2 Chemie der anorganischen Baustoffe Baustoffe Werkstoffe zur Errichtung von Bauwerken Anorganische Baustoffe - 85 % Anteil Baustoffe aus anorganischen Rohstoffen Metallische Baustoffe - 10 % Anteil Baumetalle und ihre Legierungen Organische Baustoffe - 5 % Anteil Baustoffe auf Basis (hochmolekularer) Kohlenstoffverbindungen 2.1 Silikatische Roh- und Baustoffe Silicate und Siliciumdioxid (SiO2) zu etwa 90 % in der Erdkruste enthalten Kontinentale Kruste J SiAl 30 - 40 km Ozeanische Kruste J SiMa 5 - 8 km Wichtigste Elemente 47 % O, 28 % Si, 8 % Al sowie Fe, Ca, Na, K, Mg Verwendung als Gesteinsbaustoffe J Festgesteine (Sandstein) J Lockergesteine (Sand) Rohstoffbasis für technische Silicate J Bindemittel J keramische Baustoffe J Bauglas J Hochofenschlacke (Hüttensand) Minerale und Gesteine - Übersicht Minerale in der Erdkruste gebildet chemisch und physikalisch einheitlich meist in kristalliner Form ca. 4600 Minerale (Elemente und Verbindungen) bekannt, nur 40 mit großer Häufigkeit (Gesteinsbildner) Gesteine Gesteine (Naturstein) sind heterogene Gemenge von Einzelbausteinen, den Mineralen räumliche Anordnung bzw. Verteilung der Minerale J Textur des Gesteins Granit besteht aus Kristallen von Kalifeldspat (rosa bis gelb) Quarz (farblos transparent) Kalknatronfeldspat (weiß bis grau) Glimmer (schwarz) Einteilung der Stoffe Stoffe Heterogene Gemische Homogene Stoffe Homogene Gemische Reine Stoffe Verbindungen Anwendung von Trennverfahren Elemente Ein Element ist ein Stoff, der chemisch nicht weiter zerlegt werden kann. Jedes Element hat einen Namen und ein chemisches Symbol. Verbindungen sind Stoffe, die aus verschiedenen Elementen in definierter Zusammensetzung bestehen. Elemente und Verbindungen sind reine Stoffe. Gemische bestehen aus mehreren reinen Stoffen in wechselndem Mengenverhältnis. Homogene durchweg Gemische einheitlich. erscheinen Heterogene Gemische bestehen aus unterschiedlichen Phasen, zwischen denen es (mikroskopisch) erkennbare Grenzflächen (Phasengrenzen) gibt. Einteilung der Minerale nach ihrer chemischen Zusammensetzung Klasse Beispiele I Elemente Schwefel, Kupfer, Diamant II Sulfide III Halogenide Flussspat CaF2, Sylvin KCl IV Oxide und Hydroxide Quarz SiO2, Korund Al2O3, Hämatit Fe2O3 V Carbonate Kalkspat CaCO3, Dolomit CaMg(CO3)2 VI Sulfate Gips CaSO4 ⋅ 2 H2O, Schwerspat BaSO4 VII Phosphate Phosphorit Ca3(PO4)2, Hydroxylapatit Ca5(PO4)3(OH), Fluorapatit Ca5(PO4)3F VIII Silicate Feldspäte Kiese Glanze Blenden Klasse 1 - 7: Nichtsilicate ≈ 8 % der Erdkruste Magnetkies FeS Bleiglanz PbS Zinkblende ZnS Klasse 8: Silicate ≈ 92 % der Erdkruste Einteilung der Gesteine Gesteine Magmatische Gesteine Sedimentgesteine metamorphe Gesteine Verfestigung von Magma Verwitterung, Transport und Verfestigung 1) Umkristallisation unter Druck und Temperatur Tiefengestein J Granit klastische Sedimente J Sandstein Ganggestein J Granitporphyr chemische Sedimente J Kalkstein, Gips Verfestigung von Lava Ergussgestein J Rhyolit J Schiefer, Marmor biogene Sedimente J Kreide, Muschelkalk 1) Verdichtung sowie Zementation (Versteinerung) durch Bindemittel (Kieselsäure, Kalk, Ton) Gestein Gesteinsverwitterung, Verwitterungsprodukte und Baustoffe Urgestein Granit Baustoffe Verwitterungsprodukte Minerale Quarz SiO2 Sand, Kies Lehm SiO2 Betonzuschlag Glas Glimmer Feldspat Al2O3 ⋅ 2 SiO2 (aq) CaO Ton Na2O, K2O Mergel Al2O3 ⋅ 2 SiO2 (aq) Ziegel Klinker Steinzeug Zement Boden, Meer CO2 SO3 Kalkstein Gipsstein CaCO3 CaSO4 (aq) Kalk Gips • Siliciumdioxid, Kieselsäuren, Silicate Der metastabile Zustand Siliciumdioxid - SiO2 kristalline Formen mit regelmäßiger Struktur bis bis bis bis 573 °C 870 °C 1470 °C 1713 °C - α-Quarz β-Quarz Tridymit Cristobalit sehr hart, transparent, z. T. gefärbt labil metastabil nahezu unlöslich in Wasser Volumenzunahme in feuerfesten Baustoffen bei hohen Quarzgehalten möglich amorphe Formen ohne geordnete Struktur geringfügig wasserlöslich - Opal - Kieselgur - Trass stabil Kieselsäuren Monokieselsäure (Orthokieselsäure) SiO2 + 2 H2O fest H4SiO4 bzw. Si(OH)4 gelöst OH HO Si OH OH Löslichkeit von SiO2 (Quarz) ≈ 2,9 mg/L SiO2 = 5 ⋅ 10-5 mol/L H4SiO4 Löslichkeit von SiO2 (amorph) ≈ 120 mg/L SiO2 = 2 ⋅ 10-3 mol/L H4SiO4 Monomere Orthokieselsäure ist nur in geringer Konzentration ≤ 2 ⋅ 10-3 mol/L H4SiO4 beständig. Sie ist eine schwache Säure und liegt in neutraler Lösung nahezu unprotolysiert vor. Berechnen Sie den pH-Wert einer Lösung von Orthokieselsäure der Konzentration 2 ⋅ 10-3 mol/L! + H2O H3SiO4- + H3O+ pKS1 = 9,51 H3SiO4- + H2O H2SiO42- + H3O+ pKS2 = 11,74 H4SiO4 Kondensation intermolekulare Wasserabspaltung abhängig von Konzentration, Temperatur, pH-Wert OH HO Si OH OH + HO OH Si OH - H2O OH HO OH Orthokieselsäure ⋅⋅⋅ O Si OH Si OH O Si OH Orthodikieselsäure OH OH O O OH Orthokieselsäure OH Si OH Si OH OH O Si O ⋅⋅⋅ OH Polymetakieselsäure (H2SiO3)n Kieselsol Kieselgel (amorphes SiO2) OH Verknüpfungsmöglichkeiten von Kieselsäure über O-Brücken OH HO Si O OH OH O Si O OH OH O Si O O O O Si O O Sol- und Gelzustand frei beweglich Kieselsol - Polykieselsäure, kolloid gelöst nicht frei beweglich Kieselgel - erstarrtes Sol, Raumnetz Silicagel (entwässertes Kieselgel) Thixotropie Einige Gele (z. B. Kieselgel, Zement-Wasser-Mischungen) lassen sich durch mechanische Beanspruchung wieder verflüssigen. Nachdem die mechanische Störung aufhört, verfestigen sie sich wieder zum Gel. Kolloiddisperse Kieselsäure als Thixotropierungsmittel Si Ruhezustand O O Si O O H Si H-Brücken H H Si O O O O O Si O O H Si O Schütteln, Rühren Si H Si O O O O O O Si O H O Si Silicate monomeres Orthosilicat Na+ Natrium- und Kaliumsilicat (Wassergläser) SiO2 + 4 NaOH O– 1300 °C J Na4SiO4 + 2 H2O SiO2 + 2 NaOH J Na2SiO3 + H2O SiO2 + 4 Na2CO3 J Na4SiO4 + CO2 SiO2 + 2 Na2CO3 J Na2SiO3 + CO2 - amorph, wasserlöslich - Leime, Kitte - Imprägniermittel Na O + Na O Si O - Flammschutzmittel O - Silicatfarben, -putze Na – O– polymeres Metasilicat + Na – O Si O O + O O– Na+ Na+ Na – – + Si – Na + Na – Na – O Si O – O + + Na O Si O O + – Na + – Si O O + – Na + Zusammensetzung von Wasserglas Allgemein: M2O · n SiO2 mit n = 1 … 4 Summenformel Name Struktur Charakteristik M4SiO4 Orthosilicat Inselsilicat momomer M2SiO3 Metasilicat Kettensilicat polymer M2Si2O5 - Schichtsilicat polymer M2Si4O9 Polysilicat ungeklärt polymer Erhärtung von Wasserglas Bildung von Kieselsäuregel CO2 + H2O H2CO3 K2SiO3 + H2CO3 J K2CO3 + SiO2 (aq) Bindemittel Bildung von Erdalkalisilicaten K2SiO3 + Ca2+ J CaSiO3 + 2 K+ Bindemittel - Zubereitung stark alkalisch! - Verkieselung - diffusionsoffen - witterungsstabil - algen- und schimmelwidrig Natürliche Silicate Verknüpfung/Struktureinheit Projektion Beispiel – O – O Si – O [SiO4]4-Tetraeder O– Grundbaustein der Silicate O– – O (Fe,Mg)2[SiO4] Olivin Zuordnung Inselsilicate FeO ⋅ MgO ⋅ SiO2 O– Si O Gruppensilicate Si O– O– O– [Si2O7]6Zwei verknüpfte SiO4-Tetraeder Ca2Mg[Si2O7] Akermanit (in Hüttensand) 2 CaO ⋅ MgO ⋅ 2 SiO2 Kettensilicate [SiO3]2- Ringsilicate [Si6O18]12- Mg[SiO3] Enstatit Al2Be3[Si6O18] Beryll Al2O3 ⋅ 3 BeO ⋅ 6 SiO2 MgO ⋅ SiO2 Bandsilicate (Doppelketten) [Si4O11]6- Ca2Mg5(OH)2[Si4O11]2 Tremolit (J Amphibole, Amphibolasbeste) 2 CaO ⋅ 5 MgO ⋅ 8 SiO2 ⋅ H2O Mg-Gehalt! Asbest Amphibolasbeste J Blauasbest, Braunasbest (Bandsilicate) Serpentinasbeste J Weißasbest (Schichtsilicat) Krokydolith (Blauasbest) Blauasbest in Spritzputz (Spritzasbest), 310 x - hitzebeständig (Brandschutz), säurebeständig - hohe thermische und elektrische Isolierfähigkeit - hohe Zugfestigkeit Asbestzement (10 - 15 %), Fasern fest gebunden Leichtbauplatten (15 - 60 %) Fasern schwach gebunden - gute Elastizität Spritzasbest (60 - 100 %) Fasern schwach gebunden - verspinnbar Asbestgewebe Schichtsilicate Al2O3 ⋅ 2 SiO2 ⋅ 2 H2O Al2(OH)4[Si2O5] Kaolinit (Tonminerale) [Si2O5]2- [AlSi3O10]5- (Alumosilicat, z. B. Glimmer) Silicate und Alumosilicate Silicat-Anionen Alumosilicat-Anionen SiO4-Tetraeder SiO4- und AlO4-Tetraeder O O Si O O O Si O O O O O Si ” Al O O O O Si4+-Ionen leicht durch ähnlich große Al3+Ionen ersetzbar AlO4- -Tetraeder mit negativer Ladung J je eine zusätzliche negative Schichtladung Glimmer [AlSi3O10]53 SiO4 -Tetraeder : 1 AlO4-Tetraeder Tonminerale Schichtstruktur, plättchenförmige Tonkristalle J Einbettung von Wasser zwischen die blättchenförmigen Tonkristalle J Plastizität und thixotropes Verhalten, z. T. Quellbarkeit Kaolinit im Gestein Kaolin (weiße Tonerde), chin.: gao lin - hoher Hügel wichtigstes Tonmineral, weiß, weich Schichtflächenabstand nicht variabel, nicht quellbar Anlagerung von Ionen und Wasser nur an Außen- und Bruchflächen Zweischichtsilicat Al2(OH)42+ -Einheiten Si2O52- -Einheiten, tetraederisch Struktur von Kaolinit - Al2(OH)4[Si2O5] ca. 0,7 nm Thermische Behandlung von Kaolinit (Henning, Knöfel, 2002) 400 °C 20 - 200 °C Abgabe von freiem Wasser, Trocknen der Rohmasse 200 - 450 °C Abgabe von adsorbierten Wasser Tonzersetzung, Bildung von Metakaolinit 600 °C 800 °C 450 - 600 °C Al2(OH)4[Si2O5] J Al2O2[Si2O5] + 2 H2O Al2O3 ⋅ 2 SiO2 ⋅ 2 H2O J Al2O3 ⋅ 2 SiO2 + 2 H2O 600 - 950 °C Zersetzung von Metakaolinit, reaktionsfähige Oxidmischung Verfestigung Al2O3 ⋅ 2 SiO2 J Al2O3 + 2 SiO2 1000 °C Sintern 1000 - 1500 °C 1200 °C Schmelzen Bildung von kristallinem Mullit (Alumosilicat) / Cristobalit / Glasphase 3 Al2O3 + 6 SiO2 J 3 Al2O3 ⋅ 2 SiO2 + 4 SiO2 Wasserverlust 200 °C Vorgang Poren Temperatur Tonkeramische Erzeugnisse (technische Silicate) Struktur des Scherbens Brenntemperatur Irdengut (Tongut) poröser Scherben farbiges Irdengut 900 - 1000 °C Mahlfeinheit der Rohstoffe Grobkeramik Mauerziegel Dachziegel Steingut 1100 - 1300 °C Sinterzeug (Tonzeug) dichter Scherben Steinzeug 1200 - 1300 °C Steingutfliesen Steingutgeschirr Klinker Porzellan 1200 - 1500 °C feuerfeste Steine 1300 - 1800 °C Feinkeramik Steinzeugfliesen Sanitärartikel (reine weiße Tone!) Steine, Formstücke Montmorillonit von Montmorrillon - Ort in Frankreich stark quellfähiges Tonmineral, weiß wässrige Suspension mit ausgeprägt thixotropen Verhalten Schichtflächenabstand variabel durch Einbau von Wasser, gut quellbar, dann geringe Wasserdurchlässigkeit Einlagerung von Ionen und Wasser auch zwischen den Schichten Dreischichtsilicat Si2O52- -Einheiten, tetraederisch 1 - 1,8 nm “ “ “ “ “ “ Al-Mg-OH - Einheiten Si2O52- -Einheiten, tetraederisch “ H2O “ H2O Struktur schematisch “ H2O Bentonit Natürlicher Rohstoff aus verschiedenen Tonmineralien, Hauptbestandteil (60 80 %) Montmorrilonit, innere Oberfläche von 400 - 600 m2/g! Wasseraufnahmefähigkeit von Natriumbentonit = 700 % Schlitzwandsuspension Einfüllung einer Bentonit-Wasser-Suspension als Stützflüssigkeit beim Ausheben von Schlitzwänden (50 - 120 cm) dichtende und/oder tragende Funktion bei der Absicherung von Baugruben und Deponien, Grundwasserabsenkung in Tagebauen Bentonitmatten Abdichtungsfunktion (Wasser, Schadstoffe) im Erdbau Gleitmittel im Rohr- und Tunnelbau Gerüstsilicate ausschließlich Alumosilicate (Si/Al : O = 1 : 2) Feldspäte [AlSi3O8]-, [Al2Si2O8]2- Zeolithe [AlSi2O6]2-, [Al2Si3O10]2wasserhaltig, "siedende Steine" , (griech. zeo - ich siede, lithos - stein) SiO4- und AlO4-Tetraeder über alle 4 Ecken verknüpft, dreidimensionale Struktur zusätzliche Kationen (Na+, K+, Ca2+) für den Ladungsausgleich Feldspat K[AlSi3O8] Orthoklas (Kalifeldspat) Zeolithe Na2[Al2Si3O10] ⋅ 2 H2O Natrolith (natürlicher Zeolith) Na12[Al12Si12O48] ⋅ 27 H2O Zeolith A (synthetisch) Zuordnung der Summenformeln Feldspat K[AlSi3O8] ⋅2 J Zeolithe Na2[Al2Si3O10] ⋅ 2 H2O J Na12[Al12Si12O48] ⋅ 27 H2O J Wasserenthärtung durch Ionenaustausch Zeolith A Ca6(Zeolith) + 12 Na+ 6 Ca2+ + Na12(Zeolith) O O O Si O Na O O Al O Na ” + O Al O ” O O O Si O O Ca Al ” O 2+ + Ca + O Si O + – 2 Na O O Al O ” 2+ O O Si O O Quarz - der Kreis schließt sich Raumnetzstruktur [SiO2] SiO4-Tetraeder, über alle 4 Ecken verknüpft Quarz Tridymit Cristobalit ρ = 2,66 g/cm3 ρ = 2,30 g/cm3 ρ = 2,33 g/cm3 Glas Quarzglas (SiO2) UV-durchlässig, thermisch stabil Anorganisches Schmelzprodukt, das ohne Kristallisation erstarrt ist (technisches Silicat) J aufgrund der hohen Viskosität der Schmelze geringe Beweglichkeit der Baugruppen, keine Kristallisation eingefrorene, unterkühlte Schmelze J glasig - amorph erstarrende Oxide: SiO2, GeO2 / B2O3, Al2O3 / P2O5, As2O3 Ausbildung eines ungeordneten dreidimensionalen Netzwerkes J Netzwerkbildner J mit Metalloxiden (Na2O, K2O, CaO) entstehen Silicatgläser, Netzwerk wird unter Ausbildung von Trennstellen gesprengt J Netzwerkwandler Natron-Kalk-Glas (Na2O ⋅ CaO ⋅ 6 SiO2) lichtdurchlässig, wasserbeständig Schematische, zweidimensionale Darstellung der SiO4-Tetraeder > 2000 °C Quarzglas Quarz Quarzsand, Soda, Kalkstein bei 1200 °C Na2O + Si Natron-Kalk-Glas Si O ” “ O Na + Si “ ” Na O Si Weitere Glassorten Bor-Tonerde-Gläser tw. Ersatz von SiO2 durch B2O3 und Al2O3 (Borosilicatglas) erhöhte Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit (Säuren, Laugen), mechanische Festigkeit, Herstellung von Glasfasern Kali-Kalk-Glas K2O anstelle Na2O Verbesserung der optischen Eigenschaften (Brillanz), bleifreies "Böhmisches Kristallglas" Wärmedämmglas gefüllt mit Ar, Kr Brandschutzglas mit aufschäumender Brandschutzschicht bei Hitzeeinwirkung (ab 120 °C) Na2SiO3(aq), Verdampfen des gebundenen Wassers Glaskorrosion Trübung durch oberflächliche Bewitterung (Gelschichtbildung), (weiches) Wasser, Säuren, Basen