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Assessment of the complex resistivity behavior of salt affected building materials
Kruschwitz, Sabine F.
Die Art und den Grad einer Salzbelastung in feuchten Baustoffen festzustellen, gehört zu den schwierigsten Aufgaben im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem möglicherweise ungenutzen Potential komplexer Leitfähigkeitsmessungen (complex resistivity - CR, Frequenzbereich1mHz -100Hz). Dazu wurde erstens eine umfangreiche Experimentreihe an unterschiedlichen Baustoffen mit vier Salzen (NaCl, Na2SO4, CaCl2 und MgSO4) in variierenden Konzentrationen durchgeführt, um die Sensitivität der Methode der für den Baubereich relvanten Salzmengen zu untersuchen. Zweitens wurde der Einfluß der Sättigung für verschiedene Ausgangsfluide nachvollzogen. Darüberhinaus beschäftigt sich die Arbeit mit dem Versuch, chemisch von strukturell bedingten Impedanzänderungen unterscheiden zu lernen. In einer FD Modellierung wurden die effektiven Impedanzen synthetischer Mikrostrukturen berechnet und die Auswirkungen von Strukturunterschieden untersucht. Liegen Kalibrationsdaten vor, kann im Fall eines gesättigten Baustoffes anhand der Widerstandsamplitude eine verlässliche Einschätzung des Salzgehaltes vorgenommen werden. Die Phase des komplexen elektrischen Widerstands enthält Informationen über das dominante Kation in der Porenfluidlösung. In porösen, feuchten Baustoffen, in denen Polarisation als Folge komplexer Grenzflächenleitfähigkeit auftritt, bestimmen generell das Matrixmaterial, der Porendurchmesser und die innere Oberfläche seine Aufladbarkeit. Diese Größen können aber nur bedingt aus elektrischen Messungen abgeleitet werden. Liegt die durchschnittliche Porenhalsgröße eines Baustoffs zwischen 20 und 100 Mikrometer, kann i.d.R. eine deutliche Aufladbarkeit beobachtet werden. In feinporigen Baustoffen (Tonziegeln) sind die Porenhalsgrößen kleiner als 5 Mikrometer, und die Aufladbarkeit liegt oft nur noch im Bereich der Messgenauigkeit. Die hier vorgestellte Datenbasis untermauert den theoretisch vorhergesagten exponentiellen Zusammenhang zwischen der Cole-Cole (CC) Relaxationszeit und einer materialbedingten, charakteristischen Relaxationslänge - im Fall von Festmaterialien der Porenhalslänge. Der Imaginärteil der Leitfähigkeit reagiert sensitiv auf den Chemismus der Porenlösung. Ausschlaggebend sind wahrscheinlich Veränderungen in der elektrischen Doppelschicht (EDL). Dies liegt wahrscheinlich an der fortschreitenden Ionensättigung des EDL. Ist eine gewisse Sättigungsstufe erreicht, führt eine weitere Ionenzufuhr zu zunehmenden elektrostatischen Wechselwirkungen und schließlich abnehmenden Ionendiffusionskoeffizienten. Auch der Wassergehalt spielt eine wesentliche Rolle für das CR-Verhalten. Für die meisten Baustoffe nimmt mit dem Wassergehalt der Imaginärteil der Leitfähigkeit stärker ab als der Realteil. Vermutlich sind Tongehalt und Zementationsgrad eines Materials ausschlaggebend für ein solches, nicht der bisherigen Theorie entsprechendes Verhalten sind. Darüberhinaus zeigen die Ergebnisse, daß der kürzlich von anderen Autoren aufgezeigte Zusammenhang von CC Relaxationszeit und hydraulischen Eigenschaften nicht bedingungslos gültig ist und weiterer Forschungsbedarf besteht. Um die Eigenschaften der EDL in Abhängigkeit der Porenfluidchemie zu untersuchen, wurden Zetapotentialmessungen durchgeführt. Die verwendeten Partikelsuspensionen wurden in gleicher Weise mit den Schadsalzen versetzt wie zuvor die Baustoffproben in den elektrischen Messungen. Die Auswertung der elektroakustischen Messungen deutet zwar generell einen positiven linearen Zusammenhang zwischen Zetapotential und dem Imaginärteil der Leitfähigkeit an, dieser ist jedoch schwächer als erwartet. In der Literatur wird davon ausgegangen, daß die komplexen elektrischen Eigenschaften eines Materials außer vom Chemismus des EDL auch von der Geometrie des Porenraumes. In einem neuartigen Versuch, diese beiden Phenomäne zu trennen, wurde eine Parameterstudie mittels einer FD Impedanzmodellierung durchgeführt, in der gezielt Längenverhältnisse und Leitfähigkeiten verändert werden konnten. Generell konnten die experimentellen Ergebnisse der Salinitätstudie nachvollzogen werden; die wenigen Fälle, in denen sie abweichen, sind vermutlich auf chemische Umstrukturierungen im EDL zurückzuführen. Die Beobachtungen der Entsättigungsexperimente konnten ebenfalls erklärt werden. Falls die hier verwendeten, stark vereinfachten Modelle die komplexen elektrischen Eigenschaften wahrheitsgemäß abbilden, bieten sie die Möglichkeit eines erweiterten Verständisses des Leitfähigkeitsverhaltens teilgesättigter Medien. Komplexe Widerstandsmessungen bieten Potential für die Anwendung im Bereich der zerstörungsfreien Bauwerksanalyse, es handelt sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt jedoch noch um eine Methode im Forschungsstadium. In jedem Fall sind a-priori Informationen und -sofern quantitative Aussagen getroffen werden sollen- auch Klibrationsdaten erforderlich. Das Verfahren sollte nicht allein angewendet werden.
The ability to reliably predict the amount and type of salts within a wet masonry is one of the most challenging subjects in non-destructive combat of salt attack of building stone. To investigate the value of complex resistivity (CR) measurements for the early detection of salt and moisture related stone altering, controlled salt and saturation experiments have been performed and a new procedure of an image based effective impedance modelling developed. CR magnitude and phase measurements (1 mHz - 100 Hz) were acquired on a wide variety of wholly and partially brine (NaCl, Na2SO4, CaCl2 and MgSO4) saturated building stone samples. In the case of saturated materials, and provided thorough calibration data are available, a reliable estimate of salt concentration is possible from the measured resistivity magnitude. Additional indication on the dominant cation in the solution can be obtained from the resistivity phase. The here reported results give an important guide to the limitations of CR in obtaining pore surface area and pore throat estimates. For wet porous materials, in which polarization occurs due to complex surface conduction, the dominant pore throat and amount of specific surface affect its polarizability. Materials with pore throats between 20 and 100 micrometers are more qualified observation objects than those with narrower pore systems, i.e. most bricks. The predicted power-law correlation between the C-C relaxation time and a characteristic length scale (pore throat size for consolidated materials) is supported. The experimental salinity study reveals how responsive polarization is to changing the pore fluid chemistry. The imaginary conductivity increased for most materials up to fluid salinities of about 1 S/m. Divalent cations in the saturating fluid reduce the imaginary conductivity compared to monovalent ones at the same fluid concentration. CR measurements on partially saturated samples demonstrate the method's sensitivity to water content. For most materials the imaginary conductivity decreased faster than the real component. This was independent of the pore fluid. The results revealed diverse behavior such as decreases and increases in relaxation time with saturation. In some cases a suppression of a distinctive relaxation curve at low saturations was observed. The results indicate, that contrary to conclusions from recent related studies, the correlation between a C-C relaxation time and hydraulic properties may be limited. In order to infer information on the charge distributions within the electrical double layer (EDL), zeta-potentials and surface charge densities were obtained from electroacoustic measurements. The results add weight to the assumption that there is some universal positive relationship between zeta-potential and imaginary conductivity. A notable dependence of imaginary conductivity on diffuse layer surface charge was only observed in case of one sandstone. An image based effective impedance modelling approach was used to study general microstructural implications on CR responses. An increasing salt concentration (that creates a shrinking EDL) reduces the peak phase and moves it towards higher frequency. The same effect would have an increasing fluid conductivity for an otherwise fixed microstructure. For some combinations of material and salt, however, in the experimental work the peak phase was observed to shift towards lower frequency: a phenomenon that could not be explained with the modelling. Therefore, it is assumed that chemical properties, like ion mobilities or other surface chemistry properties (ion-exchange processes) must be regarded to conclusively explain surface conductivity mechanisms. Other experimental observations like the alteration of CR spectra at desaturation could likewise be modelled. If these models truly mimic the effective electrical properties, the results give new implications on the effective medium behavior. Concluding, the author values the complex resistivity method as a possible effective non-destructive testing tool for a wide range of building stones. But, a priori information and calibration data are essential; CR should not be treated as a stand-alone method.
