Untersuchung zum Kristallisationsverhalten und Schadenspotential inkongruent löslicher Salze
Final Report Abstract
Die Kristallisation von Salzen im Porenraum von Baustoffen und anderen porösen Materialien (z.B. Keramik) gilt gemeinhin als einer der bedeutendsten, wenn nicht der bedeutendste Faktor bei der Schädigung historischer Bauwerke und Museumsartefakten. Es ist bekannt, dass Natriumsulfat und Magnesiumsulfat ein besonders hohes Schadenspotential besitzen, wenn ihre jeweils niedrigen Hydratstufen befeuchtet werden. In diesem Fall kommt es zur Kristallisation der höheren Hydrate aus stark übersättigter Lösung und deshalb zur Erzeugung hoher Kristallisationsdrücke in porösen Materialien. Ausgangspunkt dieses Vorhabens war die Hypothese, dass ein analoger Schadensmechanismus auch bei inkongruent löslichen Doppelsalzen wirksam sein sollte, da sich auch bei Befeuchtung dieser Salze übersättigte Lösungen bilden, aus denen eines der beteiligten Einzelsalze auskristallisieren kann. Um diese These zu überprüfen, wurden im Rahmen des Vorhabens verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Zunächst wurden unter Verwendung eines thermodynamischen Modells die für eine Reihe von Doppelsalzen relevanten Löslichkeitsdiagramme einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit berechnet. Die Modellierung der Löslichkeiten wurde weiterhin auch auf komplexe Salzgemische ausgedehnt. Es zeigt sich, dass die untersuchten Doppelsalze große Existenzbereiche in komplexen Mischungen besitzen und deshalb ihr Vorkommen in Baustoffen sehr wahrscheinlich ist. Weiterhin wurde die Bildung der Doppelsalze bei Verdunstung aus gemischten Salzlösungen untersucht und es wurden die Phasenumwandlungen bei Befeuchtung in situ unter Verwendung der Raman‐Mikroskopie verfolgt. Schließlich wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm zur Überprüfung des Schadenspotentials dieser Salze bei zyklischen Trocknungs‐ und Befeuchtungsversuchen mit Sandstein‐Prüfkörpern durchgeführt, die einmalig mit den entsprechenden Salzmischungen getränkt wurden. Die im Rahmen des Vorhabens am besten untersuchten Doppelsalze sind Na3NO3SO4∙H2O (Darapskit) und Na2Mg(SO4)2∙4H2O (Blödit bzw. Astrakanit). Weitere Untersuchungen wurden mit Na2Mg(SO4)2∙5H2O (Konyait), K2Mg(SO4)2∙6H2O (Schönit), K3Na(SO4)2 (Glaserit), Ca3(CH3COO)3Cl(NO3)2∙7H2O (Thecotrichit) sowie Ca(CH3COO)Cl∙5H2O (Calclacit) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass prinzipiell der gleiche Schadensmechanismus, der für das hohe Schadenspotential von reinem Natrium‐ bzw. Magnesiumsulfat verantwortlich ist, auch bei der Befeuchtung inkongruent löslicher Doppelsalze wirksam ist. Allerdings zeigen die Untersuchungen, dass bei der Befeuchtung der Doppelsalze die erzielbaren Übersättigungen und somit auch die resultierenden Kristallisationsdrücke deutlich kleiner sind als im Fall der Einzelsalze. Das hat zur Folge, dass das Schadenspotential der Doppelsalze bei Raumtemperatur deutlich kleiner ist. Es konnte aber auch gezeigt werden, dass unter ungünstigen Bedingungen (tiefe Temperaturen, hoher Porenfüllgrad) auch die bei Befeuchtung der Doppelsalze auftretenden Kristallisationsdrücke ausreichend sind, um Sandstein‐Prüfkörper vollständig zu zerstören.
Publications
- In situ Raman observation of crystallization in mixed Na2SO4–NaNO3 solution droplets. Workshop CRYSPOM II: Crystallization in Porous Media, Giessbach (Schweiz), 2010
Linnow K., Steiger M.
- Crystallization behavior of salt mixtures in sandstone and comparison to single salt behavior. 12th International Congress on the Deterioration and Conservation of Stone, New York (USA), 2012
Lindström N., Heitmann N., Linnow K., Steiger M.
- Analyse acetathaltiger Ausblühungenauf Museumsexponaten. Metalla (Sonderheft Archäometrie und Denkmalpflege) 2013, 20, 97–101.
Stahlbuhk A., Linnow K., Steiger M., Röhrs S., Simon S., Juling H.
- In situ Raman observation of the crystallization in NaNO3–Na2SO4–H2O solution droplets. Environ. Earth Sci. 2013, 69, 1609– 1620
Linnow K., Steiger M., Lemster C., De Clercq H., Jovanovic M.
(See online at https://doi.org/10.1007/s12665-012-1997-0) - Performance of limestones laden with mixed salt solutions of Na2SO4–NaNO3 and Na2SO4–K2SO4. Environ. Earth Sci. 2013, 69, 1751‐1761
De Clercq H., Jovanovic M., Linnow K., Steiger M.
- (2014) Influence of the salt concentration on the damage potential of mirabilite and thenardite. In: H. DeClerqc (ed.) Third International Conference on Salt Weathering of Buildings and Stone Sculptures (SWBSS). Royal Institute for Cultural Heritage, Brussels, 2014, pp. 35–48.
Stahlbuhk A., Nissen J., Linnow K., Steiger M.
- Crystallization behavior of a Na2SO4–MgSO4 salt mixture and comparison to single salt behavior. In: H. DeClerqc (ed.) Third International Conference on Salt Weathering of Buildings and Stone Sculptures (SWBSS). Royal Institute for Cultu‐ ral Heritage, Brussels, 2014, pp. 151–166
Lindström N., Talreja T., Linnow K., Steiger M.
- Crystallization behavior of NaNO3–Na2SO4 salt mixtures in sandstone and comparison to single salt behavior. Appl. Geochem. 2015, 63, 116–132
Lindström N., Heitmann N., Linnow K., Steiger M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2015.07.007) - Crystallization behavior of Na2SO4–MgSO4 salt mixtures in sandstone and comparison to single salt behavior. Applied Geochemistry
Volume 69, June 2016, Pages 50-70
Lindström N., Talreja T., Linnow K., Stahlbuhk A., Steiger M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2016.04.005) - The geochemistry of nitrate deposits: I. Thermodynamics of Mg(NO3)2–H2O and solubilities in the Na+–Mg2+–NO3––SO42––H2O system. Chem. Geol. Volume 436, 15 October 2016, Pages 84-97
Steiger M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2016.04.028)
