Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Der Schlussbericht zum Projekt "Messung von Temperaturunterschieden an Betonbrücken" beendet eine Reihe von bisher vier Berichten über die Belastung von Betonbrücken unterschiedlicher Querschnitte durch Wärmeeinwirkungen. Untersucht wurden Belastungen durch klimatische Einflüsse und durch Wärmeeinleitung beim Einbau bituminöser Fahrbahnbeläge. Der Bericht erläutert die Ermittlung repräsentativer Bauwerkstemperaturen zur vereinfachten Erfassung verformungswirksamer Temperaturen bei Bauwerksprüfungen. Es werden Möglichkeiten für die Wahl von Ersatzmessstellen aufgezeigt und Ansätze für die Gewichtung der Messwerte vorgeschlagen. Die statistische Auswertung von Langzeitmessungen an sieben Bauwerken führt zu dem Ergebnis, dass längsdehnungswirksame Bauteiltemperaturen mit einfachen Messmitteln bei akzeptabler Bestimmungsgenauigkeit erfasst werden können. Eine Vereinfachung der Erfassung von Temperaturunterschieden an Bauwerksteilen erweist sich als teilweise problematisch. Weiterhin behandelt der Bericht die Ermittlung statistisch abgesicherter Temperaturgrenzwerte an Brückenüberbauten als Beitrag zu der Diskussion über die Bemessung von Brückenlagern. Im Vordergrund steht die Ableitung einer Extremwertprognose für das Gebiet der Bundesrepublik Deutschland aus den Ergebnissen von Langzeitmessungen an mehreren Brückenbauwerken und aus Sammlungen statistischer Daten des Deutschen Wetterdienstes.
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Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Qualitätsunterschiede von marktgängigen Hydrophobierungsmitteln sowie deren Dauerhaftigkeit im Hinblick auf die wasserabweisende Wirkung untersucht. Um die formulierte Zielsetzung zu erfüllen, wurden Betonplatten mit 14 verschiedenen Hydrophobierungsmitteln nach einer festgelegten Applikationsmethode behandelt. Anschließend wurden die hydrophobierten Platten für eine Dauer von 5 Jahren der freien Witterung ausgesetzt. Die erste Messung fand jeweils 28 Tage nach der Behandlung mit einem Hydrophobierungsmittel statt. Danach wurden die Messungen alle 6 Monate wiederholt. Mit den Messungen wurde im November 1989 begonnen. Sie wurden im Frühjahr 1995 abgeschlossen. Es wurden insgesamt 3 Versuchsreihen durchgeführt, die sich voneinander entweder durch verschiedene Feuchtegehalte der zu hydrophobierenden Betonplatten (3,5 Gewichtsprozent in Versuchsreihe 1 und 3 beziehungsweise 4,5 Gewichtsprozent in Versuchsreihe 2) oder aber durch die verschiedenen Hersteller (extern - Versuchsreihe 1 und 2, BASt - Versuchsreihe 3) unterscheiden. Eine ausreichende Hydrophobierungsqualität der Betonplatten der Versuchsreihe 1 wurde nur mit 2 Produkten erreicht. Die Hydrophobierungsqualität bleibt bei diesen Produkten über 5 Jahre nahezu unverändert. In der Versuchsreihe 2 konnte mit keinem der 13 Hydrophobierungsprodukte eine ausreichende Qualität erreicht werden. Eine erneute Hydrophobierung nach 2-monatiger Austrocknungszeit der Betonplatten führte dazu, dass mit 7 Produkten eine ausreichende Hydrophobierungsqualität erreicht werden konnte. Die Qualität bleibt jedoch nur für 5 Produkte über die Versuchsdauer von 4 Jahren unverändert. In 3 Fällen wurde mit allen 5 Produkten eine sehr gute Hydrophobierungsqualitaet erzielt, die über eine Versuchsdauer von 4,5 Jahren nahezu konstant blieb.
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Die Fahrbahnbreite der Rodenkirchener Rheinbrücke (Hängebrücke) wurde durch Hinzufügen einer dritten Tragseilebene verdoppelt. Diese Baumaßnahme bot die Gelegenheit, messtechnische Kontrollen durchzuführen und insbesondere die Bauteiltemperaturen zu erfassen. Der Bauablauf umfasste mehrere Besonderheiten: So war die Gradiente des neuen Bauwerkteiles an die vorhandene anzupassen, die abgängige Betonfahrbahnplatte wurde durch eine Stahlleichtfahrbahn ersetzt, womit gleichzeitig Gewicht gespart wurde, durch Ablassen und Anspannen does neuen Tragkabels wurden Lasten umgelagert. Diese Leistungen setzen erhöhte Genauigkeitsanforderungen bei der Prüfung der Bauwerksgeometrie voraus. Die Bundesanstalt für Straßenwesen hat während der Bauarbeiten mit einer am Bauwerk installierten Messanlage kontinuierlich die Temperaturen der Hauptbauteile (Tragkabel, Hänger, Pylon, Hauptträger) registriert. In der vorliegenden Auswertung werden die Temperaturverläufe, die sich bei charakterischen Witterungskonstellationen in den Bauteilen ergaben, dargestellt. Die während des Messzeitraumes festgestellten Extremwerte der Bauteiltemperaturen werden angegeben und die Auswirkungen von Temperaturveränderungen auf die Bauwerksverformung exemplarisch aufgezeigt. Damit werden Anhaltspunkte und Empfehlungen für ähnliche Bauvorhaben gegeben.
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Erfahrungen mit Instandsetzungsmaßnahmen an Betonbauwerken aus der Vergangenheit haben deutlich gemacht, dass frühzeitiges Erkennen und Beseitigen von Betonschäden ganz wesentlich zur Kostenreduzierung beitragen können. Die auslösende Anregung zur Entwicklung des Bohrverfahrens resultierte daraus, dass es bisher kein baustellengerechtes und zerstörungsarmes Verfahren zur gemeinsamen Untersuchung der Karbonatisierungstiefe und des Chloridgehaltes gab. Ziel des Projektes war, ein solches Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe durch vergleichende Beurteilung der Bausubstanz eine Dringlichkeitsreihung möglich wird, mit der die verfügbaren Geldmittel für Erhaltungsmaßnahmen gezielter und wirkungsvoller einzusetzen sind.Das transportable und mobil einzusetzende Bohrverfahren erlaubt, unmittelbar aus dem beim Bohren entstehenden Bohrmehl Konzentrationsänderungen in der Bohrflüssigkeit zu bestimmen. Die Konzentrationsbestimmung kann direkt der Bohrtiefe zugeordnet werden. Derzeit können die für die oberflächennahe Betonsituation wichtigen Parameter pH-Wert und Chloridgehalt in den jeweiligen Tiefenhorizonten unmittelbar bestimmt werden. Anhand der unmittelbar nach der Messung ausgegebenen Messprotokolle kann kurzfristig entschieden werden, ob gegebenenfalls in kritischen Bereichen zur statistischen Untermauerung der Stichprobenerhebungen weitere Bohrungen erforderlich sind. Hierbei wird ein im Durchmesser etwa 18 mm großes und rund 50 mm tiefes Bohrloch erbohrt, so dass man von einem zerstörungsarmen Verfahren sprechen kann. Die Bestimmung der beiden Werte wird am Aufschluss des Bohrmehls aus dem gleichen Bohrloch vorgenommen. Die Bohreinrichtung besteht aus Elementen, die ein kontinuierliches und schlagfreies Bohren in beliebig gerichtete Betonbauteile ermöglichen. Dabei transportiert eine Messlösung das Bohrmehl in einem geschlossenen Kreislauf. Mit Hilfe spezieller Elektroden werden die Alkalität und der Chloridgehalt gemessen. Die Messwerte werden elektrisch umgesetzt, digitalisiert, gespeichert und mittels eines DV-Programmes so bearbeitet, dass eine Darstellung des pH-Wertes sowie des Chloridgehaltes jeweils in Abhängigkeit von der Bohrtiefe nach dem Beenden der Bohrung in Form entsprechender Messkurven erfolgen kann.
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In der Bundesanstalt für Straßenwesen war ein Meßverfahren für Betonoberflächen entwickelt worden, dessen Anwendung zur Prüfung von Beschichtungen auf metallischen Untergründen ebenfalls möglich erscheint. Da es sich hier um einen neuen Einsatzbereich handelt, waren jedoch zur Abschätzung der Anwendung für eine Bewertung von Beschichtungen auf metallischen Untergründen grundlegende, systematische Untersuchungen notwendig. Das Meßverfahren beruht auf dem Prinzip der Leitung des elektrischen Stromes in Elektrolytlösungen. Die Meßwerte sind proportional zu den Fehlstellen, beziehungsweise Strompfaden in einer Beschichtung. Das Meßverfahren kann als zerstörungsarm eingestuft werden. Als Beschichtungssysteme wurden Beschichtungen mit den Bindemitteln: Polyvinylchlorid (PVC), 2-Komponenten-Epoxidharz/Polyurethan (EP/PUR) und 1-Komponenten-Polyurethan (1 K PUR) für die Versuche ausgewählt. Als künstliche Belastung dieser Beschichtungen wurde die Salzsprühnebelbelastung nach DIN 50021-SS angewandt. Das untersuchte Meßverfahren ist nach den Ergebnissen der Laboruntersuchungen als brauchbar für die Bewertung von Beschichtungen, insbesondere von Altbeschichtungen einzuschätzen. Die Meßergebnisse sind wiederholbar. Die Zusammenhänge zwischen dem Meßwert und der Schichtdicke, beziehungsweise der Belastungsdauer sind plausibel. Die ermittelten Kurven, die den Zusammenhang zwischen den Meßwerten und der Schichtdicke der Beschichtung darstellen, haben die Form einer "Treppenfunktion". Die Meßwerte können in drei Kategorien eingestuft werden: niedrige, hohe und unzulässige Meßwerte. Die niedrigen Meßwerte sind Indiz für eine funktionsfähige Beschichtung. Darüber hinausgehende hohe Meßwerte sind als Warnsignal zu verstehen, um möglicherweise eine Instandsetzungsmaßnahme zu veranlassen. Bei Überschreitung des Meßbereiches (unzulässige Meßwerte) ist mit ungehindertem Elektrolytlösungsfluß zum Untergrund und einer baldigen Durch- beziehungsweise Unterrostung zu rechnen. Wie weit diese Ergebnisse auf die Praxis zu übertragen sind, ist in einem Folgeprojekt an Bauwerken mit unterschiedlichem Zustand und Alter der Beschichtungen noch zu untersuchen.
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Gemäß den "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl" (ZTV-BEL-ST 92) müssen Abdichtsysteme einer Grundprüfung unterzogen werden. Den Kernpunkt dieser Grundprüfung stellt die in den "Technischen Prüfvorschriften für die Prüfung der Dichtungsschichten und der Abdichtungssysteme für Brückenbeläge auf Stahl" (TP-BEL-ST) geregelte Dauerschwellbiegeprüfung dar. Diese Dauerschwellbiegeprüfung soll im Zuge der Überarbeitung des Merkblattes für reaktionsharzgebundene Dünnbeläge auf Stahl zu den "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von reaktionsharzgebundenen Dünnbelägen auf Stahl" (ZTV-RHD-ST) auch für diese Beläge eingeführt werden. Hierzu war es notwendig, ein praxisnahes und belagunabhängiges Belastungskollektiv für die Dauerschwellbiegeprüfung zu ermitteln. In der Vergangenheit wurde diese Dauerschwellbiegeprüfung mit einer dynamischen Einstufenbelastung durchgeführt, welche die tatsächliche Beanspruchung eines Belages nicht ausreichend darstellt. Im Rahmen der Untersuchungen an der orthotropen Platte der Rheinbrücke Emscher-Schnellweg im Zuge der BAB A 42 wurde ein praxisnahes, aus umfangreichen Messungen der tatsächlichen Verformungen einer orthotropen Fahrbahnplatte unter Verkehr abgeleitetes Mehrstufenkollektiv zur Modifikation der Dauerschwellbiegeprüfung erarbeitet.
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Die Untersuchungen an einer Auswahl von insgesamt 16 Hydrophobierungsmitteln zeigen, dass diese Produkte inzwischen eine hohe Qualität erreicht haben. Wenn diese Mittel regelwerksgerecht von geschultem Personal eingesetzt werden, lassen sich damit eine hohe Ausführungsqualität erzielen und Betonbauteile gegen eindringendes Wasser und darin gelöste Chloride erfolgreich schützen. Nach einer Versuchsdauer von 4 Jahren lassen die Messwert-Zeit-Kurven den Schluss zu, dass eine wesentlich höhere Dauerhaftigkeit als bei den früheren Produkten zu erwarten ist. Aufgrund ihrer hohen Konsistenz eignen sich die pastösen Produkte insbesondere für geneigte und senkrechte Flächen besser als die dünnflüssigen Mittel. Durch den relativ hohen Wirkstoffanteil und die Zusammensetzung sowie durch die größere Kontaktzeit der pastösen Produkte an der Bauteiloberfläche ist weitestgehend zielsicher eine hohe Qualität erreichbar. Auch mit den übrigen Mitteln mit gleich hohen Wirkstoffgehalten kann eine solche Qualität erzielt werden, wenn sie unter den richtigen Applikationsbedingungen eingesetzt werden und das ausführende Personal im Umgang mit Hydrophobierungen erfahren ist. Zu Beginn einer Applikation und während der Folgemessungen wurde immer auch die Feuchtigkeit des Betons im oberflächennahen Bereich des Betons mit einem elektrischen Feuchtemessgerät ermittelt. In den Untersuchungen konnte belegt werden, dass eine deutliche Abhängigkeit der Hydrophobierungsqualität von der Feuchte während der Applikation und ebenso eine deutliche Abhängigkeit der Messwerte von der Feuchte während der Messung besteht. Mit sinkender Applikationsfeuchte nimmt die Hydrophobierungsqualität zu. Andererseits steigen mit steigender Messfeuchte die Hydrophobierungs-Messwerte, und die Hydrophobierungsqualität nimmt scheinbar ab. Tatsächlich misst man jedoch unter gleichen Feuchtebedingungen auch gleich hohe Qualitäten. Die anlässlich der umfangreichen Untersuchungen und insbesondere in der Praxis gesammelten Erfahrungen bei den Frühjahrs- und Herbstmessungen haben erbracht, dass die Applikationsfeuchte bei höchstens 3 M-% und die Messfeuchte zwischen 1,5 M-% und 3 M-% - jeweils gemessen mit dem elektrischen Feuchtemessgerät - liegen sollten. Eine der Voraussetzungen für die Verwendbarkeit eines Produkts als Feuchteschutz einer Betonoberfläche ist, dass es zugelassen ist. Eine hohe Ausführungsqualität setzt darüber hinaus auch den regelwerksgerechten Einsatz der Produkte sowie einen qualifizierten Umgang damit voraus. Es müssen Probeflächen angelegt werden, und letztendlich darf auf einen Qualitätsnachweis im Rahmen der Eigenüberwachung mit dem vorgeschriebenen Messverfahren nicht verzichtet werden. Der Originalbericht enthält als Anhänge eine Darstellung der umfangreichen Messergebnisse in Form von Messwert-Zeit-Kurven, Balkendiagrammen und Tabellen, die die Aussagen des Berichtes ergänzen. Auf die Wiedergabe dieser Anhänge wurde in der vorliegenden Veröffentlichung verzichtet. Sie liegen bei der Bundesanstalt für Straßenwesen vor und sind dort einsehbar. Verweise auf die Anhänge im Berichtstext wurden zur Information des Lesers beibehalten.
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Durch die Anwendung bildgebender zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfPBau-Verfahren) an Ingenieurbauwerken ist es möglich, visuell nicht erkennbare Konstruktionselemente zu lokalisieren sowie den Zustand im Inneren der Bauteile zu erkunden. Der Entwicklungsstand und die Leistungsfähigkeit der von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung angewendeten Radar-, Impact-Echo- und Ultraschallecho-Verfahren werden im vorliegenden Forschungsvorhaben "Scannende Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Brückenbauwerken" aufgezeigt. Die zerstörungsfreien Prüfverfahren wurden dazu an einer Hohlkastenbrücke bei Eichenzell, deren Überbau Spannglieder mit nachträglichem Verbund für die Längs- und Quervorspannung enthält, im August und November 2003 angewendet. Aufgabe war es, die Spannglieder und die schlaffe Bewehrung zu orten. Mit dem Impact-Echo- und dem Ultraschallecho-Verfahren sollten gegebenenfalls vorhandene Verpressfehler in den Spannkanälen und unzureichend verdichtete Bereiche im Beton detektiert werden. Für die Strukturuntersuchungen am Bauwerk wurden erstmals alle drei Verfahren - Radar, Impact-Echo und Ultraschallecho - auf großen Bauwerksflächen eingesetzt. Realisiert werden konnten die Messungen durch den Einsatz von rechnergesteuerten Messabtastern (Scannern). Mit einem großen modularen Scanner war es möglich, an der Unter- und Oberseite der Fahrbahnplatte Messflächen bis zu 4 m x 10 m zu untersuchen. Für Ultraschallecho-Messungen an einem Steg im Hohlkasteninneren wurde ein kleiner flexibler Scanner genutzt. Durch die Automatisierung konnten die Bauteile schneller und genauer bei gleichzeitig reduziertem Zeit- und Personalaufwand als bisher untersucht werden. Die mit jedem Verfahren aufgenommenen Daten wurden zu reproduzierbaren 3D-Datensätzen zusammengefügt. Mittels bildgebender Bearbeitungsprogramme konnten Reflektoren und Streuer im untersuchten Bauteilvolumen dargestellt und Rückschlüsse auf die innere Struktur abgeleitet werden. Die Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung wurden durch zerstörende Untersuchungen verifiziert.
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Um das oft komplexe Zusammenwirken von einzelnen betriebstechnischen Einrichtungen zur Detektion von Brandereignissen und Steuerung der Lüftung sowie den übrigen sicherheitstechnischen Systemen überprüfen zu können, werden nach ZTV-ING im Rahmen der Abnahme Funktionsprüfungen gefordert, indem Brände simuliert und die zu prüfenden Größen messtechnisch erfasst werden. Reale Brandversuche in Straßentunnel sind jedoch unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit und des notwendigen technischen Aufwandes zur Erfassung der interessierenden Branddaten und zum Schutz der betriebstechnischen Einrichtungen sowie des Bauwerkes in der Anzahl der Szenarien wie in der Energiefreisetzung begrenzt. Die unter vertretbarem Aufwand erreichbare Brandleistung beträgt zirka 5 MW. Um dennoch Aussagen über das Verhalten des Systems bei höheren Brandleistungen und unterschiedlichen, realen Randbedingungen (Brandorte, Verkehrsbelegung, Windverhältnisse und so weiter.) zu erhalten, sollten Simulationsrechnungen durchgeführt werden können. Diese erlauben eine sehr flexible Modellierung des Tunnels und die Ermittlung sämtlicher relevanter Größen an beliebigen Punkten im Untersuchungsgebiet. Da die Randbedingungen sehr tunnelspezifisch sein können, sind zur Kalibrierung entsprechender Rechenprogramme Eingangswerte aus standardisierten Brandversuchen hilfreich. Ziel der Untersuchung war es daher, mit Hilfe eines geeigneten Rechenprogramms Anforderungen an einen Brandversuch hinsichtlich der notwendigen Daten zur Funktionsüberprüfung und zur Brandhochrechnung zu definieren. Zur Durchführung der Simulationsrechnungen wurde der "Fire Dynamics Simulator" (FDS) verwendet, der über das National Institute of Standards and Technology als 0pen Source-Rechenprogramm erhältlich ist. Grundlage des Rechenprogramms bilden die Gleichungen für die Massen-, Impuls-, Energie- und Stofferhaltung, die im 3-dimensionalen Raum numerisch gelöst werden und als Ergebnis Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfelder bereitstellen. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden verschiedene Versuchsreihen des Memorial-Tunnel-Fire-Ventilation-Test-Program (MTFVTP) zur Verifizierung der Rechenergebnisse herangezogen. Die vergleichende Gegenüberstellung der einen Brand charakterisierenden Größen Geschwindigkeit und Temperatur ergaben eine überwiegend gute Übereinstimmung der Messwerte aus den Brandversuchen mit den Simulationsergebnissen. Basierend auf den Berechnungen zu den Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilungen wurden schließlich unter den Aspekten der Funktionsüberprüfung der betriebstechnischen Einrichtungen und der Erfassung von Eingangsgrößen für Simulationsrechnungen Anforderungen zur Versuchsanordnung, Branddauer, Brandgut und Erfassung der relevanten Messgrößen im Längs- und Querschnitt sowie Anforderungen zu Schutzvorkehrungen abgeleitet. Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Definition "eines" Standardbrandversuchs nicht zweckmäßig ist, da die Zielsetzungen sich zu sehr unterscheiden. Dagegen konnten konkrete Grundlagen und Empfehlungen zur Festlegung standardisierter Brandversuche für die gemäß RABT und ZTV-ING vorgesehenen Funktionstests erarbeitet werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass das für die Simulationsrechnungen verwendete Programm FDS derzeit ein adäquates Instrument bildet, nicht nur bezüglich der Simulation von Tunnelbränden unter realen Gegebenheiten und der resultierenden Strömungs- und Temperaturverhältnissen sowie Rauchkonzentrationen, sondern auch in Bezug auf die benötigte Rechner- und Speicherkapazität.
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Zur Zustandsbeurteilung von Brückenfahrbahnplatten ist es wichtig, die Feuchte und den Salzgehalt des bewehrten Betons zu kennen. Üblicherweise wird die Versalzung mittels Potenzialmessung bestimmt und durch Laboranalyse von Proben verifiziert. Diese Methode erfordert aber das Entfernen des Fahrbahnbelags. Um eine zerstörungsfreie Bestimmung des Betonzustandes und des Salzgehaltes des Betons mit einem fahrzeugbasierten Messsystem von der Fahrbahn aus durchführen zu können, wurde eine Kombinationsmethode aus Georadar und Magnetfeldmessung entwickelt. Ermittelt man die komplexe Dielektrizitätskonstante (DK) des Baustoffs im Mikrowellen-Bereich, so ist es möglich, über entsprechende Kalibrationskurven seine Feuchte und seinen Salzgehalt abzuleiten. Mit einem 1 GHz-Bodenradar wird die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von der Fahrbahnoberfläche bis zur oberflächennahen Bewehrung bestimmt. Die Tiefe dieser Bewehrungsstähle wird unabhängig durch eine magnetische Gleichfeld-Methode ermittelt. Nach Aufmagnetisierung werden mehrere Gradientenkomponenten des statischen magnetischen Feldes der Bewehrungsbügel gemessen und daraus die Bügeltiefe berechnet. Diese magnetische Tiefenbestimmung ist unabhängig von den dielektrischen Eigenschaften der dazwischen befindlichen Materialien. Durch Vergleich der Radar-Laufzeit mit der magnetisch gemessenen Tiefe lässt sich der Realteil der effektiven DK des überdeckenden Betons bestimmen. Die Analyse der reflektierten Radar-Amplitude erlaubt eine Abschätzung des Salzgehaltes. Zusätzlich wurde ein dielektrischer Resonator für die Feuchte- und Salzgehaltmessung von Baustoffen entwickelt, der aus einer zylindrischen Mikrowellenkeramik hoher DK in einem halboffenen Metallgehäuse besteht. Aus der Messung der Resonanzfrequenz und der Güte beim Aufbringen des Resonators auf den Baustoff lässt sich sein Feuchte- und Salzgehalt ableiten. Die an Beton-Probekörpern bekannter Feuchte und Versalzung durchgeführten experimentellen Untersuchungen bestätigten die Erwartungen. Ein Radar-Magnet-Messwagen wurde entwickelt und auf zwei Brückenbauwerken erfolgreich erprobt. Die effektive komplexe DK konnte gut bestimmt werden.