Die aktive Thermografie ein Beitrag zur Qualitätssicherung im Bauwesen

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1 Die aktive Thermografie ein Beitrag zur Qualitätssicherung im Bauwesen Frank U. VOGDT, Manuela WALSDORF-MAUL, Technische Universität Berlin Christiane MAIERHOFER, Mathias RÖLLIG, BAM Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung, Berlin Andrei WALTHER, BauConsulting, Brandenburg Kurzfassung. Baumaßnahmen an bestehenden Gebäuden bilden seit mehreren Jahren den Hauptanteil der Bauinvestitionen in Deutschland. Ein sach- und fachgerechtes Bauen im Bestand erfordert insbesondere die Einschätzung der vorhandene Bausubstanz. Ein wesentlicher Baustein ist dabei die passive Thermografie. Diese ermöglicht die Ermittlung von Oberflächentemperaturen von Baukonstruktionen oder Gebäuden. Aufgrund örtlich vorhandener Temperaturdifferenzen kann qualitativ auf Wärmebrücken in der Gebäudehülle geschlossen werden. Ein zusätzliches Anwendungsbereich zur zerstörungsfreien Untersuchung von Bauteilen bildet die aktive Thermografie. Dabei werden die zu untersuchenden Bauteile durch eine Erwärmungseinheit aufgeheizt, um anschließend das zeitabhängige Abkühlverhalten thermografisch untersuchen zu können. Die aktive Thermografie dient somit zur Qualitätsicherung. Anhand von Beispielen - wie der Ortung von Fehlstellen der Verklebung hinterriemchenbekleidungen und von Delaminationen in Industriefußböden - wird die Anwendung der aktiven Thermografie in der Baupraxis gezeigt. 1 Einführung Zur Untersuchung von Bauwerksstrukturen werden in immer größerem Umfang auch zerstörungsfreie Prüfverfahren eingesetzt. Hier haben sich in den letzten Jahren Radar, Ultraschall und weitere akustische Verfahren durchgesetzt [1, 2]. Diese Verfahren ermöglichen jedoch nur eine zuverlässige Untersuchung ab Bauteiltiefen von 5 bis 10 cm. Im oberflächennahen Bereich fehlen daher Informationen, die zur Schadensdiagnose dringend benötigt werden. Viele sicherheitsrelevante Schäden entstehen aufgrund von Fehlstellen und Inhomogenitäten im oberflächennahen Bereich, wie z. B. durch Hohlstellen und Kiesnester aufgrund mangelnder Verdichtung im Bereich der oberen Bewehrungslagen, oder durch Ablösungen von Kohlefaserlaminaten zur nachträglichen Verstärkung von Beton und Mauerwerk, durch Ablösungen bei mehrlagigen Systemen wie Putzen oder keramischen Bekleidungen. Die wesentliche Innovation, die sich aus der Entwicklung der aktiven Thermografie als Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen ergibt, ist daher eine schnelle und bildgebende Erfassung von oberflächennahen Fehlstellen und Inhomogenitäten [3,4]. Im Gegensatz zur bekannten passiven Thermografie, mit der beispielsweise Wärmebrücken in Gebäudehüllen geortet werden können, basiert die aktive Thermografie auf der Erzeugung eines instationären Wärmeleitungsprozesses im Bauteil durch kurzzeitige aktive Erwärmung oder Abkühlung.

2 Konstruktive Einbauteile, inhomogene Materialeigenschaften, Fehlstellen und Ablösungen können anhand von Temperaturunterschieden in den mit einer Infrarotkamera aufgezeichneten Thermogrammen nachgewiesen werden. Dieser Temperaturkontrast und seine zeitliche Änderung enthalten Informationen über die Fehlstellen, wie deren Größe, Überdeckung und Materialeigenschaften. Weitergehende Auswertungen der zeitlichen Veränderung der Messdaten im Zeit- und Frequenzbereich (z.b. Puls-Phasen Thermografie) sowie der Vergleich mit experimentellen Daten und numerischen Simulationen ermöglichen eine quantitative Bestimmung dieser Parameter [5,6]. Schäden an massiven Außenwänden mit keramischen Bekleidungen traten in der Vergangenheit relativ häufig auf. Diese Schäden können zum einen durch einen ungenügenden Haftverbund zwischen Bekleidung und Mörtel [7] oder auch durch Zwängungsbeanspruchung der Bekleidung hervorgerufen werden. Bei einer nicht fachgerechten, z.b. nicht vollflächigen Verklebung, gehen Rissbildungen im Fugenmörtel zumeist mit Ablösungen von Keramikriemchen/Fliesen einher, da bei Schwindrissen im Fugenmörtel einer keramischen Bekleidung erhöht Feuchtigkeit hinter die Bekleidung tritt, die infolge Frost abgelöst werden kann. Die Schadensursache einer ungenügenden Verklebung lässt sich bisher nur punktuell durch Anlegen einer Sondierungsöffnung ermitteln. Sollen Aussagen zur Gesamtbekleidung getroffen werden, so ist das zukünftig zerstörungsfrei durch bildgebende Thermografische Verfahren möglich. 2 Experimentelles 2.1 Versuchsaufbauten Versuchsaufbau Labormessung Riemchenklinker Der experimentelle Aufbau der Impuls-Thermografie aus einer Erwärmungseinheit und einer Infrarotkamera ist in Abbildung 1 dargestellt. Das dazugehörige Computersystem zur Echtzeiterfassung der Thermogramme ist im Bild nicht zu sehen. Für die Durchführung der Messung des Abkühlvorgangs wurde eine ThermaCAM SC1000 IR-Kamera von Inframetrics (FLIR System GmbH) verwendet. Ihr Abstand vom untersuchten Probekörper wurde mit 2 m gewählt. Die aus 256x256 Pixel bestehende PtSi- Schottky-Diodendetektorfläche wird durch einen Stirling-Mikrokühler auf 77 K gekühlt. Der zur Messung verwendete Spektralbereich liegt zwischen 3,4µm bis 5µm. Pro Messpunkt ist ein Dynamikumfang von 12-bit bei einer Temperaturauflösung von 0,07 K bei 300 K erreichbar. Zur Aufnahme der Thermogramme ist ein Weitwinkelobjektiv mit einem Sichtfeld von 34 x 31,4 verwendet worden. Die thermischen Bilddaten werden mit einer Frequenz von 10 Hz auf einen Computer übertragen und dort gespeichert. Nach der Aufzeichnung des Abkühlvorgangs können die Thermografie-Sequenzen mit Hilfe geeigneter Software ausgewertet werden. Zur Messdurchführung wurden die beiden Probekörper jeweils manuell 150 s erwärmt. Dazu wurden zwei Mittelwellenstrahler vom Typ AKA 1300 mit jeweils 1300 W in linearer Anordnung langsam und gleichmäßig in einem Abstand von 50 cm zur Oberfläche bewegt. Die Beobachtungszeit nach der Erwärmung betrug 900 s.

3 Abbildung 1: (links) Erwärmung Foto des Messaufbaus und des Messobjekts, (rechts) Foto der manuellen Versuchsaufbau vor Ort Messung Industriefußboden Hier wurde, durch Kenntnis der Dicke der Hartstoffestrichschicht, ein rollbares Messsystem bestehend aus IR-Strahlern und IR-Kamera aufgebaut. Die Verfahrgeschwindigkeit des rollbaren Messsystems wurde auf die Aufnahme der max. Temperaturdifferenz zwischen Estrich mit Verbund und Estrich ohne Verbund abgestimmt. Es ergab sich eine optimale Fahrgeschwindigkeit von 1,5m pro Minute. Für die Durchführung der Messungen wurden hier die IR-Kameras Infratec Varioscan 3011LW FLIR ThermaCam 550 genutzt. Für die Erwärmung der Hartstoffestrichschicht wurden drei Mittelwellenstrahler vom Typ AKA 1300 mit jeweils 1300 W parallel angeordnet verwendet. Abbildung 2: Links Schematischer Aufbau des Messsystems, rechts Prototyp im Einsatz

4 2.2 Probekörper mit Riemchenklinker Zur systematischen Untersuchung der Nachweisbarkeit von Ausführungsfehlern bei der Verklebung von Klinkerriemchen an Fassaden wurden zwei Probekörper (siehe Abbildung 3, oben) hergestellt. Die Probekörper haben die Abmaße 100 x 100 x 20 cm³. Während der gedämmte Probekörper (Abbildung 3, rechts oben) aus Beton C25/30, Dämmplattenkleber auf Zementbasis, Dämmplatten aus expandierten Polystyrol, bewehrtem Unterputz, Klebemörtel und Klinkerriemchen (verfugt) gefertigt wurde (Schichtaufbau siehe Abbildung 2, links mitte), besteht der ungedämmte Probekörper (Abbildung 3, links oben) lediglich aus Beton C 25/30, flexiblen Klebemörtel und Klinkerriemchen (verfugt). Die Fehlstellen der Verklebung wurden simuliert, indem der flexible Klebemörtel manuell an einigen Bereichen entfernt wurde. Durch das feldweise definierte Entfernen einzelner Teilverklebungen kommen Verbundanteile von64%, 45% und 36% (siehe Abbildung 3, rechts mitte und links unten) zustande. Zur Überprüfung der manuell erstellten Fehlstellen wurden Vorversuche an Glasplatten gemacht, die es ermöglichen die Verklebungsfläche hinter den Klinkerriemchen zerstörungsfrei einzusehen (siehe Abbildung 3, rechts unten).

5 Beton C 25/30 Dämmplattenkleber (Zementbasis) EPS Putzschicht Klebemörtel Klinkerriemchen Abbildung 3: (links oben) Probekörper ungedämmt, (rechts oben) Probekörper gedämmt, (links mitte) Schichtaufbau, Skizze prozentualer Flächenanteil der Verklebung (rechts mitte), Ausführung der Verklebung am Probekörper (links unten), Visualisierung der Ausführung der Verklebung auf einer Glasplatte (rechts unten)

6 2.3 Industriefußboden Industriefußböden in Fertigungshallen sowie Lagerhallen sind hohen Belastungen aus Gabelstaplerverkehr, Lager- und Maschinenlasten ausgesetzt. Damit keine Schäden im Fußbodenbereich entstehen, werden Estriche für Industriefußböden häufig als zementgebundene Hartstoffestriche nach DIN ausgeführt. Diese Estriche, mit einer Dicke bis zu 10 mm, sind hochbeanspruchbar und können Lasten bis 40 N/mm 2 in die Betontragschicht übertragen [8]. Auf die Betontragschicht werden die Estriche in aller Regel frisch in frisch aufgebracht. Das bedeutet, dass auf den jungen noch nassen Beton die Hartstoffestrichschicht eingearbeitet wird. Dadurch entsteht ein monolithischer Verbund. Durch zu schnelle Bauabläufe oder betontechnologisch nicht abgestimmte Mischungen kommt es zu Störungen des Verbundes zwischen Hartstoffestrichschicht und Betontragschicht. Weiterhin sind häufig die Schwindneigung von Frischbeton falsch eingeschätzt und Betonierabschnitte zu groß gewählt worden. Die Folgen sind Schwindrisse und Delamination des Estrichs. Diese wurden mit Hilfe des Messaufbaus, wie unter beschrieben geortet. Abbildung 4: Links, Blick in Industriehalle mit Schäden in der Hartstoffestrichschicht sowie rechts Detail der Delamination 3 Auswertung 3.1 Probekörper mit Riemchenklinker Zur Ortung der Fehlstellen und Ablösungen werden Thermogramme mit maximalem Temperaturkontrast während des Abkühlvorgangs aus den aufgenommenen Thermografiesequenzen ausgewählt. Die Temperaturwerte werden hier aus den Umgebungsparametern des Messobjektes (Temperatur und Luftfeuchte), den Messparametern (u. a. Kameraabstand, Messbereich, Objektiv) und den intern erfassten Parametern der Infrarotkamera ermittelt. Für alle nachfolgend dargestellten Thermogramme wurde eine homogene Emissivität der Messoberflächen von 0,95 vorausgesetzt. Die Temperaturen sind als Grauwerte dargestellt, die in jedem Bild auf Minimum und Maximum skaliert wurden. Für zum Teil quantitative Auswertungen werden die Temperatur-Zeit-Darstellungen (Transienten) ausgewählter Pixel (i,j) oberhalb von Defekten und oberhalb ungestörter Bereiche miteinander verglichen. Die Differenzkurve dieser Transienten hat typischerweise ein Maximum ΔT max bei einem bestimmten Zeitpunkt t max nach dem Ausschalten der Wäremquelle. ΔT max und t max hängen von der Überdeckung und Größe des Defektes sowie den thermischen Materialeigenschaften ab.

7 Für Auswertungen im Frequenzbereich werden die Transienten eines jeden Pixels (i,j) des Messbereiches mit Hilfe der Fast Fourier Transformation (FFT) umgewandelt. Die Ergebnisse sind Amplituden- und Phasenbilder der Messoberfläche, die für verschiedene Frequenzen dargestellt werden können. Diese Darstellung bezeichnet man als Puls-Phasen-Thermografie (PPT) [9]. Das Amplitudenbild repräsentiert die Amplitude der vektoriellen Summe von einfallender und reflektierter thermischer Welle, das Phasenbild zeigt die Phasenverschiebung zwischen Anregung und gemessenem Signal bei der jeweiligen Frequenz. Die Amplitudenbilder können daher noch durch zusätzliche Reflexionen auf der Oberfläche, durch eine inhomogene Energieverteilung der Wärmequelle und durch eine inhomogene Emissivitätsverteilung beeinflusst werden. In den Phasenbildern werden diese Einflüsse jedoch weitgehend herausgefiltert. In den Amplituden- und Phasenbildern ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis häufig wesentlich höher als in den einzelnen Thermogrammen, da der Informationsgehalt der gesamten Sequenz berücksichtigt wird. In den nachfolgenden Experimenten kann der Wärmeimpuls als Rechteckimpuls beschrieben werden, der sich aus unterschiedlichen Frequenzanteilen mit verschiedenen Amplituden zusammensetzt. Die maximale Frequenz im Antwortsignal ergibt sich aus der Bildwiederholrate bei der Erfassung der Thermografiesequenzen, die minimale Frequenz aus der Länge der Thermografiesequenz bzw. des Rechteckimpulses. In der Praxis enthalten nur die ersten Amplituden- und Phasenbilder der Sequenz (bei niedrigen Frequenzen) die wesentlichen Informationen, da sich hier die meiste Energie des Signals konzentriert. Bei höheren Frequenzen ist der Rauschanteil deutlich größer. 3.2 Industriefußboden Delaminationen der Hartstoffestrichschicht von der minimalen Größe von 10x10cm 2 konnten mit dem Versuchsaufbau wie in beschrieben ermittelt werden. Bei dieser Anwendung wurde nur die thermografischen Aufnahme zum Zeitpunkt der maximalen Temperaturdifferenz zwischen Estrich ohne Verbund und Estrich mit Verbund ausgewertet. 4 Ergebnisse 4.1 Probekörper mit Riemchenklinker In Abbildung 5 und 6 sind die Thermogramme, Amplituden- und Phasenbilder als Ergebnisse der Messungen an den Probekörpern ohne und mit Wärmedämmung dargestellt. Die Verbundfehler zwischen Klinker und Mörtel sowie weitere unbeabsichtigte Fehlstellen sind jeweils gut zu erkennen. Die wahrnehmbare tonnenförmigen Verzerrungen sind auf die Linsenfehler des verwendeten Weitwinkelobjektivs zurückzuführen. Die Abbildungen 5a und 6a zeigen die Thermogramme mit maximalem Kontrast zwischen vollständiger und unvollständiger Verklebung. Im direkten Vergleich sind die Fehlstellen im ungedämmten Probekörper mit besserer Ortsauflösung zu erkennen, da hier ein Teil der Wärme direkt in die Betonwand abfließen kann und weniger zum lateralen Diffusionsprozess beiträgt. In den Abbildungen 5b und 6b sind die Thermogramme zum Ende der Beobachtungszeit 900 s nach der Erwärmung zu sehen. Das Thermogramm des

8 ungedämmte Probekörpers (Abbildung 5b) ist hier vergleichbar mit der Temperaturverteilung vor Beginn der Erwärmung. Die Struktur der Klinker und Fugen ist klar zu erkennen. Im Gegensatz dazu zeigt das Thermogramm des gedämmten Probekörpers (Abbildung 6b) ein anderes thermisches Verhalten. Die Temperatur auf der Oberfläche ist immer noch ca. 1 K höher als die Ausgangstemperatur vor der Erwärmung. Es zeigt sich eine Oberfläche ohne Fugenstruktur, da die Fassade durch die Dämmung vom Beton thermisch entkoppelt ist und somit die eingebrachte Wärmemenge nicht in den Beton abfließen kann. Wie erwartet zeigen die Amplitudenbilder in den Abbildungen 5c und 6c und die Phasenbilder in den Abbildungen 5d und 6d die Fehlstellen mit einem verbesserten Kontrast als die Thermogramme. Insbesondere im Falle des gedämmten Probekörpers in Abbildung 6c sind im Amplitudenbild detaillierte Strukturen erkennbar, die in dem Thermogramm nicht zu sehen sind. a) b) c) d) Abbildung 5: Ergebnisse ohne Wärmedämmumg: a) Thermogramm mit maximalem Temperaturkontrast, aufgenommen 60 s nach dem Abschalten der Quelle. b) Thermogramm am Ende der Sequenz, 900 s nach dem Abschalten der Quelle. c) Amplitudenbild bei 0,011 Hz. d) Phasenbild bei 0,011 Hz.

9 a) b) c) d) Abbildung 6: Ergebnisse mit Wärmedämmung: a) Thermogramm mit maximalem Temperaturkontrast, aufgenommen 60 s nach dem Abschalten der Quelle. b) Thermogramm am Ende der Sequenz, 900 s nach dem Abschalten der Quelle. c) Amplitudenbild bei 0,011 Hz. d) Phasenbild bei 0,016 Hz. 4.2 Industriefußboden Für Messungen vor Ort wurde die Impuls-Thermografie Einheit (Wärmestrahler und IR Kamera) auf einem Messwagen integriert. Durch langsames auf die Hartstoffestrichschicht abgestimmtes Überfahren der Oberfläche wurde diese erwärmt und durch Aufnahme mit der IR Kamera entsteht ein thermografisches Abbild der Hartstoffestrichoberfläche. Darauf sind die wärmeren Bereiche erkennbar, die auf Delaminationen der Hartstoffestrichschicht hindeuten. In dem Praxisbeispiel konnten maximale Temperaturdifferenzen der Delaminationen, bei der unter Kapitel 3 beschriebenen Vorgehensweise, von 3 Kelvin detektiert werden. Für die bessere Zuordnung der Delaminationen wurde auf Grundrissplänen Ihre Lage vermerkt. Dadurch ist, da die Estrichschichten zumeist in Arbeitsabschnitten aufgebracht werden, erkennbar, inwieweit Qualitätsunterschiede in den Arbeitsabschnitten vorhanden sind. In der untersuchten Industriehalle mit einer Nutzfläche von ca m 2 konnte durch die Anwendung der Impuls-Thermografie festgestellt werden, dass nur bei etwa m 2 der Fläche maßgebliche Delaminationen vorhanden waren.

10 Abbildung 7: Links, Thermogramm einer Delamination in der Hartstoffestrichschicht sowie rechts Dokumentation der Delaminationen im Grundrissplan 5 Schlussfolgerung und Ausblick Mit Hilfe der Impuls-Thermografie lassen sich Verbundfehler zwischen Bauteilschichten sowie andere Fehlstellen gut orten. Die Ergebnisse wurden unter anderem im Frequenzbereich ausgewertet. Die erstellten Thermogramme sowie Amplituden- und Phasenbilder ermöglichten es, die simulierten Verbundfehler zu erkennen. Wie erwartet, zeigten die Amplituden- und Phasenbildern im Vergleich zu den Thermogrammen einen größeren Kontrast. Bei dem Vor-Ort-Messeinsatz in der Industriehalle erwies sich die Impuls- Thermografie als ein gut geeignetes Prüfverfahren zur Detektion von Delaminationen der Hartstoffestrichschicht. Im Labormaßstab lassen sich Verbundfehler zwischen Klinkerriemchen und Mörtel gut orten. Hier bleibt der in-situ-einsatz zu prüfen. Literatur [1] Reinhardt, H.-W., und Grosse, Ch., Strukturbestimmung von Betonbauteilen Ergebnisse einer Forschergruppe der Deutschen Forschungsgemeinschaft, in: Fachtagung Bauwerksdiagnose 2008, Vortrag 03, [2] Maierhofer, Ch., Zacher, G., Kohl, Ch., and Wöstmann, J., Radar and Fusion for Concrete Elements, in Advances in Construction Materials 2007, (2007), pp [3] Avdelidis, N. P. and Moropoulou, A., Applications of infrared thermography for the investigation of historic structures, Journal of Cultural Heritage, 5 (2004), [4] Maierhofer, Ch., Arndt, R., Röllig, M., Rieck, C., Walther, A., Scheel, H., and Hillemeier, B., Application of impulse-thermography for non-destructive assessment of concrete structures, Cement and Concrete Composites, 28 (2006), [5] Maldague, X.P.V., Galmiche, F., and Ziadi, A., Advances in pulsed phase thermography, Infrared Physics & Technology, 43 (2002),

11 [6] Maierhofer, Ch., Brink, A., Röllig, M., and Wiggenhauser, H., Quantitative impulse-thermography as non-destructive testing method in civil engineering - Experimental results and numerical simulations, Construction and Building Materials, 19 (2005), [7] Cziesilski E., Vogdt F. U., Schäden an Wärmedämm-Verbundsystemen Band 20 Schadenfreies Bauen, Frauenhofer IRB Verlag, 2.Auflage [8] DIN April 2004, Estriche im Bauwesen - Teil7: Hochbeanspruchte Estriche (Industrieestriche). [9] Ibarra-Castanedo, C. and Maldague, X.P.V., Pulsed phase thermography review, Quantitative Infrared Thermography Journal, 1 (2005),