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Viöl, Wolfgang; Krügener, Kirsti:

Modellhafte Entwicklung und Anwendung eines innovativen Systems zur berührungs- und zerstörungsfreien Schadensanalyse von umweltgeschädigten Steinobjekten unter Einsatz der Terahertz (THz)-Strahlung

13.12.2011 to 28.02.2014

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Umweltbedingte Schäden an Natursteinobjekten, wie Schalenbildung, Hohlräume oder feine Rissbildung, sind äußerlich meist nicht sichtbar. Klimaschwankungen, wie Temperatur-, Feuchte- und Frost-Tau- Wechsel, können insbesondere in Verbindung mit Schadstoffemissionen zu irreversiblen Schäden bis hin zum Totalverlust von denkmalgeschützter Originalsubstanz führen. Die Voraussetzung der Langzeiterhaltung ist es daher, präventive Maßnahmen durch genau Analysen des Natursteingefüges festlegen zu können und somit die Objekte vor der irreversiblen Zerstörung der Originalsubstanz unterhalb der Oberfläche in ihrer Gesamtheit zu bewahren.
Im Rahmen des Modellprojekts wurde deshalb die Potenziale der Terahertz-Zeitbereichspektroskopie (THz-TDS) als neuartige Messtechnik zur tiefenaufgelösten Schadensdiagnostik in Gesteinsobjekten für die Denkmalpflege erforscht. Ziel war es, mittels dieses zerstörungsfreien und berührungslosen Verfahrens die Bewahrung denkmalgeschützten Kulturguts aus Naturstein zu ermöglichen.
Im Vordergrund stand besonders zeitsparend, (ressourcenschonend) und in bildgebender Weise zu arbeiten. THz-TDS wurde dabei zur exakten Identifikation und Lokalisierung von Schadensbildern wie Schalenbildung, Glasurablösungen, Hohlraumdetektion sowie zur Analyse der Zusammensetzung von Materialverbindungen eingesetzt. Dies wurde als Grundlage, dafür gesehen einen, auf klimatische Einflüsse abgestimmten Maßnahmenkatalog insbesondere für die präventive Konservierung in der Tiefe zerstörter Natursteinobjekte und glasierter Terrakotten erstellen zu können.
Darüber hinaus wurde THz-TDS eingesetzt, um die angewendeten Maßnahmen zu bewerten, z. B. die Kontrolle der Eindringtiefe von Konservierungsmitteln, und die Anbindung von Hinterfüllmaterialien an ausgewählten Natursteinen.





Dieses Projekt wurde gefördert durch
die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)
AZ 29379/01

 
Table of contents

1. Einleitung [7]

2. Zusammenfassung der Projektphasen [8]

3. Objektauswahl: Bestandserfassung und Zustandsbeschreibung [9]
3.1 Objekte des Niedersächsischen Landesmuseum [9]
3.2 Objekte des Niedersächsischen Landesamt für Denkmalpflege [11

4. Identifikation relevanter Kenndaten für die THz-Analyse [Materialdatenbank] [12]
4.1 Auswertung des Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten für THz [13]
4.1.1 Materialauswahl und Herstellung der Prüfkörper [13]
4.2 Materialauswahl Gestein [14]
4.2.1 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten/Gestein [16]
4.3 Materialauswahl Hinterfüllmörtel [17]
4.3.1 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionsk./Hinterfüllmörtel [18]
4.4 Materialauswahl Festigungsmittel [20]
4.4.1 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten/Festiger [21]
4.5 Materialauswahl von Terrakotta und Glasur [22]
4.5.1 Materialzusammensetzung und Aufbau der glasierten Terrakotten [22]
4.5.2 Auswertung des THz relevanten Brechungsindex und Absorptionsk./Glasur und Terrakotta [23]
4.6 Zusammenfassung der THz-Messergebnisse [24]
4.7 Kenndatenermittlung der Gesteine und Hinterfüllmörtel in Ultraschall [24]
4.7.1 Prüfkörperkonfiguration und Voruntersuchung [24]

5. Hohlraummessung mit zeitaufgelöster THz-Spektroskopie (THz-TDS] an Naturstein im Laboraufbau [26]]
5.1 Prüfkörperkonfigurationen mit planer Oberfläche [26]
5.1.1 Darstellung der Messergebnisse THz-TDS/Obernkirchener Sandstein [27]
5.1.2 Darstellung der Messergebnisse THz-TDS/Weiberner Tuff [28]
5.1.3 Beurteilung der Messergebnisse [28]

6. Identifikation von Materialübergängen an Naturstein mittels THz-TDS und Ultraschall [29]
6.1 Identifikation der Grenzschicht zwischen Hinterfüllmörtel und Naturstein (THz-TDS) [29]
6.1.1 Prüfkörperkonfiguration [29]
6.1.2 Darstellung der Messergebnisse THz-TDS/Hinterfüllmörtel KSE 500 STE [30]
6.1.3 Beurteilung der Messergebnisse/Identifikation Hinterfüllmörtel [31]
6.1.4 THz-TDS Kontrollmessungen am Beispiel von Kirchheimer Muschelkalk [31]
6.1.5 Beurteilung der Messergebnisse der Kontrollmessung [33]
6.2 Identifikation der Grenzschicht zwischen Hinterfüllmörtel und Gestein (Ultraschall) [33]
6.2.1 Prüfkörperkonfiguration [34]
6.2.2 Darstellung und Beurteilung der Messergebnisse Ultraschall [34]
6.3 Ermittlung zur Eindringtiefe von Festiger mittels THz-TDS [36]
6.3.1 Prüfkörperkonfiguration [36]
6.3.2 Beurteilung zur Ermittlung der Eindringtiefe von Festiger mittels THz-TDS [36]

7. THz-TDS Messung an glasierten Terrakottaprüfkörpern [38]
7.1 Prüfkörperkonfiguration (TER5; TER6) [38]
7.1.1 Darstellung der Messergebnisse/Terrakotta mit planer Glasurfläche [39]
7.1.2 Beurteilung der Messergebnisse [40]
7.2 Darstellung und Beurteilung der Messergebnisse/Terrakotta mit unregelmäßiger Glasurablösung [40]

8. Bildgebende Detektion von Hohlräumen an Prüfk. im Laboraufbau (THz-Reflexions-Image-Messung) [43]
8.1 Bildgebende Detektion von Hohlräumen an Gesteinsprüfkörpern [44]
8.1.1 Prüfkörperkonfiguration Gestein [44]
8.1.2 Messung und Auswertung der THz-Reflexions-Image-Messung/Gestein [44]
8.1.3 Bewertung der Messergebnisse THz-Reflexions-Image-Messung/Gestein [45]
8.2 Bildgebende Detektion von Glasurablösungen an Terrakotta [45]
8.2.1 Messung und Auswertung der THz-Reflexions-Image-Messung/Terrakotta [46]
8.2.2 Bewertung der Messergebnisse THz-Reflexions-Image-Messung /Glasur [46]

9. Objektmessung mit mobilem THz-System [46]
9.1 Hohlraumdetektion an den Grotesken Natursteinreliefs des NLM [46]
9.1.1 Darstellung der Messergebnisse (THz-Reflexionspunktmessung) [48]
9.1.2 Bewertung der Messergebnisse (THz-Reflexionspunktmessung) [51]
9.2 Detektion von Hohlräumen und Materialübergängen mit THz-Reflexionsmessung und THz-Imagemessung an bewittertem Gestein/Kordeler Sandstein [52]
9.2.1 Darstellung zur Identifikation der Grenzschicht zwischen Injektionsmörtel und bewittertem Gestein/ (THz-TDS) [54]
9.2.2 Bewertung der THz-Reflexionsmessungen an Kordeler Sandstein [53]
9.2.3 Darstellung und Bewertung der THz-Imagemessung an Kordeler Sandstein [54]
9.3 Detektion der Glasurablösung am Terrakottamedallion des NLD [55]
9.3.1 Darstellung und Bewertung der Messergebnisse (THz-Reflexionspunktmessung) [55]
9.3.2 CT-Analyse des Terrakottamedallion [56]

10. Untersuchung zum Einfluss materialspezifischer Störungseigenschaften in der THz-Analyse [58]
10.1 Grenzwertermittlung der zulässigen Materialfeuchte für THz-Analysen [58]
10.1.1 Messaufbau und Messablauf [58]
10.1.2 Darstellung der Messergebnisse am Beispiel Baumberger Sandstein [59]
10.2 Darstellung zum Einfluss der Oberflächenrauigkeit für THz-Analysen von Gestein [61]
10.2.1 Messaufbau und Messablauf [62]
10.2.2 Darstellung und Beurteilung der Messergebnisse zum Einfluss der Oberflächenrauigkeit [63]

11. Fazit [64]

12. Literaturverzeichnis [66]

13. Anhang [68]

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10.5165/hawk-hhg/222