II.I - IMN/HTWK

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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
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