Ultrasonic tomography for the characterization of the weathering state of marble

Menningen, Rahel Johanna

A systematic study about influencing parameters

dc.contributor.advisor	Siegesmund, Siegfried, Prof. Dr.
dc.contributor.author	Menningen, Rahel Johanna
dc.date.accessioned	2021-05-25T09:52:45Z
dc.date.available	2021-06-01T00:50:12Z
dc.date.issued	2021-05-25
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-5831-E
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8618
dc.language.iso	eng	de
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject.ddc	910	de
dc.subject.ddc	550	de
dc.title	Ultrasonic tomography for the characterization of the weathering state of marble	de
dc.title.alternative	A systematic study about influencing parameters	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.contributor.referee	Siegesmund, Siegfried, Prof. Dr.
dc.date.examination	2020-05-26
dc.description.abstractger	Die vorliegende Arbeit untersuchte die Anwendung von Ultraschalltomographie zur Evaluierung des Verwitterungszustandes unterschiedlicher Marmorvarietäten. Die Ultraschallanalyse ist eine zerstörungsfreie Untersuchungsmethode, die insbesondere in der Denkmalpflege häufig genutzt wird, um den Zustand wichtiger Monumente und Skulpturen aus Marmor zu bestimmen. Basierend auf diesen Messungen ist es neben der Transmissionsmessung auch möglich, bei verändertem Messablauf ein Tomogramm von Schnittflächen zu erstellen. Da die Ultraschalllaufgeschwindigkeit der P-Welle jedoch in großem Maße durch unterschiedliche extrinsische und intrinsische Einflüsse beeinflusst wird, welche insbesondere die Interpretation der Daten erheblich verändern kann, wurden in dieser Arbeit diese an Einflüsse an unterschiedlichen Marmorvarietäten bestimmt und quantifiziert. Hierzu wurden Varietäten von besonderer Bedeutung im Kontext der Denkmalpflege ausgewählt und anhand aller relevanter Gefügemerkmale und ihrer verwitterungssensiblen petrographischen Parameter im Hinblick auf ihre Richtungsabhängigkeit im bruchfrischen Zustand charakterisiert. Anhand einer systematischen künstlichen Verwitterung wurden die Varietäten des Estremoz, Blanco Macael, Carrara Gioia, Lasa, Großkunzendorfer und Wunsiedel Marmors stufenweise alteriert und die Änderungen der Eigenschaften ermittelt. Sämtliche Verwitterungsschritte wurden unter besonderem Augenmerk auf die Veränderung der Ultraschalllaufgeschwindigkeit im trockenen und wassergesättigten Zustand in Transmission und an Kugelproben im Hinblick auf die räumliche Änderung der Geschwindigkeitsverteilung untersucht. Ergänzend wurden Tomogramme an Marmorphantomen im bruchfrischen sowie alteriertem Zustand erzeugt, um die Ergebnisse unter definierten Bedingungen zu analysieren. Im Zuge von drei Messkampagnen konnten zusätzliche wertvolle Ergebnisse im Hinblick auf die Anwendung der Messung an natürlich verwitterten Objekten gewonnen werden. Grundsätzlich ist die intrinsische Geschwindigkeitsverteilung dominant im Hinblick auf die Ausbildung von Tomogrammen, hierbei muss die gesteinsspezifische Anisotropie der Laufgeschwindigkeit zwingend berücksichtigt werden. Veränderungen am Tomogramm sind auf extrinsische Einflüsse zurückzuführen, wobei die Auflösung dieser Einflüsse in Abhängigkeit zur gewählten Ultraschallfrequenz steht. Es wäre sinnvoll weiter Untersuchungen zu Tomogrammen in unterschiedlicher Raumlage zur Foliation durchzuführen, um eine Art Blaupause für die Auswertung der Tomogramme zu erstellen. Die verwitterten Proben wurden anschließend mit den Konservierungsmitteln KSE, KSE HV, Paraloid B72 und der Acrylharzvolltränkung (AVT) gefestigt, um die Veränderungen mittels Ultraschall zu bestimmen. Eine anschließende erneute thermische Belastung zeigte hierbei, dass außer Anwendung der AVT sämtliche Mittel eine starke Reduzierung der Laufgeschwindigkeiten zur Folge hatte und ihre Wirksamkeit somit fraglich ist. Hierbei konnte jedoch basierend auf den Ultraschallmessungen eine gute Planung möglicher weiterer Untersuchungen erfolgen. Grundsätzlich ist die Durchführung von Ultraschalltomographie ein wertvolles Mittel, um den Verwitterungsstand von Marmor zu definieren. Hierbei ist es wichtig die beeinflussenden Parameter zu kennen und in der Auswertung zu berücksichtigen. Neben den Gesteinskennwerten ist eine Kartierung der Schäden am vorliegenden Objekt ein wichtiges Hilfsmittel, um eine optimale Interpretation von Tomogrammen zu ermöglichen.	de
dc.description.abstracteng	The present thesis investigated the application of ultrasonic tomography to evaluate the weathering condition of different marble varieties. Ultrasound analysis is a non-destructive examination method which is often used in the field of monument conservation to determine the condition of important monuments and sculptures made of marble. Based on these measurements, it is possible not only to measure in transmission but also to generate a tomogram of planes when the measuring procedure is changed. However, since the ultrasonic velocity of the P-wave is influenced to a large extent by various extrinsic and intrinsic influences, which can significantly change the interpretation of the data, these influences were determined and quantified in this work on different marble varieties. For this purpose, varieties of particular importance in the context of monument conservation were selected and characterised on the basis of all relevant structural features and their weathering-sensitive petrographic parameters with regard to their directional dependence in the unweathered state. By means of systematic artificial weathering, the varieties of Estremoz, Blanco Macael, Carrara Gioia, Lasa, Großkunzendorf and Wun-siedel marble were gradually alterated and the changes in rock properties were determined. All weathering steps were investigated with special attention to the change of the ultrasonic wave velocity in dry and water saturated conditions in transmission and on spherical samples with regard to the spatial change of the velocity distribution. In addition, tomograms were generated on marble phantoms in both unweathered and alterated state to analyse the results under defined conditions. In the course of three measurement campaigns additional valuable results could be obtained with regard to the application of the measurement on naturally weathered objects. Basically, the intrinsic velocity distribution is dominant with regard to the formation of tomograms. Here, the rock-specific anisotropy of the wave velocity must be taken into account. Changes in the tomogram are due to extrinsic influences, whereby the resolution of these influences depends on the selected ultrasonic frequency. It would be useful to carry out further investigations on tomograms in different spatial positions with regard to the foliation in order to create a kind of blueprint for the evaluation of the tomograms. The weathered samples were then consolidated with the consolidation materials KSE, KSE HV, Paraloid B72 and the acrylic total impregnation (ATI) in order to determine the changes, ultrasonic investigations were performed. A subsequent additional thermal load showed that, apart from the application of the ATI, all consolidation agents resulted in a strong reduction of the velocity and their effectiveness is therefore questionable. Based on the ultrasound measurements, however, it was possible to plan possible fur-ther investigations. Basically, the performance of ultrasonic tomography is a valuable tool to define the weathering status of marble. It is important to know the influencing parameters and to consider them for the evaluation and interpretation. In addition to the rock properties, a mapping of decay for the object in question is an important tool for the optimal interpretation of tomograms.	de
dc.contributor.coReferee	Snethlage, Rolf, Prof. Dr.
dc.subject.ger	Ultrasonic tomography	de
dc.subject.ger	marble decay	de
dc.subject.ger	thermal expansion	de
dc.subject.ger	Consolidation	de
dc.subject.ger	rock properties	de
dc.subject.ger	artificial alteration	de
dc.subject.ger	Anisotropy	de
dc.subject.ger	marble	de
dc.subject.eng	Ultrasonic tomography	de
dc.subject.eng	marble decay	de
dc.subject.eng	thermal expansion	de
dc.subject.eng	Consolidation	de
dc.subject.eng	rock properties	de
dc.subject.eng	artificial alteration	de
dc.subject.eng	Anisotropy	de
dc.subject.eng	marble	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-5831-E-7
dc.affiliation.institute	Fakultät für Geowissenschaften und Geographie	de
dc.subject.gokfull	Geologische Wissenschaften (PPN62504584X)	de
dc.description.embargoed	2021-06-01
dc.identifier.ppn	1758732946

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Fakultät für Geowissenschaften und Geographie (inkl. GAUSS) [342]

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