Schadensmechanismen

Autoren: Michael Steiger, Hans-Jürgen Schwarz

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Abstract

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.

Einleitung

Ein Großteil des kulturellen Erbes besteht aus porösen Materialien, wie beispielsweise Stein, Ziegel, Putz und Mörtel. Die Kristallisation von Salzen in den Poren der Materialien kann zu Schädigungen führen. Ob ein Salz aus der Porenlösung auskristallisiert, hängt von der umgebenden relativen Luftfeuchtigkeit und Temperatur ab. Bei sinkender relativer Luftfeuchtigkeit wird Wasser aus einer Salzlösung in Form von Wasserdampf an die Atmosphäre abgegeben. Bei der Deliqueszenzfeuchte des Salzes liegt zunächst eine gesättigte Lösung vor, unterhalb der Deliqueszenzfeuchte liegt nur noch das kristalline Salz vor. Steigt die relative Luftfeuchtigkeit wieder auf den Wert der Deliqueszenzfeuchte, wird Wasserdampf aus der Umgebung aufgenommen und eine gesättigte Lösung gebildet, die bei ansteigender Feuchte weiter verdünnt wird. Somit zeigt sich, dass bei schwankenden Umgebungsbedingungen um die Deliqueszenzfeuchte eines Salzes Zyklen von Kristallisation und Deliqueszenz auftreten können. Zu Schädigungen des porösen Wirts kann es durch den bei der Kristallisation möglicherweise wirksamen Kristallisationsdruck kommen, welcher im Falle von zyklischen Wechseln wiederholt wirksam werden kann. Einer der entscheidenden Faktoren für einen wirksamen Kristallisationsdruck ist das Vorliegen einer übersättigten Lösung. Bei einer übersättigten Lösung erfolgt die Kristallisation des Salzes nicht beim Erreichen der Sättigungskonzentration oder -temperatur, bei denen eine gesättigte Lösung gebildet werden sollte, sondern erst bei niedrigeren Feuchtegehalten oder Temperaturen. Übersättigte Lösungen können im Zuge der Verdunstung von Wasserdampf aus einer Lösung entstehen, also beispielsweise beim Absinken der relativen Luftfeuchtigkeit, oder nach Flüssigwassereintrag, aber auch durch Temperaturänderungen, wie dem Abkühlen von Lösungen. Auch beim Lösen einer metastabilen Phase kann eine in Bezug auf die jeweils stabile Phase übersättigte Lösung entstehen, was weiter unten näher erläutert wird. Auffällig ist, dass die Prozesse, die zu einer Schädigung poröser Materialien durch Salzkristallisation führen, stark von den Umgebungsbedingungen sowie der Anwesen- oder Abwesenheit von Wasser abhängen. Die vorgestellten Schadensmechanismen, bei denen es sich um Modellvorstellungen handelt, gelten nur für die Betrachtung von anorganischen, porösen Materialien.

Kristallisation aus einer Porenlösung

Wird eine salzhaltige Porenlösung betrachtet, so hängt die Konzentration von den Faktoren der umgebenden relativen Luftfeuchtigkeit und Temperatur ab. Die Konzentration steigt, wenn Wasser in Form von Wasserdampf an die Umgebung abgegeben wird, also bei sinkender relativer Luftfeuchtigkeit. Verdunstet so viel Wasser, dass die Löslichkeit des betrachteten Salzes unterschritten wird, kommt es zur Kristallisation. Die relative Luftfeuchtigkeit, bei der die Sättigungskonzentration des Salzes erreicht wird, ist die Deliqueszenzfeuchte. Bei der fortschreitenden Trocknung einer Porenlösung befindet sich der Verdunstungshorizont zunächst an der Materialoberfläche. Durch Kapillarkräfte wird Wasser schneller an die Oberfläche transportiert als es durch die Verdunstung abtransportiert wird. Mit fortscheitender Trocknung verlagert sich der Verdunstungshorizont ins Innere des porösen Materials, da der Feuchtegehalt sinkt und der Kapillartransport zur Oberfläche nicht ausreichend schnell erfolgen kann. Die Salze aus der Porenlösung können nun sowohl auf der Oberfläche in Form von Effloreszenzen als auch in oberflächennahen Bereichen als Subfloreszenz auskristallisieren. Wo die Kristallisation erfolgt, ist abhängig von den Trocknungsbedingungen, der Lösungszusammensetzung, der Lösungskonzentration und den Materialeigenschaften.

Historischer Überblick

Dem heutigen Wissensstand über die Modelle zur Schädigung poröser Materialien durch Kristallisationsdruck gingen ab dem 20. Jahrhundert teilweise kontroverse Diskussionen voran. Das gerichtete Wachstum eines Kristalls gegen ein Hindernis und dessen Anhebung wurden als linearer Wachstumsdruck verstanden (u.a. [Becker.etal:1916]Titel: Notes on the Linear Force of Growing Crystals
Autor / Verfasser: Becker, G.F.; Day, A.L.
, [Taber:1916]Titel: The Growth of Crystals under External Pressure
Autor / Verfasser: Taber, S.
, [Correns.etal:1939]Titel: Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Autor / Verfasser: Correns, Carl W.; Steinborn, W.
). Es sei der Druck, den ein wachsender Kristall maximal ausüben kann, wenn er aus einer übersättigten Lösung in Richtung der sich ausbildenden Kristallflächen wächst. Ein Lösungsfilm müsse zudem zwischen Kristall und Hindernis vorliegen, um einen ausreichend schnellen Stofftransport zu gewährleisten [Taber:1916]Titel: The Growth of Crystals under External Pressure
Autor / Verfasser: Taber, S.
. Wichtige Beiträge zu diesem Thema kamen von [Correns:1926]Titel: Über die Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Autor / Verfasser: Correns, Carl W.
, der die Kristallisationskraft in Volumenvergrößerung (hydrostatischer Kristallisationsdruck), Hydratationsdruck und jene zuvor als linearer Wachstumsdruck beschriebene Kräfte unterteilte. Zudem wies er, wie schon andere vor ihm ([Taber:1916]Titel: The Growth of Crystals under External Pressure
Autor / Verfasser: Taber, S.
), auf den Einfluss der Grenzflächenenergie hin, die einen gewissen Wert aufweisen müsse, damit Wachstum stattfindet. Er verwies darauf, dass wachsende Kristalle nicht fest an ihrem Untergrund sitzen, sondern auf einem Lösungsfilm aufliegen, durch den auch der Ionennachschub gewährleistet wird, und dessen Ausbildung ebenfalls auf die Grenzflächenenergie von Kristall und Porenwand zurückzuführen ist ([Correns:1926]Titel: Über die Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Autor / Verfasser: Correns, Carl W.
, [Bruhns.etal:1913]Titel: Über die sogenannte "Kristallisationskraft"
Autor / Verfasser: Bruhns, W.; Mecklenburg, W.
, [Weyl:1959]Titel: Pressure Solution and the Force of Crystallisation - A Phenomenological Theory
Autor / Verfasser: Weyl, P. K.
. Da in einigen Versuchen, in denen ein belasteter und ein unbelasteter Alaun-Kristall mit einer gesättigten Lösung in Kontakt standen, nur der unbelastete wuchs, wurde der lineare Wachstumsdruck aber auch in Frage gestellt und ein Druck beziehungsweise ein Anheben eines Hindernisses eher auf eine Volumenzunahme als auf einen Druck durch den Kristall zurückgeführt. Darunter fiel auch der Hydratationsdruck, also das im Vergleich zur wasserfreien oder geringer hydratisierten Phase erhöhte Volumen der höher hydratisierten Phase ([Bruhns.etal:1913]Titel: Über die sogenannte "Kristallisationskraft"
Autor / Verfasser: Bruhns, W.; Mecklenburg, W.
). Der hydrostatische Druck wird als Folge der Volumenzunahme bei der Kristallisation von Salzen definiert, bei denen das Volumen von Salz und gesättigter Lösung größer ist als das der übersättigten Lösung. In Bezug auf den Hydratationsdruck kamen wichtige Beiträge von [Mortensen:1933]Titel: "Salzsprengung" und ihre Bedeutung für die regionalklimatische Gleiderung der Wüsten
Autor / Verfasser: Mortensen, H.
, der die bei der Hydratation eines wasserfreien Kristalls verrichtete Arbeit (Druck gegen einen Stempel) untersuchte. Er leitete eine Formel für den Hydratationsdruck ab:

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.
, [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
) 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.

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
).

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

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Die Deliqueszenzfeuchte beschreibt die Höhe der relativen Luftfeuchte, oberhalb der z. B. ein Salz Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt und in Lösung geht.

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).