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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-36804
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2008/3680/


Experimente zur Salzverwitterung von Naturwerkgesteinen mittels Dehnungsmessungen

Experiments on salt weathering effects of natural stone using strain measurements

Asmussen, Sönke

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Deutsch): Salzverwitterung , Natriumsulfat , Sandstein , Dehnungsmessungen
Freie Schlagwörter (Englisch): Salt weathering , sodium sulfate , natural stone , strain measurements
Basisklassifikation: 35.19 , 35.23
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Dannecker, Walter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.12.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 16.06.2008
Kurzfassung auf Deutsch: In der Literatur ist Natriumsulfat seit langem als das Salz bekannt, welches die größten Schädigungen an Bauwerken auslöst. Der eigentliche Mechanismus der Schädigungen war jedoch lange Zeit umstritten. Sowohl Hydratation als auch Kristallisation wurden als Schadensmechanismen in Betracht gezogen. In neuerer Zeit rückte jedoch die Kristallisation aus einer übersättigten Lösung als eigentliche Schadensursache in das Blickfeld. Untersucht wurde die Dehnung durch Kristallisation von Natriumsulfat und Natriumchlorid aus übersättigter Lösung. Als Probenmaterial wurde der Ebenheider Sandstein verwendet. Die untersuchte Gesteinsart war in der Lage, Kationen zu fixieren und auszutauschen. Damit die Dehnungsmessungen nicht durch ein nicht quantifizierbares Salzgemisch gestört und überlagert wurden, war ein Kationenaustausch mit NaCl-Lösung als Probenvorbereitung notwendig. Die Schädigung der Gesteinsprüfkörper wurde anhand ihrer Dehnung ermittelt. Eine zentrale Bedeutung kam der Fragestellung zu, ob Kristallwachstum bei der direkten Hydratation oder bei der Kristallisation aus einer übersättigten Lösung als Schadensmechanismus der Bauwerkszerstörung verantwortlich ist. Zur Verhinderung der direkten Hydratation der Proben aus der Luft wurden die nachfolgenden Experimente bei relativer Luftfeuchtigkeit von etwa 10% durchgeführt, so dass keine direkte Wasseraufnahme aus der Gasphase erfolgen konnte. Stattdessen wurde flüssiges Wasser durch kapillares Saugen des Gesteins zum Natriumsulfat transportiert, so dass sich die Salzkristalle im Porenraum auflösen. Löst sich Thenardit auf, so ist die Lösung bezüglich Mirabilit übersättigt und die Kristallisation von Mirabilit erfolgt aus einer übersättigten Lösung. Generell kann eine übersättigte Salzlösung und die daraus folgende Kristallisation auf drei Wegen erreicht werden. Eine Lösung wird abgekühlt und so die Löslichkeit an Salz verringert, als Folge bildet sich eine übersättigte Lösung. Wird Wasser durch Verdunstung aus einer Salzlösung entfernt, so wird die Lösung immer konzentrierter und übersättigt sich schließlich ebenfalls. Bei der Übersättigung durch Verdunstung sind die Temperatur und Verdunstungsgeschwindigkeit die entscheidenden Faktoren. Je höher die Temperatur der Umgebung ist, desto größer wird die Löslichkeit der Salzlösung, gleichzeitig steigt auch die Verdunstungsgeschwindigkeit der Salzlösung. Sehr große Übersättigungen können über einen langen Zeitraum aufrecht erhalten werden, wenn die Verdunstung schneller abläuft als ein Abbau durch Kristallisation. Es wurden Messungen unterhalb und oberhalb von 32.4°C durchgeführt. Alle unterhalb von 32.4°C durchgeführten Dehnungsmessungen folgen einem einheitlichen Kurvenverlauf. Bei Temperaturen bis 15°C war der Einfluss der Verdunstungsgeschwindigkeit hingegen offensichtlich zu klein, um in nennenswertem Umfang zu einer hohen Übersättigung beitragen zu können. Die Übersättigung wurde nur durch die Löslichkeit des Salzes bestimmt. Es konnte aber gezeigt werden, dass die gemessenen Dehnungen umso größer werden, je weiter sich die Messtemperatur dem Punkt von 32.4°C nähert und dass die Umwandlung von Thenardit zu Mirabilit unterhalb von 32.4°C als reine Kristallisation aus einer übersättigten Lösung die eigentliche Ursache für die Verwitterungsschäden an den Prüfkörpern ist. Oberhalb von 32.4°C konnte die hygrische Dehnung als Hauptursache für die gemessene Expansion an Prüfkörpern identifiziert werden.
In weiteren Experimenten wurde der Einfluss der Temperatur auf die Verdunstungsrate mit Gesteinsstangen bei den Temperaturen 28°C und 40°C überprüft. Dazu wurden die 40 cm langen Gesteinsstangen 5 cm in eine bei der entsprechenden Temperatur gesättigte Natriumsulfatlösung gestellt. Die umgebende Luft hatte eine relative Luftfeuchtigkeit von weniger als 10% und der Transport der Lösung erfolgte im Gestein durch kapillares Saugen. Die Dokumentation der Experimente erfolgte täglich fotografisch. Bei 28°C konnte eine schnell fortschreitende Schädigung gezeigt werden. Die Anreicherung durch die Verdunstung von Wasser aus der Salzlösung im Porenraum ging bei 28°C sehr schnell voran, daher füllte sich der Porenraum auch sehr schnell. Die zur Dehnung notwendige Übersättigung im Porenraum konnte lange Zeit aufrecht erhalten werden. Oberhalb von 32.4°C ist Mirabilit nicht stabil, daher konnte bei 40°C nur eine sehr viel geringere Schädigung beobachtet werden. Auf Grund des sehr viel kleineren molaren Volumens von Thenardit ist für einen vergleichbaren Füllungsgrad des Porenraumes eine deutlich größere Salzmenge notwendig. Abschließend ist festzustellen, dass es durch die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente gelungen ist, die Schädigung der Prüfkörper auf die Kristallisation von Natriumsulfat aus einer übersättigten Lösung zurückzuführen und den Prozess der Verwitterung von Naturwerksteinen besser zu verstehen.
Kurzfassung auf Englisch: For many years sodium sulfate has been considered the cause of the weathering of masonry made of natural stone or other porous materials such as brick and concrete. However, the mechanism for the process of deterioration has been a subject of debate: the increase of volume during hydration was held to be the major cause for weathering, today the focus of research has shifted to the study of crystallization from supersaturated solutions. For the thesis at hand, the effect of crystallization from a supersaturated solution of sodium chloride and sodium sulfate was studied. The effects of the direct hydration of an anhydrous salt by water vapour were excluded by using pre-dried air. Damage was observed by using strain measuring methods. Ebenheider Sandstone was used in all experiments. As Ebenheider Sandstone can bind and exchange cations from the surface of mineral grains, e.g. clay minerals, the samples were prepared by cation exchange to avoid interference by other salts when measuring strain. The strain measurements were carried out using two different methods: the first one uses capacitive digital indicators, the second one uses strain gauges.
A central issue in this thesis is the question whether hydration or crystallization from a supersaturated solution is the cause of the weathering of buildings made of natural stone. There are three ways to create a supersaturated solution. One way is to cool down a saturated solution. Another way is to allow water evaporate from a solution so that it becomes more concentrated and supersaturated. In this process, temperature and the rate of evaporation are the main factors. An increased rate of evaporation leads to a large increase in supersaturation that can last for a long time if the rate of evaporation is faster than the process of crystallization. - Finally, the dissolution of a metastable salt also leads to a supersaturated solution. Thus, there can not be any water direct hydration from the air. Instead, liquid water was transported by capillary suction into the stone dissolving the crystals in the pores. When dissolving thenardite, the solution is supersaturated with respect to mirabilite (Na2SO4 • 10H2O), thus, mirabilite crystallises from a highly supersaturated solution and may cause damage. All strain measurements below 32.4 °C show a similar chronological sequence. At temperatures below 15 °C the solubility of the salt controls the supersaturation and only an insignificant influence of the rate of evaporation on supersaturation could be found. It could be shown however, that higher temperatures, i.e. approaching 32.4 °C, will lead to more extensive strains. Although the mirabilite solubility increases with temperature resulting in smaller supersaturations, the effect of a greater rate of evaporation leads to higher supersaturations in the end. These supersaturations could be measured as large strains in the experiments. It has been shown that below 32.4 °C the transformation of thenardite to mirabilite as a crystallization process from supersaturated solutions is the main cause for the weathering of stone samples. At temperatures above 32.4 °C the mechanism of hygric swelling was identified as the cause for the dilatations. The differences found were reversible and much smaller than below 32.4 °C. The curves measured above 32.4 °C were caused by hygric swelling and not by the dilatation from salt loaded stones. When thenardite is dissolved above 32.4 °C it no longer forms a supersaturated solution. During the evaporation supersaturation may evolve, the crystallizing phase is thenardite rather than mirabilite. Thenardite was found to be less destructive than mirabilite which may be due to the lower molar volume of thenardite which causes the pores to fill at a lower level and the chance that crystals, when growing, reach the walls of the pores, is less likely than when using mirabilite.
The influence of temperature on the rate of evaporation was tested in further experiments using stone samples of 40 cm length at temperatures of 28 °C and 40 °C. A very fast process of damaging was visible in the 28 °C experiment showing complete destruction of the sample within 14 days. The experiment at 40 °C showed much less damage to the samples. In contrast to mirabilite which is only stable below 32.4°C thenardite crystallizes at 40 °C. Its molar volume is much smaller than that of mirabilite which means that for an equal degree of pore space filling with thenardite crystals much more salt needs to be accumulated. This may be the reason for the much slower evolution of visible damage. In conclusion, the results of the experiments employed for this thesis show that crystallization from supersaturated solutions is a major cause of damage to stone samples and other building materials. This study helps to better understand the effects of the weathering damage to buildings and monuments and can lead to preserving our cultural heritage in the future.

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