Deterioration Mechanisms: Difference between revisions
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The linear growth pressure is particularly dependent on the degree of supersaturation of the salt solution. The calculations in most of the literature go back to Correns and Steinborn <bib id="Correns.etal:1939" /> . | The linear growth pressure is particularly dependent on the degree of supersaturation of the salt solution. The calculations in most of the literature go back to Correns and Steinborn <bib id="Correns.etal:1939" /> . | ||
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Revision as of 18:38, 30 December 2013
Authors: Michael Steiger, Hans-Jürgen Schwarz
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Abstract[edit]
The different salt crystallization processes that can lead to deterioration of porous inorganic materials are presented.
Introduction[edit]
Salts can cause damage in porous inorganic materials such as stone, brick, concrete and renders, as well as to any paint layers applied to them. Damaging processes always occur in connection with water. In the unlikely case that no water is present, either as vapor, liquid or solid, no salt-induced deterioration will occur.
Deterioration of metals occurs through other mechanisms and these are discussed in a separate chapter.
The deterioration mechanisms are based on theoretical models of crystallization processes and the resulting changes in the physical and chemical conditions in the pore space. In some cases more than one deterioration process may be active.
Overview to the topic on deterioration mechanisms[edit]
In the literature (e.g., [Correns:1926]Title: Über die Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Author: Correns, Carl W.
, [Winkler:1975]Title: Stone: Properties, Durability in Man´s Environment
Author: Winkler, Erhard M., [Duttlinger.etal:1993]Title: Salzkristallisation und Salzschadensmechanismen
Author: Duttlinger, Werner; Knöfel, Dietbert) deterioration mechanisms are mentioned that are directly associated with salts or enhanced by the presence of salts. These are briefly discussed below.
Linear Crystallisation Pressure[edit]
The linear growth pressure is the maximum pressure under which a crystal can still grow or, vice versa, the maximum pressure that a growing crystal can exert.
The linear growth pressure is particularly dependent on the degree of supersaturation of the salt solution. The calculations in most of the literature go back to Correns and Steinborn [Correns.etal:1939]Title: Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Author: Correns, Carl W.; Steinborn, W. .
Pore Size Dependent Crystallisation Pressure[edit]
Crystals in large pores grow at the expense of those in small pores. The crystals in the large pores grow at a lower chemical potential until they fill up the pore space and then even further until a higher chemical potential is reached by the increased pressure in the large pore that equals that of crystal growth in the small pore. Consequently, pore size distributions with two distinct salt crystallization maxima can be expected to cause more deterioration [Snethlage:1984]Title: Steinkonservierung, Forschungsprogramm des Zentrallabors für Denkmalpflege 1979-1983, Bericht für die Stiftung Volkswagenwerk. Arbeitshefte des Bayerischen Landesamtes für Denkmalpflege
Author: Snethlage, Rolf.
Hydrostatic Crystallisation Pressure[edit]
For most salts [Correns.etal:1939]Title: Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Author: Correns, Carl W.; Steinborn, W., the volume of 'salt + saturated solution' is greater than that of the supersaturated solution. Therefore, when salts crystallize out of a supersaturated solution in pores sealing them, a hydrostatic pressure will develop at the pore walls.
Hydration Pressure[edit]
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.
Osmotic Pressure[edit]
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 "osmotischer Druck" erzeugt werden.
Chemomechanical Effects[edit]
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.
Dynamic synergetic Effects[edit]
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]Title: Salt Disintegration
Author: Pühringer, Josef das Resultat von vielen aufeinander folgenden Belastungszyklen mit verhältnismäßig kleiner Intensität.
Hygric Effects[edit]
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]Title: Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die Gleichgewichtsfeuchte und Trocknung anorganischer Baustoffe
Author: Vogt, R.; Goretzki, Lothar).
Thermic Effects[edit]
Since wet materials are much better heat conductor than dry materials, a higher moisture content lead to a change of temperature differences in a building material and thus to a change in the thermal stretching and shrinkage. Since a temperature compensation is faster, the thermal stresses will decrease normally.
New findings according to decay mechanisms[edit]
In recent years, the previous models of the mechanisms of damage by salts were checked and had to be modified to some extent.
Literature[edit]
| [Becker.etal:1916] | Becker, G.F.; Day, A.L. (1916): Notes on the Linear Force of Growing Crystals. In: Journal of Geology, 24 (4), 313-333, Url | |
| [Bruhns.etal:1913] | Bruhns, W.; Mecklenburg, W. (1913): Über die sogenannte "Kristallisationskraft". In: Sechster Jahresbericht des Niedersächsischen Geologischen Vereins zu Hannover, (), 92-115 | |
| [Buil:1983] | Buil, Michel (1983): Thermodynamics and Experimental Study of the Crystallization Pressure of Water Soluble Salts. In: F.H. Wittmann (eds.): Materials Science and Restoration, Lack und Chemie, Filderstadt, 373-377. | |
| [Correns.etal:1939] | Correns, Carl W.; Steinborn, W. (1939): Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft. In: Zeitschrift für Kristallografie, (101), 117-133 | |
| [Correns:1926] | Correns, Carl W. (1926): Über die Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft. In:: Preuss. Akad. der Wissensch, Sitzungsband, de Gruyter, 81-88. | |
| [Coussy:2006] | The entry doesn't exist yet. | |
| [Desarnaud.etal:2016] | The entry doesn't exist yet. | |
| [Duttlinger.etal:1993] | Duttlinger, Werner; Knöfel, Dietbert (1993): Salzkristallisation und Salzschadensmechanismen. In: Snethlage, Rolf (eds.): Jahresberichte Steinzerfall - Steinkonservierung 1991, Ernst & Sohn, (Berlin), 197-213. | |
| [Espinosa-Marzal.etal:2010] | Espinosa-Marzal, Rosa M.; Scherer, George W. (2010): Advances in Understanding Damage by Salt Crystallization. In: Accounts of Chemical Research, 43 (6), 897-905, Url | |
| [Everett:1961] | Everett, D.H. (1961): The thermodynamics of frost damage to porous solids. In: Transactions of the Faraday Society, 57 (), 1541-1551 | |
| [Flatt.etal:2007] | Flatt, Robert J.; Steiger, Michael; Scherer, George W. (2007): A commented translation of the paper by C.W. Correns and W. Steinborn on crystallization pressure. In: Environmental Geology, 52 (2), 187-203, 10.1007/s00254-006-0509-5 | |
| [Flatt:2002] | Flatt, Robert J. (2002): Salt damage in porous materials: how high supersaturations are generated. In: Journal of Crystal Growth, 242 (3), 435-454 | |
| [Goranson:1940] | The entry doesn't exist yet. | |
| [Hall.etal:1984] | The entry doesn't exist yet. | |
| [Mortensen:1933] | Mortensen, Hans (1933): Die 'Salzprengung' und ihre Bedeutung für die regionalklimatische Gliederung der Wüsten. In::, Justus Perthes, 130-135. | |
| [Scherer:1999] | Scherer, George W. (1999): Crystallization in pores. In: Cement and Concrete Research, 29 (), 1347-1358 | |
| [Scherer:2004] | Scherer, George W. (2004): Stress from crystallization of salt. In: Cement and Concrete Research, 34 (4), 1613–1624, Url | |
| [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. In: Geochimica et Cosmochimica Acta, 72 (17), 4291-4306, Url | |
| [Steiger.etal:2014] | Steiger, Michael; Charola A. Elena; Sterflinger, Katja (2014): Weathering and Deterioration. In: Siegesmund S.; Snethlage R. (eds.): Stone in Architecture, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 223-316, 10.1007/978-3-642-45155-3_4. | |
| [Steiger:2003b] | Steiger, Michael (2003): Salts and Crusts. In: Brimblecomb, Peter (eds.): Air Pollution Reviews – Vol. 2: The effect of air pollution on the Built Environment, Imperial College Press, 133-181. | |
| [Steiger:2005] | Steiger, Michael (2005): Crystal growth in porous materials: I. The crystallization pressure of large crystals. In: journal of Crystal Growth, 282 (3), 455-469, Url, 10.1016/j.jcrysgro.2005.05.007 | |
| [Steiger:2005b] | Steiger, Michael (2005): Crystal growth in porous materials: II. The influence of crystal size. In: Journal of Crystal Growth, 282 (3), 470-481, 10.1016/j.jcrysgro.2005.05.008 | |
| [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 (eds.): Heritage, Weathering and Conservation: Proceedings of the International Heritage, Weathering and Conservation Conference (HWC-2006), 21-24 June 2006, Madrid, Spain, Taylor & Francis, 245-251. | |
| [Steiger:2009] | Steiger, Michael (2009): Mechanismus der Schädigung durch Salzkristallisation. In: Schwarz, Hans-Jürgen; Steiger, Michael (eds.): Salzschäden an Kulturgütern: Stand des Wissens und Forschungsdefizite, Eigenverlag, 66-80. |  |
| [Taber:1916] | Taber, Stephen (1916): The Growth of Crystals under External Pressure. In: American Journal of Science, (41), 532-556 | |
| [Weyl:1959] | Weyl, Peter K. (1959): Pressure Solution and the Force of Crystallisation - A Phenomenological Theory. In: Journal of Geophysical Research, 64 (11), 2001-2025 | |