Bauchemie für das Bachelor-Studium

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1 Bauchemie für das Bachelor-Studium

2 Roland Benedix Bauchemie für das Bachelor-Studium Modern Kompetent Kompakt 3. Auflage

3 Roland Benedix Leipzig, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2014, 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Lektorat: Dipl.-Ing. Ralf Harms Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, Wiesbaden, Germany

4 Vorwort zur 3. Auflage Die Chemie für Bauingenieure und Architekten stellt weder ein Sondergebiet dar, noch fußt sie auf anderen Grundlagen als die Chemie für Polygrafen, Maschinenbauer oder Chemiker. Der Titel des Lehrbuchs Bauchemie für das Bachelor-Studium soll lediglich auf eine Auswahl aus dem umfangreichen Wissensgebiet der Chemie hinweisen, die vom Autor unter dem Blickpunkt der spezifischen Belange eines Bauingenieurs bzw. Architekten getroffen wurde. Die Lehrveranstaltung Bauchemie ist an Universitäten und Hochschulen meist nur einsemestrig angelegt, mitunter werden bauchemische Grundlagen und Sachverhalte auch im Rahmen von Baustofflehre- bzw. Werkstoff-Vorlesungen vermittelt. Unbestritten ist, dass grundlegende chemische Kenntnisse für den angehenden Bauingenieur bzw. Architekten unerlässlich sind, meist bemerkt er das erst nach dem Studium in der Praxis! Das betrifft wichtige physikalisch-chemische Eigenschaften anorganischer und organischer Baustoffe, ihre Wechselwirkung mit anderen Baustoffen sowie ihr Verhalten gegenüber aggressiven Umweltschadstoffen, aber auch die Kenntnis der Mechanismen, die zur korrosiven Zerstörung metallischer und nichtmetallischer Baustoffe führen einschließlich möglicher Gegenmaßnahmen. Die Chemie ist auch gefragt, wenn es um die Durchsetzung der Nachhaltigkeit im Baugeschehen geht. Hierher gehören Strategien zur Reduktion von Kohlendioxid bei der Zementherstellung, zur Entwicklung biobasierter Rohstoffe für die bauchemische Industrie und zur Entwicklung nachhaltiger, maßgeschneiderter Baustoffe. An der bisher gewählten Gliederung des Lehrstoffs wurde festgehalten: Allgemein-chemische Grundlagen, Luft und Luftinhaltsstoffe, Wasser und wässrige Lösungen, Redoxgleichgewichte und Grundlagen der Elektrochemie, Chemie der Baumetalle sowie Chemie nichtmetallisch-anorganischer und organischer Stoffe im Bauwesen. Der Lehrstoff wurde ergänzt, klarer dargestellt und aktualisiert. Zusätzliche Abbildungen und Schemata sollen es dem Leser erleichtern, Zusammenhänge herzustellen und Verbindungen zwischen theoretischen Sachverhalten und praktischen Problemstellungen zu erkennen. Mein Dank gilt zuerst den Herren Prof. Dr.-Ing. habil. Wolf-Peter Ettel (HTWK Leipzig) und Prof. Dr. Dr. h. c. habil. Lothar Beyer (Universität Leipzig) für die stete Bereitschaft zu fachlicher Diskussion und Unterstützung. Des Weiteren danke ich allen Fachkollegen und Fachleuten der Industrie, die mit konstruktiver Kritik zur Verbesserung des Buches beigetragen haben. Mein Dank gilt weiterhin den Herren Prof. Dr.-Ing. habil. Jochen Stark und Dr. Bernd Möser (F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde, Bauhaus-Universität Weimar) für die Bereitstellung von ESEM-Aufnahmen zur Zementhydratation und zu ausgewählten Baustoffen. Frau Diplomchemikerin Uta Greif danke ich herzlich für ihre langjährige fachliche Unterstützung sowie für ihre Hilfe bei der mühevollen Tätigkeit des Korrekturlesens. Schließlich danke ich dem Verlag Springer Vieweg, insbesondere Frau Annette Prenzer, für die ausgezeichnete, konstruktive Zusammenarbeit. Leipzig, Sommer 2017 Roland Benedix

5 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemein-chemische Grundlagen Chemische Grundbegriffe Grundgesetze Stoffe Massenverhältnisse bei chemischen Reaktionen, Mengenangaben Allgemeine Zustandsgleichung der Gase Konzentrationsmaße Stöchiometrische Berechnungen Aufbau der Materie Aufbau der Atome aus Elementarteilchen Natürliche Radioaktivität Radioaktivität von Baustoffen Periodensystem der Elemente Chemische Bindung Grundtypen der chemischen Bindung Intermolekulare Bindungskräfte Die chemische Reaktion Reaktionsenthalpie Triebkraft chemischer Reaktionen Geschwindigkeit chemischer Reaktionen - Katalyse Chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Heterogene Reaktionen im Bauwesen Luft und Luftinhaltsstoffe Zusammensetzung und Eigenschaften von Luft Luftinhaltsstoffe und Luftschadstoffe Natürliche Luftinhaltsstoffe und ihre Verbindungen Luftschadstoffe und Möglichkeiten zu ihrer Vermeidung, REA-Gips Wasser und wässrige Lösungen Wasser: Struktur und Eigenschaften Anomalien, Benetzung und Kapillarität Tenside: Verringerung der Oberflächenspannung Dampfdruck und Dampfdruckerniedrigung Dampfdruck reiner Flüssigkeiten - Phasendiagramm Dampfdruck von Lösungen: Gefrierpunktserniedrigung/Siedepunktserhöhung Osmose osmotischer Druck Lösungen...71

6 VIII Inhaltsverzeichnis Lösungsvorgang Hydrate Lösungswärme Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt Lösungen Kolloide Suspensionen Elektrolyte - Elektrolytlösungen Härte des Wassers Metallkomplexe Komplexbildungsreaktionen Säure-Base-Reaktionen Säure-Base-Begriff Autoprotolyse des Wassers und ph-wert Stärke von Säuren und Basen Protolyse von Salzen Berechnung des ph-wertes Redoxreaktionen Grundlagen der Elektrochemie Oxidation-Reduktion, Redoxreaktionen Galvanische Zellen - Standardpotentiale - Spannungsreihe Elektrolyse Chemie wichtiger Baumetalle Eisen und Stahl Produkte des Hochofenprozesses: Roheisen und Schlacke Stahl Nichteisenmetalle Metallische Korrosion Typen der metallischen Korrosion Erscheinungsformen der Korrosion Korrosionsschutz Chemie nichtmetallisch-anorganischer Baustoffe Minerale und Gesteine Siliciumdioxid Silicate siliciumorganische Verbindungen Siliciumdioxid SiO Kieselsäuren und Silicate Technische Silicate (Künstliche Silicate) Gläser Keramische Erzeugnisse Siliciumorganische Verbindungen

7 Inhaltsverzeichnis IX 6.3 Anorganische Bindemittel Baukalke Zemente Rohstoffe und Herstellung von Portlandzement Zusammensetzung und Eigenschaften von Portlandzementklinker Bestandteile von Normzementen Hydratation der Klinkerphasen Hydratation von Portlandzement Aufbau und Eigenschaften des Zementsteins Zementarten Spezialzemente Zemente: Umweltaspekte und Trends Betonzusatzmittel (Zusatzmittel) Gips und Anhydrit Vorkommen, Darstellung, Eigenschaften und Verwendung Hydratations- und Erhärtungsprozess Eigenschaften von Bindemitteln auf Basis von CaSO Magnesiabinder Phosphatbinder Kalksandsteine und Porenbetone Korrosion nichtmetallisch-anorganischer Baustoffe Chemischer Angriff auf Beton Lösender Angriff Treibender Angriff Korrosiver Angriff auf die Bewehrung Biokorrosion Salzausblühungen Salzschäden Oberflächenschutz durch anorganische Systeme Organische Stoffe im Bauwesen Ausgewählte Grundklassen organischer Verbindungen Kohlenwasserstoffe Halogenkohlenwasserstoffe Alkohole und Phenole Ether Aldehyde und Ketone Carbonsäuren und Ester Fette Öle Seifen...236

8 X Inhaltsverzeichnis 7.2 Bitumen, Teer und Asphalt Bitumen Bitumensorten Teer Pech Asphalt Kunststoffe Aufbau und Struktur Thermische und mechanische Eigenschaften Hilfs-, Füll- und Verstärkungsstoffe in Polymeren Einteilung der Kunststoffe nach ihrer Bildungsreaktion Polymerisationskunststoffe (Polymerisate) Polykondensationskunststoffe (Polykondensate) Polyadditionskunststoffe (Polyaddukte) Organische Oberflächenschutzsysteme Beton mit Kunststoffen Klebstoffe und Fugendichtstoffe Holz und Holzschutz Aufbau und Zusammensetzung des Holzes Holzschutz Qualitative Analyse von Baustoffen Literatur Anhang Anhang 1 Elemente, Symbole, Ordnungszahlen und relative Atommassen Anhang 2 Relative Molekülmassen bauchemisch wichtiger Verbindungen Anhang 3 Stärke von Säuren und Basen (pks - und pkb -Werte) Anhang 4 Elektrochemische Spannungsreihe (Standardelektrodenpotentiale) Anhang 5 Löslichkeiten einiger Salze (20oC) Anhang 6 Periodensystem der Elemente Sachwortverzeichnis