3.3 Salze und Feuchtigkeit in Putz und Mauerwerk • Bauschädliche Salze • Angriff von aggressiven Wässern und Böden Woher stammen bauschädliche Salze? Entstehung im Baustoff aus Luftschadstoffen SO 2 und NO x aus Brandgasen aggressive Wässer und Böden säurebildende Mikroorganismen Reinigungsverfahren Eindringen von Fremdsalzen Wässer Baugrund Streusalz Fäkalien Schüttgüter Eigensalze aus Herstellungsprozess Bindemittel, Zuschlag, Wasser, Ziegel Typische Schäden durch Feuchtigkeit und bauschädliche Salze
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3.3 Salze und Feuchtigkeit in Putz und Mauerwerk ...stich/Bilder_BU/III.III.pdf · Calcium-Ammonium-Nitrat (Kalk-, Mauersalpeter) Stallungen, Toilettenanlagen Na 2CO 3 ⋅ 10 H 2O
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3.3 Salze und Feuchtigkeit in Putz und Mauerwerk • Bauschädliche Salze • Angriff von aggressiven Wässern und Böden
Woher stammen bauschädliche Salze?
Entstehung im Baustoff � aus Luftschadstoffen SO2 und NOx � aus Brandgasen � aggressive Wässer und Böden
Porengrößenverteilung in Beton und Ziegel (Weber, 1994)
10 nm 100 nm 1 µm 10 µm
Wassertransport im Gebäude
Wasseraufnahme W … gibt die beim Eintauchen in Wasser aufgesaugte Wassermenge mW bezogen auf die Saugfläche A an. Bei kapillarer Wasseraufnahme wandern Salze im Huckepacktransport. W Wasseraufnahme (kg ⋅ m-2)
mW Masse Wasser (kg) A Saugfläche A (m2) w Wasseraufnahmekoeffizient (kg ⋅ m-2 ⋅ h0,5) Maß für die Wasseraufnahme in der Zeiteinheit, abhängig vom Baustoff
twA
mW W ⋅==
W in kg ⋅ m-2 w = 2 w = 1
w = 0,5
8
7
6
5
4
3
2
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 t in h0,5
Wasserkapazität und Wassersättigung (Sättigungsfeuchte) Wasseraufnahme anfangs schnell, dann mit abnehmender Geschwindigkeit bis zur Wasserkapazität Wasserkapazität Feuchtigkeitsgehalt bei vollständiger kapillarer Durch- (m3/m3) feuchtung (Grenzwert für p0, T0), kleiner als Sättigungsf. Wassersättigung alle offenen (wegsamen) Poren mit Wasser gefüllt (m3/m3)
W
t
Postaer Sandstein
Cottaer Sandstein
Wassersättigung
Wasserkapazität
Wasseraufnahmekoeffizient, Wasserkapazität und Sättigungsfeuchte einiger Baustoffe (Weber, 1994)
Rohdichte Wasseraufnahme-koeffizient
Wasserkapazität Sättigungs-feuchte Baustoff
kg/m3 kg ⋅ m-2 ⋅ s0,5 m3/m3 m3/m3
Kalksandstein 1635 0,123 0,27 0,36
1920 0,053 0,20 0,27
Gasbeton 530 0,066 0,29 0,74
640 0,128 0,28 0,60
Gipsbauplatte 600 0,64 0,36 -
900 1,16 0,49 -
Vollziegel 1750 0,420 0,19 0,29
2175 0,049 0,09 0,13
Beton 2290 0,030 0,14 -
2410 0,018 0,19 0,22
Kapillare Steighöhe Adhäsionskraft zwischen Porenwand und Flüssigkeit ist größer als die Kohäsion innerhalb der Flüssigkeit Hmax maximale Steighöhe m
σ Oberflächenspannung des Wassers 72,8 ⋅ 10-3 N ⋅ m-1 (20 °C)
ϕ Benetzungswinkel zwischen Flüssigkeitsspiegel und Kapillarwand ca. 0 °
ρ Dichte des Wassers 103 kg ⋅ m-3
g Erdbeschleunigung 9,8 m ⋅ s-2
r Kapillarradius m
rm105,1
rgcos2
H25
max
−⋅=⋅⋅ρ
φ⋅σ=
Baupraktische Relevanz
Steighöhe für r = 1 µm (10-6 m): m15m10
m105,1H
6
25
max =⋅= −
−
� wird der Kapillarradius sehr klein, nimmt die Sauggeschwindigkeit v stark ab (� v = k´ ⋅ r)
� Hmax wird nicht mehr erreicht, da durchgehende Kapillaren nicht existieren und die oberflächliche Verdunstung zu berücksichtigen ist
r � 0 v � 0
� Praxis: r < 0,1 µm v � 0
r < 40 nm v = 0
Steighöhe für r = 100 µm (10-4 m): m15,0m10
m105,1H 4
25
max =⋅= −
−
� Bei großen Kapillaren wird die maximal mögliche Steighöhe unbedeutend
r � ∞ Hmax � 0
� Praxis: r > 100 µm Hmax � 0
Prinzip der Kapillarkondensation (Weber, 1994)
In einer Kapillare mit dem Radius r tritt bereits un-terhalb des Sättigungs-dampfdrucks p0 Konden-sation ein:
rRTp
pln
0 ρσ−=
rRTerF ρσ−
=
p Wasserdampfdruck
p0 Sättigungsdampfdruck
σ Oberflächenspannung
ρ Dichte des Wassers
R Gaskonstante T absolute Temperatur rF relative Luftfeuchtigk.
Kapillaren von 5 nm Radius bei 75 % rel. LF wassergefüllt
Gleichgewichtsfeuchte von Zementmörtel (Weber, 1994)
65 % rel. LF � ca. 4 M.-% Gleichgewichtsfeuchte
Ausgleichsfeuchten unterschiedlicher Baustoffe
Baustoff Ausgleichsfeuchte in M.-% bei relativer Luftfeuchte
Ausgleichsfeuchte infolge von Kapillarkondensation stets gewisser Anteil an Ausgleichsfeuchte vorhanden
Hygroskopische durch Vorhandensein von Salzen im Baustoff kann Wasseraufnahme mehr Wasser aufgenommen werden, als der Aus- gleichsfeuchte des salzfreien Baustoffs entspricht
Hygroskopische Salze Hygroskopische (wasseranziehende) Salze sind leicht in Wasser löslich. Durch die Ausgleichsfeuchte des Baustoffs ist deshalb stets eine geringe Salzmenge gelöst. Über der gesättigten Salzlösung herrscht aufgrund der hohen Salzkonzentration ein geringer Wasserdampf- druck (Wasser verdunstet schwer).
Ist der Wasserdampfdruck im Raum (relative Luftfeuchtigkeit) größer als der über der Salzlösung, kondensiert Wasserdampf auf der Salzlösung auf und die Feuchtigkeit nimmt zu, weitere Salze gehen in Lösung u. s. w.
Hygroskopisch kann soviel Wasser aufgenommen werden, das nahezu die Sättigungsfeuchte des Baustoffs erreicht wird!
Beispiele für hygroskopisches Verhalten von Salzen bei 20 °C (Werte gerundet) KCl 85 % relative Luftfeuchtigkeit über der gesättigten Lösung �
bei Luftfeuchtigkeit > 85 % Aufnahme von Feuchtigkeit NaCl: 75 % relative Luftfeuchtigkeit über der gesättigten Lösung �
bei Luftfeuchtigkeit > 75 % Aufnahme von Feuchtigkeit NH4NO3: 65 % relative Luftfeuchtigkeit über der gesättigten Lösung �
Bei Luftfeuchtigkeit > 65 % Aufnahme von Feuchtigkeit
Ca(NO3)2 ⋅ 4 H2O 55 % relative Luftfeuchtigkeit über der gesättigten Lösung � bei Luftfeuchtigkeit > 55 % Aufnahme von Feuchtigkeit bei Luftfeuchtigkeit < 55 % Abgabe von Kristallwasser
K2CO3 ⋅ 2 H2O 45 % relative Luftfeuchtigkeit über der gesättigten Lösung � bei Luftfeuchtigkeit < 45 % Abgabe von Kristallwasser
CaCl2 ⋅ 6 H2O 35 % relative Luftfeuchtigkeit über der gesättigten Lösung � bei Luftfeuchtigkeit > 35 % Aufnahme von Feuchtigkeit Bei Luftfeuchtigkeit < 35 % Abgabe von Kristallwasser
Lösung der wasserreichsten Salzhydrate (formal nach vorheriger Hydratation bei niedrigeren relativen Luftfeuchten)
Gleichgewichtsfeuchte und hygroskopische Wasseraufnahme eines Ziegels (Weber, 1994)
Über einer gesättigten NaCl-Lösung stellt sich eine rel. LF von 75 % ein.
� Aufnahme von Feuchtigkeit bei einer rel. LF > 75 %!
� in kleinsten Kapillaren Kapillarkondensation < 75 % rel. LF (hier kondensiert ja auch Wasser < 100 % rel. LF)
• Schäden durch Salze
Schadensmechanismen und Schadens-formen
� Bedeutung der Löslichkeit Temperaturabhängigkeit der Löslichk.
� Durchfeuchtungen (Feuchtflecken) und Ausblühungen
Salzhydrate die in Kapillarporen aus Salzlösungen kristallisieren, nehmen ein größeres Volumen als die Salzlösung selbst ein. Durch zyklische Lösungs- Kristallisations-Vorgänge erfolgt eine Zerstörung des Gefüges. Kristallisationsdruck1) von bauschädlichen Salzen (Weber, 1994)
Kristallisationsdruck in N/mm2, T = 0 ° C Salz
c/cs = 2 c/cs = 10
NaCl 56 184
CaSO4 ⋅ 2 H2O 28 94
MgSO4 ⋅ 7 H2O 11 35
Na2CO3 ⋅ 10 H2O 8 26
Na2SO4 ⋅ 10 H2O 7 23
1)pK abhängig von der Temperatur und dem Grad der Übersättigung der Salzlösung
Hydratationsdruck pH
Wasserfreie oder wasserarme Salze können bei Feuchtigkeitszutritt unter Volumenzunahme Wasser in ihr Kristallgitter einlagern (Hydratation). Die Hydratationsdrücke liegen in der gleichen Größenordnung wie die Kristallisationsdrücke (Angabe in N/mm2).
1)Einbau von Nadeln/Ankern: bei Chlorid >1 M.-% besondere Stahlgüten und spezielle Verpress-/Verfüllmörtel
2)bezogen auf leicht lösliche Sulfate, besonders zu bewerten sind sulfathaltige Baustoffe
3)Salzuntersuchung nur Teil der Bauzustandsanalyse
Berechnen Sie den Sulfatgehalt einer Ziegelprobe in M.-% und mmol/kg, wenn 1 g Ziegelmehl in 100 mL Wasser eine Sulfatkonzentration von 80 mg/L ergibt!
Sulfatgehalt in Massenprozent: Allgemein S(M.-%) - Salzgehalt in M.-% VWasser - Volumen des Wassers mS - Masse an Salz cLösung - Konzentration der Lösung mE - Masse der Probeeinwaage
%.M100m
cV%.M100
mm
%).M(SE
LösungWasser
E
S −⋅⋅
=−⋅=−
Sulfatgehalt in mmol/kg: Allgemein
S(mmol/kg) - Salzgehalt in mmol/kg MS - molare Masse des Salzes nS - Stoffmenge des Salzes
SE
LösungWasser
SE
S
E
S
Mm
cV
Mmm
mn
)kg/mmol(S⋅⋅
=⋅
==
%.M100M%).M(S
)kg/mmol(SS −⋅
−=
Berechnen Sie den Nitratgehalt einer Probe in M.-% und mmol/kg, wenn 1 g Ziegelmehl in 100 mL Wasser eine Nitratkonzentration von 80 mg/L ergibt!
M(NO3
-)= 62,06 mg/mmol
%.M8,0%.M100mg10
Lmg80L1,0%.M100
m
cV%).M(S
3
1
E
LösungWasser −=−⋅⋅⋅=−⋅⋅
=−−
kg/mmol129%.M100mmolkg1062
%.M8,0%.M100M
%).M(S)kg/mmol(S
16S
=−⋅⋅⋅
−=−⋅
−= −−
� extrem hohe Nitratbelastung!
Bedeutung des Kations � Stoffbilanz � Salzart(en) Normierung entsprechend z ⋅ e-
Bestimmung der Anionen 36 mmol/kg Cl- � 36 mmol/kg im Mauerwerk (gering)
Bewertung � Stoffbilanz: stöchiometrisches Verhältnis � Chloride: ohne Bedeutung � Gips: schwerlöslich, Kristallisationsdruck � Magnesiumsulfat: gut löslich, hygroskopisch, Hydratations- und Kristallisationsdruck, Bildung von Doppelsalzen 1,8 …… 48,2 °C 48,2 …………………………………………… 69 °C
Ermittlung der Konzentration eines Stoffes durch Einstrahlung im Absorptions-maximum einer Bande. Es gilt: A ~ c
dcTlgII
lgAD
0 ⋅⋅ε=== -
Häufig werden farblose oder schwach farbige Stoffe (z. B. Anionen und Kationen) mit spezifischen Reagenzien umgesetzt und danach vermessen �
Kolorimetrie (z. B. 511 nm, Bestimmung von Cl--Ionen)
A ~ c
I0 ID
A molare Absorption (oder Extinktion E) I0 Intensität des eingestrahlten Lichtes ID Intensität des austretenden Lichtes T Transmission (Durchlässigkeit)
ε molarer Absorptionskoeffizient (L/mol ⋅ cm)
c Konzentration der Probe (mol/L) d Schichtdicke der Probe (cm)