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 (d. holdbarhed, e. durability). Tæknilegur nottími (d. levetid) efnis eða mannvirkis er sá tími sem efnið heldur nægjanlegum gæðum. Áraunin sem veldur niðurbroti má skipta upp í flokka eftir tegund;

Niðurbrotsferli	Efnishópar	Forsendur
Efnafræðilegt	Allir	vatn / raki, hiti, pH
Raf-efnafræðilegt	Málmar	rafleiðari (vatn/raki), \(O_2\), vetnisjónir (pH), hiti
Eðlisfræðilegt	Allir	kraftáraun, hiti, raki
Lífrænt	Lífrænir	hiti, raki
Geislun	Allir	UV

[hér verður öldrun (d. ældning) ekki tekin sem sérstakt niðurbrotsferli]

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 ryðfríu 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. Sýrustigið nálgast pH7, steypan verður neutral en ekki basísk og veitir því verri vörn fyrir járnin í steypunni.

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

Forsendur tæringar eru;

rafleiðara (d. elektrolyt), oftast vatn, sem tengir anóðu og katóðu
spennumunur milli anóðu og katóðu (annars er engin anóða né katóða!). Rafstraumur í málmi getur verið tilkominn vegna (i) ytri áhrifa (t.d. spennu), eða (ii) snertingar mismunandi málma
rafeindaþiggjandi ferli

Flestir málmar finnast í náttúrunni í einhverjum efnasamböndum; súlföt, oxíð, klóríð, karbónöt, ofl. 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, sést sjaldan í mannvirkjum)
Vökvatæring (rafstraumur veldur tæringu)

Vökva-raftæring járns

Dæmi:

Rafeindir eru teknar upp af rafleiðandi vökva sem rafeindaþiggjanda (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 rafeindaþiggjanda

\[\textrm{Anóða}; \qquad Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e^-\]

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

\[Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2\]

Járn, og vetnisjónir sem rafeindaþiggjanda;

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

Aðgát

Katóðan tærist ekki

8.2.1. Tæringarvörn og spennuröðin

Myndband sem útskýrir spennuröðina (ath. spennuröðin í myndbandinu er frá anóðu til katóðu en í töflunni hér að neðan er hún frá katóðu til anóðu):

Spennuröðin hjálpar okkur að velja efni. Helst eiga mismunandi málmar ekki að snertast, ef þeir snertast ætti eðlari málmurinn að hafa minnst flatarmál.

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 (zink)) 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);

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)

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; vatn eykur rúmmál sitt um 9% þegar það frýs. Miklar spennur byggjast upp í póróttu efni þar sem pórurnar eru vatnsfylltar og efnið springur.

Frostþol steypu

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

Frostsprenging – fræðilega ”krítisk” mettunargráða

“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.

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. Sveppir gróa ef ákveðnar raka- og hitaaðstæður skapast samtímis. Jafnframt sýnir sig að þau hafa samverkun (e. cumulative).

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

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

8.5. Geislun

Forsendur: ljós (UV), varmageislun, útvarpsbylgjur, \(\gamma\)- og röntgengeislun.

UV geislun brýtur niður fjölliður (og þar með lignin í timbri og plast)

Varmageislun; Hækkar hitastig -> efnafræðilegir- og eðlisfræðilegir ferlar byrja.

8.6. Samantekt

Niðurbrotsferlar og mikilvægar forsendur:

Niðurbrotsferli	Efnishópar	Forsendur
Efnafræðilegt	Allir	vatn / raki, hiti, pH
Raf-efnafræðilegt	Málmar	rafleiðari (vatn/raki), \(O_2\), vetnisjónir (pH), hiti
Eðlisfræðilegt	Allir	kraftáraun, hiti, raki
Lífrænt	Lífrænir	hiti, raki
Geislun	Allir	UV

Mikilvægt

Samlagningaráhrif (e. superposition)
Heildaráhrif jöfn summu hlutáhrifa. Almennt er gengið út frá því að samlagningarreglan gildi.

Samlegðaráhrif (e. 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).