Schadensmechanismen

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Autoren: Michael Steiger, Hans-Jürgen Schwarz

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 Prinzipen 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 den letzten Jahren wurde durch intensive Forschungsrarbeiten die Modelle der Schadensmechanismen durch Salze (z.B [Correns:1926]Titel: Über die Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Autor / Verfasser: Correns, Carl W.
, [Winkler:1975]Titel: Stone: Properties, Durability in Man ´s Environment
Autor / Verfasser: Winkler, Erhard M.
, [Duttlinger.etal:1993]Titel: Salzkristallisation und Salzschadensmechanismen
Autor / Verfasser: Duttlinger, Werner; Knöfel, Dietbert
) überprüft und mussten z.T. deutlich modifiziert werden (Literaturangaben).

In der Literatur 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.
.

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
.

Hydrostatischer Kristallisationsdruck

Bei bestimmten Salzen [Correns.etal:1939]Titel: Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Autor / Verfasser: Correns, Carl W.; Steinborn, W.
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 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.

Osmotischer Druck

Durch Verdunstungs- und Durchfeuchtungsvorgänge entstehen in einem porösen und salzbelasteten System Bereiche mit unterschiedlich konzentrierten Lösungen. Stehen solche Lösungen direkt miteinander in Verbindung, versucht das Lösungsmittel durch Diffusion von den Bereichen mit niedriger Konzentration in die Bereiche mit höherer Konzentration einen Konzentrationsausgleich herbeizuführen. Dadurch kann ein "osmorischer Druck" erzeugt werden (Literatur).

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
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 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
).

Literatur

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

Ist ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt.

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