8. Kafli - Niðurbrot efna og ending

Öll efni verða fyrir áraun á notkunartímanum sem veldur niðurbroti efnanna, hæfileiki efnis til að standast niðurbrotsáraunina nefnist ending (holdbarhed, e:durability). Tæknilegur nottími (levetid) efnis eða mannvirkis er sá tími sem efnið heldur nægjanlegum gæðum.. Áraunin sem veldur niðurbroti má skipta upp í flokka eftir tegund;

../_images/nidurbrotsflokkar.png

8.1. Efnafræðilegt ferli

Algeng áraun er t.d.:

  • Upplausn efna (t.d. í vatni)

    Dæmi: kalk þvæst úr steypu

  • Efnabreyting (nýtt efni myndast)
    Dæmi:

    • Oxun málma; \(2 Fe + 3/2 O_2 \rightarrow Fe_2O_3\)

    Vísbending

    Málmurinn oxast frá yfirborði (aðgengi að súrefni) og í þeim tilfellum sem oxuð málmfilman hindrar áframhald oxunar(súrefni kemst ekki í gegnum filmuna) þá er sagt að málmurinn sé orðinn “passífur” – þetta gerist t.d. á áli og riðfríu stáli, annars nefnist ástandið “aktíft”

    • Alkalí-kísil efnahvörf;

    • Kolsýring steypu; \(Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 + H_2O\)

    Vísbending

    Kolsýring eykur styrk steypunnar (þetta er helsta ástæðan fyrir því að steypa eykur styrk sinn með tímanum) – en breytir jafnframt sýrustigi hennar, sjá síðar!

Hraði breytingarinnar (niðurbrots) er háður;

  • Samsetningu efnisins

  • Þéttleika

  • Hversu hratt efni berast burt

  • Hitastigi (þumalfingursregla: hraðinn tvöfaldast fyrir \(10^{\circ}C\) hitastigshækkun)

8.2. Raf-efnafræðilegt ferli

Flestir málmar finnast í náttúrunni í einhverjum efnasamböndum; súlföt, oxíð, klóríð, karbónöt,… og eru hreinsaðir í einhverju orkukræfu framleiðsluferli. Hreinir málmarnir hafa tilhneigingu til að hvarfast til að ná orkurýrara ástandi á ný… Tæring málma er raf-efnafræðilegt ferli sem getur verið tvenns konar;

  • Gastæring (þurr, krefst almennt að hitastig sé hátt)

  • Vökvatæring (elektrolyt)

Vökva-raftæring járns

../_images/taeringjarns.png

Dæmi:

Rafeindir eru teknar upp af rafleiðandi vökva sem rafeindaþyggjanda (elektronacceptor) sem inniheldur súrefni og eða vetni, hvort um ræðir ræðst m.a. af súrleika lausnarinnar;

\[\textrm{Súrefni} (O_2); \qquad \frac{1}{2}O_2 + 2e^- + H_2O \rightarrow 2OH^-\]
\[\textrm{Vetni} (H^+); \qquad 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2(g)\]

Fyrir járn, og súrefni sem rafeindaþyggjanda

\[\textrm{Anóða}; \qquad Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-\]
\[\textrm{Katóða}; \qquad \frac{1}{2}O_2 + 2e^- + H_2O \rightarrow 2OH^-\]
\[Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2\]

Járn, og vetnisjónir sem rafeindaþyggjanda;

\[FeCO_3, FeCl_2, FeSO_4, FeS_2, Fe_4N\]

Aðgát

Katóðan tærist ekki

Forsendur tæringar eru;

  • rafleiðara (elektrolyt), oftast vatn, sem tengir anóðu og katóðu

  • spennumunur milli anóðu og katóðu (annars er engin anóða né katóða!)

  • rafeindaþyggjandi ferli

Rafstraumur í málmi getur verið tilkominn vegna (i) ytri áhrifa (t.d. spennu), eða (ii) snertingar mismunandi málma

Tæringarvörn og spennuröðin

../_images/spennurod.png

Rafleiðandi vökvi getur verið svo þunnt lag á yfirborði málma að málmurinn virðist þurr, tæring stáls verður t.d. merkjanleg þegar loftraki fer yfir \(60%HR\)..

Almennt þarf að verja málma fyrir tæringu; þetta er gert með fórnarvörn (t.d. galvanhúðun) og yfirborðsmeðhöndlun (t.d. málun).

Vísbending

Báraðar stálklæðningar eru almennt með 0,4 – 0,5mm þykkan kjarna úr stáli og tæringarvörnin er gerð með heitgalvanhúðun; Z275 eða Z350 (zink 275 eða 350 \(\textrm{g}/\textrm{m}^2\), samtals beggja vegna). \(\rho_{zink} = 7,133 \textrm{g}/\textrm{cm}^3\), sem gefur \(38,6 \mu \textrm{m}\) þykka zinkhúð á stálið.

Tæring málma í andrúmslofti er mjög mismunandi eftir tegund málms og ytri aðstæðum, á Íslandi eru áhrif seltu mikil en \(SO_2\) lítil (Björn og Jón, 2002);

../_images/corrosionrate.png

8.3. Eðlisfræðilegt ferli

Innri, tímaháðar, spennur eða spennubreyting sem skemmir efni… Osök spennu getur verið;

  • Bein áraun (kraftur)

  • Hiti

  • Raki

Dæmi um eðlisfræðilegt niðurbrot;

  • Núningur

  • Þreyta undir breytilegu álagi (málmar) eða rakabreytingu (timbur)

  • “Þreyta” timburs undir langtímaálagi

  • Yfirborðsflögnun stökkra efna (vegna hitaáraunar)

  • Hita- eða rakahreyfingar geta valdið sprungum í efni; sem opnar leið fyrir raka inn í efnið, og orsakar raf-efnafræðilegt niðurbrot (t.d. ryðmyndun) og loks eðlisfræðilega áraun á efnið (vegna þenslu)

  • Frostþol steypu

Frostþol steypu

Vatn, a.m.k. hluti þess, í steypu getur frosið, umfang þessa hluta vatnsins fer eftir pórudreifingu og hitastigi (sjá línurit)

../_images/ikkefrysbartvand.png

Frostsprenging – fræðilega ”krítisk” mettunargráða

../_images/rummalsskipting.png

“Krítísk” mettunarmörk (þannig að steypa skemmist ekki þótt hún frjósi) -> vatn sem frýs verður að fá að þenjast út sem nemur rúmmálsbreytingu vatn-> ís:

\[S_{crit}^{teor} = \frac{\textrm{uppgufanlegt vatn}}{\textrm{heildar rúmmál}} = \frac{V_{frost}}{V_{frost} + 0,09V_{frost}} = 0,917\]

í reynd liggja mörkin neðar þar sem jafnan að ofan gerir ráð fyrir að allt loftrúmmálið nýtist, en svo er ekki í reynd, sbr. tilgátu Fagerlund um áhrif vatnsþrýstings í pórunum..

Nauðsynlegar forsendur eðlisfræðilegs niðurbrotsferlis; Kraftáraun, hiti, raki

8.4. Líffræðilegt ferli

Hér er átt við lífverur sem valda niðurbroti; þ.e. skordýr, veirur og sveppir (einnig smádýr, trjárætur..)

Sveppir brjóta niður timbur, niðurbrotið (og nauðsynleg mörk) eru raka- og hitaháð.. jafnframt sýnir sig að þau eru “kúmúlatíf”..

../_images/nidurbrottimburs.png

Niðurbrot timburs (fúasveppir); tími sem þarf svo þyngdartap nemi 5 % (Viitanen 1996)

../_images/nidurbrotstimi.png

Steypa í frárennslisrörum getur grotnað vegna veira sem gefa frá sér \(H_2S\) og aðrar veirur sem umbreyta \(H_2S\) í \(H_2SO_4\) (sjá dæmið í bókinni)

8.5. Geislun

Rafsegulbylgjur: ljós, varmageislun, útvarpsbylgjur, \(\gamma\)- og röntgengeislun Eindir: róteindir, nifteindir, rafeindir (\(\beta\)) ..

UV geislun brýtur niður fjölliður (og þar með lignin í timbri) Varmageislun; Hækkar hitastig -> efnafræðilegir- og eðlisfræðilegir ferlar byrja

8.6. Samantekt

Niðurbrotsferlar og mikilvægar forsendur:

Efnafræðilegir

vatn / raki, hiti, pH

Raf-efnafræðilegir

rafleiðari (vatn/raki), \(O_2\), vetnisjónir (pH), hiti

Eðlisfræðilegir

kraftáraun, hiti, raki

Lífrænir

hiti, raki

Geislun

UV

Mikilvægt

Samlagningaráhrif (superposition)

Almennt er gengið út frá því að samlagningarreglan gildi; þ.e. heildaráhrif jöfn summu hlutáhrifa

Samlegðaráhrif (synergi)

Samanlögð áhrif tveggja eða fleiri ferla stærri heldur en summa einstakra þátta; t.d. tæring vegna áhrifa \(O_3 + NO_2\) fyrir suma málma og áhrifin vaxa hratt með hækkandi loftraka.. Fjölliður brotna almennt hraðar niður í UV ef þau eru rök..(hraðar en sem nemur summu áhrifaþáttanna hvors í sínu lagi)..