Naturwissenschaftliche Grundlagen I Bauchemie

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1 Dr.-Ing. Jens Schneider Naturwissenschaftliche Grundlagen I Bauchemie Vorlesung 11/12 Nichtmetallisch-Anorganische Baustoffe F. A. Finger-Institut für Baustoffkunde

2 Übersicht über nichtmetallisch-anorganische Baustoffe 1. Grundlagen Silikate Aluminate Sulfate Carbonate Alkalien und Erdalkalien 2. Natursteine und techn. Anfallstoffe Fest- und Lockergesteine Schlacken und Aschen 3. Anorganische Bindebaustoffe Zemente Branntkalke und Kalkhydrate Poren- und Gasbeton Branntgipse und Anhydrit Magnesiabinder Wasserglasbinder Säure-Base-Binder 4. Keramische Baustoffe 5. Bauglas Folie 2

3 Baustoffanteile 85 % nichtmetallisch-anorganische Baustoffe (Natursteine, Bindebaustoffe, Keramik, Glas) 10 % metallische Werkstoffe (Eisen, Stahl, Aluminium, Kupfer, u.a.) 5 % organische Werkstoffe (Holz, Kunststoffe, Textilien u.a.) Folie 3

4 Silikate Silicium Zweithäufigstes Element der Erdrinde; stoffliche Basis für die Zement-, Keramik- und Glasindustrie Si + O 2 SiO 2 H = - 859,3 KJ/mol Siliciumdioxid Quarz, Tridymit, Cristobalit Sandstein, Granit, Gneis, Kies, Opal rasches Abkühlen glasig amorph Quarzglas geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient Folie 4

5 Phasendiagramm von Siliziumdioxid 573 Temperatur Folie 5

6 Modifikationen von Siliziumdioxid Modifikation Dichte (g/cm³) Beständigkeitsbereich ( C) Quarz 2,66 bis 575 Hochquarz 2, Tridymit ( ) 2,27 bis 117 Tridymit ( ) 2, Hochtridymit 2, Cristobalit 2,33 bis 225 / 262 Hochcristobalit 2, / Coesit 3,01 Höchstdruckmodifikationen, Stishovit 4,03 beständig gegen HF Kieselglas 2,20 metastabil Folie 6

7 Reaktivität von Siliziumdioxid SiO HF SiF 4 + 2H 2 O SiF HF H 2 SiF 6 SiO 2 + 2KOH K 2 SiO 3 + H 2 O SiO 2 + Na 2 SO 4 Na 2 SiO 3 + SO 3 SiO 2 + CaCO 3 CaSiO 3 + CO 2 Folie 7

8 Kieselsäuren und Kondensation K I E S E L S Ä U R E N K 2 SiO 3 + 2HCl + H 2 O H 4 SiO 4 + 2KCl K 2 SiO 3 + CO 2 + 2H 2 O H 4 SiO 4 + K 2 CO 3 SiCl 4 + 4H 2 O H 4 SiO 4 + 4HCl K O N D E N S A T I O N 2H 4 SiO 4 H 6 Si 2 O 7 + H 2 O Orthokieselsäure Dikieselsäure Polymere MG > 1000 g/mol Folie 8

9 Kieselsäuren und Kondensation Experiment Kondensationsreaktion von Orthokieselsäure zu Metakieselsäure Folie 9

10 Einteilung der Silikate Silikate Natürliche Silikate Künstliche Silikate Gesteine Sande Vulkanische Aschen Portlandzement Baukeramik Bauglas Folie 10

11 Natürliche Silikate Natürliche Silikate sind gesteinsbildente Minerale Aufgebaut aus SiO 4-4 -Tetraedern Außer bei Inselsilikaten durch Kondensation von Kieselsäure darstellbar Inselsikate / Gruppensilikate (Olivine) Bsp.: Olivin (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ], Granat Ca 3 Al 2 [SiO 4 ] 3 Ringsilikate (Cyklosilikate) Valenzstrichformel Tetraederanordnung Valenzstrichformel Bsp.: Beryl Al 2 Be 3 [Si 6 O 18 ] Folie 11

12 Natürliche Silikate Kettensilikate (Pyroxene) Tetraederanordnung Valenzstrichformel Bsp.: Pyroxen CaMg [Si 2 O 6 ], Wollastonit Ca [SiO 3 ] Bandsilikate (Amphibole) Tetraederanordnung Valenzstrichformel Bsp.: Tobermorit, Amphibol, Hornblende Folie 12

13 Natürliche Silikate Schichtsilikate Tetraederanordnung Bsp.: Talk Mg 3 [Si 4 O 10 ] (OH) 2, Kaolinit Al 2 [Si 2 O 5 ] (OH) 4 Gute Spaltbarkeit (Glimmer) Tonminerale können Wasser in den Zwischenschichten einlagern und werden dadurch bildsam Folie 13

14 Natürliche Silikate Bentonit (quellfähiges Schichtsilikat) Folie 14

15 Silicate Bezeichnung Vernetzung Inselsilicate Nesosilicate keine Gruppensilicate Sorosilicate eindimensional Ringsilicate Cyclosilicate eindimensional Kettensilicate Inosilicate eindimensional Bandsilicate Inosilicate eindimensional Schichtsilicate Phyllosilicate zweidimensional Gerüstsilicate Tektosilicate dreidimensional Calciumsilicathydrate Alit C 3 S Ca 3 SiO 5 (3CaO SiO 2 ) CSH (I) C 0,8..1,5 SH 0,5..2,5 Belit C 2 S Ca 2 SiO 4 (2CaO SiO 2 ) CSH (II) C 1,5..2,0 SH 1,0..4,0 C 3 S + (3 - x + y)h C 2 S + (2 - x + y)h C x SH y + (3 x)ch C x SH y + (2 x)ch Folie 15

16 Alumosilikate Silizium ist in seinen Tetraedern durch andere Element vor allem Aluminium ersetzbar Silizium trägt die Ladungszahl 4, Aluminium die Ladungszahl 3 Es entsteht eine negative Überschussladung, die durch ein Alkalielement ausgeglichen wird Bsp.: Kalifeldspat (Orthoklas) K [AlSi 3 O 8 ] Das Alkaliion befindet sich zwischen den Alumosilikatschichten Stellen eine stofflich sehr vielfältige Mineralgruppe mit interessanten Eigenschaften dar Folie 16

17 Alumosilikate Tonminerale: mit Wasser quellfähig, bildsam, bei hoher Temperatur erfolgt Entwässerung und anschließend Sinterung zu festem Scherben Keramik Zeolithe: Aufgrund der Molekülstruktur große Hohlräume Darin können Wasser, Alkaliionen und Erdalkaliionen gespeichert und ausgetauscht werden Ionentauscher Folie 17

18 Künstliche Silikate Gebrannter Ton (Baukeramik) Formlinge aus plastifiziertem Ton oder Lehm bereits im Altertum bekannt Ungebrannter (getrockneter) Ton erweicht unter Wassereinwirkung Durch Brennen bei 800 C 1000 C wird Ton wasserfest Wasser entweicht und hinterlässt Poren poröser Scherben Sinterung bei >1200 C Bildung von schmelzflüssiger Phase Poren werden gefüllt dichter Scherben oder Klinker Folie 18

19 Gebrannter Ton / Baukeramik Ziegeleierzeugnisse - poröser bis dichter Scherben - meist ziegelrote Farbe durch geringen Fe 2 O 3 Anteil - Vormauerziegel: dicht, frostbeständig, schwer - Hintermauerziegel: porös, nicht frostbeständig, leicht Steingut - aus hellem Ton gepresst und gesintert - feinporiger heller Scherben - Oberfläche mit Glasur versehen - Wandfliesen, Bodenfliesen, Geschirr Steinzeug - dichter, grauer bis brauner Scherben - Oberfläche mit Glasur versehen - Steinzeugrohre für Abwässer und chemische Anlagen Folie 19

20 Gebrannter Ton / Baukeramik Porzellan aus reinstem Kaolin hergestellt zweimaliger Brand bis zur Flüssigsinterung dichter Scherben hoher Anteil an Glasphase durchscheinend nach Farbauftrag erfolgt dritter Brand Schamotte feuerfeste Steine, Erweichungstemperatur >1700 C Ausmauerung von Öfen, Hochöfen, Schmelzwannen, Müllverbrennungsanlagen Folie 20

21 Glas Glas ist erstarrte Silikatschmelze ohne Kristallisation amorph Mann unterscheidet zwischen der chemischen Zusammensetzung Natronglas (Natrium-Kalk-Glas) - Rohstoffe Quarzsand, Soda, Kalk - beständig gegen Wasser, verdünnte Säuren (außer HF) - Nicht beständig gegen Laugen - Einsatz als Festerglas Kaliglas - wie Natronglas, nur Soda durch Pottasche ersetzt - höhere Brechung als Natronglas Boratglas - als Jenaer Glas bekannt, SiO2 ist durch B2O3 und Al2O3 ersetzt - sehr geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient (3,3x10-6 ) - stabil gegen schnelles erhitzen Folie 21

22 Bauglas / Fensterglas Fensterglas ist überwiegend Soda - Kalk (Dolomit) Glas Zusammensetzung 13 % Na 2 O, 12% CaO/MgO, 75% SiO 2 Einscheibensicherheitsglas (ESG) - Oberfläche schneller abgekühlt als Kern - Druck-Vorspannung in der Oberfläche - hohe Bruchfestigkeit - bei Versagen Bröselbruch Verbundsicherheitsglas (VSG) - zwei oder mehr Scheiben mit Folien oder Gießharz verklebt - durschuss- und durchbruchhemmend Folie 22

23 Portlandzement Zement stammt von caementum schneidern, brechen Steine behauene Quader, Gesteinsmehle, Ziegelmehle 1796 Patentierung des Romanzements, Begriff Zement als Bindemittel (Romanzement, hydraulisches Bindemittel) 1824 Joseph Aspdin patentierte den Portlandzement 1844 Prioritätsstreit um die Erfindung des Portlandzements als bis zur Sinterung gebrannte Rohmischung (Klinker) Dadurch große Publicity in der Bauwelt Erste Anlagen waren dem Kalkbrand entlehnt und beruhten auf purer Empirie Ende des 19. Jh. Einführung des Drehrohrofens und dadurch sprunghafte Steigerung der Produktivität, kontinuierliches Verfahren Folie 23

24 Portlandzement-Brennofen aus dem Jahr 1848 von William Aspdin (Sohn von Joseph Aspdin) Folie 24

25 Portlandzement Rohmehl für PZ-Klinker Hauptkomponenten Korrekturstoffe Komponente Anteil [M%] Bezeichnung Kalkstein Kalkkomponente Ton / Mergel Quarzsand...10 Schlacken...5 Hydraulefaktorenträger Komponente Anteil [M%] Bezeichnung CaO Kalk SiO Hydraulefaktorenträger Al 2 O 3 + Fe 2 O Folie 25

26 Professur Bauchemie und Polymere Werkstoffe Zementherstellung - Aufbereitung Folie 26

27 Chemische Vorgänge beim Brennen von PZ-Klinker Vorwärmer Drehofen Kühler Bezeichnung der Temperatur [ C] Chemische Vorgänge Vorgänge Trockenzone Abgabe von freiem Wasser (Trocknung) Vorwärmzone Austreibung des gebundenen Wassers, Tonzersetzung Kalzinierzone Kalksteinentsäuerung, Bildung von C 2 S, 2C 2 S CaCO 3 und CA Sinterzone Zerfall von Spurrit und Bildung von C 3 S, C 3 A und C 4 AF Kühlzone Beginn der Kristallisation der flüssigen Phase (Klinkerschmelze) Folie 27

28 Zementherstellung - Brennen Plastikmüll, Autoreifen, Altöl Folie 28

29 Folie 29

30 PZ-Klinkerphasenbildung im Drehrohrofen Folie 30

31 Zementherstellung - Mahlen Mahlen Lagerung Versand Zumahlstoffe PZK HOS Tra PZ EPZ HOZ TrZ Sack lose Gips LKW Bahn Klinkerlager Zementmühle Schiff Folie 31

32 Bezeichnung Chemische Formel Kurzbezeichnung Tricalciumsilikat (Alit) 3CaO SiO 2 C 3 S Dicalciumsilikat (Belit) 2CaO SiO 2 C 2 S Tricalciumaluminat 3CaO Al 2 O 3 C 3 A Calciumaluminatferrit 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 C 4 AF Freier Kalk CaO - Freie Magnesia MgO - Kurzbezeichnungen in der Zementchemie: C CaO F Fe 2 O 3 S SiO 2 s SO 3 A Al 2 O 3 H H 2 0 Folie 32

33 Professur Bauchemie und Polymere Werkstoffe PZ-Klinker lichtmikroskopische Aufnahmen Alit: scharfkantige Formen Belit: rundliche Formen mit Lamellierung Aluminatphase: helle Grundmasse Ferritphase: schwarze Flitterchen in der Grundmasse Dr. Jens Schneider Bauchemie V Folie 33

34 PZ-Klinker REM-Aufnahmen Alit: scharfkantig, gradlinig begrenzte Kristalle Belit: rundliche Kristalle; dazwischen wenig Grundmasse (Aluminat und Ferrat) Folie 34

35 System Kalk Tonerde - Kieselsäure (CAS 2 ) RANKIN - Diagramm Folie 35

36 Erhärtungsreaktionen von Zementklinker Calziumsilikat Tricalziumsilikathydrat Portlandit 2 (3CaO SiO 2 ) + 6 H 2 O 3CaO 2SiO 2 3H 2 O + 3 Ca(OH) 2 2 (2CaO SiO 2 ) + 4 H 2 O 3CaO 2SiO 2 3H 2 O + Ca(OH) 2 Calziumaluminat Calziumaluminathydrat 3CaO Al 2 O H 2 O 3CaO Al 2 O 3 6H 2 O 3CaO Al 2 O 3 + Ca(OH) H 2 O 4CaO Al 2 O 3 13H 2 O Calziumaluminatferrat Calziumaluminathydrat Calziumferrathydrat 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O Ca(OH) H 2 O 3CaO Al 2 O 3 6H 2 O + 3CaO Fe O 3 6H 2 O 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O Ca(OH) H 2 O 4CaO Al 2 O 3 13H 2 O + 4CaO Fe 2O 3 13H 2 O Folie 36

37 Calziumsilikathydrat Calziumsilikathydrat Quarzkorn Calziumsilikathydrat, Portlandit, Quarzkorn J. Stark, B. Wicht: Dauerhaftigkeit von Beton Folie 37

38 Hydratation von Zementen Mischung vor der Hydratation: 140g = 72 cm³ (w/z = 0,4) Wasser: 40 g = 40cm³ (r = 1,0g/cm³) CEM I 42,5: 100 g =32cm³ (r = 3,1g/cm³) Veränderung während der Hydratation Reaktionswasser (gebundenes Wasser) w/z = 0,24 entspricht 24 cm³ Gelwasser (nichtgebundenes Wasser) 40cm³ - 24cm³ = 16cm³ Volumen an porenfreiem Zementstein 32 cm³ PZ und 24 cm³ Reaktionswasser ergeben 50 cm³ Zementstein, d.h. die Schrumpfung beträgt 6 cm³ Mischung nach der Hydratation Porenfreie Festmasse 50 cm³ Porenraum 22cm³ aus 16cm³ Gelporen und 6cm³ Schrumpfporen* * Kann auch teilweise als chemisches Schrumpfen zu einer Volumenkontraktion führen Folie 38

39 Hydratationsgrad Hydratationsgeschwindigkeit Professur Bauchemie und Polymere Werkstoffe Hydratationsgrad von Zementen Aussage zur Wasserbindung während der Verfestigung α h = m w,t m w,max m w,t Masse des gebundenen Wassers zur Zeit t m w,max Masse des gebundenen Wassers bei vollständiger Hydratation d f '(t) dt = f(t) 1 Anfangsstadium 2 Ruhestadium 3 Beschleunigungsstadium 4 Abklingstadium 5 Endstadium Stadium Folie 39

40 Verformungswide3rstand/Festigkeit Professur Bauchemie und Polymere Werkstoffe Etappen der Verfestigung eines Betones Verfestigen Erhärten Erstarren Ansteifen 10min 100min 1000min / 16,7h Hydratationsdauer 10000min / 7d Folie 40

41 Konzentration [mol/l] Professur Bauchemie und Polymere Werkstoffe Ionengehalt des Porenwassers 0,7 OH - 0,4 K + 0,2 Na + 0 Ca , Hydratationsdauer [d} (CEM I, w/z = 0,4) Folie 41

42 Erstarrung Erhärtung Festigkeit [N/mm²] Professur Bauchemie und Polymere Werkstoffe Erstarrunsbeschleuniger und -verzögerer ,1 0,01 0,001 Festigkeitsentwicklung: 1 mit Beschleuniger 2 ohne Zusatz 3 mit Verzögerer 0,0001 1h 3h 6h 12h 1d 2d 7d 28d Hydratationsdauer Folie 42

43 Erstarrungszeit [h] Professur Bauchemie und Polymere Werkstoffe Calciumchlorid als Erstarrungsbeschleuniger 8 6 Verkürzung der Erstarrungszeit eines Portlandzementes bei Zusatz von Calciumchlorid 4 Erstarrungsende 2 0 Erstarrungsbeginn Erstarrungsbereich Calciumchlorid-Zusatz [%] Folie 43

44 Carbonatische und hydraulische Bindung Bindemittel Luftkalk Wasserkalk Luftkalk mit Zementzusatz hydraulischer Kalk Römerzemente Trasskalk Romankalk (Reinkalk) hochhydraulischer Kalk Kalkzement Trasszement Zement / Kalk PM Binder Zementmörtel Carbonatische Bindung: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Hydraulische Bindung: hydraulisch aktive Stoffe + H 2 O CSH Phasen P I P II P III Folie 44

45 Verfestigungsarten Bindebaustoff Phasen *) Verfestigungsart **) Portlandzement C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF X X - Hüttenzement wie PZ und Schlacke X X - Tonerdezement CA, CA 2 X X - Kalkhydrat CH - - X hydraulischer Kalk CH, C 2 S X X X Baugips C s - X - 2 H 2 Anhydritbinder Cs - X - Magnesiabinder MS, MH, MgCl 2 - X - Phosphatbinder AH 3, MH, H 3 PO 4 - X - Wasserglas Na-Silicate - X X *) Es sind nur die Hauptphasen angegeben **) 1 hydraulisch, 2 Hydratisch, 3 carbonatisch Folie 45

46 Baukalk Geschichtliches: Genauer Beginn nicht feststellbar Vermutlich mit Sesshaftwerdung des Menschen vor Jahren Ältester archäologischer Nachweis von gebranntem Kalk aus der Zeit von v. Chr. im Donauraum, Estrichfussboden Nachgewiesen an Pyramiden von Gizeh (ca v.u.z.), Palast von Pergamon (1700 v. Chr.), minoische Paläste (1700 v.u.z.) Griechenland 2.Jh. v. Chr. Anwendung der Gusstechnik bei zweischaligem Mauerwerk Weiterentwicklung bei den Römern Opus Cementitium erster Höhepunkt der Bautätigkeit, seit dem kaum Weiterentwicklung 17./18. Jh. John Smeaton erkannte, dass Verunreinigungen in den Rohstoffen (Ton) zu wasserfestem Kalkmörtel führte Folie 46

47 Baukalk Kalkofen aus der Bronzezeit Ca v.chr. Folie 47

48 Baukalk 19. Jh. Entwicklung von Schachtöfen (Bild) (Kalkwerk Rüdersdorf b. Berlin) Im 20. Jh. überwiegend in Drehrohröfen produziert Folie 48

49 Kreislauf des Kalkes Folie 49

50 Luftkalk / Hydraulischer Kalk - Definitionen Luftkalke sind Kalke, die überwiegend aus Calziumoxid oder Calziumhydroxid bestehen und unter Einwirkung von Atmosphärischem CO 2 an der Luft langsam erhärten. Hydraulische Kalke und natürliche hydraulische Kalke sind Baukalke, die vorwiegend aus Calziumsilikaten, Calziumaluminaten und Calciumhydroxid bestehen und durch Brennen von tonhaltigem Kalkstein und nachfolgenden Löschen/Mahlen oder durch Zumischen hydraulischer Komponenten zu Luftkalken hergestellt werden. Hydraulische Kalke, die durch Brennen tonhaltigen Kalksteins (Mergel) hergestellt werden, werden zusätzlich als natürliche hydraulische Kalke (NHL) bezeichnet, und finden in der Denkmalpflege Anwendung. Folie 50

51 Baukalk Einteilung der Baukalkarten nach DIN V ENV Weißkalk 90 CL90 2 Weißkalk 80 CL80 3 Weißkalk 70 CL70 4 Dolomitkalk 85 DL 85 5 Dolomitkalk 80 DL 80 6 Hydraulischer Kalk 2 HL 2 7 Hydraulischer Kalk 3,5 HL 3,5 8 Hydraulischer Kalk 5 HL 5 Folie 51

52 Hydraulisch erhärtende Kalke Folie 52