Weathering of low-durability potash-lime-silica glass

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurde das Verwitterungsverhalten von Kalk-Kali-Silikatgläsern mit Hilfe der energiedispersiven Elektronenstrahlmikroanalyse im Rasterelektronenmikroskop (ESMA/REM) untersucht. Dazu wurden Glasproben dieses Typs, der vor allem im Mittelalter für die Herstellung von Kirchenfenstern in Verwendung war, an unterschiedlichen Expositionsorten den jeweiligen Umwelteinflüssen für Zeitspannen von 6 Monaten bis 6 Jahren ausgesetzt. Auf den Oberflächen der verwitterten Glasproben konnten vor allem die thermodynamisch stabilen Sulphate der sogenannten Netzwerkwandler Kalium und Calcium (Syngenit K2SO4*CaSO4*H2O, Gips CaSO4*2H2O sowie Arkanit K2SO4) detektiert werden. In vielen Fällen fanden sich weiters KCl oder NaCl, Si-haltige sowie organische Verbindungen von K, Ca und Na. Neben den Oberflächen der Gläser wurden auch Querschliffe der Proben untersucht, um die Auslaugungstiefen der einzelnen Netzwerkwandlerionen zu bestimmen. Dabei stellte sich heraus, dass die einwertigen Ionen (vor allem K+) bedeutend stärker (i.e. zu größeren Tiefen) aus dem Glasnetzwerk herausgelöst werden als die bivalenten Ionen (Ca2+ und Mg2+), was mit einer stärkeren Bindung der letzteren an die nicht verbrückten Sauerstoffzentren erklärt werden kann. In einer weiteren Expositionsserie wurde der Einfluß von Staub auf die Verwitterung der Gläser untersucht. Es konnte unter anderem gezeigt werden, dass bei Anwesenheit von Staub auf der Glasoberfläche eine vergleichsweise geringe relative Luftfeuchte ausreicht, um denselben Verwitterungsgrad zu erreichen wie bei "staubloser" Exposition. Außerdem können sich wasserlösliche Partikel direkt im Flüssigkeitsfilm, welcher sich auf der Glasoberfläche bildet, lösen und so die chemische Zusammensetzung der gebildeten Verwitterungsprodukte beeinflussen. Statistische Berechnungen (multiple Regression) zeigten im wesentlichen Abhängigkeiten der Glasverwitterung von SO2, NO2, RH (relative humidity - Luftfeuchtigkeit) und der Umgebungstemperatur T.

In this thesis the results of the investigations of the weathering behaviour of low-durability potash-lime-silica glasses are reported. Glass samples of two compositions, both similar to medieval stained glasses, were exposed at various test sites in Europe and North America. The weathered specimens were investigated in the scanning electron micropscope in combination with energy-dispersive X-ray microanalysis (SEM/EDX). Mainly sulphates of the network modifier ions K and Ca, such as syngenite (K2SO4*CaSO4*H2O), gypsum (CaSO4*2H2O) and arcanite (K2SO4) could be identified on the weathered glass surfaces, in some cases also chlorides, Si-containing compounds and organic materials were detected. Furthermore, the influence of airborne particulate matter on the weathering behaviour of these glasses was investigated under artificial conditions in the laboratory. The dust influences the degree of weathering of the glasses to a high extent, as the level of the relative humidity (RH), which is necessary for the formation of a water film on the surface of the glass, is reduced because of the presence of deliquescent compounds in the dust. Also the chemical composition of the weathering products formed is influenced by particulates. Statistical analyses using multiple linear regression reveal a dependence of the degree of weathering on the concentrations of the acidifying gases SO2 and NO2 as well as on the climatic parameters temperature (T) and RH.