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
Grundlagen der Baustoffkunde – WS <strong>2012</strong>-13 – HTW Saarbrücken Seite 33 von 44
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 />
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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)