausgehend von den angestrebten Untersuchungszielen der Nutzung der THz‐Analyse am Objekt, fiel in Absprache mit dem Niedersächsischen Landesamt für Denkmalpflege und dem Niedersächsischen Landesmuseum Hannover die Wahl auf drei Objekte. Alle zeigten aufgrund ihrer ehemals exponierten Lage, die für das Forschungsprojekt relevanten und durch Umwelteinflüsse bedingten Schadensbilder wie: Rissbildung, Abplatzung/Glasurablösung so wie etwaige Hohlräume. Durch ihre Objektgeometrie entsprachen diese zudem den bereits in Voruntersuchungen festgesetzten Messparametern, für die in Teilen planparallelen Oberflächen. 3.1 Objekte des Niedersächsischen Landesmuseum Abb.1 Grotesk‐Medaillon; Mann mit Lorbeerkranz nach rechts blickend WM XXIV 46 e Abb.2 Grotesk‐Medaillon; Mann mit Turban, nach rechts gewandt WM XXIV 46b Seite 9 Inventarnummer WM XXIV 46 e und b Objekte Objektgröße Die Reliefs „Grotesk‐Medaillon; Mann mit Lorbeerkranz nach rechts blickend“ und „Grotesk‐Medaillon; Mann mit Turban, nach rechts gewandt“ sind Teile einer Reliefgruppe, die bis 1997 fest im Mauerwerk der Nord‐Südwand des Foyers im Niedersächsischen Landesmuseum verbaut waren. Alle Reliefs wurden nach Angaben des Landesmuseums durch den Künstler Levin Storch in der ersten Hälfte des 16. Jh. gefertigt.1 Höhe ca. 58 cm Breite ca. 57,5 cm Tiefe ca. 9,5 cm Material und Herstellungstechnik Ursprünglich aus einem Stück gearbeitete und gefasste Bildhauerarbeit aus gelblichem Kalksandstein. Schadensbilder Die Objekte weisen sowohl Materialverlust, so wie oberflächliche Fehlstellen, Absandungen, Rissbildung, Schalenbildung (Abb.3) so wie Fassungsverlust und starke Verschmutzung auf. Des weitern zeigen sich am gesamten Objekt Reste von alten Klebungen und Hinterfüllmassen, die aber nur zu geringen Anteilen bündig und verfüllend ausgeführt wurden. Tab. 1 Objektbeschreibung der Reliefs WM XXIV 46b und WM XXIV 46 e des NLM Abb.3 Teilbereich des Reliefs WM XXIV 46b mit Schadensbildern, wie der Schalen‐und Rissbildung. 1
Skasa‐Lindemeir, B.; unveröffentlichter Untersuchungsbericht aus dem Niedersächsischen Landesmuseum; April (1999) Seite 10 3.2 Objekt des Niedersächsischen Landesamt für Denkmalpflege Abb.4 Medaillon Portrait eines bärtigen Mannes im Profil; Depot‐Nr. 4 .
Depot‐Nr. 4 Objekt Objektgröße Aufbau und Herstellungstechnik Schadensbilder Polychrom glasiertes Terrakotta‐Medaillon aus Lüneburg, Lünerstr. 3. Das Entstehungsjahr wird nach dem Erbauungsjahr des Hauses 1546 festgelegt.2 Der Durchmesser des Medaillons beträgt ca. 28 cm. Die Reliefhöhe variiert zwischen ca. 1,5 und 4,5 cm. Höchster Punkt des Gesichtes ca. 2,5 cm Das Medaillon wurde durch Abformung aus einem Stück hergestellt. Manuelle Bearbeitungsspuren finden sich an der Rückseite des Medaillons. Hergestellt wurde es aus einem rot brennenden Ton, einer weißen Engobenschicht und einer darauf aufgebrachten Glasurbemalung aus weißer, gelber, grüner, blauer und brauner Glasur. Feine und lange Haarrisse so wie Blasenbildung vor allem im Bereich der weißen und grünen Glasuren. Ebenfalls in diesem Bereich der Glasuren ist der größte Teil der Abplatzungen vorzufinden. (Abb.5) Im Aufbau der Terrakotta sind feine Hohlräume zu erkennen, die aber eher von der Art der Herstellung herrühren. Tab. 2 Objektbeschreibung 2
Radujkovic, S.; unveröffentlichte Diplomarbeit: Erhaltung farbiger Glasuren Auf Terrakotta; Fachhochschule Potsdam/Studiengang Restaurierung; Potsdam (2000) S. 20 Seite 11 Abb.5 Schadensbild der abgelösten Glasur und Schalenbildung im weißen Glasurbereich. 4. Identifikation relevanter Kenndaten für die THz‐Analyse (Materialdatenbank) Durch Messungen an den gefertigten Referenzprüfkörpern ca. (3x3x0,5 cm³) (planparallel) wurden Materialparameter wie der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient von Gestein, Injektions‐
mörtel, Festiger, Glasuren und Terrakotta in Zusammenarbeit mit der HFuLT ermittelt und ausgewertet. Dies geschah im THz‐Frequenzbereich in einer Transmissionsgeometrie. Die Messungen fanden unter Stickstoffatmosphäre statt, um den Einfluss von Feuchtigkeit auszuschließen. Abb.6 Halterung mit Gesteinsprüfkörpern im Transmissionsaufbau unter Stickstoffatmosphäre mit eingeschaltetem Positionslaser. Seite 12 Die Einmessung für die jeweilige Probendicke erfolgte mittels einer Mikrometerschraube (Mittelwert aus vier Messungen) oder durch Analyse der Auswertesoftware des Messsystems. Für die Kenndatenermittlung dienten pro Material jeweils drei (drei aus vier) Prüfkörpern (Ausnahme Epilox®/2). Um das Signal‐Rausch‐Verhältnis zu verbessern, wurden für jede Punktmessung jeweils die Daten von sechs Messungen der Probe sowie sechs Referenzmessungen gemittelt. Die Referenzmessungen fanden je zur Hälfte vor bzw. nach der Probemessung statt, um evtl. auftretende Schwankungen des Messsystems auszugleichen. Die Daten jeder Messung wurden aus dem Mittelwert von sechs genau übereinanderliegenden Punktemessungen ermittelt. Dieses diente dem Ausschluss von möglichen verrauschten Signalen durch Schwankungen im System. Vor und nach jeder Materialmessung wurden drei Referenzmessungen unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Aus diesen Daten ergab sich der jeweilige Referenzpuls zur Ermittlung des Brechungsindex und Absorptionskoeffizient für das untersuchte Material. 4. 1 Auswertung des Brechungsindex und Absorptionskoeffizient für THz Die Grafiken in Kap. 4.2 bis 4.4 zeigen die für die Gesteinsprüfkörper, Hinterfüllmörtel, Festiger, Terrakotta und Glasuren ermittelten Brechindizes und Absorptionskoeffizienten im THz‐
Frequenzbereich. Hierzu wurde jeweils aus drei bzw. zwei Einzelmessungen der Mittelwerte gebildet. Ausgenommen von dieser Auswertung ist der Bohus Granit, da dieser bedingt durch sein inhomogenes Gefügecluster starke Streuungen in seinen Messergebnissen aufwies. Aufgrund dessen konnte bezüglich seiner Materialparameter im THz‐Frequenzbereich keine eindeutige Aussage getroffen werden. Für die danach folgenden Untersuchungsreihen wurde der Bohus Granit somit nicht mehr berücksichtigt. 4.1.1 Materialauswahl und Herstellung der Prüfkörper Ziel in der ersten Projektphase war die Charakterisierung von Gesteinen, Injektionsmaterial Festigungsmittel, Glasuren und Terrakotta im THz‐Frequenzbereich (Materialdatenbank) und die Identifizierung dielektrischer Parameter, auf deren Grundlage sich eine Aussage über den Materialzustand treffen lässt. Nur mit Kenntnis der dielektrischen Eigenschaften ließen sich aus den Messdaten Rückschlüsse auf die Wechselwirkungen der THz‐Wellen in Schichtsystemen (Gestein‐
Hohlraum; Gestein‐Hinterfüllmörtel; Gestein‐Festiger) ziehen. Aufbauend auf diesen Kenntnissen war es möglich in einer Strukturanalyse, Bewertungen zur Schadensbestimmung und der Wirksamkeit konservatorischer Maßnahmenableiten zu geben.
Um aus den THz‐Messdaten zuverlässige, aussagekräftige Kenngrößen extrahieren und damit den später geschädigten Zustand des Gesteins und der glasierten Terrakotten interpretieren zu können, mussten vorab dielektrische Parameter an Referenzmaterialien erfasst werden. Hierzu sind der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient von Gestein, glasierten und unglasierten Terrakotten, so wie Injektionsmörteln und Festigungsmittel im THz‐Frequenzbereich im Transmissionsaufbau ermittelt worden. Für die Messungen mit gepulster THz‐Strahlung unter Laborbedingungen wurde in Absprache mit dem HFuLT Prüfkörper mit einer Probengeometrie von (3x3x0,5 cm³) aller Materialien hergestellt. Seite 13 4.2 Materialauswahl Gestein In enger Absprache mit Prof. h. c. Dr. Erwin Stadlbauer vom Landesamt für Denkmalpflege, wurde sich mit Blick auf die Häufigkeit der Verbauung an historischen Objekten und deren Schädigungen, für 10 Gesteine aus den Gruppen der magmatischen, sedimentären und metamorphen Gesteine entschieden.
Die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit ist die häufigste genutzte Form der Schadensanalyse an Naturstein. Dennoch gibt es vor allem im Bereich der Schadensanalyse von Sandstein zwischen unverwittertem – verwittertem und unbehandeltem – behandeltem Material Messergebnisse, die je nach Zusammensetzung der Gesteinsart an der Grenze der Messgenauigkeit bei 0,2 km/s liegen.3 Aufgrund dessen wurde eine größere Zahl von Sandsteinen in die Prüfkörperreihe aufgenommen. Tab.3 gibt einen Überblick der untersuchten Gesteine und deren Komponenten in Volumen %. Die Prüfkörperpräparation wurde mittels einer Steinsäge für den groben Zuschnitt der Prüfkörper vorgenommen. Unter Einsatz einer Trennschleifmaschine mit Diamantsägeblatt wurden Prüfkörper in eine Dicke von 0,5 cm hergestellt. Für die Identifikation relevanter Kenndaten in THz waren für die Prüfkörper eine planparallele Geometrie und eine glatte Oberfläche (poliert; keine Rauigkeitsvorgaben) vorgegeben. Prüfkörper des Kordeler Sandstein konnten abweichend von den übrigen Prüfkörpern lediglich in identischer Höhe nicht aber in der Außengeometrie gefertigt werden. Für deren Erstellung diente ausgebautes Originalmaterial des Trierer Doms. Handelsname Gesteinsklasse Komponenten in Vol.‐ % Obernkirchener Sandstein Sedimentgestein Quarz: 91 % Titanoxyd: 6 % Calcit 49‐66 % Quarz 18‐35 % Kalifeldspat 0,3‐2 % Tonminerale 9‐14 % Quarz: 52 % Gesteinsbruchstücke 27 % Alkalifeldspat: 14 % Glimmer: 4 % Plagioklas: 3 % Karbonatklasten 33 % Quarz 31 % Glaukonit 21 % Biogene 14 % Glimmer 1 % Baumberger Kalksandstein Sedimentgestein Roter Wesersandstein Sedimentgestein Anröchter Dolomit Anröchter Grünsandstein Sedimentgestein Kordeler Sandstein Sedimentgestein Quarz 47 %, Gesteinsbruchstücke 42 %, Feldspat 8 %, Glimmer 3 % (Biotit, Muscovit), Akzessorien weniger als 1 % (Zirkon, Turmalin) Sedimentgestein Biogene (Schalenanteile von Muscheln ) 82 % Karbonatgesteinsbruchst. 9 % Ooide 8 % Quarz 1 % Thüster Kalkstein 3
Snethlage, R.; Leitfaden Steinkonservierung; 3., überarbeitet Auflage; IRB Verlag (2008) S.255 Seite 14 Kirchheimer Muschelkalk Sedimentgestein Biogene (Schalenanteile von Muscheln ) 87 % Peloid 13 % Weiberner Tuff Sedimentgestein Nephilin 30 %
Leucit 25 % Sanidin 23 % Nosean 12 % Aegirin 9 % Spuren von Biotit, Magnetit, Apatit, Titanit und Calcit Groß Kunzendorfer Marmor Methamorphes Gestein Calcit 80 % kann Anteile von Biotit und Quarz enthalten Biała Marianna Marmor Weiße Marianna Marmor Methamorphes Gestein Calciumcarbonat 90 %, weniger als 1 % Magnesiumoxid Bohus Granit Magmatisches Gestein Quarz 29,5 % Mikroklinperthit 35,5 % Plagioklas 29,5 % Biotit 4 % Muskovit 0,5 % 4
Tab. 3 Prüfkörpermaterial Gesteine Abb.7 Prüfkörper Gesteine der THz‐Messreihe 1.1‐1.3
4
Informationen zu den Gesteinen aus: Visser, H.; et al. ;Die Steinskulpturen am Zentralbau des Jagdschlosse, IRB (1999) Iffert‐Schier, S.; unveröffentlichte Dis. „Einsatz von Festigungsmitteln zur Konsolidierung der Tragfähigkeit von bestehendem Mauerwerk“; Universität Hannover (2000) S.34 ff. Auras, M.; et al. Leitfaden Naturstein‐Monitoring; IRB (2011) S.22 ff. Grimm,W.‐D.; Bildatlas wichtiger Denkmalsteine der Bundesrepublik Deutschland; [Hrsg. von Michael Petzet]; (1990) o.S. Müller, F.; Internationale Natursteinkartei (1987) o.S. Rüdrich, J.; Dis.; Gefügekontrollierte Verwitterung natürlicher und konservierter Marmore; Göttingen (2003) S.25 Seite 15 4.2.1 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionskoeffizient /Gesteine Gesteine Prüfkörperbezeichnung
Obernkirchener Sandstein OKS 1.1‐1.3 Baumberger Sandstein BBS 1.1‐1.3 Roter Wesersandstein RMS 1.1‐1.3 Anröchter Dolomit AD 1.1‐1.4 Kordeler Sandstein KS 1.1‐1‐.3 Thüster Kalkstein TK 1.1‐1.3 Kirchheimer Muschelkalk KM 1.1‐1.3 Weiberner Tuff WT 1.1‐1.3 Groß Kunzendorfer Marmor GKM 1.1‐1.3 Weiße Marianna Marmor WMM 1.1‐1.3 Bohus Granit BG 1.1‐1.3 Tab. 4 Prüfkörperreihe Gestein Diagr.1 und 2 oben: Brechungsindex der Gesteine aus Tab.4 unten: Absorptionskoeffizient der Gesteine aus Tab.4 Seite 16 Um im weiteren Verlauf des Projektes eine vereinfachte Auswertung der Messdaten bzgl. der Signallaufzeiten und somit der Schichtdicken zu ermöglichen, wurde aus den dargestellten Messergebnissen der jeweilige Brechungsindex bei 0,4 THz bestimmt und in der folgender Tabelle zusammengefasst. Gesteine Brechungsindex Obernkirchener Sandstein 1,94 Baumberger Sandstein 2,29 Roter Wesersandstein 2,05 Anröchter Dolomit 2,50 Kordeler Sandstein 1,97 Thüster Kalkstein 2,63 Kirchheimer Muschelkalk 2,94 Weiberner Tuff 1,78 Groß Kunzendorfer Marmor 2,94 Weiße Marianna Marmor 2,94 Tab. 5 Brechungsindex der Gesteine aus Tab. 3 4.3 Materialauswahl Hinterfüllmörtel Schäden wie Rissbildungen und Schalenbildung an der Oberfläche von Natursteinobjekten, so wie Hohlräumen werden in der angewandten Restaurierung häufig mit Hinterfüllmörteln geschlossen, um somit die Originalsubstanz zu sichern. Größe, Tiefe und Verläufe einzelner Risse und Hohlräume unterliegen während der Bearbeitung eines Objekts oft einer Einschätzung unter Einbeziehung von Erfahrungswerten. Dennoch können Einsatz und Menge verwendeter Hinterfüllmörtel oft nicht genau und somit mengenbezogen eingeplant werden. Nach Einsatz eines Hinterfüllmaterials kann, oft nur dessen Anbindung bis an die Oberfläche aufgrund von optischen Bewertungen, nicht aber die Anbindungen in der Tiefe beurteilt werden. Innerhalb dieses Projektes wurde diese Möglichkeit in Hinblick auf die Untersuchung mit THz‐
Strahlung erforscht. Die Materialauswahl fiel hinsichtlich ihres häufigen Einsatzes in der Restaurierung/Konservierung auf folgende handelsübliche Produkte, von denen zwei durch den Kooperationspartner REMMMERS Baustofftechnik GmbH zur Verfügung gestellt wurden: KSE‐gebundenes Modul System Wirkstoff/Bindemittel: Kieselsäureester Material: REMMERS 500 STE und Füllstoffe Bindemittel KSE+2 Komponenten (A Mineralmehl ;B Quarzmehl) Anwendungsbereich: Injektionsmasse zur Hinterfüllung unterschiedlich dimensionierter Hohlstellen. Seite 17 Zwei Komponenten Zementsuspension Wirkstoff/Bindemittel: Hydraulischer Zement Material: REMMERS Injektionsleim 2K Bindemittel hydraulischer Zement + Injektionsflüssigkeit Melamin‐Formaldehyd‐Kondensat und Acryl‐
Copolymer‐Dispersion Anwendungsbereich: Zementsuspension zum Verpressen von Rissen und unterschiedlich dimensionierter Hohlräumen. Injektionsmörtel aus gebranntem Kalk und Siliciumdioxid Wirkstoff/Bindemittel: Gebrannter Kalk Material: Anwendungsbereich: JAHN M30 Bindemittel gebrannter Kalk + Zuschläge von Siliciumdioxid (Quarz) mit Wasser Injektionsmörtel für Haarrisse von 0,2 mm bis 5 mm Breite. Die Erstellung der Mörtelprüfkörper für die Analyse in THz erfolgte in der Zusammensetzung nach Vorgaben der Hersteller (Merkblätter im Anhang). Anschließend wurden die Mörtel in Silikonformen ausgegossen, getrocknet und geschliffen. 4.3.1 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionskoeffizient/ Hinterfüllmörtel Material REMMERS 500 STE REMMERS Injektionsleim 2K JAHN M30 Prüfkörperbezeichnung
Brechungsindex 500STE 1.1‐1.4 1,88 2K 1.1‐1.3 2,02 JM30 1.1‐1.3 1,99 Tab. 6 Prüfkörperreihe der Injektionsmörtel und deren Brechungsindex
Die Messergebnisse der Hinterfüllmörtel 2K und M30 sind in gemeinsamen Diagrammen zusammen‐
gefasst (Diagr.3 u. 4). Der Hinterfüllmörtel 500 STE (Diagr.5 u. 6) wird gesondert dargestellt, da diese im Spektrum einen Absorptionspeak zeigte. Dieser wird durch Inter‐ oder Intramolekular‐
schwingungen verursacht. Dies kann bedeuten, dass entweder ein Teil eines größeren Moleküls oder Moleküle gegeneinander schwingen. Aus der Masse und den Bindungskräften ergibt sich eine charakteristische Resonanzfrequenz. Durch diese Wechselwirkung zwischen der Materie und der THz‐Strahlung wird das Signal bei der entsprechenden Frequenz abgeschwächt. Seite 18 Diese Resonanzfrequenz kann in besonderem Maße zur Detektion bestimmter Materialien genutzt werden. Untersuchungen der Einzelkomponenten des Mörtels ergaben, dass dieser charakteristische Absorptionspeak der Mörtelkomponente A zuzuordnen ist. (Zwischenb.3, S.25) Diagr.3 und 4 oben: Brechungsindex der Hinterfüllmörtel 2K und J30M unten: Absorptionskoeffizienten der Hinterfüllmörtel 2K und J30M Diagr.5 und 6 oben: Brechungsindex Hinterfüllmörtel 500 STE unten: Absorptionskoeffizient Hinterfüllmörtel 500 STE Seite 19 4.4 Materialauswahl Festigungsmittel Kunstharze, insbesondere Acrylate und Epoxydharze in Form von Reaktionsharzen oder Dispersionen werden in der angewandten Restaurierung unter anderem zur Festigung von entfestigten Natursteinoberflächen genutzt. Ein weiteres Anwendungsgebiet finden sie im Bereich der Risschließung und als Bindemittel von Ergänzungsmassen vor allem für Marmor und Kalkstein.5 Ausgehend von den bereits in der an der HAWK erstellten Facharbeit zum Diplom und Diplomarbeit von Kirsti Krügener (2009) unternommenen Vorversuchen mit THz‐Strahlung, fiel die Wahl des zu untersuchenden Festigers in Bezug auf seine Eindringtiefe in Gestein auf ein Epoxidharzprodukt. Anwendungsbezogen, auf bereits vorgenommenen Tränkungen/Festigungen an Objekten, wurde sich für eine Harz/Härter der LEUNA‐Harze GmbH entschieden.6 Das genutzte Harz wird bei dem Hersteller unter der Nomenklatur Reaktivverdünner vertrieben. Es erhärtet jedoch ohne weitere Harzkomponente. Als Fließmittel für den Vorgang der Tränkung zur Festigung von Naturstein wurde, in der für die Prüfkörperherstellung verwendeten Rezeptur (Anhang Kap. 13.1) der Harz/Härter Mischung, Ethanol und Xylol zugegeben. Festigungsmittel aus duroplastischem Gießharz Wirkstoff/Bindemittel: Epoxidharz/Härter Material: LEUNA‐Harze GmbH Epilox ® ‐ Verdünner P 13‐30 Epilox ® ‐ Härter H 10‐31 Anwendungsbereich: Festigungsmittel für unterschiedliche Gesteine in Abhängigkeit von deren Porosität und Kapillarität. Die Herstellung der Prüfkörper wurde abweichend von den übrigen Probengeometrien (Kap. 4.2 und 4.3), in Rotilabo®‐Probenschalen vorgenommen. Grund hierfür war die spätere Ausformbarkeit der Prüfkörper nach 24 Std., die in den Silikonformen nicht gegeben war. Die Aushärtung fand bei 20±5°C und 55±5 % r.F. statt. Um eine Blasenbildung innerhalb der Masse zu verhindern, wurden die Schalen bis 20 min nach Ausgießen des Harzes in Bewegung gehalten. Abb.8 Prüfkörper der Messreihe TH EP 1.1‐1.2 5
Auras M.; et .al. (2011) S.142 Mündliche Auskunft von Dipl‐Rest. Olaf Pung und Dipl.‐Rest. Karin Schinken ( Februar 2012) 6
Seite 20 4.4.1 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionskoeffizient/Festiger Der Nachweisversuche über die Eindringtiefe und Verteilung von Festigungsmittel in Gestein und genauere Hinweise auf die Messbarkeit der Substanzen und deren Verteilung waren weitere Ziele dieses Projektes. Aufgrund der ausgeglichenen Homogenität des Festigungsmittels in ausgehärtetem Zustand wurden zwei Prüfkörper als ausreichend für die Bestimmung der Kennwerte erachtet. Ausgehend von den fast deckungsgleich verlaufenden Graphen, ist auf die Bestimmung eines Mittelwertes verzichtet worden. Material Prüfkörperbezeichnung
Brechungsindex Epilox ® ‐ Verdünner P 13‐30 Epilox ® ‐ Härter H 10‐31 EP 1.1‐1.2 1,6 Tab. 7 Prüfkörperbezeichnung Festiger und dessen Brechungsindex
Diagr.7 und 8 oben: Brechungsindex Festigungsmittel Epilox ® unten: Absorptionskoeffizient Festigungsmittel Epilox ® Seite 21 4.5 Materialauswahl von der Terrakotta und Glasur In Herstellungsart und Rezeptur der Scherben und der Glasuren orientierte sich die Fertigung der Prüfkörper an bereits vorhandenen Parametern der unveröffentlichten Diplomarbeiten von Sonja Radujkovic, FH Potsdam (2000)7 und Gerhard D´ham, HAWK Hildesheim (2003)8. Ausgehend von den dort gewonnen Erkenntnissen konnten Glasurzusammensetzungen, so wie die Steuerung der Brenn‐
vorgänge bezüglich der Temperatur und Dauer für dieses Projekt übernommen werden. Bezug nehmend auf die Schadensbilder im vorliegenden Original (Abb.4 u. 5), viel die Wahl auf die zwei Glasurfarben weiß und grün, für die angestrebte Untersuchung zur Detektion der Glasurablösung. Zudem war der hohe Anteil von Metalloxiden, weiß/Zinnoxid und grün/Kupferoxid ausschlaggebend für diese Auswahl. THz‐Strahlung wird von Metallen reflektiert. Um auszuschließen, dass eine stärkere Glasur und somit eine höhere Anreicherung an Metalloxiden an einem Messpunkt zu Streuung oder Totalreflexion eines THz‐Pulses führt, wurden Messungen an verschieden dicken Glasuren (75 µm und 420 µm) vorgenommen. Nach Auswertung der Messungen zeigte sich hier kein reflektierender Einfluss auf die zu erwartende Signalstärke. (Zwischenb.2, S.13) 4.5.1 Materialzusammensetzung und Aufbau der glasierten Terrakotten Der Aufbau der für dieses Projekt zu untersuchenden Terrakotta setzt sich in folgenden Schichten zusammen: Dem niedrig gebrannten Terrakottascherben aus rötlichem Ton, mit einem darüberliegenden dünnen Überzug aus hellem Ton, der Engobenschicht. Den oberen Abschluss bilden, die durch den Brand fest mit dem Scherben verbundenen farbigen Glasuren. Zur Herstellung der Prüfkörper der Größe ca. (3x3x0,5 cm³) wurden Tonziegel des Backsteinwerk Rettmer GmbH Lüneburg, zwei Tage in Wasser eingesumpft und gestampft. Anschließen wurde die Masse durch ein feinmaschiges Sieb gedrückt, um Ziegelstücke und andere grobe Anteile zu entfernen. Nach dreitägiger Trocknung der im Rahmen ausgeformten Masse bei 50 % r.F. und 20° C erfolgte der Zuschnitt bei lederhartem Zustand. Der Aufstrich des Engobenschlickers aus halbfettem und magerem hellen Tonmehl 1:1 wurde zweimal kreuzweise mit einem weichen Pinsel durchgeführt. Nach dessen Trocknung erfolgte der Schrühbrand mit einer Aufheizrate von 100°C/h und einer Maximaltemperatur von 950°C mit einer Haltezeit von 15 min. In Anlehnung an die Glasuren des Originals, (Kap 3.2) wurden die durch Kupferoxid grün‐transparente Bleisilikatglasur, so wie die opake weiße Bleizinnglasur mit einem einmaligen Pinselauftrag gefertigt. Die Glasuren des Originals liegen in ihren Materialstärken bei der grünen Glasur zwischen 0,1 mm und 0,15 mm und der Weißen bei etwa 0,3 mm.9 Der Glattbrand erfolgte bei einer Aufheizrate von 125°C/h und einer Maximaltemperatur von 1050°C mit einer Haltezeit von 15 min und einer Abkühlung von 500°C/h. Die Rückseiten der glasierten Terrakotten wurden nach deren Abkühlung im Nassschleifverfahren (Schleifscheiben WS flex 18 C SK Körnung 1000) poliert. Dies geschah, um eine planparallele Fläche, ohne herstellungsbedingte Störungen zu erzeugen und somit mögliche Ablenkungen der THz‐
Strahlung durch Unebenheiten zu vermeiden.10 7
Radujkovic, S.; (2000) S. 26 ff. D’Ham, G..; unveröffentlichte Diplomarbeit Fixierung keramischer Glasuren an witterungsexponierter engobierter Terrakotta. Untersuchungen zur Eignung verschiedener Hinterfüllstoffe und Festigungsmittel, HAWK Hildesheim (2003) S. 50 ff. 9
Radujkovic, S.; (2000) S.22 10
Genutzte Materialien für die Engoben‐ und Glasurherstellung wurden von der Fa. Börkey , Keramik.Bedarf, Berlin bezogen. 8
Seite 22 Abb.9 Prüfkörper der glasierten und unglasierten Terrakotten aus der THz‐Messreihe TER3.1‐TER 3.3
4.5.2 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionskoeffizient / Glasur und Terrakotta Der Brechungsindex und der Absorptionskoeffizient wurden sowohl bei reinen Terrakottascherben als auch bei glasierten Terrakotten ermittelt. Auch hier wurde aus drei Einzelmessungen der Mittelwert für den jeweiligen Brechungsindex und den Absorptionskoeffizienten bestimmt. Material Prüfkörperbezeichnung
Brechungsindex Terrakotta TER 1.1‐1.4 2,00 Terrakotta mit grüner Glasur TER 2.1‐2.3 2,02 Terrakotta mit weißer Glasur TER 3.1‐2.3 2,02 Tab. 8 Prüfkörperreihe Terrakotta/Glasuren und deren Brechungsindex
Diagr.9 und 10 oben: Brechungsindex Prüfkörperreihe TER 1.‐3. unten: Absorptionskoeffizient Prüfkörperreihe TER 1.‐3. Seite 23 4.6 Zusammenfassung der THz‐Messergebnisse Schlussfolgernd aus den Ergebnissen der Kap. 4.1 bis 4.4 lässt sich feststellen, dass abgesehen von dem Gestein Bohus Granit alle untersuchten Materialien transparent für THz‐Strahlung und somit gut zu analysieren sind. Es ließen sich eindeutige Materialparameter im THz‐Frequenzbereich festlegen. Anhand der gewonnen Daten konnten Abschätzung zur maximalen Probendicke nach [Jepsen, 2004]11 errechnet werden. Dies diente der Konzipierung, der Prüfkörperreihe zur Detektierung von Hohlräumen im Gestein. Zudem ließen sich so die Materialdicken der Gesteine und deren verfüllte Hohlräume bestimmen. 4.7 Kenndatenermittlung der Gesteine und Hinterfüllmörtel in Ultraschall Mittels Durchschallungs‐ bzw. Transmissionsmessung (bei ca. 20‐250 kHz) kann die Schallgeschwin‐
digkeit der Longitudinalwellen in Ultraschall bestimmt werden. Für dieses erste Untersuchungsziel der Kennwertermittlung wurden alle für alle Gesteine die Ermittlung der Longi‐tudinalwellen von besonderem Interesse. 4.7.1 Prüfkörperkonfiguration und Voruntersuchungen Für die Ultraschallmessungen wurde von der Firma Geotron Elektronik zu einer minimalen Messstrecke von 4 cm geraten. Die Abmaße der gefertigten Prüfkörper aus Gestein betrugen daraufhin (4x4x4 cm³). Die für diese Messreihe erstellten Prüfkörper dienten auch vorab zur Ermittlung des Wasseraufnahmekoeffizienten in Anlehnung an DIN EN ISO 15148 und der Bestimmung der Rohdichte und offenen Porosität nach DIN EN 1936:2007‐02. (Zwischenb.2; S23 ff. und Zwischenb.1; S.22) Abweichend von der Prüfkörpergeometrie der Gesteinsproben mussten die Probekörper in den Abmaßen der Injektionsmörtel ca. (2x2x6 cm ³) abgeformt werden. Diese erklärten sich Herstellungs‐
bedingt, da die nach Rezepturen der Hersteller gefertigten Mörtel oft schon nach kurzer Abbindung noch in den Formen Risse im Gefüge und spätere Delaminationen zeigten. Vor allem vom KSE gebundenen Mörteln konnten keine, für die Messanforderung nutzbaren Prüfkörperprismen herge‐
stellt werden. (Abb.10 u. 11) Nach Nutzung verschiedener Prismenformen (Silikon, Holz, Styropor) erwies sich die Abformung in Styropor (Jahn M30 u. REMMERS 2K)als effektiv. Gesteine Prüfkörperbezeichnung Groß Kunzendorfer Marmor U GKM Obernkirchener Sandstein U OB Weiße Marianna Marmor U WWM Baumberger Sandstein U BB Bolhus Granit U BG Roter Wesersandstein U MS Material Prüfkörperbezeichnung
Anröchter Dolomit U AD Thüster Kalkstein U TK Mörtel Jahn M30 U JH Kirchheimer Muschelkalk U KM Tab. 9 Weiberner Tuff U WT Prüfkörperreihe Ultraschall Kennwertermittlung 11
[Jepsen, 2004] Uhd Jepsen;, P; Fischer; B. M; Dynamic range in terahertz time‐domain transmission and reflection spectroscopy, Optics Letters, Vol. 30, Issue 1, pp. 29‐31 (2005) Seite 24 Abb. 10 und 11 links: Prismenformen zur Prüfkörperherstellung rechts: ausgeformter KSE 500 STE Prüfkörper mit Schwundrissen nach 5 Tagen Zur Ermittlung der Ultraschallgeschwindigkeit im Tiefenprofil wurden die Prüfkörper nach Lagerung im Normalklima bei 20±2°C und 55±5 % r.F. gemessen. Die Messungen wurde mit dem für dieses Projekt von der Firma Geotron Elektronik erworbene System UKS‐D mit den Messköpfen Ultraschallgeber UPG 250 und Ultraschallempfänger UPE durchgeführt. Für die Auswertung wurde die Software LightHouse UMPC Version 1.0 desselben Herstellers verwendet. Als Koppelmittel diente ein durch die Firma Geotron Elektronik zur Verfügung gestelltes formbares Koppelmaterial (Teraputty Therapieknete). Um die Ankopplung und Schallüber‐
tragung zu überprüfen, wurden an identischen Prüfkörpern im Vorfeld Vergleichsmessungen mit dem für Ultraschallmessungen an Objekten genutzter fettfreier Modellierton vorgenommen. Die Ergeb‐
nisse der Schallgeschwindigkeitsmessung erwiesen sich als identisch. Der Vorteil in der Nutzung des Koppelpads wurde durch seine gleichmäßige, Ausbreitung über den Messköpfen gesehen. Zudem konnte nach Angaben von Herrn Rolf Krompholz (Geotron Elektronik) eine handelübliche Küchen‐
folie faltenfrei zwischen Koppelpad und Prüfkörper gelegt werden, ohne dass dies eine Beeinflussung der Daten durch Minderung/Verfälschung des Signals zur Folge gehabt hätte. Vorteil dieser Maßnahme war die Möglichkeit, das Koppelmittel rückstandsfrei nutzen zu können. Jeder der Prüfkörper (6 pro Gestein und 3 pro Mörtel) wurde in alle drei Richtungen auf ihre Laufzeit‐
geschwindigkeit hin gemessen. Die Festlegung der Messstrecke erfolgte zuvor mittels Messschieber bis zwei Stellen nach dem Komma. So weit es anhand der Proben optisch ersichtlich war, konnte die Festlegung des Schichtlagers in den Ergebnissen vermerkt werden. Die ermittelten Kenndaten dienten als Grundlage für weitere Messungen an künstlich bewitterten und verfüllten Prüfkörpern. Die ermittelten Werte finden sich im Anhang Kap. 13.2 Seite 25 5. Hohlraummessung mit zeitaufgelöster THz‐Spektroskopie (THz‐TDS) an Naturstein im
Laboraufbau Aufbauend auf den in der ersten Projektphase gewonnenen Kenndaten von Naturgesteinen, im Bezug auf deren THz‐Absorptionsspektrum und dem Brechungsindex wurden anhand einer Auswahl weitere Messungen zur Analyse von Hohlräumen vorgenommen. Die hierzu angewendete Terahertz Zeitbereichsspektroskopie (THz‐TDS) ist eine spektroskopisches Verfahren, bei dem die Eigenschaften eines Materials mit sehr kurzen Pulsen im Bereich von einigen Hundert Femtosekunden mittels Terahertz‐Strahlung untersucht werden. Das Erzeugungs‐ und Entdeckungsschema ist in Bezug auf die Wirkung des Probematerials sowohl auf die Amplitude als auch die Phase der Terahertzstrahlung empfindlich. In Analogie zum Ultraschall liefert die THz‐
Pulsantwort (Time of flight „Echo“) zudem Einblicke in den inneren Aufbau (Grenzflächen, unbekannte Zwischenschicht, jedoch keine Tomografie). Zielsetzung der Untersuchungsreihe war es die mögliche Detektierbarkeit unterschiedlich breiter und hintereinanderliegender Hohlräume in verschiedenen Tiefen auszuloten. 5.1 Prüfkörperkonfigurationen mit planer Oberfläche Aus Natursteinprüfkörpern mit den Außenmaßen (40x40x40 mm³) wurden mittels einer Präparationssäge in unterschiedlich starke planparallele Ebenen erstellt. Messungen erfolgten mit diesen Ebenen einzeln, wie auch in Kombination mit Hohlräumen in verschiedenen Variationen. Folgende Gesteine aus unterschiedlichen Gesteinsklassen wurden untersucht: OB GKS KM WT Obernkirchener Sandstein Groß Kunzendorfer Marmor Kirchheimer Muschelkalk Weiberner Tuff Von links Stein 1,7mm Hohlraum 90µm Stein 4,9mm Hohlraum 2,8mm Stein 10,9mm eindringender THz‐Puls reflektierter THz‐Puls Diagr.11 Schematische Darstellung zur Signalentwicklung der Messungen an Prüfkörpern mit definierten Hohlräumen aus Naturstein Hinsichtlich der reflektierten THz‐Pulse an den jeweiligen Grenzflächen konnten Aussagen zu der Tiefe und Größe eines Hohlraums immer im Bezug auf die Referenzmessung (Aluplatte) getroffen werden. Exemplarisch wird dies folgend anhand einer Prüfkörperkonfiguration aus Obernkirchener Sandsteines und Weiberner Tuff dargestellt. Seite 26 5.1.1 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS / Obernkirchener Sandstein Diagr.12 Time of flight Messungen OB Seite 27 5.1.2 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS / Weiberner Tuff Diagr.13 Time of flight Messungen WT
5.1.3 Beurteilungen der Messergebnisse Das Ziel der Detektion von Hohlräumen mittels THz‐Strahlung lässt sich an den für die Untersuchung ausgewählten Gesteinen umsetzen. Anhand der Charakteristik und dem abweichenden Signalverlauf des empfangenen Pulses im Vergleich zum Referenzsignal lässt sich der Phasenwechsel zwischen Material und Luft/Holraum ermitteln. Es zeigte sich jedoch, das porösere Gesteine mit fein‐ bis großkörnig Textur, wie der Weiberner Tuff eine höhere Dämpfung/Streuung des Signals hervorruft. Einzig an diesem Gestein ließen sich in der vorgenommenen Messreihe nicht mehrere hintereinanderliegende Hohlräume und direkt aufeinander liegende Prüfkörperschichten detektieren. An alle anderen Gesteinen der Prüfreihe ließen sich, ähnlich dem Obernkirchener Sandstein mehrere Hohlräume hintereinander messen. (Anhang Kap. 13.3 u. 13.4) Die Erprobung an Prüfkörpern war Voraussetzung für die Beurteilung der geplanten Messungen am Original und Prüfkörpern aus natürlich verwittertem Gesteinsmaterial. Seite 28 6. Identifikationen von Materialübergängen an Naturstein mittels THz‐TDS und Ultraschall 6.1 Identifikation der Grenzschicht zwischen Hinterfüllmörtel und Naturstein (THz‐TDS) Ein weiterer Schritt des Forschungsprojekts war es mittels THz‐TDS die Zusammensetzung von Materialverbindungen insbesondere Gestein/Hinterfüllmörtel zu analysieren. Anhand der bereits ermittelten Kenndaten von Gesteinen und Mörteln (Kap. 4.2.1 u. 4.3.1) wurde die Auswahl der Gesteine und deren Probengeometrien getroffen. Ziel der Untersuchung im Reflexionsaufbau war es die Möglichkeit auszuloten, durchgeführte Maßnahmen der Materialsicherung durch Hinterfüll‐
mörtel zu überprüfen und mögliche Ablösungen im Materialverbund zu detektieren. Vor Erstellung der Prüfkörper mit Injektionsmörtel (REMMERS KSE 500 STE; REMMERS 2K und Jahn M30) wurden diese auf ihren Feststoffgehalt nach ihrer Trocknung hin untersucht. Eine Ermittlung zur Geelabscheidung der Bindemittel der beiden REMMERS Produkte wurden ebenfalls vorgenommen (Zwischenb. 2, S.19). Dies geschah, um eine genauere Einschätzung zum Anbindverhalten und der möglichen Verteilung der Hinterfüllmörtel kalkulieren und ungewollte Materialablösungen im Vorfeld ausschließen zu können. 6.1.1 Prüfkörperkonfigurationen Um eine praxisnahe Hinterfüllung eines Hohlraums zu simulieren, wurden je 3 Prüfkörper von zwei unterschiedlich starken Gesteinskörpern (2‐3 mm und 10‐12 mm) mittels Präzisionssäge mit den Außenmaßen (40x40 mm²) zugesägt. Zur Erstellung eines definierten Zwischenraums diente ein Objektträger (Roth ISO 80 37/1) von 1 mm. Dieser wurde zwischen die Gesteinsebenen platziert und nach der Fixierung der Prüfkörperflächen entnommen. Die Injektion der Mörtel, die nach vorgegebener Rezeptur gefertigt wurden, erfolgte mittels Spritze und Injektionsnadel. Geringe Abweichungen der Hohlraumbreite von 1 mm durch die Art der Applikation waren unvermeidbar. Vor allem der Remmersmörtel KSE 500 STE zeigte ein starkes Migrationsverhalten des Bindemittels KSE in das Gestein. Dieses war auch 7 Tage nach der Injizierung nicht vollständig aus dem Gestein verdunstet. Die präparierten Prüfkörper wurden 35 Tage bei 20 ±2°C und 60 ±5 % r.F. gelagert. Dabei konnten die Prüfkörper die Feuchtigkeit über 3 Flächen abgeben. Die Wägung erfolgte in den ersten 5 Tagen täglich, dann wöchentlich bis zum Erreichen der Massekonstanz. (Messgenauigkeit 0,01 g) Injektionsmörtel Probenbezeichnung KSE 500 STE H KSE Jahn M30 HJ
2 K H 2K
Untersuchte Gesteine Obernkirchener Sandstein Baumberger Sandstein Anröchter Dolomit (nur mit KSE 500) Kirchheimer Muschelkalk Thüster Kalkstein Weiberner Tuff Groß Kunzendorfer Marmor Tab. 10 Prüfkörperbezeichnung Messreihe H Hinsichtlich der reflektierten THz‐Pulse an den jeweiligen Grenzflächen konnten Aussagen zur Detektierbarkeit des applizierten Mörtels immer im Bezug auf die Referenzmessung (Aluplatte) getroffen werden. Exemplarisch wird dies folgend anhand der Prüfreihe H KSE dargestellt. Seite 29 6.1.2 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS / Injektionsmörtel KSE 500 STE Diagr.14 Ergebnisse Messreihe H KSE Time of flight Messungen Seite 30 6.1.3 Beurteilungen der Messergebnisse / Identifikation Hinterfüllmörtel Bei Betrachtung aller Ergebnisse ist festzustellen, dass die Detektion, eines Übergangs zwischen Gestein und Mörtelmaterial durch THz‐TDS möglich ist, (Diagr. 14 und Kap. 13.5 u. 13.6 im Anhang). Lediglich bei Weiberner Tuff konnte kein auswertbares Signal für diese Übergänge analysiert werden (Diagr. 14). Die Kenndatenermittlung in THz für dieses Gestein (Kap. 4.2.1) zeigte, dass Weiberner Tuff in THz‐
Strahlung eine geringe Transparenz aufweist, welche auch auf seine inhomogene Material‐
zusammensetzung zurückzuführen ist. Durch die Inhomogenität eines Materials werden Pulse an verschiedenen Grenzflächen innerhalb des Materials gestreut und abgelenkt. Der empfangene Puls, der nach dem Durchlaufen der genannten Störungen gemessen wurde, ist nicht mehr differenzierbar, das THz‐Signal geht im Rauschen auf. Die einzelnen Positionen der reflektierten Pulse sind von der Dicke und dem Brechungsindex der äußeren Steinschicht abhängig. Unterschiedlich starke Reflexionen an der Hinterfüllmasse können zum einen durch die Variation der Differenz der Brechungsindizes (Brechungsindexsprung), oder auch durch die Qualität der Anbindung an das Material an den Stein bedingt sein. Dies hat nicht automatisch zur Folge, dass an diesen Stellen ein Hohlraum zu vermuten ist, sondern ist eher der Tatsache geschuldet, dass die Steinoberflächen im Gegensatz zur Praxis zu glatt vorliegen. Ausgenommen hiervon waren die Messung am Prüfkörper H2K–KMI, hier zeigten sich eindeutige Doppelpulse, die einen applikationsbedingten Injektionsmörtelhohlraum vermuten ließen. Aus diesem Grund wurden alle gemessenen Prüfkörper in deren Längsachse in Höhe des THz‐
Messpunktes mittels Präparationssäge geteilt, optisch (VDX‐Digital‐Mikroskop) beurteilt, fotografisch dokumentiert und nach möglichen Störfaktoren wie kleinen Blasen oder Ablösungen für eine Kontrollmessreihe ausgewählt. 6.1.4 THz‐TDS Kontrollmessungen am Beispiel von Kirchheimer Muschelkalk mit Hinterfüllmörteln Im Folgenden werden exemplarisch Kontrollergebnisse aller Hinterfüllmörtel in Kombination mit Kirchheimer Muschelkalk dargestellt. Die Messpunkte lagen bei der Kontrollmessreihe jeweils oberhalb oder unterhalb der optisch ersichtlichen Hohlräume. Auffällige Hohlräume innerhalb der hinterfüllten Bereiche zeigten sich bei den Proben HKSE‐KM III und HJ‐KM III. (Abb.12). Abb.12 Gesägte Prüfkörper der Prüfreihe H KM(Kirchheimer Muschelkalk) mit allen Hinterfüllörtel von links: H2HK KM I ; HKSE KM III; HJ KM III Seite 31 A
Diagr.15 Ergebnisse Messreihe H KM Time of flight Messungen B
Diagr.16 Ergebnisse Kontrollmessung Messreihe H KM Time of flight Messungen Seite 32 6.1.5 Beurteilungen der Messergebnisse der Kontrollmessung Der Vergleich der Pulse zeigte, dass diese bei den Proben HJ‐KMIII und H2K‐KMI sowohl in der ersten als auch der Kontrollmessung eine annähernd identische Pulsform aufwiesen. Eine Detektion des Übergangs zwischen Gestein und Mörtelmaterial mittels THz‐TDS ließ sich hier nachweisen und schloss somit die Reflexion eines Pulses durch einen Hohlraum aus. Auch der durch die gemessenen Doppelpulse vermutete Hohlraum am Prüfkörper H2K‐KMI ließ sich nicht auf einen Hohlraum, sondern vermutlich auf zwei Phasenübergänge Gestein/Mörtel ‐ Mörtel/Gestein zurückführen. Die Kontrollmessungen am Prüfkörper zeigten, anhand der Charakteristik und dem abweichenden Funktionsverlauf des empfangenen Pulses im Vergleich zum Oberflächensignal, einen Phasenwechsel zwischen Material und Luft/Holraum. Somit konnte bei den Messergebnissen in Diagr. 15 Punkt A vermutet werden, dass im Vergleich zu dem Messergebnissen Diagr. 16 Punk B der Messpuls durch einen Phasenübergang zum Hohlraum reflektiert wurde. Alle andern durchgeführten Kontrollmessungen zeigten in ihren Ergebnissen keine Abweichungen von denen der Messreihe H (Anhang Kap. 13.7). 6.2 Identifikation der Grenzschicht zwischen Hinterfüllmörtel und Gestein (Ultraschall) Für die geplante Untersuchung der Verortung von Grenzflächen Gestein/Mörtel mittels Ultraschall wurde in Absprache mit Herrn Kromholz/Fa. Geotron Elektronik eine Messanordnung der Sender und Empfänger (Dehnwellenmessköpfe) in Reflexion gewählt. Betrachtet wurde in diesen Messungen das Signalverhalten der gemessenen Oberflächenwellen und Raumwellen. Raumwellen werden in Longitudinal‐ und Transversalwellen unterschieden. Die Oberflächenwellen können sich nur entlang einer Oberfläche, im Fall der untersuchten Prüfkörper in der oberen Gesteinslage (Abb.13, a) und nicht im Raum ausbreiten.12 Sie sind langsamer als Raumwellen, jedoch nimmt ihre Amplitude weniger schnell ab. Bei der Ausbreitung einer Welle im Material kommt es unter anderem zu den Effekten der Reflexion, Streuung, Beugung und Absorption. Bei der Bewertung der Messergebnisse wurde das Signal hinsichtlich der Effekte, bezogen auf die Prüfkörpergeometrie betrachtet. Zum Einsatz kam eine an der HAWK gebaute Messkopfhalterung, die durch annähernd gleichen Druck ohne Koppelmittel im definierten Abstand auf den Prüfkörpern platziert wurde. (Abb.14) Abb. 13 a
Schema des Prüfkörperaufbaus der Messreihe: HU. Gesteine Prüfkörperbezeichnung Kirchheimer Muschelkalk HU KM Obernkirchener Sandstein HU OB Weiberner Tuff HU WT Baumberger Sandstein HU BB Thüster Kalkstein HU TK Roter Wesersandstein hU MS Anröchter Dolomit HU AD Tab. 11 Prüfkörper der Messreihe HU 12
Wendrich A.; Zerstörungsfreie Ortung von Anomalien in historischem Mauerwerk mit Radar und Ultraschall‐Möglichkeit und Grenzen‐; BAM –Dissertationsreihe; Band 47 (2009)S.8 ff. Seite 33 Abb.14 Messaufbau der Messreihe HU 6.2.1 Prüfkörperkonfiguration Hinterfüllt wurden die Prüfkörper analog zu denen der Messreihe H (Kap. 6.1.1) mit Abweichung in der Messtiefe (4x4x4 cm³) hergestellt. Gemessen wurden nach Trocknung der Prüfkörper (21 Tage bei 20±2°C und 60±5 % r.F.) jeweils 3 Prüfkörper von 7 Gesteinsarten. Abb.15 Prüfkörperreihe HU vor der Applikation des Hinterfüllmörtels.. 6.2.2 Darstellung und Beurteilung der Messergebnisse Ultraschall An den jeweiligen Prüfkörper wurde wie in Abb.14 dargestellt, sowohl an der Seite der schmalen Steinfläche als auch der gegenüberliegenden breiteren Steinflächen gemessen. Dies geschah, um eine Signalveränderung durch den Einfluss der Grenzfläche beurteilen zu können. Exemplarisch werden die Ergebnisse der Messung an Anröchter Dolomit mit Jahn M30 im Folgenden dargestellt. Seite 34 Diagr.17 Ergebnisse der Oberflächenmessung am Prüfkörper HU AD10_gegen die schmale Steinfläche. Diagr.18 Ergebnisse der Oberflächenmessung am Prüfkörper HU AD10_gegen die breite Steinfläche. Die Oberflächenmessung erfolgte analog zu der Analyse der Ultraschallgeschwindigkeit im Tiefenprofil mit der gleichen Prüfvorrichtung (Geotron Elektronik) und Auswertungssoftware (LightHouse UMPC). Erwartet wurde ein negativer Signaleinstieg, der bei der Messung gegen die schmale Gesteinsfläche (Diagr.17) sehr gering ausfiel. In einer Besprechung zu den gewonnenen Messergebnissen in Zusammenarbeit mit der Fa. Geotron Elektronik erfolgte die Einordnung dieses Signalbildes. Verglichen mit dem Signaleinstieg der Messung in Richtung der breiteren Gesteinsfläche (Diagr.18) lässt sich vermuten, dass Wellen gedämpft werden. Grund dafür kann die geringe Ausbreitungsfläche (Prüfkörperfläche) sein. Die gesendeten Oberflächenwellen breiten sich gegen die reflektierte Welle aus, beide überlagern sich und somit findet die Dämpfung des Signals statt, welches das flache Einstiegsignal erklären würde. Diese Auswertung kann allerdings lediglich als Tendenz angesehen werden, da sich diese Signalform nicht an allen untersuchten Proben wieder fand. Seite 35 6.3 Ermittlungen zur Eindringtiefe von Festiger mittels THZ‐TDS Ausgehend von den ermittelten Kenndaten, wie Brechungsindex und Absorptionskoeffizient, von Gestein und Festiger im THz‐Frequenzbereich (Kap. 4.2.1 und 4.4.1) wurde vermutet, dass bei einem Brechungsindexsprung zweier Materialien der Übergang zwischen getränktem und ungetränktem Gestein mittels THz‐TDS im Reflexionsaufbau möglich war. Der Obernkirchener Sandstein erwies sich in der Charakterisierung von Gesteinen mittels THz‐Wellen aufgrund seiner Homogenität im Vergleich mit den übrigen Gesteinsformen (ausgenommen Marmor) als relativ transparent. Seine homogene Korngrößenverteilung ergibt eine Porengrößenverteilung von 0,02‐0,05 mm13 Bei einem höheren Materialanteil von Festiger bezogen auf die Gesteinskomponenten wurde vermutet, dass die Möglichkeit der Detektierbarkeit einer Festigungsgrenze höher einzustufen wäre. Für die Messreihe wurden zwei weitere Gesteine ausgewählt: Thüster Kalkstein feinporig, mittelkörnig, homogen und mäßig sortiert häufigste Porengröße 0,3‐1,5 mm, und Weiberner Tuff, fein‐ bis grobkörnige Struktur, ungleichkörnig, ohne definierte Porengröße.14 6.3.1 Prüfkörperkonfiguration Ausgehend von den ermittelten Kennwerten wurde eine Prüfkörpergeometrie von (40x40x25 mm³) für die zu tränkenden Gesteine gewählt, wobei die kürzeste Seite als horizontal zu durchtränkende Ebene ausgewählt wurde. Um eine möglichst gleichmäßige Tränkungslinie im Gestein zu erreichen, wurden die Prüfkörper an den Seitenflächen mit Epoxidharz (Akemi AKEPOX ® 2040) abgesperrt und auf Tränkungsdreiecke 5 mm tief in das Festigungsmittel gestellt, sodass sich der Festiger kapillar in das Probenmaterial saugen und die Luft in den Poren nach oben entweichen konnte. Durch die kapillare Saugwirkung reicherte sich der Steinfestiger im Porensystem des Steins an. Die jeweilige Steighöhe wurde optisch bestimmt und angezeichnet. Zur Beurteilung der tatsächlichen Steighöhe wurden je zwei Kontrollprüfkörper mit und ohne fluoreszierenden Indikator angefertigt und überprüft. Die Tränkungsdauer wurde mit 15, 30 und 60 min. variiert. Prüfkörperbezeichnung Brechungsindex OKS Obernkirchener Sandstein 1,9 TK Thüster Kalkstein 2,6 WT Weiberner Tuff 1,7 EP Epilox ® 1,6 6.3.2 Beurteilung zur Ermittlung der Eindringtiefe von Festiger mittels THZ‐TDS In den Messungen zeigten sich bei keiner der untersuchten Proben zusätzliche reflektierte Pulse bei einer zu erwartenden Grenzschicht zwischen getränktem und ungetränktem Gestein. Auch einen möglichen besseren Nachweis der Grenzschicht durch einen höheren Anteil von Festiger im Porenraum bei den Gesteinen Thüster Kalkstein und Weiberner Tuff bestätigten sich nicht. (Anhang Kap. 13.8) 13
Iffert‐Schier S.;(2000). S.31 Grimm, W.‐D.; Bildatlas wichtiger Denkmalgesteine der Bundesrepublik Deutschland W.‐D Arbeitshefte des Bayerischen Landes‐ amtes für Denkmalpflege (1990). o.S. 14
Seite 36 Es war zu vermuten, dass keine scharfe Abgrenzung der getränkten und ungetränkten Bereiche durch eine klare Trennungslinie existiert, sondern eher ein kontinuierlicher Übergang des gefestigten in den ungefestigten Bereich vorlag. Somit bestand kein klarer Brechungsindexsprung, der durch scharfe Übergänge zweier Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindexen vorhanden wäre. Je nach Gestein und Saugverhalten ist zusätzlich auch von einem nicht linearen, unebenen Tränkungs‐
horizont auszugehen. Die Überprüfung ergab eine nahezu parallel verlaufende Tränkungslinie bei den Sandsteinproben, dagegen einen unregelmäßigen Verlauf an beiden grobporigeren Gesteinen Thüster Kalkstein und Weiberner Tuff. (Zwischenb.3; S.18) Anhand der erzielten Untersuchungsergebnisse konnte davon ausgegangen werden, dass die Detektion einer Festigertränkungslinie von Epilox® in Gestein durch die THz‐Messung in Reflexion nicht eindeutig auswertbar war. Um die mögliche Ermittlung eines gefestigten Gesteinsmaterials über die Veränderung seiner Materialparameter (Brechungsindex) zu identifizieren, wurden die Brechungsindexe zweier Prüfkörper aus Obernkirchener Sandstein verglichen. Zum einen die Werte eines getränkten Prüfkörpers der aktuellen Messreihe gegenüber der ungetränkten Probe der Messreihe. Kap. 4.2.1. Diagr.19 Brechungsindex OKS ‐oben getränkt mit Epilox® Diagr.20 Brechungsindex OKS ‐unten ungetränkt Im Vergleich zu den Materialdaten des ungetränkten Gesteins (Diagr.19) gegenüber dem getränkten (Diagr.20) liegt eine geringe Abweichung vor. Da aber bei der Untersuchung an Naturstein immer die geringfügige Veränderung der heterogenen Gemenge berücksichtigt werden muss, kann diese nur sehr geringe Veränderung des Brechungsindex nicht als Bestimmung des Vorliegens von Festiguns‐
mitteln herangezogen werden. Seite 37 7. THz‐TDS Messungen an glasierten Terrakottaprüfkörpern Hinsichtlich der geplanten Untersuchungen am Original lag die Zielsetzung der Untersuchungsreihe H‐TER bei der möglichen Messbarkeit von abgelösten Glasuren an Terrakottaprüfkörpern durch Reflexionsmessung. Die Messungen fanden unter Laborbedingungen statt. 7.1 Prüfkörperkonfiguration (TER5; TER6) Zur Herstellung der Prüfkörper für die Untersuchungsreihe der Glasurablösung wurden die Rezepturen der Engobenschicht so wie Glasuren rezepturgleich den Voruntersuchungen genutzt (Kap. 4.5.2). Um eine gute Ausbildung der Glasurablösung zu gewährleisten, wurde die Probengeometrie abweichend auf (40x40x20 mm³) verändert. Die Anforderung an die Prüfkörper lag in der vollständigen möglichst planparallelen Ablösung der Glasur, um diese für die Messung in einem definierten Abstand platzieren zu können. Da zwischen den bereits in der Kennwertermittlung erfassten weißen und grünen Glasuren keine Unterschiede in den ermittelten Messdaten zeigten, wurde sich objektorientiert für die grüne Glasur zur weiteren Untersuchung entschieden. Die Prüfkörperherstellung für die Messreihe TER 6 erfolgte zeitgleich. Im Gegensatz zur Messreihe Kap. 4 wurden hier unregelmäßige an das Original angelehnten Blasen‐
Hohlraumbildungen hergestellt. Die Ab‐ bzw. Teilabtrennung der Glasurschicht erfolgte mithilfe einer Trennschicht, einer wässrigen Lösung aus Tylose MH 300 / Methylhydroxyethylcellulose 5 % gelöst in Wasser.15 Diese zersetzt sich beim Brennvorgang nahezu rückstandsfrei. Sinn war es eine Trennschicht einzubringen die eine zeitweilige Anbindung zwischen unterer und oberer Engobenschicht bewirkte, gleichzeitig aber nach dem Brennvorgang deren getrennte Bearbeitung ermöglichte. Allerdings war die Präparation einer separaten Glasurschicht herstellungsbedingt nur mit angebundener Engobenschicht möglich. (Abb.16 u. 17) Im Anschluss an die Ab ‐und Teilablösungen der Engobenschicht, erfolgte die Applikation der Glasur‐
schlicke in stärkerem Auftrag als bei den Prüfkörpern der Reihe TER 1. und 2. (Kap. 4.5.1) Abb.16 Prüfkörper der Reihe TER 3, 5. und 6. vor dem Glasurbrand: 1.Prüfkörper mit geschlossener Engobenschicht. (TER3) 2.Prüfkörper mit vollständig abgelöster oberer Engobenschicht 3. Prüfkörper mit teilabgelöster Engobenschicht.(TER 6) 15 D´Ham, G.; (2003); S. 54 Seite 38 Abb.17 Prüfkörper der Reihe TER 6, 5. und 3. nach dem Glasurbrand: Prüfkörper mit teilabgelöster Glasurschicht (TER 6) Prüfkörper mit vollständig abgelöster Glasurschicht (TER 5) Prüfkörper mit angebundener Glasurschicht(TER 3) 7.1.1 Darstellung der Messergebnisse / Terrakotta mit planer Glasurfläche (THz‐Reflexionspunktmessung) Das Interesse bei der Analyse von abgelösten Glasuren lag vor allem in der Detektion sehr geringer Hohlräume zwischen Terrakotta und Glasurmaterial. Aufgrund dessen wurde die abgelöste Glasur/Engrobe direkt auf dem Prüfkörper aufliegend, ohne definierten Hohlraum gemessen. Diagr.21 Time of flight Messungen glasierte Terrakotta TER 5 Seite 39 7.1.2 Beurteilungen der Messergebnisse Die Auswertung der Messergebnisse zeigte, dass aufgrund der geringen Materialdicke der Glasur/Engobenschicht und somit, des geringen Abstandes zwischen erstem Oberflächen (Glasur/Engobe)‐ und zweitem Oberflächensignal (Engobe/Terrakotta) nach einem minimalen Materialübergang, abweichend von den Prüfkörpern aus Sandstein (Diagr.12, unters Feld) die gemessenen THz‐Pulse kurz hintereinander laufen (roter Pfeil). Hierbei kommt es zu einem ineinander laufen der THz‐Pulse, die eine genaue Analyse des Hohlraums nicht eindeutig zulassen. Es ist jedoch ersichtlich, dass durch den veränderten Puls im Vergleich zur Referenzmessung ein Übergang Material‐Hohlraum vorliegen muss. Für eine höhere Messgenauigkeit wurden für die weiteren Analysen der künstlich abgelösten Glasuren (TER 6) zusätzlich ein System mit höherer Laserleistung genutzt. 7.2 Darstellung und Beurteilung der Messergebnisse/Terrakotta mit unregelmäßiger Glasurablösung (THz‐Reflexionspunktmessung) x-Achse
Zielsetzung der Untersuchung am, aus der Prüfkörperreihe TER 6 ausgewählten glasierten Probe‐
körper (TER 6.5) war es, durch THz‐Reflexionsmessung Aussagen über die exakte Tiefe des detektierten Hohlraums machen zu können. Zur Überprüfung der mit THz‐Strahlung ermittelten Werte wurde die Hohlraumtiefe mechanisch gemessen und durch Analyse mittels VHX‐Digital‐Mikroskop optisch ausgewertet. Um die THz‐Signale von abgelösten Glasurbereichen besser beurteilen zu können, wurden am Prüfkörper (TER 6.5) Messungen an den glasierten Bereichen mit und ohne Hohlräume vorgenommen. Die dargestellten Graphen (Diagr.22 u. 23), zeigen jeweils die Zeitbereichs‐ bzw. Frequenzdaten zweier Messpunkte (Abb.19). Der erste Messpunkt liegt im Bereich der Blase (x=30, y=16), der Zweite außerhalb der Blase (x=20, y=8). y-Achse
Abb.18 Prüfkörper TER 6.5 mit während des Glasurbrandes hervorgerufenen Glasurablösung Abb.19 Prüfkörper TER 6.5 mit eingezeichneten Messpunkten Messpunkt ohne Hohlraum Messpunkt mit Hohlraum Seite 40 Diagr.22 Prüfkörper TER 6.5 THz‐Puls der Messpunkte mit und ohne Hohlraum Diagr.23 Prüfkörper TER 6.5 Frequenzspektrum der Messpunkte mit und ohne Hohlraum Die in Diagr.23 sichtbaren Einbrüche im Bereich des Spektrums werden durch die vom Hohlraum verursachte Mehrfachreflexion hervorgerufen. Aus dem Abstand lässt sich die Ausdehnung des Hohlraums ableiten. Dieser kann basierend auf der aufgeführten Formel in dem zur Projektarbeit publizierten Artikel16 nach umgestellt berechnet werden. Hierbei ist d die Dicke des Hohlraums, c die Lichtgeschwindigkeit und df der Frequenzabstand der Einbrüche. Hiermit lässt sich basierend auf den Daten ein Hohlraum von ca. 1,5 mm festlegen, was einer zeitlichen Verschiebung von 10 ps für die zweite. Reflexion (Diagr.22) entspricht. 16
Schwerdtfeger, M.; Castro‐Camus, E, Krügener, K.; Viöl, W.; Koch, M.; Buried sub‐wavelength fracture imaging in sculpture and construction materials by time‐of‐flight terahertz time‐domain spectroscopy; Applied Optics Vol.52 No.3 (2013) Seite 41 Um diese Messergebnisse zu belegen, wurde der Hohlraum mit Hilfe einer 3D Profilmessung am VHX‐Digital‐Mikroskop an der HAWK durchgeführt. Hierzu musste der Prüfkörper entsprechend präpariert und ein Teil der Glasur um den Messpunkt entfernt werden. Für den ausgewählten Querschnitt des Messpunktes im 3D‐Bild konnte eine Profillinie vermessen werden. Die ausgewertete Tiefe lag hier bei ca. 1,61 mm (Abb.20) welches eine gute Übereinstimmung mit den durch die THz‐Spektroskopie ermittelten ca. 1,5 mm darstellt. Abb.20 Darstellung der 3D Profilvermessung am VDX‐Digital‐Mikroskop für die Ermittlung der Glasurablösungshöhe am Prüfkörper TER 6.5 8. Bildgebende Detektion von Hohlräumen an Prüfkörpern im Laboraufbau (THz Reflexions‐Image‐Messung) Ein weiteres Ziel des Projektes war es, Schadensbilder mit Tiefeninformation mittels THz‐
Zeitbereichsspektroskopie in Reflexionsgeometrie zerstörungsfrei und berührungslos zu erfassen. Zu den dabei zu ermittelnden Informationen zählten die Detektion des Übergangs zwischen Originalgestein bzw. Glasur und Hohlraum in genauer Verortung und die optische Darstellung der Störung im Tiefenprofil. Die Darstellung der Delaminationen sollte als Grundlage für eine Nutzung zur Schadenskartierung mit Tiefenprofil dienen. Der für die Analysen genutzte Messaufbau entsprach dem mobilen THz‐System, das in den späteren Untersuchungen am Objekt zum Einsatz kam. Seite 42 8.1 Bildgebende Detektion von Hohlräumen an Gesteinsprüfkörpern Die Auswahl und Geometrie der Prüfkörper und die Tiefe der Einschnitte stützte sich auf die Untersuchungsergebnisse aus der ersten Projektphase bezüglich des Brechungsindex im THz‐
Frequenzbereich, so wie die Auswertung der Time of flight Messungen. (Kap. 5.1) 8.1.1 Prüfkörperkonfiguration Gestein Prismen aus Obernkirchener Sandstein und Groß Kunzendorfer Marmor (4x4x2 cm³) wurden mit zwei Hohlräumen in einer Breite von ca. 1 mm Breite mithilfe einer Diamattrennschreibe in unterschiedlichen Ebenen über kreuz eingesägt (Abb.21) Abb.21 Prüfkörperreihe Image ‐Groß Kunzendorfer Marmor mit Einschnitten
8.1.2 Messung und Auswertung der THz Reflexions‐Image‐Messung/Gestein Ausgehend von den in Kap. 5.1 dargestellten Messergebnissen waren klare Signale an den Grenz‐
flächen Gestein/Hohlraum und Hohlraum/Gestein zu erwarten. Die gerasterte Aufnahme, der einzel‐
nen Messpunkte fand in Messschritten von 1 mm (1 px pro mm) bei einer Prüfkörpergesamtfläche von (40x40 mm²) statt. Eine in der x und y‐Achse bewegliche Verfahreinheit gewährleistete ein schwingungsfreies Abrastern des Prüfkörpers. Die Auswertung der Messergebnisse am Beispiel von Obernkirchener Sandstein, (Abb.22) zeigen die genaue Lage der Hohlräume in der Darstellung mit unterschiedlicher Signalintensität an. Diese unterschiedliche Signalenergie, hier in verschiedener Farbigkeit dargestellt, weist auf unterschiedlich stark reflektierte Pulse hin. Starke Reflexionen von den Prüfkörperhalterungen aus Metall zeigen sich in rot. Seite 43 vorderer Hohlraum hinterer Hohlraum stärkeres und frühes (ps) Signal
schwächeres und späteres (ps) Signal
Hohlraum bei 3mm Hohlraum bei 120mm Abb.22 Rechts: THz‐Image Obernkirchener Sandstein. links: Kartierung des THz‐Image über dem gemessenen Prüfkörper. geblendet 8.1.3 Bewertung der Messergebnisse THz Reflexions‐Image‐Messung/Gestein Bei der Auswertung des THz‐Images müssen immer die in den einzelnen Messpunkten aufgenommen THz‐Pulse hinsichtlich ihrer Laufzeit betrachtet werden. Diese geben Hinweise auf die Tiefe und Größe einer detektierten Störung. Voraussetzung ist die vorherige Bestimmung der Material‐
parameter. Das Ergebnis am ausgewählten Prüfkörper aus Obernkirchener Sandstein zeigte, dass unter Berücksichtigung aller Parameter eine optische Darstellung der Störungen im Tiefenprofil an parallel verlaufenden Hohlräumen und eine damit verbundene Schadenskartierung an Naturstein möglich ist.
8.2 Bildgebende Detektion von Glasurablösungen an Terrakotta Ausgehend von dem in Kap. 7.2 dargestellten Messergebnissen wurde bei der herstellungsbedingt größeren Ausbreitung der Hohlräume in der Tiefe davon ausgegangen, dass die Übergänge Hohlraum/Terrakotta auswertbare Reflexionen zeigen würden. Deshalb kam aufgrund der bisherigen Ergebnisse abweichend ein System mit höherer Laserleistung für diese Untersuchungsreihe zum Einsatz. Durch die höhere Leistung des Lasers und die evtl. bessere Dispersionskompensation (‐‐>schmalere Pulse) kommt es in dem THz‐System zum einen stärkeren Signal, das zudem auch höhere Frequenzen enthält. Diese höheren Frequenzen spielen für die Messungen in der Tiefe wegen der Absorption bei Gesteinsmaterial keine Rolle, sind aber in der Lage bei oberflächennahen Messungen schmalere Hohlräume und dünnere Materialschichten aufzulösen. Seite 44 8.2.1 Messung und Auswertung der THz Reflexions‐Image‐Messung/Terrakotta Die gerasterte Aufnahme der einzelnen Messpunkte wurde in Messschritten von 1 mm (1 px pro mm) am auch für die Punktmessung genutzten Prüfkörper TER 6.5 (Kap. 7.2) vorgenommen. Abweichend von der Prüfkörperfläche, wurde nicht deren gesamte Fläche in die Messung aufgenommen. Das THz Image beginnt mit der Darstellung erst ab 5mm der x‐Achse. Dement‐
sprechend entfielen 5 gemessene Millimeter auf der rechten Seite der Probe. Die Messfläche betrug gesamt (4x4 cm²). Resultierend aus der Analyse zeigten sich am Messpunkt Signale a) zum einen von der Ober‐
fläche der Glasur bei 1,71 ps und zum anderen von einem Hohlraum b) zwischen 1,7 und 1,69 ps. Die im Image rot erscheinenden Bereiche zeigen die reflektierenden Probehalter aus Metall. a b Abb.23 THz‐Image und Messergebnisse mit der Signaldarstellung des Prüfkörpers TER 6.5 8.2.2 Bewertung der Messergebnisse THz Reflexions‐Image‐Messung/Glasur Die Messergebnisse zeigen, dass eine Detektion von geringen Hohlräumen (hier ca. 1,5 mm) ist. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass bei sehr dünnem Material, wie dem der Glasuren abweichend von dem an der Universität Marburg entwickelten mobilen THz‐System, eines mit stärkerer Laserleistung genutzt werden muss. Des weitern, sollte zur Interpretation der Images bei der Darstellung unebener Flächen und Hohlräume ein höherer Aufwand in der Analyse bemessen werden. Dies gilt ebenso für die Imageerstellung an unregelmäßigen Natursteinkörpern. Das Image in Abb.23 zeigt, dass eine Interpretation der Hohlräume verursacht durch die Ablösung der Glasur trotz unebener Oberfläche an Prüfkörper möglich war. Seite 45 9. Objektmessung mit dem mobilen THz‐System Zielsetzung der Untersuchungen an den Objekten war es, die in den Laborversuchen gewonnen Erkenntnisse praxisnah durch den Einsatz eines mobilen THz‐Systems umzusetzen. Zum einen sollte die Detektierbarkeit geringer Ablösungen der Glasur von der Scherbe, zum anderen die durch Schalenbildung verursachten Hohlräume an Naturstein mittels THz‐Zeitbereichsspektroskopie nachgewiesen werden. Ausgehend von den in den Kapiteln 5.; 7. und 8. dargestellten Messergebnissen wurde erwartet, dass die Hohlräume der untersuchten Materialien tiefenaufgelöst dargestellt werden konnten. Untersuchungen mit Einsatz des Ultraschallmesssystems waren nicht möglich. Sowohl die Farb‐
fassung der Grotesken Reliefs (NLM), als auch der fragile Zustand der Glasuren des Medaillons (NLD) erlaubten keine Nutzung von Koppelmitteln, die bei der Analyse mit Ultraschallmessköpfen Voraussetzung gewesen wären. 9.1 Hohlraumdetektion an den Grotesken Natursteinreliefs des Niedersächsischen Landesmuseum Hannover Die zu Beginn des Projektes in Absprache mit dem NLM ausgewählten Natursteinreliefs wurden beide im Zuge von Messungen im Feldversuch analysiert. Am Anfang stand die Festlegung der zu untersuchenden Messpunkte hinsichtlich der zu ermittelnden Hohlräume. Diese wurden in Anlehnung der Hohlstellendetektion mittels Resonanzklangfühler 17 vorsichtig vor jeder Messung mit‐ hilfe eines Metallstabs festegelegt. Anschließen erfolgten an jedem ausgewählten Punkt erste Vormessungen. Hier wurde praxisnah der Messkopf händisch vor die vermutete Schadstelle gehalten. Es zeigte sich wie in Abb.24 zu sehen, schon hier der erwartete Doppelpuls und somit der Nachweis für die Existenz eines Hohlraums zwischen zwei Materialschichten. Zur Aufzeichnung des empfangenen Signals musste der Messkopf aufgrund der längeren Messzeit an Metallprofilen über dem Messpunkt fixiert werden (Abb.25). Zur Erhöhung der Messgenauigkeit und um systemische Fehler auszuschließen, erfolgt die Datenerfassung durch Mittlung sieben unmittelbar aufeinander folgender Messungen. Abb.24 Händische Vormessung mit dem mobilen THz‐System am Grotesken Natursteinrelief im NLM. 17
Auras M.; et .al. (2011) S.99 Seite 46 Abb.25 Messung mit dem fixierten THz‐Handhold‐System am Grotesken Natursteinrelief im NLM. Um auszuschließen, dass die reflektierten Pulse nicht auf Materialbesonderheiten im Gefüge des Gesteins oder Pigmente der Farbfassung zurückzuführen waren, fanden Messungen an Bereichen mit optisch kompaktem Gesteinsmaterial statt (Messpunkt GR 4.1). Insgesamt wurden 6 Messpunkte an jedem untersuchten Objekt festgelegt (Abb.26 und 27). Zudem wurden Referenzmessungen (Alu) vor den Messungen durchgeführt, um Signalbeeinflussungen durch systembedingte Schwankungen auszuschließen. Auch minimale Winkeländerungen des Messkopfes zur Oberfläche führen beim Auftreffen des zu reflektierenden THz‐Pulses zu Streuungen und somit zu schlechter auswertbaren Signalen. Um diesen Einfluss im Bezug auf Messungen am Naturstein darzustellen, wurde exemplarisch eine Messung mit verändertem Winkel des Messkopfes vorgenommen. (Punkt GR 5.1 und GR 5.2) Seite 47 9.1.1 Darstellung der Messergebnisse (THz‐Reflexionspunktmessung) Abb.26 Messpunktkartierung des mittels THz‐ Analyse untersuchten Natursteinobjekts des NLM: WM XXIV 46 e Abb.27 Messpunktkartierung des mittels THz‐ Analyse untersuchten Natursteinobjekts des NLM: WM XXIV 46 d Seite 48 Diagr.24 Referenzmessung an Aluminium. So konnten systembedingten Reflexionen ermittelt werden, um diese bei der Auswertung von relevanten Pulsen zur Detektion von Hohlräumen nicht fälschlicherweise in die Analyse einzubeziehen. Diagr.25 THz‐Puls des Messpunktes GR 4.1. Zur Bestimmung des Reflexionsverhaltens des reinen Gesteins erfolgte an einer optisch kompakten Ge‐
steinsfläche eine Messung. Hier zeigte sich, dass außer einem durch die Streuung der rauen Oberfläche verursachten Rauschen des Signals keine im Vergleich zum Referenzsignal relevanten Pulse gemessen werden konnten. Somit ist davon auszugehen, dass der untersuchte Kalksandstein keinen inhomogenen Gefügecluster aufweist. Diagr.26 Reflektierter THz‐Puls am Messpunkte GR 1.2 Das Signal zeigt deutlich einen Doppelpuls, der einem Übergang Material – Holraum zuzuordnen ist. Abb.28 zeigt den Messpunkt, der nah an einer optisch ersichtlichen Schalenbildung gewählt wurde. Seite 49 Abb.28 Messpunkt GR1.2 am Natursteinobjekt des NLM: WM XXIV 46 e Diagr.27 und 28 Reflektierte THz‐Pulse an einem Messpunkt (GR5.1 u.5.2)mit minimaler Winkeländerung des Mess‐
kopfes. Der als Erstes aufgenommene Reflexionspuls (GR 5.1) zeigte im Vergleich zum Oberflächenpuls eine starke Dämpfung, die auf eine Streuung des Signals an der nicht planparallel zum Messkopf verlaufenden Reflexionsflächen (Hohlraum ‐ Material) schließen ließ. Daraufhin wurde ein leichtes Verstellen des Messkopfwinkels vorgenommen. An der veränder‐
ten Höhe der Amplitude (GR 5.2) lässt sich ein deut‐
licherer von der Grenzfläche reflektierter THz‐Puls ablesen. Es ist davon auszugehen, dass die Grenzfläche somit planparallel zum Messkopf lag. Seite 50 Abb.29 Detailansicht des Messbereichs der Rahmung am Natursteinobjekt des NLM: WM XXIV 46 d Optisch waren die detektierten Ablösungen im Bereich der Rahmung des Objektes WM XXIV 46 d nur an den Messpunkten GR 6.1‐6.4 anhand der Rissbildung mit hoher Wahrscheinlichkeit im Vorfeld zu vermuten. Die Messpunkte GR 6.5‐6.6 lagen in einem optisch geschlossenen, farblich gefassten Teil‐
bereich der Rahmung. Auch hier ließen Materialübergänge (Material‐Hohlraum) nachweisen. (Diagr.29) Diagr.29 Reflektierte THz‐Pulse an einem Messpunkt (GR6.6) mit farbig gefasster Oberfläche. Abweichend von den Messungen der Reihe GR6 lässt sich der an der Grenzfläche reflektierte THz‐Puls erst nach 100 ps ablesen. Dieser spätere Puls kann durch eine stärkere Materialschicht und eine somit zeitlich spätere Reflexion hervorgerufen worden sein. Die am Messpunkt durchgängige Farbfassung (Pigmente) hatte keine Auswirkung auf das Messergebnis. 9.1.2 Bewertung der Messergebnisse (THz‐Reflexionspunktmessung) Gesamtheitlich betrachtet lässt sich aus den Messungen am Original feststellen, dass sich das angestrebte Ziel, der Schadenanalyse mittels THz‐Strahlung umsetzen ließ. Einschränkend lässt sich feststellen, dass die Analyse an stark unebenen Flächen sich bei den Messungen schwierig gestaltete. Es muss davon ausgegangen werden, dass für die Detektion nicht planparallel verlaufende Flächen eine umfangreichere Analyse vorgenommen werden muss. Insgesamt werden die positiven Messergebnisse aber als wichtiger Grundstein für weiterführende Forschung im Bereich der Schadens–und Materialanalyse mittels THz‐Spektroskopie an historischem Kulturgut aus Naturstein gesehen. Die Auswertung aller weiteren Messpunkte findet sich im Anhang. (Kap. 13.9) Seite 51 9.2. Detektion von Hohlräumen und Materialübergängen mit THz‐Reflexionsmessung und THz‐Imagemessung an bewittertem Gestein/Kordeler Sandstein Zu Beginn des Projekts stand die geplante Umsetzung der Messungen zur bildgebenden Darstellung (Image) von Hohlräumen durch verwitterungsbedingte Materialablösung und die Analyse von Materialübergängen Gestein/Hinterfüllmörtel (THz‐TDS). Messungen hierzu konnten an den Reliefs des NLM nicht vorgenommen werden. Die Konzeption und Programmierung einer für die Messungen benötigten und der Objektgeometrie angepassten Verfahreinheit war für dieses Projekt nicht vorgesehen. Außerdem waren konservatorische Maßnahmen, deren Überprüfung als Projektziel benannt wurde, an den ausgewählten Objekten nicht designiert. Zur Umsetzung des Untersuchungsziels erfolgten die relevanten Messungen an ausgebauter Originalsubstanz des Trierer Doms aus Kordeler Sandstein. Die zwei Teilbereiche einer Fensterlaibung wiesen das zu untersuchende Schadensbild, der Schalenbildung, so wie eine bewitterungsbedingte Oberflächenrauheit auf. (Abb.30) Für die Untersuchung hinsichtlich der Darstellung eines Hohlraums mittels THz‐Image Analyse wurde ein durch Messbegrenzungen festgelegter Bereich von 30x34 cm gekennzeichnet. Die Außenmarkierungen des Messfeldes durch Aluminiumstreifen dienten bei der späteren Auswertung zur Orientierung im Bild. Für die Messung des freien und später hinterfüllten Hohlraums erfolgte die Auswahl des Messbereichs, wie auch für das THz‐Image durch Inaugenscheinnahme von Verdachtsstellen. Abb.30 Teilb.1. einer Fensterlaibung aus Kordeler Sandstein vom Trierer Dom mit Schalenbildung. mit Messfeldbegrenzungen aus Aluminium. Abb.31 Teilb.2 einer Fensterlaibung aus Kordeler Sandstein vom Trierer Dom mit hinterfüllter Schalenbildung nach der Applikation von Jahn M30
Die Auswahl der zu analysierenden Hinterfüllmörtel am Objekt viel auf den Mörtel Jahn M30. Dieser zeigte in Voruntersuchungen (Zwischeb.2; S.19) eine für die angestrebten Untersuchungen relevante geringe Trocknungsdauer. Da Wasser THz‐Strahlung stark absorbiert, sollte anhand zeitverzögerter Messungen dargestellt werden, wie sich das Signal bei sich änderndem Feuchtegehalt des Materials verhielt. Ziel war hier den ungefähren Zeitraum zur Überprüfung der Sicherungsmaßnahme (Hinterfüllungen einer Schalenbildung) mittels THz‐Analyse einschränken zu können. Hierzu wurde ein Messpunkt im Bereich der Schale bestimmt, der vor und kurz nach dem Applizieren des Hinterfüllmörtels, so wie in einem Messintervall von 15, 40 min und 19 h gemessen wurden. (Abb.31) Seite 52 Kordeler Sandstein/ (THZ‐TDS) a.) b.) c.) d.) e.) f.) Diagr.30 Time of flight Messungen an der Hohlraumhinterfüllung von Kordeler Sandstein mit abnehmendem Feuchtegehalt. 9.2.2 Bewertung der THz‐Reflexionsmessungen an Kordeler Sandstein Wie erwartet zeigte sich im Vergleich zur Hohlraummessung Diagr.30 (a.) bei Messung des vorgenässten Gesteins (b.) einem feuchtigkeitsbedingten stärkeren Oberflächenpuls, aber durch die Absorption keinen Puls im Bereich des Hohlraums. Mit zunehmender Trocknungsdauer und abnehmenden Feuchtegehalt (d.; e.; f.) zeigt sich der Grenzflächenpuls bei ca. 20ps mit parallel zur Trocknung steigender Amplitudenhöhe. Nach 19 h (f.) wurde ein eindeutiger Puls am Übergang Gestein/Material gemessen. Der Phasenübergang zwischen Material/Luft weist naturgemäß einen höheren Brechungsindexsprung und somit die Ausprägung eines klareren THz‐Pulses, im Gegensatz zu im Brechungsindex ähnlichen Materialien auf (Jahn M30 1,99; Kordeler Sandstein 1,97). Aufgrund dessen wird angenommen, dass der gemessene Puls im Übergang Material/Material eine Dämpfung des Signals in der Amplitudenhöhe zeigt. Das Untersuchungsziel Maßnahmen (Hinterfüllungen) an Originalsubstanz nachzuweisen, konnte somit umgesetzt werden. Seite 53 9.2.3 Darstellung und Bewertung der THz‐Imagemessung an Kordeler Sandstein Abweichend von der in Kap. 8.1.2 vorgenommen Imagemessungen an geschnittenen Naturstein‐
prüfkörpern, erwies sich die Darstellung des Hohlraums am geschädigten Gesteinsmaterial als diffiziler. Im Gegensatz zu den planparallelen Oberflächen der Prüfkörper lagen bei dem untersuchten Messfeld sowohl eine raue wie auch eine leicht gekrümmte Ober‐ und Grenzflächenstruktur vor. Diese Oberflächenrauigkeit, so wie die Beschaffenheit und der Verlauf der Grenzflächen führen zu aufwendig auszuwertenden der gemessenen THz‐Signale. In der Tiefe unterschiedlich liegende Grenzflächen führen zu zeitlich ungleich verzögerten Pulsen, die in der optischen Auswertung des Images vor allem im Tiefenbereich nicht mehr problemlos einer Materialschicht zuzuordnen sind. Gleiches galt für die Imagemessung am Terrakottamedaillon, auch hier gelang eine optische Auswertung der Oberflächen, nicht aber der Tiefenstruktur. Im Gegensatz zu den Prüfkörpern mit klar definierten Hohlräumen und Materialschichten (Kap. 8.1.2) konnte bei der Auswertung des Images nicht immer ein zur annähernd gleichen Zeit (ps) auftretenden THz‐Reflexionspuls zur Grenzschichtbestimmung (Material/Luft) herangezogen werden. Daraus ergibt sich, dass für eine optimale Auswertung von an inhomogenen Oberflächenstrukturen erstellten THz‐Images, ein erhöhter Aufwand in der Analyse durch z. B. mathematische Entfaltung der einzelnen Messpunkte erforderlich ist. Im Rahmen dieses Projektes war diese intensive Bearbeitung nicht vorgesehen. Eine erfolgreiche Darstellung der Hohlräume kann jedoch durch die Analyse mittels Reflexions‐
punktmessung nach Betrachtung der im Projekt erzielten Ergebnisse exakt durchgeführt werden. Abb.32 links: Image eines Hohlraums am Objekt aus Kordeler Sandstein /Messfeld 30x35 cm rechts: Auswahl des untersuchten Messfeldes Seite 54 9.3 Detektion der Glasurablösung am Terrakottamedallion des Niedersächsischen Landesamt für Denkmalpflege Zielsetzung der Untersuchung am Objekt war es, die Detektierbarkeit geringer, Ablösung der Glasur von der Scherbe mittels THz‐Zeitbereichsspektroskopie durch den praxisnahen Einsatz eines mobilen THz‐Systems zu bestimmen. Wegen der wertvollen historischen Substanz des Terrakottamedaillons war es ausgeschlossen, die THz‐Messungen, wie an den im Laborversuch analysierten Probenkörper (Kap. 7.2) durch eine mechanische, zerstörende Messung zu bestätigen. Es wurde durch eine Inaugenscheinnahme eine Verdachtsstelle am Medaillon Nr.4 identifiziert, die aufgrund der äußeren Struktur eine Ablösung der Glasur und somit einen Hohlraum vermuten ließ. (Abb.33) Abb.33 Markierung im Bereich der vermessenen Glasurablösung am Original Terrakottamedaillon Nr.4. 9.3.1 Darstellung und Bewertung der Messergebnisse (THz‐Reflexionspunktmessung) Bei Auswertung des Messergebnisses zeigte sich eine Reflexion von der Oberfläche sowie eine weitere von einer tiefer liegenden Ebene. Aufgrund der Begutachtung der Oberfläche wurde davon ausgegangen, dass diese zweifache Reflexion durch eine Ablösung der Glasur und somit durch eine Luftblase verursacht wurde. Ob sich dabei nur die Glasur oder auch die Engobe abgelöst hat, war auf Basis der Messdaten nicht zu beurteilen. Die später durchgeführten CT‐Messungen bestätigten jedoch den vermuteten Hohlraum. Seite 55 Amplitude (a.u.)
1.
2.
Diagr.31 Time of flight Messungen Hohlraum Terrakottamedallion Nr.4 Amplitude (dB)
Zeit (ps)
Diagr.32 Frequenzspektrum der Messung am Terrakottamedallion Nr.4 Frequenz (THz)
Die in Diagr.31 sichtbaren Einbrüche im Spektrum wurden durch die vom Hohlraum verursachten Mehrfachreflexion hervorgerufen. Auch hier, wie in den Messungen aus Kap. 7.2, lässt sich aus dem Abstand die Ausdehnung des Hohlraums ableiten und nach der erwähnten Formel berechnen. Unter der Annahme, dass es sich um einen Hohlraum direkt unter der Glasur handelt, ergibt sich bei der Berechnung ein Abstand von ca. 1,9 mm. 9.3.2 CT‐Analyse des Terrakottamedallion Da die THz‐TDS Ergebnisse der Hohlraummessung am Original nicht mechanisch überprüft werden konnten, wurde aus den genannten Gründen der Nachweis mittels CT‐Messung vorgenommen. Das St. Bernward Krankenhaus Hildesheim stellt der HAWK für die Untersuchung von Kulturgut im Rahmen einer Kooperation die Analysen mittels CT kostenfrei zur Verfügung. Das genutzte System verfügt über eine Auflösung von 0,6 mm innerhalb der einzelnen Messschritte. Die Auswertungen der Messung konnten durch die Bereitstellung eines Viewer Programms selbstständig durchgeführt werden. Seite 56 Abb.34 CT‐Aufsichtdarstellung des aufgenommenen Objekt Terrakottamedaillon Nr.4 Um den in der THz‐Analyse untersuchten Bereich best möglichst beurteilen zu können, wurden die ermittelten Daten des rechten Medaillonbereichs im Auswertungssystem des St. Bernward Krankenhauses gesondert berechnet und geschärft. Die Auflösung der Schnitten der einzelnen Messschritte beläuft sich deshalb auf 0,8 mm. Abb.35 CT‐Darstellung des Vertikalschnittes durch das Terrakottamedaillon Nr.4 mit vermessenem Hohlraum am THz‐
Messpunkt. Seite 57 Ausgehend von der Platzierung des Medaillons und dem daraus resultierenden Messwinkel im THz‐
Messaufbau (90°) wurde die Vermessung des Abstandes zwischen Glasuroberfläche und Scherbe in der CT‐Darstellung im annähernd gleichen Winkel angelegt. Die Messung ergab einen Abstand von ca. 1,8 mm. Eine geringe Abweichung des Messwertes der Messstrecke ist aufgrund der geringen Auflösungsmöglichkeit der Hohlraumabbildung zu berücksichtigen. Es kann jedoch festgestellt werden, dass der in der CT‐Analyse vermessene Hohlraum von 1,8 mm mit dem durch THz ermittelten Wert von 1,9 mm korreliert. Basierend auf weiteren Auswertungen der CT‐Aufnahmen konnten relevante Aussagen zur Stabilität des Objektes bezüglich der Ausbreitung eines Risses (2/3 des Medaillons) getroffen werden. 10. Untersuchung zum Einfluss materialspezifischer Störungseigenschaften in der THz‐Analyse 10.1 Grenzwertermittlung der zulässigen Materialfeuchte für THz‐Analysen Wasser absorbieren THz‐Strahlung stark. Dies schränkt zwar Anwendungen an feuchten Materialien generell ein, eröffnet aber auch die Möglichkeit für präzise Feuchtigkeitsmessungen. Um eine Einschätzung zum Einfluss des Feuchtigkeitsgehaltes der untersuchten Natursteine geben zu können, wurden die Transmissionseigenschaften von Probekörpern aus ausgewählten Gesteinen mit abnehmendem Wassergehalt untersucht. Aufgrund der resultierenden Ergebnisse sollte es möglich sein, den dämpfenden Einfluss von Wasser für zukünftige Messung an exponierten Objekten einschätzen zu können. 10.1.1 Messaufbau und Messablauf Um die Auswertung der Messbarkeit von THz‐Pulsen an feuchtem Gesteinsmaterial bewerten zu können, wurden Prüfkörper definierter Dicke im Transmissionsaufbau gemessen. Da die Transparenz des Materials für THz‐Strahlung abhängig von dem im Material enthaltenem Feuchtegehalt ist, musste dieser durch schrittweise Trocknung bis zur maximal zulässigen Feuchte in M % durch Messungen ermittelt werden. Parallel zu den Messungen erfolgte die Bestimmung der Wasserabgabe. Genutzt wurden die bereits in der Messreihe Kap. 4 zur Bestimmung der Materialparameter gefertigten Prüfkörper. Diese konnten die Feuchtigkeit aufgrund der Epoxidharzversiegelung der Seitenflächen über 2 Mantelflächen abgeben. Nach deren 7‐tägiger Lagerung bei Wasserüberdeckung wurden die Prüfkörper im THz‐Transmissionsaufbau vermessen, wobei deren schrittweise Trocknung auf Dreiecksleisten bei 20±2 °C und 60±5 % r.F. erfolgte. Die Wägung (Genauigkeit 0,001 g) erfolgte in Anlehnung an eine vorgenommene Probetrocknung nach: 0 / 5 /10 /15 / 25 / 50 / 90 /120 /180 /240 /300 / 360/ 420 /540 /1440 min immer unmittelbar vor den THz‐Messungen. Während der Messintervalle kam es vereinzelt zu Verschiebung der Messzeiten von wenigen Minuten, die aber in der Gesamtberechnung berücksichtig wurde. Die genaue Messzeit wurde jeweils notiert. Für die Messreihe wurden Prüfkörper aus den Klassifikationen der methamorphen, sediment und magmatischen Gesteine so wie Terrakotta ausgewählt. Seite 58 Gesteine Prüfkörperbezeichnung Obernkirchener Sandstein OKS Baumberger Sandstein BBS Thüster Kalkstein TK Kirchheimer Muschelkalk KM Weiberner Tuff WT Groß Kunzendorfer Marmor GKM Ton TON Tab. 12 Prüfkörperbezeichnung Messreihe Grenzwertermittlung Materialfeuchte in THz‐
Strahlung Um die Inhomogenität der Gesteine in der Messung und der anschließenden Analyse zu berücksichtigen, erfolgte die Transmissionsmessung auf zwei Punkte erweitert wechselseitig gegenüberliegend und versetzt an einem Prüfkörper. Anschließend wurden die Prüfkörper für 24 h bei 35°C getrocknet und die Trockenmassen bestimmt. Das Raumklima lag während der Messungen bei 20±2°C und 50±2 % r.F.. 10.1.2 Darstellung der Messergebnisse am Beispiel Baumberger Sandstein Exemplarisch werden im Folgenden Ergebnisse der Messungen an Baumberger Sandstein dargestellt. Es zeigt sich eine zunehmende Transmission mit zunehmender Trocknungszeit des Prüfkörpers (Diagr. 33). Die Kurvenverläufe der Trocknungsreihen, gemessen an den Punkten A und B, weisen eine gute Übereinstimmung auf. Durch die Inhomogenität ist dieser Trend jedoch nicht an den Proben aller Gesteine der Messreihe vergleichbar. Diagr.33 THz‐Messreihe zur zunehmenden Transparenz und Transmission bei zunehmender Trocknungszeit an BBS Seite 59 Die maximale prozentuale Transparenz für THz‐Strahlung von Baumberger Sandstein bei vorliegender Probendicke liegt bei ca. 13 %, da bei einer Messung nach 540 min der gemessene Wasseranteil von 3,81 M % (Diagr.34) schon im Bereich der Ausgleichsfeuchte zu sehen ist. Die Transparenz für THz‐Strahlung ist hierbei keine absolute Größe, sondern kann je nach Probendicke auch einen höheren oder erheblich niedrigeren Wert aufweisen. Bei einer gemessenen Raumtemperatur von 20°C und 50 % r.F., war mit einer Anlagerung des Kapillarwassers, vor allem in den tonhaltigen Bestandteilen des Sandsteines zu rechnen. Der in Diagr.34 dargestellte Wert von 100 %, bezog sich auf den Sättigungsgrad des Baumberger Sandsteins und nicht auf dessen Gesamtgewicht. Wasseranteil BBS in M%
BBS
120,00
100,00
M%
80,00
60,00
40,00
20,00
in
in
54
0m
in
51
0m
in
in
in
in
in
in
45
0m
39
0m
33
0m
27
0m
21
0m
15
0m
12
0m
90
m
in
50
m
in
25
m
in
in
10
m
in
5m
0m
in
0,00
Time [min]
Diagr.34 Wasserabgabe bezogen auf das aufgenommene Wasser (=100 %). Diagr.35 Ergebnisse der THz‐Transmissionsmessung von Baumberger Sandstein in unterschiedlichen Stadien der Trocknung. Seite 60 Bei der exemplarischen Betrachtung der THz‐Pulse, dreier ausgewählter Messungen zu unterschiedlichen Trocknungszeitpunkten, (Diagr.35) zeigt sich die ansteigend Transparenz des Gesteins bei abnehmender Materialfeuchte. Während bei 100 % Sättigung des Materials kein THz‐
Signal detektiert werden kann, zeigt sich bei einer Materialfeuchte von 13,7 M % bei 278 min ein ablesbarer Puls. Die durchgeführten Messreihen liefern eine gute Datenbasis zur Bewertung des Einflusses der Gesteinsfeuchte auf Untersuchungen mit THz‐Wellen. Eine Festlegung eines maximalen Wasser‐
gehalts, welcher Messungen noch zulässt, ist jedoch nicht ohne Einschränkungen möglich und immer von den Messobjekten und somit von Gesteinsart und auch der gewünschten Eindringtiefe abhängig. Gesteinsformen bei denen, wie bei Marmor keine Kapillar‐, sonder eher eine Oberflächenfeuchte vorliegt, sind nach kurzer Trocknungsphase mit THz‐Strahlung analytisch zu untersuchen. Weitere Ergebnisse der Untersuchungsreihe finden sich im Anhang (Kap. 13.11). 10.2 Darstellung zum Einfluss der Oberflächenrauigkeit für die THz‐Analysen von Gestein In den unternommenen Untersuchungen unter Laborbedingungen wurden vordringlich Prüfkörper aus geschnittenem Gesteinsmaterial genutzt. Analysen außerhalb des Forschungsantrags untersuchen bildgebende Verfahren auf deren Einsatz an periodisch rauen Oberflächen.18 Im Gegensatz zu der aperiodisch vorliegenden Rauigkeit von verwitterten Steinflächen konnten hier keine Rückschlüsse auf das genaue Verhalten der reflektierten THz‐Pulse an Gestein gezogen werden. Für einen ersten Ansatz zur Überprüfung der Detektierbarkeit von Hohlräumen wurden deren Messbarkeiten nach rauen Gesteinsflächen ermittelt. Gesteine Obernkirchener Sandstein Prüfkörperbezeichnung RB.OK1‐RB.OKS3 Baumberger Sandstein RB.BBS 3 Thüster Kalkstein RB.TK 2 Kirchheimer Muschelkalk RB.KM 1
Roter Wesersandstein RB.MS1.RB.MS2 Tab. 13 Prüfkörperbezeichnung Messreihe RB Oberflächenrauigkeit in THz‐Strahlung Die zu Beginn des Projektes geplante Erstellung von Rissbildung durch künstliche Alterung in Anlehnung an DIN 52 104‐1 (Ausgabe 11/1982) der Prüfkörper brachte nicht die gewünschten Resultate (Zwischenb.2; S.26 ff.). Weitere Versuche die mit Sollbruchstellen versehenen Prüfkörper durch gesteigerte Temperatursprünge (Stickstoffbad/Heizplatte), planparallele Oberflächenablösun‐
gen zu erzeugen, blieben ohne Erfolg. Um eine unregelmäßige Materialoberfläche herzustellen, wurden Prüfkörper mit dem Maß (4x4x12 cm³) in einer Universalprüfmaschine mit einer maximalen Prüflast von 50 kN im Biegezugaufbau mittig gebrochen. (Abb.36) Abschließend erfolgte die Größenanpassung der zu durchmessenden Prüfkörpertiefe von ca. 3 cm mittels Präzisionssäge (Abb.37). Zusätzlich wurden Prüfkörper mit schichtbedingten Material‐
ablösungen (RB.OKS1) gesägt und in die Prüfreihe aufgenommen. 18
C.Jansen; Das Streuungsverhalten von Terahertz‐Wellen (2011) S.85 Seite 61 Abb.36 Prüfkörper der Reihe RH mit Bruchkanten nach der Bearbeitung /Biegezug. Abb.37 Prüfkörper der Reihe RH links: RS.OKS1 und rechts: RS.OKS4 10.2.1 Messaufbau und Messablauf Um die Auswertung der Messbarkeit von THz‐Pulsen an rauen Gesteinsoberflächen bewerten zu können, wurden Prüfkörper definierter Dicke im Reflexionssaufbau gemessen. Innerhalb der Messreihe erfolgte durch Umpositionierung der rauen Oberfläche (außen, innen, parallel und schräg) eine Untersuchung unterschiedlicher simulierter Flächenbeschaffenheiten. Ziel war es zu ermitteln, wann und wie die Rauigkeit der Oberfläche von Gesteinsmaterial Auswirkung auf den reflektierten THz‐Puls hat. Die Durchführung der Messung wurde im Zeitfenster von 400 ps und bei einer Messdauer von 3 min vorgenommen. Seite 62 10.2.2 Darstellung und Beurteilung der Messergebnisse zum Einfluss der Oberflächenrauigkeit Mit Ausnahme der Messungen am Prüfkörper RB.BBS3 ließen sich an keinen weitern Proben detek‐
tierbare THz‐Pulse an Grenzflächen ermittelt. a.) b.)
Abb.38 Schematische Darstellung zur Oberflächenbeschaffenheit des Prüfkörpers RB.BBS3 a.) glatte Vorderseite, raue aneinander liegende Innenflächen/RB.BBS3_front b.) raue Vorderseite, glatte erste Grenzfläche, raue zweite Grenzfläche / RB.BBS3_front_gedreht Diagr.36 Ergebnisse der THz‐Reflexionsmessung des Prüf‐
körpers RB.BBS3 im Vergleich zur Referenz‐
messung an Aluminium. Bei 54 ps zeigte sich ein Reflexionspuls vom Übergang, der direkt anliegenden glatten an der rauen Grenzfläche (Diagr.36). Der Einfluss der rauen Oberfläche und der damit bedingten Streuung des THz‐Pulses lässt sich im Vergleich an den reflektierten Oberflächenpuls des untersuchten Prüfkörpers RB.BBS3 erkennen. Es konnte dargestellt werden, dass durch diese Rauigkeit, der reflektierte Puls vom Übergang Luft/raue Oberfläche im Gegensatz zum Puls Luft/glatte Oberfläche eine geringere Amplitudenhöhe durch eine wahrscheinliche stärkere Streuung des Pulses aufzeigt. Jedoch muss gesamtheitlich berücksichtigt werden, dass die untersuchten Bruchkanten eine höhere Oberflächenrauigkeit aufwiesen, als das Gestein der analysierten Objekte. Ausgehend von deren durch Bewitterung hervorgerufenen Schäden im Materialgefüge konnten die Detektion von Hohlräumen hier an allen Messpunkten praxisnah umgesetzt werden. Vergleichende Messungen mit Ultraschall konnten mit der vorgenommenen Prüfkörpergeometrie nicht durchgeführt werden, da die Totalablösung der Oberfläche und der somit entstandene Hohlraum die Ausbreitung der Schallwellen in Luft nicht zulässt. Abweichend hiervon wurden an künstlich bewitterten Prüfkörpern (Zischenb.1; S.26) Schädigung des Materialgefüges durch die Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen (E‐Modul) in Transmission ermittelt. Ergebnisse der Untersuchungsreihe finden sich im Anhang. (Kap. 13.13) Seite 63 11. Fazit Die derzeit gängige Untersuchung zum Aufspüren von Schäden sowohl nahe der Oberfläche als auch im Tiefenbereich von Natursteinobjekten ist die Untersuchung mittels Ultraschall an Bohrkernen von z. B. historischen Fassaden und Skulpturen. Sie erlaubt eine genauere Analyse der Originalsubstanz im Tiefenbereich, zerstört allerdings auch Teile dieser. Messungen am Objekt, z. B. Marmor‐
skulpturen, werden mit Hilfe von Koppelmitteln durchgeführt, um eine möglichst gute Ankopplung von Geber und Empfänger zu gewährleisten. Zudem sind diese nötig, um die Reproduzierbarkeit der Daten sicherzustellen. Die Voraussetzung für die Schadensanalyse in Ultraschall nach heutigem Stand der Technik ist eine gegenüberliegende Ankopplung der Messköpfe und somit eine Messung aus‐
schließlich in Transmission. Messungen mittels Ultraschallthermografie sind in ihrem Untersuchungsaufbau sehr umfangreich und zeitaufwendig. Diese Methode bietet jedoch die Möglichkeit der bildlichen Darstellung (Thermographie), die jedoch Schädigungen nicht ortsaufgelöst zeigt. Zudem können Hohlräume aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Ultraschalwellen nicht durchlaufen werden. Hier setzte das im Rahmen des Modellprojekts erforschte Potenziale der Terahertz‐Zeitbereichs‐
Spektroskopie (THz‐TDS) als neuartige Messtechnik zur tiefenaufgelösten Schadensdiagnostik an umweltbedingt zerstörten Gesteinsobjekten und glasierten Terrakotten an. Es gelang im Rahmen der Projektlaufzeit, die zu Beginn des Projektes gesteckten Ziele erfolgreich umzusetzen. Sowohl im Rahmen der Laboruntersuchungen, wie auch bei den Messungen an Originalen, konnten sowohl tiefenaufgelöst Störungen, wie auch Materialübergänge zerstörungsfrei genau detektiert und verortet werden. Demarkierungen beim Einsatz der THz‐Strahlung nach dem heutigen Stand der Technik konnten ebenso ausgelotet werden, wie das Potenzial dieses neuartigen Analyseverfahrens bestätigt. Vor allem im Einsatz an gefassten und fragilen Oberflächen, wie der im Rahmen des Forschungsprojekts bearbeiteten Objekte zeigte sich, dass die Nutzung der berührungsfreien THz‐
Strahlung entscheidende Vorteile bietet. Auch bei vorhandener Feuchte im Material konnte ermittelt werden, dass diese zwar Einfluss auf die Pulsintensität, nicht aber auf die genaue Ermittlung eines THz‐Pulses bei Materialübergängen (z.B. Gestein/Hohlraum) hat. Anders als bei Ultraschallwellen, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit durch Feuchte im Material zunimmt und deren Analyse dadurch stark von der genauen Bestimmung der Materialfeuchte abhängt, bleibt die Ortsauflösung von THz‐Strahlung unbeeinflusst. Ausschließlich die Amplitudenhöhe (Dämpfung) zeigte hier Grenzbereiche auf. Auch wird in den erzielten Ergebnissen zum Einfluss von aperiodischen Strukturen an Gestein erst ein Ansatzpunkt für die weitere Auseinandersetzung mit der Analyse von rauen und unebenen Oberflächen gesehen. Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Gestein ist stets zu berücksichtigen, dass Steine singuläre, natürliche, heterogene Gemenge sind und sich damit von den künstlichen, zumeist normierbaren Werk‐ und Baustoffen grundsätzlich unterscheiden. Gleiches gilt für Produkte aus gebranntem Ton. Daher wurde das Anlegen einer Materialdatenbank in diesem Projekt, als eine wichtige Grundlage gesehen die, wie bei jedem Analyseverfahren, Ausgangspunkt für die vergleichenden Untersuchungen von Materialien darstellt. Die untersuchten Gesteine und konservatorisch relevanten Materialien stellen daher nur den Anfang einer weiter zu entwickelnden Datenbank dar, die für den Einsatz der THz‐Analyse in der Denkmalpflege nötig ist. Mit den erfolgreich durchgeführten Messungen an den ausgewählten Originalobjekten lässt sich eine eindeutig positive Tendenz für den Einsatz der THz‐Technologie in der Denkmalpflege erkennen. Seite 64 Vor allem die vorgenommenen Untersuchungen mittels mobilen THz‐Systems zeigen, dass der flexible einsetzbare Messkopf ohne großen Aufwand für z. B. Monitoring oder Maßnahmen‐
überprüfung an Objekten durch die unmittelbare Auswertungsmöglichkeit des „Livepulses“ problem‐
los genutzt werden kann. Ausgehend vom momentanen Stand der Technik und deren kontinuierliche Weiterentwicklung, kann perspektivisch ein hohes Potenzial in der zerstörungs‐ und berührungslosen Analyse mittels THz‐
Strahlung an wertvollem Kulturgut gesehen werden. Seite 65 12. Literaturverzeichnis Auras M.; Meinhardt J.; Snethlage R. Leitfaden; Naturstein‐Monitoring: Nachkontrolle und Wartung als zukunftsweisende Erhaltungsstrategien; Stuttgart (2011) Grimm,W.‐D.; Bildatlas wichtiger Denkmalsteine der Bundesrepublik Deutschland; [Hrsg. von Michael Petzet]; (1990) Iffert‐Schier, S.; unveröffentlichte Dis. „Einsatz von Festigungsmitteln zur Konsolidierung der Tragfähigkeit von bestehendem Mauerwerk“; Universität Hannover (2000) Jansen,C. ; Das Streuverhalten von Terahertz‐Wellen; Göttingen (2011) Jepsen ; Uhd P.; Bernd M. Fischer: Dynamic range in terahertz time‐domain transmission and reflection spectroscopy, Optics Letters, Vol. 30, Issue 1, pp. 29‐31(2005) Müller, F.; Internationale Natursteinkartei;Ulm (1987) Rüdrich, J.; Siegesmund, S. & Weiss, T. ; Die Marmore des Marmorpalais im Neuen Garten Potsdam: Erhaltungszustand und Möglichkeiten der Konservierung. Zeitschrift Deutsche Geologische Gesellschaft, 156/1, (2005) Rüdrich, J.; Dis.; Gefügekontrollierte Verwitterung natürlicher und konservierter Marmore; Göttingen(2003) Rutz, F.; Terahertz‐Zeitbereichsspektroskopie: Zerstörungsfreie Charakterisierung von Polymeren und Verbundwerkstoffen; Dissertation; Technische Universität Braunschweig (2007) Schwerdtfeger, M.; Castro‐Camus, E, Krügener, K.; Viöl, W.; Koch, M.; Buried sub‐wavelength fracture imaging in sculpture and construction materials by time‐of‐flight terahertz time‐domain spectroscopy; Applied Optics Vol.52 No.3 (2013) Snethlage, R.; Leitfaden zur Steinkonservierung; 3.überarbeitete Auflage; Stuttgart (2008) Visser, H. Mirwald, P.; Die Steinskulpturen am Zentralbau des Jagdschlosse(1999) Unveröffentlichte Arbeiten
D’Ham, Gerhard.; Fixierung keramischer Glasuren an witterungsexponierter engobierter Terrakotta. Untersuchungen zur Eignung verschiedener Hinterfüllstoffe und Festigungsmittel, Diplomarbeit; HAWK Hildesheim / Holzminden / Göttingen (2003) Iffert‐Schier, Sabine; Einsatz von Festigungsmitteln zur Konolidierung der Tragfähigkeit von bestehendem Mauerwerk; Diss. Universität Hannover (1999) Radujkovic, Sonja; Erhaltung farbiger Glasuren auf Terrakotta – Herstellung und künstliche Bewitterung von Modellpräparaten und Versuche zur Konservierung; Diplomarbeit; Fachhochschule Potsdam (2000) Rüdrich, Jörg .; Gefügekontrollierte Verwitterung natürlicher und konservierter Marmore; Diss.; Universität Göttingen (2003) Skasa‐Lindemeir, Beate; Untersuchungsbericht aus dem Niedersächsischen Landesmuseum; April (1999) Wendrich A.; Zerstörungsfreie Ortung von Anomalien in historischem Mauerwerk mit Radar und Ultraschall‐Möglichkeit und Grenzen‐; BAM –Dissertationsreihe; Band 47 (2009) Seite 66 13. Anhang mit Inhaltsverzeichnis 13.1 Verwendete Rezeptur des Festigungsmittel aus duroplastischem Gießharze 67 13.2 Messergebnisse Kenndatenermittlung in Ultraschall 67 13.3 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS / Groß Kunzendorfer Marmor 73 13.4 Darstellung Hohlraummessung THz‐TDS / Kirchheimer Muschelkalk 74 13.5 Darstellung Hohlraummessung THz‐TDS / Jahn M30 75 13.6 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS / 2K 76 13.7 Darstellung der Messergebnisse H‐Kontrollmessung THz‐TDS 77 13.8 THz‐TDS der Messreihe TR‐OB an unterschiedlich lang getränkten Prüfkörpern 78 13.9 Auswertung der THz‐Refelxionsmessung am Original des NLM 79 13.10 Auswertung der THz‐Refelxionsmessung zur Materialfeuchte in Gestein 81 13.11 Auswertung zur Wasserabgabe der Gesteine und Ton während der THz‐ Reflexionsmessung zur Materialfeuchte in Gestein 82 13.12 Auswertung Dynamisches E‐Modul an Gestein nach künstlicher Bewitterung 82 Datenblätter Injektionsmörtel 13.1 Verwendete Rezeptur des Festigungsmittel aus duroplastischem Gießharze Epilox ® P 13‐30 Epilox ® 10‐31 Ethanol Xylol 42,98g 33,52g 153g 25,5 g 13.2 Messergebnisse Kenndatenermittlung in Ultraschall Ergebnisse auf den folgenden Seiten. 67
Probe: Messtrecke mittels Messschieber Mitutoyo 250mm eingemessen
Die Messung erfolgte senkrecht, wie waagerecht zum Lager, soweit ersichtlich. ML= mit dem Lager DL= durch das Lager
Gerberfrequenz: 250 kHz
Probenkonditionierung: 7d Lagerung bei 20 ± 2 °C / 55 ±5 %rF
Messbedingungen: 20 ± 2°C / 50 ± 2 % rF
Probe
Messzeit
Laufzeit Messweg Schallgeschw. Amplitude Dichte
AmplitudemV
µs
µs
cm
m/s
mV
g/ccm
EGModul Modul
N/mm2 N/mm2
Akust.
Impedanz
x 10^6
kg/m2s
Poisson
U-OB1 ML
14,4
-0,09
13,6
4,28
3147,1
0,07
2,19
19520,7 8133,6
6,9
0,2
U-OB1.1 ML
15
-0,03
14,2
4,31
3035,2
0,07
2,19
18157,8 7565,8
6,6
0,2
U-OB1 DL
14
0,05
13,2
4,17
3159,1
0,07
2,19
19670,3
6,9
0,2
U-OB2 ML
14,9
-0,31
14,1
4,27
3028,4
0,07
2,19
18076,1 7531,7
6,6
0,2
U-OB2.1 ML
14,9
-0,13
14,1
4,3
3049,6
0,07
2,19
U-OB2 DL
14,4
-0,05
13,6
4,19
3080,9
0,07
18331
8196
7637,9
6,7
0,2
2,19
18708,4 7795,2
6,7
0,2
U-OB3 ML
15,1
-0,29
14,3
4,31
3014,00
0,07
2,19
17904,8 7460,3
6,6
0,2
U-OB3.1 ML
14,9
-0,17
14,1
4,27
3028,4
0,07
2,19
18076,1 7531,7
6,6
0,2
U-OB3 DL
14
0,03
13,2
4,15
3143,9
0,07
2,19
19482,1 8117,5
6,9
0,2
U-OB4 ML
14,5
4,3
2965,5
0,07
2,19
17333,6 7222,3
6,5
0,2
15,3
-0,22
U-OB4.1 ML
14,9
-0,07
14,1
4,25
3014,2
0,07
2,19
17907,1 7461,3
6,6
0,2
U-OB4 DL
14,2
0,01
13,4
4,16
3104,5
0,07
2,19
18996,1
6,8
0,2
U-OB5 ML
14,5
-0,12
13,7
4,28
3124,1
0,07
2,19
19236,8 8015,3
6,8
0,2
U-OB5.1 ML
15,2
-0,06
14,4
4,33
3006,9
0,07
2,19
17821,2 7425,5
6,6
0,2
U-OB5 DL
14,2
0,04
13,4
4,17
3111,9
0,07
2,19
19087,5 7953,1
6,8
0,2
13,7
4,27
3116,8
0,07
2,19
U-OB6 ML
14,5
-0,06
U-OB6.1 ML
15,1
-0,07
14,3
4,29
3000
0,07
2,19
U-OB6 DL
14
0,01
13,2
4,15
3143,9
0,07
2,19
13
4,28
3292,3
0
2,04
7915
19147
7977,9
6,8
0,2
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6,6
0,2
19482,1 8117,5
6,9
0,2
19900,9 8292,1
6,7
0,2
U-BS1 ML
13,8
-0,18
U-BS1.1 ML
13,8
-0,14
13
4,22
3246,2
0
2,04
19346,9 8061,2
6,6
0,2
U-BS1 DL
13,9
-0,11
13,1
4,04
3084,00
0
2,04
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6,3
0,2
U-BS2 ML
13,9
-0,14
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4,15
3167,9
0
2,04
18425,8 7677,4
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U-BS2.1 ML
13,9
-0,07
13,1
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0
2,04
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6,6
0,2
U-BS2 DL
14,3
-0,06
13,5
4,07
3014,8
0
2,04
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U-BS3 ML
16
-0,12
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4,26
2802,6
0
2,04
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5,7
0,2
U-BS3 ML
16,3
-0,16
15,5
4,22
2722,6
0
2,04
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5,6
0,2
U-BS3.1 ML
16,8
-0,07
16
4,11
2568,8
0
2,04
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5,2
0,2
U-BS4 ML
13,8
-0,13
13
4,25
3269,2
0,07
2,04
19622,9 8176,2
6,7
0,2
U-BS4.1 ML
13,6
-0,11
12,8
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3281,3
0,07
2,04
19767,5 8236,5
6,7
0,2
U-BS4 DL
14
-0,02
13,2
4,12
3121,2
0,07
2,04
17886,2 7452,6
6,4
0,2
U-BS5 ML
15,8
-0,1
15
4,2
2800
0,07
2,04
14394,2 5997,6
5,7
0,2
U-BS5.1 ML
16
-0,02
15,2
4,17
2743,4
0,07
2,04
13818,4 5757,7
5,6
0,2
U-BS5-DL
16,5
-0,01
15,7
4,1
2611,5
0,07
2,04
12521,1 5217,1
5,3
0,2
U-BS6 ML
14
-0,16
13,2
4,26
3227,3
0,07
2,04
19122,5 7967,7
6,6
0,2
U-BS6.1 ML
U-BS6 DL
13,9
14
-0,02
-0,02
13,1
13,2
4,2
4,04
3206,1
3060,6
0,07
0,07
2,04
2,04
18872,5 7863,5
17198,4 7166
6,5
6,2
0,2
0,2
68
U-MS1.1
U-MS1.2
U-MS1.3
15
18,4
15,2
-0,09
-0,02
0,07
14,2
17,6
14,4
4,33
4,34
4,35
3049,3
2465,9
3020,8
0,07
0,07
0,07
2,28
2,28
2,28
19079,9
12477,6
18725,4
7950
5199
7802,3
Akust.
Impedanz
x 10^6
kg/m2s
7
5,6
6,9
U-MS2.1
U-MS2.2
U-MS2.3
15,4
18
18,4
-0,25
-0,05
0,02
14,6
17,2
17,6
4,37
4,23
4,22
2993,2
2459,3
2397,7
0,07
0,07
0,07
2,28
2,28
2,28
18383,8
12410,8
11797,1
7659,9
5171,2
4915,5
6,8
5,6
5,5
0,2
0,2
0,2
U-MS3.1
MS3.2
MS3.3
15,4
15,3
15,5
-0,49
-0,27
-0,14
14,6
14,5
14,7
4,37
4,22
4,38
2993,2
2910,3
2979,6
0,07
0,07
0,07
2,28
2,28
2,28
18383,8
17380,7
18217,6
7659,9
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7590,7
6,8
6,6
6,8
0,2
0,2
0,2
U-MS4.1
U-MS4.2
U-MS4.3
15,2
18,3
15,5
-0,51
-0,28
-0,14
14,4
17,5
14,7
4,19
4,29
4,24
2909,7
2451,4
2884,4
0,07
0,07
0,07
2,28
2,28
2,28
17373,2
12331,5
17071,6
7238,8
5138,1
7113,2
6,6
5,6
6,6
0,2
0,2
0,2
U-MS5.1
U-MS5.2
U-MS5.3
15,4
15
18,2
-0,47
-0,36
-0,28
14,6
14,2
17,4
4,36
4,19
4,2
2986,3
2950,7
2413,8
0,07
0,07
0,07
2,28
2,28
2,28
18299,7
17866,1
11955,8
7624,9
7444,2
4981,6
6,8
6,7
5,5
0,2
0,2
0,2
U-MS6.1
U-MS6.2
U-MS6.3
15,2
15,5
19,3
-0,87
-0,53
-0,25
14,4
14,7
18,5
4,21
4,42
4,36
2923,6
3006,8
2356,8
0,07
0,07
0,07
2,28
2,28
2,28
17539,5
18551,8
11397,4
7308,1
7729,9
4748,9
6,7
6,9
5,4
0,2
0,2
0,2
U-AD1.1
U-AD1.2
U-AD1.3
9,3
9,4
9,2
0,16
0,04
0,11
8,5
8,6
8,4
4,3
4,13
4,22
5058,8
4802,3
5023,8
0
0
0
2,58
2,58
2,58
59423,9 24760
53550,7 22312,8
58604,2 24418,4
13,1
12,4
13
0,2
0,2
0,2
U-AD2 ML
U-AD2.1 ML
U-AD2 DL
9,3
9,3
9,3
-0,28
-0,14
-0,08
8,5
8,5
8,5
4,22
4,29
4,09
4964,7
5047,1
4811,8
0
0
0
2,58
2,58
2,58
57233,4 23847,2
59147,8 24644,9
53761,4 22400,6
12,8
13
12,4
0,2
0,2
0,2
U-AD3 ML
U-AD3.1 ML
U-AD3 DL
9,2
9,2
9,2
-0,14
-0,05
-0,03
8,4
8,4
8,4
4,24
4,25
4,17
5047,6
5059,5
4964,3
0
0
0
2,58
2,58
2,58
59161 24650,4
59440,4 24766,8
57223,7 23843,2
13
13,1
12,8
0,2
0,2
0,2
U-AD4 ML
U-AD4.1 ML
U-AD4 DL
9,1
9
10,8
-0,11
-0,09
-0,1
8,3
8,2
10
4,29
4,21
4
5168,7
5134,1
4000
0
0
0
2,58
2,58
2,58
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61206,7 25502,8
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15480
13,3
13,2
10,3
0,2
0,2
0,2
U-AD5 ML
U-AD5.1 ML
U-AD5 DL
9
9,1
9,1
-0,1
-0,07
-0,01
8,2
8,3
8,3
4,25
4,23
4,03
5182,9
5096,4
4855,4
0
0
0
2,58
2,58
2,58
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60309,6 25129
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13,4
13,1
12,5
0,2
0,2
0,2
U-AD6 ML
U-AD6 ML
U-AD6 ML
8,9
9,4
9,3
-0,13
-0,27
-0,25
8,1
8,6
8,5
4,25
4,31
4,07
5246,9
5011,6
4788,2
0
0
0
2,58
2,58
2,58
63924,9 26635,4
58320,3 24300,1
53236,9 22182,1
13,5
12,9
12,4
0,2
0,2
0,2
Probe
Messzeit
Laufzeit Messweg Schallgeschw. Amplitude Dichte
AmplitudemV
mV
g/ccm
µs
µs
cm
m/s
EModul
N/mm2
GModul
N/mm2
Poisson
0,2
0,2
0,2
69
Probe
Messzeit
Laufzeit Messweg Schallgeschw. Amplitude Dichte
AmplitudemV
mV
g/ccm
µs
µs
cm
m/s
EModul
N/mm2
GModul
N/mm2
Akust.
Impedanz
Poisson
x 10^6
kg/m2s
U-TT1.1
U-TT1.2
U-TT1.3
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12
12,6
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-0,16
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4,08
4,02
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0
0
0
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2,1
2,1
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0,2
0,2
U-TT2.1
U-TT2.2
U-TT2.3
12,6
11,8
12,2
-0,07
-0,11
-0,06
11,8
11
11,4
4,02
4,05
4,24
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3681,8
3719,3
0
0
0
2,1
2,1
2,1
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0,2
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U-TT3.1
U-TT3.2
U-TT3.3
13,1
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12,2
-0,08
0,02
0,01
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0
0
0
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2,1
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U-TT4.1
U-TT4.2
U-TT4.3
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-0,01
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4,12
4,1
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0
0
0
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U-TT5.1
U-TT5.2
U-TT5.3
12,7
12,4
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-0,11
-0,07
-0,07
11,9
11,6
11
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4,3
4,1
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3727,3
0
0
0
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2,1
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U-TT6.1
U-TT6.2
U-TT6.3
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-0,16
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12,5
11,1
4,1
4,09
4,01
3596,5
3272
3612,6
0
0
0
2,1
2,1
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U-WT1.1
U-WT1.2
U-WT1.3
21,1
21,9
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-0,25
-0,1
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4,08
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0
0
0
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2,8
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0,2
0,2
U-WT2.1
U-WT2.2
U-WT2.3
21,2
21,1
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-0,2
-0,17
-0,07
20,4
20,3
20,8
4,16
4,13
4,09
2039,2
2034,5
1966,3
0
0
0
1,32
1,32
1,32
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4917,3
4593,4
2058,4
2048,9
1913,9
2,7
2,7
2,6
0,2
0,2
0,2
U-WT3.1
U-WT3.2
U-WT3.3
20,7
21,1
20,1
-0,16
-0,12
-0,05
19,9
20,3
19,3
4,17
4,08
4,12
2095,5
2009,9
2134,7
0
0
0
1,32
1,32
1,32
5216,5
4798,9
5413,7
2173,6
1999,6
2255,7
2,8
2,7
2,8
0,2
0,2
0,2
U-WT4.1
U-WT4.2
U-WT4.3
20,7
19,6
20,8
-0,14
-0,05
-0,09
19,9
18,8
20
4,17
4,11
4,18
2095,5
2186,2
2090
0
0
0
1,32
1,32
1,32
5216,5
5677,9
5189,3
2173,6
2365,8
2162,2
2,8
2,9
2,8
0,2
0,2
0,2
U-WT5.1
U-WT5.2
U-WT5.3
20,1
21,7
21,2
-0,09
-0,05
-0,03
19,3
20,9
20,4
4,12
4,15
4,09
2134,7
1985,6
2004,9
0
0
0
1,32
1,32
1,32
5413,7
4684
4775,3
2255,7
1951,7
1989,7
2,8
2,6
2,6
0,2
0,2
0,2
U-WT6.1
U-WT6.2
U-WT6.3
21,2
21,2
22,2
-0,03
-0,03
0,09
20,4
20,4
21,4
4,16
4,16
4,17
2039,2
2039,2
1948,6
0
0
0
1,32
1,32
1,32
4940,2
4940,2
4510,9
2058,4
2058,4
1879,5
2,7
2,7
2,6
0,2
0,2
0,2
70
Probe
Messzeit
Laufzeit Messweg Schallgeschw. Amplitude Dichte
AmplitudemV
mV
g/ccm
µs
µs
cm
m/s
EModul
N/mm2
GModul
N/mm2
Akust.
Impedanz
x 10^6
kg/m2s
Poisson
U-KK1.1
U-KK1.2
U-KK1.3
10,4
10,6
9,8
-0,12
-0,09
-0,04
9,6
9,8
9
4,13
4
3,97
4302,1
4081,6
4411,1
0
0
0
2,61
2,61
2,61
43475,1 18114,6
39133,7 16305,7
45706,6 19044,4
11,2
10,7
11,5
0,2
0,2
0,2
U-KK2.1
U-KK2.2
U-KK2.3
9,1
9,6
9,9
-0,17
-0,03
0,03
8,3
8,8
9,1
4
4,03
4,19
4819,3
4579,5
4604,4
0
0
0
2,61
2,61
2,61
54556,5 22731,9
49263,8 20526,6
49799,9 20750
12,6
12
12
0,2
0,2
0,2
U-KK3.1
U-KK3.2
U-KK3.3
10
9,9
10,6
-0,2
-0,14
-0,04
9,2
9,1
9,8
3,91
4
4,13
4250
4395,6
4214,3
0
0
0
2,61
2,61
2,61
42428,8 17678,7
45385,8 18910,8
41718,7 17382,8
11,1
11,5
11
0,2
0,2
0,2
U-KK4.1
U-KK4.2
U-KK4.3
9,6
9,1
9,3
-0,14
-0,08
-0,04
8,8
8,3
8,5
4
3,97
4,14
4545,5
4783,1
4870,6
0
0
0
2,61
2,61
2,61
48533 20222,1
53741,3 22392,2
55724,5 23218,5
11,9
12,5
12,7
0,2
0,2
0,2
U-KK5.1
U-KK5.2
U-KK5.3
10,5
10,7
10,7
-0,13
-0,04
-0,02
9,7
9,9
9,9
3,98
4,01
4,14
4103,1
4050,5
4181,8
0
0
0
2,61
2,61
2,61
39546,3 16477,6
38539,1 16058
41078,4 17116
10,7
10,6
10,9
0,2
0,2
0,2
U-KK6.1
U-KK6.2
U-KK6.3
9,8
10,8
10,3
-0,06
-0,14
0
9
10
9,5
3,95
4
4,05
4388,9
4000
4263,2
0
0
0
2,61
2,61
2,61
45247,3 18853
37584
15660
42691,9 17788,3
11,5
10,4
11,1
0,2
0,2
0,2
U-GM1 ML
U-GM1.1 ML
U-GM1 DL
10,5
10,6
11,4
-0,08
0,03
0,03
9,7
9,8
10,6
4,2
4,26
4,24
4329,9
4346,9
4000
0
0
0
2,71
2,71
2,71
45726,4 19052,7
46087 19202,9
39024
16260
11,7
11,8
10,8
0,2
0,2
0,2
U-GM2 ML
U-GM2.1 ML
U-GM2 DL
10,8
11
11,5
-0,2
-0,07
-0,01
10
10,2
10,7
4,19
4,3
4,26
4190
4215,7
3981,3
0
0
0
2,71
2,71
2,71
42819,3 17841,4
43345,9 18060,8
38660,1 16108,4
11,4
11,4
10,8
0,2
0,2
0,2
U-GM3 ML
U-GM3.1 ML
U-GM3 DL
10,4
10,3
11,2
-0,12
-0,03
-0,03
9,6
9,5
10,4
4,3
4,2
4,26
4479,2
4421,1
4096,2
0
0
0
2,71
2,71
2,71
48933,5 20389
47672 19863,3
40922,7 17051,1
12,1
12
11,1
0,2
0,2
0,2
U-GM4 ML
U-GM4.1 ML
U-GM4 DL
10,4
10,4
11,7
-0,15
-0,07
-0,05
9,6
9,6
10,9
4,21
4,32
4,3
4385,4
4500
3945
0
0
0
2,71
2,71
2,71
46906,6 19544,4
49389,7 20579,1
37957,3 15815,6
11,9
12,2
10,7
0,2
0,2
0,2
U-GM5 ML
U-GM5.1 ML
U-GM5 DL
11,1
11
12,2
-0,12
-0,07
-0,06
10,3
10,2
11,4
4,27
4,2
4,2
4145,6
4117,6
3684,2
0
0
0
2,71
2,71
2,71
41917,3 17465,5
41353,3 17230,5
33105,5 13794
11,2
11,2
10
0,2
0,2
0,2
U-GM6 ML
U-GM6.1 ML
U-GM6 DL
10,5
10,5
11,5
0,04
0,15
0,08
9,7
9,7
10,7
4,21
4,27
4,27
4340,2
4402,1
3990,7
0
0
0
2,71
2,71
2,71
45944,4 19143,5
47263,3 19693
38841,9 16184,1
11,8
11,9
10,8
0,2
0,2
0,2
71
U-WM1 DL
U-WM1.1 DL
U-WM1 DL
9,2
9,2
10,9
-0,13
-0,1
0,04
8,4
8,4
10,1
4,25
4,25
4,29
5059,5
5059,5
4247,5
0
0
0
2,71
2,71
2,71
62435,4 26014,8
62435,4 26014,8
44003,1 18334,6
Akust.
Impedanz
x 10^6
kg/m2s
13,7
13,7
11,5
U-WM2 ML
U-WM2.1
ML
U-WM2 DL
9,9
-0,18
9,1
4,33
4758,2
0
2,71
55221,1 23008,8
12,9
0,2
10,4
11,1
-0,06
-0,01
9,6
10,3
4,3
4,31
4479,2
4184,5
0
0
2,71
2,71
48933,5 20389
42706,3 17794,3
12,1
11,3
0,2
0,2
Probe
Messzeit
Laufzeit Messweg Schallgeschw. Amplitude Dichte
AmplitudemV
µs
µs
cm
m/s
mV
g/ccm
EModul
N/mm2
GModul
N/mm2
Poisson
0,2
0,2
0,2
U-WM3 ML
U-WM3.1
ML
U-WM3 DL
8,9
-0,16
8,1
4,27
5271,6
0
2,71
67779,4 28241,4
14,3
0,2
8,8
10,2
-0,04
-0,04
8
9,4
4,26
4,14
5325
4404,3
0
0
2,71
2,71
69159,4 28816,4
47310,4 19712,7
14,4
11,9
0,2
0,2
U-BG1.1
U-BG1.2
U-BG1.3
9,8
10
9,2
-0,07
-0,01
-0,03
9
9,2
8,4
4,13
4,19
4
4588,9
4554,3
4761,9
0
0
0
2,65
2,65
2,65
50223,1 20926,3
49469,9 20612,5
54081,6 22534
12,2
12,1
12,6
0,2
0,2
0,2
U-BG2.1
U-BG2.2
U-BG2.3
9,6
10,1
9,6
-0,58
-0,22
-0,06
8,8
9,3
8,8
3,99
4,24
4,11
4534,1
4559,1
4670,5
0
0
0
2,65
2,65
2,65
49030,8 20429,5
49574 20655,8
52024,3 21676,8
12
12,1
12,4
0,2
0,2
0,2
U-BG3.1
U-BG3.2
U-BG3.3
10,8
10,1
10
-0,25
-0,1
-0,02
10
9,3
9,2
4,16
4,13
4,01
4160
4440,9
4358,7
0
0
0
2,65
2,65
2,65
41273,9 17197,4
47035,1 19598
45310,8 18879,5
11
11,8
11,6
0,2
0,2
0,2
U-BG4.1
U-BG4.2
U-BG4.3
U-BG4.4
10,3
10
10
10
0
0,03
0,11
-0,28
9,5
9,2
9,2
9,2
4,25
4,13
4,18
4,15
4473,7
4489,1
4543,5
4510,9
0
0
0
0
2,65
2,65
2,65
2,65
47733
48063,2
49234
48529,8
19888,8
20026,3
20514,2
20220,8
11,9
11,9
12
12
0,2
0,2
0,2
0,2
U-BG5.1
U-BG5.2
U-BG5.3
9,7
10
10,3
-0,07
-0,01
-0,02
8,9
9,2
9,5
4,02
4,11
4,23
4516,9
4467,4
4452,6
0
0
0
2,65
2,65
2,65
48658,7 20274,5
47598,8 19832,8
47284,8 19702
12
11,8
11,8
0,2
0,2
0,2
U-BG6.1
U-BG6.2
U-BG6.3
9,8
9,6
9,5
-0,14
-0,05
0,02
9
8,8
8,7
4,29
3,97
4,12
4766,7
4511,4
4735,6
0
0
0
2,65
2,65
2,65
54189,8 22579,1
48540,5 20225,2
53486,5 22286
12,6
12
12,5
0,2
0,2
0,2
72
13.3 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS / Groß Kunzendorfer Marmor 73
13.4 Darstellung Hohlraummessung THz‐TDS / Kirchheimer Muschelkalk 74
13.5 Darstellung Hohlraummessung THz‐TDS / Jahn M30 75
13.6 Darstellung der Messergebnisse THz‐TDS / 2K 76
13.7 Darstellung der Messergebnisse H‐Kontrollmessung THz‐TDS 77
13.8 THz‐TDS der Messreihe TR‐OB an unterschiedlich lang getränkten Prüfkörpern 78
13.9 Auswertung der THz‐Refelxionsmessung am Original des NLM 79
0.1 Zeit der Vakuumtränkung
80
13.10 Auswertung der THz‐Refelxionsmessung zur Materialfeuchte in Gestein 81
13.11 Auswertung zur Wasserabgabe der Gesteine und Ton während der THz‐ Reflexionsmessung zur Materialfeuchte in Gestein Wasserabgabe
120,00
Wassergehalt [%]
100,00
OKS
BBS
80,00
TK
WT
60,00
40,00
KM
GKM
20,00
TON
in
40
m
14
0,
0
00
in
60
0m
42
0m
36
0m
30
in
in
in
0m
24
0m
in
in
18
0m
12
m
in
94
m
in
54
m
in
28
m
in
25
m
in
in
8m
11
in
5m
0m
in
0,00
Zeit [min]
13.12 Auswertung Dynamisches E‐Modul an Gestein nach künstlicher Bewitterung Bruchfrisches Gestein
Dynamisches E-Modul
Nach 220 Frost/Tau Wechseln
60,00
50,00
E-Modul[kN/mm2]
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
OKS
BBS
TK
WT
KM
GKM
82
Seite 1 von 6
Technischer Leitfaden
KSE-Modul-System
Zur strukturellen Festigung und zur Herstellung
KSE-basierter Hinterfüllmassen, Anbösch- und
Kittmörtel sowie Schlämmen und Lasuren.
1-1 Steinfestiger auf Kieselsäureester-(KSE-) Basis
Neben der Minderung der Verwitterungsgeschwindigkeit durch Quellminderung und/ oder durch wasserabweisende Einstellung des
Untergrundes ist im Rahmen einer
zielgerichteten Natursteinkonservierung bei den meisten zu behandelnden Natursteinoberflächen eine
Konsolidierung des Gefüges mit
einem Steinfestiger notwendig.
Hierfür werden seit Jahrzehnten
Produkte auf der Basis von Kieselsäureester (KSE; auch: Kieselsäureethylester) eingesetzt. Die Wirkung
dieser Steinfestiger beruht auf der
Reaktion des Kieselsäureesters
(Si(EtOH)4) mit Wasser (H2O) zu
festigendem Kieselgel (SiO2,aq) nach
der Formel
Produktes, insbesondere die „GelAbscheidungsrate“ (Menge des im
Porengefüge abgeschiedenen Kieselgels) deutlich variieren.
die Reaktionsgeschwindigkeit
(Art und Menge des Katalysators) und
den (nicht zwingend notwendigen) Zusatz von Lösemittel(n).
Durch gezielte Kombination und
Variation dieser veränderbaren Parameter ist ein hohes Maß an Anpassungsmöglichkeiten an den zu
konsolidierenden Untergrund gegeben:
Remmers
Produkt
KSE 100
Eigenschaften
•
•
Als Nebenprodukt der Reaktion wird
Alkohol (EtOH, „Ethanol“) freigesetzt.
KSE 300
1-2 „Klassische“ Steinfestiger
KSE 510
•
•
•
•
KSE OH
•
•
KSE H
•
•
•
Gel-Abscheidungsrate:
ca. 10 %
enthält zusätzliches
Lösemittel
Gel-Abscheidungsrate:
ca. 30 %
frei von zusätzlichen
Lösemitteln
Gel-Abscheidungsrate:
ca. 42 %
frei von zusätzlichen
Lösemitteln
Gel-Abscheidungsrate:
ca. 30 %
enthält zusätzliches
Lösemittel
Gel-Abscheidungsrate:
ca. 30 %
mit hydrophober Wirkung
frei von zusätzlichen
Lösemitteln
Eigenschaften
•
•
Weitere Variationsmöglichkeiten
bestehen in Bezug auf
Si(EtOH)4 + 4 H2O → SiO2,aq + 4
EtOH.
Der Rohstoff Kieselsäureester fällt
bei seiner Herstellung in unterschiedlichen Molekülgrößen an.
Daher enthalten alle auf dem Markt
erhältlichen Steinfestiger sowohl
monomere als auch oligomere Moleküle. Durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse von kleinen und
großen Molekülen im Fertigprodukt
lassen sich die Eigenschaften des
Remmers
Produkt
KSE 300
HV
•
Gel-Abscheidungsrate:
ca. 30 %
frei von zusätzlichen
Lösemitteln
mit Haftvermittlern für
calcitische Untergründe
Die Endprodukte aller „klassischen“
Steinfestiger auf KSE-Basis weisen
eine gemeinsame charakteristische
Eigenschaft auf: Das sich im Porenraum ausbildende Kieselgel, aufgebaut aus einem ungeordneten, wasserhaltigen SiO2-Gerüst, besitzt
einen deutlich spröden Charakter.
Aus diesem spröden Charakter des
Kieselgels resultiert eine mittlere
Größe der Kieselgel-Platten von
ca. 10 µm.
Somit stoßen die „klassischen“
Steinfestiger auf KieselsäureesterBasis immer dann an ihre Anwendungsgrenzen, wenn das zu festigende Gefüge Hohlraumradien größer als 10 µm aufweist. Entsprechende Hohlräume können beispielsweise
aus der Porenradienverteilung
des Natursteins (z.B. Tuff)
oder
aus der Ausbildung von Mikrorisszonen (z.B. durch Verwitterung, Trachyt, quellfähige Natursteintypen)
resultieren.
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1-3 Elastifizierte Steinfestiger
Durch den Einbau sogenannter
„Weichsegmente“ konnten elastifizierte Steinfestiger auf KSE-Basis
entwickelt werden, die eine deutlich
stärkere Tendenz zur Filmbildung als
die klassischen Produkte zeigen:
Abb. 1a: Glasfritte getränkt mit
Remmers KSE OH; Größe der
Gel-Platten: ca. 10 µm.
Antrag eines KSE-gebundenen Kitt- bzw.
Anböschmörtels zum strukturellen
Angleich der Steinoberfläche.
d
Strukturelle Festigung mit einem elastifizierten Steinfestiger zur Wiederherstellung der ursprünglichen, homogenen Festigkeit. Optional: Auftrag einer
KSE-gebundenen Schlämme oder Lasur.
2-2 Strukturelle Festigung:
Verarbeitung
Grundsätzlich können die unter b bis
d beschriebenen Arbeitsschritte
jeweils mit anderen, unterschiedlichen Bindemitteln abgearbeitet werden. Allerdings birgt das Arbeiten mit
nur einem Bindemittel (elastifizierter
Steinfestiger) eine Vielzahl von Vorteilen.
Nähere Informationen zur Vorgehensweise bei strukturellen Festigungen können den aktuellen Technischen Merkblättern der jeweiligen
Steinfestiger entnommen werden.
2-1 Strukturelle Festigung
Verwitterte Natursteinoberflächen
weisen häufig eine intensive Schalen- und/oder Schuppenbildung auf.
Die damit verbundenen (Mikro-)
Risse sind dabei oftmals so dimensioniert, dass sie mit nicht-gefüllten
Steinfestigern nicht geschlossen
werden können. Daher sind in einem
der elastifizierten Steinfestiger bereits rein mineralische Schweb/Füllstoffe eingearbeitet.
Die Elastifizierung des Kieselsäureesters bewirkt in der Regel eine vergleichsweise - bessere Einbindung morbider Gefügebestandteile
in das Gel-Netzwerk. Zudem lassen
sich mit dem elastifizierten Gel höhere Rissweiten überbrücken als mit
herkömmlichen Steinfestigern:
Ausgangssituation: Verwitterte Steinoberfläche mit intensiver Schalen- /
Schuppenbildung und Mikrorissen.
b
Einbringung einer KSE-gebundenen
Hinterfüllmasse zur Herstellung eines
kraftschlüssigen Verbundes von der
Schale zum Untergrund.
•
•
Abb. 3: Kieselgel-Brücke zwischen zwei
Gefüge-Bestandteilen
Der Einsatz elastifizierter Steinfestiger ist nicht auf den Bereich Naturstein (z.B. quellfähige Varietäten wie
Schilfsandstein oder bestimmte Vulkanite wieTuff begrenzt, sondern
kann auf alle mineralischen Untergründe z.B. historische Fugen und
Putze, abgewitterte Ziegel übertragen werden:
Remmers
Produkt
KSE
300 E
a
Eigenschaften
•
Elastifizierte Steinfestiger eignen
sich daher nicht nur zur „strukturellen Festigung“, sondern können
auch als Bindemittel für Hinterfüll-
Abb. 2: Einsatz elastifizierter Steinfestiger /
des KSE-Modul-Systems auf Untergründen
mit komplex verwitterter Oberfläche.
3-1 KSE-Modul-System:
Hinterfüllmassen
Remmers
Produkt
KSE
500 STE
Abb. 1b: Glasfritte getränkt mit
Remmers KSE 300 E; deutlich
überbrückende Gelstrukturen im
Porenraum.
massen, Anbösch- und Kittmörteln,
Schlämmen und Lasuren eingesetzt werden.
Modellhaft ist im Folgenden der
Einsatz elastifizierter Steinfestiger /
des KSE-Modul-Systems auf komplex verwitterten Untergründen gezeigt (Abb. 2):
nungs-Dehnungs-Verhalten)
bei einer gleichzeitig
hinreichend große Konsolidierung des mineralischen Gefüges.
c
KSE
500 E
Eigenschaften
•
•
•
•
Gel-Abscheidungsrate:
ca. 30 %
elastifiziert
Gel-Abscheidungsrate:
ca. 50 %
elastifiziert
Vor allem bei hohem Schädigungsmaß unterscheiden sich die elastifizierten von den „klassischen“ Steinfestigern durch
einen moderaten E-ModulAnstieg (günstiges Span-
Gel-Abscheidungsrate:
ca. 50 %
enthält Schweb-/
Füllstoffe
elastifiziert
Die eindispergierten Schwebstoffe
lagern sich als Bodensatz ab. Dieser
Vorgang ist reversibel. Daher muss
Remmers KSE 500 STE vor
Gebrauch jeweils gründlich aufgeschüttelt bzw. aufgerührt werden.
Remmers KSE 500 STE kann entweder direkt, ohne weiteren Zusatz
feiner Zusatzstoffe appliziert werden
(z.B. zum kraftschlüssigen Überbrücken von Mikrorissen bis ca.
300 µm) oder aber als Bindemittel
zur Herstellung von
Hinterfüllmassen,
Anbösch- und/ oder Kittmörteln
(s. dort),
Schlämmen (s. dort) und
Lasuren (s. dort) eingesetzt
werden.
Hinterfüllmassen dienen der Wiederherstellung des kraftschlüssigen
Verbundes von Schalen und Krusten
zum Untergrund unter Berücksichtigung bauphysikalischer und physikomechanischer Eigenschaften.
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Folgende Füllstoffe wurden speziell
auf die Belange des KSE-ModulSystems abgestimmt:
Je nach zugegebener Pigmentmenge liegt die Auslaufviskosität (DIN-4Becher) der Hinterfüllmasse zwischen
Remmers
Produkt
KSE-Füllstoff A
KSE-Füllstoff B
Eigenschaft
Mineralpulver
Quarzpulver
Versuche zeigen, dass bei gleicher
Ausgangszusammensetzung ein
Zusatz von Vollglaskugeln (< 50 µm)
die Fließfähigkeit der Masse nur
unwesentlich verschlechtert, die
Schrumpfrissneigung jedoch deutlich
reduziert.
3-2 Hinterfüllmassen:
Systemlösung
In Bezug auf die Parameter Fließfähigkeit / Eindringverhalten,
Schrumpfrissneigung und „Bindungsfähigkeit“ haben sich folgende
Richtrezepturen als günstig erwiesen:
A)
Bindemittel
Remmers KSE 500 STE
Remmers KSE 300 E
Summe:
Anteil
37,5 ml
62,5 ml
100,0 ml
Die Bindemittel-Kombination (GelAbscheidungsrate: ca. 37,5 %) wird
vorgelegt.
B)
Alternativ können auch ausschließlich 100 ml KSE 500 STE als Bindemittel verwendet werden. Das
Bindemittel (Gel-Abscheidungsrate:
ca. 50 %) wird vorgelegt.
Anschließend werden auf jeweils
100 ml Bindemittel (bzw. Bindemittel-Kombination) folgende Füll- und
Zusatzstoffe unter Rühren zugegeben:
Füll-/Zusatzstoffe
KSE-Füllstoff A
KSE-Füllstoff B
Mikro-Vollglaskugel
(< 50 µm)
Anteil
64,0 g
40,0 g
26,0 g
Fa. Kremer-Pigmente
ErdfarbenTrockenpigmente
(nach Bedarf)
bis zu 5,0 g
Fa. Kremer-Pigmente
Die Mischung wird homogenisiert
(z.B. mit einem Stabmixer), bis die
Masse keine Klumpenbildung mehr
zeigt (ca. 3 – 5 Minuten Homogenisierungsdauer).
31 s (ohne Pigmentzugabe)
und
37 s (5,0 g Pigment).
3-3 Hinterfüllmassen:
Verarbeitung
Zum Hinterfüllen von Schalen werden diese zunächst an ihren Rändern abgedichtet. Bewährt hat sich
hier das Arbeiten mit Heißkleber, der
sich ohne Rückstände wieder entfernen lässt. Anschließend wird soviel Hinterfüllmasse (in der Regel mit
Hilfe einer Spritze) hinter die Schale
eingebracht, bis der Hohlraum restlos gefüllt ist.
Bei saugfähigen Untergründen ist
die zu hinterfüllende Schale mit
einem geeigneten, wasserfreien
Lösemittel (z. B. Verdünnung V 101,
Remmers V KSE) oder dem Remmers KSE 100 vorzunässen.
Im Bedarfsfall können die kraftschlüssig angebundenen Bereiche
nach Aushärtung des Bindemittels
KSE (je nach Menge und Dicke der
eingebrachten Masse 4 - 8 Wochen)
nachgefestigt werden. Der verwendete Remmers Steinfestiger muss
dabei den Materialeigenschaften des
Untergrundes angepasst sein und ist
gemäß gültigem Technischen Merkblatt zu verarbeiten.
Die Hinterfüllmasse muss während
der Verarbeitung regelmäßig aufgerührt werden, um dem Absetzen der
Füll-/Zuschlagstoffe entgegenzuwirken.
4-1 KSE-Modul-System:
Anbösch-/Kittmörtel
Anböschmörtel dienen der Oberflächenanbindung auskragender
Schalen (s. Abb. 2) etc. zur Reduzierung der Angriffsfläche für hinterwandernde Feuchtigkeit (z.B. durch
Rissverschluss). Sie lassen sich
farblich und strukturell an den Untergrund anpassen.
Anbösch- und/oder Kittmörtel lassen
sich durch Kombination der oben
genannten Füllstoffe mit geeigneten
Sanden herstellen. Eine gesteinsangepasste Abtönung lässt sich
durch Pigmentzusatz aber
auch
durch den Einsatz entsprechend gefärbter NatursteinBrechsande erzielen.
Ursprünglich zur Kittung bzw. Ausbesserung kleinster Fehlstellen entwickelt, können mittlerweile - aufbauend auf den zwischenzeitlich
gewonnenen Erfahrungen - auch
größere Flächen bearbeitet werden
(s. u.).
Wesentlich für die physikomechanischen und hygrischen Eigenschaften KSE-gebundener Mörtel ist eine optimal eingestellte Sieblinie des Zuschlags, wobei je nach
Erfordernis sowohl
Fullerverteilung wie auch
Ausfallkörnungen
geeignet sein können. Als vorteilhaft
erweist sich häufig der Einsatz von
Siebfraktionen gebrochener Natursteinsande.
4-2 Anbösch-/Kittmörtel:
Systemlösung
Zur Schließung auskragender Originaloberflächen kann der KSEgebundene Anböschmörtel prinzipiell
sofort nach dem Hinterfüllen der
Schale angetragen werden. Bei
größeren Rissen sollte jedoch die
Hinterfüllmasse soweit durchreagiert
sein, dass die Bestandteile des
Mörtels nicht mehr in diese "hineinsacken". In diesem Fall ist der Untergrund vor dem Antragen des
Mörtels mit einem geeigneten, wasserfreien Lösemittel (z. B. V 101,
Remmers V KSE) oder dem Remmers KSE 100 vorzunässen.
Umfangreiche Labor- und Objektversuche haben gezeigt, dass bei größeren Schichtdicken mehrlagig mittels angepasster
Kernmörtel (für den Unterbau)
und
Deckmörtel (ausschließlich für
die obere Lage)
zu arbeiten ist.
In Bezug auf den – vergleichsweise
groben - Kernmörtel ist zwischen
eingebundenen Fehl- und
Ausbruchstellen und
freistehenden Fehl- und Ausbruchstellen, die profiliert werden müssen, zu unterscheiden.
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und V
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Beim Auftrag mehrerer Lagen ist
zwischen den einzelnen Antragungsschritten eine Wartezeit von
wenigstens 24 Stunden einzuhalten.
Grundsätzlich ist der Untergrund vor
jedem Arbeitsschritt wasserfrei (z. B.
mittels Verdünnung V 101, Remmers
V KSE) vorzunässen.
Die Dicke der Deckschicht darf - je
nach verwendeter Rezeptur - nur
zwischen 0,5 cm und 1 cm betragen.
Durch Abtupfen von Bindemittelüberschüssen kann eine verbesserte
Optik der Deckschicht erzielt werden.
Die Struktur des Anböschmörtels
kann ca. 1 - 2 Stunden nach dem
Auftragen durch Bearbeitung
(z. B. Spatel, Kamm) an den Untergrund angepasst werden.
Bsp.: Deckmörtel, Schlesischer
Sandstein
Zu je 100 ml Remmers KSE 500
STE werden folgende Füllstoffe
gegeben
Füllstoffe
KSE-Füllstoff A
KSE-Füllstoff B
Anteil
70,0 g
40,0 g
Die Mischung wird (z.B. mittels eines
Stabmixers) homogenisiert, bis die
Masse keine Klumpen mehr zeigt
(ca. 3 – 5 Minuten Homogenisierungsdauer).
Die hergestellte Masse wird (z. B. in
einem Anrührbecher) vorgelegt.
Anschließend wird
Füllstoffe
Remmers Quarzsand F 36
Anteil
334,0 g
gründlich (z. B. mit einem Spatel)
eingerührt.
Die Masse nimmt dabei letztlich
erdfeuchte, bröckelige Konsistenz
an.
eigneten, genügend großen Probefläche zu überprüfen.
5-2 Lasuren:
Systemlösung
Im Bedarfsfall können die kraftschlüssig angebundenen Bereiche
nach Aushärtung des Bindemittels
Remmers KSE 500 STE (je nach
Menge und Dicke der eingebrachten
Masse 4 - 8 Wochen) nachgefestigt
werden. Der verwendete Remmers
Steinfestiger muss dabei den Materialeigenschaften des Untergrundes
angepasst sein und ist jeweils gemäß gültigem Technischen Merkblatt
zu verarbeiten.
Je nach Art und Beschaffenheit des
Untergrundes wurden mit folgenden
Systemen gute Ergebnisse erzielt.
Naturstein-Brechsande
Mittels geeigneter fraktionierter Naturstein-Brechsande können die
Anbösch-/Kittmörtel besonders gut
an den Untergrund angepasst werden. Rezepturen können im Bedarfsfall erarbeitet werden. Anfragen
bitte an das Remmers-Werkslabor.
5-1 KSE-Modul-System:
Lasuren und Schlämmen
Verwitterte Untergründe zeigen häufig ein sehr heterogenes Oberflächenbild. Gleichzeitig stellen rückgewitterte, aufgeraute Oberflächen
eine besonders große Angriffsfläche
für einen weitergehenden Verwitterungsprozess (z. B. durch Feuchtigkeits- und Schadstoffeintrag) dar.
So lagern sich auf rauen Oberflächen bevorzugt Schmutzpartikel der
Luft und Mikroorganismen an, wird
Regenwasser von diesen entweder
nur verzögert abgeleitet oder verharrt durch die entstandene Oberflächengeometrie als Wasserfilm auf
der Oberfläche.
Als besonders geeignet zur Verbesserung der Wasserableitung und zur
Ausbildung einer neuen Verschleißschicht haben sich KSE-gebundene
Lasuren und (körperhafte) Schlämmen erwiesen.
Die angegebenen Verarbeitungsparameter sind genau einzuhalten. Ein
Überschuss an Bindemittel aus
Gründen der „gefälligen Verarbeitung" ist zu vermeiden.
Durch den Auftrag angepasster
KSE-gebundener Beschichtungen
kann die mineralische Oberfläche
Die Anbösch- und Kittmörtel müssen
während der Verarbeitung regelmäßig aufgerührt werden, um dem
Absetzen der Zuschlagstoffe entgegenzuwirken.
strukturell geglättet (und damit
verkleinert),
mechanisch konsolidiert und
optisch beruhigt / verbessert
werden.
Die Eignung einer speziellen Rezeptur auf einem bestimmten Untergrund ist jeweils vorab an einer ge-
Bindemittel
Bewährt haben sich GelAbscheidungsrate zwischen 33 %
und 50 %. Dementsprechend kann
entweder ausschließlich
Remmers KSE 500 STE
oder eine Mischung aus
Remmers KSE 500 STE und
Remmers KSE 300 E als Bindemittel verwendet werden:
RezepturAnteil
Remmers
Produkt
Gel-Abscheidungsrate
mind.
16,6%.
max.
83,4 %.
100,0 %
KSE 500
STE
KSE 300 E
50 %
Mischung
30 %
33 - 50 %
Füllstoff
Je nach gewünschter Konsistenz
und gewünschtem Lasurgrad können auf je 100 ml Bindemittel bis zu
150 g Füllstoff gegeben werden. Das
Verhältnis
Remmers KSE Füllstoff A : Remmers KSE Füllstoff B sollte dabei
1,6 : 1 betragen.
Pigment
Zur farblichen Anpassung können
auf 100 ml Bindemittel bis zu 6,5 g
Pigment gegeben werden.
Bsp.: roter Buntsandstein
Zu je 100 ml Bindemittel bestehend
aus
Bindemittel
KSE 500 STE
KSE 300 E
Summe:
Anteil
16,7 ml
83,3 ml
100,0 ml
werden folgende Füllstoffe und Zusatzmittel gegeben:
Füllstoffe / Zusatzmittel
KSE-Füllstoff A
KSE-Füllstoff B
ErdfarbenTrockenpigmente
Umbra (Nr.: 40720)
Mortuum (Nr.: 48220)
Fa. Kremer-Pigmente
Anteil
30,0 g
18,0 g
2,2 g
2,6 g
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Die Mischung wird (z.B. mittels eines
Stabmixers) homogenisiert, bis die
Masse keine Klumpen mehr zeigt
(ca. 3 – 5 Minuten Homogenisierungsdauer).
Schlämmen besonders gut an den
Untergrund angepasst werden. Rezepturen können im Bedarfsfall erarbeitet werden. Anfragen bitte an das
Remmers-Werkslabor.
Die Eignung einer speziellen Rezeptur auf einem bestimmten Untergrund ist jeweils vorab an einer geeigneten, genügend großen Probefläche zu überprüfen.
5-4 Lasuren und Schlämmen:
Verarbeitung
Naturstein-Brechsande
Mittels geeigneter, fraktionierter
Naturstein-Brechsande können die
Lasuren besonders gut an den Untergrund angepasst werden. Rezepturen können im Bedarfsfall erarbeitet werden. Anfragen bitte an das
Remmers-Werkslabor.
5-3 Schlämmen:
Systemlösung
„Körperhafte“ Schlämmen enthalten
- anders als die entsprechenden
Lasuren - neben Füllstoffen auch
gröbere Sandfraktionen.
Bsp.: Schilfsandstein
Zu je 100 ml Bindemittel KSE 500
STE werden folgende Zuschläge,
Füllstoffe und Zusatzmittel gegeben:
Zuschlag, Füll-/
Zusatzstoffe
Remmers Quarzsand
F 36
Remmers KSEFüllstoff A
Remmers KSEFüllstoff B
Schiefermehl
Anteil
Fa. Kremer-Pigmente
(Nr.: 40900)
ErdfarbenTrockenpigmente
Ocker (Nr.: 40050)
Eisenoxid (Nr.:4844)
Fa. Kremer-Pigmente
70,0 g
50,0 g
50,0 g
4,4 g
5,0 g
1,4 g
Die Mischung wird (z.B. mittels eines
Stabmixers) homogenisiert, bis die
Masse keine Klumpen mehr zeigt
(ca. 3 – 5 Minuten Homogenisierungsdauer).
Die Eignung einer speziellen Rezeptur auf einem bestimmten Untergrund ist jeweils vorab an einer geeigneten, genügend großen Probefläche zu überprüfen.
Naturstein-Brechsande
Mittels geeigneter, fraktionierter
Naturstein-Brechsande können die
Der Untergrund muss trocken,
staubfrei, tragfähig, frei von losen
Teilen, Bewuchs, Staub-, Schal- und
Fettrückständen sein. Der Untergrund darf nicht aufgeheizt sein (evtl.
Sonnensegel setzen).
Vorbereitung
Der zu behandelnde Untergrund ist
mit einem, wasserfreien Lösemittel
(z. B. Verdünnung V 101, Remmers
V KSE) oder einem geeigneten
Remmers Steinfestiger vorzunässen.
Ist im Rahmen einer Gesamtmaßnahme eine strukturelle Festigung
des Untergrundes mit einem Remmers Steinfestiger vorzunehmen, so
bietet es sich in der Regel an, die
Lasur bzw. die Schlämme direkt
nach Abschluss der Festigungsmaßnahme nass in nass aufzutragen.
Verarbeitung
Die Flüssigkomponente wird in ein
sauberes Gefäß vorgelegt und die
Pulverkomponenten zugegeben. Mit
einem Mischgerät werden die Komponenten intensiv zu einer homogenen Lasur bzw. Schlämme angemischt.
Die Lasur bzw. die Schlämme ist
intensiv - z. B. durch Einmassieren mit dem Untergrund in Kontakt zu
bringen. Die optimalen Verarbeitungstemperaturen liegen zwischen
10 °C und 20 °C. Der behandelte
Untergrund ist wenigstens 2 Wochen
vor und nach dem Lasur-/Schlämmauftrag vor Beregnung zu schützen.
Die Lasuren und Schlämmen müssen während der Verarbeitung regelmäßig aufgerührt werden, um
dem Absetzen der Zuschlagstoffe
entgegenzuwirken.
Nachbehandlung
Je nach Beschaffenheit des Untergrundes kann eine partielle Nachfestigung der Schlämme mit einem
geeigneten Remmers Steinfestiger
notwendig sein.
Nach dem Auftrag der Lasur/
Schlämme ist vor weiteren Arbeits-
schritten eine Reaktionszeit von
ca. 4 Wochen einzuplanen.
Der Verbrauch an Lasur bzw. an
Schlämme richtetet sich maßgeblich
nach Art und Zustand des zu behandelnden Untergrundes sowie nach
der zu lösenden Aufgabenstellung.
Dementsprechend kann der
Verbrauch zwischen 0,2 l/m2 und
0,8 l/m2 liegen. Er ist jeweils vorab
an einer genügend großen, geeigneten Musterfläche zu ermitteln.
6 Allgemeine Hinweise
Untergrund
Die zur Restaurierung anstehenden
Natursteinoberflächen weisen durch
Verschmutzung / Patinierung unterschiedlichster Art oftmals ein vermindertes Saugvermögen auf.
Die zur Wiederherstellung des ursprünglichen Saugvermögens notwendige Reinigung der Flächen
sollte möglichst schonend erfolgen,
um die zu haltenden Bereiche nicht
zu zerstören. Die gereinigte Fläche
soll eine Woche lang vor Regen und
zu starkem Aufheizen durch Sonneneinstrahlung geschützt werden.
Verarbeitungstemperaturen
Die optimalen Verarbeitungstemperaturen für das KSE-Modul-System
liegen zwischen 10 °C und 20 °C
(evtl. Sonnensegel setzen). Unter
+5°C muss die Verarbeitung eingestellt werden. Die behandelten Bereiche sind vor Regen und direkter
Sonneneinstrahlung zu schützen.
Zusatz von Additiven
Von der Zugabe von Additiven insbesondere von Additiven zur
Beschleunigung der Reaktionszeit wird abgeraten. Desgleichen wird
von der sogenannten "Schnellhydrolyse" abgeraten, da sie eine unkontrollierte Einflussnahme auf die
Gel-Bildereaktion und damit auf die
resultierende Kieselgelstruktur darstellt.
Wasserabweisung
Eine gewünschte wasserabweisende
Einstellung hinterfüllter und/oder
angeböschter Bereiche sollte in
Lasurtechnik zu erfolgen (Remmers
Siliconharz-Farbsystem, z. B. Historic Lasur, Historic Schlämmlasur).
Angrenzende Flächen
Fassadenteile, die nicht mit den
reaktiven Komponenten des KSEModul-Systems in Berührung kommen sollen, wie z.B. Fenster, la-
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ckierte Flächen sowie Glas, müssen
ebenso wie Pflanzen mit Baufolie
(Polyethylenfolie) abgedeckt werden.
7 Arbeitsgeräte, Reinigung
Je nach Aufgabenstellung, z.B. Niederdruck-Spritzgeräte, Airlessgeräte,
Spritzflasche, kleine (Holz-)Spachtel,
Pinsel, Schwämme.
8 Lieferform, Verbrauch,
Lagerung
9 Sicherheit, Ökologie,
Entsorgung
Nähere Informationen zu Lieferform,
Verbrauch und Lagerung können
den Technischen Merkblättern der
einzelnen Produkte entnommen
werden.
Nähere Informationen zur Sicherheit
bei Transport, Lagerung und Umgang sowie zur Entsorgung und
Ökologie können den aktuellen Sicherheitsdatenblättern der einzelnen
Produkte entnommen werden.
Reinigung im frischen Zustand mit
wasserfreien Lösemitteln (z. B.
Remmers V KSE), im ausreagierten
Zustand ist nur noch mechanische
Reinigung möglich.
Vorstehende Angaben wurden aus unserem Herstellerbereich nach dem neuesten Stand der Entwicklung und
Anwendungstechnik zusammengestellt.
Da Anwendung und Verarbeitung außerhalb unseres
Einflusses liegen, kann aus dem Inhalt des Merkblattes
keine Haftung des Herstellers abgeleitet werden. Über den
Inhalt des Merkblattes hinausgehende oder abweichende
Angaben bedürfen der schriftlichen Bestätigung durch das
Stammwerk.
Es gelten in jedem Fall unsere allgemeinen Geschäftsbedingungen. Mit Herausgabe dieses technischen Merkblattes verlieren vorangegangene ihre Gültigkeit.
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Technisches Merkblatt
Artikelnummer 0572
KSE-Füllstoff B
Quarzpulver.
-Modul-System.
Produkteigenschaften
Quarzmehl aus dem Remmers
KSE-Modul-System.
Zur Herstellung Kieselsäureester(KSE-)gebundener Schlämmen,
Hinterfüllmassen und
Anböschmörtel.
Verwitterungsoberflächen weisen
häufig (Mikro-)risse in Dimensionen auf, die mit Steinfestigern auf
Basis Kieselsäureester ohne den
Zusatz von Füllstoffen nicht sinnvoll geschlossen werden können.
Bei der Restaurierung solcher
Gesteinsoberflächen werden aus
diesem Grund - insbesondere
wenn es sich um kunsthistorisch
wertvolle Oberflächen im figürlichen Bereich handelt - zur Herstellung des kraftschlüssigen Verbundes bzw. zur Schließung auskragender Originaloberflächen
Schlämmen, Hinterfüllmassen
bzw. Anböschmörtel zur Anwendung gebracht.
Das gezielte Einarbeiten des rein
mineralischen Produktes Remmers
KSE- Füllstoff B in geeignete
Steinfestiger dient (gegebenenfalls
Produktkenndaten
Produktkenndaten im Anlieferungszustand
Farbton:
weiß
Schüttdichte:
ca. 0,8 kg/l
Stampfdichte (DIN ISO 787/11):
ca. 0,8 kg/l
Zusammensetzung:
ca. 99 M.-% Quarz
unter Zugabe weiterer Füllstoff /
Zuschläge) der Herstellung entsprechender Schlämmen, Hinterfüllmassen bzw. Anböschmörtel.
Verarbeitung und Verbrauch
Verarbeitung und Verbrauch richten sich nach der zu lösenden
Aufgabenstellung. Die entsprechenden Angaben sind dem Technischen Merkblatt des jeweils als
Bindemittel einzusetzenden Kieselsäureester- (KSE-) Produktes
bzw. einer auf die entsprechende
Aufgabenstellung zugeschnittenen
Richtrezeptur zu entnehmen.
Da die KSE-gebundenen Materialien direkt nach der Herstellung
verarbeitet werden müssen, empfiehlt sich die Herstellung bedarfsgerechter Ansätze.
Lieferform, Verbrauch, Lagerung
Lieferform:
2 kg Papiersack,
25 kg Papiersack
Lagerung:
In geschlossenen Säcken, bei
trockener Lagerung mindestens
1 Jahr
Sicherheit, Ökologie, Entsorgung
Nähere Informationen zur Sicherheit bei Transport, Lagerung und
Umgang sowie zur Entsorgung
und Ökologie können dem aktuellen Sicherheitsdatenblatt entnommen werden.
Vorstehende Angaben wurden aus unserem Herstellerbereich nach dem neuesten Stand der Entwicklung und
Anwendungstechnik zusammengestellt.
Da Anwendung und Verarbeitung außerhalb unseres
Einflusses liegen, kann aus dem Inhalt des Merkblattes
keine Haftung des Herstellers abgeleitet werden. Über
den Inhalt des Merkblattes hinausgehende oder abweichende Angaben bedürfen der schriftlichen Bestätigung
durch das Stammwerk.
Es gelten in jedem Fall unsere allgemeinen Geschäftsbedingungen. Mit Herausgabe dieses technischen Merkblattes verlieren vorangegangene ihre Gültigkeit.
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Technisches Merkblatt
Artikelnummer 0571
KSE-Füllstoff A
Mineralmehl.
Füllstoff für das Remmers KSE-Modul-System
Produkteigenschaften
Mineralmehl aus dem Remmers
-Modul-System.
Zur Herstellung Kieselsäureester(KSE-)gebundener Schlämmen,
Hinterfüllmassen und
Anböschmörtel.
Verwitterungsoberflächen weisen
häufig (Mikro-)risse in Dimensionen auf, die mit Steinfestigern auf
Basis Kieselsäureester ohne den
Zusatz von Füllstoffen nicht sinnvoll geschlossen werden können.
Bei der Restaurierung solcher
Gesteinsoberflächen werden aus
diesem Grund - insbesondere
wenn es sich um kunsthistorisch
wertvolle Oberflächen im figürlichen Bereich handelt - zur Herstellung des kraftschlüssigen Verbundes bzw. zur Schließung auskragender Originaloberflächen
Schlämmen, Hinterfüllmassen
bzw. Anböschmörtel zur Anwendung gebracht.
Das gezielte Einarbeiten des rein
mineralischen Produktes Remmers
KSE-Füllstoff A in geeignete
Produktkenndaten
Produktkenndaten im Anlieferungszustand
Farbton:
hellgrau
Schüttdichte (DIN 52110):
ca. 0,7 kg/l
Stampfdichte (DIN ISO 787/11):
ca. 0,9 kg/l
Remmers Steinfestiger dient (gegebenenfalls unter Zugabe weiterer Füllstoffe / Zuschläge) der Herstellung entsprechender Schlämmen, Hinterfüllmassen bzw.
Anböschmörtel.
Verarbeitung
Verarbeitung und Verbrauch richten sich nach der zu lösenden
Aufgabenstellung. Die entsprechenden Angaben sind dem Technischen Merkblatt des jeweils als
Binde-mittel einzusetzenden
-(KSE-)
Produktes bzw. einer auf die entsprechende Aufgabenstellung
zugeschnittenen Richtrezeptur zu
entnehmen. Da die KSEgebundenen Materialien direkt
nach der Herstellung verarbeitet
werden müssen, empfiehlt sich die
Herstellung bedarfsgerechter Ansätze.
Lieferform, Verbrauch, Lagerung
Lieferform:
3 kg Papiersack,
25 kg Papiersack
Lagerung:
In geschlossenen Säcken, bei
trockener Lagerung mindestens
1 Jahr
Sicherheit, Ökologie, Entsorgung
Nähere Informationen zur Sicherheit bei Transport, Lagerung und
Umgang sowie zur Entsorgung
und Ökologie können dem aktuellen Sicherheitsdatenblatt entnommen werden.
Vorstehende Angaben wurden aus unserem Herstellerbereich nach dem neuesten Stand der Entwicklung und
Anwendungstechnik zusammengestellt.
Da Anwendung und Verarbeitung außerhalb unseres
Einflusses liegen, kann aus dem Inhalt des Merkblattes
keine Haftung des Herstellers abgeleitet werden. Über
den Inhalt des Merkblattes hinausgehende oder abweichende Angaben bedürfen der schriftlichen Bestätigung
durch das Stammwerk.
Es gelten in jedem Fall unsere allgemeinen Geschäftsbedingungen. Mit Herausgabe dieses technischen Merkblattes verlieren vorangegangene ihre Gültigkeit.
0571 TM-05 12 Bo-JEn-Ke
Remmers Baustofftechnik 49624 Löningen Tel 05432/83-0 Fax: 05432/3985
www.remmers.de
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Technisches Merkblatt
Artikelnummer 0476
Injektionsleim 2K
Zementsuspension zum Verpressen von Rissen
und Hohlräumen.
Zementsuspension zum Verfüllen.
Komponente A: Injektionsflüssigkeit - Art.-Nr. 0475
Komponente B: Ultrafeines, werkgemischtes hydraulisch erhärtendes Bindemittel (Pulver) mit hohem Sulfatwiderstand - Art.-Nr. 0476
Anwendungsgebiete
Im Trocken-, Feucht-, Nass, Unterwasser- und Untertagebereich:
Zum Verpressen von Rissen
und Hohlräumen im Beton,
Mörtel, Mauer- und Natursteinmauerwerk.
Zur Verfestigung und Instandsetzung im Baugrund für Gebäudeunterfangungen und für
Injektionen im Fels und Beton
für Staumauersanierung und
Bauwerkinstandsetzung.
Zum Verfüllen von Ziegelsplittbeton.
Produkteigenschaften
Remmers Injektionsleim 2 K ist
sehr gut fließfähig, separiert nicht,
erreicht eine hohe Eindringtiefe
auch bei feinsten Rissen mit einem
kraftschlüssigen Verbund zum
umgebenden Beton oder Gestein.
Remmers Injektionsleim 2 K enthält keine Substanzen, die die
Korrosion von Stahlbetonbewehrungen fördern. Er erhärtet hydraulisch und weist hohe Frühfestigkeiten, verbunden mit einer guten
Haftfähigkeit auf. Der erhärtete
Remmers Injektionsleim 2 K ist
wasserundurchlässig sowie wasser-, wetter- und frostbeständig.
Produktkenndaten
Komponente A (Injektionsflüssigkeit):
Rohdichte:
~ 1,1 kg/dm³
Komponente B (Pulver):
Schüttdichte nach DIN 1060:
~ 1,0 kg/dm³
Farbton:
grau
Güteüberwachung:
Zusammensetzung und Qualität
Rohdichte Suspension:
~ 1,7 kg/dm³
Luftporengehalt:
~ 1 Vol.-%
Druckfestigkeiten:
nach 7 Tagen > 5 N/mm²
nach 28 Tagen > 20 N/mm²
Verarbeitung
Beide Komponenten sind
gebrauchsfertig abgepackt. Komponente A im Kanister im Eimer
liegend. Die Injektionsflüssigkeit
(A) wird zum Bindemittel (B) gegeben und mit einem KollidalMischer, u.U. auch Bohrmaschine
mit Rührquirl zu einem fließfähigen
Mörtel hochtourig kolloidal gemischt. Der Injektionsleim wird
sofort verpresst oder verfüllt.
Als Injektionsgeräte sind z.B.
Schneckenpumpen mit automatischer Druckbegrenzung bzw.
Membranpumpen geeignet. Als
Einfüllstutzen werden Bohrpacker
und Klebepacker verwendet.
Zu beachten: Verarbeitungstemperatur mind. 5°C, nicht bei gefrorenem Untergrund verarbeiten. Niedrige Temperaturen verlängern,
höhere verkürzen die Erhärtungszeiten. Remmers Injektionsleim 2
K nicht mit anderen Werkstoffen
mischen.
Hinweise
Bei Anwendung sind die handwerksüblichen Regeln und der
Stand der Technik zu beachten.
Arbeitsgeräte, Reinigung
Bohrmaschine, Rührquirl, SpezialMischgeräte (z.B. BebaZementleim-Mischer, 49632 Essen
i.O.) Eimer, Injektions-Geräte,
Packer (z.B. Desoi-Packer und Geräte, 36148 Kalbach bzw. Polyplan-Packer und -Pumpen, 22439
Hamburg).
Reinigung der Werkzeuge im frischen Zustand mit Wasser.
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Lieferform, Verbrauch, Lagerung
Lieferform:
Kunststoffeimer 10 kg, enthält 3,5
kg Injektions-Flüssigkeit (A) und
6,5 kg Injektions-Bindemittel (B)
Verbrauch:
Ca. 1,8 kg/l Hohlraum.
Lagerung:
In Originalgebinden verschlossen
und unvermischt bei kühler, jedoch
frostfreier Lagerung mindestens 12
Monate.
Sicherheit, Ökologie, Entsorgung
Nähere Informationen zur Sicherheit bei Transport, Lagerung und
Umgang sowie zu Entsorgung und
Ökologie können den aktuellen
Sicherheitsdatenblättern entnommen werden.
Vorstehende Angaben wurden aus unserem Herstellerbereich nach dem neuesten Stand der Entwicklung und
Anwendungstechnik zusammengestellt.
Da Anwendung und Verarbeitung außerhalb unseres
Einflusses liegen, kann aus dem Inhalt des Merkblattes
keine Haftung des Herstellers abgeleitet werden. Über den
Inhalt des Merkblattes hinausgehende oder abweichende
Angaben bedürfen der schriftlichen Bestätigung durch das
Stammwerk.
Es gelten in jedem Fall unsere allgemeinen Geschäftsbedingungen. Mit Herausgabe dieses technischen Merkblattes verlieren vorangegangene ihre Gültigkeit.
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Jahn M30 INJEKTIONSMITTEL
Das Jahn M30 Injektionsmittel ist ein modifiziertes 1-Komponenten-Injektionssystem für die
Injizierung in Risse von 0,2 mm bis 5 mm Breite.
Das Jahn M30 Injektionsmittel besitzt das KIWA-Attest (ATA Nr. K1027/01). Dieses bestätigt,
daß das Jahn M30 Injektionsmittel reinen Ursprungs ist und keine toxischen Verunreinigungen
enthält.
Jahn M30 enthält keine auslaugenden Stoffe, weder Chloride noch Chromide oder Fluoride.
Eigenschaften
gebrauchsfertiger Mörtel (nur Wasser hinzufügen);
schrumpfarm;
fließfähig während eines Zeitraums von etwa 30 Minuten;
starke Penetration und gutes Haftungsvermögen.
Anwendungsbereiche
Injizieren in Hohlräume in Baukörper aus Beton sowie aus Ziegel- und Naturstein.
Zubereitung
Das Injektionsmittel muß langsam mit Wasser verdünnt werden, wobei der Wasseranteil
letztendlich 45% des Injektionsmittelgewichts beträgt.
Das Ganze wird mit einem Mixer oder einer Bohrmaschine mit Rührstab bei einer Drehzahl von
3000 Umdrehungen/Minute 10 Minuten lang zu einer homogenen Masse verrührt. Danach wird
die Flüssigkeit durch ein Sieb in ein anderes Gefäß umgegossen. Nicht verarbeiten bei einem
Aussentemperatur unter 10ºC.
Verarbeitung
M30 Injektionsmittel kann sowohl nach dem Nieder- als auch nach dem Hochdruckverfahren
verarbeitet werden. Die Wahl der Methode hängt in hohen Maße von dem Material ab, in das
injiziert werden soll. Für Ziegel-, Naturstein und Leichtbeton findet das Niederdruckverfahren
Anwendung; bei Betonelementen hingegen ist das Hochdruckverfahren vorzuziehen.
Alle zu bearbeitenden Elemente müssen mineralischen Ursprungs sein. Auf Grund der
außergewöhnlich hohen Fließfähigkeit des Jahn M30 Injektionsmittels sind vor Arbeitsbeginn
Abdichtungsmaßnahmen, zum Beispiel mit Lehm zu treffen. Das ist erforderlich, weil
anderenfalls unnötig viel vom Jahn M30 Injektionsmittel über undichte Risse und Öffnungen
abfließen würde. Die Fließfähigkeit nimmt nach etwa 30 Minuten allmählich ab.
Besondere Merkmale
Das Jahn M30 Injektionsmittel erreicht bereits nach einem Tag seine hohen Werte der
Druckfestigkeit, Biegefestigkeit und Zugfestigkeit. Auch dadurch ist das Jahn M30
Injektionsmittel in hohem Maße für die Konsolidierung stark belasteter Stützflächen und die
Injizierung in solche Flächen geeignet. Nach 5 bis 7 Tagen liegt der Druckfestigkeitswert über
50 N/mm2. Die Biegefestigkeit erreicht nach dieser Zeit Werte in der Größenordnung von 2,5
N/mm2.
Werkzeug
Für die Injizierung des Jahn M30 Injektionsmittels können Membranpumpen oder
Injektionsgeräte eingesetzt werden, die geeignet sind mineralische Mörtel zu pumpen.
Zusätzliche Maßnahmen
Achten Sie bei der Arbeit auf Sicherheit und Sauberkeit.
Ergreifen Sie alle Maßnahmen, wie die Einrichtung der Pumpenanlage rechtzeitig.
Verschließen Sie alle Bohrlöcher nach dem Injizieren mit dem betreffenden JahnMörtel.
-
Tragen Sie bei der Arbeit eine Schutzbrille und geeignete Arbeitshandschuhe.
-
Ein Kontakt der Haut mit dem Jahn M30 Injektionsmittel ist nicht unmittelbar gefährlich;
seien Sie jedoch vorsichtig und spülen Sie die Flüssigkeit vorsorglich mit sauberem
Wasser ab.
Lieferung
Das Jahn M30 Injektionsmittel wird in einer 10-kg-Standardverpackung geliefert.
Haltbarkeit
12 Monate in geschlossener Verpackung bei trockener, kühler und frostfreier Lagerung.
Technische Daten
Die untenstehende Tabelle enthält die Daten über die mechanischen und physikalischen
Eigenschaften des M30 Injektionsmittels. Wir weisen darauf hin, daß diese Werte unter
Laborbedingungen ermittelt wurden. Unsere Erfahrung zeigt, daß die Werte in der Praxis
abweichend ausfallen können. Im Endergebnis muss dies jedoch keine Verschlechterung
bedeuten.
Technische Merkmale Jahn M30 Injektionsmittel
Standard
Von
Wassermischfaktor [ml/kg]
450,00
Wasser pro 10 kg [Liter]
4,50
Volumen des angerührten Mörtels [ml/kg]
800,00
Dyn. E-modul [N/mm²]
20.000,00
Spezifisches Gewicht [kg/dm³]
1,77
Biegefestigkeit [N/mm²]
2,00
Druckfestigkeit [N/mm²]
nach 2 Tagen ca. 25,00
nach 3 Tagen ca. 44,00
nach 7 Tagen ca. 51,00
nach 28 Tagen ca. 62,00
Linearer therm. Ausdehnungskoeffizient [%]
Hydraulischer Ausdehnungskoeffizient [%]
Wasseraufnahme [%]
Verarbeitungszeit bei 20ºC
Haltbarkeit (trocken, frostfrei, geschlossen)
Die oben genannten Werte sind variabel.
bis
21.000,00
3,00
0,06
0,11
1,70
60 Minuten
12 Monate
Das Jahn M30 Injektionsmittel kann bei Lufttemperaturen unter 5°C und wenn die unmittelbare
Gefahr des Gefrierens der zu verarbeitenden Materialien besteht nicht verarbeitet werden.