Kristallisationsverhalten und Übersättigung in gemischten Elektrolytlösungen in Hinblick auf die Salzschädigung poröser Materialien

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Steiger
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470385014

Die Salzschädigung von Baustoffen basiert auf dem Wachstum von im Porenraum eingeschlossenen Kristallen. Voraussetzung für den Aufbau des sogenannten Kristallisationsdrucks, der zur mechanischen Belastung und Schädigung eines Materials führt, ist der Kontakt des eingeschlossenen Kristalls mit einer übersättigten Lösung. Die Höhe der Übersättigung hat einen direkten Einfluss auf die resultierende Materialschädigung, so dass die Untersuchung der Übersättigung von Salzen in Porenlösungen zur Einordung ihres Schadenspotenzials herangezogen werden kann. Für verschiedene Einzelsalze gibt es entsprechende Untersuchungen. An realen Objekten ist die Kontamination mit einem Salz aber die Ausnahme, nahezu immer liegen komplexe Salzmischungen vor. Hier liegt der Fokus dieses Vorhabens, dessen Hauptziel die Untersuchung des Kristallisationsverhaltens und der kritischen Übersättigungen gemischter Lösungen und des sich daraus ergebenden Schadenspotenzials im Vergleich zu den reinen Salzen ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass sehr hohe Anfangsübersättigungen zum Zeitpunkt der Nukleation einen hohen Kristallisationsdruck begünstigen. Folglich werden die kritischen Übersättigungen gemischter Porenlösungen bestimmt. Das Hauptaugenmerk liegt auf hygroskopischen Gemischen von Nitraten und Chloriden, die sehr häufig in historischen Bauwerken im Bereich aufsteigender Feuchigkeit anzutreffen sind. Das Kristallisationsverhalten solcher Salzmischungen wird mit einem thermodynamischen Gleichgewichtsmodell simuliert und der im Modell vorhergesagte Kristallisationsverlauf wird mittels Raman-Mikroskopie unter kontrollierten Temperatur und Feuchtebedingungen validiert. Es folgt dann die Bestimmung der kritischen Übersättigung verschiedener kristalliner Phasen in gemischten Lösungen unter realistischen Bedingungen, d.h. im porösen Material (Natursteinprüfkörper). Wird die Übersättigung der Lösungen durch Abkühlung ausgelöst, erfolgt die Detektion der Nukleation kalorimetrisch. Versuche zur Übersättigung durch Verdunstung werden in Glaskapillaren als Modellsubstraten durchgeführt und mikroskopisch verfolgt. Begleitend werden auch Versuche zur Bestimmung der kritischen Übersättigung bei Verdunstung aus realen porösen Materialien mittels Kalorimetrie und Gravimetrie durchgeführt, jeweils automatisiert und unter kontrollierter Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Auf dieser Grundlage werden thermodynamische Übersättigungen mit mit dem Ionenweberechnet und es erfolgt eine Bewertung der Salze bzw. Salzgemische hinsichtlich ihres Schadenspotenzials. Schließlich werden ergänzende Schädigungsversuche mit Natursteinprüfkörpern durchgeführt, die mit Salzgemischen, deren Kristallisations- und Übersättigungsverhalten im gleichen Material zuvor bereits ermittelt wurde, zyklischen Schädigungsversuchen unterzogen werden. Auf diese Weise können die zuvor ermittelten Schadenspotenziale unter realistischen Bedingungen validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen