Instrumented monitoring of moisture and salt by electrical impedance measurements

Abstract

The determination of the moisture content in building materials is a contro versially discussed subject. The only scientifically accepted reference is the gravimetric method, i.e. the moisture assessment of a sample of building material by drying. Yet, even here, disagreements arise from the question of the “correct” drying temperature, which results from the multiple definitions in use for the dry material state. The significance of moisture for a virtually inconceivable number of matters in civil engineering reflects in the nonetheless numerous approaches for its measurement. Some of them are successfully established in practice, despite of the debates on their accuracy and reproducibility. The reason lies in the urgent need for suitable moisture measurement methods. Their use is not totally condemnable, but requires a profound understanding of the underlying physical concepts and the knowledge of each method’s application, possibilities and limitations. The measurement of a material’s electrical impedance for the determination of its moisture content are often viewed especially critical. This objection is justified primarily by the strong influence of salts and other conductive inclusions, such as clay or metals. However, the method has some unique features, which, if applied right, can give valuable insight into processes within the considered material or investigated structure. In contrast to many other methods, it is possible to realize an instrumented monitoring of an object outside of laboratory conditions. The measurement location remains fixed wherever chosen and therefore allows the comprehension of gradual processes, such as drying or accumulation of salts, while offering the possibility to continuously take the ever-changing ambient conditions into account. The focus of this research work lies on putting impedance spectroscopy into practical application. The method itself has long been studied, but only the latest developments of fully integrated impedance converters have made it possible to incorporate impedance functionality into structural health monitoring systems. Their scope regarding accuracy or frequency range is certainly reduced compared to laboratory devices. However, this evolution provides the opportunity for a permanent instrumentation of structures outside of laboratory conditions to assess moisture developments therein. Special attention was set in the research to the development and optimization of suitable impedance electrodes, which show both sufficient durability for instrumented monitoring and minimize the influence of the electric double layer. It was found that nickel-graphite silicon electrodes are well suited. To be capable of understanding impedance data, which is influenced under natural conditions by many factors that do not or only in other ways occur in a protected laboratory environment, it is necessary to study these effects on the impedance. The two main sources of material moisture are the humidity from the air and capillary water. The present thesis regards impedance measurements for qualitative moisture monitoring of porous building materials, particularly sandstone. Long-term measurements were carried out to research the gradually adapting material moisture of different sandstones caused by a change in the ambient relative humidity between 54 and 100 %. The considered sandstone varieties were selected from southern Germany. In detail Abbacher green sandstone, Burgpreppacher sandstone, Main sandstone white-grey, Sander reed sandstone and Trebgaster new red sandstone. Further measurements were performed to study the detectability of water fronts during the capillary rise of water and the subsequent drying process, as well as the influence of temperature changes. To begin with, the scientific motivation for the present work is presented in chapter 1. Chapter 2 introduces the basic concepts of porosity, water storage and transport therein, and the effects of soluble salts in this water. Chapter 3 gives an overview of electrical impedance monitoring with special respect to measurements on porous materials. Possibilities for the temperature compensation of impedance data are presented. The developed device for impedance monitoring is described in chapter 4. Its conception in the global context of other moisture measurement options and with regard to the specific field of monitoring of protected historic structures is examined. The optimization of the impedance electrodes and the choice of a suitable measurement frequency are discussed. Chapter 5 presents the impedance monitoring of sandstone in the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. A look at the time-dependent data collected for different sandstone types during a long-term experiment with stepwise variation of the ambient relative humidity is followed by an analysis of the impedance regarding material moisture and its distribution within the porous network. The measurement of capillary rise of water and a reflection on possible electrode configurations along with their consequences for the detection of capillary water fronts are regarded thereafter. The chapter closes with a description of the procedure for temperature compensation of impedance data. An example of applied impedance monitoring is presented in the concluding chapter 6, which regards both the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. Two more application examples follow, which show a perspective for other applications. The first pictures the monitoring of hydrating screed, the second illustrates the use of impedance monitoring for the assessment of self-healing concrete.

Die Bestimmung der Feuchte von Baumaterialen ist eine kontrovers diskutierte Thematik. Die einzig wissenschaftlich anerkannte Referenzmethode ist die gravimetrische Messung, d.h. die Erfassung der Feuchte eines Stücks des Baumaterials durch Trocknen. Jedoch besteht selbst hier Uneinigkeit über die „richtige“ Temperatur, mit welcher der trockene Materialzustand entsprechend der verwendeten Definition erreicht werden soll. Die Bestimmung der Feuchte ist für eine nahezu unüberschaubare Bandbreite an Fragestellungen im Bauwesen relevant, die Ansätze für die Feuchtemessung sind entsprechend vielseitig. Einige davon haben sich in der Praxis erfolgreich etabliert, ungeachtet der Debatten zur Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messergebnisse. Der Grund dafür liegt in dem dringenden Bedarf an geeigneten Feuchtemessmethoden. Ihre Verwendung ist dennoch nicht völlig verwerflich, sie setzt aber ein fundiertes Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Konzepte und das Wissen um die Anwendung, die Möglichkeiten und Grenzen der Methoden voraus. Die Messung der elektischen Impedanz eines Materials zur Bestimmung von dessen Feuchtegehalt wird häufig besonders kritisch gesehen. Dieser Vorbehalt liegt in erster Linie im starken Einfluss von Salzen und anderen leitfähigen Einschlüssen, wie Lehm oder Metallen, begründet. Dennoch hat die Methode einige einzigartige Eigenschaften, die, bei korrekter Anwendung, wertvolle Einblicke in die Prozesse im betrachteten Material oder in der untersuchten Struktur geben können. Im Gegensatz zu vielen anderen Verfahren kann hiermit ein instrumentieres Monitoring eines Objekts außerhalb einer Laborumgebung verwirklicht werden. Der Messpunkt bleibt konstant an einer Stelle und ermöglicht damit das Erfassen langsamer Vorgänge, wie der Trocknung oder der Anreicherung mit Salzen, unter kontinuierlicher Berücksichtigung der sich ständig ändernden Umgebungsbedingungen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt in der Aufgabe, die Impedanzspektroskopie in die praktische Anwendung zu bringen. Die Methode selbst wurde lange erforscht, aber erst die neuesten Entwicklungen für integrierte Schaltungen von Impedanzkonvertern haben es ermöglicht, elektrische Impedanzmessungen in Geräte für die Bauwerksüberwachung zu integrieren. Im Vergleich zu Laborgeräten ist ihr Messumfang hinsichtlich Genauigkeit oder Frequenzbereich sicherlich eingeschränkt. Jedoch bietet diese Entwicklung die Möglichkeit, dauerhaft Strukturen außerhalb der Laborumgebung zu instrumentieren, um die Feuchteänderung darin zu erfassen. Besonderere Aufmerksamkeit wurde dabei der Forschung an geeigneten Impedanzelektroden gewidmet, die sowohl für eine Dauerüberwachung geeignet sind als auch den Einfluss der elektrischen Doppelschicht minimieren. Es wurde festgestellt, dass Nickel-Graphit-Silikonelektroden gut geeignet sind. Impedanzdaten werden unter natürlichen Umgebungsbedingungen durch vielfältige Faktoren beeinflusst, welche in einer geschützen Laborumgebung nicht oder nur in anderer Weise auftreten. Um die Messdaten interpretieren zu können, ist es notwendig, diese Einflüsse auf die Impedanz zu untersuchen. Die Materialfeuchte ist hauptsächlich von der relativen Feuchte der Luft sowie vom Kapillarwasser abhängig. In der vorliegenden Arbeit werden Impedanzmessungen für die qualitative Dauerüberwachung der Feuchte poröser Baumaterialien, insbesondere Sandstein, betrachtet. Es wurden Langzeitmessungen durchgeführt, um die sich langsam anpassenden Materialfeuchten verschiedener Sandsteine zu untersuchen. Diese werden im Experiment durch änderungen der relativen Luftfeuchte im Bereich zwischen 54 und 100 % hervorgerufen. Die betrachteten Sandsteinvarietäten wurden aus Süddeutschland gewählt. Im Einzelnen waren dies Abbacher Grünsandstein, Burgpreppacher Sandstein, Mainsandstein weiß-grau, Sander Schilfsandstein und Trebgaster Buntsandstein. Weiter wurden Impedanzmessungen durchgeführt, um die Erkennbarkeit von Wasserfronten bei kapillarem Wassertransport und den nachfolgenden Trocknungsprozess sowie den Einfluss von Temperaturänderungen zu untersuchen. Einleitend wird in Kapitel 1 die wissenschaftliche Motivation für die vorliegende Arbeit dargelegt. In Kapitel 2 werden die grundlegenden Konzepte der Porosität, von Wasserspeicherung und -transport darin und die Effekte von im Porenwasser gelösten Salzen vorgestellt. Kapitel 3 gibt einen überblick zur Dauerüberwachung mit elektrischen Impedanzmessungen unter besonderer Berücksichtigung der Messung an porösen Materialien. Es werden Möglichkeiten für die Temperaturkompensation von Impedanzdaten vorgestellt. Das entwickelte Messsystem für Impedanzmonitoring wird in Kapitel 4 beschrieben. Seine Konzeption wird im übergreifenden Kontext weiterer Feuchtemessmethoden betrachtet, auch im Hinblick auf den speziellen Anwendungsfall des Monitorings denkmalgeschützter, historischer Bauten. Die Optimierung der Impedanzelektroden sowie die Wahl einer geeigneten Messfrequenz werden diskutiert. In Kapitel 5 wird das Impedanzmonitoring von Sandstein im hygroskopischen und überhygroskopischen Feuchtebereich dargestellt. Auf die Betrachtung der zeitabhängigen Daten, die für verschiedene Sandsteintypen während eines Langzeitversuchs unter stufenweiser änderung der Umgebungsfeuchte gesammelt wurden, folgt eine Analyse der Impedanz hinsichtlich Materialfeuchte und dessen Verteilung im Porensystem. Im Anschluss werden Messungen des kapillaren Aufstiegs von Wasser und überlegungen zu möglichen Elektrodenkonfigurationen sowie deren Auswirkungen auf die Erkennung von kapillaren Wasserfronten betrachtet. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Temperaturkompensation von Impedanzdaten. Ein Beispiel für praktisch angewendetes Impedanzmonitoring wird im abschließenden Kapitel 6 vorgestellt. Hierbei werden sowohl der hygroskopische, als auch der überhygroskopische Feuchtebereich betrachtet. Es folgen zwei weitere Beispiele, mit denen eine Perspektive auf weitere Anwendungsgebiete eröffnet wird. Das erste schildert die überwachung der Hydratation von Estrich, das zweite veranschaulicht die Nutzung von Impedanzmonitoring für die Bewertung von selbstheilendem Beton.