Schadensmechanismen: Unterschied zwischen den Versionen

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Zum einen kann eine Hydratation über Wasserdampf, also über die relative Luftfeuchte der Umgebung, erfolgen. Liegt der Wert der RH dabei unterhalb der Deliqueszenzfeuchte des geringeren Hydrats beziehungsweise der wasserfreien Phase, so geschieht die Hydratation über eine Festphasenreaktion. Für den dabei maximal durch das Wachstum eines Kristalls der hydratisierten Phase wirkenden Druck gegen die Porenwand kann die Gleichung für den Hydratationsdruck nach Mortensen <bib id="Mortensen:1933"/> verwendet werden (s.o.). Während bei der Kristallisation aus einer Lösung die Übersättigung der Lösung Triebkraft für den ausgeübten Druck ist, ist es bei der Hydratation über Wasserdampf (RH<DRH des niedrigeren Hydrats) die Übersättigung des Wasserdampfs der Umgebungsluft gegenüber des Gleichgewichtsdampfdrucks der Hydratphase bei der gegebenen Temperatur. Im Falle einer solchen Hydratation und der Verwendung der Gleichung nach Mortensen muss beachtet werden, dass es eine maximale relative Luftfeuchtigkeit gibt, oberhalb derer die Anwendung der Gleichung nicht mehr legitim ist. Überschreitet die relative Luftfeuchtigkeit die Deliqueszenzfeuchte der höheren Hydratphase, liegt nur noch eine Lösung vor, wodurch auch kein Hydratationsdruck wirken kann. <bib id="Steiger.etal:2014"/>
 
Zum einen kann eine Hydratation über Wasserdampf, also über die relative Luftfeuchte der Umgebung, erfolgen. Liegt der Wert der RH dabei unterhalb der Deliqueszenzfeuchte des geringeren Hydrats beziehungsweise der wasserfreien Phase, so geschieht die Hydratation über eine Festphasenreaktion. Für den dabei maximal durch das Wachstum eines Kristalls der hydratisierten Phase wirkenden Druck gegen die Porenwand kann die Gleichung für den Hydratationsdruck nach Mortensen <bib id="Mortensen:1933"/> verwendet werden (s.o.). Während bei der Kristallisation aus einer Lösung die Übersättigung der Lösung Triebkraft für den ausgeübten Druck ist, ist es bei der Hydratation über Wasserdampf (RH<DRH des niedrigeren Hydrats) die Übersättigung des Wasserdampfs der Umgebungsluft gegenüber des Gleichgewichtsdampfdrucks der Hydratphase bei der gegebenen Temperatur. Im Falle einer solchen Hydratation und der Verwendung der Gleichung nach Mortensen muss beachtet werden, dass es eine maximale relative Luftfeuchtigkeit gibt, oberhalb derer die Anwendung der Gleichung nicht mehr legitim ist. Überschreitet die relative Luftfeuchtigkeit die Deliqueszenzfeuchte der höheren Hydratphase, liegt nur noch eine Lösung vor, wodurch auch kein Hydratationsdruck wirken kann. <bib id="Steiger.etal:2014"/>
  
Liegt die RH bei der Befeuchtung oberhalb der Deliqueszenzfeuchte der niedriger hydratisierten Phase, so erfolgt die Hydratation über einen anderen Mechanismus. Das geringere Hydrat bildet eine (gesättigte) Lösung, aus welcher die höher hydratisierte Phase auskristallisiert (Auflösungs- und Rekristallisationsvorgang). Auch hierbei ist nicht die Volumenzunahme Grund für den Druckaufbau im porösen Gefüge, sondern die Kristallisation der Hydratphase aus einer ihr gegenüber übersättigten Lösung. Somit stellt dieser Mechanismus einen Sonderfall des Kristallisationsdrucks in Folge der Kristallisation aus übersättigten Lösungen dar. Ebenfalls dieser Mechanismus ist bei einer Flüssigwasserbefeuchtung eines porösen Systems mit einer wasserfreien oder geringer hydratisierten Phase für den Druckaufbau verantwortlich. <bib id="Steiger:2003"/>
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Liegt die RH bei der Befeuchtung oberhalb der Deliqueszenzfeuchte der niedriger hydratisierten Phase, so erfolgt die Hydratation über einen anderen Mechanismus. Das geringere Hydrat bildet eine (gesättigte) Lösung, aus welcher die höher hydratisierte Phase auskristallisiert (Auflösungs- und Rekristallisationsvorgang). Auch hierbei ist nicht die Volumenzunahme Grund für den Druckaufbau im porösen Gefüge, sondern die Kristallisation der Hydratphase aus einer ihr gegenüber übersättigten Lösung. Somit stellt dieser Mechanismus einen Sonderfall des Kristallisationsdrucks in Folge der Kristallisation aus übersättigten Lösungen dar. Ebenfalls dieser Mechanismus ist bei einer Flüssigwasserbefeuchtung eines porösen Systems mit einer wasserfreien oder geringer hydratisierten Phase für den Druckaufbau verantwortlich. <bib id="Steiger:2003b"/>
  
 
Beispielhaft lässt sich dies gut anhand des Systems [[Natriumsulfat]]-Wasser zeigen. Wird ein poröser Prüfkörper mit [[Thenardit]] im Porenraum bei Raumtemperatur getränkt, so bildet sich eine in Bezug auf [[Thenardit]] gesättigte Lösung. Ein Blick auf das Phasendiagramm des Systems zeigt jedoch, dass diese Lösung in Bezug auf [[Mirabilit]] übersättigt ist und der Grad der Übersättigung mit sinkender Temperatur zunimmt. Bei der Kristallisation von [[Mirabilit]] aus einer stark übersättigten Lösung können bei ausreichend gefüllten Poren hohe Drücke auf das Porengefüge wirken. Dies kann nicht nur bei der Flüssigwasserbefeuchtung beobachtet werden, sondern auch bei der Befeuchtung der wasserfreien bzw geringer hydratisierten Phase bei relativen Luftfeuchtigkeiten bis zur oder oberhalb der Deliqueszenzfeuchte, wobei die hydratisierte Phase dann aus dieser in Bezug auf sie übersättigten Lösung gebildet wird. Verallgemeinert ausgedrückt, kommt es durch das Auflösen einer metastabilen Phase zur Bildung einer in Hinblick auf die stabile Phase übersättigten Lösung, so dass während der Kristallisation der stabilen Phase hohe Drücke wirken können. <bib id="Steiger.etal:2008"/>
 
Beispielhaft lässt sich dies gut anhand des Systems [[Natriumsulfat]]-Wasser zeigen. Wird ein poröser Prüfkörper mit [[Thenardit]] im Porenraum bei Raumtemperatur getränkt, so bildet sich eine in Bezug auf [[Thenardit]] gesättigte Lösung. Ein Blick auf das Phasendiagramm des Systems zeigt jedoch, dass diese Lösung in Bezug auf [[Mirabilit]] übersättigt ist und der Grad der Übersättigung mit sinkender Temperatur zunimmt. Bei der Kristallisation von [[Mirabilit]] aus einer stark übersättigten Lösung können bei ausreichend gefüllten Poren hohe Drücke auf das Porengefüge wirken. Dies kann nicht nur bei der Flüssigwasserbefeuchtung beobachtet werden, sondern auch bei der Befeuchtung der wasserfreien bzw geringer hydratisierten Phase bei relativen Luftfeuchtigkeiten bis zur oder oberhalb der Deliqueszenzfeuchte, wobei die hydratisierte Phase dann aus dieser in Bezug auf sie übersättigten Lösung gebildet wird. Verallgemeinert ausgedrückt, kommt es durch das Auflösen einer metastabilen Phase zur Bildung einer in Hinblick auf die stabile Phase übersättigten Lösung, so dass während der Kristallisation der stabilen Phase hohe Drücke wirken können. <bib id="Steiger.etal:2008"/>

Version vom 28. März 2019, 18:22 Uhr

Autoren: Michael Steiger, Hans-Jürgen Schwarz

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Abstract[Bearbeiten]

Mechanismen, die für die Schädigung von porösen Baumaterialien durch Salzkristallisation verantwortlich sind, werden vorgestellt. Zudem berichtet ein kurzer historischer Rückblick über die in der Vergangenheit vorgestellten Mechanismen.

Übersicht über die Gliederung zum Thema Schadensmechanismen[Bearbeiten]

In der älteren Literatur (z.B [Correns:1926]Titel: Über die Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Autor / Verfasser: Correns, Carl W.
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, [Winkler:1975]Titel: Stone: Properties, Durability in Man ´s Environment
Autor / Verfasser: Winkler, Erhard M.
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, [Duttlinger.etal:1993]Titel: Salzkristallisation und Salzschadensmechanismen
Autor / Verfasser: Duttlinger, Werner; Knöfel, Dietbert
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) werden immer wieder folgende Arten von Schadensmechanismen, die mit Salzen in direktem Zusammenhang stehen oder aber durch Salze verstärkt werden, genannt, auf die im Folgenden kurz eingegangen werden soll:


Linearer Wachstumsdruck[Bearbeiten]

Der lineare Wachstumsdruck ist derjenige Druck, bis zu dessen Höhe ein Kristall gegen eine Belastung noch wachsen kann oder umgekehrt formuliert, der maximale Druck, den ein wachsender Kristall ausüben kann.

Der lineare Wachstumsdruck ist insbesondere abhängig vom Grad der Übersättigung der Salzlösung. Die in der Literatur vorhandenen Berechnungen gehen auf Correns und Steinborn zurück [Correns.etal:1939]Titel: Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Autor / Verfasser: Correns, Carl W.; Steinborn, W.
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.


Porenabhängiger Kristallisationsdruck[Bearbeiten]

Kristalle in den großen Poren wachsen auf Kosten derjenigen in den kleinen Poren. Die Kristalle in den großen Poren mit dem niedrigeren Chemischen Potential wachsen zunächst bis der Porenraum gefüllt ist und dann solange weiter, bis ihr chemisches Potential durch Druckerhöhung in der großen Pore auf das Niveau in der kleinen Pore gehoben ist. Demzufolge ist bei einer Porenverteilung mit zwei deutlich unterschiedlichen Maxima eher mit Schäden durch Kristallisation von Salzen zu rechnen [Snethlage:1984]Titel: Steinkonservierung, Forschungsprogramm des Zentrallabors für Denkmalpflege 1979-1983, Bericht für die Stiftung Volkswagenwerk. Arbeitshefte des Bayerischen Landesamtes für Denkmalpflege
Autor / Verfasser: Snethlage, Rolf
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.

Hydrostatischer Kristallisationsdruck[Bearbeiten]

Bei bestimmten Salzen [Correns.etal:1939]Titel: Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Autor / Verfasser: Correns, Carl W.; Steinborn, W.
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ist das Volumen von 'Salz + Lösung' größer als das der gesättigten Lösung. Kristallisiert dieses Salz dann in der Pore aus und verschließen die ausscheidenden Kristalle die Porenausgänge, so kann es bei der weiteren Salzkristallisation zu einem allseitigen hydrostatischen Druck auf die Porenwandungen kommen.


Hydratationsdruck[Bearbeiten]

Zahlreiche bauschädliche Salze liegen abhängig von Temperatur und relativer Luftfeuchte in verschiedenen Hydratstufen vor, d.h. es existieren von ihnen Salzphasen mit zum Teil deutlich unterschiedlichem Wassergehalt. Die Bildung der neuen Phase ist sowohl nach kompletter Auflösung des alten Kristalls, als auch durch Umbau des Kristalls im festen Zustand vorstellbar. Der Einbau von Wasser in das Kristallgitter ist mit einer Volumenzunahme verbunden und übt somit einen Druck auf eine Begrenzung aus.

Chemomechanische Effekte[Bearbeiten]

Die Eigenschaften eines Stoffes sind nicht nur von seiner Zusammensetzung abhängig, sondern auch von seinen Umgebungsbedingungen. Temperatur, Druck und auch Stoffe mit denen er in Kontakt steht und kommt, beeinflussen seine Eigenschaften. Durch Salzlösungen können infolge der Veränderungen der elektrischen Eigenschaften diese ein signifikant anderes Verhalten zeigen als bei Abwesenheit von Salzen. Insbesondere das Zeta-Potential, also das die elektrische Doppelschicht kennzeichnende elektrische Potential, spielt in diesem Zusammenhang eine Rolle. Für viele Materialien besteht eine enge Wechselbeziehung zwischen Zeta-Potential und verschiedenen mechanischen Eigenschaften derart, dass z.B. Härte, Bruchzähigkeit oder Festigkeit maximal werden, wenn das Zeta-Potential verschwindet. Über diesen Mechanismus können Salze das Verhalten von Materialien beeinflussen. Dabei können in der Doppelschicht bei Nichtmetallen so hohe Feldstärken entstehen, dass die Beweglichkeit von Strukturfehlern (Versetzungen, Risse) beeinflusst wird. Dadurch werden auch die technischen Eigenschaften verändert, ohne dass spezifische Reaktionen mitwirken müssen.


Dynamisch synergetische Effekte[Bearbeiten]

Beim Austrocknen von Salzlösungen bleiben i.a. poröse Filme zurück, die Wasser oder Lösung transportieren können. Diese porösen Strukturen sind infolge ihrer hohen spezifischen Oberfläche extrem hygroskopisch und schon Änderungen der Luftfeuchtigkeit, in jedem Fall aber direkte Wasserzufuhr, ändern auf der Oberfläche der Porenwandung aufsitzende Salzstrukturen in Größe und Form. Diese Deformationen führen zu Schubspannungen an der Substratoberfläche, die zeitlich veränderlich sind. Salzinduzierte Schäden sind nach dieser Vorstellung [Puehringer:1983]Titel: Salt Disintegration
Autor / Verfasser: Pühringer, Josef
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das Resultat von vielen aufeinander folgenden Belastungszyklen mit verhältnismäßig kleiner Intensität.


Hygrische Effekte[Bearbeiten]

Viele poröse Baustoffe erfahren in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt ein Dehnen und Schwinden, die wenn sie in steigem Wechsel auftreten, zu starken Schäden führen können. In welchem Ausmaß diese Prozesse erfolgen, hängt von der Zusammensetzung, der Porenstruktur und dem Feuchteangebot ab. Sind diese Stoffe zusätzlich mit hygroskopischen Salzen belastet, so stellt sich eine neue, im Vergleich zum salzfreien Stoff, höhere Gleichgewichtsfeuchte ein, die von der Salzart und -konzentration abhängt (siehe auch [Vogt.etal:1993]Titel: Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die Gleichgewichtsfeuchte und Trocknung anorganischer Baustoffe
Autor / Verfasser: Vogt, R.; Goretzki, Lothar
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).

Thermische Effekte[Bearbeiten]

Da feuchte Baustoffe deutlich bessere Wärmeleiter sind als trockene Baustoffe, kann eine erhöhte Materialfeuchte zu einer Veränderung der Temperaturunterschiede in einem Baustoff und damit zu einer Veränderung des thermischen Dehnens und Schwindes führen. Da ein Temperaturausgleich schneller erfolgt, werden die thermischen Spannungen in der Regel abnehmen.

Neue Erkenntnisse zu den Schadensprozessen[Bearbeiten]

In den letzten Jahren wurde durch intensive Forschungsrarbeiten diese bisherigen Modelle der Schadensmechanismen durch Salze überprüft und mussten z.T. modifiziert werden.

Literatur[Bearbeiten]

[Becker.etal:1916]Becker, G.F.; Day, A.L. (1916): Notes on the Linear Force of Growing Crystals. Journal of Geology, 24 (4), 313-333, WebadresseLink zu Google Scholar
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[Buil:1983]Buil, Michel (1983): Thermodynamics and Experimental Study of the Crystallization Pressure of Water Soluble Salts. In: F.H. Wittmann (Hrsg.): Materials Science and Restoration, Lack und Chemie, Filderstadt, 373-377Link zu Google Scholar
[Correns.etal:1939]Correns, Carl W.; Steinborn, W. (1939): Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft. Zeitschrift für Kristallografie, (101), 117-133Link zu Google Scholar
[Correns:1926]Correns, Carl W. (1926): Über die Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft. In:: Preuss. Akad. der Wissensch, Sitzungsband, de Gruyter, 81-88Link zu Google Scholar
[Coussy:2006]Coussy, O. (2006): Deformation and stress from in-pore drying-induced crystallization of salt. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 54 (8)Link zu Google Scholar
[Desarnaud.etal:2016]Desarnaud, J.; Bonn, D.; Shahidzadeh, N. (2016): The Pressure induced by salt crystallization in confinement. Scientific reports, ()Link zu Google Scholar
[Duttlinger.etal:1993]Duttlinger, Werner; Knöfel, Dietbert (1993): Salzkristallisation und Salzschadensmechanismen. In: Snethlage, Rolf (Hrsg.): Jahresberichte Steinzerfall - Steinkonservierung 1991, Ernst & Sohn, (Berlin), 197-213Link zu Google Scholar
[Espinosa-Marzal.etal:2010]Espinosa-Marzal, Rosa M.; Scherer, George W. (2010): Advances in Understanding Damage by Salt Crystallization. Accounts of Chemical Research, 43 (6), 897-905, WebadresseLink zu Google Scholar
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[Mortensen:1933]Mortensen, H. (1933): "Salzsprengung" und ihre Bedeutung für die regionalklimatische Gleiderung der Wüsten. Petermann's Mittelungen aus Justus Perthes geographischer Anstalt, (79)Link zu Google Scholar
[Scherer:1999]Scherer, George W. (1999): Crystallization in pores. Cement and Concrete Research, 29 (8), 1347-1358, WebadresseLink zu Google Scholar
[Scherer:2004]Scherer, George W. (2004): Stress from crystallization of salt. Cement and Concrete Research, 34 (4), 1613–1624, WebadresseLink zu Google Scholar
[Steiger.etal:2008]Steiger, Michael; Asmussen, Sönke (2008): Crystallization of sodium sulfate phases in porous materials: The phase diagram Na2SO4 -H2O and the generation of stress. Geochimica et Cosmochimica Acta, 72 (17), 4291-4306, 10.1016/j.gca.2008.05.053Link zu Google Scholar
[Steiger.etal:2014]Steiger, Michael; Charola A. Elena; Sterflinger, Katja (2014): Weathering and Deterioration. In: Siegesmund S.; Snethlage R. (Hrsg.): Stone in Architecture, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 223-316, 10.1007/978-3-642-45155-3_4Link zu Google Scholar
[Steiger:2003b]Steiger, Michael (2003): Salts and Crusts. In: Brimblecomb, Peter (Hrsg.): Air Pollution Reviews - Vol. 2: The effect of air pollution on the Built Environment, Imperial College Press, 133-181Link zu Google Scholar
[Steiger:2005]Steiger, Michael (2005): Crystal growth in porous materials: I. The crystallization pressure of large crystals. journal of Crystal Growth, 282 (3), 455-469, Webadresse, 10.1016/j.jcrysgro.2005.05.007Link zu Google Scholar
[Steiger:2005b]Steiger, Michael (2005): Crystal growth in porous materials: II. The influence of crystal size. Journal of Crystal Growth, 282 (3), 470-481, 10.1016/j.jcrysgro.2005.05.008Link zu Google Scholar
[Steiger:2006]Steiger, Michael (2006): Crystal growth in porous materials: Influence of supersaturation and crystal size. In: Fort, Rafael; Alvarez de Buergo, Monica; Gomez-Heras, Miquel; Vazquez-Calvo, Carmen (Hrsg.): Heritage, Weathering and Conservation: Proceedings of the International Heritage, Weathering and Conservation Conference (HWC-2006), 21-24 June 2006, Madrid, Spain, Taylor & Francis, 245-251Link zu Google Scholar
[Steiger:2009]Steiger, Michael (2009): Mechanismus der Schädigung durch Salzkristallisation. In: Schwarz, Hans-Jürgen; Steiger, Michael (Hrsg.): Salzschäden an Kulturgütern: Stand des Wissens und Forschungsdefizite, Hannover, 66-80Link zu Google ScholarLink zum Volltext
[Taber:1916]Taber, Stephen (1916): The Growth of Crystals under External Pressure. American Journal of Science, 41 (264), 532-556, 10.2475/ajs.s4-41.246.532Link zu Google Scholar
[Weyl:1959]Weyl, Peter K. (1959): Pressure Solution and the Force of Crystallisation - A Phenomenological Theory. Journal of Geophysical Research, 64 (11), 2001-2025Link zu Google Scholar

Als Phase wird ein stofflicher Zustand bezeichnet, der in sich, makroskopisch betrachtet, homogen ist.

Wassergehalt, der sich in einem Material nach Lagerung bei konstanten Bedingungen ergibt (relative Luftfeuchte, Temperatur).