Hinweis

Hinweis
Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen
des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren
Durchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter das
eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die
Texterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichen
Dateien mit Fehlern behaftet.
Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite
http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
eingesehen und heruntergeladen werden.
Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und
Staatsexamensarbeiten bereit.
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
1
Übungen in chemischen Experimentalvortrag (WS 92/93)
Veranstaltungsleitung: Dr.J.Butenuth, Dr.E.Gerstner
ANORGANISCHE BAUSTOFFE
anorganisch-chemischer Vortrag von Christian Sens
Pappelweg 29
3550 Marburg
Chemie in der Schule: www.chids.de
2
EINLEITUNG
1) Definition der Baustoffe
2) Kurzer Abriß der Geschichte der Baustoffe
3) Unterteilung der Bindemittel
CHEMIE DER BINDEMITTEL
1) Zement
2) Baukalke
3) Gips
EINLEITUNG
1) Definition der Baustoffe
In der Bautechnik werden alle natürlichen und künstlichen Stoffe,
die zur Erstellung von Bauteilen und Bauwerken eingesetzt werden,
mit dem Sammelbegriff Baustoffe bezeichnet. Diese lassen sich bei
einer Grobgliederung
in natürliche und künstliche
Baustoffe
unterteilen. Natürliche Baustoffe werden aus natürlichen Vorkommen
gewonnen. Dazu zählen u.a Holz, Sand, Kies, Lehm, Naturstein und
in kälteren Gegenden Eis, in wärmeren Erdpech. Zu den künstlichen
Baustoffen, deren natürliche Ausgangsprodukte durch Wärme oder
chemische Behandlung verändert werden, gehören Gips, Kalk, Zement,
Hüttenbims, Ziegel, Glas, Stahl, Asphalt, Kunststoffe usw.
Gips, Lehm, Zement und Asphalt sind Bindemittel. Bindemittel sind
oft plastisch, d.h. leicht verformbar. Sie dienen zum Verkleben,
Verbinden
und
Zusammenhalten
von
festen
Stoffen
(z.B.
Kalksandsteine, Schwerbetonsteine , Natursteine) . Sie können aber
auch selbst als Baustoff dienen (z.B. Gips).
2)Kurze Geschichte der Baustoffe
Der älteste Baustoff überhaupt ist der Lehm. So bestanden die
ersten Behausungen der Menschen (sofern sie nicht in Höhlen oder
Fellhütten
wohnten)
aus
zusammengebundenem
Gezweig,
dessen
Zwischenraume mit leicht zu verarbeitendem Lehm verstrichen waren.
Lehm
erhärtet
durch
Austrocknung,
sofern
er
vor
direkter
Wasserberieselung geschützt wird.
Aber schon 7000 Jahre vor Christus wurde das älteste mineralische
Bindemittel, der Gips eingesetzt. Dieses beweisen Gipsfunde in der
Stadt Catal HöyUk in Kleinasien, der heutigen Türkei. Im Gegensatz
zu Lehm erhärtet Gips aber nicht durch Austrocknung, sondern durch
einen chemischen Prozeß.
Kalk wurde erst später entdeckt, die genaue Zeit kann nicht mehr
festgestellt werden. Möglichkeiten zum Kalkbrennen gab es aber
schon in der Kupferzei t, also frühestens 5000 v , ehr. Zu dieser
Zeit konnten schon genügend hohe Temperaturen zum Kalkbrennen
erzeugt werden.
Die Bezeichnung Zement geht auf die Römer zurück,
die ein
betonartiges Mauerwerk aus Bruchsteinen mit gebranntem Kalk als
Bindemittel "Opus Caementitium" nannten. Den ersten richtigen
Zement entwickelte der Engländer John Smeaton 1756 beim Bau des
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3
Leuchtturms von Edystone. Dieser Leuchtturm kann
Plymouth
besichtigt
werden.
Damit
begann
Portlandzementzeitalter.
heutzutage in
das
moderne
3) Unterteilung der Bindemittel
Bindemittel werden grob in hydraulische und nichthydraulische
Bindemittel unterteilt.
Das Wort "hydraulisch" hat hier die
Doppelbedeutung "wasserbindend " und "wasserfest", hat also einen
ganz
anderen
Sinn
als
in
der
Physik
(Teilgebiet
der
Strömungslehre) .
Ein hydraulisches Bindemittel stellt der Zement dar, d.h. er
erhärtet
auch unter Wasser.
Zwar kannten schon die
Römer
hydraulische Bindemittel, jedoch brauchten diese eine gewisse Zeit
Luft,
um erhärten zu können.
Sie sind mit den heutzutage
verwendeten hydraulischen Kalken (= Wasserkalk) vergleichbar.
Ein nichthydraulisches Bindemittel dagegen ist der Luftkalk, der
nur in Gegenwart von Luft erhärtet. Die Reaktionsgleichung für
diesen Erhärtungsprozess lautet:
Damit verbunden besitzen die hydraulischen und nichthydraulischen
Bindemittel unterschiedliche Eigenschaften, die in der Tabelle 1
aufgelistet
sind.
Sie werden deshalb auch in verschiedenen
Bereichen eingesetzt.
,0
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4
Tabelle 1
Hydraulische und Nichthydraulische Bindemittel
Hydraulische Bindemittel
Nichthydraulische Bindemittel
<,
Beispiel:
Beispiel: Wasserkalk; Zement
Luftkalk, Gips
Eigenschaften und Merkmale
Eigenschaften und Merkmale
1. Erhärtung nur bei Luftzutritt
1. Erhärtung an der Luft und
unter Wasser
2 . Im erhärteten Zustand nicht
wasserbeständig
2 . Im erhärteten Zustand
wasserbeständig
3 . "Normale" Festigkeiten
3. "Hohe" Festigkeiten
-
CHEMIE DER BINDEMITTEL
1) Zement
Der Zement ist ein feingemahlenes hydraulisches Bindemittel für
Mörtel und Beton. Er besteht im wesentlichen aus Verbindungen von
CaO, Si02, A1203 und Fe203, die durch Sintern oder Schmelzen
entstanden sind. Als Nebenbestandteil ist Gipsstein CaS0412H20
oder Anhydrit CaS04 enthalten, sowie freies CaO, MgO, Na20 und
K20.
Tabelle 2 Chemische Zusammensetzung der Zemente*
PZ
EPZ
HOZ
TrZ
CaO
64
59
51
51
Si02
20
22
27
27
A1203
5
7
9
7
Fe203
2,5
2
1,5
3
MgO
1,5
2,5
3/5
S03
2,5
2,5
2,5
?•
2
2,5
* Die Werte geben die in konzentrierter Salzsäure löslichen
Bestandteile in Gew. - % an, bezogen auf den glühlustfreien Zement
an.
Die Gew. - % ergänzen sich nicht auf 100%, der restliche Anteil
besteht aus verschiedenen Verbindungen wie z.B. K20, Na20, MnO.
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5
VERSUCH 1: Alkalische Reaktion von Zement
In einen Standzylinder wird ein wenig Portlandzement gegeben und
mit dest. Wasser aufgefüllt. Nachdem sich die Suspension geklärt
hat, gibt man einige Tropfen der klaren Phenolphthaleinlösung
hinzu; die alkalische Reaktion des Zementes zeigt sich in einer
Rotfärbung der Lösung. Verantwortlich für diese Reaktion sind die
basischen Oxide des Magnesiums und Calciums. Ihnen gegenüber
stehen
die
schwerlöslichen
sauren
Eisen-,
Aluminiumund
Siliciumoxide.
VERSUCH 2: Flammenspektroskopischer Nachweis von Calcium
Geräte: Bunsenbrenner, Magnesiastäbchen, Spektroskop
Chemikalien: Zement, konz. Salzsäure
Zeit: 2 bis 3 Min.
Man löst ein wenig Zement in konz.
Salzsäure,
taucht das
Magnesiastäbchen in diese Lösung und hält es anschließend in die
nichtleuchtende Bunsenbrennerflamme.
Im heißesten Bereich der
Flamme zeigt eine Rot färbung mit anschließendem Übergang in
Gelbrot Calcium an. Störungen kommen durch Lithium und Strontium
zustande; Kalium kann mit Hilfe des Cobaltglases bestimmt werden
und stört deshalb nicht. Strontium und Lithium können einwandfrei
nur mit Hilfe des Spektroskops identifiziert werden.
Zusätzlich
zur
Flammenspektroskopie
ist
eine
Erkennung
des
Calciums und auch des Magnesiums mit Hilfe der Chromatographie
möglich.
VERSUCH 3: Nachweis von Silicium
Man stellt sich eine klare Ammoniummolybdatlösung mit Hilfe von 2
molarer Salpetersäure her.
Nun löst man den Zement in halbkonzentierter Salpetersäure (und
nicht etwa in höherkonzentrierter !) auf, filtriert mit nicht zu
hartem Papierfilter und gibt zu der Lösung viele Tropfen der
Molybdatlsg., bis eine Gelbfärbung (kein Niederschlag wie beim
Ph«sphatl) die entstandene Heteropolysäure anzeigt.
vereinfachte Reaktionsgleichung:
H4Si 04 + 12
(M004)2- + 24 H30+
~ H4[Si(Mo3010)4] + 36 H20
gelbe Heteropolysäu~e
Die Orthokieselsäure kommt bei diesem niedrigen pH- Wert nur in
geringster
Konzentration
vor,
sie
kondensiert
über
die
Isopolysäuren zu Kieselgel (Si02)n·aQ.
,.
VERSUCH 4: Nachweis von Fe und Al mit Hilfe der Tüpfelreaktion
nach Feigel
Ein Filterpapier wird mit einer Lösung von gelben Blutlaugensalz
(=Hexacyanoferrat (II)) getränkt und getrocknet. Hierauf gibt man
eine in halbkonzentrierter Salpetersäure gelöste Zement tropfen,
worauf
sofort
eine Blaufärbung autritt.
Diese
kommt
durch
dasunlösliche und lösliche Berliner Blau zustande.
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6
Liegt Fe 3 + (aus dem Zement)
unlösliche Berliner Blau:
4 Fe 3 + + 3[Fe(CN)6]4-
im Überschuß vor,
so bildet sich das
~
Fe[FeFe(CN)6]3
Niederschlag
Liegt Fe 3 + und gelbes Blutlaugensalz in stöchiometrisch gleichen
Mengen vor, so bildet sich das kolloidal gelöste Berliner Blau:
K+ + Fe 3+ + [Fe(CN)6]4-
~
K[FeFe{CN)6]
Der Nachweis von A1 3 + erfolgt mit Hilfe der organischen Verbindung
Alizarin S. Dazu werden zunächst die Al + Ionen mit Hilfe von
wenigen Tropfen dest. Wasser aus der Fällungszone des Eisens
herausgewaschen. Anschließend betüpfelt man den Rand der klaren
Auswaschungszone mit einer 0,1% wässrigen Alizarin S Lösung. Beim
Räuchern über konz. Ammoniak färben sich die Tüpfelstellen durch
das deprotonierte Alizarin S violett und überdecken den roten
Farblack des Alizarin S-Aluminium-Chelatkomplexes. Dieser wird
durch beträufeln von 2 molarer Essigsäure sichtbar gemacht, da so
das überschüssige Alizarin S protoniert und somit entfärbt wird.
Im günstigsten Fall ist ein A1 3 + Ion von 3 deprotonierten Alizarin
S Molekülen umgeben. In den meisten Fällen ist der Chrlatkomplex
jedoch nicht stöchiometrisch zusammengesetzt, da das Al + noch OHIonen bindet.
In der BRD gibt es eine Zementnorm, die folgende Arten erfasst:
1. Portlandzement ( PZ )
2.
3.
4.
5.
Eisenportlandzement ( EPZ
Hochofenzement ( HOZ )
Trasszement (TrZ )
Zemente mit besonderen Eigenschaften
a) Zemente mit niedriger Hydratationswärme
b) Zemente mit hohem Sulfatwiderstand
Daneben
sind
noch
der
Ölschieferzement ,
Traßhochofenzement ,
Flugaschenzement und Schnellzement bauaufsichtlich zugelassen.
Es gibt noch andere Zementarten, die jedoch nicht genormt und
damit nicht für tragende Teile zugelassen sind wie z.B. der
Sulfathüttenzement . Dieser erreicht nicht die für die Zementnorm
vorgesc~.riebene Raumbeständigkeit bzw. Mindestdruckfestigkeit von
25 N/nun
.
a) Mörtel und Beton
"
Mörtel bzw. Beton unterscheiden sich lediglich im Durchmesser der
Zuschlagkörner. So wird beim Mörtel der Zement mit Sand und
Wasser, beim Beton dagegen mit Kies, Bruchsteinen u.ä. und Wasser
zu einem mehr oder weniger viskosen Brei angerührt. Sand oder Kies
dienen als Magerungsmittel, was den Preis des Baustoffes erheblich
herabsetzt.
Aufgrund der z.T. verschiedenen Bindemittel und Zuschlagstoffe
ergeben sich unterschiedliche Anwendungsgebiete für Mörtel und
Beton.
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7
Tabelle 4
Unterschiede zwischen Mörtel und Beton
Bindemittel
Zuschlagstoffe
Verwendung
Mörtel
Zement, Kalk,
Gips
Sand
Zum Verbinden von
Bauteilen und zum
Verputzen
Beton
Zement
Sand, Kies,
Splitt u.a.
Zum Herstellen der
Bauteile selbst
b) Herstellung von Portlandzementklinker
Der Portlandzementklinker stellt den Grundbestandteil aller oben
aufgeführten Zemente, die der deutschen Zementnorm entsprechen,
dar. Der Name Klinker kommt daher, daß früher das aufgeschlämmte
Rohmaterial zu Ziegeln geformt und "klingend" hart gebrannt wurde.
Die Herstellung erfolgt folgendermaßen (siehe Abb.).
Als Rohstoff dienen Kalkstein und Ton,
die entweder einzeln
abgebaut und anschließend vermengt werden, oder auch nebeneinander
in einem natürlichen Sedimentgestein, wie z.B. dem Kalkmergel
vorliegen. Diese Rohstoffe werden gebrannt.
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8
während des Brennens laufen Festkorperreaktionen ab, weswegen die
Reaktionspartner möglichst nahe zueinander gebracht werden müssen.
Das richtige Mengenverhältniss von Kalk und Ton wird deshalb in
einer Mühle so fein vermahlen, daß 90% der Teilchen einen
geringeren Durchmesser als
90~m
(l~m
lO-3mm)
haben.
Um
natürliche Schwankungen in der geWÜnschten Zusammensetzung der
Rohstoffe auszugleichen, kann Quarzsand, Kalk, Ton oder Eisenerz
zugesetzt werden.
Das so gewonnene Mehl gelangt dann in die Öfen. Das sind meistens
Drehöfen, die gegebenenfalls mehr als 200m lang und mehr als 7m im
Durchmesser
besitzen
können.
Sie
sind
innen
mit
Feuerfestmaterialien ausgekleidet, liegen um ca. 5° gegen die
Waagerechte geneigt und drehen sich langsam um ihre eigene Achse.
Dadurch fördern sie das Brenngut der Flamme am tieferen Ende
entgegen. Das Rohmaterial gelangt nacheinander in inuner heißere
Zonen des Ofens, und es laufen je nach Temperatur verschiedene
Reaktionen ab.
Beim Erhitzen des Brennguts entweicht zunächst bei Temperaturen
von 100°C das flüssige Wasser, bis etwa 600°C auch das im Ton
adsorptiv und chemisch gebundene Wasser.
Oberhalb von 600°C
beginnt die Abspaltung von Kohlendioxid aus Calciumcarbonat; diese
Reaktion verläuft bei 900°C sehr schnell. Das Brenngut verliert
dabei rund ein Drittel seines Trockengewichts.
Das freiwerdende Calciumoxid (=ungelöschter Kalk) ist unter diesen
Reaktionsbedingungen nicht stabil;
es reagiert mit Si02
zu
Dicalciumsilicat.
2 CaO + Si02
~
2CaO'Si02 (Dicalciumsilikat)
Mit Al203 und Fe203 reagiert das Calciumoxid zu instabilen
Aluminaten und Aluminatferriten. Sie zerfallen, wenn bei etwa
1280 0C die Bildung einer Schmelze erfolgt.
Bei dieser Temperatur bildet sich der für die Eigenschaften des
Zementes wichtigste Bestandteil, das Tricalciumsilicat . Ohne die
Anwesenheit von Eisenoxid bzw. Aluminiumoxid WÜrde diese Reaktion
wesentlich langsamer verlaufen, da die Oxide den Schmelzpunkt des
Gemisches herabsetzen.
2 CaO'Si02 + CaO
~
3CaO'Si02 (Tricalciumsilikat)
Unterhalb von 1250 0C ist reines Tricalciumsilikat nicht mehr
stabil ;da aber die Abkühlzeit des gebrannten Klinkers wesentlich
kleiner
ist
als
seine
Zerfallsgeschwindigkeit,
bleibt
das
Tricalciumsilicat als metastabile Verbindung erhalten.
Bei der Sintertemperatur von 1450 0C ist ungefähr ein Viertel des
Klinkers geschmolzen. Nach der heißen Sinterzone gelangt der
Klinker in einen Kühler, aus dem er lOO-200 0C heiß in die
Klinkerhalle transportiert wird.
,.
Beim Kühlen des Klinkers entstehen durch Kristallisation der
Schmelze das Tricalciumaluminat und das Calciumaluminatferrit.
3 CaO + Al203
~
4 CaO + Al203 + Fe203
3CaO·A1203 (Tricalciumaluminat)
~
4CaO·A1203·Fe203
(Calciumaluminatferrit)
Das Calciumaluminatferrit ist eine Mischkristallverbindung,
sich Al203 und Fe203 gegenseitig vertreten können.
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in der
9
Im Zementklinker entspricht seine Zusammensetzung etwa der Formel
4 CaO A1203 Fe203 . Es kann bis zu etwa 2 Gew. - % MgO in sein
Kristallgitter aufnehmen. Damit ist ein Farbwechsel von braun nach
grau verbunden, der dem Klinker seine Farbe gibt.
Nach dem Abkühlen wird der Zementklinker gemahlen. Ungemahlener
Zementklinker hat eine so geringe spezifische Oberfläche, daß er
nur sehr langsam mit Wasser reagiert. Erst durch das Mahlen wird
die Oberfläche
so weit vergrößert,
daß die Reaktionen
in
überschaubaren Zeiten ablaufen.
I
Tabelle
I
Reaktionen bei der Klinkerherstellung
Reaktionsgleichung
Entweichen von flüssigem H20
Entweichen von im Ton adsorptiv und
chemisch gebundenem H20
CaC03
~
CaO + C02
( Calciumoxid )
2 CaO + Si02
~
2CaO'Si02
( Dicalciumsilikat )
~
2CaO'Si02 + CaO
3 CaO + A1203
~
3CaO'Si02
( Tricalciumsilikat )
3CaO'A1203
( Tricalciumaluminat )
4 CaO + A1203 + Fe203 ~ 4CaO'A12031Fe203
( Calciumaluminatferrit )
Beginn der Reaktion in °C
< 100
< 600
> 600
> 900
> 1280
abkiihlen
abkühlen
Sehr
wichtig
fiir
das
Erhärten
des
Zementes
ist
die
Phasenzusammensetzung des Portlandzementklinkers.
Dabei ergibt
sich folgendes Bild.
Den höchsten Anteil besitzt das Tricalciumsilikat,
das den
wichtigsten Bestandteil des Zementes beim Erhärten darstell t . In
weitaus
geringeren Mengen kommen daß Dicalciumsilikat,
das
Tricalciumaluminat und das Calciumaluffiinatferrit vor. Für das
freie
Calciumoxid und Magnesiumoxid sind in der deutschen
Zementnorm
Höchstmengen
vorgeschrieben,
da
sie
Kalkbzw.
Magnesiatreiben hervorrufen (s.u.).
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10
Tabelle 3
Phasenzusammensetzung des Zementklinkers
Klinkerphasen
Chemische Formel
Gehalt in Gew. - %
Tricalciumsilikat
( Alit )
3 CaO' Si02
63
Dicalciumsilikat
( Belit )
2 CaO' Si02
16
Tricalciumaluminat
( Aluminat )
3 CaO' A1203
11
Calciumaluminatferrit
( Aluminatferrit )
2 CaO' (A12 03
I
Fe203 )
8
freies CaO
CaO
1
freies MgO
MgO
1
c) Herstellung der verschiedenen Zementarten
PORTLANDZEMENT
Der Name Portlandzement wurde 1824 von dem Engländer J. Aspdin
geprägt der einen von ihm entwickelten Romankalk (kein Zement im
heutigen
Sinne)
als
Portlandzement
bezeichnete.
Die
Romankalkstücke glichen dem Portlandstein,
einem oolithischen
Kalkstein
(meist
Fe-und
Ca-Verbindungen
enthaltendes
Sedimentgestein) der Halbinsel Portland in England.
Beim Portlandzement wird der Klinker zusammen mit Gips CaS04'2H20
oder Anhydrit CaS04 vermahlen. Das liegt daran, daß für die
Erstarrungsregelung des Zementes beim Erhärten das Calciumsulfat
von besonderer Bedeutung ist.
Die Mühlentemperatur wird so
gesteuert,
daß
der
Rohgipsanteil
möglichst
vollständig
zum
Halbhydrat CaS04'~20 entwässert wird.
Im fertigen Zement liegt das Calciumsulfat dann in einer Mischung
aus Halbhydrat und Anhydri t vor, wobei das Mischungsverhäl tnis
beliebig
eingestellt
werden
kann.
Ohne
die
Zugabe
von
Calciumsulfat WÜrde der feingemahlene Klinker so schnell mit
Wasser reagieren
daß die Verarbeitungszeit des Mörtels oder
Betons viel zu kurz wäre. Das Halbhydrat oder Anhydrit wirkt also
verzögernd auf die Abbindereaktionen.
I
l
?o
EISENPORTLANDZEMENT und HOCHOFENZEMENT
Diese beiden Zemente werden auch als Hüttenzement bezeichnet. Die
beim Erschmelzen von Eisen im Hochofen anfallende Schlacke wird
mit Wasser schnell abgekühlt und im gemahlenen Zustand unter den
Klinker gemischt. Nur. durch das schnelle Abkühlen ensteht der
sogenannte Hüttensand, ein latent-hydraulischer Stoff. Latenthydraulisch bedeutet, daß bei Anregung durch den im Zementklinker
vorhandenen
Kalk
der
Hüttensand
hydraulische
Eigenschaften
entwickelt und unter Wasser erhärtet.
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11
Durch
unterschiedliche
Zumahlmenge
an
Hüttensand
entsteht
Eisenportlandzement mit max. 35% Schlacke oder Hochofenzement mit
max. 80% Schlacke.
TRAßZEMENT
Der Traßzement enthält außer Zementklinker, Gipsstein und/oder
Anhydrit noch 20-40% Traß. Traß ist ein latent hydraulischer
Stoff, der zu den Puzzolanen bzw. Tuffen gehört. Diese Puzzolane,
benannt nach einem schon in der Antike genutzten Abbaugebiet bei
Puzzuoli
(Italien), sind entweder vulkanischen Ursprungs oder
durch einen Meteroiteneinschlag aus Sedimentgestein entstanden.
Tabelle
Zementart
Zusammensetzung der Normzemente
Portlandzementklinker
Hüttensand
Traß
Gew. - %
Gew. - %
Gew. - %
PZ
100
EPZ
65 bis 94
HOZ
TrZ
-
-
bis 35
-
20 bis 64
36 bis 80
-
60 bis 80
-
6
20 bis 40
Die drei Normzemente bis auf den Traßzement bilden mehr als 90%
des Gesamtabsatzes an Zement in der heutigen BRD. So wurden 1991
22,6 Mio.
Tonnen Portlandzement
(73%) und 5,7 Mio.
Tonnen
Hüttenzement (19%) abgesetzt. Die restlichen 8% entfallen auf
Ölschieferzement
(1,6%),
Traßzement
(0.5%)
und Spezialzemente
(5.9%). Im Vergleich zu 1970 haben sich diese Zahlen zugunsten der
Ölschiefer-,
Traß-,
und
Spezialzemente
auf
Kosten
der
Hüttenzemente
etwas verschoben.
Ansonsten hat
sich
in der
Zementindustrie allgemein in den letzten 20 Jahren nur wenig
verändert.
d) Erhärten des Zementes
Die Vorgänge beim Abbinden und Erhärten des Zementes sind sehr
kompliziert und können nur grob umrissen werden. Als Beispiel sei
die Erhärtung des Portlandzementes aufgeführt.
:,.
MISCHUNGSVERHÄLTNIS ZEMENT - WASSER
Das Mischungsverhältnis Zement:Wasser beträgt theoretisch etwa 0,3
damit der Zement vollständig hydratisiert wird. Das ist aber meist
zu wenig Wasser, um einen gut zu verarbeitenden Mörtel/Beton
herzustellen. In der Praxis liegen die Wasser/Zement-Werte im
Mi t tel bei etwa 0, 6, d. h. zu 3 Teilen Wasser kommen 5 Teile
Zement.
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12
HYDRATATIONSWÄRME DES ZEMENTES
Die Hydratation des Zementes ist ein exothermer Vorgang. Die dabei
frei
werdende
Wärmemenge
ist
die
Hydratationswärme .
Unter
isothermen Bedingungen werden bei vollständiger Hydratation z. B.
des Portlandzementes etwa zwischen 375 bis 525 J/g Zement frei.
Das Erhärten des Zementes dauert jedoch seine Zeit, so daß sich
die Abgabe der Hydratationswärme auf mehrere Tage bis Wochen
erstreckt. Im Winter bei leichtem Schneefall kann man diese
Wärmeabgabe durch Tauen des Schnees auf einer frischen Betondecke
gut beobachten.
In massiven Bauten kann das freiwerden der Hydratationswärme
jedoch eine starke Aufheizung zur Folge haben. Beim Abkühlen
treten dann Spannungen auf, die zu Rissbildungen führen können.
Deshalb werden Spezialzemente für den Bau solcher massiven Bauten
verwendet, die eine niedrige Hydratationswärme (nach DIN-Norm
festgelegt)
besitzen.
Ansonsten sollte man frische
Bauteile
wässern, um eine Kühlung vor allem bei warmen Wetter zu erreichen.
REAKTION DER ALUMINATE MIT CALCIUMSULFAT
Rührt man Zement mit Wasser an, so entstehen zeitlich gesehen am
schnellsten die Calciumaluminathydrate aus dem Tricalciumaluminat
(s.u.). Die Reaktionen verlaufen so schnell, daß ein frisch
angemachter Mörtel oder Beton nach wenigen Minuten steif werden
WÜrde und nicht mehr zu verarbeiten wäre. Das verhindert der
zugemahlene
Gips.
Dieser
reagiert
selbst
mit
dem
Tricalciumaluminat
und
verzögert
so
die
Bildung
der
Calciumaluminathydrate.
Die entstehende Verbindung hat eine ähnliche Struktur wie ein bei
Ettringen in der Eifel vorkommendes Mineral und wird deshalb auch
Ettringit genannt. Bei der Reaktion des Gipses mit dem Aluminat
legt sich der schwer lösliche Ettringit als schützende Hülle um
die einzelnen Tricalciumalurninat-Teilchen und bremst dadurch den
weiteren Angriff der Sulfationen. Diese müssen schließlich erst
durch die Ettringitschicht hindurchdiffundieren,
um mit dem
Tricalciumaluminat und Wasser reagieren zu können.
Bei der Auflösung des Tricalciumaluminats wird zwar Raum gewonnen,
das Volumen der Reaktionsprodukte ist aber soviel größer, daß der
Kristallisationsdruck die erste Ettringithülle sprengt. Solange
noch genügend Sulfationen vorhanden sind, wird sogleich wieder der
Ettringit als Hülle gebildet. Wenn der Vorrat an gelöstem Sulfat
aufgebraucht ist, können die gesprengten Ettringitschichten nicht
mehr abgedichtet werden und das AI~inat hydratisiert rasch
weiter. Der Ettringit wandelt sich so im Lauf der Zeit in
Gegenwart von Aluminat und Calciumhydroxid in eine sulfatärmere
Verbindung um.
3CaO'A120313CaS04132H20
H20
~
3CaO'A12031CaS04812H20 + 2 CaS04
+
20
Ohne eine Umwandlung des Ettringits in die sulfatärmere Verbindung
WÜrde dieser eine Aufblähung des Mörtels bzw. Betons zur Folge
haben. Diese Aufblähung wiederum WÜrde die Festigkeit des Mörtels
bzw. Betons vermindern.
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13
Da
sich
der
Ettringit
an
der
Oberfläche
der
Tricalciumaluminatkörner bildet, hängt die Menge des Gipses, der
zugesetzt werden muß, außer vom Aluminatgehalt auch noch von der
Mahlfeinheit des Zements ab. Gibt man zuviel Gips zu, so ist die
Ettringitbildung noch nicht abgeschlossen, wenn der Zementstein
eine gewisse Festigkei t erreicht hat. Das führt dazu, daß der
Kristallisationsdruck das gesamte Gefüge sprengt, was auch als
Gipstreiben bezeichnet wird. Gibt man zuwenig Gips zu, so WÜrde
der Mörtel bzw. Beton zu schnell erhärten und wäre nicht zu
verarbeiten. In der deutschen Zementnorm sind deshalb Höchstwerte
für den S03-Gehalt
(=Sulfatgehalt)
der verschiedenen Zemente
festgelegt.
KALK-UND MAGNESIATREIBEN
Ein
Problem
stellen
die
Nebenbestandteile
des
Portlandzementklinkers dar,
das freie Cao bzw. MgO. Bei der
Reaktion mit Wasser bilden sich daraus die Hydroxide Ca (OH) 2 und
Mg(OH)2, die mehr Raum einnehmen als ursprünglich die Oxide.
Freies
CaO und MgO können daher Kalkund Magnesiatreiben
hervorrufen, wenn sie in grobkristalliner Ausbildung in größeren
Mengen vorliegen. Dann läuft die Reaktion mit Wasser sehr langsam
ab und ist noch nicht abgeschlossen, wenn die Erhärtung des
Zementes schon begonnen hat. Das Kalk- bzw. Magnesiatreiben führt
zur Rissbildung
im erhärteten Mörtel/Beton.
In normgerechten
Zementen ist der Gehalt an MgO deshalb auf max. 5 Gew.-% begrenzt.
REAKTION DER ALUMINATE MIT WASSER
Die erste Reaktion des Tricalciumaluminats mit Wasser erfolgt sehr
schnell.
Dadurch entsteht eine an Calciumhydroxid Übersättigte und durch
die Auflösung des Gipses gesättigte Calciumsulfatlösung.
In Gegenwart von Calciumhydroxid reagiert das obige Produkt wie
folgt:
3CaO'A120316H20 + Ca(OH)2 + 12 H20
~
4CaO'A1203119H20
An der Luft geht die Reaktion weiter.
Im Zementstein erfolgen dann die weiteren Reaktionen.
:,
4CaO Al203 19H20
~
der obigen Reaktion)
I
I
3CaO Al203 · 6H20 + Ca (OH) 2 + 12 H20
I
(Umkehr
Das Calciumaluminatferrit reagiert langsamer mit Wasser als das
Tricalciumaluminat, bildet aber die gleichen Hydratationsprodukte.
Das Ettringit entsteht somit sowohl durch die Reaktion des
Calciumaluminats als auch des Aluminatferrits mit Gips.
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14
REAKTION DER SILIKATE MIT WASSER
Erst
nach
ungefähr
einer
Stunde
bilden
sich
langfaserige
Calciumsilikathydrate, die zusammen mit dem Nachfolgeproduktes des
Ettringits die einzelnen Zementkörnchen verbinden. Dadurch steift
der vorher flüssige Zementbrei an.
Das Tricalciumsilikat setzt sich mit Wasser wie folgt um:
Das Dicalciumsilikat reagiert zum gleichen Produkt.
Diese Formel für das Silikathydrat ist idealisiert. Je mehr Wasser
man zum Anmachen des Zementes benutzt, um so geringer ist der
Calciumgehalt der Hydratationsprodukte. Bei den Wassermengen, die
für die Herstellung von Mörtel oder Beton üblich sind, liegt das
Verhältnis CaO:Si02 bei 2,0 und darüber.
Sowohl
die
Calciumsilikathydrate
als
auch
die
Calciumaluminathydrate
füllen
die
Poren
zwischen
den
Zementkörnchen aus,
und es entsteht ein festes Gefüge. Das
Calciumhydroxid
liegt
in
Form
von
hexagonalen
Plättchen
dazwischen,
trägt aber kaum etwas zur Festigkeit bei.
Die
Erklärung dafür ist folgende.
Bei der Reaktion der Silikate und Aluminate mit Wasser gehen die
energiereichen Ausgangsstoffe in energiearme Hydrate über. Ein
Teil der Energiedifferenz wird dabei als Wärme abgegeben, während
ein anderer Teil zum Aufbau einer großen Oberfläche dient. Während
die spezifische Oberfläche im Zement nur etwa 0,3 m2/g beträgt,
erreichen die Hydratationsprodukte eine Spezifische Oberfläche von
mehreren hundert Quadratmetern pro Gramm. Man kann sich gut
vorstellen, daß die Gitterbausteine in der Oberfläche, deren
elektrische Ladungen ja nicht abgesättigt sind, zu einer starken
Haftung zwischen den Hydratationsprodukten untereinander und mit
den Zuschlägen (Sand) führen. Da die spezifische Oberfläche der
Silikathydrate am größten ist, tragen sie auch am stärksten zur
Festigkeit bei.
Das heißt je mehr faserförmige Calciumsilikathydrate und je
weniger Calciumhydroxid ein Zementstein enthält, um so fester ist
er.
Wie wir aus der obigen Reaktionsgleichung erkennen, wäre somit ein
Zement der viel Dicalciumsilikat enthält vorzuziehen, da bei der
Reaktion mit Wasser weniger Calciumhydroxid entsteht als bei der
Reaktion
von
Tricalciumsilikat
mit
Wasser.
Da
aber
das
Dicalciumsilikat
wesentlich
langsamer
reagiert
als
das
Tricalciumsilikat, macht sich die höhere.Festigkeit erst nach sehr
langer Zeit bemerkbar. Bei der Verarbeitung von Zement wird aber
schon nach sehr kurzer Zeit eine hohe Festigkeit gefordert,
weshalb in der Regel einem tricalciumsilikatreichen Zement der
Vorzug gegeben wird.
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15
Tabelle
5
Eigenschaften
Klinkerbestandteile
und
Hydratationswärme*
der
Zementtechnische
Eigenschaften
Chemische Verbindung
Tricalciumsilikat
3 CaO'Si02
schnelle Erhärtung, mittlere Hydratationswärme (500 J/g)
Dicalciumsilikat
2 CaO'Si02
langsame, stetige Erhärtung, Endfestigkeit
etwa wie bei Tricalciumsilikat, niedere
Hydratationswärme (250 J/g)
Tetracalciumaluminatferrit
4 CaO· A12 03 Fe203
langsame Erhärtung, reagiert weniger rasch
als Tricalciumaluminat, daher geringere
Hydratationswärme (420 J/g) und weniger
Schwinden
Tricalciumaluminat
3 CaO·A1203
schnelle Anfangserhärtung, nicht sehr
hohe Endfestigkeit, starkes Schwinden,
sulfatempfindlich, hohe Hydratationswärme
(1340 J/g)
Freier Kalk
CaO
in geringer Menge unschädlich, in größerer Menge führt er zu Kalktreiben
Freie Magnesia
MgO
in geringer Menge unschädlich, in größerer Menge führt es zu Magnesiatreiben
* Die Werte für die Hydratationswärme sind abgerundet und beziehen
sich auf den Wärmeanteil, den die Hauptklinkerphasen zur gesamten
Hydratationswärme des Portlandzementes beitragen.
2) Baukalke
Baukalke sind Bindemittel, deren analytische Hauptbestandteile die
Oxide
des
Calciums
und
Magnesiums
sind.
Aufgrund
ihres
unterschiedlichen Erhärtungsverhaltens unterscheidet man folgende
Baukalkarten:
a) Luftkalke
-Weißkalk
-Dolomitkalk
b) Wasserkalk
c) Hydraulischer Kalk
d) Hochhydraulischer Kalk
Weißkalk wird aus möglichst reinem Calciumcarbonat hergestell t ,
das
in
Marmor
(= "Marmorkalk " )
oder
aber
auch
Seemuscheln
(=" Seemuschelkalk " )
vorkommt.
Dolomitkalk
dagegen
wird
aus
dolomithaItigen Gesteinen (Dolomit=CaMg(C03)2) gebrannt.
Wasserkalke, hydraulische und hochhydraulische Kalke unterscheiden
sich nur im wachsenden Anteil an latent hydraulischen Stoffen. Zu
den latent hydraulischen Stoffen zählen wie beim Zement Aluminium, Eisen- und Siliciumoxid enthaltender Mergel.
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16
DARSTELLUNG VON BAUKALKEN
Die Herstellung der Baukalke erfolgt im wesentlichen nach dem
gleichen Verfahren.
Dazu werden mehr oder weniger kalkhaltige Gesteine gebrannt. Im
Gegensatz zur Zementklinkerherstellung wird die Temperatur jedoch
unterhalb der Sintergrenze gehalten, so daß die einzelnen Körner
nicht verbacken und somit eine geringere Oberfläche besitzen.
Die Brenntemperatur liegt bei etwa 900-1100 o C. Es werden entweder
wie bei der Zementklinkerherstellung Drehrohröfen oder auch
Ringöfen verwendet. Letztgenannte sind wärmetechnisch besonders
vollkommen.
Die chemische Reaktion des Kalkbrennens bzw.
folgende:
CaC03
~
" Entsäuerns
" ist
CaO + C02t - 178,4 kJ/mol
Bei
dieser
endothermen
Reaktion
entsteht
gebrannter
bzw.
ungelöschter Kalk.
Dieser kann so nicht verarbeitet werden. Er wird in einem zweiten
Arbei tsgang 11 gelöscht" , d. h. er wird mi t Wasser verrührt . Die
Reaktion ist folgende:
CaO + H20
~
Ca(OH)2 + 65,2 kJ/mol (exotherme Reaktion)
Da bei dieser exothermen Reaktion Wasser verdunstet, muß mit einem
Überschuß an Wasser gearbeitet werden. Beim Kalklöschen quillt der
ungelöschte Kalk zum etwa 2,5-fachen Volumen auf, worauf die
Sprengwirkung von ungelöschtem Kalk beruht. (~Kalktreiben) .
VERSUCH 5: Das Brennen von Kalk (siehe
Abb~)
Geräte: Quarzrohr, 2 Waschflaschen, Stativmaterial, Gummistopfen,
Teclubrenner, Wasserstrahlpumpe
Chemikalien: gekörnter Mamor (mit Hilfe eines Schraubstocks oder
Hammers leicht herstellbar aus einer Mamorplatte o.ä.), konz.
NaOH, Kalkwasser
Durchführung:
In ein Quarzrohr,
das mit zwei Waschflaschen
verbunden ist wird etwas fein gekörnter Mamor gefüll t und die
Enden des Rohres mit etwas Glaswolle und anschließend den
durchbohrten
Gummistopfen
verschlossen.
Die
vorgeschaltete
Waschflasche ist mit konz. NaOH gefüllt, um das in der Luft
vorhandene C02 zu binden.
,_
Die mit Kalkwasser oder Barytwasser nachgeschaltete Waschflasche
dient zum Nachweis des durch Erhitzen von Mamor ausgetriebenen
C02·
Das so gebildete
weißlich trübe.
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Calciumcarbonat
färbt
das
klare
Kalkwasser
17
Gäbe man C02 im Überschuß hinzu,
auflösen:
+
so WÜrde sich das CaC03 wieder
Ca 2 +
+
+ 2
HC03-
+
Um den Mamor zu zersetzen, wird dieser mit dem Teclubrenner
kräftig erhitzt. Sobald er sich auf Rotglut befindet leitet man
einen mäßigen Luftstrom durch die Apparatur. Die Zersetzung von
Calciumcarbonat zu C02 und CaO ist eine Gleichgewichtsreaktion .
Sie ist deshalb vom Massenwirkungsgesetz, der Temperatur und dem
Druck abhängig.
Durch Austreiben des Kohlendioxids mit dem
Luftstrom verschiebt sich das Gleichgewicht auf die rechte Seite
und man erreicht so eine möglichst quantitative Umsetzung bei
gegebener Temperatur und Druck.
CaC03
~
CaO
+
C02t
Zum Nachweis des CaO kann dieses mit Wasser aufgeschlämmt und mit
einigen Tropfen einer Thymolphthaleinlösung versetzt werden. Die
"starke" Base CaO zeigt mit dem Thymolphthalein eine Blaufärbung
CaC03
(Vergleichssubstanz) als "schwächere" Base jedoch nicht
(Umschlagsbereich Thymolphthalein ph= 9 3 -10, 5 von farblos nach
blau) .
I
I
VERSUCH 6: Das Kalklöschen
Geräte: selbstgebautes (siehe Abb.l) oder gekauftes Thermoskop
Chemikalien: CaO, welches ganz frisch oder kurz vorher etwa 10 min
mit dem Teclubrenner bis zur Rotglut erhitzt wurde
Durchführung: Man legt in dem Thermoskop eine bestimmte Menge
Wasser
vor,
wartet
bis
sich
die
Temperatur
an
die
Thermoskoptemperatur angeglichen hat und gibt einen Brocken CaO in
das Reaktionsgefäß . Durch die exotherme Reaktion bedingt erwärmt
sich die Luft um den Reaktionskolben und dehnt sich aus. Es
entsteht ein Druck der an dem U-Manometerrohr abgelesen werden
kann.
VERWENDUNG DER BAUKALKE
1) Luftmörtel
Der Name Luftmörtel kommt daher, das dieser Mörtel das in der Luft
enthaltene
Kohlendioxid
zum
Erhärten
braucht.
Der
am
Bestimmungsort
in
Papiersäcken
bzw.
fahrbaren
Behältern
angelieferte Löschkalk (früher mußte uer gebrannte Kalk erst
mehrere Tage lang auf der Baustelle "gelöscht" bzw. "eingesumpft 11
werden) wird mit Wasser und Sand angemacht, bevor er verarbeitet
werden kann. Dabei kommen zu etwa 10 Gew. -% Löschkalk 15 Gew.-%
Wasser und 75 Gew.-% Sand als Magerungsmittel.
Der Sand dient dazu, den Kalkbrei porös zu machen, so daß die zur
Erhärtung notwendige Luft bis in die inneren Schichten vordringen
kann. Außerdem wird so der Preis des Bindungsmittels stark
herabgesetzt
und
Dehnungsbzw.
Schrumpfungsrisse
werden
vermieden.
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--
.MmrtJr
,
QaswoUe
ltI/t
00
Abb.l
KalkbrenneB
Thermo akop
Abb.2
Abb.3
kOtlJ SJ: hwefelst1UlP Mortelauadet
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Abbinden von Mörtel
18
Das Wasser hat ebenfalls eine wichtige Bedeutung. Einmal erhöht es
die Verarbeitbarkeit des Mörtels erheblich, zum anderen WÜrde
dieser ohne Wasser nicht abbinden können. Denn erst wenn das
Mörtelwasser Kohlendioxid aus der Luft aufnimmt und Kohlensäure
als
Zwischenprodukt
entsteht,
setzt
sich
dieses
mit
dem
Calciumhydroxid (=Löschkalk) zu Kalkstein um ("Carbonatisierung").
C02
+
H20
~
H2C0 3
- 0,2%
Ca(OH)2 + HC03VERSUCH 7: Erhärten von gelöschtem Kalk (siehe Abb.))
Gerate:
Kohlendioxidentwickler
(Schliffkolben,
Verbindungsstück
mit seitlicher Abzweigung,
Tropftrichter mit Druckausgleich),
500ml
Erlenmeyerkolben,
dreifach
durchbohrten
Gummistopfen,
Digitalthermometer mit Meßfühler, Waschflasche
Chemikalien: Ca(OH)2, Sand, halbkonz. Hel, Mamorstückchen, konz.
Schwefelsäure
Durchführung: Aus einem Teil (=1 Teelöffel) Ca (OH) 2, 3 - 4 Teilen
Sand und möglichst wenig Wasser stellt man einen Teig her. Diesen
schneidet man in kleine Würfel und trocknet ihn möglichst rasch
(z.B. mit klopapier). Die Quader müssen nicht ganz trocken sein,
wichtig ist nur daß sie nicht allzulange der Luft ausgesetzt sind,
da sonst die Mörtelerhartung immer weiter fortschreitet. Man kann
sie nun in einem luftdicht verschließbaren Behälter ruhig länger
aufbewahren oder auch gleich in den Erlenmeyerkolben legen und den
Versuch beginnen. Dazu läßt man etwas Salzsäure auf den gekörnten
Mamor tropfen, den man zur gleichmäßigeren Kohlendioxidentwicklung
mit etwas Wasser vermischt. Das Kohlendioxid gelangt nun durch die
Waschflasche mit konz. H2S04, wodurch es getrocknet wird.
Dieses ist nur wichtig wenn beim Abbinden von Mörtel auch die
Wasserbildung
nachgewiesen
werden
soll.
Dazu
müssen
die
Mörtelquader natürlich ganz trocken sein.
Das C02 gelangt dann in den Erlenmeyerkolben mi t den Quadern,
wobei es zur exothermen Reaktion konunt. Um dieses nachzuweisen
setzt man schon vorher die Meßspitze auf die Oberfläche eines
Quaders auf und kann nun den Temperaturanstieg beobachten (betrug
etwa 2-3°C). Außerdem schlägt sich innen im Erlenmeyerkolben
Wasser nieder, das z.B. mit Cobalt(II}-Papier nachgewiesen werden
kann (natürlich nur wenn die Quader wirklich trocken waren) .
Das freiwerdende Wasser zeigt in Bauten in Form von'nassen Wänden.
So werden bei frisch bezogenen Neubauten durch das ausgeatmete C02
oft die vermeindlich trockenen Wände wieder feucht ("schwitzen"
der Wände) .
Es zeigt sich außerdem, daß nicht heizeh, sondern eine hohe C02Zufuhr den Prozess des Erhärtens beschleunigt. Dieses wurde früher
durch das Aufstellen von Koksöfen erreicht, die heutzutage aber
wegen des freiwerdens von giftigem CO verboten sind. Zudem ist die
Warmeabstrahlung auf die Wände meist ungenügend gleichmäßig,
wodurch die Gefahr einer Rißbildung erhöht wird.
Die Luftkalke sind sehr wirtschaftlich und werden heutzutage
vorwiegend
für
die
Herstellung
von Mauerund
Putzmörtel
verwendet. Jedoch sollten nicht zu dicke Mauern damit gebaut
werden, da sich beim Abbruch von meterdicken mittelalterlichen
Mauern gezeigt hat, das diese im Innern noch nicht abgebunden
waren.
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19
2) Hydraulisch erhärtende Kalke
Diese Kalke werden unterteilt in:
a) Wasserkalk
Der Wasserkalk verfestigt sich durch das Zusammenwirken von
Carbonathärtung (etwa 7 Tage dauerndem Luftzutritt ist notwendig)
und hydraulischer Härtung.
Er wird aus mergeligem Kalkstein
hergestellt.
b) Hydraulischer Kalk
Dieser Kalk besitzt einen höheren Anteil an hydraulischen
Verbindungen als der Wasserkalk und benötigt nur etwa 5 Tage
Luftzutritt zur Carbonathärtung. Er wird aus Kalksteinmergel
unterhalb der Sintergrenze (im Gegensatz zum Zement) gebrannt.
c) Hochhydraulischer Kalk ("Fixbinder")
Der hohe Anteil an hydraulischen Faktoren macht nur einen
Luftzutritt von 1-3 Tagen zur Carbonathärtung erforderlich. Die
Herstellung ist die gleiche wie beim hydraulischen Kalk, jedoch
sollte der Kalksteinmergel mehr tonige Substanzen besitzen.
ERHÄRTUNG DER HYDRAULISCHEN KALKE
Die hydraulischen Kalke besitzen ebenso wie der Zement die
Fähigkeit unter Wasser zu erhärten. Der Erhärtungsprozess ist im
Wesentlichen wie beim Zement.
Im Unterschied zum Zement entsteht durch die niedrigere
Brenntemperatur sehr wenig Tricalciumsilikat. Dieser Mangel wird
durch den wesentlich höheren Anteil an gelöschtem Kalk
ausgeglichen, der jedoch nur unter Luftzutritt erhärten kann. Die
wesentlichen hydraulisch erhärtenden Faktoren sind ebenso wie beim
Zement das Dicalciumsilikat 2CaO'Si02, das Tricalciumaluminat
3CaO'A1203 und das Calciumaluminatferrit 4CaO·AI203·Fe203.
3) Der Gips
Gips ist ein Mineral und gleichnamiges Gestein mit der" chemischen
Formel CaS04·2H20.
HERSTELLUNG VON BAUGIPSEN
Der Rohstoff Gipsstein wird in Mühlen fei~gemahlen und in Drehöfen
wie bei der Zementherstellung erhitzt.
höher die Temperatur
gewählt wird, um so mehr Kristallwasser wird ausgetrieben. Danach
unterscheidet man:
Je
- Calciumsulfat-Halbhydrat CaS04'~20, auch Stuckgips oder
"gebrannter Gips" genannt, der bei Brenntemperaturen zwischen 120190°C entsteht. Beim Halbhydrat unterscheidet man zwischen einer
festeren a-und einer weniger festen ß-Modifikation. Die a-Form
bildet sich beim Erhitzen unter Dampfeinwirkung, die ß-Form beim
trockenen Brennen. Der Stuckgips versteift rasch (Beginn etwa 1020 Minuten nach Anmachen mit Wasser) .
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20
- Bei 190-200 oc entweicht aus dem Stuckgips der Rest des Wassers;
der so gebildete "wasserfreie Stuckgips" bindet so schnell mit
Wasser ab, daß er praktisch nicht verwendet werden kann.
- Bei Temperaturen von 500°C büßt der Gips seine Abbindefähigkeit
ein.
- Putzgips entsteht bei Brenntemperaturen bis zu 800°C. Er stellt
ein Gemisch aus Halbhydrat, Halbanhydrit (Anhydrit mit einem
Restgehalt an Wasser) und Anhydrit dar.
- Der sogenannte Estrichgips entsteht beim Brennen in Schachtöfen
bei etwa 800-1000 oC. Er bindet mit Wasser angemacht nur sehr
langsam ab. Der Estrichgips weist im Gegensatz zum Stuckgips
hydraulische Eigenschaften auf und bleibt auch unter Wasser hart.
Der Stuckgips dagegen erweicht unter Wasser und zerbröckelt.
- Gips, welcher bei 1000-1200 0 C gebrannt wird, geht in
"totgebrannten Gipsll über, der sich wie natürlicher Anhydrit nur
sehr schwer mit Wasser umsetzt.
- Basischer Gips entsteht bei Temperaturen oberhalb von 1200 o C .
Durch thermische Zersetzung bildet sich aus dem Gips neben
Anhydrit noch CaO :
Das Calciumoxid wirkt auf den Anhydrit als Anreger, der bei diesem
Brennvorgang in einer langsam erstarrenden Modifikation entsteht.
Tabelle 8
von Gips
Chemische Bestandteile, Brenntemperaturen und Erhärtung
Gipssorte
Chem. Bestandteile
Stuckgips bzw.
IIgebrannter" Gips
wasserfreier Stuckgips
Putzgips
"totgebrannter"
Gips
"basischer"
Gips
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CaS04
Brenntemperatur
Erhärtung
120-190°C
rasch
190-200 oC
kaum abbindefähig
bis 800°C
rasch
1000-1200 oC
kaum abbindefähig
rasch, CaO
als Anreger
21
ERHÄRTUNG UND VERWENDUNG DES GIPSES
Gips erhärtet, indem er aus dem Anmachwasser das Kristallwasser,
das beim Brennen ausgetrieben wurde wieder aufnimmt. Zum
ungestorten Ablauf der Erhärtung mus sen alle Teilchen des
feingemahlenen Gipses beim Anmachen mit Wasser in Beruhrung
kommen, Klumpenbildung muß vermieden werden. Deshalb sollte Gips
in Wasser eingestreut werden und nicht umgekehrt. Alte Gipsreste
im Anmachgefäß wirken als Kristallisationskeime und verkurzen die
Verarbeitungszeit.
Die Kristallisation von Gips durch Aufnahme des beim Brennens
ausgetriebenen Kristallwassers ist ein exothermer Vorgang.
VERSUCH 9: Nachweis von Kristallwasser in Gips
Geräte: schwerschmelzbares Reagenzglas, Glaswolle, Pinzette,
Brenner
Chemikalien: CoCI2, Marienglas (=Gips)
Durchführung:Zunächst stellt man Cobalt(II)-Papier zum
Wassernachweis her. Dazu löst man viel Cobalt(II)chlorid in wenig
Wasser auf und tränkt Filterpapier damit. Dieses trocknet man im
Trockenschrank bis die blaue Farbe des CoCl2 durchgehend auf dem
Filterpapier auftritt.
Nun bringt man Gips in das Reagenzglas ein, verschließt dieses
oben mit etwas Glaswolle, damit das entstehende Wasser nicht
verdunstet sondern kondensiert und erhitzt das Ganze kräftig. Das
ausgetriebene Wasser kann man dann nach entfernen des
Glaswollepropfens mit einem Stück des blauen Cobalt(II)-Papiers
vom Rand des Reagenzglases aufwischen (Pinzette benutzen). Es
tritt eine Rosafärbung des Hexaaquacobalt(II)chlorids auf.
Die Reaktionsgleichungen der verschiedenen Gipssorten sehen
folgendermaßen aus:
a) Stuckgips
Der rasch versteifende Stuckgips wird für Stuckarbeiten (~Name),
zum Innenputz und zum werkmäßigen Herstellen von Gipsbauplatten
verwendet.
:,
b) Estrichgips
Estrichgips wird in Deutschland nicht mehr hergestellt.
c)
Putzgips
Der Putzgips erhärtet wie ein Gemisch von Stuckgips und
Estrichgips. Er versteift zwar noch schneller als Stuckgips, kann
aber deutlich länger verarbeitet werden. Deshalb verwendet man ihn
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22
für Innenputze (mit oder ohne Zuschläge), die anschließend
abgerieben werden müssen (Erzeugen einer Struktur im Gips) .
BESONDERHEITEN DES BAUSTOFFES GIPS
Gips ist chemisch neutral, d.h. er reagiert im Gegensatz zum
Zement und Baukalk nicht basisch. Daher ist für Eisen und Stahl
kein Rostschutz gegeben, die also bei Feuchtigkeit korrodieren.
Zudem ist die Löslichkeit von Gips in Wasser gegeben, wenn auch
nur sehr gering (etwa 2g/1). Dadurch bedingt kann der Gips an
nassen Stellen ausgewaschen werden oder beim Austrochnen immer
wieder auskristallisieren, was mit einer Volumenvergrößerung mit
anschließender Sprengwirkung verbunden ist. Daher darf Gips nur in
trockenen Räumen verwendet werden.
Neben den oben genannten Gipsen gibt es noch viele andere
Gipssorten wie Fertigputzgips, Haftputzgips, Maschinenputzgips,
Ansetzgips, Fugengips und Spachtelgips. Alle diese Sorten
beinhalten Zusätze wie Verzögerer, Beschleuniger, Plastifizierer
und Haftmittel. Neben diesen Zusätzen, die die Eigenschaften des
Gipses für bestimmte Verwendungszwecke verändern, können auch noch
Füllstoffe wie Sand und Perlite zugemischt sein.
Chemie in der Schule: www.chids.de
Literatur
Verein Deutscher Zementwerke: Zement-Taschenbuch, 48.Ausgabe
(1984)
Roland Peter: Herstellung von Gasbeton mit schulgemäßen Mitteln;
Praxis der Naturwissenschaften 37.Jahrgang 1988, 8.42
Stapf/Rossa: Chemische Schulversuche Band 1,S.137/138 ,Verlag
Berlin 1972
Bukatsch/Glöckner: Experimentelle 8chulchemie Band: Analytische
Chemie Teil 11, Aulis Verlag Deubner&Co KG 1971Hans Backe:
Wirkstoffkunde für die Bauindustrie, 14. Auflage 1977, VEB Verlag
Berlin
G. Lindemann: Bauen mit DIN-Normen, Teubner Verlag 1986
Lothar Müller: Portlandzement, Chemie in unserer Zeit, 7.Jahrg.
1973, 8.19
Basalla: Baupraktische Betontechnologie, 3.Auflage Bauverlag,
Wiesbaden 1971
Gerhard 8tehno: Baustoffe und Baustoffprüfung, Springer Verlag
1981
Wilhelm Scholz: Baustoffkenntnis, 12.Auflage 1991, Werner Verlag
Fritz 8cheidegger: Aus der Geschichte der Bautechnik, Band 1:
Grundlagen, Birkhäuser-Verlag 1990
Zement Merkblätter herausgegeben vom Bundesverband der Deutschen
Zementindustrie e.V., Köln: 1. Zementarten und Festigkeitsklassen,
2. Herstellen von Zement
Wesehe: Baustoffe (2.) Band 2 Beton, Wiesbaden, Bauverlag 1981
1"
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