Deterioration Mechanisms

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Authors: Michael Steiger, Hans-Jürgen Schwarz

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Abstract

The different salt crystallization processes that can lead to deterioration of porous inorganic materials are presented.

Introduction

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

In the literature (e.g., [Correns:1926]Title: Über die Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Author: Correns, Carl W.
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, [Winkler:1975]Title: Stone: Properties, Durability in Man´s Environment
Author: Winkler, Erhard M.
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, [Duttlinger.etal:1993]Title: Salzkristallisation und Salzschadensmechanismen
Author: Duttlinger, Werner; Knöfel, Dietbert
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) deterioration mechanisms are mentioned that are directly associated with salts or enhanced by the presence of salts. These are briefly discussed below.


Linear Crystallization Pressure

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.
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.


Pore Size Dependent Crystallization Pressure

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
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Hydrostatic Crystallization Pressure

For most salts [Correns.etal:1939]Title: Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Author: Correns, Carl W.; Steinborn, W.
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, 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

Various soluble salts that my prove deteriorating to building materials may crystallize as hydrated salts depending on the temperature and RH of the environment. Some salts have various different hydration "steps" following changes in temperature and/or RH. The formation of the "new" phase may occur either by the total dissolution of the original crystal and its recrystallization or by re-arrangement of the original crystal structure. The inclusion of the water molecule into the crystal structure entails a volume increase of the crystal and can therefore generate what is generally called a "hydration pressure".


Osmotic Pressure

Evaporation and wetting processes in a salt-containing porous material result in the formation of "regions" holding solutions with different salt concentrations. If these solutions are in direct contact with each other, a diffusion process will begin --referred to as osmotic pressure-- to equalize the two concentrations.


Chemomechanical Effects

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

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
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das Resultat von vielen aufeinander folgenden Belastungszyklen mit verhältnismäßig kleiner Intensität.


Hygric Effects

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
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).

Thermal Effects

Since wet materials are far better heat conductors than dry materials, a higher moisture content leads to a change of temperature differences in a building material and thus to a change in the thermal expansion and shrinkage. Since a temperature compensation is faster, the thermal stresses will decrease normally.

New findings according to decay mechanisms

In recent years, the previous models of damage mechanisms induced by salts were checked and had to be modified to some extent.

Literature

[Correns.etal:1939]Correns, Carl W.; Steinborn, W. (1939): Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft. Zeitschrift für Kristallografie, (101), 117-133.Link to 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 to Google Scholar
[Duttlinger.etal:1993]Duttlinger, Werner; Knöfel, Dietbert (1993): Salzkristallisation und Salzschadensmechanismen. In: Snethlage, Rolf (eds.): Jahresberichte Steinzerfall - Steinkonservierung 1991, Ernst & Sohn, (Berlin), 197-213.Link to Google Scholar
[Puehringer:1983] Pühringer, Josef (1983): Salt Disintegration, Swedish Council of Building Research, Stockholm.Link to 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 to Google Scholar
[Vogt.etal:1993]Vogt, R.; Goretzki, Lothar (1993): Der Einfluss hygroskopischer Salze auf die Gleichgewichtsfeuchte und Trocknung anorganischer Baustoffe, unveröffentlichter Bericht.Link to Google Scholar
[Winkler:1975] Winkler, Erhard M. (1975): Stone: Properties, Durability in Man´s Environment, Springer Verlag, Wien.Link to Google Scholar