Glasbau. Jens Schneider Johannes Kuntsche Sebastian Schula Frank Schneider Johann-Dietrich Wörner. Grundlagen Berechnung Konstruktion 2.

Transkript

1 Mechanik, Werkstoffe und Konstruktion im Bauwesen Jens Schneider Johannes Kuntsche Sebastian Schula Frank Schneider Johann-Dietrich Wörner Glasbau Grundlagen Berechnung Konstruktion 2. Auflage

2 VDI-Buch Weitere Informationen zu dieser Reihe finden Sie unter

3 Jens Schneider Johannes Kuntsche Sebastian Schula Frank Schneider Johann-Dietrich Wörner Glasbau Grundlagen, Berechnung, Konstruktion 2. Auflage

4 IV Prof. Dr.-Ing. Jens Schneider studierte und promovierte an der Technischen Universität Darmstadt. Nach einigen Jahren in der Ingenieurpraxis, u. a. bei Schlaich, Bergermann und Partner in Stuttgart, wurde er 2009 zum Professor an das Institut für Statik und Konstruktion der Technischen Universität Darmstadt berufen. Er ist Sachverständiger für Glasbau, leitet seit 2016 die Arbeitsgruppe zur Erstellung des Eurocode Structural Glass und ist Mitherausgeber des internationalen Journals Glass Structures & Engineering. Dr.-Ing. Johannes Kuntsche studierte und promovierte an der Technischen Universität Darmstadt über das mechanische Verhalten von Verbundglas. Er arbeitet seit 2016 bei Professor Pfeifer und Partner, Ingenieurbüro für Tragwerksplanung in Darmstadt. Dr.-Ing. Sebastian Schula promovierte an der Technischen Universität Darmstadt über das Kratzverhalten von Gläsern im Bauwesen. Er arbeitet seit 2014 bei SGS Ingenieurdienstleistungen im Bauwesen GmbH in Heusenstamm bei Frankfurt.

5 V Dr.-Ing. Frank Schneider promovierte an der Technischen Universität Darmstadt über das inelastische Materialverhalten von Glas. Seit 2006 ist er Leiter für Forschung und Entwicklung bei der OKALUX GmbH und seit 2016 Vorstandsvorsitzender des Fachverbands Konstruktiver Glasbau. Prof. Dr.-Ing. Johann-Dietrich Wörner studierte an den Technischen Universitäten in Berlin und Darmstadt. Er promovierte an der Technischen Universität Darmstadt, leitete nach einigen Jahren in der Ingenieurpraxis und nachfolgendem Ruf als Professor die Universität von 1995 bis 2007, an der er noch heute als Hochschullehrer aktiv ist. Danach war er Vorstandsvorsitzender des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und ist seit 2015 Generaldirektor der European Space Agency (ESA). Seit 2002 ist er Mitherausgeber des Beton-Kalenders.

6 Jens Schneider Darmstadt, Deutschland Johannes Kuntsche Darmstadt, Deutschland Frank Schneider Marktheidenfeld, Deutschland Johann-Dietrich Wörner Darmstadt, Deutschland Sebastian Schula Darmstadt, Deutschland VDI-Buch ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001, 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg

7 VII Vorwort zur 2. Auflage Seit dem Erscheinen der 1. Auflage dieses Buches sind bereits über 15 Jahre vergangen, was eine grundlegende Neubearbeitung erforderlich machte. Die Anwendungsmöglichkeiten von Glas im konstruktiven Bereich haben sich seit damals erheblich erweitert. Gläser sind jetzt standardmäßig in größeren Abmessungen verfügbar und die Vielfalt der Funktionen, die Glas erfüllt, hat weiter zugenommen. Wesentliche Fortschritte bei der Verwendung von Glas als Konstruktionswerkstoff im Ingenieurwesen sind auch durch wichtige Forschungsarbeiten gemacht worden. Hier sind zum Beispiel die Untersuchungen zu Eigenspannungen und zur Festigkeit von thermisch vorgespannten Gläsern zu nennen, die grundlegenden Arbeiten zu stabilitätsgefährdeten Bauteilen und stoßbeanspruchten Bauteilen sowie die Erforschung des Tragverhaltens der Verbundgläser mit den heute verfügbaren polymeren Zwischenschichten. Hierdurch und durch die Weiterentwicklung der Klebetechnik hat auch die Schnittstelle zur Polymermechanik an Bedeutung gewonnen. In der praktischen Anwendung kommen so immer größere Gläser zum Einsatz, Glasbalken werden in Fassaden und bei Dachverglasungen häufig verwendet und auch die Verwendung von Glas zur Aussteifung von Gebäudeteilen ist nicht mehr allzu ungewöhnlich. Die Bemessungsnormen für Glas sind mit der DIN Reihe in Deutschland jetzt auch bauaufsichtlich eingeführt, der Eurocode Glas ist in Vorbereitung und auch am US-amerikanischen Markt etablieren sich erste Vorschriften zum Konstruktiven Glasbau. Im Bereich der Fügetechniken gibt es kleinere Fortschritte: Neben der Klebetechnik für Glas-Glas-, Glas-Aluminium- und Glas-Holz-Verbindungen entwickeln sich Laminationstechniken, die auch für Metall-Glas-Verbindungen angewendet werden; für Bolzenverbindungen existieren Bemessungskonzepte, Hinterschnittanker sind inzwischen auch für Glas verfügbar. Schließlich etablieren sich gerade besonders die gebogenen Gläser und Dünngläser am Markt und eröffnen neue Potenziale für Glaskonstruktionen. Wie bereits in unserem ersten Vorwort beschrieben gilt aber nach wie vor:»die zielsichere Ausnutzung der Glaseigenschaften für Bauteile und Baustrukturen verlangt mehr als bei allen anderen Baustoffen eine bis ins Detail reichende Betrachtung, um das Versagen durch lokal auftretende Überbeanspruchung sicher zu vermeiden.«dieses Buch soll daher die Lücke schließen zwischen den Werken aus den Materialwissenschaften, bei denen die Beschreibung des Werkstoffs im Vordergrund steht und den Büchern aus der Ingenieurpraxis, die vor allem die Bemessung anhand der eingeführten Normen und Regelwerke behandeln. Denn der Entwurf, die Konstruktion, die Berechnung und Bemessung sowie die Ausführung von Glaskonstruktionen verlangen ein vertieftes Verständnis des Werkstoffverhaltens und der Einwirkungen. Zudem stellen die Quantifizierung lokaler Effekte mit mechanischen Modellen, die Entwicklung und mechanische Analyse der Details und die sorgfältige Qualitätssicherung und Ausführungsüberwachung hohe Anforderungen an alle Beteiligten.

8 VIII Das Institut für Statik und Konstruktion der Technischen Universität Darmstadt ist seit über 25 Jahren aktiv im Bereich Glasbau bei Forschung, Beratung und Normung. Die aktuellen Forschungsergebnisse werden ebenfalls beim Springer-Verlag in der Schriftenreihe Mechanik, Werkstoffe und Konstruktion im Bauwesen veröffentlicht. Teile des Buchs sind zusammen mit diesen Veröffentlichungen entstanden. In einigen Abschnitten sind daher Formulierungen den entsprechenden Dissertationen entnommen (SCHULA, 2015; KUNTSCHE, 2015). Vorwort zur 1. Auflage Glas hat eine Reihe von hervorragenden Eigenschaften, die seine Verwendung seit langer Zeit dominieren. Zunächst stand die Durchsichtigkeit bei gleichzeitigem Schutz vor»wind und Wetter«für den Fensterbau im Vordergrund. Inzwischen hat Glas eine Reihe weiterer Gebiete erobert. Der Behälterbau, bei dem es auf Dichtheit, möglichst geringen Einfluss auf den jeweiligen Inhalt und gute Reinigungsmöglichkeit (z. B. Flaschen) ankommt, sei hier beispielhaft genannt. Als konstruktiver Werkstoff wurde Glas nur sehr zögerlich angenommen, da seine Sprödigkeit hinlänglich bekannt und als gewichtiges Argument gegen die Verwendung bei tragenden Bauteilen angeführt wurde. Durch umfangreiche Forschungsund Entwicklungsarbeiten sind Glas und seine spezifische Eigenschaften so weit erschlossen, dass eine breitere Anwendung auch in sicherheitsrelevanten Bauteilen akzeptabel ist. Die zielsichere Ausnutzung der Glaseigenschaften für Bauteile und Baustrukturen verlangt mehr als bei allen anderen Baustoffen eine bis ins Detail reichende Betrachtung, um das Versagen durch lokal auftretende Überbeanspruchung sicher zu vermeiden. Der Ingenieur ist aufgefordert, alle möglichen Situationen und deren Konsequenzen zu berücksichtigen, um die Gefährdung durch versagende Bauteile unterhalb einer akzeptablen Schwelle zu halten. Diese Aufgabe umfasst gleichermaßen die möglichst genaue Berechnung der Beanspruchungen, die Kenntnis des Widerstandes und die konstruktive Durchbildung der Strukturen.

9 Inhaltsverzeichnis Abkürzungen und Formelzeichen XIII 1 Werkstoff Glas Allgemeines Glaszustand Klassisches Modell der Glasstruktur Glas Festkörper oder Flüssigkeit? Thermodynamik der Gläser Glasstruktur von Gläsern im Bauwesen Chemische Zusammensetzung Atomare Struktur, Symmetrie und Ordnung der Gläser Chemische Beständigkeit Glaskorrosion Eigenschaften von Gläsern im Bauwesen Optische Eigenschaften Allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften Festigkeit von Glas Allgemeines Versagensmechanismen und Bruchverhalten von Glas Grundlagen der linear-elastischen Bruchmechanik Defekte auf der Glasoberfläche und an der Glaskante Risswachstum und Ermüdungsverhalten Subkritisches Risswachstum Ermüdung von Glas Rissheilungseffekte Biegefestigkeit von Glas Biegefestigkeit von Glas in Normen und Regelwerken Prüfmethoden Statistische Auswertung und charakteristische Biegefestigkeit Einfluss der belasteten Fläche auf die Biegefestigkeit Druckfestigkeit von Glas... 76

10 X Inhaltsverzeichnis 3 Kunststoffe im Glasbau Allgemeines Mechanische Materialmodelle für Kunststoffe Allgemeines Lineare Elastizität Nichtlineare Elastizität Viskoelastizität Plastizität Versagenshypothesen Kleb- und Dichtstoffe Allgemeines Epoxidharz Acrylat Polyurethan MS-Polymere Silikon Polysulfid Polyisobutylen Zwischenschichten von Verbundglas Allgemeines Polyvinylbutyral (PVB) Ionoplast Ethylenvinylacetat (EVA) Thermoplastisches Polyurethan (TPU) Gießharz Kontaktmaterialien zur Krafteinleitung Allgemeines Thermoplaste Elastomere Vergussmörtel Bauprodukte aus transparenten Kunststoffen Allgemeines Acrylglas (PMMA) Polycarbonat (PC) Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) Prüfmethoden Allgemeines Zugversuch Dynamisch-mechanische Thermoanalyse Weitere Prüfmethoden

11 Inhaltsverzeichnis XI 3.8 Verträglichkeit und Dauerhaftigkeit Bearbeitung von Glas Allgemeines Schneiden Kantenbearbeitung Bohrungen Biegen Beschichten Eigenschaften Wirkungsweise Beschichtungsverfahren Aufbau von Beschichtungen Bedrucken und lieren Sandstrahlen Ätzen Vorspannen von Glas Allgemeines Thermisches Vorspannen Vorspannprozess und Eigenspannungszustand Biegefestigkeit Prozesstechnologie und Vorspannöfen Optische Anisotropien und Irisationen Berechnungsmodelle für den Vorspannprozess und numerische Simulation Spontanbruch durch Nickel-Sulfid und Heißlagerungstest Chemisches Vorspannen Allgemeines Vorspannprozesse Eigenschaften chemisch vorgespannter Gläser Bruchstruktur Spannungsoptische Messmethoden Glasprodukte im Bauwesen Allgemeines Basisprodukte Floatglas Gussglas Profilbauglas Drahtglas und Drahtornamentglas

12 XII Inhaltsverzeichnis Gefärbtes Glas Dünnglas Vorgespanntes Glas Einscheiben-Sicherheitsglas Teilvorgespanntes Glas Chemisch vorgespanntes Glas Verbund- und Verbundsicherheitsglas Definition Herstellung Prüfmethoden zur Haftung Laminationsgebogenes Glas Isolierverglasung Allgemeines Definition Bauphysikalische Aspekte Scheibenzwischenraum Randverbund Herstellung Vakuumisolierglas Brandschutzverglasung Brandverhalten Feuerwiderstand Schutzverglasung Allgemeines Einbruchhemmung Beschusshemmung Sprengwirkungshemmung Photovoltaikverglasung Allgemeines Modultypen Lagerungsarten Besondere Einwirkungen Baurechtliche Situation und Empfehlung zur Bemessung Verglasungen für solarthermische Anwendungen Weitere Glasprodukte Glassteine Glasrohre Schaltbare Verglasungen Heizscheiben Glaskeramik

13 Inhaltsverzeichnis XIII Schaumglas Glasfasern Konstruktive Durchbildung von Details Allgemeines Lagerung von Glas Linienlagerung Punktlagerung Geklebte und einlaminierte Punkthalter Fugenausbildung und Dichtungen Kantenschutz Klotzung Ganzglasecken Verbindungstechniken Konstruktion und Bemessung Allgemeines Baurechtliche Gesichtspunkte Allgemeines Bauprodukte aus Glas Bauarten aus Glas Anwendungsorientierte Verwendung von Sicherheitsgläsern Bemessungskonzepte Grundlagen der Sicherheitskonzepte im Bauwesen Bemessungskonzept nach DIN Sonstige Bemessungskonzepte Besonderheiten bei der Glasbemessung Einwirkungsdauer Zwangs- und Temperatureinwirkungen Lineare und nichtlineare Plattentheorie Schubverbund bei Verbundgläsern Resttragfähigkeit von Verglasungen Klimabelastungen bei Isolierverglasungen Koppeleffekt bei Isolierverglasungen Dynamische Einwirkungen Empfehlungen zu Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) Nachweise durch Versuche Allgemeines Durchführung von Versuchen Auswertung von Versuchsdaten

14 XIV Inhaltsverzeichnis 8.6 Glaskonstruktionen Vertikalverglasungen Horizontalverglasungen Absturzsichernde Verglasungen Begehbare Verglasungen Betretbare und durchsturzsichernde Verglasungen Geklebte Glasfassaden Glasbalken und Glasschwerter Glasstützen Schubfelder Transparente Kunststoffplatten Instandhaltung und Schadensanalyse Allgemeines Reinigung und Wartung Wartung und Instandhaltung von Glaskonstruktionen Reinigung von Glaskonstruktionen Sanierung von Glasoberflächen Fraktografische Grundlagen Allgemeines Bruchspiegel Wallner-Linien Bruchbild und Verzweigungslänge von Einscheiben-Sicherheitsglas Beurteilung von Schadensbildern Bemessungsbeispiele nach DIN Linienförmig gelagerte Vertikalverglasung Linienförmig gelagerte Horizontalverglasung Absturzsichernde Verglasung Vereinfachtes Verfahren mit statischen Ersatzlasten Transientes Verfahren Punktförmig gelagerte Vertikalverglasung Ausblick 399 Literatur- und Normenverzeichnis 401 Fachbegriffe 427 Sachverzeichnis 461

15 Abkürzungen und Formelzeichen Wichtige Abkürzungen abz...allgemeine bauaufsichtliche Zulassung AFM...Atomkraftmikroskop CG...Schaumglas (cellular glass) CVG...chemisch vorgespanntes Glas DIBt...Deutsches Institut für Bautechnik DIN...Deutsches Institut für Normung DMA, DMTA... Dynamisch-mechanische (Thermo-)Analyse EDX...Energiedispersive Röntgenspektroskopie EPDM...Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk ESG...Einscheiben-Sicherheitsglas ESG-H...heißgelagertes Einscheiben-Sicherheitsglas ETA...Europäische Technische Bewertung (European Technical Assessment) ETAG...ETALeitlinie (ETA Guideline) ETB...Eingeführte Technische Baubestimmungen ETFE...Ethylen-Tetrafluorethylen EVA...Ethylen-Vinylacetat FEM...Finite-Elemente-Methode FG...Floatglas GFK...glasfaserverstärkter Kunststoff GZG...Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZT...Grenzzustand der Tragfähigkeit KG...geschnittene Kante KGN...geschliffene (feinjustierte) Kante KGS...gesäumte Kante KMG...maßgeschliffene (justierte) Kante KPO...polierte Kante LBO...Landesbauordnung MBO...Musterbauordnung

16 XVI Abkürzungen und Formelzeichen MIG...Mehrscheiben-Isolierglas MS...modifizierte Silangruppen NiS...Nickel-Sulfid PA6...Polyamid-6 PC...Polycarbonat PE...Polyethylen PEEK...Polyetheretherketon PEI...Polyetherimid PIB...Polyisobutylen (Butyl) PMMA...Polymethylmethacrylat (Acrylglas) POM...Polyoxymethylen POM-C...Polyoxymethylen-Copolymer PP...Polypropylen PUR...Polyurethan PVB...Polyvinylbutyral PV...Photovoltaik PVC...Polyvinylchlorid PSU...Polysulfon REM...Rasterelektronenmikroskop RK...rundgeschliffene Kante SG,SSG...Structural-(Sealant)-Glazing SLS...Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (serviceability limit state) SZR...Scheibenzwischenraum TCT...Through Cracked Tensile TPE...thermoplastisches Elastomer TPU...thermoplastisches Polyurethan TRAV...Technische Regeln für die Verwendung von absturzsichernden Verglasungen TRLV...Technische Regeln für die Verwendung von linienförmig gelagerten Verglasungen TRPV...Technische Regeln für die Bemessung und die Ausführung von punktförmig gelagerten Verglasungen TVG...Teilvorgespanntes Glas ULS...Grenzzustand der Tragfähigkeit (ultimate limit state) VAC...Vinylacetat VG...Verbundglas VSG...Verbundsicherheitsglas WLF...Williams-Landel-Ferry

17 XVII ZiE...Zustimmung im Einzelfall ZTV...Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzip Formelzeichen und Symbole α T a a a F a T A β b B σ B v B w c c i c p C C d δ d d F D ε E E d ϕ f f k F γ γ E γ M g Temperaturausdehnungskoeffizient kurze Kante einer Verglasung charakteristische Kantenlänge Fugenbreite Verschiebungsfaktor im ZTV Fläche oder Absorptionsgrad Stoßübertragungsfaktor oder Skalenparameter der Weibull-Verteilung lange Kante einer Verglasung Beiwert zur Ermittlung der maximalen Hauptzugspannung Beiwert zur Ermittlung des Volumens der Biegefläche Beiwert zur Ermittlung der maximalen Durchbiegung Risstiefe oder Lichtgeschwindigkeit Anfangsrisstiefe spezifische Wärmekapazität Konfidenzintervall oder spannungsoptische Konstante Bemessungswert des Widerstands im GZG Steifigkeitsanteil bei Isolierverglasungen Glasdicke Fugenhöhe/-tiefe Durchmesser Dehnung (Zug/Druck) oder Emissionsgrad Elastizitätsmodul Bemessungswert der Auswirkung (Einwirkungsseite) Isolierglasfaktor Festigkeit oder Verteilungsdichte charakteristische Festigkeit (5%-Fraktilwert) Kraft oder kumulative Verteilungsfunktion Scherung (Gleitung) Teilsicherheitsbeiwert der Einwirkungen Teilsicherheitsbeiwert des Widerstands relativer Schubmodul oder Gesamtenergietransmission

18 XVIII Abkürzungen und Formelzeichen G Schubmodul η Viskosität/Dämpfung h Wärmeübergangskoeffizient mitwirkende Höhe bei zweiseitig gelagerten absturzsichernden Verglasungen h red k A k c k G k mod k n k P Arrhenius-Konstante Beiwert zur Berücksichtigung der Art der Konstruktion Ersatzsteifigkeit der Glasplatte Modifikationsbeiwert zur Berücksichtigung der Lasteinwirkungsdauer Beiwert zur Ermittlung des charakteristischen Werts Ersatzsteifigkeit des Pendelkörpers K Kompressionsmodul K I Spannungsintensitätsfaktor (Modus I) K I0 Spannungsrisskorrosionsgrenze (Ermüdungsgrenze) kritischer Spannungsintensitätsfaktor (Bruchzähigkeit) K Ic λ Wärmeleitfähigkeit oder Formparameter der Weibull-Verteilung l Länge/Spannweite μ Mittelwert m Masse ν Querkontraktionszahl n Brechungsindex (Brechzahl) oder Probenanzahl (Stichprobenumfang) N Risswachstumsparameter p Druck Versagenswahrscheinlichkeit P f q q Q Q Stoß ρ r R R d R k R m σ σ σ 0 σ 1 σ c Flächenlast normierte Belastung Wärmemenge statische Ersatzlast bei absturzsichernden Verglasungen Dichte Radius oder Atomabstand Korrelationskoeffizient oder Reflexionsgrad Bemessungswert des Widerstands im GZT charakteristischer Wert des Widerstands im GZT universelle Gaskonstante Spannung (Zug/Druck) oder Standardabweichung Spannungsrate Kernzugspannung bei vorgespannten Gläsern erste Hauptspannung (Hauptzugspannung) Druckfestigkeit

19 XIX σ f Bruchspannung/Festigkeit σ V Oberflächendruckspannung bei vorgespannten Gläsern σ zul zulässige Spannung nach dem globalen Sicherheitskonzept τ Schubspannung τ i Relaxationszeit t Zeit t f Lebensdauer T Temperatur oder Transmissionsgrad T a obere Kühltemperatur (annealing) T f Schmelztemperatur (fusion) T g Glasübergangstemperatur (Transformationstemperatur, glass transition) T s solare Transmission T so Erweichungstemperatur (softening) T st untere Kühltemperatur (strain) T v visuelle Transmission T w Verarbeitungstemperatur (working) U Wärmedurchgangskoeffizient U g Wärmedurchgangskoeffizient der Verglasung U w Wärmedurchgangskoeffizient des Fensters v Risswachstumsgeschwindigkeit oder Geschwindigkeit allgemein v 0 Initialrissgeschwindigkeit V Volumen oder Variationskoeffizient w Durchbiegung W Energie W A Aktivierungsenergie W Basis Basisenergie bei absturzsichernden Verglasungen Y Geometriefaktor

20 1 Werkstoff Glas 1.1 Allgemeines Glas gehört zu den ältesten Kulturgütern der Menschheit und die Faszination für diesen spröden und transparenten Werkstoff hält bis heute an. Von den ersten prähistorischen Pfeilspitzen aus natürlichem, vulkanischem Glas bis zu modernen Glaskonstruktionen aus speziellen Sicherheitsgläsern liegt ein weiter Entwicklungsprozess, der noch lange nicht abgeschlossen ist. Trotz der zunehmenden Verwendungen von Glas als konstruktives Element sind zum heutigen Stand der Forschung noch zahlreiche Fragen bezüglich der Natur des Glases unbeantwortet. Der Hauptbestandteil der üblicherweise im Ingenieurwesen verwendeten Gläser, Siliziumoxid, macht über 60 % der Erdkruste aus und ist in nahezu unbegrenzten Mengen vorhanden. Erst der aufwendige Herstellungsprozess macht aus dem günstigen Rohstoff ein begehrtes Material, das durch weitere Veredelungsschritte zu einem»hightech«-werkstoff werden kann. Im täglichen Sprachgebrauch hat das Wort Glas verschiedene Bedeutungen aus der Nutzung: So wird das Glas als Trinkgefäß oder als ein Bestandteil eines Fensters charakterisiert; es bezieht sich im Englischen auch auf den Begriff der Brille (glasses). In DIN ist folgende Definiton zu finden:»glas ist ein anorganisches Schmelzprodukt, das im wesentlichen ohne Kristallisation erstarrt.«einer der Pioniere der Glasforschung, Gustav Tammann ( ), definierte Glas wie folgt (TAMMANN, 1933):»Der Glaszustand ist der eingefrorene Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit, die ohne zu kristallieren erstarrt ist.«diese Definitionen zielen in erster Linie darauf ab, die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Glas zu charakterisieren. Es existiert umfangreiche Literatur, die sich in erster Linie mit der Herstellung von Gläsern beschäftigt. Ein Standardwerk im deutschen Sprachraum stammt von SCHOLZE (1988) und stellt in anschaulicher Weise die Grundlagen zusammen. Die Verwendung des Glases als Baustoff im Ingenieurbau erfordert es, die für den Ingenieur wesentlichen Eigenschaften beim Einsatz als Konstruktionswerkstoff zu kennen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016 J. Schneider et al., Glasbau, VDI-Buch, DOI / _1

21 2 1 Werkstoff Glas Diese sind in erster Linie Transparenz bzw. Transluzenz bei geringer Lichtreflexion im sichtbaren Bereich des Lichts, chemische Beständigkeit gegenüber sehr vielen Medien, hohe Steifigkeit im Bereich anderer Konstruktionswerkstoffe, nahezu linear-elastisches Werkstoffverhalten bis zum Bruch, geringe Temperaturausdehung ähnlich derjenigen anderer Konstruktionswerkstoffe, relativ konstante Materialeigenschaften im Gebrauchstemperaturbereich im Bauwesen, hohe Sprödigkeit (kritischer Spannungsintensitätsfaktor K Ic < 1,0Nmm 2 m 1/2 ), relativ geringe Zugfestigkeit und große Streuung der Festigkeitswerte aufgrund der hohen Sprödigkeit und der nicht vermeidbaren Oberflächenschäden mit Mikrorissen an der Glasoberfläche. 1.2 Glaszustand Klassisches Modell der Glasstruktur Viele Festkörper besitzen auf mikroskopischer Ebene eine kristalline Struktur. Gläser bilden diesbezüglich eine Ausnahme. Bei Raumtemperatur weisen die Moleküle im Glas eine unregelmäßige dreidimensionale Anordnung analog einer Flüssigkeit auf. Das Material erscheint daher makroskopisch vollkommen homogen und isotrop. Einen solchen nichtkristallinen Festkörper bezeichnet man als amorphen Festkörper oder einfach als Glas. Der Begriff Glas bezeichnet demnach einen Zustand unabhängig von seiner chemischen Zusammensetzung. Der innere Zustand des Glases fügt sich nicht in die klassische Einteilung der Materie in drei Aggregatzustände ein, die auf Aristoteles ( v. Chr.) zurückgeht. Ein Glas lässt sich weder eindeutig dem festen noch dem flüssigen Zustand zuordnen, sondern nimmt eine Zwischenstellung ein. Dass der Glaszustand immer wieder als unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet wird, führt leicht zu Missverständnissen. Es ist sicher ein Grund für den weit verbreiteten Irrglauben, bei Glas handele es sich um eine zähe Flüssigkeit, die unter Belastung auch bei Raumtemperatur zu fließen beginne. Treffender ist Tammanns Beschreibung vom eingefrorenen Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit. Dieses Missverständnis verdeutlicht aber auch, dass viele Vorgänge und Eigenschaften des Glaszustands bis heute nicht vollständig verstanden werden. Das Modell von Tammann zur Beschreibung der unregelmäßigen Glasstruktur ist bis heute weit verbreitet, da sich damit zahlreiche makroskopisch beobachtbare Glaseigenschaften, wie Bruchverhalten und Festigkeit, relativ einfach erklären lassen (Abbildung 1.1). Diese Modellvorstellung

22 1.2 Glaszustand 3 (a) (b) Si O Abbildung 1.1 Ebene Darstellung eines kristallinen SiO 2 -Netzwerks (Quarz) mit existierender Nahund Fernordnung (a) und von Kieselglas (nicht kristallines SiO 2 -Netzwerk) mit existierender Nah-, allerdings fehlender Fernordnung (b) nach ZACHARIASEN (1932) konnte im Jahr 2012 durch Aufnahmen auf der atomaren Ebene mit dem Transmissions- Elektronenmikroskop bestätigt werden, die durch Zufall bei Forschungsarbeiten zu Graphen gemacht wurden (HUANG et al., 2012) Glas Festkörper oder Flüssigkeit? Die noch heute gängige Auffassung, bei Glas handele es sich um eine zähe Flüssigkeit, die unter Belastung zu fließen beginne, wird auch von der weit verbreiteten Legende vom langsamen Fließen antiker Kirchenfenster genährt. Die Vorstellung, Gläser würden bei Raumtemperatur in beobachtbarer Zeit ähnlich einer zähen Flüssigkeit unter ihrem Eigengewicht ihre Form verändern, kann aber rechnerisch widerlegt werden (ZANOTTO, 1998; 1999). Für alte Kirchengläser mit ihrer jeweiligen chemischen Zusammensetzung berechnete Zanotto einen Zeitraum von etwa Jahren, um die gemessenen Dickenunterschiede zwischen dem oberen und unteren Ende der Glasscheibe zu erklären. Die ältesten bekannten Kirchenfenster haben aber nur ein Alter von ca. 900 Jahren. Die ältesten erhaltenen Kirchenfenster in Deutschland befinden sich im Dom zu Augsburg. Die fünf sogenannten»prophetenfenster«stammen aus dem Zeitraum zwischen 1050 und Die Bleiglasfenster im Straßburger Münster (Abbildung 1.2) stammen vorwiegend aus dem 14. Jahrhundert, einige aus dem 12. und dem 13. Jahrhundert. Für das Fließen von Kalk-Natron-Silikatglas, das heute das am meisten verwendete Bauglas ist, ergibt sich eine charakteristische Zeitskala von ca Jahren (ZANOTTO, 1999). Das Alter unseres Universums wird gegenwärtig auf»lediglich«13, Jahre geschätzt. Das Fließen von Fensterglas spielt also für menschliche Zeiträume keine Rolle und ist eher von akademischem Interesse. Das Phänomen, dass zahlreiche alte Kirchengläser am unteren Ende etwas dicker sind als oben, lässt sich vermutlich dadurch erklären, dass die historischen Herstellungsmethoden keine gleichmäßige Dicke zuließen und die Baumeister die Scheiben mit ihrem»schwereren«ende nach unten einbauten. Die Frage, ob es sich bei Glas um eine Flüssigkeit oder um einen Festkörper handelt, ist dennoch nicht

23 4 1 Werkstoff Glas Abbildung 1.2 Bleiglasfenster im südlichen Langhaus des Straßburger Münsters einfach zu beantworten. In den folgenden Kapiteln wird der Glaszustand aus verschiedenen Betrachtungswinkeln beschrieben, um einen Zusammenhang zwischen atomarem Aufbau und den makroskopischen Eigenschaften herzustellen Thermodynamik der Gläser Kristalliner Festkörper Die Thermodynamik der Gläser ist bis heute nicht vollständig geklärt. Es lassen sich zwar nicht alle Vorgänge erklären, die auf dem Weg von der Schmelze zum Glas stattfinden, dennoch können die prinzipiellen Vorgänge, die zur Glasbildung führen, dargestellt werden. Hierzu werden zuerst die beim Erhitzen und Abkühlen ablaufenden Vorgänge aus thermodynamischer und energetischer Sichtweise dargelegt. Anhand dieser Grundlagen werden anschließend die Prozesse bei der Glasentstehung und die Abläufe beim thermischen Vorspannen der Gläser erläutert. Die Moleküle bzw. Atome eines Festkörpers befinden sich in der Regel in einer für sie energetisch günstigen Gitterposition, mit einem bestimmten interatomaren Abstand r 0. Um sie aus dieser Lage zu zwingen, muss Arbeit geleistet werden. Dem System muss hierzu Energie zugeführt werden. Dies kann zum Beispiel durch eine äußere, mechanische Belastung geschehen. Im einachsigen Spannungszustand erzeugt eine aufgebrachte Zugspannung σ in ihrer Richtung eine Dehnung ε des Festkörpers, wodurch auch die atomaren Bindungen in dessen Innerem gedehnt und die Moleküle verschoben werden. Verhält sich der Körper hierbei ideal linear-elastisch und isotrop, ist die geleistete mechanische Arbeit im Körper elastisch gespeichert. Die als potenzielle Energie im System gespeicherte Energie

24 1.2 Glaszustand 5 W p im einachsigen Spannungszustand kann als das Integral über das Gesamtvolumen des Körpers ( ) W p = σ dε dv (1.1) V ε dargestellt werden. Wird die äußere Belastung entfernt, kehren die Moleküle, angetrieben durch die gespeicherte Energie, in ihre ursprüngliche Lage zurück. Bei kleinen Belastungen, die zu keiner Schädigung des Gefüges durch Bruch atomarer Bindungen führen, ist dieser Prozess vollständig reversibel. Den linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Verzerrung beschreibt das Hooke sche Gesetz. Die Materialkonstante E ist ein makroskopisches Maß für die Steifigkeit des Stoffs und wird Elastizitätsmodul genannt. Man bezeichnet dieses Materialverhalten auch als Energie-Elastizität (s. Abschnitt 3.1) Schmelzvorgang Durch eine äußere Temperaturerhöhung wird dem Festkörper in Form einer bestimmten Wärmemenge ebenfalls Energie zugeführt. Bei Temperaturen T > 0K 273,15 C oberhalb des absoluten Nullpunkts führen die Gitterbausteine (Atome, Moleküle) im Festkörper Schwingungen u(t) um ihre Ruhelage aus. Beim Erhitzen wird die Amplitude der Teilchen stärker, sie benötigen mehr Platz, der Körper dehnt sich aus. Dieser Vorgang verläuft über weite Temperaturbereiche nahezu linear und zeigt sich makroskopisch im Temperaturausdehnungskoeffizienten α T. Die kinetische Energie der Teilchen und die Schwingungsamplitude erhöhen sich entsprechend der zugeführten Wärmemenge ΔQ. Bei Erreichen des Schmelzpunkts T f ist die kinetische Energie groß genug, um die atomare Bindung aufzubrechen. Es kommt zu einer mechanischen Instabilität, der Festkörper verliert seinen Zusammenhalt und schmilzt. Nach der Lindemann schen Regel schmilzt ein idealer Kristall genau dann, wenn das mittlere Auslenkungsquadrat seiner Schwingungen ein kritisches Verhältnis zum interatomaren Abstand r 0 übersteigt: u 2 > 0,15 r 0. (1.2) Das Aufbrechen der Bindungen nimmt bei T f einen Großteil der zugeführten Energie ΔQ in Anspruch, wodurch die Temperatur, und damit die freie Enthalpie H des Körpers, zeitweise konstant bleibt (ΔH = 0). Unter der Enthalpie H eines Körpers versteht man hierbei die Summe aus seiner inneren Energie W i und dem Produkt aus Volumen V und Druck p: H = W i +V p. (1.3)

25 6 1 Werkstoff Glas Als die innere Energie W i eines Körpers wird die gesamte im System vorhandene Energie bezeichnet. Gleichzeitig wird beim Schmelzvorgang die Entropie S des Systems erhöht, da die Ordnung im System abnimmt und damit ein Zustand höherer Wahrscheinlichkeit angenommen wird. Es kommt bei einem solchen Phasenübergang erster Ordnung zu einer scharfen Trennung der Eigenschaften des festen und flüssigen Zustands. Die Materialeigenschaften ändern sich beim Übergang rapide. Die beim Schmelzvorgang zur Trennung der Moleküle benötigte Energiemenge entspricht der Bindungsenergie der Moleküle. Für den Phasenübergang selbst gilt demnach das thermodynamische Gleichgewicht (JAWORSKI, 1986): ΔH = ΔQ T f ΔS = 0. (1.4) Hierbei ist ΔH ΔQ T f ΔS Änderung der freien Enthalpie beim Phasenübergang [J], Änderung der Enthalpie (zugeführte Wärmemenge) [J], Schmelztemperatur [K], Entropieänderung [J/K]. Bei reinem, kristallinen Siliziumoxid SiO 2, dem am weitesten verbreiteten Glasbildner, liegt die Schmelztemperatur bei T f C. Üblicherweise werden dem Siliziumoxid weitere, meist ebenfalls kristalline Ausgangsprodukte beigemischt, um die Verarbeitbarkeit zu verbessern und die Eigenschaften des Endprodukts zu beeinflussen. Bei typischen Silikatgläsern liegt der Schmelzpunkt T f bei C bis C, je nach Zusammensetzung des Glasgemenges Flüssiger Zustand Der flüssige Zustand kann im Falle einer idealen Newton schen Flüssigkeit durch eine Viskosität η als das Maß seines Widerstands gegen Fließen charakterisiert werden. Es gilt vereinfacht der in Gleichung (1.5) beschriebene lineare Zusammenhang zwischen der Schubspannung τ und der Schergeschwindigkeit γ. Die Viskosität η kann auch mittels einer Relaxationszeit τ i ausgedrückt werden, welche ein Maß für die Zeit ist, mit der sich eine Spannung abbaut, wenn eine Verzerrung aufgebracht wird. Hierbei ist G der Schubmodul, der wie die Viskosität η temperaturabhängig ist (s. Abschnitt 3.2.4). τ(t )=η(t ) γ η(t )=G(T ) τ i (1.5) (1.6) Bei hohen Verzerrungsgeschwindigkeiten, wie sie z. B. beim Pressen von Glas mit Anfangsdruckspannungen von etwa 50 N mm 2 bis 100 N mm 2 auftreten, tritt ein nicht- Newton sches Verhalten auf, da eine ungehinderte Bewegung nicht möglich ist. Die Vis-

26 1.2 Glaszustand 7 kosität kann dann bis zu einer Größenordnung unter der Newton schen Viskosität liegen (MANNS et al., 1988). Im idealen flüssigen Zustand können sich Atome, Moleküle und Molekülgruppen relativ frei bewegen. Sie sind aber, im Gegensatz zum gasförmigen Zustand, noch durch zwischenmolekulare Wechselwirkungen (Kohäsionskräfte) miteinander verbunden. Die Bindungen brechen jedoch immer wieder und bilden sich neu, wodurch die Bindungspartner ständig wechseln. Bei diesen intramolekularen Bewegungen wird durch Reibung zwischen den benachbarten Teilchen eine Kraft übertragen, die von der Bewegungsgeschwindigkeit abhängig ist. Die Viskosität η ist die beobachtbare, makroskopische Eigenschaft dieser molekularen Beweglichkeit Unterkühlte Flüssigkeit und Glasübergang Wird eine Flüssigkeit unterhalb ihres Schmelzpunkts T f abgekühlt, findet in der Regel eine Kristallisation statt, da der kristalline Zustand energetisch günstiger ist als der flüssige. Die Form des entstehenden Kristallgitters ist von der Art der chemischen Bindung und den beteiligten Bindungspartnern abhängig. Bei einem bestimmten Teilchenabstand kommt es auf atomarer Ebene zum Ausgleich der entgegengesetzt gerichteten Anziehungsund Abstoßungskräfte zweier benachbarter Teilchen. Durch diesen von den jeweiligen Bindungspartnern vorgegebenen Abstand ergibt sich im Raum eine regelmäßige, dreidimensionale Gitterstruktur. Alle Teilchen sind bestrebt, diese für sie günstige Position im Gitter anzunehmen. Die dabei freiwerdende Bindungsenergie entspricht der Arbeit, die geleistet werden muss, um die Bindung wieder zu trennen und ist ein Maß für die Festigkeit der Bindung. Die entstandenen Kristallite wachsen und bilden bei ausreichender Zeit eine weitreichende regelmäßige Struktur, bis sie an ihren Korngrenzen aneinanderstoßen. Die Schmelze erstarrt zum kristallinen Festkörper. Zum Aufbau eines kristallinen Festkörpers benötigen die Moleküle jedoch einige Zeit, um die für sie energetisch günstigste Position im Kristallgitter einzunehmen. Kühlt die Schmelze sehr schnell ab, kann eine Kristallisation verhindert werden und die Schmelze kann auch bei Temperaturen unterhalb T f flüssig bleiben. Man bezeichnet einen solchen labilen Zustand als unterkühlte Schmelze oder unterkühlte Flüssigkeit. Bei Systemen, die zur Glasbildung neigen, wird das Entstehen eines Kristallgitters zudem durch die Viskosität der Schmelze verhindert. Der sogenannte Glasübergang ist durch eine extreme Verlangsamung der molekularen Dynamik gekennzeichnet. Die Bewegung der Teilchen in ihre bevorzugte Gitterposition wird hierdurch verhindert. Das System befindet sich thermodynamisch in einem metastabilen (Un-)Gleichgewicht, welches durch die steigende Viskosität aufrechterhalten wird. Beim weiteren Abkühlen schließen sich die Bindungen allmählich und die unterkühlte Flüssigkeit erstarrt schließlich im ungeordneten Zustand zu einem nichtkristallinen, amorphen Festkörper. Theoretisch kann jedes Material diesen Zustand annehmen, wenn sich während des Abkühlens aus der Schmelze die

27 8 1 Werkstoff Glas Kristallisation Abbildung 1.3 Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften von Kalk-Natron-Silikatglas am Beispiel des Volumens Kristallisation vermeiden lässt. Die technische Umsetzung scheitert jedoch häufig an den erforderlichen Kühlraten. Es existiert aber auch eine Vielzahl von Systemen, die unter normalen Umständen ein Glas bilden. Starke Glasbildner wie SiO 2 (bildet Silikat- oder Kieselglas), B 2 O 3 (Boratglas) oder P 2 O 5 (Phosphatglas) besitzen die Tendenz, den Zustand der unterkühlten Schmelze auch dann anzunehmen, wenn die Schmelze relativ langsam abgekühlt wird. Der Phasenübergang von der Schmelze in den Glaszustand geht, im Gegensatz zur Kristallisation, kontinuierlich ohne abrupte Änderungen der Materialeigenschaften vonstatten und wird auch als Phasenübergang zweiter Ordnung bezeichnet. Der Transformationsbereich wird häufig vereinfachend durch eine einzige Transformationstemperatur (Glasübergangstemperatur) T g beschrieben (Abbildung 1.3). Es gilt stets, dass der Schmelzpunkt T f oberhalb der Transformationstemperatur T g liegt. Die Steigung der Kurven in Abbildung 1.3 kann als Temperaturausdehnungskoeffizient α T interpretiert werden. Der Schnittpunkt der Geraden, die das idealisierte linear-elastische glasartige Materialverhalten und den idealisierten flüssigen Zustands beschreiben, wird als T g bezeichnet, obwohl es sich um einen Übergangsbereich handelt. Für die Glasverarbeitung sind typische Viskositätswerte im Übergangsbereich zwischen Schmelze und Festkörper wichtig. Man gibt für ein Glas neben der Transformationstemperatur T g meist noch die Verarbeitungstemperatur T w (working point), Erweichungstemperatur T so (softening point), obere Kühltemperatur T a (annealing point) und untere Kühltemperatur T st (strain point) an (Tabelle 1.1).

28 1.3 Glasstruktur von Gläsern im Bauwesen 9 Tabelle 1.1 Typische Viskositätswerte (PFAENDER, 1997), Bezeichnungen und zugehörige Temperatur für ein Kalk-Natron-Silikatglas (ÖKSOY et al., 1994), ein Borosilikatglas (SCHOTT AG, 2014b) und ein Quarzglas (QSIL GMBH, 2014) Temperatur Viskosität Bezeichnung Kalk-Natron- Silikatglas Borosilikatglas Quarzglas [dpas] [ ] [ C] [ C] [ C] 10 4 Verarbeitungstemperatur T w 10 7,6 Erweichungstemperatur T so Obere Kühltemperatur T a 10 13,3 Transformationstemperatur T g 10 14,5 Untere Kühltemperatur T st Die resultierenden Materialeigenschaften hängen aber auch von der Kühlrate im Glasübergangsbereich ab. Langsames Abkühlen gibt den Molekülen mehr Zeit, sich in ihre bevorzugte Lage zu begeben. Das erstarrte Glas weist einen höheren Ordnungsgrad und eine höhere Dichte auf, der Transformationsbereich verschiebt sich zu niedrigeren Temperaturen. Schnelles Abkühlen hingegen führt zu einer geringeren Dichte und Ordnung, da der eingefrorene Zustand offener und regelloser ist (Abbildung 1.3). Der Transformationsbereich liegt entsprechend bei höheren Temperaturen, da die schnell ansteigende Viskosität zu einem schnellen Erstarren geführt hat. Dieses Phänomen kann zum Beispiel auch einen Einfluss auf die Entstehung von Eigenspannungen beim thermischen Vorspannen des Glases haben und wird dort auch mit dem Begriff der Strukturrelaxation bezeichnet (s. Abschnitt 5.2). 1.3 Glasstruktur von Gläsern im Bauwesen Chemische Zusammensetzung Im Bauwesen werden fast ausschließlich Silikatgläser verwendet. Das häufigste ist das Kalk-Natron-Silikatglas, das aus den Hauptbestandteilen Quarzsand, Kalk und Soda gewonnen wird (Tabelle 1.2). Quarzsand dient als fast reines SiO 2 zur Netzwerkbildung, bereits sehr geringe Anteile an Fe 2 O 3 im Sand reichen aber aus, um die für das Glas typische Grünfärbung zu erhalten. Kalk dient als Netzwerkwandler; da reines CaO einen zu hohen Schmelzpunkt hat, wird CaCO 3 zugesetzt. Bei der Schmelze wandelt es sich zu Kohlen-

29 10 1 Werkstoff Glas dioxid und Kalziumoxid um und erhöht die Härte des Glases. Soda (Natriumcarbonat, Na 2 CO 3 ) trägt das Natriumoxid, das als Netzwerkwandler und als Flussmittel dient und den Schmelzpunkt des SiO 2 senkt. In der Schmelze wird dabei Kohlensäure (H 2 CO 3 ) frei. Natrium kann auch als Nitrat oder Sulfat der Schmelze zugeführt werden. Daneben wird Pottasche (K 2 CO 3 ) zugefügt und liefert Kaliumoxid für die Schmelze, das wie Natriumoxid als Netzwerkwandler und Flussmittel dient. Feldspat (NaAlSi 3 O 8 ) trägt neben SiO 2 und Na 2 O auch Tonerde (Al 2 O 3 ) in das Gemenge ein, um die Glashärte und Beständigkeit zu steigern. Dolomit (CaMg[CO 3 ] 2 ) ist ein Träger für CaO und MgO, Magnesiumoxid hat ähnliche Einflüsse wie Kalziumoxid auf die Schmelze. Zudem werden Altglasscherben oder Eigenscherben aus dem Produktionsbruch dem Gemenge beigegeben. Bei Borosilikatglas, das einen deutlich geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten und eine bessere chemische Beständigkeit aufweist und häufig in Brandschutzverglasungen eingesetzt wird, wird als Netzwerkbildner Bortrioxid (B 2 O 3 ) zugesetzt (Tabelle 1.2). Abhängig von der Zusammensetzung steigt der Temperaturausdehnungskoeffizient des festen Glases von α T = 0, K 1 bei Quarzglas auf α T = 4, K 1 bei Borosilikatglas und α T = 9, K 1 bei Kalk-Natron-Silikatglas an. Die Gläser werden in Abhängigkeit des Temperaturausdehnungskoeffizienten in Weichgläser (α T > 6, K 1 ) und Hartgläser (α T < 6, K 1 ) eingeteilt. Tabelle 1.2 Chemische Zusammensetzung von Kalk-Natron-Silikatglas und Borosilikatglas sowie chemische Funktion der Inhaltsstoffe innerhalb der Glasschmelze Kalk-Natron- Inhaltsstoff Borosilikatglas b Chemische Silikatglas a Funktion [ ] [ ] [%] [%] [ ] Siliziumdioxid SiO Netzwerkbildner Kalziumoxid CaO 5 14 Netzwerkwandler Bortrioxid B 2 O Netzwerkbildner Natriumoxid Na 2 O Netzwerkwandler Magnesiumoxid MgO 0 6 Netzwerkwandler Kaliumoxid K 2 O 0 8 Netzwerkwandler Aluminiumoxid Al 2 O Netzwerkbildner u. Netzwerkwandler Andere a nach DIN EN b nach DIN EN

30 1.3 Glasstruktur von Gläsern im Bauwesen Atomare Struktur, Symmetrie und Ordnung der Gläser SiO 2 bildet das Netzwerk des Glases und der auftretende Bindungstyp ist maßgeblich von den Wechselwirkungen der äußeren Valenzelektronen der Bindungspartner abhängig. Beim Aufbau einer chemischen Bindung kommen je nach Anzahl der Valenzelektronen und der Elektronegativität der Bindungspartner unterschiedliche Arten von Bindungen zustande, welche die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der entstehenden Verbindung festlegen. Sauerstoff besitzt sechs Valenzelektronen und ist bestrebt, durch die Aufnahme zweier weiterer Elektronen eines Bindungspartners seine äußere Elektronenhülle voll zu besetzen und Edelgaskonfiguration anzunehmen. Silizium besitzt vier Valenzelektronen und kann daher sowohl Elektronen abgeben als auch aufnehmen, um in einer Verbindung Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die vier Valenzelektronen des Siliziums bilden bevorzugt ein tetraederförmiges sp 3 -Hybridorbital, welches die Grundform der Molekülstruktur vorgibt (Abbildung 1.4). Da jedem SiO 2 -Molekül jedoch rechnerisch nur zwei Sauerstoffatome zur Verfügung stehen, müssen sich benachbarte Moleküle Sauerstoffatome teilen, um die sp 3 -Konfiguration einnehmen zu können. So kommt es zur Ausbildung der Sauerstoffbrückenbindungen und zur Netzwerkbildung. Bei komplexen Systemen liegen meist mehrere Bindungszustände vor, die sich überlagern. Die entstehende Grundstruktur des Moleküls wird hierbei von der stärksten Bindung im System bestimmt, die Materialeigenschaften von der schwächsten. Gläser können nur beim Auftreten sehr starker zwischenatomarer Bindungen entstehen, da nur dann eine ausreichend hohe Viskosität im Bereich des Schmelzpunkts vorliegt, die zur Netzwerkbildung notwendig ist. Beim SiO 2 -Molekül tritt eine kovalente Bindung mit einem starken ionischen Charakter auf, die zudem Doppelbindungseigenschaften besitzt. Außerdem wirken zwischen den Molekülen auch Van-der-Waals-Kräfte, welche die Bindung verstärken. Solche komplexen Mischbindungen sind typisch für Systeme, die dreidimensionale Netzwerke bilden. Durch den Doppelbindungscharakter entsteht eine außergewöhnlich starke Bindung zwischen Silizium und Sauerstoff. Dies äußert sich einerseits im hohen Schmelzpunkt, andererseits in einem, im Vergleich zur reinen Ionenbindung, verkürzten Atomabstand (a) (b) Abbildung 1.4 Dreidimensionale Darstellung des SiO 4 -Tetraeders (a); Die Valenzelektronen des zentralen Siliziumatoms bevorzugen ein tetraederförmiges sp 3 -Hybridorbital (b, PETZOLD et al., 1979)