Salz im Bauwesen

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Entstehung und Umwandlung von Salzen

Entstehung

Bei Salzen handelt es sich neben der in der Natur vorkommenden Metallbindung und Atombindung um die Ionenbindung.

Salz = Metall-Ionen + Säurerest-Ion
Kationen + Anionen
positiv geladen + negativ geladen

Bohrsches Atommodell

Umwandlung

Aus Base und Säure entsteht Salz und Wasser:

Ca(OH)₂ + H₂CO₃-> CaCO₃ + 2 H₂O

Das Salz (CaCO₃) löst sich in Wasser und wird von diesem durch den Baustoff transportiert. Die Aufspaltung der Ionenbindung in wässriger Lösung wird als Dissoziation bezeichnet.

Schwindet das Wasser durch zum Beispiel Verdunstung, kristallisiert das Salz, wodurch es zu einer Volumenvergrößerung und somit zur Zerstörung des Gefüges der Baustoffe kommt.

Legende

Ca(OH)₂ -> Calciumhydroxid
H₂CO₃ -> Kohlensäure (schwache Säure aus Luft)
CaCO₃ -> Calciumcarbonat
H₂O -> Wasser
H₂SO₄ -> Schwefelsäure (starke Säure)
CaSO₄ -> Calciumsulfat
CaSO₄ * 2 H₂O -> Gips

Bauschädliche Salze

Bei den bauschädlichen Salzen handelt es sich um Sulfate, Chloride und Nitrate. Jedes Salz hat besondere Eigenschaften, weshalb es für eine gezielte Sanierung unerlässlich ist, welche Salze vorhanden sind. Die Salze lassen sich wie folgt aufgliedern:

Kationen/Anionen	Sulfat [sehr kristallisierend]	Chlorid [sehr hygroskopisch]	Nitrat [sehr kristallisierend und hygroskopisch]
Magnesium	Magnesiumsulfat (Bittersalz) [häufige Wechsel der Hydratstufen]	Magnesiumchlorid [stark hygroskopisch]	Magnesiumnitrat [hygroskopisch, kristallisationsaktiv]
Calcium	Calciumsulfat (Gips) [einmalige Volumenzunahme, hygrische Dehnung]	Calciumchlorid [stark hygroskopisch]	Calciumnitrat (Mauersalpeter) [hygroskopisch, kristallisationsaktiv]
Natrium	Natriumsulfat (Glaubersalz) [häufige Wechsel der Hydratstufen]	Natriumchlorid (Speisesalz) [hygroskopisch]	Natriumnitrat (Natronsalpeter) [hygroskopisch, kristallisationsaktiv]
Kalium	Kaliumsulfat [häufige Wechsel der Hydratstufen]	Kaliumchlorid (Kalisalz) [wenig hygroskopisch]	Kaliumnitrat (Kalisalpeter) [wenig hygroskopisch]
Ammonium	Ammoniumsulfat [stark Beton schädigend]	Ammoniumchlorid (Salmiak) [stark Beton schädigend]	Ammoniumnitrat (Ammonsalpeter) [hygroskopisch]

Anionen

SO₄^2- -> Sulfat
Cl^– -> Chlorid
NO₃^– -> Nitrat

Kationen

Mg²⁺ -> Magnesium
Ca²⁺ -> Calcium
Na⁺ -> Natrium
K⁺ -> Kalium
NH₄⁺ -> Ammonium

Quellen von Salzen

Kationen-Quellen

Calcium

Baustoffe wie Kalkmörtel, Beton und kalkhaltige Natursteine
trockene Ablagerungen (Deposition) wie Industriestaub oder Baustofflager
Grundwasser mit hoher Härte/Spritzwasser

Magnesium

Baustoffe wie dolomithaltige Mörtel und Natursteine, Ziegel. Dolomit ist chemisch gesehen ein Calcium-Magnesium-Carbonat
trockene Ablagerungen (Deposition) wie Industriestaub oder Baustofflager
Grundwasser mit hoher Härte/Spritzwasser
Düngemittel
Winterdienst mit Magnesialauge (wässriges Magnesiumhydroxid) auf nahe gelegenen Straßen

Natrium und Kalium

zementhaltige und trasshaltige Baustoffe
Tausalze auf Wegen, in Grundwasser und Spritzwasser sowie im Mörtel
frühere Behandlung mit Natrium- bzw. Kaliumwasserglas oder alkalischen Materialien (heutzutage unüblich)

Ammonium

Harnstoffe von zum Beispiel Tierhaltung oder Toiletten
Düngemittel

Anionen-Quellen

Sulfat (Schwefel)

Luftverunreinigung durch Verbrennung von schwefelhaltiger Kohle und Erdöl (Industrie, Hausbrand)
Baustoffe (gipshaltige Baustoffe, gebrannte Ziegel
Grundwasser und Spritzwasser

Nitrat

Düngemittel, Tierhaltung und Verwesungsprodukte (Friedhof)
Fäkalien (Toiletten)
Ablagerungen (Deposition) aus Luft und Regenwasser (insbesondere Tierhaltung in der Umgebung)
Grundwasser
Autoabgase und andere Hochtemperaturverbrennungen

Chlorid

Tausalze auf Wegen und im Mörtel
Verwendung von Chlorwasserstoff als Reinigungsmittel beim Reinigen
Luftverschmutzung (Verbrennung von Polyvinylchlorid)
Grundwasser und Spritzwasser

Wie Salze Schaden anrichten

Kristallisationsdruck

Bei einer Erhöhung der Salzkonzentration steigt auch der Kristallisationsdruck, welcher das Gefüge des Baustoffes zerstört.

Hydratationsdruck

Wiederkehrender Umbildungsprozess von Salzen in gelöster und fester Form, wodurch der Hydratationsdruck das Gefüge des Baustoffes zerstört.

Hygroskopie

Zusätzlich zum Baustoff nimmt auch das Salz weiter Feuchtigkeit auf, wodurch der Baustoff durchfeuchtet wird und das Salz in gelöster Form weiter transportiert wird. Salz in Kristallstrukturen bilden Kapillarröhren, wodurch Flüssigkeiten weiter nach oben steigen können.

Wasser in Baustoffen

Chemisch gebundenes Wasser

Hierbei handelt es sich um Bestandteile von chemischen Verbindungen. Dieses Wasser entbindet sich erst unter hohen Temperaturen, wobei es dabei den Baustoff schädigt.

Hydratwasser

In Salz eingelagertes Wasser, welches bereits bei Temperaturen ab 45 °C entbunden wird.

Wasser in Gelporen

Wasserstoffbrückenbindung, welche sehr klein sind (nm-Bereich). Dieses Wasser entbindet sich erst unter hohen Temperaturen, wobei es dabei den Baustoff schädigt.

Kritisch: Wasser in Kapillar- und Luftporen

Kapillarkondensation in größeren Poren
Kapillarsog, Adsorptionswasser
mobiles Wasser

Porenarten

geschlossene Poren; Gelporen und chemisch gebundenes Wasser
Kapillarporen; müssen 0,1 – 100 µm groß sein, damit diese Feuchtigkeit kapillaraktiv (entgegen Erdanziehungskraft) transportieren. Je schmaler, desto höher wird die Feuchtigkeit transportiert
Sackporen; münden in einer Sackgasse
Kugelporen/Luftporen; sind großvolumige Poren, welche den Kapillartransport unterbrechen

Brownsche Molekularbewegung

Die Wasserdampfdiffusion in einem Baustoff finden im wesentlichen durch die sogenannte “Brownsche Molekularbewegung” statt. Dies bedeutet, dass die Molekluarbewegung zufällig, ungerichtet und spontan von kleinsten Teilchen in einem flüssigen oder gasförmigen Zustand stattfinden.

Dabei versuchen sich die Teilchen stehts auszugleichen – von hoher Konzentration zu niedriger Konzentration. Die Teilchen streben einen Gleichgewichtszustand an. Somit hängt die Wasserdampfdiffusion, also der Teilchenausgleich zwischen der Außenluft und der Innenluft von folgenden Faktoren ab:

Konzentration
Luftdruck
Temperatur
Porösität des Baustoffes

Kapillartransport

Der Kapillartransport von Feuchtigkeiten innerhalb Baustoffen, also die Durchwanderung der Baustoffe mit Feuchtigkeit – auch entgegen der Schwerkraft, ist neben der Größe der Kapillarporen auch vom Benetzungswinkel der Flüssigkeit abhängig.

Je flacher der Benetzungswinkel, desto höher die Kapillarität. Wird ein Baustoff oder generell ein Stoff hydrophobiert bzw. imprägniert, erhöht sich signifikant der Benetzungswinkel. Perlen die Flüssigkeiten augenscheinlich ab, beträgt der Benetzungswinkel bis zu 180°.

Salzuntersuchungen

Warum müssen wir Schäden vor der Instandsetzung hinsichtlich:

Salzart
Konzentration

überprüfen?

Wir hatten bereits aufgezeigt, dass jedes Salz verschiedene Eigenschaften hat. Sulfate sind sehr kristallin und zerstören dadurch den Baustoff. Diese sind wiederum nur in oberflächennähe in bedenklicher Konzentration vorhanden, also unproblematisch im Bautielquerschnitt bzw. in der Bauteiltiefe. Chloride sinde sehr hygroskopisch und leiten gut Wasser. Nitrate wiederum können beides sehr gut, also Feuchtigkeit leiten und zu schäden führen – über den gesamten Querschnitt des Bauteils.

Damit eine Sanierung langfristig effektiv ist, muss für das jeweilige Salz und die daraus resultierenden Schäden inkl. der sich ergebenden Salzquellen analysiert werden.S anierungsmaßnahmen können sein:

Bauwerksabdichtung
Sanierputz
Salzreduzieren
weitere …

Einfache Verfahren

Quantitativer Ionennachweis

Ein einfaches jedoch auch zerstörendes Analyseverfahren ist die Entnahme einer Baustoffprobe. Der Vorteil ist, dass Salzgehalt und Feuchtigkeit ermittelt werden können.

Die Probe muss jedoch entsprechend behandelt sein, also getrockent und zerkleinert.

Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Eluates; keine Bestimmung welche Salze vorhanden sind
Gravimetrische Bestimmung des Eindampfrückstandes; empfohlenes Analyseverfahren

Qualitativer Ionennachweis mit Merck-Teststäbchen

Teststäbchen wird auf Oberfläche gedrückt, Farbindikator verfärbt sich und zeigt auf, welches Salz vorhanden ist. Dieses Analyseverfahren kann nicht den Salzgehalt feststellen.

Quantitative Verfahren (Menge)

Photometrie

Es wird eine Baustoffprobe entnommen, zerkleiner und gewogen. In einer speziellen Lösung gelöst, kann mit Hilfe einer Lichtquelle abgeschätzt werden, wie hoch die Ionenmenge ist.

Ionenchromatographie

Auch bei diesem Verfahren wird eine Bustoffprobe entnommen, zerkleinert und gewogen. In einem Ionenchromatograph werden die Ionen voneinander getrennt und analysiert, wodurch die Mengen der einzelnen Ionen erfasst werden kann.

Titration

Auch bei diesem Verfahren wird eine Bustoffprobe entnommen, zerkleinert und gewogen. Für die weitere Analyse ist muss die Probe zusätzlich fein zerkleinert werden. Dabei wird die Konzentration des Salzes mit Hilfe einer “Maßlösung” (Base mit bekannter Konzentration) und einem Indikator geprüft. Der Indikator ist ein Färbemittel, welches seine Farbe ändert, sobald ein bestimmter pH-Wert in der Lösung vorhanden ist. Es wird solange die Maßlösung hinzugegeben, bis der Indikator anschlägt, wodurch die Konzentration mit Hinzuziehung des Volumens bestimmt werden kann.

Qualitative Verfahren (Art)

Teststäbchen wird auf Oberfläche gedrückt, Farbindikator verfärbt sich und zeigt auf, welches Salz vorhanden ist. Dieses Analyseverfahren kann nicht den Salzgehalt feststellen.