Nicht invasives optisches Messverfahren zur exakten Lokalisation von Wasserschäden in Mauerwerken von Gebäuden

Zur Bauschadensanalyse von Gebäuden wurde ein bild­analytisches Messverfahren entwickelt, das sich der Nah- und Mittelinfrarottechnik bedient. Der entwickelte Messaufbau wird beschrieben und dessen Funktionalität an zwei realen Schadensfällen aufgezeigt.

1 Ausgangssituation

Laut dem »Zweiten DEKRA-Bericht zu Baumängeln an Wohngebäuden« von 2006/2007 liegen die jährlichen Kosten für die Mängelbeseitigung der Schäden in Deutschland bei rund 1,4 Milliarden € [1]. Davon entfallen über 20% auf Feuchteschäden [2]. Werden »neben den Wohngebäuden alle anderen Gebäude, beispielsweise für Verwaltung, Gewerbe und Industrie, mitberücksichtigt« [1], so würden sich die Kosten auf rund 2,8 Milliarden € für den betrachteten Zeitraum belaufen. Diese Zahlen beziehen sich allerdings nur auf die beseitigten Mängel und geben keinen Aufschluss über die theoretischen gesamten Kosten zur Beseitigung aller vorhandenen Mängel. In allen Berichten wird die Vermutung zum Ausdruck gebracht, dass Schäden durch Feuchtigkeit, teilweise wegen mangelnder und ungenauer Messverfahren, lange unerkannt bleiben und dadurch erhebliche Folgeschäden verursachen, die zeitlich verzögert dafür aber einen weitaus höheren wirtschaftlichen Schaden anrichten.

Heutzutage kommen zur Analyse von Feuchtigkeit in Mauerwerken unterschiedliche Messsysteme zum Einsatz, die i.d.R. punktuell sind und nur eine geringe Aussagekraft über die Herkunft der Feuchtigkeit bieten. Ein klassisches Verfahren ist die zerstörende Messung. Hierbei wird ein Feuchtesensor in ein zuvor gebohrtes Loch eingebracht. Zur fachgerechten Bewertung sind mehrere Bohrungen erforderlich, was mit einem hohen Aufwand und mit einer großen Belastung für die Nutzer gerade im Innenbereich verbunden ist. Daneben ist die Darstellung von Kältebrücken mithilfe von Wärmebildkameras und damit indirekt die Messung von Feuchtigkeit in Wänden möglich. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die zu vermessenden Flächen keine einheitliche Infrarot-Emission aufweisen und die gewonnenen Aufnahmen daher einen großen Spielraum für Fehlinterpretationen zulassen.

Weiterhin gibt es noch dielektrische, zerstörungsfreie Feuchtesensoren, die allerdings nur punktuell und zwar maximal 40 mm tief in Wänden messen können, was für die Analyse von modern gedämmten Gebäuden unzureichend ist. Ein anderes Verfahren stellt die Isotopenanalyse dar. Hierbei kann das Schadwasser hinsichtlich seiner Herkunft (z.B. Regen-, Leitungs- oder Kondenswasser) bestimmt werden, wie in [3] dargestellt. Aber auch bei dieser Methode ist eine invasive Probennahme nicht ausgeschlossen. In [4] ist ein alternatives, invasives Verfahren beschrieben. Hierbei sind unterschiedliche Proben des Mauerwerks im Schadensbereich zu nehmen. Anhand dieser lässt sich anschließend die Feuchtebilanz erstellen und mittels quantitativer, photometrischer Messung der Ionengehalt von Chlorid, Nitrat, Sulfat und Magnesium bestimmen. Anhand dieser vorangegangenen Analysen kann eine Aussage über die Herkunft des Wassers getroffen werden. Zur Beurteilung und Auswertung solcher Messinformationen ist in den meisten Fällen langjähriges Expertenwissen notwendig.

In dem hier vorgestellten Beitrag steht die Lokalisation der Schadensursache durch Feuchteeinwirkung in Mauerwerken von Gebäuden durch den Einsatz eines speziell entwickelten optischen Messsystems im Vordergrund, welches sich der Nah- und Mittelinfrarotkameratechnologie bedient [5].

2 Theoretische Grundlagen

Die hier verwendeten Messtechnologien zur Bauschadensanalyse basieren auf der Nah- und Mittelinfrarottechnik. Die Mittel- und Nahinfrarotspektroskopie wurden in der Vergangenheit zur direkten Bestimmung von Wasserdampf in der Luft eingesetzt. Die Nahinfrarotspektroskopie dient seit vielen Jahren zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts in Materialien. Der Grund dafür ist, dass Wasser leicht in diesem Bereich zu analysieren ist, da es eine relativ starke Absorption bei einer Wellenlänge von 1450 nm besitzt [6].

Eine optimale spektrale Analyse einer Substanz und hierfür die Auswahl des Spektralbereichs hängen von der molekularen Struktur der Probe ab. Um unterschiedliche Stoffe voneinander unterscheiden zu können, ist insbesondere die Untersuchung von Infrarotabsorptionsbanden nützlich, hervorgerufen durch Schwingungsübergänge der Moleküle. Die Mittelinfrarottechnik wird gerne bei Anwendungen wie Thermografie verwendet. Die Nahinfrarottechnik ist bei der chemischen Prozessanalyse besser geeignet, da die Übergänge OH-, CHx- und NHx-Gruppen für die Analyse von Polymeren und organischen Verbindungen in diesem Bereich sehr ausgeprägt sind. Dieser Aspekt und die Verfügbarkeit von Detektoren, optischen Komponenten und Lichtquellen sind für diese Technik von großem Vorteil.

Der Nahinfrarotbereich (NIR) beginnt bei ca. 750 nm und reicht bis 2500 nm. Für die Analyse in diesem Bereich ist die Kompatibilität zwischen der spektralen Emission der Lichtquelle, der Empfindlichkeit des Sensors und die Absorbanz des zu untersuchenden Stoffes entscheidend. Auf Silizium basierende Kameras, wie die bekannten CCD-Kameras, sind bis zu einer Wellenlänge von 1000 nm anwendbar. Für den sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS) und darüber hinaus kommen Kameras mit Indium-Gallium-Arsenid-Chip (InGaAs) mit einem Arbeitsbereich von 1000 bis 1700 nm zum Einsatz [7].

Die Identifikation eines Stoffes im Nahinfrarotbereich kann durch die Abschwächung eines Lichtstrahls beim Durchtritt durch eine Probensubstanz erfolgen. Der Zusammenhang wird durch das Lambert Beer’sche Gesetz (Gl. [1]) über die dimensionslose Messgröße Extinktion E erklärt. Diese ist direkt proportional zu der Konzentration, der Schichtdicke d des absorbierenden Stoffes und zu dem molaren Extinktionskoeffizienten des Materials e_l [8].

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