Deterioration Mechanisms

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Authors: Michael Steiger, Hans-Jürgen Schwarz

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Abstract

The models are presented that can lead to salt-induced damage.

Introduction

Salts can cause damage in porous materials such as sandstone, brick and paint layers but also by reaction on suitable surfaces. Damaging processes always occur in connection with water, i.e. vice versa, without water - in whatever form - no damage processes will occur.

The damage mechanisms are described in connection with inorganic non-metallic surfaces, or in inorganic non-metallic porous systems. Damage on metallic materials are usually based on different principles and are dealt with in a separate chapter.

The damage mechanisms are based on models of the crystallization process and the changes in the physical and chemical conditions in the pore space. It is expected that in some cases more than one damage process is active.

Overview to the topics of decay mechanisms

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
) again and again the following types of damage mechanisms are mentioned that are directly associated with salts or be enhanced by salts, which will be discussed briefly below:

Linear Crystallisation Pressure

The linear growth pressure is the pressure to which a crystal can 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.
.

Porenabhängiger Crystallisation Pressure

Crystals in the large pores grow at the expense of those in the small pores. The crystals in the large pores grow at the lower chemical potential first until they fill up the pore space and then even further until its chemical potential is increased by increasing the pressure in the large pore at the level of the small pore. Consequently, at a pore distribution with two distinct maxima damage caused by crystallization of salts can be expected [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

For some salts [Correns.etal:1939]Title: Experimente zur Messung und Erklärung der sogenannten Kristallisationskraft
Author: Correns, Carl W.; Steinborn, W.
, the volume of 'salt + solution' is greater than that of the saturated solution. If this salt crystallizes in the pores and seals the pores, an additional salt crystallization produces a hydrostatic pressure on the pore walls.

Hydration Pressure

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.

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
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
).

Thermic Effects

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

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

Literature

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A phase is a physically distinctive form of matter and is characterized by having relatively uniform chemical and physical properties.