Grundlagen der Baustoffkunde für Architekten. Einteilung der Baustoffgruppen, Eigenschaften, Einsatzbereiche, Verarbeitungskriterien

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1 Grundlagen der Baustoffkunde für Architekten Themen Einteilung der Baustoffgruppen, Eigenschaften, Einsatzbereiche, Verarbeitungskriterien Naturstein Anorganische Bindemittel Mörtel und Estriche organische Bindemittel Eisen und Stahl Kunststoffe künstliche Mauersteine Beton/Stahlbeton Glas Bituminöse Baustoffe Nichteisenmetalle Semester WS Wochenstunden Abschluss 2 h /Woche Klausur Referent Dipl.-Geol. Martin Sauder Saargemünder Str Saarbrücken Tel: Fax: Mail: martin.sauder@ibs-sauder.de Web:

2 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 2 von Naturstein als Baustoff 1.1. Ablagerungsgesteine Klastische Sedimentgesteine griech. kladsein = zertrümmern Klastische Sedimentgesteinee (Trümmergesteine) sind Ablagerungen mechanisch zerkleinerten Verwitterungsmaterials. In ihrer Struktur unterscheiden sie sich charakteristisch von den Magmatiten dadurch, dass ihre eckigen oder durch Abrollung rund geschliffenen Gesteins- bzw. Mineraltrümmer durch ein Bindemittel zu einem Festgestein verkittet werden. Nach der Korngröße unterscheidet man: Psephite (griech. psephos = Brocken), Psammite (griech. psammos = Sand) und Pelite (griech. pelos = Ton). Psephite Konglomerate sind Sedimentite, die aus mehr als 50% gut gerundeten bis kantengerundeten Mineral- oder Gesteinsbruchstücken > 2 mm bestehen. Die Gerölle können aus einer einzigen oder aus mehreren Ge- Brekzien enthalten vorwiegend eckig-kantige steins- oder Mineralarten bestehen (monomikte oder polymikte Konglomerate). Gesteinsbruchstücke. Psammite Sandsteine sind überwiegend aus Quarzsand hervorgegangen. Nach dem die Körner verkittenden Binde- usw. Sandsteine. mittel unterscheidet man kieselige, kalkige, mergelige, tonige, eisenschüssige Arkosen sind feldspatführende Psammite. Grauwacken enthalten neben psammitischen Korngrößen oft noch Grobmaterial (z.b. Gesteinsbruchstücke von Tonschiefer o. ä.) Pelite Tonstein (oder Schieferton) ist diagenetische verfestigter Ton mit oder ohne schichtparallelen Ablösungsflächen. Tonschiefer sind deutlich geschieferte Tonsteine (bzw. Schiefertone). Dabei kann die Schiefrigkeit oft als Transversalschiefrigkeit ausgebildet sein. d.h. Schichtungs- und Schieferungsfläche schneiden sich.

3 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 3 von 44 Neben den Struktureigenschaften der Korngröße und des Rundungsgrades sowie der Textur lässt sich die Mineralzusam- mensetzung zur quantitativenn Gliederung der klastischen Sedimentite heranziehen. In unten stehender Abbildung erfolgt die Darstellung des Mischungsverhältnisses der drei Komponenten Quarz, Feldspat und Ton in einem gleichseitigen Dreieck (Konzentrationsdreieck). Jede Kante beschreibt die Mischung zweier Komponen- ten. Jeder Punkt im Inneren des Dreiecks gibt das Mischungsverhältnis dreier Komponenten wieder Karbonate, chemischee und biogene Sedimente Chemische Sedimentite sind Ausfällungen von in Wasser gelösten Stoffen. Nach den beteiligten Anionen unterscheidet man Karbonatgesteine, Sulfat- oder Chloritgesteine (zu Evaporiten zusammengefasst), Kieselgesteine usw Karbonatgesteine (Kalk, CaCO 3) Anorganische bilden sich Kalkgesteine aus Calciumhydrogenkarbonat-Lösungen, in denen das Lösungsgleichgewicht entweder durch Entzug des Lösungsmittels (Wasser), Entzug von CO 2 oder Temperaturerhöhung verändert wird. Die häu- und Assimilation durch Wasser- figsten Ursachen für einen Entzug von CO 2 sind Erwärmung der Lösung, Druckentlastung pflanzen. Kalke, die an Quellen oder Wasserfällen entstehen, bilden lückigen Travertin. In Höhlen bildet sich Kalksinter, z. T. in Form von Tropfsteinen. Im Meer sedimentierter Kalkschlamm bildet -diagenetisch verfestigt- mikritische (feinstkörnige) Kalksteine (Mikrit). In bewegtem Wasser bilden sich Kalkooide, die in größeren Mengen Kalkoolithe aufbauen. Detrituskalk (klastisch), Bezeichnung nach der Korngröße: > 2 mm Calcirudite (Brekzien, Konglomerate) 0,063-2 mm Calcarenitee (feinkörnig) < 0,063 mm Calcilutite (feinstkörnig) Chemisch sedimentierte Kalke: Krustenkalke (Travertin, Tropfstein) oolithische Kalke oder Kalkoolithe Biogene Kalke (siehe biogene Sedimentite)

4 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 4 von 44 Korallenkalk, Muschelkalk, Crinoidenkalk (Trochitenkalk) Kombinationen von 1.1 mit 1.2 und 1.3 sind möglich Dolomit, Ca Mg(CO 3) Mergel Dolomite sind im allgemeinen sekundäre Bildungen, in denen das primär kalkige Sediment erst nachträglich durch Zufuhr und Einbau von Mg2+ in Dolomit umgewandelt wird (Metasomatose). Dabei können zusätzlich Hohlräume im Sediment entstehen (Zellendolomit). Direkt aus Meerwasser ausgefällte Dolomitgesteine sind sehr selten. Ablagerungen von Kalkschlämmen gemischt mit Ton bezeichnet man als Mergel Evaporite Unter dem Begriff Evaporite werden leicht lösliche Salzminerale zusammengefasst, die erst relativ spät aus ihrer wässrigen Lösung (z.b. Meerwasser) ausgefällt werden. (Erst rund 70% des Meerwassers müssen verdunstet sein, bis sich gesteinsbildende Sulfate, wie Gips oder Anhydrit und Chloride, z.b. Steinsalz und Kalisalz, als chemische Sedimente niederschlagen.) Kalk CaCO 3 Gips CaSO 4 * 2 H 2O Anhydrit CaSO 4 Steinsalz Kalisalz NaCl KCl Kieselige Gesteine Anorganisch ausgefällte Kieselsäure findet sich z.b. in Feuersteinen. Es handelt sich um schichtweise konzentrierte linsige und/oder knollige Kieseleinlagerungen diagenetischer Entstehung. Die meisten kieseligen Sedimentite bilden sich organogen. Diatomeenschlamm Radiolarienschlamm Feuerstein Kieselgur Radiolarit/Lydit Eisenverbindungen Fe 2+ ist nur in reduzierendem Milieu stabil. Es kann als Eisenkarbonat (FeCO 3), Eisensulfid (FeS 2) und als Eisensilikat gefällt werden. Wird es zu Fe 3+ oxidiert, entsteht Limonit (FeOOH). Als Limonit - oder nach Hydroxidentzug als Hämatit - liefert es die braune bzw. rote Farbe vieler Sedimentite (Bsp.: Buntsandstein). In größerer Konzentration können die genannten Eisenverbindungen gesteinsbildend auftreten (z.b. in Eisenoolithe) Biogene Sedimentite Biogene Sedimentite sind Anhäufungen organischer (tierischer oder pflanzlicher) Reste. Als gesteinsbildende tierische oder pflanzliche Reste kommen in Frage: Kalk z.b. in Form von Kalkinnen- und -außenskeletten zahlreicher Tiergruppen (Korallen, Stromatoporen, Echinodermen, Bryozoen, Brachiopoden, Muscheln, Schnecken, Foraminiferen usw.); oder in Form anderer Kalkbildungen tierischer und

5 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 5 von 44 pflanzlicher Organismen (Kotpillen, Inkrustierungen usw.). Je nachdem, ob Kalkskelette am Standort ihres Wachstums weitgehend unversehrt bleiben oder ob es sich um transportierte und dabei mehr oder weniger zerstörte Kalkteile handelt, spricht man von kalkigen Biolithiten oder von kalkigen Bioklastiten Magmatische Gesteine Magmatite entstehen durch Erstarrung hochtemperierter natürlicher, meist silikatischer Gesteinsschmelzen in oder auf der Erdkruste. Je nachdem, ob die Erstarrung in oder auf der Erdkruste erfolgt, unterscheidet man Tiefengesteine und Erguss- gesteine Tiefengesteine (Plutonite) Bei der Erstarrung von Plutoniten in der Tiefe erfolgt die Ausscheidung (die Kristallisation ) der gesteinsbildenden Minerale nach festen Gesetzmäßigkeiten. So wird Ihre Auscheidungsfolge durch die verschiedenen Schmelzpunkte der beteiligten Minerale bestimmt (fraktionierte Kristallisation). Bei der Abkühlung eines alle möglichen chemischen Komponenten (einschließlich H 2O) enthaltenden Magmas bilden sich zuerst die am schwersten löslichen Erze und andere weniger häufige Minerale (Akzessorien). Bei fortschreitender Tempera- Biotit. Zunächst bilden sich turabnahme scheiden sich die eigentlichen gesteinsbildenden Silikatminerale aus. Die dunklen Gemengteile (Mafite) kristallisieren in der Reihenfolge Olivin, Pyroxen, Amphibol, also die SiO 2-ärmeren Gemengteile (Olivin, Pyroxen). Die kieselsäurereichen Mafite (Amphibol, Biotit) folgen erst bei der sich daraus ergebenden relativen Anreicherung von SiO 2 in der Schmelze. Gleichzeitig mit den dunklen Gemengteilen bilden sich auch bereits die ersten helle Gemengteile, die Feldspäte. Auch hier kristallisiert zunächst der SiO 2-ärmere Ca-Plagioklas und dann die Plagioklase mit zunehmendem Na-Gehalt, zuletzt Albit und schließlich Kali-Feldspat. Erst wenn der SiO 2-Gehalt der Restschmelze ein Mindestmaß erreicht hat, bildet sich Quarz.... In folgender Abbildung sind vier aufeinander folgende zeitliche Phasen der Kristallisation dargestellt: Olivin kristallisiert zuerst Pyroxen und Ca-reiche Plagioklase treten hinzu Amphibol bildet sich, Zuwachs und Neukristallisation von Plagioklasen bei gleichzeitiger Zunahme des Na-Gehaltes Abscheidung von Biotit, Na- und Kalifeldspat zum Abschluss Quarz als Zwickelfüllung

6 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 6 von 44 Das geschilderte Nacheinander der Ausscheidung bedingt, dass die späteren Minerale nicht mehr die gleiche Möglichkeit idiomorpher (eigengestaltiger) Ausbildung haben, wie die zuerst ausgeschiedenen; es bildet sich ein Gestein mit idiomorphen, hypidiomorphen (fast eigengestaltigen) und xenomorphen (fremdgestaltigen) Kristallen. Die langsame Abkühlung von in der Tiefe erstarrenden Magmen bedingt, dass alle kristallisierenden Komponenten ungefähr gleich groß sind, und zwar so groß, dass man sie gut mit freiem Auge unterscheiden kann. Nur Kalifeldspat neigt zu übermäßigem Größenwachstum, so dass von porphyrartiger Struktur gesprochen wird. Beispiel: porhpyrartiger Granit Dringt eine Silikatschmelze, die aufgrund ihrer Zusammensetzung in der Lage wäre, das bisher geschilderte "Einheitsgestein" zu bilden, in die obere Erdkruste vor und kristallisiert sie dort - immer noch in größerer Tiefe - in geologische langen Zeiten aus, so werden sich ihre Kristalle nach der Reihenfolge ihrer Bildung und gemäß ihrem spezifischen Gewicht (relativ zur Schmelze) räumlich separieren. Einerseits führt schon das zeitliche Nacheinander der Ausscheidung zu bestimmten Mineralkoexistenzen: so werden Olivin + Pyroxen + Ca-Plagioklase als Erstkristallisate auch Nachbarn im Kristallaggregat (im Gestein) sein; ebenso Biotit + K- Feldspat + Quarz am Ende der Kristallisation. Andererseits sinken die schwereren Mafite (Olivin und Pyroxen) ab und die leichteren hellen Komponenten (Plagioklas, später K-Feldspat) konzentrieren sich in höheren Bereichen des Magmenkörpers. Durch solche internen Verschiebungen innerhalb des Magmas kommt es zur Bildung unterschiedlich zusammengesetzter Tiefengesteine. Man spricht von gravitativer Differentiation Vulkanite (Ergussgesteine) Erstarrung von Magma unter vulkanischen Bedingungen bedeutet rasche Kristallisation der Schmelze, die jetzt Lava genannt wird. Die rasche Abkühlung bedingt dass die kristallisierenden Komponenten der Vulkanite sehr klein bleiben. In den meisten Fällen kann man sie mit bloßem Auge nicht unterscheiden. In manchen Fällen unterbleibt die Kristallisation überhaupt, das Erstarrungsgestein ist ein vulkanisches Glas. Haben sich größere Kristalle als Erstauscheidung schon in der Tiefe gebildet, so "schwimmen" sie als Einsprenglinge in der jetzt an der Erdoberfläche gebildeten feinstkörnigen oder glasigen Grundmasse (Matrix). Diese porphyrische Struktur ist grundsätzlich charakteristische für Ergussgesteine. (Wo sich in der Tiefe noch keine oder nur vereinzelt Kristalle gebildet haben, fehlen natürlich diese Einsprenglinge ganz oder fast ganz). Wie bei den Tiefengesteinen, so sind auch bei den Ergussgesteinen die Mineralparagenesen durch die chemischen Zusammensetzung des austretenden Magmas bestimmt (siehe tabellarische Aufstellung der Magmatite; zeitliche Unterscheidung der Vulkanite). Bei plötzlicher Druckentlastung (z.b. bei explosionsartigem Ausbruch eines Vulkans) wird Magma durch das rasche Entweichen der in ihm enthaltenen Gase vielfach völlig zerpratzt. Die Schmelzfetzen oder -tröpfchen erstarren dann in der Luft zu Schlacken oder feinen glasigen Partikeln (Pyroklastika). Sie werden abgelagert und als Tuffe bezeichnet. Stofflich stimmen solche vulkanischen Aschen mit den vom gleichen Vulkan gelieferten Laven überein Ganggesteine Ganggesteine füllen mm bis m breite Risse und Spalten in anderen Gesteinen. Mit ihrer Struktur stehen die Ganggesteine zwischen der gleichkörnigen Struktur der Tiefengesteine und der porphyrischen Struktur der Ergussgesteine. Weder gibt es nur eine Größenordnung für alle Minerale noch gibt es einen ausgesprochenen Hiatus zwischen großen Einsprenglingen und der feinstkörnigen Grundmasse. Alle Mineralien sind vielmehr in allen Größenordnungen vertreten. Ganggesteine können in ihrer Zusammensetzung dem Inhalt eines dazugehörigen Tiefengesteins entsprechen. Weicht der Inhalt der Gänge vom Inhalt eines dazugehörenden Tiefengesteins ab, so spricht man von Lamprophyren (mit meist basicher Zusammensetzung), wenn die Ganggesteine viele dunkle Gemengteile enthalten. Enthalten solche Gänge dagegen mehr helle Gemengteile (z.b. bei granitischer Zusammensetzung), so heißen sie Aplite (wenn feinkörnig) oder Pegmatite (wenn grobkörnig).

7 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 7 von 44 Wichtige magmatische Gesteine

8 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 8 von Umwandlungsgesteine (Metamorphite) Metamorphite entstehen durch Um- bzw. Neukristallisation infolge Druck- und Temperaturerhöhung aus bereits vorhandeund Diagenese (Gesteinsverfesti- nen Magmatiten oder Sedimentiten. Um den Umwandlungsprozess der Metamorphose von den Vorgängen der Verwitterung gung) einerseits und der Anatexis (Gesteinsaufschmelzung) andererseits abzusetzen, muss eine genauere Definition der Metamorphose wie folgt erweitert werden: Metamorphose ist die mineralogische Veränderung von Gesteinen unter Beibehaltung des festen Zustandes infolge physi- der Diagenese in der Erdkruste kalischer und chemischer Bedingungen, die außerhalb des Bereichs der Verwitterung und geherrscht haben und die von denjenigen Bedingungen verschieden sind, bei denen die Gesteine entstanden sind. In folgender Abbildung sind die verschiedenen Arten der Metamorphose in Abhängigkeit von den physikalischen Parame- tern Druck (Tiefe) und Temperatur in einem Diagramm dargestellt.

9 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 9 von Thermometamorphose (Kontaktmetamorphose) Bei ansteigenden Temperaturen aber gleichbleibend niedrigem Druck wird das Ausgangsgestein durch Um- und Neukristallisation Korn für Korn verändert. (Rekristallisation, Kristalloblastese). Evtl. noch vorhandene Porositäten verschwinden; die Einzelkörner kommen zu unmittelbarem Kontakt untereinander. Erwärmung ohne besonderen Druckeinfluss findet im Kontakt der Schmelze mit Ihrem Nebengestein statt (Kontaktmetamorphose). Rund um Granitplutone z.b. entstehen Kontakthöfe (Kontaktaureolen), in deren Innenbereich meist lückenloses und regellos feinkörniges Gefüge vorherrscht (Hornfels); nach außen ist das Auftreten der Porphyroblasten (flecken-, garben-, knotenartige Sprossungen neuer Minerale) charakteristisch (Chiastolithschiefer) Thermodynamo-Metamorphose An der Umbildung der Gesteine ist neben der Temperatur ein gerichteter Druck (stress) beteiligt, weshalb sich neu gebildete Kristalle (z.b. Glimmermineralien) in eine Fläche einregeln. Es entsteht ein neues Flächengefüge. Die Thermodynamo-Metamorphose steht in ursächlichem Zusammenhang mit großräumigen (regionalen) Durchbewegungen der oberen Erdkruste, wie sie sich bei Gebirgsbildungen (Orogenesen) abspielen. Sie wird deshalb - zusammen mit der Versenkungsmetamorphose - auch meist mit dem Begriff Regionalmetamorphose umschrieben. Typische Gesteine mit entsprechender Paralleltextur sind Glimmerschiefer und Gneise Versenkungsmetamorphose Werden Gesteine allmählich in größere Tiefen der Erdkruste verlagert, so dass der allseitige Belastungsdruck (strain) stark ansteigt, die Temperatur dagegen weniger, spricht man von Versenkungsmetamorphose. Weil orogene (deformierende) Durchbewegungen fehlen, ist der entsprechende Metamorphit nicht geschiefert und das ursprüngliche Gefüge noch weitgehend erhalten. Nur der Mineralbestand hat sich verändert. In magmatischen Ausgangsgesteinen übt eine Metamorphose gewöhnlich nur über den gerichteten Druck (stress) einen modifizierenden Einfluss auf das Gefüge aus; der Mineralbestand als solcher kann durchaus erhalten bleiben. In Sedimentiten, deren Bildung bei normalen Oberflächentemperaturen erfolgt, ist das anders. Handelt es sich nicht gerade um einen sehr reinen Quarzsandstein oder reine Kalksteine, so werden die sedimentierten Minerale bei hohem Druck und/oder Temperatur instabil und durch andere Minerale ersetzt. Dabei lässt die sedimentationsbedingte neue Verteilung der chemischen Komponenten innerhalb der Sedimenite z. T. neue Mineralarten entstehen, die nur in metamorphen Gesteinen auftreten. Siehe hierzu die Aufstellung in der Mineraltabelle. Metamorphe Gesteine können entweder nach ihrem jetzt vorliegenden Gefüge- oder Mineralbestand beschrieben werden (Beschreibung des Phänotyps), oder sie werden nach dem Ausgangsgestein (Edukt) benannt (Bezeichnung des Genotyps). Der Mineralbestand in einem metamorphen Gestein ist Ausdruck des durch die Metamorphose erreichten Stadiums der Umbildung eines sedimentären, magmatischen oder metamorphen Ausgangsgesteins. Er richtet sich nach dem vorhandenen Stoffangebot und den p/t-bedingungen. Für die Gesteinsbenennung entscheidend sind nur Mineralgehalte > 10 Vol-% (=Hauptkomponente). Bestimmtes Gefügemerkmal für die meisten metamorphen Gesteine ist das Fehlen oder Vorhandensein einer charakteristischen Paralleltextur. Begriffe, die den Phänotyp beschreiben, sind: Gneis Schiefer Tonschiefer fein-grobkörnig mit deutlicher Paralleltextur; Feldspat (>= 20%), Glimmer (>= 10%); Quarz (>= 10%) (je nach Mineralbestand z.b. Biotitgneis, Muskovitgneis, Zweiglimmergneis usw.) metamorphes Gestein mit deutlich engständiger Paralleltextur Ablösung nach tektonischer Schieferung; feinstkörnig; pelitischer sedimentärer Mineralbestand nur unwesentlich verändert (nur mikrokristalline Neubildungen) Phyllit feinschiefrig, feinstkörnig; Seidenglanz; Hellglimmer (Serizit) ist Hauptgemengteil oder Chlorit (Grünfärbung) Glimmerschiefer mittel- bis grobschiefrig; Glimmer ist Hauptgemengteil; Feldspat < 20% Fels Gefügebezeichnung für massig erscheinende Metamorphite ohne Paralleltextur Granofels: mittel- bis grobkörnig; granoblastische Kryptofels: dicht, feinst- bis feinkörnig (< 1 mm).

10 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 10 von 44 Auch vor die Texturbezeichnung Fels können zur genaueren Beschreibung Mineralnamen gesetzt werden (z.b. Kalksilikatfels bei Neubildung von Ca-Mg-Silikaten) Weitere Namen, die den Phänotyp eines metamorphen Gesteins mit seinem Mineralbestand charakterisieren, sind Quarzit Marmor Amphibolit Serpentinit (anstelle Quarzfels oder Quarzschiefer) (anstelle Karbonatfels oder Karbonatschiefer) (anstelle Amphibolitschiefer) (anstelle Serpentinfels oder Serpentinschiefer) Bei der Benennung metamorpher Gesteine nach ihrem Ausgangsgestein unterscheidet man zunächst grob zwischen Orthogesteinen (aus Magmatiten hervorgegangen) und Paragesteinen (aus Sedimentiten). Ist der Charakter des Ausgangsgesteins noch zu erkennen, verwendet man die Vorsilbe "Meta"- (ein Metagranit ist ein metamorph überprägter Granit, ein Metasediment ein metamorphes Sedimentgestein, ein Metakonglomerat ein metamorphosiertes Konglomerat usw.) Zur besseren systematischen Gliederung der sehr vielfältigen metamorphen Gesteine wurde der Begriff der metamorphen Fazies eingeführt. Eine metamorphe Fazies umfasst alle diejenigen metamorphen Gesteine, welche während der Metamorphose in einem bestimmten Bereich physikalisch-chemischer Bedingungen stabil sind. Die Zuordnung eines metamorphen Gesteins zu einer metamorphen Fazies geschieht aufgrund der Bestimmung fazieskritischer Mineralneubildungen. Da jedoch in einer makroskopischen Analyse metamorpher Gesteine nicht alle kritischen Faziesminerale gleich mit bloßem Auge zu erkennen sind, lässt sich in einer ersten Beschreibung des Gesteins oft noch keine genaue Zuordnung des Gesteins zu einem bestimmten Faziesbereich vornehmen. Man begnügt sich dann mit der Feststellung der Zugehörigkeit des Gesteins zu einem Bereich geringer Metamorphose (Epizone), mittlerer Metamorphose (Mesozone) und hoher Metamorphose (Katazone) Anatexis Die Anatexis umfasst den gegenüber der Metamorphose nur unscharf abgrenzbaren Druck- und Temperaturbereich, in dem feste Gesteinspartien teilweise oder völlig aufgeschmolzen werden (hier spielt der Wassergehalt eine wichtige Rolle). Zuerst wird aus den vorliegenden Gesteinen der am leichtesten schmelzbare Anteil herausgelöst. Solche ersten Aufschmelzungen haben ungefähr granitische bis granodioritische Zusammensetzung. Nicht aufgeschmolzene - gewöhnlich dunklere - Reste werden als Restite bezeichnet. Metamorphose Mineralbestand Kontaktmetam. Andalusit (Chiastolith), Feldspat, Biotit, Cordierit Quarz, Calcit geringe Regionalmetam. Sericit, Chlorit, Serpentin, Talk, Plagioklas (Albit) Epizone Gefüge massig, grobbis feinkörnig metamorphe Paralleltextur Muskovit, Biotit, Staurolith, Disthen, mittlere mittelkörnig Granat (Almandin), Regionalmetam. Plagioklas (Oligoklas) metamorphe Mesozone Paralleltextur Quarz, Calcit, Amphibol Biotit, Cordierit, mittel- bis grobkörnig Sillimanit, Pyroxen, hohe Hornblende Regionalmetam. (Amphibol), Granat (Pyrop), Plagioklas metamorphe Paralleltextur z. Katazone T. sich auflösend Quarz, Calcit, Amphibol Magmatit sauer Magmatit basisch Sandstein keine keine Veränderung Veränderung. Quarzit (Ortho-) Gneis (Ortho-) Gneis (Ortho-) Gneis (Amphibolit) (Amphibolit) Quarzit Quarzit Quarzit Ton und sand. Ton Knotenschiefer Phyllit Glimmerschiefer (Para-) Gneis Mergelton Kalk (ohne metamorphe Paralleltextur) Chloritschiefer feinst- bis feinkörnig (Chloritschiefer) Chloritschiefer Marmor Marmor Amphibolit Marmor Eklogit Marmor

11 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 11 von Für Naturstein relevante Eigenschaften und Prüfungen Kriterien sind zu überprüfen im Einzelfall stets im Hinblick auf den gewünschten Einsatzbereich. Dazu gehören zum Beispiel die folgenden Anwendungsgebiete: Z. B. Vorgehängte Fassadenplatten: Hier ist von Bedeutung eher die Biegezugfestigkeit sowie die Ausbruchfestigkeit am Ankerdornloch als die anderen Kriteri- en. Alle Eigenschaften hängen jedoch direkt voneinander ab. z. B. Bodenbelag: relevante Kriterien: Abriebfestigkeit Druckfestigkeit Wasseraufnahme Beständigkeit gegen Chemikalien Struktur: Bruchgefahr entlang von Bänderungen und Schieferungsflächen Handelsnamen der Gesteine: reine Fantasie! Beschreibungen sind meist falsch! Daher Vorsicht. Bei den meisten Laien sind alle harten kristallinen und polierfähigen Gesteine Granit, auch wenn das geologisch und petrographisch falsch ist Der Granit Nero Impala ist demnach trotz seines Handelsnamens kein Granit, sondernn ein Gabbro, also mit dem Basalt chemisch identisch! Daraus resultieren ganz andere Zusammensetzung und Eigenschaften. Es gibt einen Belgisch Granit, der in Wirklichkeit ein Kalkstein ist!

12 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 12 von Anorganische Bindemittel 2.1. Zement Wortstamm Definition: (lateinisch caementum: Bruchstein, Baustein opus caemtitium: römischer Beton ein fein gemahlenes hydraulisches mineralisches Bindemittel, das nach dem Anrühren mit Wasser erhärtet und danach wasserbeständig ist. Wesentliche Rohstoffe: Kalkstein ca. 70 % Ton ca. 27 % Gips ca. 3 % Chemismus: CaO Calciumoxid % SiO 2 Siliziumdioxid % in Form von Kalziumsilikaten Al 2O 3 Aluminiumoxid 4 12 % in Form von Calciumaluminaten Fe 2O 3 Eisenoxid 2 5 % in Form von Kalziumferriten Herstellung Die Zusatzstoffe werden bei Temperaturen von C in Drehrohröfen zum so genannten Zementklinker gebrannt. Dieser Klinker wird anschließend in Mühlen (Rohrmühlen, Vertikalmühlen) unter Zugabe von Gips, Anhydrit und eventuell sonstigen Zumahlstoffen wie z. B. Hüttensand oder natürliche Puzzolane zum fertigen Zement vermahlen.

13 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 13 von 44 Entwicklung der Zementfestigkeit in Abhängigkeit von der Zement- art

14 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 14 von 44 Eigenschaften und Reaktionen: Beginn der Reaktion an Korngrenzen und säumen Zunächst Bildung langfaseriger Kristalle Danach Ausbildung kurzfaseriger nadeliger Kristalle mit guter Verzahnung Daraus resultierende Eigenschaften: hoher ph-wert, gute Druckfestigkeit, Porosität, geringe Zug- und Biegefestigkeit Portlandit (Calciumhydroxid): verantwortlich für ph-wert Partikelgröße der CSH - Phasen: < 0,1 µm. Daraus resultiert die Bezeichnung Zementgel Sehr große innere Oberfläche der CSH Phasen, von ca m 2 /g Daher: große Massenanziehungskräfte innerhalb des Zementgels ( van der Waals-Kräfte ), die wiederum guten inneren Zusammenhalt bewirken. Dies zusammen mit der chemischen Bindung führt zu der hohen Festigkeit und der großen Bedeutung des CSH innerhalb der verschiedenen Zementsteinphasen

15 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 15 von 44 Kennzeichnung der Farben von Zementverpackungen und ihrer Aufdrucke

16 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 16 von Kalk Definition Kalke sind Bindemittel, die durch Brennen von Kalkstein gewonnen werden. Je nach der Zusammensetzung des Kalksteins und der daran orientierten Brenntemperatur unterscheiden wir Luftkalke und hydraulisch erhärtende Kalke. Erstere benötigen zur Erhärtung das in der Luft enthaltene CO 2 zur Karbonatisierung; unter Wasser gelagert erhärten sie nicht. Letztere benötigen CO 2 nur bedinkt und erhärten auch weitgehend unter Wasser durch Bildung von Calciumsilikathydraten bzw. sind nach der Erhärtung wasserbeständig Herstellung (von Luftkalk) Der im Steinbruch abgebaute, gebrochene Kalkstein wird bei rund 900 C gebrannt. Der dabei in stückiger Form gewonnene "gebrannte Kalk" wird unter Zugabe von Wasser gelöscht; es entsteht unter Volumenvergrößerung der "gelöschte Kalk" oder "Kalkhydrat". Durch die Volumenvergrößerung bei der Umwandlung zerfallen die Kalkstücke in Pulverform. Die Reaktionsgleichungen lauten: Brennen: CaCO kj/kg CaCO > (900 C) CaO + CO 2 Löschen: CaO +H 2O > Ca(OH) kj/kg CaO Erhärtung (von Luftkalk) Ca(OH) 2 in fester Form karbonatisiert bei einem Wassergehalt von 0,8 bis 4,0 Gew.-% mit dem CO 2 der Luft zu CaCO 3 (Calciumkarbonat). Die dabei erreichbare Festigkeit ist wegen des relativ großen Porengehalts der erhärteten Masse gering. Durch Wechsel des Feuchtigkeitsgehalts werden Kristallneu- und -umbildungen hervorgerufen. Diese bewirken eine Steigerung der Festigkeit und Dauerhaftigkeit. Karbonatisieren: Ca(OH) 2 + CO > CaCO 3 + H 2O Eigenschaften und Verwendung (von Luftkalk) Heute ist als Luftkalk im Handel fast ausschließlich Kalkhydrat erhältlich (Weißkalkhydrat, Dolomitkalkhydrat). Nur vereinzelt wird noch gebrannter Kalk geliefert. Luftkalk wird vorwiegend für Putz- und Mauermörtel verwendet, an welche vergleichsweise geringe Festigkeitsanforderungen gestellt werden. Aufgrund ihrer großen Porosität besitzen erhärtete Luftkalkmörtel eine gute Wasserdampfdurchlässigkeit und gute Wasserabsorptionsfähigkeit. Dies beeinflußt das Klima von Innenräumen günstig. In Kombination mit Gips wird Luftkalk zur Herstellung von Gips-Kalk-Mörtel für Innenputze verwendet. Für Außenputz ist Luftkalk ohne zusätzlichen Oberflächenschutz wegen seiner großen Porosität wenig geeignet (Gefahr der Durchfeuchtung) Normen DIN N 459 DIN 4207 DIN DIN DIN Baukalk Mischbinder Putz, Baustoffe und Ausführung Mörtel aus mineralischen Bindemitteln, Prüfung Trass 2.3. Gips Herstellung Natürlich vorkommender Gipsstein, der als Calciumsulfat-Dihydrat vorliegt (CaSO 4 * 2H 2O), wird gebrannt. Je nach der Brenntemperatur wird mehr oder weniger Kristallwasser ausgetrieben. Die Brenntemperatur kann im Bereich zwischen 80 C und 1200 C liegen. Bei Temperaturen unter 180 C entsteht vorwiegend das sogenannte Halbhydrat (CaSO 4 *0,5H 2O); bei höheren Temperaturen das wasserfreie Calciumsulfat, der Anhydrit (CaSO 4). Die Brennverfahren werden in das "nasse" und das "trockene" unterschieden. Sie wirken sich auf die äußere Form des gebrannten und die Festigkeitsbildung des verarbeiteten Gipses aus. Nasses Brennen bei rund 120 C und un ter Dampf bewirkt die Bildung von Halbhydrat, das in äußerlich gut erkennbarer Kristallform vorliegt, auch α - Halbhydrat genannt. Er ergibt als Mörtel eine gute Druckfestigkeit. Trockenes Brennen ergibt ein flockiges Halbhydrat. Die Flocken besitzen zwar die gleiche Kristallstruktur wie die Kristalle des α - Halbhydrats; die äußere Gestalt der Flocken lässt jedoch keine regelmä-

17 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 17 von 44 ßige Kristallform erkennen. Dieses Halbhydrat wird auch als β - Halbhydrat bezeichnet. Es ergibt als Mörtel nur eine geringe Druckfestigkeit. Alpha Halbhydrat: Brenntemperatur: 100 C Beta Halbhydrat Brenntemperatur 125 C (Stuckgips ) Anhydrit III Brenntemperatur 180 C Anhydrit II Brenntemperatur C Anhydrit I Brenntemperatur 1200 C (instabil, tech nisch ohne Bedeutung) Estrichgips: Kalkgips, Brennen mit CaO bei C Erhärtung Die Erhärtung des mit Wasser gemischten Halbhydrats erfolgt zum einen über dessen Lösung und das Ausscheiden von Dihyratkristallen aus dieser Lösung, zum anderen durch topochemische Vorgänge. Die Gipskristalle bilden ein filzartiges Gefüge, das über Oberflächenkräfte zusammengehalten wird und somit ein tragfähiges System darstellt. Der Anhydrit erhärtet im Prinzip entsprechend dem Halbhydrat, allerdings wesentlich langsamer. Die Reaktionsfähigkeit nimmt mit höher werdender Brenntemperatur ab. Die Erhärtungsreaktion wird deshalb mit Hilfe von Anregern beschleunigt. Im Vergleich zu Kalk und Zement ist die Erhärtung bzw. der Brennvorgang keine chemische Umwandlung, sondern nur die Entwässerung Alle Änderungen der Eigenschaften resultieren aus den Veränderungen des Kristallwassergehaltes Eigenschaften und Verwendung Abhängig von der Brenntemperatur setzt sich der gebrannte Gips aus unterschiedlichen Mengen Halbhydrat und Anhydrit zusammen bzw. ist der Anhydrit verschieden reaktionsfreudig. Demzufolge ergibt sich eine Anzahl von Gipssorten, die sich in ihrer Erhärtungscharakteristik, den daraus resultierenden Verarbeitungseigenschaften und den Eigenschaften im erhärteten Zustand unterscheiden. Die in der Praxis üblichen Gipssorten sind Stuckgips Putzgips, Estrichgips Gemisch von Halbhydrat und Anhydrit III Halbhydrat, Anhydrit II und III, schnellere Versteifung, kürzere Verarbeitung Anhydrit II mit Kalk, bei C gebrannt. Verwendung: Gipsputze und Gipsmörtel Formenbau, Abformungen, Dentaltechnik Gispkarton - Trockenbauplatten Estriche: Anhydritestriche, AFE Wandbauplatten, Gipsmassivplaten Normen DIN 1168 DIN 4208 DIN 4121 DIN DIN DIN DIN DIN Baugipse Anhydritbinder Hängende Drahtputzdecken (Rabitzdecken) Wandbauplatten aus Gips Deckenplatten aus Gips Gipskartonplatten Putz- und Stuckarbeiten Putz, Baustoffe und Ausführung

18 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 18 von 44 Beton / Stahlbeton Geschichte Betonzusatzstoffe Beton ist ein künstliches Gestein aus Zement, Betonzuschlag (Sand und Kies) und Wasser. Er kann außerdem Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel enthalten. Der Zement dient als Bindemittel, um die anderen Bestandteile zusammenzuhalten. Die Festigkeit des Betons entsteht durch Auskristallisierung der Klinkerbestandteile des Zements, wodurch sich kleinste Kristallnadeln bilden, die sich fest ineinander verzahnen. Das Kristallwachstum hält über Monate an, sodass die endgültige Festigkeit erst lange nach dem Betonguss erreicht wird. Beton kann zwar hohen Druck aushalten, versagt aber bei niedrigen Zugbeanspruchungen. Beton wird daher im Hochbau häufig in Zusammenhang mit Betonstahl als Stahlbeton verwendet. Bei diesem Verbundbaustoff übernimmt der Beton entsprechend seinem Materialverhalten die Druckkräfte und der vom Beton umhüllte Stahl die Zugkräfte. Beton lässt sich unterscheiden nach der Trockenrohdichte (Leichtbeton, Normalbeton, Schwerbeton) der Druckfestigkeit dem Ort der Herstellung, der Verwendung oder dem Erhärtungszustand (Baustellenbeton, Transportbeton, wasserundurchlässiger Beton, Unterwasserbeton, Frischbeton, Festbeton) der Konsistenz (selbstverdichtender Beton, Fließbeton, steifer Beton) Die Betoneigenschaften sind abhängig von der Zusammensetzung (Zementgehalt, Menge Anmachwasser, Wasserzementwert, Kornabstufung, Qualität der Zuschlagstoffe, Mehlkorngehalt) Verarbeitung (Verdichtung, Nachbehandlung) Der Name Beton kommt aus dem französischen und leitet sich vom lateinischen Bitumen (schlammiger Sand, Erdharz, Bergteer, Kitt) ab. Schon die Römer kannten vor 2000 Jahren Beton (lat. opus caementitium). Die Römer bauten ihre Städte mit einem Gemisch aus Steinen, Sand und Vulkanasche. Ihr Beton ist bis heute unübertroffen, schließlich hält das Material seit mittlerweile über 2000 Jahren. Ein Quantensprung war die Erfindung des Stahlbetons durch Joseph Monier (Patent: 1867), die hierfür verwendeten Eisenteile heißen bis heute noch Moniereisen (Häufiger wird allerdings der Begriff Bewehrungsstahl oder Betonstahl für Moniereisen verwendet). Betonfertigteile und Verbundsteine werden seit den 60er Jahren produziert. Beton wird in der Modernen Kunst auch für Denkmäler oder Skulpturen verarbeitet. Exotisch ist die Verwendung im Schiffbau (z.b. in einem Betonboot). Betonzusatzstoffe sind pulverförmige Betonzusätze, die bestimmte Eigenschaften des Betons beeinflussen. Sie dürfen dem Beton nur zugegeben werden, wenn sie das Erhärten des Zements, die Festigkeit und die Beständigkeit des Betons sowie den Korrosionsschutz der Bewehrung nicht beeinträchtigen. Sie sind bei der Betonherstellung als Volumenbestandteile zu berücksichtigen. Wenn Betonzusatzstoffe verwendet werden sollen, muss im Vorfeld die Zusammensetzung des Beton mit Eignungsprüfungen, wie sie z.b. die DIN 1045 vorschreibt, festgelegt werden. Verschiedene Betonzusatzstoffe: Mineralische Feinstoffe Inerte Feinstoffe Puzzolanische Stoffe - Steinkohlenflugasche - Traß - Silica- Staub Organische Stoffe Kunstharzdispersion Farbpigmente Fasern Durch die Beimischung von 5% Glasfasern von Schott gelang es dem Ungarn Aron Losonczi, translumineszente (lichtdurchlässige) Betonelemente herzustellen. Der "Leuchtbeton", der unter dem Namen "Litracon" auf dem Markt ist, ist derzeit etwa mal teurer als herkömmlicher Beton.

19 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 19 von 44 Expositionsklassen des Betons nach DIN EN Expositionsklassen für Bewehrungskorrosion Expositionsklassen bei Betonangriff

20 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 20 von 44 Bauteilanforderungen, beispielhaft Mindestbetondeckung der Bewehrung

21 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 21 von 44 Stahl Definition Eigenschaften Stahl ist eine metallische Legierung, deren Hauptbestandteil Eisen ist. Nach der klassischen Definition ist Stahl eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die < 2,06 Masse-% Kohlenstoff enthält. Bei höheren Anteilen von Kohlenstoff spricht man von Gusseisen, hier liegt der Kohlenstoff in Form von Graphit oder Zementit vor. Gegenwärtig gibt es aber einige Gruppen von Stählen, in denen Kohlenstoff kein Legierungsbestandteil mehr ist. Ein Beispiel dafür sind IF-Stähle, in deren Eisenmatrix kein Kohlenstoff interstitiell gelöst ist. Gegenwärtig werden unter Stählen eisenbasierte Legierungen verstanden, die plastisch umgeformt werden können. Kohlenstoffstähle sind die am meisten verwendeten metallischen Legierungen. Die Bedeutung von Kohlenstoff im Stahl ergibt sich aus seinem Einfluss auf die Stahleigenschaften und Phasenumwandlungen. Im Allgemeinen wird Stahl mit höherem Kohlenstoffanteil fester, aber auch spröder. Durch Legieren mit Kohlenstoff entstehen in Abhängigkeit von der Konzentration und der Umgebungstemperatur unterschiedliche allotrope Phasen, Austenit, Ferrit, Perlit, Ledeburit und Zementit. Die Kristallitstruktur von Stahl kann mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm beschrieben werden. Durch beschleunigtes Abkühlen von Austenit, in dem Kohlenstoff gelöst ist, können die weiteren Phasen Sorbit, Troostit, Bainit und Martensit entstehen. Durch Legieren mit anderen Elementen in Kombination mit Wärme- und thermomechanischer Behandlung, die Kombination von thermischer Behandlung mit plastischer Umformung, können die Eigenschaften der Stähle für einen breiten Anwendungsbereich angepasst werden. Man unterscheidet zwischen hoch- und niedrig legierten Stählen. Letztere kennzeichnet ein Anteil (bezogen auf die Masse der Legierungselemente außer Eisen) unter 5%. Ferrit: Austenit: Martensit α - Eisen, <0,02 % C, raumzentriertes Kristallgitter γ - Eisen, durch Kristallumwandlung im festen Zustand Umwandlung in flächenzentriertes Kristallgitter, Umwandlungstemperatur abhängig vom C - Gehalt, aber > 723 C. (nicht magnetisch) schnelles Abkühlen des Stahls < 300 C führt zu einer speziellen kristal linen Struktur, bei C > 0,2 %, der Stahl ist sehr hart und spröde. Arten von Stählen Ohne den Anspruch auf Vollständigkeit, werden im Folgenden verschiedene Arten von Stählen angegeben. Kohlenstoffstahl: Ist das Material was man im allgemeinen unter Stahl versteht. Gewöhnlich werden Kohlenstoffstähle zusätzlich mit Mangan legiert, um die Festigkeit weiter zu erhöhen. Nichtrostender Stahl (Cromargan, Nirosta etc.): Diese gibt es als ferritische und austenitische Stähle. Ersterer wird durch Legieren von mindestens 10% Chrom erhalten. In austenitischen nichtrostenden Stählen ist zusätzlich Nickel legiert. Diese Stähle sind bei Raumtemperatur nichtmagnetisch. Umgangssprachlich werden dies Stähle auch rostfreie Stähle genannt. Tiefziehstahl: Darunter werden diejenigen Stahlsorten zusammengefasst, die zum Weiterverarbeiten durch Tiefziehen geeignet sind. Diese Stähle sind im allgemeinen sehr weich und dürfen keine ausgeprägte Streckgrenze aufweisen. Schnellarbeitsstahl: Schnellarbeitsstähle (Schnellstähle) sind hochlegierte Werkzeugstähle, die hauptsächlich für hohe Schnittleistungen verwendet werden. Sie behalten ihre Härte bis zur Dunkelrotglut (also bis ca. 600 C). Einteilungen von Stählen Die Einteilung von Stählen verläuft nach Ihren Anwendungen und Eigenschaften. Diese kann man grob in 4 Gruppen aufteilen. Gruppe 1: unlegierte Baustähle S - allgemeiner Baustahl (z.b.: S295) 295 bedeutet Streckgrenze R eh von 295 N/mm² E - Maschinenbaustahl P - Druckbehälterbaustahl

22 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 22 von 44 Gruppe 2: Einsatzstähle und Vergütungsstähle C 10, C15... C60... C n C bedeutet der Anteil des Kohlenstoffes in n/100 in % Bei einem Kohlenstoffgehalt < 0,25 % ist der Stahl einsatzhärtbar, darüber vergütbar. (Achtung: bei Stahl gibt es einen Kohlenstoffgehalt von max. 2 %!) Gruppe 3: niedrig legierte Stähle Bei niedrig legierten Stählen liegt der Anteil an Legierungselementen unter 5 %. Zum Beispiel steht das Kürzel 15CrNi6 für: 15/100 in % C, aber: bei der Ermittlung des Legierungsanteils wird der C-Anteil nicht mitgerechnet! Cr und Ni charakterisieren die Legierungselemente 6 = 6/Konstante % Cr - in diesem Fall 1,5 % (Konstante ist in Tabellen für bestimmte Legierungselemente festgelegt) Ni hat einen Anteil von < 1 % Zur Vorgangsweise: Das Legierungselement mit dem höchsten Anteil an der Legierung steht an erster Stelle, im Falle des Beispiels Cr - diesem wird die 1. Zahl zugeordnet, dem 2. Element die 2. Zahl usw. Kann man keine Zahl zuordnen so ist der Anteil automatisch unter 1%. Die Konstanten sind in einer Tabelle fixiert - sie entsteht durch die Zuweisung einer Konstanten zu einem bestimmten Legierungselement. (z. B.: bei Cr würde die Konstante 4 sein) Gruppe 4: hoch legierte Stähle Der Anteil von mindestem einem Legierungselement ist größer als 5 % Erklärung anhand des Beispiels X5CrNiMoV X - Kennzahl für alle hochlegierten Stähle 5/100 in % C Cr, Ni, Mo, V charakterisieren die Legierungselemente 18 % Cr, 8 % Ni, 2 % Mo, unter 1 % V Die Vorgangsweise ist gleich wie in Gruppe 3 - der Unterschied besteht darin, dass der Anteil in Prozent nicht erst über eine Konstante umgerechnet werden muss sondern direkt abgelesen werden kann. GJL (Gusseisen lamellar, Kohlenstoff liegt in lamellarer Form vor) Diese Art des Gusseisen kommt am häufigsten zur Verwendung. Vorteile: Schwingungen werden durch die laminare Anordnung des Kohlenstoffs gedämpft Gute Schmierung durch den Kohlenstoff Nachteile: die mechanischen Eigenschaften sind nicht so gut ausgeprägt wie bei normalem Stahl GJS (S = sphärisches Gusseisen, C besitzt eine Kugelform) Bessere mechanische Eigenschaften als GJL GJM (M Tempergusseisen) Eine Zahl hinter diesen Bezeichnungen würde eine Zugfestigkeit Rm angeben (z. B.: GJS100 Zugfestigkeit von 100 N/mm²)

23 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 23 von 44 Legierungskarte Einfluss der Legierungen auf Stahl Härte Festigkeit Streckgrenze Dehnung Einschnürung Kerbschlagzähigkeit Elastizität Warmfestigkeit Abkühlgeschwindigkeit Karbidbildung Verschleißfestigkeit Schmiedbarkeit Zerspanbarkeit Verzunderung Nitrierbarkeit Rostbeständigkeit Si Mn* Mn Cr Ni* Ni Al W V Co Mo Cu S P Legende: Keinen, oder wenig Einfluss Verbessert die angegebene Eigenschaft Verschlechtert die angegebene Eigenschaft

24 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 24 von 44 ROSTFREIE STÄHLE 1. FERRITISCHE UND MARTENSITISCHE STÄHLE (MAGNETISCH) wesentliche Legierungskomponente: % Chrom (Cr) 2. AUSTENITISCHE STÄHLE (NICHT MAGNETISCH) wesentliche Legierungskomponenten: ca. 18 % Chrom (Cr) >8 % Nickel (Ni) Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit 2-4 % Molybdän (Mo) Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen interkristalline Korrosion ( nach dem Schweißen ) Titan ( Ti ) Niob ( Nb ) z. B. Werkstoff-Nr (üblicher Handelsname V4A) = X6 CrNiMoTi d. h. C = 6/100 (%) = 0,06 % C Cr = 17 % Ni = 12 % Mo = 2 % Ti < 1 %

25 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 25 von 44 Normen und Richtlinien für Stähle DIN 1694 DIN 1681 DIN Teil 1-3 DIN EN DIN EN DIN EN Austenitisches Gusseisen Stahlgusssorten für allgemeine Verwendungszwecke Techn. Lieferbedingungen Stahlguss für das Bauwesen und für allgemeine Anwendungen Korrosionsbeständiger Stahlguss Begriffsbestimmungen für die Einteilung der Stähle Allg. Techn. Lieferbedingungen für Stahl und Stahlerzeugnisse Prüfung von Stahl DIN DIN DIN DIN DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO Dauerschwingversuch Prüfung metallischer Werkstoffe, Zugproben Metallische Werkstoffe: Zugversuch Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy Härteprüfung nach Brinell Härteprüfung nach Vickers Härteprüfung nach Rockwell DIN Stahlbauten, Bemessung und Konstruktion DIN Allgemeine Baustähle (ersetzt durch DIN EN ) DIN EN Warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen DIN Wetterfeste Baustähle Nicht rostender Stahl DIN EN Merkblätter DIN EN Nichtrostende Stähle Informationsstelle Edelstahl rostfrei, Nr. 821, 822, 828, 834 Nichtrostender Betonstahl Flacherzeugnisse aus Druckbehälterstählen Normen Baustahl

26 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 26 von 44 Normen Betonstahl

27 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 27 von 44 Stahlherstellung Hochofenroute Direktreduktion Stahl kann entweder aus Eisenerz oder aus Schrott hergestellt werden. Die Stahlherstellung aus Eisenerz erfolgt gegenwärtig üblicherweise mit einem Hochofen. Das Eisenerz wird zunächst gesintert, um eine geeignete Stückigkeit einzustellen. Der Sinter wird mit Kalk und Koks zum Möller vermischt und anschließend in den Hochofen chargiert. Der Hochofen ist ein metallurgischer Reaktor, in dem im Gegenstrom die Möllersäule mit heißer Luft, dem so genannten Wind reagiert. Durch Verbrennen des Kohlenstoffs aus dem Koks entstehen die für die Reaktion nötige Wärme und Kohlenmonoxid, das die Möllersäule durchströmt und das Eisenoxid reduziert. Als Ergebnis entstehen Roheisen und Schlacke, die periodisch abgestochen werden. Da das Roheisen sehr viel Kohlenstoff enthält, muss es einen weiteren Prozessschritt durchlaufen. Durch Aufblasen von Sauerstoff, dem so genannten Frischen, wird der Kohlenstoff reduziert und es entsteht flüssiger Stahl. Nach dem Zulegieren der gewünschten Elemente wird er im Strang oder in der Kokille zu Halbzeug vergossen. Das Vergießen bedarf besonderer Techniken, man unterscheidet zwischen beruhigt und unberuhigt vergossenen Stählen (unter Beruhigen versteht man das Binden des in der Schmelze gelösten Sauerstoffs durch Zulegieren von Aluminium oder Silizium). Dies hat Einfluss auf im erkaltenden Stahl entstehende Seigerungen (Materialentmischungen, z.b. Schwefelablagerungen) oder Lunker (durch das Schwinden des Materials bedingte Hohlräume). Beide sind mit Qualitätsverlusten verbunden. Die Nachteile des Hochofens sind, dass hohe Ansprüche an die Einsatzmaterialien gestellt werden und der Ausstoß an Kohlendioxid. Der eingesetzte Eisenträger und der Koks müssen stückig und hart sein, so dass genügend Hohlräume in der Möllersäule bestehen bleiben, die das Durchströmen durch den eingeblasenen Wind gewährleisten. Der CO 2 Ausstoß stellt eine hohe Umweltbelastung dar. Deshalb gibt es Bestrebungen die Hochofenroute abzulösen. Bisher hat sich aber kein Verfahren gegenüber dem Hochofen etablieren können. Zu nennen sind hier die Eisenschwamm- und Pelletsherstellung in Drehrohröfen sowie die Corex, Midrex und Finex Verfahren. Das Corex Verfahren ist gegenwärtig am meisten verbreitet. Dieses Verfahren verwendet zwei Gefäße, eins zum Reduzieren des Erzes und das zweite zum Vergasen der Kohle und Aufschmelzen des Eisens. Da keine hohe Möllersäule getragen werden muss, kann minderwertige Kohle verwendet werden. In den Konverter wird eine große Menge Sauerstoff eingeblasen (ca. 1 t O 2 t Eisen) und es wird eine große Menge CO haltiges Corex Gas frei, das weiterverwendet werden muss. Die Rentabilität des Verfahrens hängt von den Kosten für den Sauerstoff und den Erträgen durch die Verwertung des Corex Gases ab. Diese Restriktionen bedingen gewöhnlich hohe Investitionen in der Peripherie, die die Integration des Verfahrens in gewachsene Hüttenwerke behindern. Stahlherstellungsverfahren Man kann zwischen so genannten Blasverfahren und Herdfrischverfahren unterscheiden. In den Blasverfahren wird das Roheisen mit Sauerstoff oder Luft gefrischt. Der Oxidationsprozess, der den Kohlenstoffanteil senkt (das "Frischen"), liefert in diesen Verfahren genug Wärme, um den Stahl flüssig zu halten, eine externe Wärmezufuhr ist in den Konvertern deshalb nicht notwendig. Die Blasverfahren kann man zusätzlich in Aufblasverfahren und Bodenblasverfahren unterteilen. Zu den Bodenblasverfahren gehören das Bessemerverfahren, das Thomasverfahren, die Rennfeuer und frühen Hochöfen. Das bekannteste Aufblasverfahren ist das LD-Verfahren. Bei den Herdfrischverfahren wird der zur Oxidation notwendige Sauerstoff dem zugesetzten Schrott und Erz entnommen. Außerdem muss Herdfrischkonvertern extern Wärme zugeführt werden. Die bekanntesten Herdfrischverfahren sind das Siemens-Martin-Verfahren und der Elektroofenprozess. Historische Verfahren Meteoreisen Rennfeuer Ursprünglich wurde das Eisen von Meteoren verarbeitet. Ca Jahre vor unserer Zeitrechnung sind die ersten Rennfeuer entstanden. Diese sind Lehmöfen, in die Holzkohle und Eisenerz schichtweise eingebracht wurden. Im Rennofen entstehen Temperaturen zwischen etwa 1200 und 1300 C, die das taube Gestein aufschmelzen und als Schlacke ablaufen lassen. Daher stammt auch der Name: Rennen von Rinnen. Das Eisen wird durch die Holzkohle reduziert. Es entsteht eine von Schlacketeilchen durchsetzte Luppe, die durch Schmieden weiterverarbeitet werden kann. Stück- oder Wolfsofen Gussstahl Puddel-Verfahren Ab etwa dem 12. Jahrhundert wurden die Öfen nicht mehr in die Erde sondern oberirdisch gebaut (Vorläufer der Hochöfen) und zusätzlich durch wassergetriebene Blasebälge mit Luft versorgt. Auch wurde der Stahl mit wassergetriebenen Hammerwerken bearbeitet. Das Roheisen wird im seit 1742 angewendeten Gussstahlverfahren zusammen mit Schrott geschmolzen. Der Sauerstoffanteil im Schrott frischt das Roheisen und verbesserte somit die Qualität des Stahls. Im 1784 von Henry Cord in England erfundenen Puddel-Verfahren wird die schon zäh werdende Roheisenmasse mit Stangen gewendet, so dass möglichst viel der Oberfläche mit der Umgebungsluft in Berührung kommen kann. Durch diesen Sauerstoffkontakt wird das Roheisen gefrischt und so zu Stahl verarbeitet.

28 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 28 von 44 Thomas- und Bessemerverfahren, DSN-Verfahren OBM-Verfahren Diese sind Konverterverfahren, bei denen durch Bodendüsen des Konverters Gase in die Roheisenschmelze gedrückt werden. Die Thomas- und Bessemerverfahren verwenden Luft, im DSN-Verfahren (Dampf-Sauerstoff-Neunkirchen) wird Sauerstoff zusammen mit Wasserdampf statt Luft eingesetzt. Das auch "saures Windfrischverfahren" genannte Bessemerverfahren wurde 1855 von Henry Bessemer entwickelt. Das Thomasverfahren (auch "basisches Windfrischverfahren" genannt und bekannt durch die Konverterform: die Thomasbirne) wurde 1878 von Percy Gilchrist und Sidney Thomas erfunden. Sie unterscheiden sich durch die Ausmauerung des Ofens welche entweder sauer oder basisch wirkt und so verschiedene Eigenschaften aufweist (im Thomasverfahren eine Dolomit-Teer-Mischung). Im OBM-Verfahren (Oxygen-Boden-Maxhütte oder Oxygen-Bodenblas-Metallurgie-Verfahren) werden Sauerstoff und Butan oder Propan durch den Boden des Konverters eingeblasen. Mit der Stilllegung der Neuen Maxhütte in Sulzbach-Rosenberg im Jahr 2003 ist der einzige OBM Konverter stillgelegt worden. Aktuelle Verfahren Linz-Donawitz-Verfahren Im so genannten LD-Verfahren (benannt nach den Standorten der österreichischen Unternehmen VOEST und Alpine Montan, jetzt fusioniert zur VOEST-ALPINE STAHL AG, die dieses Verfahren entwickelten) wird durch eine Lanze Sauerstoff auf das Schmelzbad im Konverter geblasen, so werden unerwünschte Begleitstoffe oxidiert und können dann als Schlacke abgestochen werden. In den Konverter muss flüssiges Roheisen chargiert werden, da das Verfahren die Einsatzstoffe nicht aufschmelzen kann. Durch Zugabe von Schrott und Erz kann der Roheiseneinsatz verringert und die Schmelze gekühlt werden. Der fertige Stahl wird durch Kippen des Konvertergefäßes in Pfannen abgestochen. - In LD-Varianten kann z.b. gleichzeitig Sauerstoff oder auch anschließend Argon durch Bodendüsen eingeleitet werden (LBE, Lance Bubbling Equilibrium) oder es wird zusammen mit dem Sauerstoff Kalkpulver eingeblasen (LD-AC-Verfahren). Siemens-Martin-Verfahren Dieses war von seiner Erfindung 1864 durch Friedrich Siemens und Wilhelm Siemens und seiner Umsetzung zusammen mit durch Emile Martin und Pierre Martin bis in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts die bevorzugte Stahlherstellungsmethode. Der SM-Ofen besteht aus dem Oberofen, mit dem vom Gewölbe überspannten Schmelzraum und dem Unterofen. Im Oberofen wird Roheisen und/oder der Schrott chargiert. Im Unterofen sind die Regenerationskammern zur Luft- und Gasvorwärmung untergebracht. Im Oberofen wird mit Öl- oder Gasbetriebenen Brennern der Schmelzraum beheizt. Die Reduktion des Kohlenstoffs (Frischen) erfolgt durch den Sauerstoffüberschuss der Brennerflamme oder durch Zugabe von Eisenerz. In westlichen Ländern wurde dieses Verfahren durch Sauerstoffblasverfahren verdrängt wurde in Brandenburg an der Havel der letzte deutsche SM-Konverter stillgelegt. Er ist heute als technisches Denkmal erhalten. Elektrostahlverfahren Durch Schmelzen im Lichtbogenofen kann aus Schrott und Pellets Stahl hergestellt werden. Durch den Lichtbogen wird der Ofeninhalt aufgeschmolzen. Den Sauerstoff bezieht dieses Verfahren aus der Umgebungsluft. Zusätzlich kann mit einer Lanze Sauerstoff auf die Schmelze geblasen werden. Dieses Verfahren wird vorwiegend in Ministahlwerken eingesetzt, die keine Flüssigstrecke zum Herstellen von flüssigen Roheisen benötigen. (Dieses Verfahren wurde 1904 von Paul-Louis Heroult entwickelt.) Wirtschaftliche und historische Bedeutung Der Werkstoff Stahl und die Steigerung seiner Produktion ging über etwa 130 Jahre direkt einher mit der weltwirtschaftlichen Entwicklung bis in die Gegenwart. In manchen Wirtschaftsbereichen (z.b. Schiffbau) stellte die Stahlproduktion die einzige Wachstumsgrenze dar. Die technisch-industrielle Revolution der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und die enorme Steigerung der Stahlproduktion bedingten sich gegenseitig. Der pariser Eiffelturm symbolisiert als gewaltige Stahlkonstruktion diesen Zeitabschnitt. Die Stahlproduktion einer Volkswirtschaft wurde lange Zeit sogar als Maß für ihre Leistungsfähigkeit angesehen. Die Gründe für die große Bedeutung des Stahles: Ökologie große Festigkeit Verfügbarkeit in großen Mengen Vielseitiger Einsatz durch die Möglichkeit dem Stahl bestimmte Eigenschaften zu geben (Wärmebehandlung, Legierung, mechanische Bearbeitung) Stahl ist aus ökologischer Sicht ein hervorragender Werkstoff, da er nahezu ohne Qualitätsverlust unbegrenzt recycelbar ist, indem der Schrott wieder geschmolzen wird. Demgegenüber ist der Hochofenprozess ökologisch bedenklich, da er ein bedeutender Emittent von Kohlendioxid ist. Deshalb wird intensiv an neuen Verfahren der Roheisenerzeugung geforscht

29 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 29 von 44 Nichteisenmetalle Schwermetalle Leichte NE-Metalle Buntmetalle: Blei Kupfer Nickel Zink Zinn Pb Cu Ni Zn Sn 11,3 g/cm³ 8,9 8,9 7,2 7,3 Aluminium Al 2,7 Magnesium Mg 1,74 Kupfer und seine Legierungen Blei Normen: DIN EN DIN EN DIN EN DIN EN DIN Blei Bleilegierungen in Blöcken Bleche aus Blei im Bauwesen Bleioxide Blei und Bleilegierungen Vorkommen sulfidische Erze v. a. PbS, gemeinsam mit ZnS Herstellung: Rösten Reduzieren 2 PbS + 3O 2 = 2 PbO + 2 SO 2 2PbO + C = 2 Pb + CO 2 Aus Werkblei mit 95-98% Pb werden hergestellt: Feinblei Hüttenblei Umschmelzblei Pb 99,99: Akkus, Farben, Bleibleche Pb 99,94: Legierungen, Wasserleitungen Pb 00,75 für Legierungen, sonstige Bleiwaren Die Herstellung von Blei im Schachtofen nach dem Röstreduktionsverfahren

30 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 30 von 44 Eigenschaften kalt leicht verformbar Niedriger Schmelzpunkt von 327 C Korrosionsbeständig an Luft durch Bildung einer Oxidschicht PbO bzw. PbCO 3 In Wasserleitungen: weiches Wasser löst Blei und bildet giftiges Pb(OH) 2 Blei absorbiert sehr gut Schallwellen, Röntgen- und radioaktive Strahlen (Carbonat) Verwendung am Bau Sonstige Verwendung: Bleiblech (früher Walzblei): 0,5-10 mm, Strahlenschutz, Reaktorbau, Flachdächer, Rinnenauskleidungen, Abdichtungen, Abdeckungen auf Gesimsen etc. Bleiwolle: Verstemmen von Anschlüssen, Fugen etc. Sprossenblei: Bleiverglasungen Bleirohre: Abwasser, Druckrohre Akkumulatoren, Bleifarben Zinn Eigenschaften: Verwendung: Schmelzpunkt bei 232 C, sehr weich, lötbar, korr osionsbeständig an Luft und bei schwachen Säuren Rostschutzüberzüge (Weißblechdosen, dazu werden 50 % des verarbeiteten Zinns verwendet), Gießereizubehör, Lötzinn: als Legierung mit PB: 30 oder 60 % SN zum Weichlöten Normen DIN EN Zinn und Zinnlegierungen DIN 1742 Zinn Druckgusslegierungen Zink Eigenschaften: Verwendung: Feuerverzinkung galvanisches Verzinken Metallspritzverfahren Legierungen Verwendung am Bau aus ZnCO3 (Zinkspat) oder ZnS (Zinkblende); durch Rösten und Reduktion mit Koks bei 1250 C Korrosionsschutz: Der größte Anteil des produzierten Zinks dient zum Verzinken von Eisenblech für Dachrinnen, Eimer, Drähten und Rohren. Dabei existieren mehrere Verfahren: Dabei werden die Bleche in geschmolzenes Zink getaucht. Dabei entstehen Zinküberzüge mit einer Dicke bis zu 0,1mm. Dabei benutzt man unter Verwendung einer Zinkanode Bäder mit zinksalzhaltigen Lösungen (z.b. 25% Zinksulfat und 2% Zinkchlorid). Kleinteile wie Schrauben verzinkt man durch Sherardisieren, wobei die Schrauben in einer drehbaren Trommel mit einer Mischung aus Zinkpulver und Quarzsand für 2-10 Stunden gedreht werden. Dabei schlägt sich das Zink in einer dünnen Schicht auf der Oberfläche nieder. Zink in Spritzpistolen geschmolzen, durch Druckgase zerstäubt und auf die zu verzinkenden Oberfläche gesprüht. Mischt man geschmolzenes Zink und Kupfer, erhält man Messing. Diese Legierung wird in der Schmuckindustrie und im Sanitärbereich in großem Umfang verwendet. Während Zinkstaub als Pigment zum Rostschutz in Farben verwendet wird, ist Zinkoxid ein wichtiges Weißpigment. Titanzink: Zn 99,995 % mit 0,2 % Ti: höhere Festigkeit, witterungsbeständiger Bleche, Bänder und Tafeln aus Zinkblech, Dicke ca. 0,5 0,8 mm für Dachrinnen, Kehlbleche, Regenfallrohre, Traufbleche, Mauerabdeckungen Dacheindeckungen aus Titanzink Normen: DIN Klempnerarbeiten DIN DIN EN 988 Regenfallrohre außerhalb von Gebäuden Zink und Zinklegierungen

31 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 31 von 44 Kupfer Vorkommen Gewinnung Kupfererze: Sulfide, CuFeS 2, Cu 2S. Eigenschaften: Patina: Verwendung am Bau weich, dehnbar, lässt sich walzen, ziehen, schmieden und löten. Schmelzpunkt bei 1083 C Sehr geringer elektrische Widerstand, daher vielfach in der Elektroindustrie verwendet. Reines Kupfer ist ein hellrotes, hartes und gut schmiedbares Schwermetall. Es lässt sich zu hauchdünnen Folien und zu Draht formen. Nach Silber besitztt es die beste elektrische Leitfä- higkeit und Wärmeleitfähigkeit. Mit Zink, Zinn, Silber, Nickel, Eisen, Aluminium, Mangan, Sili- cium, Platin, u.a. erhält man Kupfer-Legierungen: Bronze enthält ca % Kupfer und 10-20% Zinn. An feuchter Luft bildet sich auf der Oberfläche allmählich ein grünlicher Überzug (Patina), der im wesentlichen aus Malachit besteht. Die Patina schützt das darunter liegende Kupfer vor wei- terer Korrosion, daher ist Kupferblech für die Abdeckung von Türmen und Dächern gut geeig- net: Nach dem Dachdecken zeigt das Dach zunächst die hellrote Kupferfarbe. Nach wenigen Tagen wechselt die Farbe in ein dunkles Rot, das durch Kupfer(I)oxid verursacht wird. Später wird das Dach noch dunkler und es entsteht schwarzes Kupfer(II)oxid. Aber erst nach einigen Jahren bildet sich unter Einwirkung von Kohlenstoffdioxid, Luft und Wasser die blaugrüne Patina: 2 Cu + CO 2 + H 2O + O > CuCO. 3 Cu(OH) 2 Bleche als Dacheindeckungen, Gesimsabdeckungen, Fassadenbekleidungen Kupferrohre: Wasserleitungen, Heizungsbau, Ölleitungen Drähte: Blitzableiter, Elektroinstallation Rotmessing: Gelbmessing: Glockenbronze: 80-90% Kupfer % Zink (für Modeschmuck und Kunstartikel) 60-80% Kupfer % Zink (für Maschinenteile und Küchengeräte) 75-80% Kupfer % Zinn (für Glocken und Kunstgegenstände) Konstantan: 57% Kupfer + 41% Nickel + 1% Eisen + 1% Mangan, (elektr. Widerst.) Neusilber: 45-68% Kupfer % Nickel % Zink (chir. Instrumente, Essbestecke) Die Freiheitsstatue in New York ist zum Beispiel von einer Bronzelegierung umhüllt. Ihr Kupferanteil beträgt etwa 80 Tonnen. Normen DIN EN 1172 DIN EN 1412 DIN 1754 DNI 1787 Kupfer und Kupferlegierungen, Blech für das Bauwesen Europäisches Werkstoffnummernsystem Rohre aus Kupfer Kupfer Halbzeug Bei der elektrolytischen Kupferraffination hängt man Elektrodenplatten aus Garkupfer als Anoden in eine angesäuerte Kupfersulfatlösung. Als Kathoden dienen dünne Bleche aus Reinkupfer: Die Elektrolyse wird in großen Elektrolysierwannen, in denen einige hundert Elektroden hintereinandergeschaltet sind, bei Span- nungen von 0,4-1 Volt durchgeführt.

32 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 32 von 44 Aluminium Vorkommen: Nach Sauerstoff und Silizium das dritthäufigste Element der Erde, kommt nur als Verbindung vor, nicht elementar.meist Al.-Silikate, in Tonen, Auch als Oxid; Al 2O 3 Mineralname Korund, Edelsteinname: Rubin, Saphir Wichtigstes Erz: Bauxit: entstanden aus Verwitterung von Kalkgesteinen unter bestimmten Be- dingungen. Systemdarstellung der Herstellung: Schmelzflusselektrolyse Eigenschaften: Verwendung Normen: Al und seine Legierungen überziehen sich sehr schnell mit einer Oxidhaut, dadurch gut korrosi- onsbeständig. Anfällige nur bei Säuren und Laugen. Daher künstliche Schutzschichten wie leüberzüge, Farbbeschichtungen etc. Häufig: Anodische Oxidation: Eloxal. Elektrisch hergestellte Oxidschicht von ca. 30 mikron Di- cke Aluminium und seine Legierungen gehören heute zu den wichtigsten Werkstoffen zum Bau von Profilen, Rohren und Blechen. Dacheindeckungen, Wandbekleidungen, meist Al Mn Legierungen Tore, Fensterprofile, Geländer etc. Meist Al Mg - Legierungen Gusslegierungen: Meist AL Si Legierungen Folien: Reinaluminium, als Abdichtung, Dampfsperren auf Bitumenbahnen etc. Lebensmittelindustrie ist Aluminiumfolie ein wichtiges Verpackungsmittel. Das Metall dient aber auch zur Herstellung von Kochgeschirr, Milchkannen und Trinkbechern. Aluminiumbronze wird in Rostschutzfarbe eingesetzt und spielt bei der Herstellung von Feuerwerkskörpern und Sprengstoffen eine Rolle. Reinstes Aluminium wird in elektrischem Leitermaterial eingesetzt, z.b. in Hochspannungsleitungen. Duraluminium ist eine wichtige Aluminiumlegierung für den Fahrzeug- und Maschinenbau und für die Luftfahrt. Sie enthält neben dem Aluminium etwa 4% Kupfer, 0,5% Magnesium und 0,6% Mangan, sowie Spuren von Eisen und Silizium. DIN EN 573 Chemische Zusammensetzung von Halbzeug DIN 1771 Winkelprofile aus AL und MG, gepresst DIN 9713 U-Profile aus Al und Al Legierungen DIN EN Aluminiumfolien DIN EN 485 Aluminium, Bänder, Bleche Platten DIN EN 1706 Aluminium Gussstücke DIN Anodisch oxidierte Erzeugnisse aus Al mit Schichtdicken von mindestens 10 µm

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35 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 35 von 44 Holz (von althochdeutsch: holz Abgehauenes) bezeichnet die feste harte Substanz des Stammes, der Äste und Zweige von Bäumen und Sträuchern. Es wird in den Pflanzen von den Zellen des Meristems gebildet. Holz ist ein nachwachsender Rohstoff. Es besteht aus: Cellulose (40 %-50 %) Lignin (20 %-50 %) Hemicellulose (Polyosen) (20 %-30 %) Extrastoffe (1 %-3 %, Tropenholz bis 15 %!): Terpene, Fette, Wachse, Pektine, Gerbstoffe (nur bei Laubhölzern), Sterine, Harz Asche (0,1 %-0,5 %, Tropenholz bis 5 %) Holz wird genutzt als: Brennstoff: Holz weist als nachwachsender Rohstoff eine extrem günstige Energiebilanz auf, ohne dass die Produktionsfläche nur der Produktion dient. Rohstoff für Holzwerkstoffe und Papier. Rohstoff für chemische Prozesse Baustoff und Werkstoff: Das höchste Holzgebäude Deutschlands steht in Magdeburg, Deutschland. Es handelt sich um den Jahrtausendturm (eröffnet 1999 im Rahmen der Bundesgartenschau auf dem Gelände des Elbauenparks). Der höchste Holzturm der Welt ist der historische Sendeturm des Senders Gleiwitz in Polen mit 140 m Höhe Holzarten Nadelholz Entwicklungsgeschichtlich sind Nadelhölzer älter als Laubhölzer, haben daher einen einfacheren anatomischen Zellaufbau und besitzen nur zwei Zellarten. 1. Tracheiden: Langgestreckte (prosenchymatische) an den Enden spitz zulaufende Zellen, die nur mit Luft oder Wasser gefüllt sind. Sie haben einen Anteil von 90% - 95% der Holzsubstanz. Über so genannte Tüpfelpaare erfolgt der Wasseraustausch zwischen den Zellen. In radialer Richtung sorgen die Holzstrahlen (Quertracheiden) für den Wassertransport. Sie haben einen Anteil von 4% - 12% an der gesamten Holzsubstanz. 2. Parenchymzellen: Meist rechteckige Zellen, die die Leitung von Nähr- und Wuchsstoffen sowie die Speicherung von Stärke und Fetten übernehmen. In radialer Richtung bilden sie ebenfalls Holzstrahlen und umgeben die Harzkanäle, hier spricht man dann auch von Epithelzellen. Diese Epitelzellen produzieren das Harz, welches sie in den Harzkanal ausscheiden. Auch Nadelbäume, die keine Harzkanäle besitzen (z.b. Tanne) können so im Falle einer Verwundung traumatische Harzkanäle bilden. Laubholz Tropenholz Die Zellen von Laubholz sind wesentlich differenzierter als die von Nadelholz. Man kann sie in drei funktionelle Gruppen einteilen. 1. Leitgewebe: Gefäße (Tracheen), Gefäßtracheiden, vasizentrische Tracheiden. Die beiden letzteren sind Zwischenstufen in der Entwicklung von der Tracheide zum Gefäß. 2. Festigungsgewebe: Libroformfasern, Fasertracheiden 3. Speichergewebe: Holzstrahlenparenchymzellen, Längsparenchymzellen, Epithelzellen Charakteristisch für Laubhölzer sind die in Nadelhölzern nicht vorhandenen Gefäße. Sie sind oft mit bloßem Auge als kleine Löcher im Holzquerschnitt und als Rillen im Tangentialschnitt zu erkennen. Man unterscheidet hier noch ringporige Hölzer (z.b. Eiche, Esche, Robinie...), halbringporige Hölzer (z.b. Nussbaum, Kirsche...) zerstreutporiger Hölzer (z.b. Ahorn, Birke, Rotbuche...). Viele tropische Hölzer zeichnen sich durch vorteilhafte mechanische Eigenschaften und Wetterbeständigkeit aus. Der Konsum von Tropenholz wurde in den Industrieländern seit den 70er Jahren kritisch diskutiert, da der Bestand der tropischen Regenwälder unter anderem durch Raubbau gefährdet ist. Andererseits stellt Holz einen wichtigen Wirtschaftsfaktor für vie-

36 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 36 von 44 le tropische Länder dar und ist (wie auch in den gemäßigten Zonen) eine wichtige Einkommensquelle für die ländliche Bevölkerung. Zertifizierung Im Zuge der Diskussion zur nachhaltigen Bewirtschaftung in den Tropen wurden angesichts des dort überwiegenden Raubbaus weltweit gültige Kriterien für eine nachhaltige Waldwirtschaft diskutiert und Siegel entwickelt, die zur Zertifizierung von ökologisch- und sozialverträglich produziertem Holz verwendet werden. Das für die Tropen wichtigste Siegel wird vom Forest Stewardship Council (FSC) vergeben. In den gemäßigten Zonen ist dagegen PEFC von überwiegender Bedeutung. Beide Systeme sind hinsichtlich ihrer Kriterien neben den naturräumlichen Gegebenheiten an staatlichen Verwaltungseinheiten gebunden. Vor- und Nachteile von Holz Wie jeder andere Werkstoff hat auch Holz seine Vor- und Nachteile. Unter ökologischem Gesichtspunkt ist die Reproduzierbarkeit sicherlich ein wichtiger Punkt, doch auch die leichte Bearbeitbarkeit und der damit verbundene niedrige Energiebedarf bei der Gewinnung sowie bei der Verarbeitung spielen hier eine wichtige Rolle. Wandert das Holz schließlich auf den Müll, oder Fallen bei der Produktion Abfälle an, kann es problemlos entsorgt werden. Im Idealfall kann es sogar kompostiert werden. Lassen Begleitstoffe, wie Holzschutzmittel, Lacke oder Leime dies nicht zu, ermöglicht moderne Rauchgasreinigung auch in diesen Fällen eine thermische Nutzung. Aufgrund seines geringen Wärmeleitvermögens, ist Holz ein hervorragendes Dämmmaterial (z.b. Faserdämmplatten, Balsa zur Isolation von Flüssiggastanks). Zudem ist Holz relativ resistent gegen Chemikalien, so wird Holz erst bei einem ph-wert < 2 oder > 9 angegriffen. Zur Brandgefährlichkeit von Holzhäusern ist anzumerken, dass Holz bei großen Dimensionen als brandhemmend eingestuft ist, da an der Oberfläche eine Kohleschicht entsteht. Durch entsprechende Konstruktion und Anstriche lässt sich die Widerstandsdauer der Konstruktion weiter steigern. Die Stabilität der Konstruktion sinkt im Falle des Brandes langsam und abschätzbar durch die sichtbare Abnahme der Masse, bei Stahlkonstruktionen können dagegen hitzebedingte Verformungen zum plötzlichen Zusammenbruch führen. In Kanada soll Holzbauweise auch für Hochhäuser zulässig sein. Diese Brennbarkeit kann natürlich auch als Nachteil ausgelegt werden. Ebenso können Wuchsmerkmale oder Holzfehler positiv wie negativ gewertet werden. Ein wesentlich größerer Nachteil von Holz ist seine Anfälligkeit gegenüber biotischen Faktoren, es kann also von z.b. Insekten, Pilzen oder Bakterien angegriffen werden und in seiner Substanz nachhaltig zerstört werden. Über einen langen Zeitraum schädigt auch UV-Strahlung das Holz. Dabei reagiert das Lignin und kann danach z.b. vom Regenwasser ausgespült werden. Zudem wird das Holz unter UV-Einwirkung grau wie Beton. Die Wirkung des Sonnenlichts ist auf die äußeren Schichten begrenzt, ihr kann durch Lackierung begegnet werden. Ein weiterer Minuspunkt ist die hygroskopische Eigenschaft von Holz, d.h. es kann Wasser aufnehmen und abgeben. Die Holzfeuchte passt sich quasi seinem Umgebungsklima an. Diese Feuchtigkeitsänderungen unterhalb des Fasersättigungspunktes gehen mit Formänderungen einher (es quillt und schwindet), die auch noch abhängig von den drei anatomischen Grundrichtungen des Holzes sind. So schwindet Holz z. B. in tangentialer Richtung am meisten. Diese Nachteile lassen sich durch konstruktiven Holzschutz - die Anwendung oft alten Wissens, wie Holz zu verbauen ist - umgehen. Die langfristige Nutzung von Holz stellt einen über die natürliche Zersetzung hinausgehende CO2-Speicherung dar. Entstehung von Holz Die Entstehung von Holzsubstanz findet in teilungsfähigen Zellen der Pflanze statt. Man unterscheidet hier zwei verschiedene Arten von Bildungsgeweben (Meristeme): Das Scheitelmeristem (Vegetationskegel) sorgt für das Längenwachstum (primäres Wachstum) an den Spross-, Zweigund Wurzelspitzen. Das Kambium, welches sich zwischen Holz und Rinde befindet, sorgt für das Dickenwachstum (sekundäres Wachstum). Bei der Teilung einer Kambiumzelle entstehen zwei gleiche Zellen, von denen jedoch nur eine ihre Teilungsfähigkeit behält und zu einer neuen Initialzelle heranwächst. Aus der anderen wird eine Dauerzelle die sich noch ein- oder mehrmals teilt. Schließlich entsteht je nach Lage eine Bastzelle (Phloem), aus denen die Innenrinde und die daraus später entstehende Borke bestehen, oder eine Holzzelle (Xylem). Hierbei ist zu beachten, dass die Zellteilung nach innen, also die Bildung von Holzzellen, wesentlich öfter stattfindet und so der Rindenanteil am gesamten Stamm nur etwa 5% - 15% beträgt. Nachdem sich die Dauerzelle ein letztes Mal geteilt hat, findet eine Differenzierung der Holzzelle zu einer Leitungs-, Festigungs- oder Speicherzelle statt. In unseren Breiten gibt es klimatisch bedingt vier Wachstumsphasen: Ruhephase (November - Februar) Mobilisierungsphase (März, April)

37 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 37 von 44 Verkernung Wachstumsphase (Mai - Juli): Holzzellen, die in dieser Jahreszeit entstehen sind großlumig, dünnwandig und von heller Farbe und bilden das so genannte Frühholz. Depositionsphase (August - Oktober): Holzzellen, die in dieser Jahreszeit entstehen sind kleinlumig, dickwandig und von dunkler Farbe und bilden das so genannte Spätholz. Durch dieses zyklische Wachstumverhalten entstehen Jahrringe, die deutlich in einem Querschnitt durch einen Stamm erkennbar sind (siehe auch Dendrochronologie). Bei manchen Bäumen entsteht ab einem Alter von etwa Jahren im Inneren das Kernholz. Im Gegensatz zu dem Splintholz besteht es nur noch aus toten Zellen. Hier findet also keine Wasserleitung oder Speicherung von Nährstoffen mehr statt. Bei der Verkernung werden die Wasserleitbahnen unterbrochen. Bei Nadelhölzern geschieht dies durch Verschließen der Hoftüpfel. Bei Laubhölzern findet eine Vertyllung und ein Füllen der Zelllumen statt. Danach werden Kerninhaltsstoffe gebildet und in die Zellwände eingelagert, was zu einer dunkleren Farbe des Kernholzes und oft zu einer Erhöhung der natürlichen Dauerhaftigkeit führt. Man spricht hier von Kernholzbäumen (z.b. Eiche, Nussbaum, Kiefer, Douglasie...). Bei Splintholzbäumen (z.b. Bergahorn, Birke, Erle...) ist kein Unterschied zwischen innerem und äußerem Holz zu erkennen. Manche Bäume weisen noch einen unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalt über den Querschnitt auf, man spricht hier von Reifholzbäumen (z.b. Fichten, Birnbaum, Buche...) und Kern-Reifholzbäumen (z.b. Esche, Ulme). Glas Unter Glas (soviel wie "glasa", germanisch für Bernstein; das Glänzende oder Schimmernde) versteht man einen amorphen Feststoff. Glas ist eine ohne wesentliche Kristallbildung erstarrte Schmelze und damit eine röntgenamorphe Substanz. Thermodynamisch wird Glas als unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen und mit einer entsprechend hohen Geschwindigkeit abgekühlt werden. Glas entsteht, wenn eine Schmelze so schnell abkühlt, dass sich im wesentlichen keine kristalline Struktur ausbilden kann. Das bedeutet, dass sich bei der Entstehung von festem Glas aus einer Schmelze die Geschwindigkeiten der Kristallkeimbildung und die des Kristallwachstums so zueinander verhalten müssen, dass sich zwar Kristallkeime bilden können, aber aufgrund des Erstarrens der Schmelze für das eigentliche Kristallwachstum nicht genügend Zeit vorhanden ist. Im engeren Sinne versteht man unter Glas aber vor allem unterkühlte (erstarrte) anorganische Schmelzen auf der Basis von Siliziumdioxid das heißt vor allem aus (Quarzsand) und Zusatzstoffen wie Soda (Na 2CO 3) und früher auch Pottasche (Kaliumcarbonat), Manganoxid und Metalloxiden. Durch die Beimengung dieser Zusätze lassen sich die Eigenschaften des Glases beeinflussen. Daraus ergibt sich eine Abgrenzung zum Kunststoff, der zwar die oben genannten Definition erfüllen kann, aber im Grunde aus Kohlenwasserstoffverbindungen besteht und organischen (siehe auch organische Chemie) Ursprungs ist, er darf darum nicht als Glas im engeren Sinn bezeichnet werden. Viele Glassorten sind klar bzw. durchsichtig, das bedeutet, dass sie für sichtbares Licht durchlässig sind. Im Allgemeinen sind es solche Gläser, die mit dem Begriff als erstes in Verbindung gebracht werden. Extrem klares Glas kann so transparent sein, dass infrarotes Licht über viele Kilometer durch Glas in Form von Glasfaserkabeln geschickt werden kann. Viele Glassorten sind allerdings undurchlässig für UV-Strahlung. Glas kann aber auch opak sein und alle anderen Färbungen aufweisen, es ist meist hart, chemisch weitgehend träge und biologisch inaktiv, es kann bestimmte Wellenlängen absorbieren (Filterglas), außerdem können sehr glatte und undurchlässige Glasoberflächen hergestellt werden. Im Allgemeinen ist nur die Reaktion zwischen Glas und Flusssäure industriell von Bedeutung. Herstellung von Glas Glas wird aus Sand (SiO 2) erschmolzen und ist nach chemisch-physikalischer Definition ein Schmelzprodukt, welches abgekühlt und erstarrt ist, ohne zu kristallisieren. Beim eigentlichen Schmelzprozess kommt es vor allem zu Lösungsreaktionen. Das bedeutet, dass es nach der Definition noch immer flüssig ist, nur fast unendlich verlangsamt. An alten Glasscheiben lässt sich unten eine leichte Verdickung nachweisen, was diese Aussage stützt. Allerdings müsste man ein solches Verhalten bei optischen Gläsern wie Prismen oder Linsen schon nach relativ kurzer Zeit feststellen können, außerdem finden sich für dieses Verhalten auch bei antiken römischen und agyptischen Gläsern nur wenige Hinweise, obwohl andere Eigenschaften wie metallisches Irisieren, Verfärbungen und Trübungen an denselben ohne weiteres festzustellen sind. Um Glas zu erschmelzen, wird ein Netzwerkbildner (Sand), Netzwerkwandler wie Na 2O, K 2O etc., und Zwischenoxide, auch Stabilisatoren genannt, wie z. B. MgO, zusammen mit Schmelzbeschleunigern, sogenannten Flussmitteln (Pottasche, Soda) geschmolzen. Wegen der Bildung des Netzwerkes spricht man bei Gläsern auch von einer Matrix. Sie setzt sich aus den diese Struktur bildenden Elementen Sauerstoff und aus Si 4+, B 3+ oder P 5+ zusammen. Aufgespalten wird das Netzwerk

38 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 38 von 44 Verarbeitung durch Kationen wie Na + oder Ca + ; daneben existieren so genannte intermediäre Kationen wie Al 3+, Zn 2+ oder Pb 2+, die sowohl bildende als auch Netzwerk wandelnde Eigenschaften haben. Zwischenoxide, die auch Stabilisatoren genannt werden, bewirken eine Erniedrigung der Viskosität, das Glas wird also "länger", und kann auch bei niedrigen Temperaturen noch bearbeitet werden. MgO ist ein gängiger Stabilisator, da er schon in den Rohstoffen (z. B. als Begleiter des Kalks) vorkommen kann. Die Menge des Natrium und/oder Calcium ist entscheidend für die Länge der Netzwerkstruktur. Die Zumischung eines Flussmittels ist erforderlich, da reiner Quarz (SiO 2) erst bei einer Temperatur von ca C schmilzt. Von der Antike bis zum 8. Jahrhundert, also auch während des Frühmittelalters wurde als Flussmittel Soda aus sogenannten Sodaseen beigemischt. Erst danach, als sich die Waldglashütten durchsetzten, wurde das vor allem im Norden schwer zu beschaffende Soda durch Pottasche (Pflanzenasche) ersetzt. Pottasche wurde wie Soda den Glasrohstoffen (Gemenge) als Flussmittel/Schmelzbeschleuniger beigegeben, wobei allerdings über 90 % des gewaltigen Holzverbrauches der Waldglas-Hütten für die Pottascheproduktion verwendet wurden. Darum mussten diese Glashütten alle Jahre ihren Standort wechseln. Das Produkt des Erschmelzens der reinen Glasmasse aus den Komponenten wird Fritte genannt, ein Begriff, der in vielen Bereichen, so auch in der Töpferei und der Küche, vorkommt. Auch gibt es oftmals keine scharfe Trennung zwischen Glasproduktion und Glasverarbeitung. Die Produktion des Glases (= Bildung der Netzwerkstruktur durch erschmelzen der Komponenten) führt zum Zwischenprodukt, der Fritte, einer unansehnlichen Masse, die nicht sofort von sich aus Aufschluss über ihre spätere Verwendung gibt. Das Produkt ist von dunkler, lichtundurchlässiger (= opaker) Färbung. Erst durch Beigabe von Braunstein, einem auch als Glasmacherseife bezeichneten Entfärbungsmittel, wird die Fritte entfärbt - wobei allerdings ein Grünstich zurück bleibt - und kann als Rohglas angesprochen werden. In der Glasherstellung spricht man im engeren Sinn nur dann von einer Schmelze, wenn Glas wiederaufgeschmolzen wird, wie es zum Beispiel beim Recycling von Altglas geschieht. Allerdings wird bis jetzt Altglas nur als "Zusatz" zu den herkömmlichen Rohstoffen und nicht als alleiniger Rohstoff verwendet. Nach dem Aufschmelzen des Gemenges/der Rohstoffe muss die Fritte geläutert, werden; darunter versteht man ihre Homogenisierung und das Austreiben von Blasen aus derselben. Dabei werden Rohstoffe zugesetzt, die Gase freisetzten. Diese Gasblasen reißen die übrigen Blasen im Glas mit und treiben sie aus. Je nach Verwendungszeck kann Glas unterschiedlich verarbeitet werden, dabei unterscheidet man vor allem Gläser die gepresst, geblasen, gesaugt, gesponnen oder gewalzt werden. Hohlgläser Glasfasern Flachglas Sicherheitsglas Glasfärbung und Entfärbung werden in mehreren Verfahren durch Pressen, Blasen, Saugen und Kombinationen dieser Techniken hergestelt. werden durch Spinnen im sogenannten TEL-Verfahren produziert. wurde früher durch Walzen hergestellt, bis etwa um 1950 wurden dabei mitunter Hohlgläser aufgeschnitten und flachgewalzt. Heute wird der Großteil des Flachglases im Floatprozess erzeugt, dabei wird das noch flüssige Glas auf ein Zinnbad geleitet und erstarrt auf dessen Oberfläche. Die Berührungsfläche zwischen Glas und Zinnbad weist sehr gute Eigenschafte auf und muss nicht nachbehandelt werden. Auf diese Weise lassen sich Flachgläser mit einer Breite von mehreren Metern herstellen, allerdings kann eine Dicke von etwa 2mm nicht unterschritten werden. besteht aus abwechselnden Schichten von Glas und Kunstofffolie, bei Bruch sollen die Glassplitter an der Folie haften. Sicherheitsglas mit einer Dicke von etwa 25 mm wird als Panzerglas bezeichnet und beispielsweise für Schaufenster, Vitrinen und Autofenster verwendet. Wird die Schichtdicke entsprechend gesteigert, spricht man von schussfestem Glas. Glas lässt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte damit erstellt werden können. Die meisten Glassorten werden mit weiteren Zusatzstoffen produziert, um bestimmte Eigenschaften, wie ihre Färbung zu beeinflussen. Für die Glasfärbung, bzw. für die Entfärbung von Gläsern, die durch Verunreinigungen ihrer Rohstoffe verfärbt sind, werden vor allem Metalloxide verwendet. Grundsätzlich verwendet man für die Entfärbung Färbemittel, die die komplimentär Farbe der Verfärbung produzieren. Eisenoxide: Färben je nach Wertigkeit des Eisenions grün-blaugrün oder gelb und in Verbindung mit Braunstein gelb sowie braun-schwarz. Kupferoxide: zweiwertiges Kupfer färbt blau, einwertiges färbt rot, daraus ergibt sich das sogenannte Kupferrubinglas. Chromoxid: Wird in Verbindung mit Kupferoxid für die Grünfärbung verwendet. Uranoxid: Ergibt eine sehr feine Gelbfärbung mit grüner Fluoreszenz, solche Gläser wurden vor allem in der Zeit des Jugendstil hergestellt. Kobaltoxid: färbt intensiv blau und wird auch für die Entfärbung verwendet. Nickeloxid: violett, rötlich auch für die Graufärbung und zur Entfärbung Selen: färbt rosa und rot, die rosa Färbung wird als "Rosalin" bezeichnet, während die rote als Selenrubin bezeichnet wird. Silber: Gold: ergibt feines Silbergelb Wird erst in Königswasser aufgelöst und färbt rot, ergibt das so genannte Goldrubin, eine der feinsten und teuersten Glasfärbungen.

39 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 39 von 44 Einstellung der Glaseigenschaften Einteilung der Gläser Natürliches Glas Künstliches Glas Wie bei der Glasfärbung werden weitere Glaseigenschaften, wie Lichtbrechung, Temperaturbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, Absorptionsfähigkeit, Wärmeausdehnung durch Zusatzstoffe manipuliert. Bleiglas funkelt stärker, weil es einen höheren Brechungsindex hat Bor verändert als Zusatz die thermischen und elektrischen Eigenschaften Barium erhöht ebenfalls den Brechungsindex Cer wird für Glas verwendet, das Infrarotstrahlung absorbiert Soda und Pottasche sind so genannte Flussmittel, sie werden manchmal zugegeben, um den Schmelzpunkt zu erniedrigen Mangan kann unerwünschte Farben entfernen. Durch den Zusatz von Tonerde wird die Wasserlöslichkeit verringert Natürliches Glas es seit Bestehen der Erdkruste. Es lässt sich durch seine Form in 3 Arten unterteilen: Obsidian (vulkanischen Ursprungs) Tektite (entstehen durch Meteoriteneinschlag) Fulgurite (entstehen bei Blitzeinschlag) Neben diesen irdischen Gläsern wurden bei der Apollo 17 Mission orangefarbige Mondglasperlen vulkanischen Ursprungs gefunden. In Meteoriten wird oft Maskelynit gefunden. Maskelynit ist ein Glas mit der Zusammensetzung von Plagioklas, aus dem es auch durch Schockereignisse (Kollisionen, Impakt) erzeugt wird. Die Einteilung künstlicher Gläser wird nach verschiedenen Gesichtspunkten getroffen. Glas ist heute ein Sammelbegriff für eine Vielzahl von Produkten, die nach ihren äußeren Merkmalen wie Lieferformen, Anwendungsbereichen, chemischer Zusammensetzung und den sich daraus ergebenden Eigenschaften eingeteilt werden können. Einteilung nach äußeren Merkmalen Hohlglas: Flaschenglas, Verpackungsglas, Wirtschafts und Beleuchtungsglas Flachglas: Spiegelglas, Tafelglas, Sicherheitsglas (Bauglas: Scheiben, Türen, Fassadenbau, Sanitärbereich) Vollkörperglas Geschichte des Glases Natürlich vorkommendes Glas wie Obsidian wurde seit der Steinzeit zur Werkzeugherstellung Faustkeil benutzt. Dokumentiert wurde die Glasherstellung durch den Menschen zum ersten Mal in Ägypten um 2000 v. Chr., wo Glasscheiben hergestellt wurden, in dem Sand auf geschmolzenem Blei geschmolzen wurde. Die Germanen kannten vor ihrem Kontakt mit den Römer keinerlei Glas, weder Schmuckglas, noch Hohlglas oder Flachglas. Als die Germanen das Glas erstmals in der Form von Schmuck und Glasperlen kennen lernten, wurde es mit ihrem heimischen Wort für Bernstein, "glasa" (das Glänzende oder Schimmernde) benannt. Die Bezeichnung des Bernsteins als glaesum bei dem Volk der Aesti ist aus Tacitus Germania (98) bekannt. Die Römer erfanden viele Arten von Glas, aber lange Zeit war Glas undurchsichtig, bis im 14. Jahrhundert italienische Glasmacher das "Cristallo" erfanden, ein farbloses und durchsichtiges Glas. In den Anfängen der Herstellung von durchsichtigem Glas wurde das Glas zu Butzenscheiben geschleudert. Dazu wurden einige Kilo geschmolzenes Glas am Ende einer Stange schnell gedreht, so dass sich eine Scheibe mit bis zu 1,50 Meter Durchmesser bildete. Daraus wurden dann Glasscheiben geschnitten. Weil die Dicke dieser Scheiben sehr unterschiedlich ist und am äußeren Rand zunimmt, kann es dazu kommen, dass alte Glasscheiben am unteren Ende dicker als am oberen sind. Um 1688 wurde die Methode des Glasgießens erfunden, wodurch Glas stärkere Verbreitung fand. Ab 1827 konnte Glas durch neue Maschinen als Massenware für billige Artikel produziert werden. Die industrielle Flaschenabfüllung (zum Beispiel in Bierbrauereien) begann um die 1870er Jahre.

40 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 40 von 44 Kunststoffe Als Kunststoffe bezeichnet man Stoffe, deren Grundbestandteil synthetisch oder halbsynthetisch erzeugte Polymere sind. Durch die Auswahl des Ausgangsmaterials, das Herstellungsverfahren und die Beimischung von Additiven lassen sich technische Eigenschaften von Kunststoffen wie Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit und Temperaturresistenz in weiten Grenzen variieren. Kunststoffe werden zu Formteilen, Fasern oder Folien weiterverarbeitet. Halbsynthetische Kunststoffe entstehen durch die Verarbeitung natürlicher Polymere (zum Beispiel Zellulose zu Zelluloid). Synthetische Kunststoffe werden durch Polykondensation, Polymerisation oder Polyaddition aus einem Monomer erzeugt. Rohstoff ist meist Mineralöl. Charakterisierung nach Eigenschaften Thermoplaste Kunststoffe, die aus langen, linearen Molekülen bestehen. Durch Energiezufuhr werden diese Materialien formbar bis flüssig und können mit verschiedenen Verfahren verarbeitet werden. Nachdem das jeweilige Werkstück wieder abgekühlt ist, behält es seine Form. Dieser Prozess ist reversibel und dadurch wiederholbar. Die meisten der heute gängigen Kunststoffe fallen unter diese Gruppe. Für einfache Konsumwaren, Verpackungen etc. werden häufig Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET) und Polystyrol (PS) eingesetzt. Technische Teile werden meist aus Polyamid (PA), Polybutylentherephthalat (PBT), Polycarbonat(PC) oder Polyimiden (PI) gefertigt. Duroplaste Sind Kunststoffe, die bei der Verarbeitung räumlich eng vernetzen. Diese Vernetzung erfolgt chemisch zwischen den Molekülen der Ausgangsmaterialien. Dieser Vorgang ist nicht umkehrbar. Sobald ein derartiges Material vernetzt ist, kann es nur noch mechanisch bearbeitet werden. Duroplaste sind meistens hart und spröde. Bei Hitzeeinwirkung werden Duroplaste nicht weich. Deshalb werden sie häufig für Elektroinstallationen verwendet. Einer der verbreitetsten und ältesten Kunststoffe dieser Klasse ist Bakelit. In diese Gruppe fallen auch praktisch alle Kunstharze wie z.b. Epoxide. Polytetrafluorethylen ist zwar nicht chemisch vernetzt, wird auf Grund seiner Eigenschaften ebenfalls zu den Duroplasten gezählt. Elastomere Zu den Elastomeren gehören alle Arten von Kautschuk. Die Elastomere sind weitmaschig vernetzt und daher flexibel. Elastomere werden beim Erwärmen nicht weich und sind in den meisten Lösungsmitteln nicht löslich. Daher werden sie für Hygieneartikel oder Chemikalienhandschuhe verwendet. Die Gummimischung von Autoreifen ist ebenfalls ein Elastomer, diese erhält ihre Eigenschaften durch Vulkanisation. Herstellungsmechanismen von Kunststoffen Polymerisation Entdeckung Mechanismen Die Polymerisation ist eine chemische Reaktion, bei der Monomere (meist ungesättigte organische Verbindungen), unter Einfluss von Katalysatoren und bei Auflösung der Mehrfachbindung zu Polymeren (Moleküle mit langen Ketten, bestehend aus miteinander verbundenen Monomeren) reagieren. Dabei unterscheidet man zwischen Homo-Polymerisation, bei der nur eine Monomerart umgesetzt wird, und Co-Polymerisation, bei der zwei oder mehr verschiedene Monomere zur Reaktion gebracht werden gelang dem Chemiker Adolf Ritter von Baeyer ( ) erstmals die Polykondensation von Phenol und Formaldehyd zum so genannten Bakelit. Damit legte er die Grundlage für die heutige Polymerchemie. Die Polymerisation ist immer eine Kettenreaktion egal nach welchem Reaktionsmechanismus sie abläuft. Es gibt verschiedene Mechanismen, die nach der Art des Starts der Kettenreaktion benannt sind (radikalische, anionische oder kationische Polymerisation) oder nach dem ihnen zu Grunde liegenden Prinzip (Polykondensation, Koordinationspolymerisation wie z.b. die ringöffnende Metathesepolymerisation). Radikalische Polymerisation Zum Kettenstart bricht ein Radikal die Mehrfachbindung auf und erzeugt ein wachstumsfähiges Primärradikal, an das sich nun in einer Wachstumsreaktion mit geringer Aktivierungsenergie ständig Monomere anlagern. Durch das zusammentreffen zweier Radikale wird ein Kettenabbruch hervorgerufen. Um die Reaktion gezielt zu stoppen werden spezielle Zusätze, sogenannte Radikalfänger, zugegeben.

41 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 41 von 44 Kationische und Anionische Polymerisation Hier greift, im Unterschied zur radikalischen Polymerisation, ein Kation bzw. Anion die Mehrfachbindung an, um den Ket- tenstart hervor zu rufen. Hier erfolgt der Kettenabbruch durch zusammentreffen von Kation und Anion. Polykondensation Diese Art der Polymerisation erfolgt stufenweise, d.h. zwei unterschiedliche Monomere besitzen reaktive Gruppen an bei- hintereinander bis sich ein den Enden des Moleküls, die miteinander reagieren können. Dieser Vorgang erfolgt mehrmals Makromolekül gebildet hat. Diamine reagieren mit Dicarbonsäuren auf diese Weise zu Polyamiden (z.b. Nylon) und Diole (Verbindungen mit zwei Alkoholgruppen) reagieren mit Carbonsäuren zu Polyestern (z.b.. Polyethylenterephtalat, PET). Bei der Reaktion wird Wasser abgespalten, daher der Name Polykondensation. Koordinationspolymerisation Die eingesetzten Katalysatoren basieren auf Übergangsmetallverbindungen, die das Monomer komplexartig koordinieren und in eine entstehende Polymerkette einbauen (auch Insertionspolymerisation genannt). Es gibt verschiedene Arten von Koordinationspolymerisationen mit unterschiedlichen Mechanismen. Die wichtigste ist die nach ihren Entdeckern benannte Ziegler-Natta-Polymerisation, die es erlaubt, bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücken z.b. Ethen zu linearem Po- der Koordinationspolymerisation lyethylen hoher Dichte (High Density Polyethylene, HDPE) umzusetzen. Speziellere Arten wie die oben erwähnte ringöffnende Metathesepolymerisation (Ring-Opening Metathesis Polymerization, ROMP) finden ihre Anwendung bei der Herstellung von Spezialpolymeren, die mittels Ringöffnung und Verknüpfung cyclischer Monomere durch Übergangsmetallkatalysatoren produziert werden. Kondensation Eine Kondensationsreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der zwei Moleküle sich miteinander verbinden und dabei ein einfaches Molekül (Wasser, Ammoniak, Chlorwasserstoff oder andere) abspalten. Diese Reaktion ist die Basis für die Her- ebenso wie für Silikate und stellung vieler Polymere, zum Beispiel Nylon, Polyester und verschiedene Epoxide, Polyphosphate. Um als Monomer für eine Polykondensationsreaktion verwendet zu werden, müssen die Moleküle jeweils zwei reaktive Gruppen aufweisen. Polyaddition Die Polyaddition ist eine stufenartig verlaufende Verknüpfungsreaktion von bi- oder trifunktionellen Grundmolekülen (Monomeren) zu großen Kettenmolekülen (Polymeren). Im Gegensatz zur Polykondensation werden bei der Polyaddition keine Moleküle abgespalten. Ein bekanntes Beispiel für eine Polyaddition ist die Reaktion von Diisocyanaten mit Diolen zu Polyurethanen. Dabei reagiert die Isocyanat-Gruppe (-N=C=O) mit einer Hydroxygruppe (-OH) zu einer Urethan-Brücke (- NH-CO-O-). Einige Beispiele Polyurethane Polyurethane (abgekürzt PUR) sind vielseitige Kunststoffe, die dementsprechend in vielen verschiedenen Bereichen veralso z.b. für Polstermöbel, Matrat- wendet werden. Haupteinsatzgebiet von Polyurethanen ist die Verwendung als Schaum, zen, Schwämme, Winterkleidung, Beschichtung von Teppichen, Bauschaum zur Wärmedämmung, Verpackungsmaterial... Aber Polyurethane sind viel mehr als Schaum: Sie sind ebenfalls verwendbar als Lacke und Klebstoffe, als thermoplastiz.b. als Elastan. sche Kunststoffe zur Herstellung von Rollen, Walzen u.ä., als Elastomere und als Fasern, Polyurethane enthalten Urethan-Bindungen: Hergestellt werden sie in einer Polyadditionsreaktion aus Dialkoholen und Diisocyanaten, wobei anstelle der Dialkohole oft Polyether wie z.b. Polyethylenglykol verwendet werden. Ein häufig häufig verwendetes Polyurethan ist z.b. folgendes: Verwendet man anstelle von Dialkoholen höherwertige Alkohole, erhält man Duroplaste, feste stabile quervernetzte Kunst- stoffe, die in Anstrichen für Möbel, Fußböden und Boote und in Druckfarben verwendet werden.

42 Grundlagen der Baustoffkunde WS 2010/11 HTW Saarbrücken Seite 42 von 44 Epoxidharze Epoxidharze sind ebenfalls Polymere. Jedoch polymerisieren sie je nach Zusammensetzung so langsam, dass man sie als zähe Flüssigkeiten verarbeiten und dann aushärten lassen kann. Das Ergebnis ist ein stabiler und chemikalienbeständiger Kunststoff. Ein wichtiger Anwendungsbereich ist deshalb auch die Verwendung als Klebstoff. Dieser wird flüssig aufgetra- Ein wichtiges Epoxidharz ist das Produkt der Polyaddition von Bisphenol A und Epichlorhydrin: gen und verbindet nach dem Aushärten andere Kunststoffteile, aber auch Metall und Beton. Die Reaktion sieht zugegebenermaßen recht kompliziert aus, aber eigentlich kommt es nur auf die Teile der Struktur an, die tatsächlich reagieren. Beim Epichlorhydrin seht ihr einen Dreiring mit Sauerstoff. Einen Stoff mit einem solchen Molekülteil nennt man Epoxid (Daher auch der Name des Harzes). Der normale Bindungswinkel eines vierbindigen Kohlenstoffatoms beträgt 109 (auch Tetraederwinkel genannt). Der Epoxidring jedoch ist ungefähr ein gleichseitiges Dreieck, und wir ihr sicherlich aus dem Mathematikunterricht wisst, betragen die Winkel dort 60. Im Epoxidring werden die Bindungen also zu diesen kleinen Winkeln gezwungen, er hat eine große so genannte Ring- Atomen (z.b. dem Sauerstoffatom in der Hydroxylgruppe des Bisphenol A). Da der elektronegative Sauerstoff die Kohlenstoffatome im Ring positiviert, können diese leicht mit nucleophilen Reagenzi- spannung. Dies hat zur Folge, dass diese Gruppe sehr reaktiv ist und zwar besonders gegenüber nucleophilen en reagieren. Der Ring bricht dabei auf und wir erhalten eine neue Hydroxylgruppe. Epoxide sind von allgemeiner Bedeutung in der organischen Chemie. Sie können beispielsweise auch bei der Oxidation von Alkenen entstehen (hier bei der Umsetzung mit Peroxybenzoesäure).