Schadensmechanismen

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Autoren: Michael Steiger, Hans-Jürgen Schwarz

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Abstract

Es werden die Modelle, die zu salzbedingten Schäden führen können, vorgestellt.

Einleitung

Salze können in porösen Materialien wie z. B. Sandstein, Ziegel und Malschichten aber auch durch Reaktion an geeigneten Oberflächen Schäden verursachen. Allen Schäden ist gemein, dass sie fast ausschließlich immer in Zusammenhang mit Wasser auftreten, d.h. umgekehrt, dass ohne Wasser - in welcher Form auch immer - auch keine Schadensprozesse in Gang gesetzt werden können.

Die Schadensmechanismen, die in diesem Kapitel beschrieben werden, beziehen sich auf Schäden an anorganischen, nicht metallischen Oberflächen, bzw. in anorganischen, nicht metallischen porösen Systemen. Schäden an metallischen Materialien liegen meist andere Prinzipien zugrunde und werden in einem eigenen Kapitel abgehandelt.

Die Schadensmechanismen basieren auf Modellvorstellungen der Kristallisationsvorgänge und der Änderungen der physikalisch-chemischen Bedingungen im Porenraum. Es ist davon auszugehen, dass in Einzelfällen auch mehrere Schadensprozesse zusammenwirken können.

Übersicht über die Gliederung zum Thema Schadensmechanismen

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

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

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

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

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

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

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

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 GleichgewichtsfeuchteWassergehalt, der sich in einem Material nach Lagerung bei konstanten Bedingungen ergibt (relative Luftfeuchte, Temperatur). ein, die von der Salzart und -konzentration abhängt (siehe auch [Vogt.etal:1993]Titel: Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die GleichgewichtsfeuchteWassergehalt, der sich in einem Material nach Lagerung bei konstanten Bedingungen ergibt (relative Luftfeuchte, Temperatur). und Trocknung anorganischer Baustoffe
Autor / Verfasser: Vogt, R.; Goretzki, Lothar
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).


Thermische Effekte

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

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

Literatur

[Correns.etal:1939]Correns, Carl W.; Steinborn, W. (1939): Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft. Zeitschrift für Kristallografie, (101), 117-133.Link zu Google Scholar
[Correns:1926]Correns, Carl W. (1926): Über die Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft. In:: Preuss. Akad. der Wissensch, Sitzungsband, de Gruyter, 81-88.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), 197-213.Link zu Google Scholar
[Puehringer:1983] Pühringer, Josef (1983): Salt Disintegration, Swedish Council of Building Research, Stockholm.Link zu Google Scholar
[Snethlage:1984] Snethlage, Rolf (1984): Steinkonservierung, Forschungsprogramm des Zentrallabors für Denkmalpflege 1979-1983, Bericht für die Stiftung Volkswagenwerk. Arbeitshefte des Bayerischen Landesamtes für Denkmalpflege, Karl M. Lipp Verlag.Link zu Google Scholar
[Vogt.etal:1993]Vogt, R.; Goretzki, Lothar (1993): Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die GleichgewichtsfeuchteWassergehalt, der sich in einem Material nach Lagerung bei konstanten Bedingungen ergibt (relative Luftfeuchte, Temperatur). und Trocknung anorganischer Baustoffe, unveröffentlichter Bericht.Link zu Google Scholar
[Winkler:1975] Winkler, Erhard M. (1975): Stone: Properties, Durability in Man ´s Environment, Springer Verlag, Wien.Link zu Google Scholar