DE3139835C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur einmaligen oder kontinuierlichen zerstörungs­ freien Bestimmung des Eindring- und Auslaugvorganges leitfähiger Phasen in Materialien.

Die Bestimmung der Eindringtiefe von flüssiger Phase in poröse Materialien spielt vor allem bei der soge­ nannten Wasserundurchlässigkeitsprüfung von Beton­ proben eine wichtige Rolle. Das einzige bisher bekannte und in der DIN-Vorschrift 1048 Teil 1 festgelegte Prüfverfahren zur Bestimmung der Eindringtiefe von Wasser in Beton beruht auf der Spaltung des Prüf­ körpers nach bestimmten Beaufschlagungsbedingungen und visueller Beurteilung der Durchfeuchtungstiefe an der Bruchfläche. Das gleiche Verfahren wird auch zur Untersuchung des Eindring- und Auslaugverhaltens von Salzlösungen in Beton verwendet, um für die Lagerung radioaktiver Abfälle in Salzstöcken geeignete Betonmischungen zu testen (R. Wendehorst: Baustoff­ kunde, V. R. Vincentz Verlag Hannover 1975; G. Franz: Beton-Kalender 1980, Teil II, Verlag von W. Ernst Berlin 1980 und Verein Deutsche Zementwerke: Zement Taschenbuch 79/80 Bauverlag, Wiesbaden 1980).

Diese Prüfmethode weist erhebliche Nachteile auf. Sie enthält eine große Ungenauigkeitskomponente, die alleine schon durch die visuelle Beurteilung der Durchfeuch­ tungstiefe an der Spaltfläche des Probekörpers ent­ steht. Dies gilt vor allem im Falle von Lösungen, da der gelöste Stoff und das Lösungsmittel unter­ schiedliches Eindringverhalten zeigen. Bei Aus­ laugversuchen besteht die zusätzliche Schwierigkeit, daß sichtbare Fronten überhaupt nicht mehr auftreten und geringe graduelle Unterschiede nicht erkannt werden können. Weiterhin erfolgt eine Zerstörung des Probekörpers. Diese notwendige Spaltung des Probe­ körpers macht ihn für weitere Mssungen unbrauchbar. Kontinuierliche Messungen und Langzeitbeobachtungen sind daher nicht möglich (Beständigkeit von Im­ prägnierungen und Anstrichen). Außerdem können Diskontinuitäten während des Eindring- und Auslaug­ vorganges nicht erkannt werden. Die regelmäßige Überwachung von bereits eingebauten Materialteilen oder gelagerten Betonabschirmungen ist nicht durch­ führbar. Dies ist z. B. besonders bei der Endlagerung von radioaktiven Abfällen von Bedeutung, wo u. U. innere Veränderungen im Abschirmmaterial stattfinden können.

Derartige Informationen gewinnen aber große Bedeu­ tung in Zusammenhang mit der Lagerung radioaktiver Abfälle. Zum einen werden dabei Fässer mit einer Betonabschirmung umgeben, die nach Lagerung in einem Salzstock bei Wassereinbruch einer Salzlösung ausge­ setzt sein können. Dazu müssen einerseits Beton­ mischungen getestet werden, die dem Eindringen der Lösung möglichst hohen Widerstand leisten und anderer­ seits langzeitige Veränderungen der Durchlässigkeit des Abschirmmaterials überprüft werden können.

Außerdem werden flüssige radioaktive Abfälle zur Endlagerung z. T. in die Zementmischung eingearbeitet. In diesem Fall muß das Auslaugverhalten dieser Sub­ stanzen überprüft und überwacht werden.

Auch in der Bauindustrie sind Kenntnisse über den Transport von Feuchtigkeit und Salzen in Baumateria­ lien von großer Wichtigkeit, weil dadurch die Halt­ barkeit des Materials und die Einstellung eines bestimmten Mikroklimas innerhalb des umbauten Raumes entscheidend bestimmt werden. Hierbei spielen auch Veränderungen dieser Eigenschaften durch An­ wendung von Anstrichen und Versiegelungen eine wesentliche Rolle.

Im Straßenbau werden die Frostaufbrüche im großen Maße dem im Winter aus tieferen Schichten aufsteigen­ den und im oberen Straßenbelag kondensierenden und ausfrierenden Wasserdampf zugeschrieben. Für die Deckschicht werden Materialien gesucht, die weit­ gehend undurchlässig gegen Wasserdampfdiffusion sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ein­ dring- und Auslaugverhalten von Substanzen in mehr oder wenig porösen Materialien untersuchen zu können, wobei sowohl die momentanen Eigenschaften als auch das Langzeitverhalten des Materials selbst sowie innerlich und äußerlich angewandeter Zusatzstoffe (z. B. Imprägnierungen, Versiegelungen, Farbe etc.) untersuchbar sein sollen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den kennzeichnenden Mermalen des Anspruches 1 wiedergegeben.

Die übrigen Ansprüche geben eine vorteilhafte Weiterführung des Verfahrens sowie besonders geeignete Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens an.

Bei diesem erfindungsgemäßen Meßverfahren wird die Tatsache genutzt, daß sich die elektrische Leit­ fähigkeit eines Materials mit seinem Gehalt an leitfähiger Phase ändert. Das betrifft das Ein­ dringen und Auslaugen sowohl von leitfähigen Sub­ stanzen an sich als auch das von reinem Wasser, welches im Material vorhandene Substanzen mehr oder weniger dissoziert und damit die Leitfähigkeit ändert. Das Meßverfahren bietet die Möglichkeit zur automatischen Registrierung und Weiterverarbeitung der elektrichen Meßgrößen auch über größere Entfernungen (radioaktive Abfälle).

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Aus­ führungsbeispielen mittels der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Das Prinzipschaltbild der Meßeinrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Leitungen eines der Leiter­ bahnmuster 1 auf einer Seite des zu prüfende Materials 2 werden in einem Stecker 3 zusammengefaßt und über eine einzige Leitung mit einem Pol der Wechselstrom­ quelle 6 verbunden, während von dem anderen Pol getrennte Leitungen (z. B. 40 Stück) über eine Schalteranordnung mit 40 Schaltern 4 und einen gleichen Stecker 3 zu den einzelnen Leiterbahnen des Leiterbahnmusters 1 auf der gegenüberliegenden Seite des Materials 2 führen. Während des Meßvorgangs fließt Strom durch alle Schichten des Materials 2. Mit Hilfe der Schalter in der Schalteranordnung 4 kann das Strommeßgerät 5 nacheinander in die einzelnen Stromkreise eingeschaltet werden, so daß der Strom durch jede einzelne Materialschicht getrennt be­ stimmt werden kann. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird der Strom im 2. Kreis gemessen. Die Spannung der Quelle 6 und die Zahl der Leiterbahnen kann der Meßaufgabe angepaßt werden. Zusätzliche, breitere Leiterbahnen 11 (siehe Fig. 2) unterhalb des durch die beiden sich gegenüberliegenden Leiter­ bahnmuster 1 definierten Meßvolumens dienen der Homogenisierung des elektrischen Feldes im Material.

Bei den erfindungsgemäß verwendeten Einrichtungen erfolgt die Bestimmung des Eindringens oder Aus­ laugens von leitfähiger Phase durch die Messung der Leitfähigkeit des zu untersuchenden Materials in dünnen, übereinanderliegenden Schichten. Nach paar­ weisem Anlegen von Spannungen an gegenüberliegenden Leiterbahnen der Leiterbahnmuster 1 fließt der zu messende Strom in getrennten Schichten durch das Material 2. Die Zunahme des Stromes in immer tieferen Schichten zeigt zum Beispiel das Fortschreiten der eindringenden leitfähigen Phase an. Zu diesem Zweck können die Leiterbahnen an dem zu prüfenden Material angebracht werden.

Dies ist auf zwei vorteilhafte Arten möglich:

• 1. Auftragen einer Silbersuspension auf zwei gegen­ überliegenden Seiten des Materials 2 (siehe Fig. 1) z. B. nach dem in Fig. 2 angegebenen Leiterbahnmuster 1. Je nach Oberflächenbeschaffen­ heit des Prüfmaterials 2 wird die Silbersus­ pension mit einer Kanüle in Streifen 10 kon­ stanter Breite aufgetragen, oder sie wird nach Auflegen einer Streifenschablone aufgesprüht. Die kreisförmigen Verbreiterungen 7 an den Enden der Leiterbahnen 10 dienen als Auflagepunkte für die Kontaktfedern 8, die elektrisch voneinander getrennt an einem Isolator 9 befestigt sind. Zur Platzgewinnung wechselt die Kontaktierung je­ weils von einem Ende einer Leiterbahn 10 zum anderen der parallel danebenliegenden.
• 2. Zur Herstellung der Leiterbahnmuster 1 eignen sich auch Leiterbahnen 10 aus einer leitfähigen Gummimischung. Diese Gummileiterbahnen 10 werden dann nach dem Muster in Fig. 2 auf Isolierplatten aufgeklebt und jeweils mit elektrischen An­ schlüssen 7, 8 versehen. Durch die Flexibilität der Gummimischung können Unebenheiten der Material­ oberflächen ausgeglichen werden, so daß der elektrische Kontakt zum Material gewährleistet ist.

In einem Ausführungsbeispiel besitzen die Leiter­ bahnen 10 eine Breite von 1 mm mit einem gegenseitigen Zwischenraum von 1 mm. Daraus ergibt sich eine räumliche Auflösung von 2 mm. Zur Überprüfung des räumlichen Auflösungsvermögens sind die Stromprofile in einer Lößpackung vor und nach Einbringung einer Lage stark leitfähigen Kohlepulvers mit der erfindungs­ gemäßen Einrichtung (Fig. 1 und 2) in der Aus­ führung 2) aufgenommen (Fig. 3; aufgetragen ist der Strom gegenüber der Nummer der Meßschicht). Es zeigen sich dabei scharfe Grenzen zwischen den beiden Materialien unterschiedlicher Leitfähigkeit. Eine elektrische Beeinflussung der Meßkreise unter­ einander erfolgt nicht, so daß eine tatsächliche Auflösung von 2 mm gewährleistet ist.

In einem weiteren Beispiel wurden die Leiterbahnmuster 10 gemäß Fig. 2 mit Silbersuspension auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Kalksandsteines (Material 2) aufgetragen. Zu verschiedenen Zeiten (t = 20 bis 420 min) nach der Beaufschlagung mit de­ stilliertem Wasser wurden die Stromprofile (Strom durch 2 mm-Schicht (µA); Quellenspannung 18 V) aufge­ nommen, die schematisch in Fig. 4 dargestellt sind. Die Schnittpunkte der Stromprofile mit dem Strom­ mittelwert des lufttrockenen Materials (Linie im schraffierten Bereich) markieren die Eindringtiefe (in mm) der Feuchtigkeitsfront.

In Fig. 5 sind die Fußpunkte der Stromprofile gemäß Fig. 4 in Abhängigkeit von nach der Beauf­ schlagung gegenüber der Tiefe der Feuchtefront in mm aufgetragen.

Wie nach den in der Bodenphysik üblichen Diffusions­ gleichungen zu erwarten, erfüllen die zu verschie­ denen Zeiten t gemessenen Eindringtiefen eine √ -Beziehung (D. R. Nielsen, R. D. Jckson, J. W. Cary, D. D. Evans (Edts.) Soil Water, Soil Science Society of America, Madison 1972).

Die Ausführung der Leiterbahnen 10 (Fig. 2) aus Ag-Suspension eignet sich insbesondere für feste Probekörper. Bei Einbau oder Einlagerung des so ent­ standenen Meßvolumens ist zwar dieser Teil als verlorener Teil der Meßeinrichtung zu betrachten, der allerdings in vorteilhafter Weise zu einem späteren Zeitpunkt im Hinblick auf Langzeitverände­ rungen des Materials an gleicher Stelle beliebig oft erneute Prüfung zuläßt.

Die Ausführung der Leitbahnen 10 aus leitfähiger Gummimischung eignet sich dahingegen sowohl für feste als auch pulverförmige Probematerialien.

Claims (7)

1. Verfahren zur einmaligen oder kontinuierlichen zerstörungs­ freien Bestimmung des Eindring- und Auslaugvorganges leitfähi­ ger Phasen in Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit des zu untersuchenden Materials (2) in dünnen übereinanderliegenden Schichten gemessen wird, daß hierzu ge­ trennte Spannungen an gegenüberliegenden, den Schichten paar­ weise zugeordneten Leiterbahnen (10) angelegt werden, so daß der jeweils zu messende Strom in getrennten Schichten durch das Material (2) fließt und eine Zunahme des Stromes in immer tie­ feren Schichten das Fortschreiten der Fronten der eindringenden Phase anzeigt.

2 Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung für die Undurchlässigkeitsprüfung von Beton gegenüber Wasser oder Salzlösung.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch auf zwei verschiedenen Oberflächen des Materials (2) in inniger Verbindung aufgebrachte parallele Streifen (10) konstanter Breite mit Kontaktstellen (7, 8) für das Anlegen der Spannungen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Streifen (10) aus einer Silber­ suspension bestehen, die auf das Material (2) auf­ getragen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Streifen (10) aus einer leit­ fähigen Gummimischung bestehen, die auf Isolator­ platten angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die an den Enden der Streifen (10) vorgesehenen Kontaktstellen (7) als Auflagepunkte für Kontaktfedern (8) dienen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfedern (8) an einem Isolator (9) befestigt sind.