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Skript GBS 2012 - Profil - Martin Sauder

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Grundlagen der Baustoffkunde für Architekten<br />

Themen Einteilung der Baustoffgruppen, Eigenschaften,<br />

Einsatzbereiche, Verarbeitungskriterien<br />

Naturstein künstliche Mauersteine<br />

Anorganische Bindemittel Beton/Stahlbeton<br />

Mörtel und Estriche Glas<br />

organische Bindemittel Bituminöse Baustoffe<br />

Eisen und Stahl Nichteisenmetalle<br />

Kunststoffe<br />

Semester WS <strong>2012</strong>-13<br />

Wochenstunden 2 h /Woche<br />

Abschluss Klausur<br />

Referent Dipl.-Geol. <strong>Martin</strong> <strong>Sauder</strong><br />

Saargemünder Str. 33 66119 Saarbrücken<br />

Tel: 0049-681-49031 Fax: 0049-681-49055<br />

Mail: martin.sauder@ibs-sauder.de<br />

Web: www.ibs-sauder.de


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 2 von 44<br />

1. Naturstein als Baustoff<br />

1.1. Ablagerungsgesteine<br />

1.1.1. Klastische Sedimentgesteine<br />

griech. kladsein = zertrümmern<br />

Klastische Sedimentgesteine (Trümmergesteine) sind Ablagerungen mechanisch zerkleinerten Verwitterungsmaterials. In<br />

ihrer Struktur unterscheiden sie sich charakteristisch von den Magmatiten dadurch, dass ihre eckigen oder durch Abrollung<br />

rund geschliffenen Gesteins- bzw. Mineraltrümmer durch ein Bindemittel zu einem Festgestein verkittet werden.<br />

Nach der Korngröße unterscheidet man: Psephite (griech. psephos = Brocken), Psammite (griech. psammos = Sand) und<br />

Pelite (griech. pelos = Ton).<br />

Psephite Konglomerate sind Sedimentite, die aus mehr als 50% gut gerundeten bis kantengerundeten Mineral- oder<br />

Gesteinsbruchstücken > 2 mm bestehen. Die Gerölle können aus einer einzigen oder aus mehreren Gesteins-<br />

oder Mineralarten bestehen (monomikte oder polymikte Konglomerate).<br />

Brekzien enthalten vorwiegend eckig-kantige Gesteinsbruchstücke.<br />

Psammite Sandsteine sind überwiegend aus Quarzsand hervorgegangen. Nach dem die Körner verkittenden Bindemittel<br />

unterscheidet man kieselige, kalkige, mergelige, tonige, eisenschüssige usw. Sandsteine.<br />

Arkosen sind feldspatführende Psammite.<br />

Grauwacken enthalten neben psammitischen Korngrößen oft noch Grobmaterial (z.B. Gesteinsbruchstücke<br />

von Tonschiefer o. ä.)<br />

Pelite Tonstein (oder Schieferton) ist diagenetische verfestigter Ton mit oder ohne schichtparallelen Ablösungsflächen.<br />

Tonschiefer sind deutlich geschieferte Tonsteine (bzw. Schiefertone). Dabei kann die Schiefrigkeit oft als<br />

Transversalschiefrigkeit ausgebildet sein. d.h. Schichtungs- und Schieferungsfläche schneiden sich.


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 3 von 44<br />

Neben den Struktureigenschaften der Korngröße und des Rundungsgrades sowie der Textur lässt sich die Mineralzusammensetzung<br />

zur quantitativen Gliederung der klastischen Sedimentite heranziehen.<br />

In unten stehender Abbildung erfolgt die Darstellung des Mischungsverhältnisses der drei Komponenten Quarz, Feldspat<br />

und Ton in einem gleichseitigen Dreieck (Konzentrationsdreieck). Jede Kante beschreibt die Mischung zweier Komponenten.<br />

Jeder Punkt im Inneren des Dreiecks gibt das Mischungsverhältnis dreier Komponenten wieder.<br />

1.1.2. Karbonate, chemische und biogene Sedimente<br />

Chemische Sedimentite sind Ausfällungen von in Wasser gelösten Stoffen. Nach den beteiligten Anionen unterscheidet<br />

man Karbonatgesteine, Sulfat- oder Chloritgesteine (zu Evaporiten zusammengefasst), Kieselgesteine usw..<br />

1.1.2.1. Karbonatgesteine (Kalk, CaCO3)<br />

Anorganische bilden sich Kalkgesteine aus Calciumhydrogenkarbonat-Lösungen, in denen das Lösungsgleichgewicht<br />

entweder durch Entzug des Lösungsmittels (Wasser), Entzug von CO2 oder Temperaturerhöhung verändert wird. Die häufigsten<br />

Ursachen für einen Entzug von CO2 sind Erwärmung der Lösung, Druckentlastung und Assimilation durch Wasserpflanzen.<br />

Kalke, die an Quellen oder Wasserfällen entstehen, bilden lückigen Travertin. In Höhlen bildet sich Kalksinter, z.<br />

T. in Form von Tropfsteinen. Im Meer sedimentierter Kalkschlamm bildet -diagenetisch verfestigt- mikritische (feinstkörnige)<br />

Kalksteine (Mikrit). In bewegtem Wasser bilden sich Kalkooide, die in größeren Mengen Kalkoolithe aufbauen.<br />

Detrituskalk (klastisch), Bezeichnung nach der Korngröße:<br />

> 2 mm Calcirudite (Brekzien, Konglomerate)<br />

0,063 - 2 mm Calcarenite (feinkörnig)<br />

< 0,063 mm Calcilutite (feinstkörnig)<br />

Chemisch sedimentierte Kalke:<br />

Krustenkalke (Travertin, Tropfstein)<br />

oolithische Kalke oder Kalkoolithe<br />

Biogene Kalke (siehe biogene Sedimentite)


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 4 von 44<br />

Korallenkalk, Muschelkalk, Crinoidenkalk (Trochitenkalk)<br />

Kombinationen von 1.1 mit 1.2 und 1.3 sind möglich.<br />

1.1.2.2. Dolomit, Ca Mg(CO3)2<br />

1.1.2.3. Mergel<br />

Dolomite sind im allgemeinen sekundäre Bildungen, in denen das primär kalkige Sediment erst nachträglich durch Zufuhr<br />

und Einbau von Mg2+ in Dolomit umgewandelt wird (Metasomatose). Dabei können zusätzlich Hohlräume im Sediment entstehen<br />

(Zellendolomit). Direkt aus Meerwasser ausgefällte Dolomitgesteine sind sehr selten.<br />

Ablagerungen von Kalkschlämmen gemischt mit Ton bezeichnet man als Mergel.<br />

1.1.3. Evaporite<br />

Unter dem Begriff Evaporite werden leicht lösliche Salzminerale zusammengefasst, die erst relativ spät aus ihrer wässrigen<br />

Lösung (z.B. Meerwasser) ausgefällt werden. (Erst rund 70% des Meerwassers müssen verdunstet sein, bis sich gesteinsbildende<br />

Sulfate, wie Gips oder Anhydrit und Chloride, z.B. Steinsalz und Kalisalz, als chemische Sedimente niederschlagen.)<br />

Kalk CaCO3<br />

Gips CaSO4 * 2 H2O<br />

Anhydrit CaSO4<br />

Steinsalz NaCl<br />

Kalisalz KCl<br />

1.1.4. Kieselige Gesteine<br />

Anorganisch ausgefällte Kieselsäure findet sich z.B. in Feuersteinen. Es handelt sich um schichtweise konzentrierte linsige<br />

und/oder knollige Kieseleinlagerungen diagenetischer Entstehung. Die meisten kieseligen Sedimentite bilden sich organogen.<br />

Diatomeenschlamm Kieselgur<br />

Radiolarienschlamm Radiolarit/Lydit<br />

Feuerstein<br />

1.1.5. Eisenverbindungen<br />

Fe 2+ ist nur in reduzierendem Milieu stabil. Es kann als Eisenkarbonat (FeCO3), Eisensulfid (FeS2) und als Eisensilikat<br />

gefällt werden. Wird es zu Fe 3+ oxidiert, entsteht Limonit (FeOOH). Als Limonit - oder nach Hydroxidentzug als Hämatit -<br />

liefert es die braune bzw. rote Farbe vieler Sedimentite (Bsp.: Buntsandstein). In größerer Konzentration können die genannten<br />

Eisenverbindungen gesteinsbildend auftreten (z.B. in Eisenoolithe).<br />

1.1.6. Biogene Sedimentite<br />

Biogene Sedimentite sind Anhäufungen organischer (tierischer oder pflanzlicher) Reste. Als gesteinsbildende tierische<br />

oder pflanzliche Reste kommen in Frage:<br />

Kalk<br />

z.B. in Form von Kalkinnen- und -außenskeletten zahlreicher Tiergruppen (Korallen, Stromatoporen, Echinodermen,<br />

Bryozoen, Brachiopoden, Muscheln, Schnecken, Foraminiferen usw.); oder in Form anderer Kalkbildungen tierischer und


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 5 von 44<br />

pflanzlicher Organismen (Kotpillen, Inkrustierungen usw.). Je nachdem, ob Kalkskelette am Standort ihres Wachstums<br />

weitgehend unversehrt bleiben oder ob es sich um transportierte und dabei mehr oder weniger zerstörte Kalkteile handelt,<br />

spricht man von kalkigen Biolithiten oder von kalkigen Bioklastiten.<br />

1.2. Magmatische Gesteine<br />

Magmatite entstehen durch Erstarrung hochtemperierter natürlicher, meist silikatischer Gesteinsschmelzen in oder auf der<br />

Erdkruste. Je nachdem, ob die Erstarrung in oder auf der Erdkruste erfolgt, unterscheidet man Tiefengesteine und Ergussgesteine.<br />

1.2.1. Tiefengesteine (Plutonite)<br />

...<br />

Bei der Erstarrung von Plutoniten in der Tiefe erfolgt die Ausscheidung (die Kristallisation ) der gesteinsbildenden Minerale<br />

nach festen Gesetzmäßigkeiten. So wird Ihre Auscheidungsfolge durch die verschiedenen Schmelzpunkte der beteiligten<br />

Minerale bestimmt (fraktionierte Kristallisation).<br />

Bei der Abkühlung eines alle möglichen chemischen Komponenten (einschließlich H2O) enthaltenden Magmas bilden sich<br />

zuerst die am schwersten löslichen Erze und andere weniger häufige Minerale (Akzessorien). Bei fortschreitender Temperaturabnahme<br />

scheiden sich die eigentlichen gesteinsbildenden Silikatminerale aus.<br />

Die dunklen Gemengteile (Mafite) kristallisieren in der Reihenfolge Olivin, Pyroxen, Amphibol, Biotit. Zunächst bilden sich<br />

also die SiO2-ärmeren Gemengteile (Olivin, Pyroxen). Die kieselsäurereichen Mafite (Amphibol, Biotit) folgen erst bei der<br />

sich daraus ergebenden relativen Anreicherung von SiO2 in der Schmelze.<br />

Gleichzeitig mit den dunklen Gemengteilen bilden sich auch bereits die ersten helle Gemengteile, die Feldspäte. Auch hier<br />

kristallisiert zunächst der SiO2-ärmere Ca-Plagioklas und dann die Plagioklase mit zunehmendem Na-Gehalt, zuletzt Albit<br />

und schließlich Kali-Feldspat. Erst wenn der SiO2-Gehalt der Restschmelze ein Mindestmaß erreicht hat, bildet sich Quarz.<br />

In folgender Abbildung sind vier aufeinander folgende zeitliche Phasen der Kristallisation dargestellt:<br />

Olivin kristallisiert zuerst Pyroxen und Ca-reiche Amphibol bildet sich, Zuwachs Abscheidung von Biotit,<br />

Plagioklase treten hinzu und Neukristallisation von Na- und Kalifeldspat<br />

Plagioklasen bei gleichzeitiger zum Abschluss Quarz<br />

Zunahme des Na-Gehaltes als Zwickelfüllung


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 6 von 44<br />

Das geschilderte Nacheinander der Ausscheidung bedingt, dass die späteren Minerale nicht mehr die gleiche Möglichkeit<br />

idiomorpher (eigengestaltiger) Ausbildung haben, wie die zuerst ausgeschiedenen; es bildet sich ein Gestein mit idiomorphen,<br />

hypidiomorphen (fast eigengestaltigen) und xenomorphen (fremdgestaltigen) Kristallen.<br />

Die langsame Abkühlung von in der Tiefe erstarrenden Magmen bedingt, dass alle kristallisierenden Komponenten ungefähr<br />

gleich groß sind, und zwar so groß, dass man sie gut mit freiem Auge unterscheiden kann. Nur Kalifeldspat neigt zu<br />

übermäßigem Größenwachstum, so dass von porphyrartiger Struktur gesprochen wird. Beispiel: porhpyrartiger Granit<br />

Dringt eine Silikatschmelze, die aufgrund ihrer Zusammensetzung in der Lage wäre, das bisher geschilderte "Einheitsgestein"<br />

zu bilden, in die obere Erdkruste vor und kristallisiert sie dort - immer noch in größerer Tiefe - in geologische langen<br />

Zeiten aus, so werden sich ihre Kristalle nach der Reihenfolge ihrer Bildung und gemäß ihrem spezifischen Gewicht (relativ<br />

zur Schmelze) räumlich separieren.<br />

Einerseits führt schon das zeitliche Nacheinander der Ausscheidung zu bestimmten Mineralkoexistenzen: so werden Olivin<br />

+ Pyroxen + Ca-Plagioklase als Erstkristallisate auch Nachbarn im Kristallaggregat (im Gestein) sein; ebenso Biotit + K-<br />

Feldspat + Quarz am Ende der Kristallisation. Andererseits sinken die schwereren Mafite (Olivin und Pyroxen) ab und die<br />

leichteren hellen Komponenten (Plagioklas, später K-Feldspat) konzentrieren sich in höheren Bereichen des<br />

Magmenkörpers.<br />

Durch solche internen Verschiebungen innerhalb des Magmas kommt es zur Bildung unterschiedlich zusammengesetzter<br />

Tiefengesteine. Man spricht von gravitativer Differentiation.<br />

1.2.2. Vulkanite (Ergussgesteine)<br />

Erstarrung von Magma unter vulkanischen Bedingungen bedeutet rasche Kristallisation der Schmelze, die jetzt Lava genannt<br />

wird. Die rasche Abkühlung bedingt dass die kristallisierenden Komponenten der Vulkanite sehr klein bleiben. In den<br />

meisten Fällen kann man sie mit bloßem Auge nicht unterscheiden. In manchen Fällen unterbleibt die Kristallisation überhaupt,<br />

das Erstarrungsgestein ist ein vulkanisches Glas.<br />

Haben sich größere Kristalle als Erstauscheidung schon in der Tiefe gebildet, so "schwimmen" sie als Einsprenglinge in der<br />

jetzt an der Erdoberfläche gebildeten feinstkörnigen oder glasigen Grundmasse (Matrix). Diese porphyrische Struktur ist<br />

grundsätzlich charakteristische für Ergussgesteine. (Wo sich in der Tiefe noch keine oder nur vereinzelt Kristalle gebildet<br />

haben, fehlen natürlich diese Einsprenglinge ganz oder fast ganz).<br />

Wie bei den Tiefengesteinen, so sind auch bei den Ergussgesteinen die Mineralparagenesen durch die chemischen Zusammensetzung<br />

des austretenden Magmas bestimmt (siehe tabellarische Aufstellung der Magmatite; zeitliche Unterscheidung<br />

der Vulkanite).<br />

Bei plötzlicher Druckentlastung (z.B. bei explosionsartigem Ausbruch eines Vulkans) wird Magma durch das rasche Entweichen<br />

der in ihm enthaltenen Gase vielfach völlig zerpratzt. Die Schmelzfetzen oder -tröpfchen erstarren dann in der Luft zu<br />

Schlacken oder feinen glasigen Partikeln (Pyroklastika). Sie werden abgelagert und als Tuffe bezeichnet. Stofflich stimmen<br />

solche vulkanischen Aschen mit den vom gleichen Vulkan gelieferten Laven überein.<br />

1.2.3. Ganggesteine<br />

Ganggesteine füllen mm bis m breite Risse und Spalten in anderen Gesteinen.<br />

Mit ihrer Struktur stehen die Ganggesteine zwischen der gleichkörnigen Struktur der Tiefengesteine und der porphyrischen<br />

Struktur der Ergussgesteine. Weder gibt es nur eine Größenordnung für alle Minerale noch gibt es einen ausgesprochenen<br />

Hiatus zwischen großen Einsprenglingen und der feinstkörnigen Grundmasse. Alle Mineralien sind vielmehr in allen Größenordnungen<br />

vertreten.<br />

Ganggesteine können in ihrer Zusammensetzung dem Inhalt eines dazugehörigen Tiefengesteins entsprechen. Weicht der<br />

Inhalt der Gänge vom Inhalt eines dazugehörenden Tiefengesteins ab, so spricht man von Lamprophyren (mit meist<br />

basicher Zusammensetzung), wenn die Ganggesteine viele dunkle Gemengteile enthalten.<br />

Enthalten solche Gänge dagegen mehr helle Gemengteile (z.B. bei granitischer Zusammensetzung), so heißen sie Aplite<br />

(wenn feinkörnig) oder Pegmatite (wenn grobkörnig).


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 7 von 44<br />

Wichtige magmatische Gesteine


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 8 von 44<br />

1.3. Umwandlungsgesteine (Metamorphite)<br />

Metamorphite entstehen durch Um- bzw. Neukristallisation infolge Druck- und Temperaturerhöhung aus bereits vorhandenen<br />

Magmatiten oder Sedimentiten.<br />

Um den Umwandlungsprozess der Metamorphose von den Vorgängen der Verwitterung und Diagenese (Gesteinsverfestigung)<br />

einerseits und der Anatexis (Gesteinsaufschmelzung) andererseits abzusetzen, muss eine genauere Definition der<br />

Metamorphose wie folgt erweitert werden:<br />

Metamorphose ist die mineralogische Veränderung von Gesteinen unter Beibehaltung des festen Zustandes infolge physikalischer<br />

und chemischer Bedingungen, die außerhalb des Bereichs der Verwitterung und der Diagenese in der Erdkruste<br />

geherrscht haben und die von denjenigen Bedingungen verschieden sind, bei denen die Gesteine entstanden sind.<br />

In folgender Abbildung sind die verschiedenen Arten der Metamorphose in Abhängigkeit von den physikalischen Parametern<br />

Druck (Tiefe) und Temperatur in einem Diagramm dargestellt.


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 9 von 44<br />

1.3.1. Thermometamorphose (Kontaktmetamorphose)<br />

Bei ansteigenden Temperaturen aber gleichbleibend niedrigem Druck wird das Ausgangsgestein durch Um- und Neukristallisation<br />

Korn für Korn verändert. (Rekristallisation, Kristalloblastese). Evtl. noch vorhandene Porositäten verschwinden; die<br />

Einzelkörner kommen zu unmittelbarem Kontakt untereinander.<br />

Erwärmung ohne besonderen Druckeinfluss findet im Kontakt der Schmelze mit Ihrem Nebengestein statt (Kontaktmetamorphose).<br />

Rund um Granitplutone z.B. entstehen Kontakthöfe (Kontaktaureolen), in deren Innenbereich meist lückenloses<br />

und regellos feinkörniges Gefüge vorherrscht (Hornfels); nach außen ist das Auftreten der Porphyroblasten (flecken-, garben-,<br />

knotenartige Sprossungen neuer Minerale) charakteristisch (Chiastolithschiefer)<br />

1.3.2. Thermodynamo-Metamorphose<br />

An der Umbildung der Gesteine ist neben der Temperatur ein gerichteter Druck (stress) beteiligt, weshalb sich neu gebildete<br />

Kristalle (z.B. Glimmermineralien) in eine Fläche einregeln. Es entsteht ein neues Flächengefüge.<br />

Die Thermodynamo-Metamorphose steht in ursächlichem Zusammenhang mit großräumigen (regionalen)<br />

Durchbewegungen der oberen Erdkruste, wie sie sich bei Gebirgsbildungen (Orogenesen) abspielen. Sie wird deshalb - zusammen<br />

mit der Versenkungsmetamorphose - auch meist mit dem Begriff Regionalmetamorphose umschrieben. Typische<br />

Gesteine mit entsprechender Paralleltextur sind Glimmerschiefer und Gneise.<br />

1.3.3. Versenkungsmetamorphose<br />

Werden Gesteine allmählich in größere Tiefen der Erdkruste verlagert, so dass der allseitige Belastungsdruck (strain) stark<br />

ansteigt, die Temperatur dagegen weniger, spricht man von Versenkungsmetamorphose. Weil orogene (deformierende)<br />

Durchbewegungen fehlen, ist der entsprechende Metamorphit nicht geschiefert und das ursprüngliche Gefüge noch weitgehend<br />

erhalten. Nur der Mineralbestand hat sich verändert.<br />

In magmatischen Ausgangsgesteinen übt eine Metamorphose gewöhnlich nur über den gerichteten Druck (stress) einen<br />

modifizierenden Einfluss auf das Gefüge aus; der Mineralbestand als solcher kann durchaus erhalten bleiben. In Sedimentiten,<br />

deren Bildung bei normalen Oberflächentemperaturen erfolgt, ist das anders. Handelt es sich nicht gerade um einen<br />

sehr reinen Quarzsandstein oder reine Kalksteine, so werden die sedimentierten Minerale bei hohem Druck und/oder Temperatur<br />

instabil und durch andere Minerale ersetzt. Dabei lässt die sedimentationsbedingte neue Verteilung der chemischen<br />

Komponenten innerhalb der Sedimenite z. T. neue Mineralarten entstehen, die nur in metamorphen Gesteinen auftreten.<br />

Siehe hierzu die Aufstellung in der Mineraltabelle.<br />

Metamorphe Gesteine können entweder nach ihrem jetzt vorliegenden Gefüge- oder Mineralbestand beschrieben werden<br />

(Beschreibung des Phänotyps), oder sie werden nach dem Ausgangsgestein (Edukt) benannt (Bezeichnung des Genotyps).<br />

Der Mineralbestand in einem metamorphen Gestein ist Ausdruck des durch die Metamorphose erreichten Stadiums der<br />

Umbildung eines sedimentären, magmatischen oder metamorphen Ausgangsgesteins. Er richtet sich nach dem vorhandenen<br />

Stoffangebot und den p/T-Bedingungen. Für die Gesteinsbenennung entscheidend sind nur Mineralgehalte > 10 Vol-%<br />

(=Hauptkomponente).<br />

Bestimmtes Gefügemerkmal für die meisten metamorphen Gesteine ist das Fehlen oder Vorhandensein einer charakteristischen<br />

Paralleltextur.<br />

Begriffe, die den Phänotyp beschreiben, sind:<br />

Gneis fein-grobkörnig mit deutlicher Paralleltextur; Feldspat (>= 20%), Glimmer<br />

(>= 10%); Quarz (>= 10%) (je nach Mineralbestand z.B.<br />

Biotitgneis, Muskovitgneis, Zweiglimmergneis usw.)<br />

Schiefer metamorphes Gestein mit deutlich engständiger Paralleltextur<br />

Tonschiefer Ablösung nach tektonischer Schieferung; feinstkörnig; pelitischer sedimentärer<br />

Mineralbestand nur unwesentlich verändert (nur mikrokristalline<br />

Neubildungen)<br />

Phyllit feinschiefrig, feinstkörnig; Seidenglanz; Hellglimmer (Serizit) ist<br />

Hauptgemengteil oder Chlorit (Grünfärbung)<br />

Glimmerschiefer mittel- bis grobschiefrig; Glimmer ist Hauptgemengteil; Feldspat < 20%<br />

Fels Gefügebezeichnung für massig erscheinende Metamorphite ohne Paralleltextur<br />

Granofels: mittel- bis grobkörnig; granoblastische<br />

Kryptofels: dicht, feinst- bis feinkörnig (< 1 mm).


1.3.4. Anatexis<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 10 von 44<br />

Auch vor die Texturbezeichnung Fels können zur genaueren Beschreibung Mineralnamen gesetzt werden (z.B.<br />

Kalksilikatfels bei Neubildung von Ca-Mg-Silikaten)<br />

Weitere Namen, die den Phänotyp eines metamorphen Gesteins mit seinem Mineralbestand charakterisieren, sind<br />

Quarzit (anstelle Quarzfels oder Quarzschiefer)<br />

Marmor (anstelle Karbonatfels oder Karbonatschiefer)<br />

Amphibolit (anstelle Amphibolitschiefer)<br />

Serpentinit (anstelle Serpentinfels oder Serpentinschiefer)<br />

Bei der Benennung metamorpher Gesteine nach ihrem Ausgangsgestein unterscheidet man zunächst grob zwischen<br />

Orthogesteinen (aus Magmatiten hervorgegangen) und Paragesteinen (aus Sedimentiten).<br />

Ist der Charakter des Ausgangsgesteins noch zu erkennen, verwendet man die Vorsilbe "Meta"- (ein Metagranit ist ein<br />

metamorph überprägter Granit, ein Metasediment ein metamorphes Sedimentgestein, ein Metakonglomerat ein metamorphosiertes<br />

Konglomerat usw.)<br />

Zur besseren systematischen Gliederung der sehr vielfältigen metamorphen Gesteine wurde der Begriff der metamorphen<br />

Fazies eingeführt. Eine metamorphe Fazies umfasst alle diejenigen metamorphen Gesteine, welche während der Metamorphose<br />

in einem bestimmten Bereich physikalisch-chemischer Bedingungen stabil sind. Die Zuordnung eines metamorphen<br />

Gesteins zu einer metamorphen Fazies geschieht aufgrund der Bestimmung fazieskritischer Mineralneubildungen.<br />

Da jedoch in einer makroskopischen Analyse metamorpher Gesteine nicht alle kritischen Faziesminerale gleich mit bloßem<br />

Auge zu erkennen sind, lässt sich in einer ersten Beschreibung des Gesteins oft noch keine genaue Zuordnung des Gesteins<br />

zu einem bestimmten Faziesbereich vornehmen.<br />

Man begnügt sich dann mit der Feststellung der Zugehörigkeit des Gesteins zu einem Bereich geringer Metamorphose<br />

(Epizone), mittlerer Metamorphose (Mesozone) und hoher Metamorphose (Katazone).<br />

Die Anatexis umfasst den gegenüber der Metamorphose nur unscharf abgrenzbaren Druck- und Temperaturbereich, in<br />

dem feste Gesteinspartien teilweise oder völlig aufgeschmolzen werden (hier spielt der Wassergehalt eine wichtige Rolle).<br />

Zuerst wird aus den vorliegenden Gesteinen der am leichtesten schmelzbare Anteil herausgelöst. Solche ersten Aufschmelzungen<br />

haben ungefähr granitische bis granodioritische Zusammensetzung. Nicht aufgeschmolzene - gewöhnlich<br />

dunklere - Reste werden als Restite bezeichnet.<br />

Metamorphose Mineralbestand Gefüge<br />

Kontaktmetam.<br />

Andalusit<br />

(Chiastolith), Feldspat,<br />

Biotit, Cordierit<br />

Quarz, Calcit<br />

massig, grob-<br />

bis feinkörnig<br />

(ohne metamorpheParalleltextur)<br />

geringe<br />

Regionalmetam. Sericit, Chlorit, Serpentin,<br />

Talk, Plagiok-<br />

feinst- bis feinkörnig<br />

Epizone<br />

las (Albit)<br />

Muskovit, Biotit,<br />

metamorphe<br />

Paralleltextur<br />

Staurolith, Disthen,<br />

mittlere<br />

mittelkörnig<br />

Granat (Almandin),<br />

Regionalmetam.<br />

Plagioklas (Oligoklas)<br />

metamorphe<br />

Mesozone<br />

Quarz, Calcit,<br />

Amphibol<br />

Paralleltextur<br />

hohe<br />

Biotit, Cordierit,<br />

Sillimanit, Pyroxen,<br />

Hornblende<br />

mittel- bis grobkörnig<br />

Regionalmetam. (Amphibol), Granat<br />

(Pyrop), Plagioklas metamorphe<br />

Katazone<br />

Paralleltextur z.<br />

T. sich auflösend<br />

Quarz, Calcit, Amphibol<br />

Magmatit<br />

sauer<br />

Magmatit<br />

basisch<br />

Sandstein<br />

keine keine<br />

Veränderung Veränderung. Quarzit<br />

(Ortho-)<br />

Gneis<br />

(Ortho-)<br />

Gneis<br />

(Ortho-)<br />

Gneis<br />

(Chloritschiefer)<br />

(Amphibolit) Quarzit<br />

(Amphibolit) Quarzit<br />

Ton und<br />

sand. Ton<br />

Knoten-<br />

schiefer<br />

Quarzit Phyllit<br />

Glimmerschiefer<br />

(Para-)<br />

Gneis<br />

Mergelton Kalk<br />

Chloritschiefer <br />

Chloritschiefer<br />

Marmor<br />

Marmor<br />

Amphibolit Marmor<br />

Eklogit Marmor


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 11 von 44<br />

1.4. Für Naturstein relevante Eigenschaften und Prüfungen<br />

Kriterien sind zu überprüfen im Einzelfall stets im Hinblick auf den gewünschten Einsatzbereich. Dazu gehören zum Beispiel<br />

die folgenden Anwendungsgebiete:<br />

Z. B. Vorgehängte Fassadenplatten:<br />

Hier ist von Bedeutung eher die Biegezugfestigkeit sowie die Ausbruchfestigkeit am Ankerdornloch als die anderen Kriterien.<br />

Alle Eigenschaften hängen jedoch direkt voneinander ab.<br />

z. B. Bodenbelag:<br />

relevante Kriterien: Abriebfestigkeit<br />

Druckfestigkeit<br />

Wasseraufnahme<br />

Beständigkeit gegen Chemikalien<br />

Handelsnamen der Gesteine: reine Fantasie!<br />

Struktur: Bruchgefahr entlang von Bänderungen und Schieferungsflächen<br />

Beschreibungen sind meist falsch!<br />

Daher Vorsicht. Bei den meisten Laien sind alle harten kristallinen und polierfähigen Gesteine „Granit“, auch wenn das<br />

geologisch und petrographisch falsch ist<br />

Der „Granit Nero Impala“ ist demnach trotz seines Handelsnamens kein Granit, sondern ein Gabbro, also mit dem Basalt<br />

chemisch identisch! Daraus resultieren ganz andere Zusammensetzung und Eigenschaften.<br />

Es gibt einen „Belgisch Granit“, der in Wirklichkeit ein Kalkstein ist!


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 12 von 44<br />

2. Anorganische Bindemittel<br />

2.1. Zement<br />

Wortstamm (lateinisch caementum: Bruchstein, Baustein<br />

opus caemtitium: „römischer Beton“<br />

Definition: ein fein gemahlenes hydraulisches mineralisches Bindemittel, das nach dem Anrühren mit Wasser erhärtet<br />

und danach wasserbeständig ist.<br />

Wesentliche Rohstoffe: Kalkstein ca. 70 %<br />

Ton ca. 27 %<br />

Gips ca. 3 %<br />

Chemismus: CaO Calciumoxid 58–66 %<br />

SiO2 Siliziumdioxid 18–26 % in Form von Kalziumsilikaten<br />

Al2O3 Aluminiumoxid 4 – 12 % in Form von Calciumaluminaten<br />

Fe2O3 Eisenoxid 2 – 5 % in Form von Kalziumferriten<br />

Herstellung Die Zusatzstoffe werden bei Temperaturen von 1400–1450 °C in Drehrohröfen zum so genannten Zementklinker<br />

gebrannt. Dieser Klinker wird anschließend in Mühlen (Rohrmühlen, Vertikalmühlen) unter<br />

Zugabe von Gips, Anhydrit und eventuell sonstigen Zumahlstoffen wie z. B. Hüttensand oder natürliche<br />

Puzzolane zum fertigen Zement vermahlen.


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 13 von 44<br />

Entwicklung der Zementfestigkeit in Abhängigkeit von der Zementart


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 14 von 44<br />

Eigenschaften und Reaktionen:<br />

Beginn der Reaktion an Korngrenzen und –säumen<br />

Zunächst Bildung langfaseriger Kristalle<br />

Danach Ausbildung kurzfaseriger nadeliger Kristalle mit guter Verzahnung<br />

Daraus resultierende Eigenschaften:<br />

hoher pH-Wert,<br />

gute Druckfestigkeit,<br />

Porosität,<br />

geringe Zug- und Biegefestigkeit<br />

Portlandit (Calciumhydroxid): verantwortlich für pH-Wert<br />

Partikelgröße der CSH - Phasen: < 0,1 μm.<br />

Daraus resultiert die Bezeichnung „Zementgel“<br />

Sehr große innere Oberfläche der CSH – Phasen, von ca. 250 – 300 m 2 /g<br />

Daher: große Massenanziehungskräfte innerhalb des Zementgels („van der Waals-Kräfte“), die wiederum guten inneren<br />

Zusammenhalt bewirken.<br />

Dies zusammen mit der chemischen Bindung führt zu der hohen Festigkeit und der großen Bedeutung des CSH innerhalb<br />

der verschiedenen Zementsteinphasen


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 15 von 44<br />

Kennzeichnung der Farben<br />

von Zementverpackungen<br />

und ihrer Aufdrucke


2.2. Kalk<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 16 von 44<br />

2.2.1. Definition<br />

Kalke sind Bindemittel, die durch Brennen von Kalkstein gewonnen werden. Je nach der Zusammensetzung des Kalksteins<br />

und der daran orientierten Brenntemperatur unterscheiden wir Luftkalke und hydraulisch erhärtende Kalke. Erstere benötigen<br />

zur Erhärtung das in der Luft enthaltene CO2 zur Karbonatisierung; unter Wasser gelagert erhärten sie nicht. Letztere<br />

benötigen CO2 nur bedinkt und erhärten auch weitgehend unter Wasser durch Bildung von Calciumsilikathydraten bzw. sind<br />

nach der Erhärtung wasserbeständig.<br />

2.2.2 Herstellung (von Luftkalk)<br />

Der im Steinbruch abgebaute, gebrochene Kalkstein wird bei rund 900°C gebrannt. Der dabei in stückiger Form gewonnene<br />

"gebrannte Kalk" wird unter Zugabe von Wasser gelöscht; es entsteht unter Volumenvergrößerung der "gelöschte Kalk"<br />

oder "Kalkhydrat". Durch die Volumenvergrößerung bei der Umwandlung zerfallen die Kalkstücke in Pulverform. Die Reaktionsgleichungen<br />

lauten:<br />

Brennen: CaCO3 + 1788 kJ/kg CaCO3 ------> (900°C) CaO + CO2<br />

Löschen: CaO +H2O -------> Ca(OH)2 + 1150 kJ/kg CaO<br />

2.2.3 Erhärtung (von Luftkalk)<br />

Ca(OH)2 in fester Form karbonatisiert bei einem Wassergehalt von 0,8 bis 4,0 Gew.-% mit dem CO2 der Luft zu CaCO3<br />

(Calciumkarbonat). Die dabei erreichbare Festigkeit ist wegen des relativ großen Porengehalts der erhärteten Masse gering.<br />

Durch Wechsel des Feuchtigkeitsgehalts werden Kristallneu- und -umbildungen hervorgerufen. Diese bewirken eine<br />

Steigerung der Festigkeit und Dauerhaftigkeit.<br />

Karbonatisieren: Ca(OH)2 + CO2 -------> CaCO3 + H2O<br />

2.2.4 Eigenschaften und Verwendung (von Luftkalk)<br />

2.2.5 Normen<br />

2.3. Gips<br />

Heute ist als Luftkalk im Handel fast ausschließlich Kalkhydrat erhältlich (Weißkalkhydrat, Dolomitkalkhydrat). Nur vereinzelt<br />

wird noch gebrannter Kalk geliefert. Luftkalk wird vorwiegend für Putz- und Mauermörtel verwendet, an welche vergleichsweise<br />

geringe Festigkeitsanforderungen gestellt werden. Aufgrund ihrer großen Porosität besitzen erhärtete Luftkalkmörtel<br />

eine gute Wasserdampfdurchlässigkeit und gute Wasserabsorptionsfähigkeit. Dies beeinflußt das Klima von Innenräumen<br />

günstig.<br />

In Kombination mit Gips wird Luftkalk zur Herstellung von Gips-Kalk-Mörtel für Innenputze verwendet.<br />

Für Außenputz ist Luftkalk ohne zusätzlichen Oberflächenschutz wegen seiner großen Porosität wenig geeignet (Gefahr der<br />

Durchfeuchtung).<br />

DIN N 459 Baukalk<br />

DIN 4207 Mischbinder<br />

DIN 18550 Putz, Baustoffe und Ausführung<br />

DIN 18555 Mörtel aus mineralischen Bindemitteln, Prüfung<br />

DIN 51043 Trass<br />

2.3.1 Herstellung<br />

Natürlich vorkommender Gipsstein, der als Calciumsulfat-Dihydrat vorliegt (CaSO4 * 2H2O), wird gebrannt. Je nach der<br />

Brenntemperatur wird mehr oder weniger Kristallwasser ausgetrieben. Die Brenntemperatur kann im Bereich zwischen<br />

80°C und 1200°C liegen. Bei Temperaturen unter 180°C entsteht vorwiegend das sogenannte Halbhydrat (CaSO4 *0,5H2O);<br />

bei höheren Temperaturen das wasserfreie Calciumsulfat, der Anhydrit (CaSO4).<br />

Die Brennverfahren werden in das "nasse" und das "trockene" unterschieden. Sie wirken sich auf die äußere Form des gebrannten<br />

und die Festigkeitsbildung des verarbeiteten Gipses aus. Nasses Brennen bei rund 120°C und unter Dampf bewirkt<br />

die Bildung von Halbhydrat, das in äußerlich gut erkennbarer Kristallform vorliegt, auch α - Halbhydrat genannt. Er<br />

ergibt als Mörtel eine gute Druckfestigkeit. Trockenes Brennen ergibt ein flockiges Halbhydrat. Die Flocken besitzen zwar<br />

die gleiche Kristallstruktur wie die Kristalle des α - Halbhydrats; die äußere Gestalt der Flocken lässt jedoch keine regelmä-


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 17 von 44<br />

ßige Kristallform erkennen. Dieses Halbhydrat wird auch als β - Halbhydrat bezeichnet. Es ergibt als Mörtel nur eine geringe<br />

Druckfestigkeit.<br />

Alpha Halbhydrat: Brenntemperatur: 100 °C<br />

Beta – Halbhydrat Brenntemperatur 125 °C (Stuckgips)<br />

Anhydrit III Brenntemperatur 180 °C<br />

Anhydrit II Brenntemperatur 300-800 °C<br />

Anhydrit I Brenntemperatur 1200 °C (instabil, technisch ohne Bedeutung)<br />

Estrichgips: Kalkgips, Brennen mit CaO bei 700 – 800 °C<br />

2.3.2 Erhärtung<br />

Die Erhärtung des mit Wasser gemischten Halbhydrats erfolgt zum einen über dessen Lösung und das Ausscheiden von<br />

Dihyratkristallen aus dieser Lösung, zum anderen durch topochemische Vorgänge. Die Gipskristalle bilden ein filzartiges<br />

Gefüge, das über Oberflächenkräfte zusammengehalten wird und somit ein tragfähiges System darstellt.<br />

Der Anhydrit erhärtet im Prinzip entsprechend dem Halbhydrat, allerdings wesentlich langsamer. Die Reaktionsfähigkeit<br />

nimmt mit höher werdender Brenntemperatur ab. Die Erhärtungsreaktion wird deshalb mit Hilfe von Anregern beschleunigt.<br />

Im Vergleich zu Kalk und Zement ist die Erhärtung bzw. der Brennvorgang keine chemische Umwandlung, sondern nur die<br />

Entwässerung<br />

Alle Änderungen der Eigenschaften resultieren aus den Veränderungen des Kristallwassergehaltes<br />

2.3.3 Eigenschaften und Verwendung<br />

2.3.4. Normen<br />

Abhängig von der Brenntemperatur setzt sich der gebrannte Gips aus unterschiedlichen Mengen Halbhydrat und Anhydrit<br />

zusammen bzw. ist der Anhydrit verschieden reaktionsfreudig. Demzufolge ergibt sich eine Anzahl von Gipssorten, die sich<br />

in ihrer Erhärtungscharakteristik, den daraus resultierenden Verarbeitungseigenschaften und den Eigenschaften im erhärteten<br />

Zustand unterscheiden. Die in der Praxis üblichen Gipssorten sind<br />

Stuckgips Gemisch von Halbhydrat und Anhydrit III<br />

Putzgips, Halbhydrat, Anhydrit II und III, schnellere Versteifung, kürzere Verarbeitung<br />

Estrichgips Anhydrit II mit Kalk, bei 700 – 800 °C gebrannt.<br />

Verwendung: Gipsputze und Gipsmörtel<br />

DIN 1168 Baugipse<br />

DIN 4208 Anhydritbinder<br />

Formenbau, Abformungen, Dentaltechnik<br />

Gispkarton - Trockenbauplatten<br />

Estriche: Anhydritestriche, AFE<br />

Wandbauplatten, Gipsmassivplaten<br />

DIN 4121 Hängende Drahtputzdecken (Rabitzdecken)<br />

DIN 18163 Wandbauplatten aus Gips<br />

DIN 18169 Deckenplatten aus Gips<br />

DIN 18180 Gipskartonplatten<br />

DIN 18350 Putz- und Stuckarbeiten<br />

DIN 18550 Putz, Baustoffe und Ausführung


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 18 von 44<br />

Beton / Stahlbeton<br />

Geschichte<br />

Betonzusatzstoffe<br />

Beton ist ein künstliches Gestein aus Zement, Betonzuschlag (Sand und Kies) und Wasser. Er kann außerdem Betonzusatzstoffe<br />

und Betonzusatzmittel enthalten.<br />

Der Zement dient als Bindemittel, um die anderen Bestandteile zusammenzuhalten. Die Festigkeit des Betons entsteht<br />

durch Auskristallisierung der Klinkerbestandteile des Zements, wodurch sich kleinste Kristallnadeln bilden, die sich fest ineinander<br />

verzahnen. Das Kristallwachstum hält über Monate an, sodass die endgültige Festigkeit erst lange nach dem Betonguss<br />

erreicht wird.<br />

Beton kann zwar hohen Druck aushalten, versagt aber bei niedrigen Zugbeanspruchungen. Beton wird daher im Hochbau<br />

häufig in Zusammenhang mit Betonstahl als Stahlbeton verwendet. Bei diesem Verbundbaustoff übernimmt der Beton entsprechend<br />

seinem Materialverhalten die Druckkräfte und der vom Beton umhüllte Stahl die Zugkräfte.<br />

Beton lässt sich unterscheiden nach<br />

der Trockenrohdichte (Leichtbeton, Normalbeton, Schwerbeton)<br />

der Druckfestigkeit<br />

dem Ort der Herstellung, der Verwendung oder dem Erhärtungszustand (Baustellenbeton,<br />

Transportbeton, wasserundurchlässiger Beton, Unterwasserbeton, Frischbeton,<br />

Festbeton)<br />

der Konsistenz (selbstverdichtender Beton, Fließbeton, steifer Beton)<br />

Die Betoneigenschaften sind abhängig von der<br />

Zusammensetzung (Zementgehalt, Menge Anmachwasser, Wasserzementwert, Kornabstufung,<br />

Qualität der Zuschlagstoffe, Mehlkorngehalt)<br />

Verarbeitung (Verdichtung, Nachbehandlung)<br />

Der Name Beton kommt aus dem französischen und leitet sich vom lateinischen Bitumen (schlammiger Sand, Erdharz,<br />

Bergteer, Kitt) ab.<br />

Schon die Römer kannten vor 2000 Jahren Beton (lat. opus caementitium). Die Römer bauten ihre Städte mit einem Gemisch<br />

aus Steinen, Sand und Vulkanasche. Ihr Beton ist bis heute unübertroffen, schließlich hält das Material seit mittlerweile<br />

über 2000 Jahren. Ein Quantensprung war die Erfindung des Stahlbetons durch Joseph Monier (Patent: 1867), die<br />

hierfür verwendeten Eisenteile heißen bis heute noch Moniereisen (Häufiger wird allerdings der Begriff Bewehrungsstahl<br />

oder Betonstahl für Moniereisen verwendet). Betonfertigteile und Verbundsteine werden seit den 60er Jahren produziert.<br />

Beton wird in der Modernen Kunst auch für Denkmäler oder Skulpturen verarbeitet. Exotisch ist die Verwendung im Schiffbau<br />

(z.B. in einem Betonboot).<br />

Betonzusatzstoffe sind pulverförmige Betonzusätze, die bestimmte Eigenschaften des Betons beeinflussen. Sie dürfen dem<br />

Beton nur zugegeben werden, wenn sie das Erhärten des Zements, die Festigkeit und die Beständigkeit des Betons sowie<br />

den Korrosionsschutz der Bewehrung nicht beeinträchtigen. Sie sind bei der Betonherstellung als Volumenbestandteile zu<br />

berücksichtigen.<br />

Wenn Betonzusatzstoffe verwendet werden sollen, muss im Vorfeld die Zusammensetzung des Beton mit Eignungsprüfungen,<br />

wie sie z.B. die DIN 1045 vorschreibt, festgelegt werden.<br />

Verschiedene Betonzusatzstoffe:<br />

Mineralische Feinstoffe<br />

Inerte Feinstoffe<br />

Puzzolanische Stoffe<br />

­ Steinkohlenflugasche<br />

­ Traß<br />

­ Silica- Staub<br />

Organische Stoffe<br />

Kunstharzdispersion<br />

Farbpigmente<br />

Fasern<br />

Durch die Beimischung von 5% Glasfasern von Schott gelang es dem Ungarn Aron Losonczi, translumineszente (lichtdurchlässige)<br />

Betonelemente herzustellen. Der "Leuchtbeton", der unter dem Namen "Litracon" auf dem Markt ist, ist derzeit<br />

etwa 1.000-mal teurer als herkömmlicher Beton.


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 19 von 44<br />

Expositionsklassen des Betons nach DIN EN 206-1<br />

Expositionsklassen für Bewehrungskorrosion<br />

Expositionsklassen bei Betonangriff


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 20 von 44<br />

Bauteilanforderungen, beispielhaft<br />

Mindestbetondeckung der Bewehrung


Stahl<br />

Definition<br />

Eigenschaften<br />

Arten von Stählen<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 21 von 44<br />

Stahl ist eine metallische Legierung, deren Hauptbestandteil Eisen ist.<br />

Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die < 2,06 Masse-% Kohlenstoff enthält. Bei<br />

höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen, hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit oder Zementit<br />

vor. Gegenwärtig gibt es aber einige Gruppen von Stählen, in denen Kohlenstoff kein Legierungsbestandteil mehr ist. Ein<br />

Beispiel dafür sind IF-Stähle, in deren Eisenmatrix kein Kohlenstoff interstitiell gelöst ist.<br />

Gegenwärtig werden unter Stählen eisenbasierte Legierungen verstanden, die plastisch umgeformt werden können.<br />

Kohlenstoffstähle sind die am meisten verwendeten metallischen Legierungen. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl<br />

ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen. Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem<br />

Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder.<br />

Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche<br />

allotrope Phasen, Austenit, Ferrit, Perlit, Ledeburit und Zementit. Die Kristallitstruktur von Stahl kann mit dem<br />

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben werden.<br />

Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasen Sorbit, Troostit,<br />

Bainit und Martensit entstehen.<br />

Durch Legieren mit anderen Elementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung, die Kombination<br />

von thermischer Behandlung mit plastischer Umformung, können die Eigenschaften der Stähle für einen breiten Anwendungsbereich<br />

angepasst werden. Man unterscheidet zwischen hoch- und niedrig legierten Stählen. Letztere kennzeichnet<br />

ein Anteil (bezogen auf die Masse der Legierungselemente außer Eisen) unter 5%.<br />

Ferrit: - Eisen, 723 °C.<br />

Martensit (nicht magnetisch) schnelles Abkühlen des Stahls < 300 °C führt zu einer speziellen kristallinen<br />

Struktur, bei C > 0,2 %, der Stahl ist sehr hart und spröde.<br />

Ohne den Anspruch auf Vollständigkeit, werden im Folgenden verschiedene Arten von Stählen angegeben.<br />

Kohlenstoffstahl: Ist das Material was man im allgemeinen unter Stahl versteht. Gewöhnlich<br />

werden Kohlenstoffstähle zusätzlich mit Mangan legiert, um die Festigkeit weiter<br />

zu erhöhen.<br />

Nichtrostender Stahl (Cromargan, Nirosta etc.): Diese gibt es als ferritische und<br />

austenitische Stähle. Ersterer wird durch Legieren von mindestens 10% Chrom erhalten.<br />

In austenitischen nichtrostenden Stählen ist zusätzlich Nickel legiert. Diese Stähle<br />

sind bei Raumtemperatur nichtmagnetisch. Umgangssprachlich werden dies Stähle<br />

auch rostfreie Stähle genannt.<br />

Tiefziehstahl: Darunter werden diejenigen Stahlsorten zusammengefasst, die zum<br />

Weiterverarbeiten durch Tiefziehen geeignet sind. Diese Stähle sind im allgemeinen<br />

sehr weich und dürfen keine ausgeprägte Streckgrenze aufweisen.<br />

Schnellarbeitsstahl: Schnellarbeitsstähle (Schnellstähle) sind hochlegierte Werkzeugstähle,<br />

die hauptsächlich für hohe Schnittleistungen verwendet werden. Sie behalten ihre<br />

Härte bis zur Dunkelrotglut (also bis ca. 600°C).<br />

Einteilungen von Stählen<br />

Die Einteilung von Stählen verläuft nach Ihren Anwendungen und Eigenschaften. Diese kann man grob in 4 Gruppen aufteilen.<br />

Gruppe 1: unlegierte Baustähle<br />

S - allgemeiner Baustahl (z.B.: S295) 295 bedeutet Streckgrenze ReH von 295 N/mm²<br />

E - Maschinenbaustahl<br />

P - Druckbehälterbaustahl


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 22 von 44<br />

Gruppe 2: Einsatzstähle und Vergütungsstähle<br />

C 10, C15 ...... C60...... C n<br />

C bedeutet der Anteil des Kohlenstoffes in n/100 in %<br />

Bei einem Kohlenstoffgehalt < 0,25 % ist der Stahl einsatzhärtbar, darüber vergütbar.<br />

(Achtung: bei Stahl gibt es einen Kohlenstoffgehalt von max. 2 %!)<br />

Gruppe 3: niedrig legierte Stähle<br />

Bei niedrig legierten Stählen liegt der Anteil an Legierungselementen unter 5 %.<br />

Zum Beispiel steht das Kürzel 15CrNi6 für:<br />

15/100 in % C, aber: bei der Ermittlung des Legierungsanteils wird der C-Anteil nicht<br />

mitgerechnet!<br />

Cr und Ni charakterisieren die Legierungselemente<br />

6 = 6/Konstante % Cr - in diesem Fall 1,5 % (Konstante ist in Tabellen für bestimmte<br />

Legierungselemente festgelegt)<br />

Ni hat einen Anteil von < 1 %<br />

Zur Vorgangsweise: Das Legierungselement mit dem höchsten Anteil an der Legierung steht an erster Stelle, im Falle des<br />

Beispiels Cr - diesem wird die 1. Zahl zugeordnet, dem 2. Element die 2. Zahl usw. Kann man keine Zahl zuordnen so ist<br />

der Anteil automatisch unter 1%.<br />

Die Konstanten sind in einer Tabelle fixiert - sie entsteht durch die Zuweisung einer Konstanten zu einem bestimmten Legierungselement.<br />

(z. B.: bei Cr würde die Konstante 4 sein)<br />

Gruppe 4: hoch legierte Stähle<br />

Der Anteil von mindestem einem Legierungselement ist größer als 5 %<br />

Erklärung anhand des Beispiels X5CrNiMoV18-8-2<br />

X - Kennzahl für alle hochlegierten Stähle<br />

5/100 in % C<br />

Cr, Ni, Mo, V charakterisieren die Legierungselemente<br />

18 % Cr , 8 % Ni, 2 % Mo, unter 1 % V<br />

Die Vorgangsweise ist gleich wie in Gruppe 3 - der Unterschied besteht darin, dass der Anteil in Prozent nicht erst über eine<br />

Konstante umgerechnet werden muss sondern direkt abgelesen werden kann.<br />

GJL (Gusseisen lamellar, Kohlenstoff liegt in lamellarer Form vor)<br />

Diese Art des Gusseisen kommt am häufigsten zur Verwendung.<br />

Vorteile: Schwingungen werden durch die laminare Anordnung des Kohlenstoffs gedämpft<br />

Gute Schmierung durch den Kohlenstoff<br />

Nachteile: die mechanischen Eigenschaften sind nicht so gut ausgeprägt wie bei normalem<br />

Stahl<br />

GJS (S = sphärisches Gusseisen, C besitzt eine Kugelform)<br />

Bessere mechanische Eigenschaften als GJL<br />

GJM (M – Tempergusseisen)<br />

Eine Zahl hinter diesen Bezeichnungen würde eine Zugfestigkeit Rm angeben (z. B.: GJS100 Zugfestigkeit von 100 N/mm²)


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 23 von 44<br />

Härte<br />

Festigkeit<br />

Streckgrenze<br />

Dehnung<br />

Einschnürung<br />

Kerbschlagzähigkeit<br />

Elastizität<br />

Warmfestigkeit<br />

Abkühlgeschwindigkeit<br />

Karbidbildung<br />

Verschleißfestigkeit<br />

Schmiedbarkeit<br />

Zerspanbarkeit<br />

Verzunderung<br />

Nitrierbarkeit<br />

Rostbeständigkeit<br />

Legierungskarte<br />

Einfluss der Legierungen auf Stahl<br />

Si Mn* Mn Cr Ni* Ni Al W V Co Mo Cu S P<br />

Legende:<br />

Keinen, oder wenig Einfluss<br />

Verbessert die angegebene Eigenschaft<br />

Verschlechtert die angegebene Eigenschaft


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 24 von 44<br />

ROSTFREIE STÄHLE<br />

1. FERRITISCHE UND MARTENSITISCHE STÄHLE (MAGNETISCH)<br />

wesentliche Legierungskomponente:<br />

2. AUSTENITISCHE STÄHLE (NICHT MAGNETISCH)<br />

wesentliche Legierungskomponenten:<br />

Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit<br />

12 - 18 % Chrom (Cr)<br />

ca. 18 % Chrom (Cr)<br />

>8 % Nickel (Ni)<br />

2 - 4 % Molybdän (Mo)<br />

Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion ( nach dem Schweißen )<br />

Titan ( Ti )<br />

Niob ( Nb )<br />

z. B. Werkstoff-Nr. 1.4571 (üblicher Handelsname V4A)<br />

= X6 CrNiMoTi 17-12-2 d. h. C = 6/100 (%) = 0,06 % C<br />

Cr = 17 %<br />

Ni = 12 %<br />

Mo = 2 %<br />

Ti < 1 %


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 25 von 44<br />

Normen und Richtlinien für Stähle<br />

DIN 1694 Austenitisches Gusseisen<br />

DIN 1681 Stahlgusssorten für allgemeine Verwendungszwecke – Techn. Lieferbedingungen<br />

DIN 17205 Teil 1-3 Stahlguss für das Bauwesen und für allgemeine Anwendungen<br />

DIN EN 10 283 Korrosionsbeständiger Stahlguss<br />

DIN EN 10 020 Begriffsbestimmungen für die Einteilung der Stähle<br />

DIN EN 10 021 Allg. Techn. Lieferbedingungen für Stahl und Stahlerzeugnisse<br />

Prüfung von Stahl<br />

DIN 50 100 Dauerschwingversuch<br />

DIN 50 125 Prüfung metallischer Werkstoffe, Zugproben<br />

DIN 10 002 Metallische Werkstoffe: Zugversuch<br />

DIN 10 45 -1 Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy<br />

DIN EN ISO 6506-1 Härteprüfung nach Brinell<br />

DIN EN ISO 6507-1 Härteprüfung nach Vickers<br />

DIN EN ISO 6508-1 Härteprüfung nach Rockwell<br />

DIN 18 800 Stahlbauten, Bemessung und Konstruktion<br />

DIN 17 100 Allgemeine Baustähle (ersetzt durch DIN EN 10 025)<br />

DIN EN 10 025 Warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen<br />

DIN 10 155 Wetterfeste Baustähle<br />

Nicht rostender Stahl<br />

DIN EN 10 088 Nichtrostende Stähle<br />

Merkblätter Informationsstelle „Edelstahl rostfrei“, Nr. 821, 822, 828, 834 Nichtrostender Betonstahl<br />

DIN EN 10 028 Flacherzeugnisse aus Druckbehälterstählen<br />

Normen Baustahl


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 26 von 44<br />

Normen Betonstahl


Stahlherstellung<br />

Hochofenroute<br />

Direktreduktion<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 27 von 44<br />

Stahl kann entweder aus Eisenerz oder aus Schrott hergestellt werden.<br />

Die Stahlherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mit einem Hochofen. Das Eisenerz wird zunächst<br />

gesintert, um eine geeignete Stückigkeit einzustellen. Der Sinter wird mit Kalk und Koks zum Möller vermischt und anschließend<br />

in den Hochofen chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, in dem im Gegenstrom die Möllersäule<br />

mit heißer Luft, dem so genannten Wind reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die<br />

Reaktion nötige Wärme und Kohlenmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenoxid reduziert. Als Ergebnis<br />

entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden.<br />

Da das Roheisen sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von<br />

Sauerstoff, dem so genannten Frischen, wird der Kohlenstoff reduziert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren<br />

der gewünschten Elemente wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer<br />

Techniken, man unterscheidet zwischen beruhigt und unberuhigt vergossenen Stählen (unter Beruhigen versteht man das<br />

Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium oder Silizium). Dies hat Einfluss auf im<br />

erkaltenden Stahl entstehende Seigerungen (Materialentmischungen, z.B. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das<br />

Schwinden des Materials bedingte Hohlräume). Beide sind mit Qualitätsverlusten verbunden.<br />

Die Nachteile des Hochofens sind, dass hohe Ansprüche an die Einsatzmaterialien gestellt werden und der Ausstoß an<br />

Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und der Koks müssen stückig und hart sein, so dass genügend Hohlräume in der<br />

Möllersäule bestehen bleiben, die das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. Der CO2 Ausstoß stellt<br />

eine hohe Umweltbelastung dar. Deshalb gibt es Bestrebungen die Hochofenroute abzulösen. Bisher hat sich aber kein<br />

Verfahren gegenüber dem Hochofen etablieren können. Zu nennen sind hier die Eisenschwamm- und Pelletsherstellung in<br />

Drehrohröfen sowie die Corex, Midrex und Finex Verfahren.<br />

Das Corex Verfahren ist gegenwärtig am meisten verbreitet. Dieses Verfahren verwendet zwei Gefäße, eins zum Reduzieren<br />

des Erzes und das zweite zum Vergasen der Kohle und Aufschmelzen des Eisens. Da keine hohe Möllersäule getragen<br />

werden muss, kann minderwertige Kohle verwendet werden. In den Konverter wird eine große Menge Sauerstoff eingeblasen<br />

(ca. 1 t O2 t Eisen) und es wird eine große Menge CO haltiges Corex Gas frei, das weiterverwendet werden muss. Die<br />

Rentabilität des Verfahrens hängt von den Kosten für den Sauerstoff und den Erträgen durch die Verwertung des Corex<br />

Gases ab. Diese Restriktionen bedingen gewöhnlich hohe Investitionen in der Peripherie, die die Integration des Verfahrens<br />

in gewachsene Hüttenwerke behindern.<br />

Stahlherstellungsverfahren<br />

Man kann zwischen so genannten Blasverfahren und Herdfrischverfahren unterscheiden.<br />

In den Blasverfahren wird das Roheisen mit Sauerstoff oder Luft gefrischt. Der Oxidationsprozess, der den Kohlenstoffanteil<br />

senkt (das "Frischen"), liefert in diesen Verfahren genug Wärme, um den Stahl flüssig zu halten, eine externe Wärmezufuhr<br />

ist in den Konvertern deshalb nicht notwendig. Die Blasverfahren kann man zusätzlich in Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren<br />

unterteilen. Zu den Bodenblasverfahren gehören das Bessemerverfahren, das Thomasverfahren, die Rennfeuer<br />

und frühen Hochöfen. Das bekannteste Aufblasverfahren ist das LD-Verfahren.<br />

Bei den Herdfrischverfahren wird der zur Oxidation notwendige Sauerstoff dem zugesetzten Schrott und Erz entnommen.<br />

Außerdem muss Herdfrischkonvertern extern Wärme zugeführt werden. Die bekanntesten Herdfrischverfahren sind das<br />

Siemens-<strong>Martin</strong>-Verfahren und der Elektroofenprozess.<br />

Historische Verfahren<br />

Meteoreisen<br />

Rennfeuer<br />

Ursprünglich wurde das Eisen von Meteoren verarbeitet.<br />

Ca. 1500 Jahre vor unserer Zeitrechnung sind die ersten Rennfeuer entstanden. Diese sind Lehmöfen, in die Holzkohle und<br />

Eisenerz schichtweise eingebracht wurden. Im Rennofen entstehen Temperaturen zwischen etwa 1200 und 1300 °C, die<br />

das taube Gestein aufschmelzen und als Schlacke ablaufen lassen. Daher stammt auch der Name: Rennen von Rinnen.<br />

Das Eisen wird durch die Holzkohle reduziert. Es entsteht eine von Schlacketeilchen durchsetzte Luppe, die durch Schmieden<br />

weiterverarbeitet werden kann.<br />

Stück- oder Wolfsofen<br />

Gussstahl<br />

Puddel-Verfahren<br />

Ab etwa dem 12. Jahrhundert wurden die Öfen nicht mehr in die Erde sondern oberirdisch gebaut (Vorläufer der Hochöfen)<br />

und zusätzlich durch wassergetriebene Blasebälge mit Luft versorgt. Auch wurde der Stahl mit wassergetriebenen Hammerwerken<br />

bearbeitet.<br />

Das Roheisen wird im seit 1742 angewendeten Gussstahlverfahren zusammen mit Schrott geschmolzen. Der Sauerstoffanteil<br />

im Schrott frischt das Roheisen und verbesserte somit die Qualität des Stahls.<br />

Im 1784 von Henry Cord in England erfundenen Puddel-Verfahren wird die schon zäh werdende Roheisenmasse mit Stangen<br />

gewendet, so dass möglichst viel der Oberfläche mit der Umgebungsluft in Berührung kommen kann. Durch diesen<br />

Sauerstoffkontakt wird das Roheisen gefrischt und so zu Stahl verarbeitet.


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 28 von 44<br />

Thomas- und Bessemerverfahren, DSN-Verfahren<br />

OBM-Verfahren<br />

Aktuelle Verfahren<br />

Diese sind Konverterverfahren, bei denen durch Bodendüsen des Konverters Gase in die Roheisenschmelze gedrückt<br />

werden. Die Thomas- und Bessemerverfahren verwenden Luft, im DSN-Verfahren (Dampf-Sauerstoff-Neunkirchen) wird<br />

Sauerstoff zusammen mit Wasserdampf statt Luft eingesetzt. Das auch "saures Windfrischverfahren" genannte<br />

Bessemerverfahren wurde 1855 von Henry Bessemer entwickelt. Das Thomasverfahren (auch "basisches Windfrischverfahren"<br />

genannt und bekannt durch die Konverterform: die Thomasbirne) wurde 1878 von Percy Gilchrist und Sidney Thomas<br />

erfunden. Sie unterscheiden sich durch die Ausmauerung des Ofens welche entweder sauer oder basisch wirkt und so verschiedene<br />

Eigenschaften aufweist (im Thomasverfahren eine Dolomit-Teer-Mischung).<br />

Im OBM-Verfahren (Oxygen-Boden-Maxhütte oder Oxygen-Bodenblas-Metallurgie-Verfahren) werden Sauerstoff und Butan<br />

oder Propan durch den Boden des Konverters eingeblasen. Mit der Stilllegung der Neuen Maxhütte in Sulzbach-Rosenberg<br />

im Jahr 2003 ist der einzige OBM Konverter stillgelegt worden.<br />

Linz-Donawitz-Verfahren<br />

Im so genannten LD-Verfahren (benannt nach den Standorten der österreichischen Unternehmen VOEST und Alpine Montan,<br />

jetzt fusioniert zur VOEST-ALPINE STAHL AG, die dieses Verfahren entwickelten) wird durch eine Lanze Sauerstoff<br />

auf das Schmelzbad im Konverter geblasen, so werden unerwünschte Begleitstoffe oxidiert und können dann als Schlacke<br />

abgestochen werden. In den Konverter muss flüssiges Roheisen chargiert werden, da das Verfahren die Einsatzstoffe nicht<br />

aufschmelzen kann. Durch Zugabe von Schrott und Erz kann der Roheiseneinsatz verringert und die Schmelze gekühlt<br />

werden. Der fertige Stahl wird durch Kippen des Konvertergefäßes in Pfannen abgestochen. - In LD-Varianten kann z.B.<br />

gleichzeitig Sauerstoff oder auch anschließend Argon durch Bodendüsen eingeleitet werden (LBE, Lance Bubbling Equilibrium)<br />

oder es wird zusammen mit dem Sauerstoff Kalkpulver eingeblasen (LD-AC-Verfahren).<br />

Siemens-<strong>Martin</strong>-Verfahren<br />

Dieses war von seiner Erfindung 1864 durch Friedrich Siemens und Wilhelm Siemens und seiner Umsetzung zusammen<br />

mit durch Emile <strong>Martin</strong> und Pierre <strong>Martin</strong> bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts die bevorzugte Stahlherstellungsmethode.<br />

Der SM-Ofen besteht aus dem Oberofen, mit dem vom Gewölbe überspannten Schmelzraum und dem Unterofen. Im<br />

Oberofen wird Roheisen und/oder der Schrott chargiert. Im Unterofen sind die Regenerationskammern zur Luft- und<br />

Gasvorwärmung untergebracht. Im Oberofen wird mit Öl- oder Gasbetriebenen Brennern der Schmelzraum beheizt. Die<br />

Reduktion des Kohlenstoffs (Frischen) erfolgt durch den Sauerstoffüberschuss der Brennerflamme oder durch Zugabe von<br />

Eisenerz. In westlichen Ländern wurde dieses Verfahren durch Sauerstoffblasverfahren verdrängt. 1993 wurde in Brandenburg<br />

an der Havel der letzte deutsche SM-Konverter stillgelegt. Er ist heute als technisches Denkmal erhalten.<br />

Elektrostahlverfahren<br />

Durch Schmelzen im Lichtbogenofen kann aus Schrott und Pellets Stahl hergestellt werden. Durch den Lichtbogen wird der<br />

Ofeninhalt aufgeschmolzen. Den Sauerstoff bezieht dieses Verfahren aus der Umgebungsluft. Zusätzlich kann mit einer<br />

Lanze Sauerstoff auf die Schmelze geblasen werden. Dieses Verfahren wird vorwiegend in Ministahlwerken eingesetzt, die<br />

keine Flüssigstrecke zum Herstellen von flüssigen Roheisen benötigen. (Dieses Verfahren wurde 1904 von Paul-Louis<br />

Heroult entwickelt.)<br />

Wirtschaftliche und historische Bedeutung<br />

Der Werkstoff Stahl und die Steigerung seiner Produktion ging über etwa 130 Jahre direkt einher mit der weltwirtschaftlichen<br />

Entwicklung bis in die Gegenwart. In manchen Wirtschaftsbereichen (z.B. Schiffbau) stellte die Stahlproduktion die<br />

einzige Wachstumsgrenze dar. Die technisch-industrielle Revolution der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und die enorme<br />

Steigerung der Stahlproduktion bedingten sich gegenseitig. Der pariser Eiffelturm symbolisiert als gewaltige Stahlkonstruktion<br />

diesen Zeitabschnitt. Die Stahlproduktion einer Volkswirtschaft wurde lange Zeit sogar als Maß für ihre Leistungsfähigkeit<br />

angesehen.<br />

Die Gründe für die große Bedeutung des Stahles:<br />

Ökologie<br />

große Festigkeit<br />

Verfügbarkeit in großen Mengen<br />

Vielseitiger Einsatz durch die Möglichkeit dem Stahl bestimmte Eigenschaften zu geben<br />

(Wärmebehandlung, Legierung, mechanische Bearbeitung)<br />

Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er nahezu ohne Qualitätsverlust unbegrenzt recycelbar ist,<br />

indem der Schrott wieder geschmolzen wird.<br />

Demgegenüber ist der Hochofenprozess ökologisch bedenklich, da er ein bedeutender Emittent von Kohlendioxid ist. Deshalb<br />

wird intensiv an neuen Verfahren der Roheisenerzeugung geforscht


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 29 von 44<br />

Nichteisenmetalle<br />

Blei<br />

Schwermetalle Blei Pb 11,3 g/cm³<br />

Kupfer Cu 8,9<br />

Nickel Ni 8,9<br />

Zink Zn 7,2<br />

Zinn Sn 7,3<br />

Leichte NE-Metalle Aluminium Al 2,7<br />

Magnesium Mg 1,74<br />

Buntmetalle: Kupfer und seine Legierungen<br />

Normen: DIN EN 12 659 Blei<br />

DIN EN 12 548 Bleilegierungen in Blöcken<br />

DIN EN 12 588 Bleche aus Blei im Bauwesen<br />

DIN EN 13 086 Bleioxide<br />

DIN 59 610 Blei und Bleilegierungen<br />

Vorkommen sulfidische Erze v. a. PbS, gemeinsam mit ZnS<br />

Herstellung: Rösten 2 PbS + 3O2 = 2 PbO + 2 SO2<br />

Reduzieren 2PbO + C = 2 Pb + CO2<br />

Aus Werkblei mit 95-98% Pb werden hergestellt:<br />

Feinblei Pb 99,99: Akkus, Farben, Bleibleche<br />

Hüttenblei Pb 99,94: Legierungen, Wasserleitungen<br />

Umschmelzblei Pb 00,75 für Legierungen, sonstige Bleiwaren<br />

Die Herstellung von Blei im Schachtofen nach dem<br />

Röstreduktionsverfahren


Zinn<br />

Zink<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 30 von 44<br />

Eigenschaften kalt leicht verformbar<br />

Niedriger Schmelzpunkt von 327 °C<br />

Korrosionsbeständig an Luft durch Bildung einer Oxidschicht PbO bzw. PbCO3 (Carbonat)<br />

In Wasserleitungen: weiches Wasser löst Blei und bildet giftiges Pb(OH)2<br />

Blei absorbiert sehr gut Schallwellen, Röntgen- und radioaktive Strahlen<br />

Verwendung am Bau Bleiblech (früher Walzblei): 0,5-10 mm, Strahlenschutz, Reaktorbau, Flachdächer, Rinnenauskleidungen,<br />

Abdichtungen, Abdeckungen auf Gesimsen etc.<br />

Bleiwolle: Verstemmen von Anschlüssen, Fugen etc.<br />

Sprossenblei: Bleiverglasungen<br />

Bleirohre: Abwasser, Druckrohre<br />

Sonstige Verwendung: Akkumulatoren, Bleifarben<br />

Eigenschaften: Schmelzpunkt bei 232 °C, sehr weich, lötbar, korrosionsbeständig an Luft und bei schwachen<br />

Säuren<br />

Verwendung: Rostschutzüberzüge (Weißblechdosen, dazu werden 50 % des verarbeiteten Zinns verwendet),<br />

Gießereizubehör,<br />

Lötzinn: als Legierung mit PB: 30 oder 60 % SN zum Weichlöten<br />

Normen DIN EN 611-1 Zinn und Zinnlegierungen<br />

DIN 1742 Zinn Druckgusslegierungen<br />

Eigenschaften: aus ZnCO3 (Zinkspat) oder ZnS (Zinkblende);<br />

durch Rösten und Reduktion mit Koks bei 1250 ° C<br />

Verwendung: Korrosionsschutz: Der größte Anteil des produzierten Zinks dient zum Verzinken von Eisenblech<br />

für Dachrinnen, Eimer, Drähten und Rohren.<br />

Dabei existieren mehrere Verfahren:<br />

Feuerverzinkung Dabei werden die Bleche in geschmolzenes Zink getaucht. Dabei entstehen Zinküberzüge mit<br />

einer Dicke bis zu 0,1mm.<br />

galvanisches Verzinken Dabei benutzt man unter Verwendung einer Zinkanode Bäder mit zinksalzhaltigen Lösungen<br />

(z.B. 25% Zinksulfat und 2% Zinkchlorid). Kleinteile wie Schrauben verzinkt man durch<br />

Sherardisieren, wobei die Schrauben in einer drehbaren Trommel mit einer Mischung aus Zinkpulver<br />

und Quarzsand für 2-10 Stunden gedreht werden. Dabei schlägt sich das Zink in einer<br />

dünnen Schicht auf der Oberfläche nieder.<br />

Metallspritzverfahren Zink in Spritzpistolen geschmolzen, durch Druckgase zerstäubt und auf die zu verzinkenden<br />

Oberfläche gesprüht.<br />

Legierungen Mischt man geschmolzenes Zink und Kupfer, erhält man Messing. Diese Legierung wird in der<br />

Schmuckindustrie und im Sanitärbereich in großem Umfang verwendet.<br />

Während Zinkstaub als Pigment zum Rostschutz in Farben verwendet wird, ist Zinkoxid ein<br />

wichtiges Weißpigment.<br />

Titanzink: Zn 99,995 % mit 0,2 % Ti: höhere Festigkeit, witterungsbeständiger<br />

Verwendung am Bau Bleche, Bänder und Tafeln aus Zinkblech, Dicke ca. 0,5 – 0,8 mm für Dachrinnen, Kehlbleche,<br />

Regenfallrohre, Traufbleche, Mauerabdeckungen<br />

Dacheindeckungen aus Titanzink<br />

Normen: DIN 18339 Klempnerarbeiten<br />

DIN 18460 Regenfallrohre außerhalb von Gebäuden<br />

DIN EN 988 Zink und Zinklegierungen


Kupfer<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 31 von 44<br />

Vorkommen Gewinnung Kupfererze: Sulfide, CuFeS2, Cu2S.<br />

Eigenschaften: weich, dehnbar, lässt sich walzen, ziehen, schmieden und löten. Schmelzpunkt bei 1083 °C<br />

Sehr geringer elektrische Widerstand, daher vielfach in der Elektroindustrie verwendet.<br />

Reines Kupfer ist ein hellrotes, hartes und gut schmiedbares Schwermetall. Es lässt sich zu<br />

hauchdünnen Folien und zu Draht formen. Nach Silber besitzt es die beste elektrische Leitfähigkeit<br />

und Wärmeleitfähigkeit. Mit Zink, Zinn, Silber, Nickel, Eisen, Aluminium, Mangan, Silicium,<br />

Platin, u.a. erhält man Kupfer-Legierungen: Bronze enthält ca. 80-90% Kupfer und 10-<br />

20% Zinn.<br />

Patina: An feuchter Luft bildet sich auf der Oberfläche allmählich ein grünlicher Überzug (Patina), der<br />

im wesentlichen aus Malachit besteht. Die Patina schützt das darunter liegende Kupfer vor weiterer<br />

Korrosion, daher ist Kupferblech für die Abdeckung von Türmen und Dächern gut geeignet:<br />

Nach dem Dachdecken zeigt das Dach zunächst die hellrote Kupferfarbe. Nach wenigen Tagen<br />

wechselt die Farbe in ein dunkles Rot, das durch Kupfer(I)oxid verursacht wird. Später wird das<br />

Dach noch dunkler und es entsteht schwarzes Kupfer(II)oxid.<br />

Aber erst nach einigen Jahren bildet sich unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid, Luft und<br />

Wasser die blaugrüne Patina:<br />

2 Cu + CO2 + H2O + O2 -----> CuCO3 . Cu(OH)2<br />

Verwendung am Bau Bleche als Dacheindeckungen, Gesimsabdeckungen, Fassadenbekleidungen<br />

Kupferrohre: Wasserleitungen, Heizungsbau, Ölleitungen<br />

Drähte: Blitzableiter, Elektroinstallation<br />

Rotmessing: 80-90% Kupfer + 10-20% Zink (für Modeschmuck und Kunstartikel)<br />

Gelbmessing: 60-80% Kupfer + 20-40% Zink (für Maschinenteile und Küchengeräte)<br />

Glockenbronze: 75-80% Kupfer + 20-25% Zinn (für Glocken und Kunstgegenstände)<br />

Konstantan: 57% Kupfer + 41% Nickel + 1% Eisen + 1% Mangan, (elektr. Widerst.)<br />

Neusilber: 45-68% Kupfer + 10-26% Nickel + 12-45% Zink (chir. Instrumente, Essbestecke)<br />

Die Freiheitsstatue in New York ist zum Beispiel von einer Bronzelegierung<br />

umhüllt. Ihr Kupferanteil beträgt etwa 80 Tonnen.<br />

Normen DIN EN 1172 Kupfer und Kupferlegierungen, Blech für das Bauwesen<br />

DIN EN 1412 Europäisches Werkstoffnummernsystem<br />

DIN 1754 Rohre aus Kupfer<br />

DNI 1787 Kupfer Halbzeug<br />

Bei der elektrolytischen Kupferraffination hängt man<br />

Elektrodenplatten aus Garkupfer als Anoden in eine<br />

angesäuerte Kupfersulfatlösung. Als Kathoden dienen<br />

dünne Bleche aus Reinkupfer: Die Elektrolyse wird in<br />

großen Elektrolysierwannen, in denen einige hundert<br />

Elektroden hintereinandergeschaltet sind, bei Spannungen<br />

von 0,4 - 1 Volt durchgeführt.


Aluminium<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 32 von 44<br />

Vorkommen: Nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element der Erde, kommt nur als Verbindung<br />

vor, nicht elementar.Meist Al.-Silikate, in Tonen,<br />

Auch als Oxid; Al2O3 Mineralname Korund, Edelsteinname: Rubin, Saphir<br />

Wichtigstes Erz: Bauxit: entstanden aus Verwitterung von Kalkgesteinen unter bestimmten Bedingungen.<br />

Systemdarstellung der Herstellung: Schmelzflusselektrolyse<br />

Eigenschaften: Al und seine Legierungen überziehen sich sehr schnell mit einer Oxidhaut, dadurch gut korrosionsbeständig.<br />

Anfällige nur bei Säuren und Laugen.<br />

Daher künstliche Schutzschichten wie Emailleüberzüge, Farbbeschichtungen etc.<br />

Häufig: Anodische Oxidation: „Eloxal“. Elektrisch hergestellte Oxidschicht von ca. 30 mikron Dicke<br />

Verwendung Aluminium und seine Legierungen gehören heute zu den wichtigsten Werkstoffen zum Bau von<br />

<strong>Profil</strong>en, Rohren und Blechen.<br />

Dacheindeckungen, Wandbekleidungen, meist Al – Mn – Legierungen<br />

Tore, Fensterprofile, Geländer etc. Meist Al – Mg - Legierungen<br />

Gusslegierungen: Meist AL – Si – Legierungen<br />

Folien: Reinaluminium, als Abdichtung, Dampfsperren auf Bitumenbahnen etc.<br />

Lebensmittelindustrie ist Aluminiumfolie ein wichtiges Verpackungsmittel. Das Metall dient<br />

aber auch zur Herstellung von Kochgeschirr, Milchkannen und Trinkbechern. Aluminiumbronze<br />

wird in Rostschutzfarbe eingesetzt und spielt bei der Herstellung von Feuerwerkskörpern und<br />

Sprengstoffen eine Rolle. Reinstes Aluminium wird in elektrischem Leitermaterial eingesetzt,<br />

z.B. in Hochspannungsleitungen.<br />

Duraluminium ist eine wichtige Aluminiumlegierung für den Fahrzeug- und Maschinenbau und<br />

für die Luftfahrt. Sie enthält neben dem Aluminium etwa 4% Kupfer, 0,5% Magnesium und 0,6%<br />

Mangan, sowie Spuren von Eisen und Silizium.<br />

Normen: DIN EN 573 Chemische Zusammensetzung von Halbzeug<br />

DIN 1771 Winkelprofile aus AL und MG, gepresst<br />

DIN 9713 U-<strong>Profil</strong>e aus Al und Al Legierungen<br />

DIN EN 546-1 Aluminiumfolien<br />

DIN EN 485 Aluminium, Bänder, Bleche Platten<br />

DIN EN 1706 Aluminium Gussstücke<br />

DIN 17611 Anodisch oxidierte Erzeugnisse aus Al … mit Schichtdicken von<br />

mindestens 10 µm


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Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 34 von 44


Holz<br />

Holzarten<br />

Nadelholz<br />

Laubholz<br />

Tropenholz<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 35 von 44<br />

(von althochdeutsch: holz Abgehauenes) bezeichnet die feste harte Substanz des Stammes, der Äste und Zweige von<br />

Bäumen und Sträuchern. Es wird in den Pflanzen von den Zellen des Meristems gebildet. Holz ist ein nachwachsender<br />

Rohstoff.<br />

Es besteht aus:<br />

Cellulose (40 %-50 %)<br />

Lignin (20 %-50 %)<br />

Hemicellulose (Polyosen) (20 %-30 %)<br />

Extrastoffe (1 %-3 %, Tropenholz bis 15 %!): Terpene, Fette, Wachse, Pektine,<br />

Gerbstoffe (nur bei Laubhölzern), Sterine, Harz<br />

Asche (0,1 %-0,5 %, Tropenholz bis 5 %)<br />

Holz wird genutzt als:<br />

Brennstoff: Holz weist als nachwachsender Rohstoff eine extrem günstige Energiebilanz<br />

auf, ohne dass die Produktionsfläche nur der Produktion dient.<br />

Rohstoff für Holzwerkstoffe und Papier.<br />

Rohstoff für chemische Prozesse<br />

Baustoff und Werkstoff: Das höchste Holzgebäude Deutschlands steht in Magdeburg,<br />

Deutschland. Es handelt sich um den Jahrtausendturm (eröffnet 1999 im Rahmen der<br />

Bundesgartenschau auf dem Gelände des Elbauenparks). Der höchste Holzturm der<br />

Welt ist der historische Sendeturm des Senders Gleiwitz in Polen mit 140 m Höhe<br />

Entwicklungsgeschichtlich sind Nadelhölzer älter als Laubhölzer, haben daher einen einfacheren anatomischen Zellaufbau<br />

und besitzen nur zwei Zellarten.<br />

1. Tracheiden: Langgestreckte (prosenchymatische) an den Enden spitz zulaufende Zellen, die nur mit Luft oder Wasser<br />

gefüllt sind. Sie haben einen Anteil von 90% - 95% der Holzsubstanz. Über so genannte Tüpfelpaare erfolgt der Wasseraustausch<br />

zwischen den Zellen. In radialer Richtung sorgen die Holzstrahlen (Quertracheiden) für den Wassertransport.<br />

Sie haben einen Anteil von 4% - 12% an der gesamten Holzsubstanz.<br />

2. Parenchymzellen: Meist rechteckige Zellen, die die Leitung von Nähr- und Wuchsstoffen sowie die Speicherung von<br />

Stärke und Fetten übernehmen. In radialer Richtung bilden sie ebenfalls Holzstrahlen und umgeben die Harzkanäle,<br />

hier spricht man dann auch von Epithelzellen. Diese Epitelzellen produzieren das Harz, welches sie in den Harzkanal<br />

ausscheiden. Auch Nadelbäume, die keine Harzkanäle besitzen (z.B. Tanne) können so im Falle einer Verwundung<br />

traumatische Harzkanäle bilden.<br />

Die Zellen von Laubholz sind wesentlich differenzierter als die von Nadelholz. Man kann sie in drei funktionelle Gruppen<br />

einteilen.<br />

1. Leitgewebe: Gefäße (Tracheen), Gefäßtracheiden, vasizentrische Tracheiden. Die beiden<br />

letzteren sind Zwischenstufen in der Entwicklung von der Tracheide zum Gefäß.<br />

2. Festigungsgewebe: Libroformfasern, Fasertracheiden<br />

3. Speichergewebe: Holzstrahlenparenchymzellen, Längsparenchymzellen, Epithelzellen<br />

Charakteristisch für Laubhölzer sind die in Nadelhölzern nicht vorhandenen Gefäße. Sie sind oft mit bloßem Auge als kleine<br />

Löcher im Holzquerschnitt und als Rillen im Tangentialschnitt zu erkennen.<br />

Man unterscheidet hier noch<br />

ringporige Hölzer (z.B. Eiche, Esche, Robinie...),<br />

halbringporige Hölzer (z.B. Nussbaum, Kirsche...)<br />

zerstreutporiger Hölzer (z.B. Ahorn, Birke, Rotbuche...).<br />

Viele tropische Hölzer zeichnen sich durch vorteilhafte mechanische Eigenschaften und Wetterbeständigkeit aus. Der Konsum<br />

von Tropenholz wurde in den Industrieländern seit den 70er Jahren kritisch diskutiert, da der Bestand der tropischen<br />

Regenwälder unter anderem durch Raubbau gefährdet ist. Andererseits stellt Holz einen wichtigen Wirtschaftsfaktor für vie-


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le tropische Länder dar und ist (wie auch in den gemäßigten Zonen) eine wichtige Einkommensquelle für die ländliche Bevölkerung.<br />

Zertifizierung<br />

Im Zuge der Diskussion zur nachhaltigen Bewirtschaftung in den Tropen wurden angesichts des dort überwiegenden Raubbaus<br />

weltweit gültige Kriterien für eine nachhaltige Waldwirtschaft diskutiert und Siegel entwickelt, die zur Zertifizierung von<br />

ökologisch- und sozialverträglich produziertem Holz verwendet werden.<br />

Das für die Tropen wichtigste Siegel wird vom Forest Stewardship Council (FSC) vergeben. In den gemäßigten Zonen ist<br />

dagegen PEFC von überwiegender Bedeutung. Beide Systeme sind hinsichtlich ihrer Kriterien neben den naturräumlichen<br />

Gegebenheiten an staatlichen Verwaltungseinheiten gebunden.<br />

Vor- und Nachteile von Holz<br />

Entstehung von Holz<br />

Wie jeder andere Werkstoff hat auch Holz seine Vor- und Nachteile. Unter ökologischem Gesichtspunkt ist die Reproduzierbarkeit<br />

sicherlich ein wichtiger Punkt, doch auch die leichte Bearbeitbarkeit und der damit verbundene niedrige<br />

Energiebedarf bei der Gewinnung sowie bei der Verarbeitung spielen hier eine wichtige Rolle. Wandert das Holz schließlich<br />

auf den Müll, oder Fallen bei der Produktion Abfälle an, kann es problemlos entsorgt werden. Im Idealfall kann es sogar<br />

kompostiert werden.<br />

Lassen Begleitstoffe, wie Holzschutzmittel, Lacke oder Leime dies nicht zu, ermöglicht moderne Rauchgasreinigung auch in<br />

diesen Fällen eine thermische Nutzung.<br />

Aufgrund seines geringen Wärmeleitvermögens, ist Holz ein hervorragendes Dämmmaterial (z.B. Faserdämmplatten,<br />

Balsa zur Isolation von Flüssiggastanks). Zudem ist Holz relativ resistent gegen Chemikalien, so wird Holz erst bei einem<br />

pH-Wert < 2 oder > 9 angegriffen.<br />

Zur Brandgefährlichkeit von Holzhäusern ist anzumerken, dass Holz bei großen Dimensionen als brandhemmend eingestuft<br />

ist, da an der Oberfläche eine Kohleschicht entsteht. Durch entsprechende Konstruktion und Anstriche lässt sich die<br />

Widerstandsdauer der Konstruktion weiter steigern. Die Stabilität der Konstruktion sinkt im Falle des Brandes langsam und<br />

abschätzbar durch die sichtbare Abnahme der Masse, bei Stahlkonstruktionen können dagegen hitzebedingte Verformungen<br />

zum plötzlichen Zusammenbruch führen. In Kanada soll Holzbauweise auch für Hochhäuser zulässig sein.<br />

Diese Brennbarkeit kann natürlich auch als Nachteil ausgelegt werden. Ebenso können Wuchsmerkmale oder Holzfehler<br />

positiv wie negativ gewertet werden. Ein wesentlich größerer Nachteil von Holz ist seine Anfälligkeit gegenüber biotischen<br />

Faktoren, es kann also von z.B. Insekten, Pilzen oder Bakterien angegriffen werden und in seiner Substanz nachhaltig<br />

zerstört werden.<br />

Über einen langen Zeitraum schädigt auch UV-Strahlung das Holz. Dabei reagiert das Lignin und kann danach z.B. vom<br />

Regenwasser ausgespült werden. Zudem wird das Holz unter UV-Einwirkung grau wie Beton. Die Wirkung des Sonnenlichts<br />

ist auf die äußeren Schichten begrenzt, ihr kann durch Lackierung begegnet werden.<br />

Ein weiterer Minuspunkt ist die hygroskopische Eigenschaft von Holz, d.h. es kann Wasser aufnehmen und abgeben. Die<br />

Holzfeuchte passt sich quasi seinem Umgebungsklima an. Diese Feuchtigkeitsänderungen unterhalb des Fasersättigungspunktes<br />

gehen mit Formänderungen einher (es quillt und schwindet), die auch noch abhängig von den drei anatomischen<br />

Grundrichtungen des Holzes sind. So schwindet Holz z. B. in tangentialer Richtung am meisten.<br />

Diese Nachteile lassen sich durch konstruktiven Holzschutz - die Anwendung oft alten Wissens, wie Holz zu verbauen ist -<br />

umgehen.<br />

Die langfristige Nutzung von Holz stellt einen über die natürliche Zersetzung hinausgehende CO2-Speicherung dar.<br />

Die Entstehung von Holzsubstanz findet in teilungsfähigen Zellen der Pflanze statt. Man unterscheidet hier zwei verschiedene<br />

Arten von Bildungsgeweben (Meristeme):<br />

Das Scheitelmeristem (Vegetationskegel) sorgt für das Längenwachstum (primäres Wachstum) an den Spross-, Zweig-<br />

und Wurzelspitzen.<br />

Das Kambium, welches sich zwischen Holz und Rinde befindet, sorgt für das Dickenwachstum (sekundäres Wachstum).<br />

Bei der Teilung einer Kambiumzelle entstehen zwei gleiche Zellen, von denen jedoch nur eine ihre Teilungsfähigkeit<br />

behält und zu einer neuen Initialzelle heranwächst. Aus der anderen wird eine Dauerzelle die sich noch ein- oder<br />

mehrmals teilt. Schließlich entsteht je nach Lage eine Bastzelle (Phloem), aus denen die Innenrinde und die daraus<br />

später entstehende Borke bestehen, oder eine Holzzelle (Xylem). Hierbei ist zu beachten, dass die Zellteilung nach innen,<br />

also die Bildung von Holzzellen, wesentlich öfter stattfindet und so der Rindenanteil am gesamten Stamm nur etwa<br />

5% - 15% beträgt. Nachdem sich die Dauerzelle ein letztes Mal geteilt hat, findet eine Differenzierung der Holzzelle zu<br />

einer Leitungs-, Festigungs- oder Speicherzelle statt.<br />

In unseren Breiten gibt es klimatisch bedingt vier Wachstumsphasen:<br />

Ruhephase (November - Februar)<br />

Mobilisierungsphase (März, April)


Verkernung<br />

Glas<br />

Herstellung von Glas<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 37 von 44<br />

Wachstumsphase (Mai - Juli): Holzzellen, die in dieser Jahreszeit entstehen sind<br />

großlumig, dünnwandig und von heller Farbe und bilden das so genannte Frühholz.<br />

Depositionsphase (August - Oktober): Holzzellen, die in dieser Jahreszeit entstehen<br />

sind kleinlumig, dickwandig und von dunkler Farbe und bilden das so genannte Spätholz.<br />

Durch dieses zyklische Wachstumverhalten entstehen Jahrringe, die deutlich in einem Querschnitt durch einen Stamm<br />

erkennbar sind (siehe auch Dendrochronologie).<br />

Bei manchen Bäumen entsteht ab einem Alter von etwa 20 - 40 Jahren im Inneren das Kernholz. Im Gegensatz zu dem<br />

Splintholz besteht es nur noch aus toten Zellen. Hier findet also keine Wasserleitung oder Speicherung von Nährstoffen<br />

mehr statt.<br />

Bei der Verkernung werden die Wasserleitbahnen unterbrochen.<br />

Bei Nadelhölzern geschieht dies durch Verschließen der Hoftüpfel. Bei Laubhölzern findet eine Vertyllung und ein Füllen der<br />

Zelllumen statt.<br />

Danach werden Kerninhaltsstoffe gebildet und in die Zellwände eingelagert, was zu einer dunkleren Farbe des Kernholzes<br />

und oft zu einer Erhöhung der natürlichen Dauerhaftigkeit führt. Man spricht hier von Kernholzbäumen (z.B. Eiche, Nussbaum,<br />

Kiefer, Douglasie...). Bei Splintholzbäumen (z.B. Bergahorn, Birke, Erle...) ist kein Unterschied zwischen innerem<br />

und äußerem Holz zu erkennen. Manche Bäume weisen noch einen unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalt über den Querschnitt<br />

auf, man spricht hier von Reifholzbäumen (z.B. Fichten, Birnbaum, Buche...) und Kern-Reifholzbäumen (z.B. Esche,<br />

Ulme).<br />

Unter Glas (soviel wie "glasa", germanisch für Bernstein; das Glänzende oder Schimmernde) versteht man einen amorphen<br />

Feststoff. Glas ist eine ohne wesentliche Kristallbildung erstarrte Schmelze und damit eine röntgenamorphe Substanz.<br />

Thermodynamisch wird Glas als unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen<br />

und mit einer entsprechend hohen Geschwindigkeit abgekühlt werden.<br />

Glas entsteht, wenn eine Schmelze so schnell abkühlt, dass sich im wesentlichen keine kristalline Struktur ausbilden kann.<br />

Das bedeutet, dass sich bei der Entstehung von festem Glas aus einer Schmelze die Geschwindigkeiten der Kristallkeimbildung<br />

und die des Kristallwachstums so zueinander verhalten müssen, dass sich zwar Kristallkeime bilden können, aber<br />

aufgrund des Erstarrens der Schmelze für das eigentliche Kristallwachstum nicht genügend Zeit vorhanden ist.<br />

Im engeren Sinne versteht man unter Glas aber vor allem unterkühlte (erstarrte) anorganische Schmelzen auf der<br />

Basis von Siliziumdioxid das heißt vor allem aus (Quarzsand) und Zusatzstoffen wie Soda (Na2CO3) und früher<br />

auch Pottasche (Kaliumcarbonat), Manganoxid und Metalloxiden. Durch die Beimengung dieser Zusätze lassen<br />

sich die Eigenschaften des Glases beeinflussen.<br />

Daraus ergibt sich eine Abgrenzung zum Kunststoff, der zwar die oben genannten Definition erfüllen kann, aber im Grunde<br />

aus Kohlenwasserstoffverbindungen besteht und organischen (siehe auch organische Chemie) Ursprungs ist, er darf darum<br />

nicht als Glas im engeren Sinn bezeichnet werden.<br />

Viele Glassorten sind klar bzw. durchsichtig, das bedeutet, dass sie für sichtbares Licht durchlässig sind. Im Allgemeinen<br />

sind es solche Gläser, die mit dem Begriff als erstes in Verbindung gebracht werden. Extrem klares Glas kann so transparent<br />

sein, dass infrarotes Licht über viele Kilometer durch Glas in Form von Glasfaserkabeln geschickt werden kann. Viele<br />

Glassorten sind allerdings undurchlässig für UV-Strahlung.<br />

Glas kann aber auch opak sein und alle anderen Färbungen aufweisen, es ist meist hart, chemisch weitgehend träge und<br />

biologisch inaktiv, es kann bestimmte Wellenlängen absorbieren (Filterglas), außerdem können sehr glatte und undurchlässige<br />

Glasoberflächen hergestellt werden. Im Allgemeinen ist nur die Reaktion zwischen Glas und Flusssäure industriell von<br />

Bedeutung.<br />

Glas wird aus Sand (SiO2) erschmolzen und ist nach chemisch-physikalischer Definition ein Schmelzprodukt, welches<br />

abgekühlt und erstarrt ist, ohne zu kristallisieren. Beim eigentlichen Schmelzprozess kommt es vor allem zu Lösungsreaktionen.<br />

Das bedeutet, dass es nach der Definition noch immer flüssig ist, nur fast unendlich verlangsamt. An alten Glasscheiben<br />

lässt sich unten eine leichte Verdickung nachweisen, was diese Aussage stützt. Allerdings müsste man ein solches<br />

Verhalten bei optischen Gläsern wie Prismen oder Linsen schon nach relativ kurzer Zeit feststellen können, außerdem finden<br />

sich für dieses Verhalten auch bei antiken römischen und agyptischen Gläsern nur wenige Hinweise, obwohl andere<br />

Eigenschaften wie metallisches Irisieren, Verfärbungen und Trübungen an denselben ohne weiteres festzustellen sind.<br />

Um Glas zu erschmelzen, wird ein Netzwerkbildner (Sand), Netzwerkwandler wie Na2O, K2O etc., und Zwischenoxide, auch<br />

Stabilisatoren genannt, wie z. B. MgO, zusammen mit Schmelzbeschleunigern, sogenannten Flussmitteln (Pottasche, Soda)<br />

geschmolzen. Wegen der Bildung des Netzwerkes spricht man bei Gläsern auch von einer Matrix. Sie setzt sich aus<br />

den diese Struktur bildenden Elementen Sauerstoff und aus Si 4+ , B 3+ oder P 5+ zusammen. Aufgespalten wird das Netzwerk


Verarbeitung<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 38 von 44<br />

durch Kationen wie Na + oder Ca + ; daneben existieren so genannte intermediäre Kationen wie Al 3+ , Zn 2+ oder Pb 2+ , die sowohl<br />

bildende als auch Netzwerk wandelnde Eigenschaften haben.<br />

Zwischenoxide, die auch Stabilisatoren genannt werden, bewirken eine Erniedrigung der Viskosität, das Glas wird also<br />

"länger", und kann auch bei niedrigen Temperaturen noch bearbeitet werden. MgO ist ein gängiger Stabilisator, da er schon<br />

in den Rohstoffen (z. B. als Begleiter des Kalks) vorkommen kann. Die Menge des Natrium und/oder Calcium ist entscheidend<br />

für die Länge der Netzwerkstruktur.<br />

Die Zumischung eines Flussmittels ist erforderlich, da reiner Quarz (SiO2) erst bei einer Temperatur von ca. 1700 °C<br />

schmilzt. Von der Antike bis zum 8. Jahrhundert, also auch während des Frühmittelalters wurde als Flussmittel Soda aus<br />

sogenannten Sodaseen beigemischt. Erst danach, als sich die Waldglashütten durchsetzten, wurde das vor allem im Norden<br />

schwer zu beschaffende Soda durch Pottasche (Pflanzenasche) ersetzt. Pottasche wurde wie Soda den Glasrohstoffen<br />

(Gemenge) als Flussmittel/Schmelzbeschleuniger beigegeben, wobei allerdings über 90 % des gewaltigen Holzverbrauches<br />

der Waldglas-Hütten für die Pottascheproduktion verwendet wurden. Darum mussten diese Glashütten alle Jahre ihren<br />

Standort wechseln.<br />

Das Produkt des Erschmelzens der reinen Glasmasse aus den Komponenten wird Fritte genannt, ein Begriff, der in vielen<br />

Bereichen, so auch in der Töpferei und der Küche, vorkommt. Auch gibt es oftmals keine scharfe Trennung zwischen Glasproduktion<br />

und Glasverarbeitung. Die Produktion des Glases (= Bildung der Netzwerkstruktur durch erschmelzen der Komponenten)<br />

führt zum Zwischenprodukt, der Fritte, einer unansehnlichen Masse, die nicht sofort von sich aus Aufschluss<br />

über ihre spätere Verwendung gibt. Das Produkt ist von dunkler, lichtundurchlässiger (= opaker) Färbung. Erst durch Beigabe<br />

von Braunstein, einem auch als Glasmacherseife bezeichneten Entfärbungsmittel, wird die Fritte entfärbt - wobei allerdings<br />

ein Grünstich zurück bleibt - und kann als Rohglas angesprochen werden.<br />

In der Glasherstellung spricht man im engeren Sinn nur dann von einer Schmelze, wenn Glas wiederaufgeschmolzen wird,<br />

wie es zum Beispiel beim Recycling von Altglas geschieht. Allerdings wird bis jetzt Altglas nur als "Zusatz" zu den herkömmlichen<br />

Rohstoffen und nicht als alleiniger Rohstoff verwendet.<br />

Nach dem Aufschmelzen des Gemenges/der Rohstoffe muss die Fritte geläutert, werden; darunter versteht man ihre<br />

Homogenisierung und das Austreiben von Blasen aus derselben. Dabei werden Rohstoffe zugesetzt, die Gase freisetzten.<br />

Diese Gasblasen reißen die übrigen Blasen im Glas mit und treiben sie aus.<br />

Je nach Verwendungszeck kann Glas unterschiedlich verarbeitet werden, dabei unterscheidet man vor allem Gläser die<br />

gepresst, geblasen, gesaugt, gesponnen oder gewalzt werden.<br />

Hohlgläser werden in mehreren Verfahren durch Pressen, Blasen, Saugen und Kombinationen dieser Techniken<br />

hergestelt.<br />

Glasfasern werden durch Spinnen im sogenannten TEL-Verfahren produziert.<br />

Flachglas wurde früher durch Walzen hergestellt, bis etwa um 1950 wurden dabei mitunter Hohlgläser aufgeschnitten<br />

und flachgewalzt. Heute wird der Großteil des Flachglases im Floatprozess erzeugt, dabei<br />

wird das noch flüssige Glas auf ein Zinnbad geleitet und erstarrt auf dessen Oberfläche. Die Berührungsfläche<br />

zwischen Glas und Zinnbad weist sehr gute Eigenschafte auf und muss nicht nachbehandelt<br />

werden. Auf diese Weise lassen sich Flachgläser mit einer Breite von mehreren Metern herstellen,<br />

allerdings kann eine Dicke von etwa 2mm nicht unterschritten werden.<br />

Sicherheitsglas besteht aus abwechselnden Schichten von Glas und Kunstofffolie, bei Bruch sollen die Glassplitter an<br />

der Folie haften. Sicherheitsglas mit einer Dicke von etwa 25 mm wird als Panzerglas bezeichnet und<br />

beispielsweise für Schaufenster, Vitrinen und Autofenster verwendet. Wird die Schichtdicke entsprechend<br />

gesteigert, spricht man von schussfestem Glas.<br />

Glasfärbung und Entfärbung<br />

Glas lässt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte<br />

damit erstellt werden können.<br />

Die meisten Glassorten werden mit weiteren Zusatzstoffen produziert, um bestimmte Eigenschaften, wie ihre Färbung zu<br />

beeinflussen. Für die Glasfärbung, bzw. für die Entfärbung von Gläsern, die durch Verunreinigungen ihrer Rohstoffe verfärbt<br />

sind, werden vor allem Metalloxide verwendet. Grundsätzlich verwendet man für die Entfärbung Färbemittel, die die<br />

komplimentär Farbe der Verfärbung produzieren.<br />

Eisenoxide: Färben je nach Wertigkeit des Eisenions grün-blaugrün oder gelb<br />

und in Verbindung mit Braunstein gelb sowie braun-schwarz.<br />

Kupferoxide: zweiwertiges Kupfer färbt blau, einwertiges färbt rot, daraus ergibt<br />

sich das sogenannte Kupferrubinglas.<br />

Chromoxid: Wird in Verbindung mit Kupferoxid für die Grünfärbung verwendet.<br />

Uranoxid: Ergibt eine sehr feine Gelbfärbung mit grüner Fluoreszenz, solche<br />

Gläser wurden vor allem in der Zeit des Jugendstil hergestellt.<br />

Kobaltoxid: färbt intensiv blau und wird auch für die Entfärbung verwendet.<br />

Nickeloxid: violett, rötlich auch für die Graufärbung und zur Entfärbung<br />

Selen: färbt rosa und rot, die rosa Färbung wird als "Rosalin" bezeichnet,<br />

während die rote als Selenrubin bezeichnet wird.<br />

Silber: ergibt feines Silbergelb<br />

Gold: Wird erst in Königswasser aufgelöst und färbt rot, ergibt das so genannte<br />

Goldrubin, eine der feinsten und teuersten Glasfärbungen.


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 39 von 44<br />

Einstellung der Glaseigenschaften<br />

Einteilung der Gläser<br />

Natürliches Glas<br />

Künstliches Glas<br />

Wie bei der Glasfärbung werden weitere Glaseigenschaften, wie Lichtbrechung, Temperaturbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit,<br />

Absorptionsfähigkeit, Wärmeausdehnung durch Zusatzstoffe manipuliert.<br />

Bleiglas funkelt stärker, weil es einen höheren Brechungsindex hat<br />

Bor verändert als Zusatz die thermischen und elektrischen Eigenschaften<br />

Barium erhöht ebenfalls den Brechungsindex<br />

Cer wird für Glas verwendet, das Infrarotstrahlung absorbiert<br />

Soda und Pottasche sind so genannte Flussmittel, sie werden manchmal zugegeben,<br />

um den Schmelzpunkt zu erniedrigen<br />

Mangan kann unerwünschte Farben entfernen. Durch den Zusatz von Tonerde wird<br />

die Wasserlöslichkeit verringert<br />

Natürliches Glas es seit Bestehen der Erdkruste. Es lässt sich durch seine Form in 3 Arten unterteilen:<br />

Obsidian (vulkanischen Ursprungs)<br />

Tektite (entstehen durch Meteoriteneinschlag)<br />

Fulgurite (entstehen bei Blitzeinschlag)<br />

Neben diesen irdischen Gläsern wurden bei der Apollo 17 Mission orangefarbige Mondglasperlen vulkanischen Ursprungs<br />

gefunden. In Meteoriten wird oft Maskelynit gefunden. Maskelynit ist ein Glas mit der Zusammensetzung von Plagioklas,<br />

aus dem es auch durch Schockereignisse (Kollisionen, Impakt) erzeugt wird.<br />

Die Einteilung künstlicher Gläser wird nach verschiedenen Gesichtspunkten getroffen. Glas ist heute ein Sammelbegriff für<br />

eine Vielzahl von Produkten, die nach ihren äußeren Merkmalen wie Lieferformen, Anwendungsbereichen, chemischer Zusammensetzung<br />

und den sich daraus ergebenden Eigenschaften eingeteilt werden können.<br />

Einteilung nach äußeren Merkmalen<br />

Hohlglas: Flaschenglas, Verpackungsglas, Wirtschafts und Beleuchtungsglas<br />

Flachglas: Spiegelglas, Tafelglas, Sicherheitsglas (Bauglas: Scheiben, Türen, Fassadenbau,<br />

Sanitärbereich)<br />

Vollkörperglas<br />

Geschichte des Glases<br />

Natürlich vorkommendes Glas wie Obsidian wurde seit der Steinzeit zur Werkzeugherstellung Faustkeil benutzt. Dokumentiert<br />

wurde die Glasherstellung durch den Menschen zum ersten Mal in Ägypten um 2000 v. Chr., wo Glasscheiben hergestellt<br />

wurden, in dem Sand auf geschmolzenem Blei geschmolzen wurde.<br />

Die Germanen kannten vor ihrem Kontakt mit den Römer keinerlei Glas, weder Schmuckglas, noch Hohlglas oder Flachglas.<br />

Als die Germanen das Glas erstmals in der Form von Schmuck und Glasperlen kennen lernten, wurde es mit ihrem<br />

heimischen Wort für Bernstein, "glasa" (das Glänzende oder Schimmernde) benannt. Die Bezeichnung des Bernsteins als<br />

glaesum bei dem Volk der Aesti ist aus Tacitus Germania (98) bekannt.<br />

Die Römer erfanden viele Arten von Glas, aber lange Zeit war Glas undurchsichtig, bis im 14. Jahrhundert italienische<br />

Glasmacher das "Cristallo" erfanden, ein farbloses und durchsichtiges Glas. In den Anfängen der Herstellung von durchsichtigem<br />

Glas wurde das Glas zu Butzenscheiben geschleudert. Dazu wurden einige Kilo geschmolzenes Glas am Ende<br />

einer Stange schnell gedreht, so dass sich eine Scheibe mit bis zu 1,50 Meter Durchmesser bildete. Daraus wurden dann<br />

Glasscheiben geschnitten. Weil die Dicke dieser Scheiben sehr unterschiedlich ist und am äußeren Rand zunimmt, kann es<br />

dazu kommen, dass alte Glasscheiben am unteren Ende dicker als am oberen sind.<br />

Um 1688 wurde die Methode des Glasgießens erfunden, wodurch Glas stärkere Verbreitung fand. Ab 1827 konnte Glas<br />

durch neue Maschinen als Massenware für billige Artikel produziert werden. Die industrielle Flaschenabfüllung (zum Beispiel<br />

in Bierbrauereien) begann um die 1870er Jahre.


Kunststoffe<br />

Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 40 von 44<br />

Als Kunststoffe bezeichnet man Stoffe, deren Grundbestandteil synthetisch oder halbsynthetisch erzeugte Polymere sind.<br />

Durch die Auswahl des Ausgangsmaterials, das Herstellungsverfahren und die Beimischung von Additiven lassen sich<br />

technische Eigenschaften von Kunststoffen wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit und Temperaturresistenz in<br />

weiten Grenzen variieren. Kunststoffe werden zu Formteilen, Fasern oder Folien weiterverarbeitet.<br />

Halbsynthetische Kunststoffe entstehen durch die Verarbeitung natürlicher Polymere (zum Beispiel Zellulose zu Zelluloid).<br />

Synthetische Kunststoffe werden durch Polykondensation, Polymerisation oder Polyaddition aus einem Monomer erzeugt.<br />

Rohstoff ist meist Mineralöl.<br />

Charakterisierung nach Eigenschaften<br />

Thermoplaste<br />

Kunststoffe, die aus langen, linearen Molekülen bestehen. Durch Energiezufuhr werden diese Materialien formbar bis<br />

flüssig und können mit verschiedenen Verfahren verarbeitet werden. Nachdem das jeweilige Werkstück wieder abgekühlt<br />

ist, behält es seine Form. Dieser Prozess ist reversibel und dadurch wiederholbar.<br />

Die meisten der heute gängigen Kunststoffe fallen unter diese Gruppe. Für einfache Konsumwaren, Verpackungen etc.<br />

werden häufig Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET) und Polystyrol (PS) eingesetzt.<br />

Technische Teile werden meist aus Polyamid (PA), Polybutylentherephthalat (PBT), Polycarbonat(PC) oder Polyimiden<br />

(PI) gefertigt.<br />

Duroplaste<br />

Sind Kunststoffe, die bei der Verarbeitung räumlich eng vernetzen. Diese Vernetzung erfolgt chemisch zwischen den<br />

Molekülen der Ausgangsmaterialien. Dieser Vorgang ist nicht umkehrbar. Sobald ein derartiges Material vernetzt ist,<br />

kann es nur noch mechanisch bearbeitet werden. Duroplaste sind meistens hart und spröde.<br />

Bei Hitzeeinwirkung werden Duroplaste nicht weich. Deshalb werden sie häufig für Elektroinstallationen verwendet. Einer<br />

der verbreitetsten und ältesten Kunststoffe dieser Klasse ist Bakelit. In diese Gruppe fallen auch praktisch alle<br />

Kunstharze wie z.B. Epoxide.<br />

Polytetrafluorethylen ist zwar nicht chemisch vernetzt, wird auf Grund seiner Eigenschaften ebenfalls zu den Duroplasten<br />

gezählt.<br />

Elastomere<br />

Zu den Elastomeren gehören alle Arten von Kautschuk. Die Elastomere sind weitmaschig vernetzt und daher flexibel.<br />

Elastomere werden beim Erwärmen nicht weich und sind in den meisten Lösungsmitteln nicht löslich. Daher werden sie<br />

für Hygieneartikel oder Chemikalienhandschuhe verwendet. Die Gummimischung von Autoreifen ist ebenfalls ein<br />

Elastomer, diese erhält ihre Eigenschaften durch Vulkanisation.<br />

Herstellungsmechanismen von Kunststoffen<br />

Polymerisation<br />

Entdeckung<br />

Mechanismen<br />

Die Polymerisation ist eine chemische Reaktion, bei der Monomere (meist ungesättigte organische Verbindungen), unter<br />

Einfluss von Katalysatoren und bei Auflösung der Mehrfachbindung zu Polymeren (Moleküle mit langen Ketten, bestehend<br />

aus miteinander verbundenen Monomeren) reagieren. Dabei unterscheidet man zwischen Homo-Polymerisation, bei der<br />

nur eine Monomerart umgesetzt wird, und Co-Polymerisation, bei der zwei oder mehr verschiedene Monomere zur Reaktion<br />

gebracht werden.<br />

1872 gelang dem Chemiker Adolf Ritter von Baeyer (1835 – 1917) erstmals die Polykondensation von Phenol und Formaldehyd<br />

zum so genannten Bakelit. Damit legte er die Grundlage für die heutige Polymerchemie.<br />

Die Polymerisation ist immer eine Kettenreaktion egal nach welchem Reaktionsmechanismus sie abläuft. Es gibt verschiedene<br />

Mechanismen, die nach der Art des Starts der Kettenreaktion benannt sind (radikalische, anionische oder kationische<br />

Polymerisation) oder nach dem ihnen zu Grunde liegenden Prinzip (Polykondensation, Koordinationspolymerisation wie z.B.<br />

die ringöffnende Metathesepolymerisation).<br />

Radikalische Polymerisation<br />

Zum Kettenstart bricht ein Radikal die Mehrfachbindung auf und erzeugt ein wachstumsfähiges Primärradikal, an das sich<br />

nun in einer Wachstumsreaktion mit geringer Aktivierungsenergie ständig Monomere anlagern. Durch das zusammentreffen<br />

zweier Radikale wird ein Kettenabbruch hervorgerufen. Um die Reaktion gezielt zu stoppen werden spezielle Zusätze, sogenannte<br />

Radikalfänger, zugegeben.


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 41 von 44<br />

Kationische und Anionische Polymerisation<br />

Polykondensation<br />

Hier greift, im Unterschied zur radikalischen Polymerisation, ein Kation bzw. Anion die Mehrfachbindung an, um den Kettenstart<br />

hervor zu rufen. Hier erfolgt der Kettenabbruch durch zusammentreffen von Kation und Anion.<br />

Diese Art der Polymerisation erfolgt stufenweise, d.h. zwei unterschiedliche Monomere besitzen reaktive Gruppen an beiden<br />

Enden des Moleküls, die miteinander reagieren können. Dieser Vorgang erfolgt mehrmals hintereinander bis sich ein<br />

Makromolekül gebildet hat. Diamine reagieren mit Dicarbonsäuren auf diese Weise zu Polyamiden (z.B. Nylon) und Diole<br />

(Verbindungen mit zwei Alkoholgruppen) reagieren mit Carbonsäuren zu Polyestern (z.B. Polyethylenterephtalat, PET). Bei<br />

der Reaktion wird Wasser abgespalten, daher der Name Polykondensation.<br />

Koordinationspolymerisation<br />

Kondensation<br />

Polyaddition<br />

Einige Beispiele<br />

Die eingesetzten Katalysatoren basieren auf Übergangsmetallverbindungen, die das Monomer komplexartig koordinieren<br />

und in eine entstehende Polymerkette einbauen (auch Insertionspolymerisation genannt). Es gibt verschiedene Arten von<br />

Koordinationspolymerisationen mit unterschiedlichen Mechanismen. Die wichtigste ist die nach ihren Entdeckern benannte<br />

Ziegler-Natta-Polymerisation, die es erlaubt, bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücken z.B. Ethen zu linearem Polyethylen<br />

hoher Dichte (High Density Polyethylene, HDPE) umzusetzen. Speziellere Arten der Koordinationspolymerisation<br />

wie die oben erwähnte ringöffnende Metathesepolymerisation (Ring-Opening Metathesis Polymerization, ROMP) finden ihre<br />

Anwendung bei der Herstellung von Spezialpolymeren, die mittels Ringöffnung und Verknüpfung cyclischer Monomere<br />

durch Übergangsmetallkatalysatoren produziert werden.<br />

Eine Kondensationsreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der zwei Moleküle sich miteinander verbinden und dabei ein<br />

einfaches Molekül (Wasser, Ammoniak, Chlorwasserstoff oder andere) abspalten. Diese Reaktion ist die Basis für die Herstellung<br />

vieler Polymere, zum Beispiel Nylon, Polyester und verschiedene Epoxide, ebenso wie für Silikate und<br />

Polyphosphate.<br />

Um als Monomer für eine Polykondensationsreaktion verwendet zu werden, müssen die Moleküle jeweils zwei reaktive<br />

Gruppen aufweisen.<br />

Die Polyaddition ist eine stufenartig verlaufende Verknüpfungsreaktion von bi- oder trifunktionellen Grundmolekülen<br />

(Monomeren) zu großen Kettenmolekülen (Polymeren). Im Gegensatz zur Polykondensation werden bei der Polyaddition<br />

keine Moleküle abgespalten. Ein bekanntes Beispiel für eine Polyaddition ist die Reaktion von Diisocyanaten mit Diolen zu<br />

Polyurethanen. Dabei reagiert die Isocyanat-Gruppe (-N=C=O) mit einer Hydroxygruppe (-OH) zu einer Urethan-Brücke (-<br />

NH-CO-O-).<br />

Polyurethane<br />

Polyurethane (abgekürzt PUR) sind vielseitige Kunststoffe, die dementsprechend in vielen verschiedenen Bereichen verwendet<br />

werden. Haupteinsatzgebiet von Polyurethanen ist die Verwendung als Schaum, also z.B. für Polstermöbel, Matratzen,<br />

Schwämme, Winterkleidung, Beschichtung von Teppichen, Bauschaum zur Wärmedämmung, Verpackungsmaterial...<br />

Aber Polyurethane sind viel mehr als Schaum: Sie sind ebenfalls verwendbar als Lacke und Klebstoffe, als thermoplastische<br />

Kunststoffe zur Herstellung von Rollen, Walzen u.ä., als Elastomere und als Fasern, z.B. als Elastan.<br />

Polyurethane enthalten Urethan-Bindungen:<br />

Hergestellt werden sie in einer Polyadditionsreaktion aus Dialkoholen und Diisocyanaten, wobei anstelle der Dialkohole oft<br />

Polyether wie z.B. Polyethylenglykol verwendet werden.<br />

Ein häufig häufig verwendetes Polyurethan ist z.B. folgendes:<br />

Verwendet man anstelle von Dialkoholen höherwertige Alkohole, erhält man Duroplaste, feste stabile quervernetzte Kunststoffe,<br />

die in Anstrichen für Möbel, Fußböden und Boote und in Druckfarben verwendet werden.


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 42 von 44<br />

Epoxidharze<br />

Epoxidharze sind ebenfalls Polymere. Jedoch polymerisieren sie je nach Zusammensetzung so langsam, dass man sie als<br />

zähe Flüssigkeiten verarbeiten und dann aushärten lassen kann. Das Ergebnis ist ein stabiler und chemikalienbeständiger<br />

Kunststoff. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist deshalb auch die Verwendung als Klebstoff. Dieser wird flüssig aufgetragen<br />

und verbindet nach dem Aushärten andere Kunststoffteile, aber auch Metall und Beton.<br />

Ein wichtiges Epoxidharz ist das Produkt der Polyaddition von Bisphenol A und Epichlorhydrin:<br />

Die Reaktion sieht zugegebenermaßen recht kompliziert aus, aber eigentlich kommt es nur auf die Teile der Struktur an, die<br />

tatsächlich reagieren. Beim Epichlorhydrin seht ihr einen Dreiring mit Sauerstoff. Einen Stoff mit einem solchen Molekülteil<br />

nennt man Epoxid (Daher auch der Name des Harzes).<br />

Der normale Bindungswinkel eines vierbindigen Kohlenstoffatoms beträgt 109° (auch<br />

Tetraederwinkel genannt). Der Epoxidring jedoch ist ungefähr ein gleichseitiges Dreieck, und wir ihr<br />

sicherlich aus dem Mathematikunterricht wisst, betragen die Winkel dort 60°. Im Epoxidring werden<br />

die Bindungen also zu diesen kleinen Winkeln gezwungen, er hat eine große so genannte Ringspannung.<br />

Dies hat zur Folge, dass diese Gruppe sehr reaktiv ist und zwar besonders gegenüber nucleophilen<br />

Atomen (z.B. dem Sauerstoffatom in der Hydroxylgruppe des Bisphenol A). Da der elektronegative<br />

Sauerstoff die Kohlenstoffatome im Ring positiviert, können diese leicht mit nucleophilen Reagenzien<br />

reagieren. Der Ring bricht dabei auf und wir erhalten eine neue Hydroxylgruppe.<br />

Epoxide sind von allgemeiner Bedeutung in der organischen Chemie. Sie können beispielsweise auch bei der Oxidation von<br />

Alkenen entstehen (hier bei der Umsetzung mit Peroxybenzoesäure).


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 43 von 44<br />

Polyester<br />

Polyester sind vielseitig einsetzbare Kunststoffe, die uns im täglichen Leben ständig begegnen. Aus Polyestern kann man<br />

alle möglichen Dinge herstellen, neben Textilfasern (u.a. Trevira®, Dacron®, Diolen®) z.B. die bekannten Plastik-<br />

Getränkeflaschen, die aus PET (PolyEthylenTerephthalat) bestehen, und andere Lebensmittelverpackungen. Auch CDs bestehen<br />

aus einem Polyester, nämlich aus Polycarbonat, einem Ester der Kohlensäure. Generell werden als Polyester alle<br />

Stoffe bezeichnet, die Esterbindungen enthalten, ihre unterschiedlichen Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten<br />

hängen von den Monomeren ab, aus denen sie hergestellt sind.<br />

Polyester entstehen durch Polykondensation, entweder aus Hydroxycarbonsäuren oder aus Dicarbonsäuren und<br />

Dialkoholen, man kann also - wie bei den Polyamiden - zwei Typen unterscheiden: Die Monomere von Typ I sind<br />

Hydroxycarbonsäuren, Polyester des Typ II werden aus Dicarbonsäuren und Dialkoholen hergestellt.<br />

Werden als Monomere Dicarbonsäuren und mehrwertige Alkohole (z.B. Glycerin) verwendet, so erhält man quervernetzte<br />

Polyester. Diese werden oft glasfaserverstärkt für Boote, Balkonverkleidungen und Karosserieteile verwendet.<br />

Polyethylenterephthalat (PET)<br />

Einer der wichtigsten und mengenmäßig bedeutendsten Polyester ist das bereits oben genannte Polyethylenterephthalat<br />

(kurz PET), aus dem außer Flaschen auch Chemiefasern hergestellt werden.<br />

PET gehört zu den Polyestern des Typ II, seine Monomere sind Terephthalsäure (1,4-Benzoldicarbonsäure) und Glykol<br />

(1,2-Dihydroxyethan):<br />

An der Strukturformel kann man sehen, dass PET polar ist: Die Sauerstoffatome sind negativ polarisiert, die benachbarten<br />

Kohlenstoffatome entsprechend positiv polarisiert, wodurch es starke zwischenmolekulare Kräfte gibt. Zudem ist das Molekül<br />

linear, es gibt keine Verzweigungen, es sind also alle Voraussetzungen für kristalline Bereiche und somit für die Ausbildung<br />

von Fasern gegeben.<br />

Da PET darüberhinaus nicht quervernetzt ist, handelt es sich um einen Thermoplasten (letzteres sieht man übrigens sehr<br />

deutlich, wenn man heißen Tee in eine PET-Flasche gießt - die Glasübergangstemperatur von PET liegt bei 74°C).<br />

Als Textilfaser hat PET verschiedene nützliche Eigenschaften: Es ist kaum dehnbar und daher sehr formbeständig, knitterfrei,<br />

reißfest, außerdem nimmt es nur sehr wenig Wasser auf, was es z.B. für Sportkleidung gut geeignet macht, die ja am<br />

Körper schnell trocknen soll, um Auskühlung zu verhindern


Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 44 von 44<br />

Polymethylmetacrylat (PMMA)<br />

Struktur: amorph<br />

Stoffbeschreibung: glasklar, schweißbar, klebbar<br />

Lösungsmittel: Chloroform (Trichlormethan)<br />

Mechanische Eigenschaften: hart, steif<br />

Dichte: 1,18 g/cm 3<br />

Reißfestigkeit: ca. 80 N/mm 2<br />

Reißdehnung: 4 %<br />

E-Modul: 2700 bis 3200 N/mm 2<br />

Kerbschlagzähigkeit: 1,5 bis 3 kJ/m 2<br />

Kugeldruckhärte: 190 N/mm 2<br />

Vicat-Temperatur: 115 bis 120 °C<br />

max. Gebrauchstemperatur: 65 bis 90, kurzzeitig 85 bis 100 °C<br />

Schmelztemperatur: 105 °C<br />

unbeständig gegen: aromatische Kohlenwasserstoffe, Chlorkohlenwasserstoffe<br />

beständig gegen verdünnte Basen und Säuren, Benzin, Öle<br />

Verarbeitungsverfahren: Spritzguss, Extrusion<br />

Verarbeitungstemperaturen: 200 bis 250 °C<br />

Fließfähigkeit: mittel<br />

zulässige Restfeuchte: 0,08 %<br />

Handelsprodukte/Markennamen: Degalan, Plexidur, Plexiglas, Resarit<br />

Anwendungen: Bürobedarfsartikel, Bestecke, opt. Linsen, Rückstrahler, Lichtabdeckungen, Sanitärartikel, Badewannen<br />

Polyvinylchlorid (PVC)<br />

Struktur: amorph; " PVC-U: "unplasticized"; Hart-PVC"<br />

PVC-P:"plasticized" Weich-PVC-<br />

Stoffbeschreibung: normal: glasklar bis gering opak, schweißbar, gut klebbar<br />

Schlagzäh.<br />

transluzent bis opak<br />

Lösungsmittel: Cyclohexanon<br />

Mechanische Eigenschaften: hart, steif, in der Kälte schlagempfindlich bzw. schlagzäh<br />

Dichte: 1,38 bis 1,40 g/cm 3<br />

Reißfestigkeit: ca. 55 N/mm 2<br />

Reißdehnung: 20 bis 40 %<br />

E-Modul: 1000 bis 3500 N/mm 2<br />

Kerbschlagzähigkeit: 2 bis 5 bzw. bis 50 kJ/m 2<br />

Kugeldruckhärte: 125 bzw. 98 N/mm 2<br />

Vicat-Temperatur: 83 °C<br />

max. Gebrauchstemperatur: 55 bis 65, kurzzeitig 70 bis 80 °C<br />

Schmelztemperatur: 90 °C<br />

unbeständig gegen: aromatische Kohlenwasserstoffe, Chlorkohlenwasserstoffe<br />

beständig gegen: Benzin, Öle, verdünnte Säuren und Basen<br />

Verarbeitungsverfahren: Spritzguss, Extrusion, Blas- und Thermoformen; mit Öl angeliert als Weich-PVC (p-PVC)<br />

Verarbeitungstemperaturen: 160 bis 180 °C<br />

Fließfähigkeit: schwer fließfähig<br />

Handelsprodukte/Markennamen: Hostalit, Hostalit Z, Vestolit, Vinnol, Vinoflex<br />

Anwendungen: Rohre, Armaturen, allgem. Bauprofile, Tafeln, Folien, Monofile, Hohlkörper; schlagzäh: Fenster- und<br />

Lichtwandprofile, Fassadenelemente, Bauprofile, Dachrinnen, Rohre; sehr gute Beständigkeit gegen Licht- und Witterungseinflüsse;<br />

p-PVC als Folien, Kunstleder, Bodenbeläge, Spritzgussteile (z. B. Spielzeug)<br />

Anteil an Kunststoff-Abfällen in Deutschland 2003: 12,3 % (nach Plastics Europe)

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