Damage processes: Difference between revisions

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== Einleitung ==
== Introduction ==
 
Salzen kommt eine zentrale Bedeutung bei der Verwitterung poröser Baustoffe zu. Salzschäden sind immer die Folge von Phasenumwandlungen im Porenraum und damit einhergehendem Kristallwachstum. Durch die in einem Porenraum eingeschlossenen, wachsenden Kristalle können Drücke aufgebaut werden, die die mechanische Festigkeit vieler Baustoffe übertreffen, so dass es zum Versagen der Materialien kommt. In den vergangenen Jahren wurden erhebliche Fortschritte beim Verständnis des eigentlichen [[Schadensmechanismen|Schadensmechanismus]] beim Kristallwachstum erzielt. Ungeachtet des Mechanismus ist es aber offensichtlich, dass die genaue Kenntnis der Bedingungen, unter denen es zu unerwünschten Phasenumwandlungen kommt, von entscheidender Bedeutung ist, um geeignete Strategien zur Verhinderung von Schäden zu entwickeln.


== Phasenumwandlungen – Kristallisation ==
Salts play a key role in the weathering of porous building materials. Salt damage results from phase transformations in the pore space and the associated crystal growth. In the pore space, the enclosed and growing crystals can build up pressures that exceed the mechanical strength of the material in question thus causing their failure. Considerable progress in understanding the actual [[Deterioration Mechanisms|deterioration mechanisms]] caused by crystal growth has been achieved in recent years. Regardless of the mechanism, an exact knowledge of the conditions causing the unwanted phase transformation, is crucial for the development of suitable strategies to prevent this damage.


Der wichtigste Phasenumwandlungsprozess, der zu Schäden in Baustoffen führen kann, ist die Kristallisation eines Salzes in einer Porenlösung. Diese kann beispielsweise durch Verdunstung von Wasser ausgelöst werden oder auch durch eine Temperaturänderung, da viele Salze eine ausgeprägte Abhängigkeit ihrer [[Löslichkeit]] von der Temperatur aufweisen. Kritisch wird der Prozess vor allem dann, wenn er unter ungünstigen Bedingungen zyklisch auftritt, d.h. wenn Salze immer wieder in Lösung gehen und auskristallisieren. Solche zyklischen Kristallisationsprozesse treten dann auf, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Materials sich ständig verändert. Bei hoher Feuchtigkeitszufuhr, z.B. bei Beregnung, lösen sich die in der Regel gut löslichen Salze in Baustoffen auf, bei der anschließenden Trocknung kommt es zur Kristallisation. Auch Kondensation kann als Quelle der Feuchtigkeit für die zwischenzeitliche Auflösung von Salzen in Betracht kommen.
== Phase transformation – crystallization ==


Schließlich sind es vor allem die Eigenschaften der Salze selbst, die den Feuchtegehalt eines Baustoffs kontrollieren. Hier kommt besonders dem Vorgang der [[Deliqueszenzfeuchte|Deliqueszenz]] eine besondere Bedeutung zu. Bei Überschreitung seiner Deliqueszenzfeuchtigkeit (DRH) nimmt ein Salz Feuchtigkeit aus der umgebenden Luft auf und bildet eine Lösung. Bei weiterer Erhöhung der Luftfeuchtigkeit wird mehr Wasser aufgenommen und die Lösung verdünnt sich stark. Salze im Mauerwerk können deshalb aufgrund ihrer [[Hygroskopizät]] erheblich zur Durchfeuchtung beitragen. Sinkt die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft wieder unter die Deliqueszenzfeuchtigkeit ab, kommt es zur Kristallisation. Somit können alleine Schwankungen der relativen Luftfeuchtigkeit um die Deliqueszenzfeuchtigkeit zu zyklischen Kristallisationsprozessen führen, die in der Regel schon nach kurzer Zeit schwere Materialschäden zur Folge haben.
The most important phase transformation process that can lead to damage in building materials, is the crystallization of a salt in the pore solution. For instance, this process can be triggered by the evaporation of water or by temperature fluctuations as the [[solubility]] of many salts changes with temperature. The process becomes critical, when it occurs in cycles and under unfavorable conditions, i.e., when salts repeatedly dissolve and crystallize. Such cyclic crystallization processes occur when the humidity level of the material fluctuates continuously. High moisture supply, e.g., wetting, usually dissolves soluble salts in building materials leading to crystallization upon subsequent drying. Condensation can also be a source for moisture and the intermittent dissolution of salts.


== Phasenumwandlungen – Hydratation ==
Furthermore, properties inherent to the salts determine the moisture content of a building material. Especially the process of [[Deliquescence humidity|deliquescence]] is of particular importance. When the deliquescence relative humidity (DRH) is exceeded, the salt absorbs moisture from the ambient air and forms a solution. Further increases in humidity lead to more water absorption and the dilution of the solution. Therefore, the [[hygroscopicity]] of salts in the material can contribute significantly to the moisture absorption by masonry. If the relative humidity of the ambient air decreases to below the DRH, the salts crystallize. Consequently, just the fluctuation of relative humidity around the DRH can lead to cyclic crystallization processes and in general, can cause severe damage to a material in a relatively short period of time.


Auch bei [[Hydratation|Hydratationsreaktionen]] kommt es zum Kristallwachstum im Porenraum. Da die höher hydratisierte Phase eine geringere Dichte aufweist, erhöht sich bei Hydratationsreaktionen der Porenfüllungsgrad, so dass die wachsenden Kristalle der hydratisierten Form eines Salzes gegen die Porenwand wachsen und Druck, den sogenannten [[Hydratationsdruck]], aufbauen können. Auch Hydratationsreaktionen können unter ungünstigen Bedingungen zyklisch verlaufen. Dabei kann die für die Hydratationsreaktion erforderliche Feuchte wiederum durch Niederschläge oder Kondensation eingebracht werden, es kann aber auch eine Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit ausreichen, um die Reaktion in Gang zu setzen.
== Phase transformation – hydration ==


== Salze und Raumklima ==
Crystal growth inside the pores can also take place during [[Hydration|hydration reactions]]. Because the phase in the higher stage of hydration has a lower density, hydration reactions increase the amount of filling of pores. This results in the the build up of [[hydration pressure]] with the growth of hydrated crystals against the pore wall. Under unfavorable conditions, cyclic hydration-dehydration changes are also possible. Again, the moisture required for the hydration reaction can originate through liquid water absorption by the material or simple condensation from increases in relative humidity.


Arnold und Zehnder <bib id=Arnold.etal:1991/>  haben erstmals die Eigenschaften von Salzen vor dem beschriebenen Hintergrund untersucht und Beobachtungen am Bauwerk mit den Eigenschaften verschiedener Salze und den klimatischen Bedingungen korreliert. Sie konnten zeigen, dass in vielen Fällen die Dynamik von Salzschadensprozessen durch Wechselwirkung des Salzgemisches im Porenraum mit der Umgebungsfeuchte, also den raumklimatischen Verhältnissen bestimmt ist. Beispielsweise verändert sich in beheizten Innenräumen die relative Luftfeuchtigkeit zyklisch im Jahresgang, wobei während der Heizperiode typischerweise sehr niedrige Luftfeuchtigkeiten von 30–40% erreicht werden. Das hat eine zyklische Über- und Unterschreitung der Deliqueszenz- bzw. Hydratationsfeuchtigkeiten einer Reihe von Salzen zur Folge, was unweigerlich Schadensprozesse auslöst, wenn die betreffenden Salze in einem Baustoff angereichert und solchen raumklimatischen Bedingungen ausgesetzt werden. Umgekehrt bietet, bei einer gegebenen Belastung eines Baustoffs mit einem bestimmten Salz, die Kontrolle des Raumklimas die Möglichkeit, Schadensprozesse durch Kristallwachstum sicher auszuschließen <bib id=Price:2000 />, <bib id=Steiger:2005c/>, wodurch sich die Möglichkeit zur [[Präventive Konservierung| präventiven Konservierung]] bietet.
== Salts and indoor climate ==


Betrachtet man beispielsweise ein Salz, das keine Hydrate bildet, also z.B. Natriumchlorid ([[Halit|NaCl]], [[Halit]]), dann können Schäden zuverlässig unterbunden werden, wenn die relative Luftfeuchtigkeit kontinuierlich unterhalb der Deliqueszenzfeuchtigkeit von NaCl gehalten wird. In diesem Fall würde das im Baustoff vorhandene Salz einmal auskristallisieren und danach, in Abwesenheit anderer Quellen für flüssiges Wasser, immobilisiert im kristallinen Zustand vorliegen. Würde die relative Luftfeuchtigkeit konstant über der Deliqueszenzfeuchtigkeit von NaCl gehalten, würde es nie zur Kristallisation kommen, das Salz würde permanent in gelöster Form als Porenlösung vorliegen und es würde ebenfalls keine Materialschädigung auftreten. Je nach Art des Salzes, seiner Konzentration im Baustoff und der relativen Luftfeuchtigkeit können alllerdings deutlich erhöhte [[Materialfeuchte|Materialfeuchten]] die Folge sein.
Arnold and Zehnder <bib id="Arnold.etal:1991"/> were among the first to investigate the properties of salts with regard to the previously described situations. They correlated their observations on buildings with the properties of the different salts and the indoor climatic conditions. Their findings showed that the dynamics of salt damage processes is mostly determined by the interaction between salt mixtures in the pore spaces of the building material and the ambient relative humidity, i.e., temperature fluctuations in the interior of the building. For instance, the relative humidity varies in the heated indoor environment periodically over the year. During winter, the indoor heating leads to very low relative humidity levels, e.g., around 30-40%. The result is a cycle, where conditions fall above or below the deliquescence or hydration humidity levels of a various salts, inevitably causing damage processes (if salts have accumulated in a building material). Therefore, control of the indoor climate offers a means to safely eliminate or reduce damage processes caused by the above mentioned salt related processes depending on the salt or salt mixtures present <bib id="Price:2000" />, <bib id="Steiger:2005c"/>. This allows as well the possibility of [[Preventive Conservation| preventive conservation measures]].  


== [[Phasendiagramme]] ==
When a non-hydrating salt is present, e.g., sodium chloride ([[Halite|NaCl]], [[halite]]), damage can be prevented if the relative humidity is permanently kept below the deliquescence relativ humidity, DRH, of this specific salt. The salt will then remain crystallized and immobilized as long as there is no other water source=.
If the relative humidity level is kept constantaly above the RDH of NaCl, the salt will remain in solution and will not crystallize, and therefore not inducing material damage (although other problems may develop because the material is constantly damp). Depending on the kind of salt, its concentration in the building material and the relative humidity, an increased [[Moisture|moisture content]] could be the result of such a measure.


Die [[Deliqueszenzfeuchte#Deliqueszenzfeuchten einiger bauschädlicher Salze|Deliqueszenzfeuchtigkeiten verschiedener in Baustoffen anzutreffender Salze]] unterscheiden sich sehr stark und decken den gesamten Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit ab. Im Falle des Natriumchlorids ist allerdings die Deliqueszenz nahezu unabhängig von der Temperatur und beträgt ca. 75% r.F., so dass es in diesem Fall einfach ist, geeignete klimatische Bedingungen vorherzusagen. Bei anderen Salzen weist die DRH eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Handelt es sich weiterhin um Salze, die in verschiedenen Hydratstufen auftreten können, so ist es häufig schwieriger, geeignete klimatische Bedingungen zu definieren. In solchen Fällen ist ein [[Phasendiagramme|Phasendiagramm]] sehr hilfreich, in dem die Stabilitätsbereiche der verschiedenen Phasen als Funktion von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit eingezeichnet sind.
== [[Phase diagrams]] ==


== [[Salzgemische]] ==
The [[Deliquescence humidity|deliquescence relative humidity]] of many salts present in building materials varies to a great extent and covers the full relative humidity range. For sodium chloride, however, the deliquescence is almost independent from temperature and amounts to approx. 75% RH, simplifying the prediction for climatic conditions. When looking at other salts, the DRH depends significantly on temperature. If these salts can also occur in different hydrated stages, it can be very difficult to define a suitable indoor air climate. In these cases [[phase diagrams]] showing the stability ranges of the different phases as a function of temperature and RH, can be very useful.


Im Falle reiner Salze ist es auf Grundlage des jeweiligen Phasendiagramms immer möglich, durch Wahl geeigneter raumklimatischer Bedingungen Phasenumwandlungen, d.h. Kristallwachstum zuverlässig zu unterbinden. Leider hat man es in Baustoffen praktisch nie mit reinen Salzen zu tun, sondern fast immer mit mehr oder weniger kompliziert zusammengesetzten Gemischen. In den meisten Fällen hat man es an Bauwerken mit den Chloriden, Nitraten, Sulfaten und Carbonaten von Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium zu tun. Das Verhalten von Salzgemischen ist weitaus komplizierter als das Verhalten reiner Salze und kann in der Regel nicht auf einfache Weise aus den Eigenschaften der beteiligten reinen Salze abgeleitet werden. Beispielsweise können Salzgemische nicht mehr durch eine einzelne Deliqueszenzfeuchtigkeit charakterisiert werden, es existiert vielmehr, je nach Mischungszusammensetzung, ein Luftfeuchtigkeitsbereich, innerhalb dessen Schwankungen der relativen Luftfeuchtigkeit zu Phasenumwandlungen und Kristallisationsprozessen führen. Phasendiagramme von Salzgemischen sind deshalb weitaus komplexer und die Vorhersage geeigneter raumklimatischer Bedingungen kann deshalb üblicherweise nur unter Verwendung geeigneter Modelle erfolgen. Sie werden [[Salzgemische|an anderer Stelle]] ausführlicher behandelt.
== [[Salt mixtures]] ==


== Literatur ==
In the presence of pure salts and with the particular phase diagram as a basis, it is always possible - through choice of the appropriate indoor air conditions - to prevent phase transformation, i.e., crystal growth. Unfortunately, in building materials it is seldom the case that pure salts are present, rather they are found in more or less complex mixtures. In most cases, the salts found in building materials are mixtures of chlorides, nitrates, sulfates and sodium carbonates. The behavior of salt mixtures is far more complicated than the behavior of pure salts and information can generally not be derived only from the properties of the individual salts present in the building material. For example, salt mixtures cannot be characterized by a single deliquescence relative humidity, rather a range of relative humidity, within which fluctuations lead to phase transformation and crystallization processes,  depending on the composition of the mixture. Phase diagrams of salt mixtures are therefore more complex and the prediction of suitable climate conditions can usually only be made with appropriate models. This is discussed in more detail elsewhere[[Salt mixtures| salt mixtures]].


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== Literature ==


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Latest revision as of 18:55, 25 July 2015



Author: Michael Steiger

English translation by Sandra Leithäuser
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Introduction[edit]

Salts play a key role in the weathering of porous building materials. Salt damage results from phase transformations in the pore space and the associated crystal growth. In the pore space, the enclosed and growing crystals can build up pressures that exceed the mechanical strength of the material in question thus causing their failure. Considerable progress in understanding the actual deterioration mechanisms caused by crystal growth has been achieved in recent years. Regardless of the mechanism, an exact knowledge of the conditions causing the unwanted phase transformation, is crucial for the development of suitable strategies to prevent this damage.

Phase transformation – crystallization[edit]

The most important phase transformation process that can lead to damage in building materials, is the crystallization of a salt in the pore solution. For instance, this process can be triggered by the evaporation of water or by temperature fluctuations as the solubility of many salts changes with temperature. The process becomes critical, when it occurs in cycles and under unfavorable conditions, i.e., when salts repeatedly dissolve and crystallize. Such cyclic crystallization processes occur when the humidity level of the material fluctuates continuously. High moisture supply, e.g., wetting, usually dissolves soluble salts in building materials leading to crystallization upon subsequent drying. Condensation can also be a source for moisture and the intermittent dissolution of salts.

Furthermore, properties inherent to the salts determine the moisture content of a building material. Especially the process of deliquescence is of particular importance. When the deliquescence relative humidity (DRH) is exceeded, the salt absorbs moisture from the ambient air and forms a solution. Further increases in humidity lead to more water absorption and the dilution of the solution. Therefore, the hygroscopicity of salts in the material can contribute significantly to the moisture absorption by masonry. If the relative humidity of the ambient air decreases to below the DRH, the salts crystallize. Consequently, just the fluctuation of relative humidity around the DRH can lead to cyclic crystallization processes and in general, can cause severe damage to a material in a relatively short period of time.

Phase transformation – hydration[edit]

Crystal growth inside the pores can also take place during hydration reactions. Because the phase in the higher stage of hydration has a lower density, hydration reactions increase the amount of filling of pores. This results in the the build up of hydration pressure with the growth of hydrated crystals against the pore wall. Under unfavorable conditions, cyclic hydration-dehydration changes are also possible. Again, the moisture required for the hydration reaction can originate through liquid water absorption by the material or simple condensation from increases in relative humidity.

Salts and indoor climate[edit]

Arnold and Zehnder [Arnold.etal:1991]Title: Monitoring Wall Paintings Affected by soluble Salts
Author: Arnold, Andreas; Zehnder, Konrad
Link to Google Scholar
were among the first to investigate the properties of salts with regard to the previously described situations. They correlated their observations on buildings with the properties of the different salts and the indoor climatic conditions. Their findings showed that the dynamics of salt damage processes is mostly determined by the interaction between salt mixtures in the pore spaces of the building material and the ambient relative humidity, i.e., temperature fluctuations in the interior of the building. For instance, the relative humidity varies in the heated indoor environment periodically over the year. During winter, the indoor heating leads to very low relative humidity levels, e.g., around 30-40%. The result is a cycle, where conditions fall above or below the deliquescence or hydration humidity levels of a various salts, inevitably causing damage processes (if salts have accumulated in a building material). Therefore, control of the indoor climate offers a means to safely eliminate or reduce damage processes caused by the above mentioned salt related processes depending on the salt or salt mixtures present [Price:2000]Title: An Expert Chemical Model for Determining the Environmental Conditions Needed to Prevent Salt Damage in Porous Materials, European Commission Research Report No 11, (Protection and Conservation of European Cultural Heritage)
Link to Google Scholar
, [Steiger:2005c]Title: Salts in Porous Materials: Thermodynamics of Phase Transitions, Modeling and Preventive Conservation
Author: Steiger, Michael
Link to Google Scholar
. This allows as well the possibility of preventive conservation measures.

When a non-hydrating salt is present, e.g., sodium chloride (NaCl, halite), damage can be prevented if the relative humidity is permanently kept below the deliquescence relativ humidity, DRH, of this specific salt. The salt will then remain crystallized and immobilized as long as there is no other water source=. If the relative humidity level is kept constantaly above the RDH of NaCl, the salt will remain in solution and will not crystallize, and therefore not inducing material damage (although other problems may develop because the material is constantly damp). Depending on the kind of salt, its concentration in the building material and the relative humidity, an increased moisture content could be the result of such a measure.

Phase diagrams[edit]

The deliquescence relative humidity of many salts present in building materials varies to a great extent and covers the full relative humidity range. For sodium chloride, however, the deliquescence is almost independent from temperature and amounts to approx. 75% RH, simplifying the prediction for climatic conditions. When looking at other salts, the DRH depends significantly on temperature. If these salts can also occur in different hydrated stages, it can be very difficult to define a suitable indoor air climate. In these cases phase diagrams showing the stability ranges of the different phases as a function of temperature and RH, can be very useful.

Salt mixtures[edit]

In the presence of pure salts and with the particular phase diagram as a basis, it is always possible - through choice of the appropriate indoor air conditions - to prevent phase transformation, i.e., crystal growth. Unfortunately, in building materials it is seldom the case that pure salts are present, rather they are found in more or less complex mixtures. In most cases, the salts found in building materials are mixtures of chlorides, nitrates, sulfates and sodium carbonates. The behavior of salt mixtures is far more complicated than the behavior of pure salts and information can generally not be derived only from the properties of the individual salts present in the building material. For example, salt mixtures cannot be characterized by a single deliquescence relative humidity, rather a range of relative humidity, within which fluctuations lead to phase transformation and crystallization processes, depending on the composition of the mixture. Phase diagrams of salt mixtures are therefore more complex and the prediction of suitable climate conditions can usually only be made with appropriate models. This is discussed in more detail elsewhere salt mixtures.

Literature[edit]

[Arnold.etal:1991]Arnold, Andreas; Zehnder, Konrad (1991): Monitoring Wall Paintings Affected by soluble Salts. In: Cather, Sharon (eds.): The Conservation of Wall Paintings: Proceedings of a symposium organized by the Coutrauld Institut of Art and the Getty Conservation Institute, London, July 13-16, The Getty Conservation Institute, 103-136.Link to Google Scholar
[Price:2000]Price, Clifford A. (eds.) (2000): An Expert Chemical Model for Determining the Environmental Conditions Needed to Prevent Salt Damage in Porous Materials, European Commission Research Report No 11, (Protection and Conservation of European Cultural Heritage), Archetype Publications Ltd, LondonLink to Google Scholar
[Steiger:2005c]Steiger, Michael (2005): Salts in Porous Materials: Thermodynamics of Phase Transitions, Modeling and Preventive Conservation. In: Restoration of Buildings and Monuments, 11 (6), 419-432Link to Google ScholarFulltext link