Original paper

Die Schadensanalyse von Naturwerksteinen mittels Ultraschalldiagnostik: Möglichkeiten und Grenzen

[Structural damage evaluation of natural building stones: Potential and limitations of ultrasonic diagnostics.]

Dürrast, Helmut; Siegesmund, Siegfried; Prasad, Manika

Kurzfassung

Seit über 10 Jahren werden für die Schadensanalyse von kulturhistorisch wertvollen Gebäudeteilen und Kunstwerken Ultraschallmessungen als Untersuchungsmethode eingesetzt. Dabei wird versucht die Kompressions- bzw. P-Wellengeschwindigkeiten (Vp) mit dem Verwitterungszustand der Naturwerksteine, also im wesentlichen einer Porositätszunahme durch Gefügeauflockerung. zu korrelieren, um so Hinweise auf Verwitterungsschäden zu bekommen. Auf der Basis daraus abgeleiteter Vp-Schadenstypen-Klassifikationen werden dann Sanierungskonzepte erstellt. Der Vorteil dieser indirekten Methode liegt in der zerstörungsfreien Anwendung. Anhand von drei dolomitischen Karbonatproben mit einem Porositätsspektrum von 5% bis 16% sollen Vp-Schadenstypen-Klassifikationen für Marmor, als ein sehr wichtiger Naturwerkstein für Bau- und Kunstwerke, mit bestehenden Vp-Porositäts-Modellen überprüft werden. Für diese Proben wurden detaillierte petrographische und gefügekundliche Untersuchungen, sowie eine Vielzahl petrophysikalischer Messungen durchgeführt, u.a. Dichte (ro), Porosität (Fi), und vollständige Verteilung der P-Wellengeschwindigkeiten. Dadurch konnten die Anisotropien der gesteinsphysikalischen Parameter eindeutig mit den Gefügeanisotropien der einzelnen Proben korreliert werden. Ein Vergleich der Meßdaten mit bestehenden Vp-FI-Modellen für Sedimentgesteine zeigt, daß eine Abnahme der Ultraschallgeschwindigkeiten alleine durch eine Zunahme der Porosität, also ohne das Gesteinsgefüge, nicht zu erklären ist. Somit gilt es die heute angewendeten einfachen Vp-FI-Korrelationen und die daraus abgeleiteten Schadensanalysen für Denkmalgesteine kritisch zu überdenken.

Abstract

Recently, ultrasonic measurements are gaining importance as non-destructive tools for evaluating structural damage on historical landmark buildings and artworks. In these methods. P-wave velocity (Vp) measurements are correlated with porosity increase due to fabric damages in the stone. Such correlations provide us with a method of measuring of the degree of structural damage due to erosion using indirect measurements. Damage prevention and repair planning are made on the basis of such a Vp-structural damage classification. A major advantage of this technique lies in its non-destructive nature. We have tested the existing Vp-structural damage classification system using three dolomitic samples with porosities ranging between 5 and 16%. The samples were chosen as analogy to marble. which is one of the most important natural building stones. These measurements were used to evaluate the Vp-structural damage classification system for marble and to compare the Vp-structural damage classification with existing Vp-porosity models. Detailed petrographic and fabric analyses as well as petrophysical measurements such as density (ro), porosity (FI), and the complete VP-distribution were made. Using these detailed measurements, we could correlate the Vp-anisotropy with the anisotropy of the rock fabric elements in each sample. A comparison between our measurements and existing Vp-FI models shows that a decrease in velocity cannot he explained only on the basis of porosity increase, without accounting for the change in the rock fabric due to erosion. Our studies show that the currently used simple Vp-FI transforms and the associated damage classifications need to he improved to include fabric and mineralogical changes which often accompany structural damage.

Keywords

building stoneultrasonic methodpetrophysicswave velocityporositydamage evaluation. weatheringcarbonate rock.