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Wiener Baustofflehre Bltter
Naturwissenschaftliche Grundlagen zur Baustofflehre
E. Blcskey
H. Bruckner
J. Haerdtl
W. Stllinger
E. Thelesklav
Schriftenreihe des Instituts fr Hochbau und Technologie,
Forschungsbereich fr Baustofflehre, Werkstofftechnik und
Brandsicherheit
Technische Universitt Wien 2014
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Herausgeber
a.O.Univ.Prof. Baurat h.c., Dipl. Ing. DDr. E. Blcskey,
Ass. Prof. Dipl. Ing. Dr. H. Bruckner
2. Auflage 2014
Copyright: TU Wien, Institut 206 - 1
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4
Vorwort
Die Schriftenreihe "Wiener Baustofflehre Bltter" dient der
Grundausbildung von Architektur- und Bauingenieurstudenten und
-studentinnen. Sie ist abgestimmt auf den
Vorlesungsstoff der Baustofflehrevorlesungen und -bungen an der
TU Wien und setzt die Kenntnisse
des Lehrplans der AHS voraus.
Das Baustofflehre/Werkstoffkunde-Studium hat sich in den letzten
Jahren grundstzlich gendert. Die
kompakte Bachelor-Ingenieur-Ausbildung verlangt auch ein
intensives Selbststudium, da
Grundlagenkenntnisse und gewisse fachbergreifende
(werkstoff-wissenschaftliche) Zusammenhnge
in den (spezialisierten) Fachgegenstnden vorausgesetzt
werden.
Der wachsenden Bedeutung neuer Normvorschriften, Richtlinien und
Prfmethoden, neuartiger
Technologien (z.B. Mikrohrteprfung, bauteilsimulierende
Versuche, bruchmechanische
Werkstoffkennwerte und Grundlagen usw.) wurde ebenfalls durch
die Aktualisierung/Neubearbeitung
einiger Kapitel Rechnung getragen.
Aufgrund des geringen Stundenumfangs beschrnken sich die Bltter
inhaltlich auf die wichtigsten
Baustoffe aus den groen Baustoffgruppen sowie die jeweils
notwendigen Grundbegriffe und wichtige
Praxiserfahrungen. Die wissenschaftliche Durchdringung der
Materie ist nur begrenzt mglich
gewesen. Der bersichtlich wegen und zum besseren Verstndnis sind
aber auch Abschnitte, die
bereits Stoff der AHS sind, in den Skripten noch einmal
zusammengefasst.
Einige Baustoffe sind in der Schriftenreihe aus den gleichen
Grnden nicht behandelt, um die Qualitt
der Einzelbeitrge zu den gewhlten Themen nicht durch unzumutbare
Krzungen zu beeintrchtigen.
Neben den Baustoffen sind in der Schriftenreihe einige
Sondergebiete behandelt, welche fr die
Architektur- und Bauingenieurausbildung von Bedeutung sind.
Dieses betrifft u.a. die Bausanierung
und den Brandschutz.
Daneben ist die Baustofflehre-Schriftenreihe auch als eine Art
Nachschlagewerk bzw. Handbuch zur
experimentellen Begleitung zur Versuchsdurchfhrung bzw.
Laborttigkeit (z.B. im Rahmen einer
spteren Diplomarbeit) gedacht bzw. konzipiert.
Die Verfasser wnschen viel Erfolg beim Anwenden der
beschriebenen Werkstoffe und sind dankbar
fr inhaltliche Anregungen bzw. Hinweise, die einer Verbesserung
der Schriftenreihe zugute kommen
knnen.
Wien, August 2014 E. Blcskey, H. Bruckner Herausgeber
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Vorwort 4
1 EINLEITUNG 10
1.1 Lehre und Forschung in der Baustofflehre 10
1.2 Geschichtliche Entwicklung 11
1.3 Die Rolle der Werkstoffe beim Planen und Bauen - Bemessung
17 1.3.1 Planen und Bauen 17 1.3.2 Bemessen 19
1.4 Arbeitsbehelfe im Bauwesen 20 1.4.1 Normen 20 1.4.2
Richtlinien von Interessensgemeinschaften 21 1.4.3 Gesetzliche
Vorschriften Bauordnungen 22 1.4.4 EU-Recht 22 1.4.5
Materialdatenbltter 23
2 BERBLICK BER DIE WICHTIGSTEN BAUSTOFFE, BEGRIFFE UND
DEFINITIONEN 26
2.1 Stahl 26
2.2 Holz und Holzwerkstoffe 27 2.2.1 Massivholz 27 2.2.2
Holzwerkstoffe und Plattenwerkstoffe 27
2.3 Keramik 28
2.4 Glas 29
2.5 Bindemittel 30 2.5.1 Kalk 30 2.5.2 Gips 31 2.5.3 Zement
32
2.6 Mit Bindemittel gebundene mineralische Baustoffe 33 2.6.1
Beton 33 2.6.2 Industriell hergestellte Mauersteine 35 2.6.3
Mauermrtel 35 2.6.4 Putzmrtel 36 2.6.5 Estrichmrtel 36
-
6
2.7 Kunststoffe/Polymerwerkstoffe 37
2.8 Dmmstoffe 39 2.8.1 Mineralische Dmmstoffe 39 2.8.2 Dmmstoffe
aus Kunststoffen 40 2.8.3 Dmmstoffe aus organischen natrlichen
Rohstoffen 40
2.9 Wichtige Begriffe 41
3 CHEMIE UND PHYSIK DER STOFFE 44
3.1 Die Stoffe 44 3.1.1 Reinstoffe 45 3.1.2 Gemische 45
3.1.2.1 Homogene Gemische 45 3.1.2.2 Heterogene Gemische 47
3.2 Aggregatzustnde und Phasen 49 3.2.1 Allgemeines 49
3.2.1.1 Die Aggregatzustnde 49 3.2.1.2 Phasen und
Phasendiagramme 50
3.2.2 Feststoffe feste Phase 52 3.2.2.1 Typen von Feststoffen 52
3.2.2.2 Bindungsorientierung, Strukturtypen 53
3.2.3 bergang von Feststoffen zu Fluiden 55 3.2.3.1 Mesomorphe
Stoffe 55 3.2.3.2 Elastoviskose und viskoelastische Stoffe, Fluide
56 3.2.3.3 Nicht-Newtonsche Fluide 57
3.2.4 Flssigkeiten 57 3.2.4.1 Viskositt 58 3.2.4.2
Oberflchenspannung 60 3.2.4.3 Benetzung 61 3.2.4.4 Kapillaritt
62
3.2.5 Gase 64
3.3 Wichtige chemische Stoffeigenschaften 65
3.4 Vernderung der Stoffeigenschaften 67
4 PHYSIKALISCH TECHNISCHE EIGENSCHAFTEN 69
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7
4.1 Grundbegriffe und Einheiten: Masse, Kraft, Spannung, Dichte
69 4.1.1 Masse, Kraft 69 4.1.2 Spannung 70 4.1.3 Dichte 71
4.2 Festigkeit ertragbare Beanspruchung (Spannung) 72 4.2.1
Beanspruchungsarten 72 4.2.2 Festigkeitsverhalten 74
4.3 Verformungsverhalten 75 4.3.1 Lngs- und Querdehnung -
Lngennderung 75 4.3.2 Elastizitt Hooksches Gesetz 77
4.4 Kurzzeitfestigkeiten 80 4.4.1 Definition 80 4.4.2
Zugfestigkeit 81
4.4.2.1 Der Zugversuch 81 4.4.2.2 Reilnge 83 4.4.2.3 Ermittlung
der Zugfestigkeit mit dem Spaltzugversuch 83
4.4.3 Druckfestigkeit 84 4.4.4 Biegefestigkeit 86 4.4.5 Andere
Arten der Kurzzeitfestigkeit 88
4.4.5.1 Scherfestigkeit 88 4.4.5.2 Haftzugfestigkeit 88
4.4.6 Festigkeiten und Elastizittsmodule einiger Werkstoffe
89
4.5 Langzeitfestigkeit von Werkstoffen 90 4.5.1
Dauerstandfestigkeit 90 4.5.2 Dauerschwingfestigkeit 90
4.6 Zeitabhngiges Verhalten von Werkstoffen unter stationrer
Belastung 91 4.6.1 Kriechen 91 4.6.2 Relaxation 93
4.7 Wichtige statische Kennwerte gebruchlicher Baustoffe 94
4.8 Wrmetechnische Eigenschaften 94 4.8.1 Thermodynamische
Grundlagen 94 4.8.2 Wrmedehnverhalten 95 4.8.3 bersicht ber
wrmetechnische Gren und die Arten des Wrmetransportes 97
4.8.3.1 Wrmebertragung durch Konvektion 98 4.8.3.2
Wrmebertragung durch Strahlung 98
-
8
4.8.3.3 Wrmeleitung 99 4.8.3.3.1 Die Wrmeleitzahl 99 4.8.3.3.2
Einflsse auf die Wrmeleitzahl 100 4.8.3.3.3 Wrmeleitung im
instationren Zustand 101
4.8.4 Spezifische Wrmekapazitt und Wrmespeicherfhigkeit 104
4.9 Feuchtetechnische Eigenschaften 105 4.9.1 Allgemeines ber
das Wasser 105 4.9.2 Bautechnische Bedeutung, Gren und Einheiten
106 4.9.3 Feuchtigkeitsbestimmung 107
4.9.3.1 Feuchtigkeitsbestimmung, Ausgleichsfeuchte, Sorption 107
4.9.3.2 Gleichgewichtsfeuchte und Sorptionsvermgen 108
4.9.4 Feuchtetransport 109 4.9.4.1 Der Luftdruck, relative und
absolute Luftfeuchtigkeit Ursachen fr das Dampfdruckgeflle 110
4.9.4.2 Die Wasserdampfdiffusion 112 4.9.4.3 Kapillare Leitung von
Wasser 114 4.9.4.4 Austrocknung kapillarporser Stoffe 117
4.9.5 Feuchtedehnungen 119 4.9.6 Kombinierte Belastung Wrme und
Feuchte Frost-widerstandsfhigkeit 120
4.10 Schalltechnische Eigenschaften der Baustoffe 121 4.10.1
Grundlagen der Akustik 121 4.10.2 Akustik im Bauwesen 123
4.10.2.1 Luftschallschutz 123 4.10.2.2 Krperschallschutz
(Trittschallschutz) 125 4.10.2.3 Raumakustik 126
4.11 Optische Eigenschaften 128 4.11.1 Grundlagen 128 4.11.2
Verhalten der Lichtstrahlung 129 4.11.3 Weitere optische Kennwerte
131
5 DIE ZERSTRUNG DER MATERIALIEN 133
5.1 Bruchmechanik 133 5.1.1 Bruchverhalten von Werkstoffen 133
5.1.2 Rissbildung bruchmechanisch betrachtet 134
5.2 Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen 139 5.2.1
Brandentstehung und Brandverlauf 139 5.2.2 Brandschutz 140
-
9
5.2.3 Brandverhalten (Temperaturverhalten) von Baustoffen 141
5.2.4 Klassifizierung des Brandverhaltens von Baustoffen und
Bauteilen Brandverhalten von Bauprodukten 142
5.2.4.1 Klassifizierung von Baustoffen 142 5.2.4.2
Klassifizierung von Bauteilen - Anforderungen an den
Brandwiderstand von Bauteilen - Feuerwiderstand von Bauprodukten
144
6 BETRACHTUNGEN ZUR NACHHALTIGKEIT VON BAUSTOFFEN 147
6.1 Begriffe 147 6.1.1 Nachhaltigkeit 147 6.1.2
Kreislaufwirtschaft 147
6.2 kologische Bewertung von Werkstoffen 148
7 GRUNDLAGEN DER HERSTELLUNG VON BAUSTOFFEN 150
7.1 Grundstoffe 150
7.2 Verarbeitungsschritte 151 7.2.1 Zerkleinern 151 7.2.2
Homogenisieren 152 7.2.3 Mischen 152 7.2.4 Formgebung Extruder,
Pressen 153 7.2.5 Thermische Prozesse 154
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10
1 Einleitung
1.1 Lehre und Forschung in der Baustofflehre Baustoffe, das heit
Materialien, Werkstoffe, die zur Errichtung von Bauwerken
eingesetzt werden sind das Thema der Baustofflehre.
Baustoffe kann man nach verschiedenen Kriterien einteilen. Es
gibt anorganische Baustoffe, wie z.B.
Natursteine, Beton, Glas und Stahl, und organische Baustoffe,
wie z.B. Holz, Bitumen und
Kunststoffe. Man kann Baustoffe auch nach deren
Entstehungsprozess einteilen: in natrliche
Baustoffe (Holz, Lehm, etc.) und knstliche Baustoffe
(Kunststoffe, Stahl, etc.), welche durch
Bearbeitung/Umwandlung in einem industriellen Prozess erzeugt
wurden. Baustoffe kann man weiters
nach deren Funktion unterscheiden: soll der jeweilige Baustoff
das Bauwerk tragen, dmmen, einen
Raumabschluss bilden? Es gibt noch eine Reihe weitere
Unterscheidungsmglichkeiten, wie z.B.
Dichte, Struktur, Zusammensetzung, mechanische und andere
Eigenschaften, wie etwa die
Brennbarkeit.
Warum ist die Baustofflehre fr den Bauingenieur und den
Architekten von Bedeutung? Ziel ist es,
unter zweckmigem Materialeinsatz standsichere, funktionierende
und on der Regel auch dauerhafte
Bauten zu errichten, die auf lngere Sicht hin frei von Schden
bleiben. Hier geht es neben der kurz-,
mittel- und langfristigen Wirtschaftlichkeit des
Materialeinsatzes und der Materialwahl auch um die
Sicherheit des Menschen. Um Baustoffe richtig einsetzen zu
knnen, ist es wichtig, ber deren
Eigenschaften, Vor- und Nachteile sowie Besonderheiten, Bescheid
zu wissen. Auch das
durchdachteste Bauwerk kann nicht ohne Material gebaut oder
geplant werden. Schon bei der
Planung bzw. Konstruktion sind die besonderen Eigenschaften des
gewhlten Materials mit
einzubeziehen.
Inhalt der Baustofflehre ist die Beschreibung der im Bauwesen
eingesetzten Materialien: dazu gehren die Technologien zur
Herstellung bzw. Gewinnung, sowie deren physikalische,
chemische
und umweltrelevanten Eigenschaften.
Verwendet der Bauingenieur/Architekt Materialien, kann er bei
seiner Planung auf die durch die
Baustofflehre ermittelten und beschriebenen Kennwerte
zurckgreifen. Aufgrund seiner Kenntnisse
der Baustofflehre kann er die fr eine bestimmte Anwendung
optimale Baustoffauswahl treffen, die
Lebensdauer von Bauwerken erhhen, die Prinzipien der
Nachhaltigkeit bei der Ressourcennutzung
einhalten und Bauschden, die durch falsche Baustoffwahl
auftreten, vermeiden.
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11
1.2 Geschichtliche Entwicklung Die kulturelle und technische
Entwicklung der Menschheit ist stark mit der Entwicklung der Werk-
und
Baustoffe verbunden. Die Bezeichnung von Epochen, wie Steinzeit,
Bronzezeit und Eisenzeit, weist
auf diese Entwicklung hin, und lsst erkennen, welche bestimmende
Rolle das jeweilige Material fr
Kult, Kunst und Handwerk gespielt haben muss. Wie in Tabelle
(Tabelle 1-1) ersichtlich, verwendete
der Mensch anfnglich in der Natur vorkommende Materialien, wie
Naturstein, Lehm und Holz, und auch Knochen und Tierfelle. Er
setzte dabei vor allem jene Materialien ein, die rtlich
vorhanden
waren oder benutzte natrlich vorhandene Rume, wie etwa Hhlen.
Durch Gewinnung an Erfahrung
und Weiterentwicklung von Werkzeugen entwickelten sich der
Stein- und Holzbau weiter. Fr den Einsatz von Lehm war die
"Erfindung" des Brennens sehr bedeutend; dadurch konnten festere
und witterungsbestndigere Baumaterialien keramische Baustoffe wie
z.B. Ziegel hergestellt werden.
Merke:
Die wichtigsten Aufgabengebiete der Baustofflehre sind:
Die Beschreibung der physikalischen (technischen) und chemischen
Eigenschaften wie z.B. Festigkeit bzw. Beanspruchbarkeit, das
Verformungsverhalten, das Verhalten bei Feuchte und bei
Temperatureinwirkung. Dazu ist erforderlich:
Die experimentelle Ermittlung der Baustoffkennwerte durch
Baustoffprfung, wie dies etwa im Labor des Institutes an Hand von
Materialproben erfolgt.
Die mathematische Beschreibung bzw. "Modellierung" der
Baustoffeigenschaften mit Baustoffkennwerten bzw.
charakteristischen/relevanten Baustoffkenngren.
Die Festlegung von Versuchen, welche die Baustoffeigenschaften
reproduzierbar beschreiben.
Die Erfassung der Struktur (also dem Aufbau/Gefge) der
Baustoffe, um die Zusammenhnge zwischen der Baustoffstruktur und
den physikalischen und chemischen Eigenschaften zu erklren
(dies ist eine wichtige Voraussetzung fr die Weiterentwicklung
von Baustoffen). Die Erfassung des
Gefges geschieht durch:
Physikalische Analysen bzw. Strukturanalysen und
Chemische Analysen von Werkstoffen.
Aufbauend darauf werden die physikalischen und chemischen
Eigenschaften der Werkstoffe, die die
Gebrauchsfhigkeit/Gebrauchstauglichkeit, Dauerhaftigkeit u.a.
beeinflussen, praxisgerecht
beschrieben.
-
12
Tabelle 1-1 Epochen der Erde
Stei
nzei
t (P
alo
lithi
kum
)
600
000
8
000
v. C
hr.
Naturstein und Lehm sind die archaischen Bau- und Werkstoffe
schlechthin. In der Steinzeit diente Stein ab ca. 200 000 Jahre v.
Chr. als Baustoff fr Behausungen und als Werkstoff zur Herstelung
von Werkzeugen. Holz als Baustoff ist so alt wie die Ur-htte des
Menschen. An der franzsischen Riviera sind Spuren einer vor 400.000
Jahren (Altsteinzeit) errichteten Htte aus sten gefunden worden
(links)1:
In der jngeren Altsteinzeit waren die Behausungen, die
Rundzelte, bereits so "modern", dass deren "Auenhaut" zweischichtig
war und aus einem Innenzelt aus Fell und einem Auenzelt aus
Tierhuten bestanden. Durch diese Kombination und speziell durch die
Felle im Innenbereich, die als luftgefllte Zwischenpolster
funktionierten, konnte die Wrme bereits viel besser gespeichert
werden (rechts)2. Die erste Herstellung und Verwendung von Keramik
ist bei rd. 10 000 bis 20 000 v. Chr. anzusetzen.
Mitt
elst
einz
eit M
esol
ithik
um
8 50
0-5
500v
. Chr
.
Die Sesshaftigkeit nahm zu und die Bauten wurden stabiler. Die
erste Verhttung von Kupfer wurde ca. 8 000 v. Chr.
vorgenommen3.
1Bild:
http://www.steinzeitung.ch/index.php/leben-in-der-steinzeit/wohnen-in-der-steinzeit
- Htte eines Homo erectus www.musee-terra-amata.org 2Bild:
http://www.steinzeitung.ch/index.php/leben-in-der-steinzeit/wohnen-in-der-steinzeit
- Altsteinzeitliches Tipi mit Rentierfellen. Rekonstruktion von Max
Zurbuchen fr das Museum Burghalde in Lenzburg 3
http://www.n-tv.de/wissen/fundsache/7500-Jahre-alte-Werkzeuge-article515581.html
(letzter Zugriff 6.8.2014)
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13
Jung
stei
nzei
t Neo
lithi
kum
5 50
0-1
800
v. C
hr.
Aus der Jungsteinzeit ist das Langhaus (links) bekannt4: Im
Alpenraum wurden an Seeufern Pfahlbauten (rechts) errichtet5:
In atalhyk, in der heutigen Trkei, wurden Gebude (die ber eine
Dachluke zu betreten waren) aus Lehmziegeln und Holzgerippe
errichtet. Um 4 000 v. Chr. wurden in frhen Hochkulturen, wie
gypten, Mesopotamien und Indien, erstmals (ca. 600C) gebrannte
Ziegeln fr den Hausbau verwendet. Durch das Brennen waren die
Ziegel wasserbestndig und die Gebude dadurch dauerhafter. Der
Mrtel, aus Lehm, Gips und Kalk, (Brenntemperatur ber 900C) sowie
die Glasuren wurden erfunden. Ab ca. 2 600 v.Chr. entstand im
pharaonischen gypten die Monumentalarchitektur. Die berhmte 146 m
hohe Cheopspyramide wurde um ca. 2 500 v.Chr. aus massiven
Steinblcken (insgesamt aus ca. 2,5 Millionen m Baumasse)
errichtet.6
Bron
zeze
it
1 80
0-80
0 v.
C
hr.
Der Mensch verstand bereits das Legieren7 von Bronze aus Kupfer
(>60%) und Zinn, bei einer Schmelztemperatur von ca. 1 000C.
Bronze brachte gegenber Zinn und gegenber Kupfer den Vorteil, nun
ein Metall mit hherer Hrte zur Verfgung zu haben.
4 Arch-Freil-Oerlinghausen-Langhaus von Grugerio - Eigenes Werk.
Lizenziert unter Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 ber
Wikimedia Commons -
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arch-Freil-Oerlinghausen-Langhaus.jpg#mediaviewer/Datei:Arch-Freil-Oerlinghausen-Langhaus.jpg
5 http://de.wikipedia.org/wiki/Jungsteinzeit 6 Hcker Christoph,
Architektur S. 12. 7 Legierungen (kommt von ligare also von
(ver)binden) sind Verbindungen oder Mischungen zweier oder mehrerer
Metalle. Messing zum Beispiel ist eine Legierung aus Kuper und
Zink.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:D-BW-Uhldingen-M%C3%BChlhofen_-_Pfahlbaumuseum_-_Haus_Schussenried.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e3/Kheops-Pyramid.jpg
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14
Eise
nzei
t
800-
50 v
. Chr
.
Die letzte Epoche der Urgeschichte war gekennzeichnet durch die
Verwendung von Eisen zur Herstellung von Waffen und Werkzeug;
Schmelztemperatur des Eisens: 1 538C Aus diesem Zeitabschnitt
stammt auch das berhmte Ischia-Tor in Babylon (605 - 563 v. Chr.),
das mit glasierten Ziegeln verkleidet wurde.
8
Rm
isch
e Ze
it
58 v
.Chr
. - 4
76 n
. Chr
.
In der Rmerzeit wurden Ziegel und Mrtel weiterentwickelt. Die
Rmer entwickelten das opus caementitium, auch als rmischer Beton
bekannt. Dieser bestand aus gebranntem Kalk, Wasser und Sand,
gemischt mit Ziegelmehl und Vulkanasche. Er zeichnete sich durch
eine hohe Druckfestigkeit aus und wurde unter anderem bei der
Errichtung von Aqudukten und des berhmten Pantheon in Rom (ca. 115
n. Chr.) verwendet.
Die bis ins 15 Jhdt. grte Kuppel in Westeuropa und auch noch
heute grte unbewehrte Kuppel der Welt des Pantheon war eine
Meisterleistung bestehend aus mehreren Betonsorten, die bewusst
jeweils an unterschiedlichen Stellen eingesetzt und bereits
nachverdichtet wurden. Auch die genaue Ausgestaltung war sehr
durchdacht, wie etwa die Einplanung einer 9m groe ffnung und die
Kassetten in der Kuppel, die beide zur Reduktion des Gewichts
dienen. Im rmischen Reich wurden auch Eisenwerkstoffe im Bauwesen
eingesetzt: so wurde z.B. bei den Pfeilerfundamenten einer rmischen
Brcke aus dem Jahr 100 n. Chr., Stahlschuhe eingesetzt, um die
Eichenstmme damit aufzunehmen. Des weiterem wurden eiserne Klammer
von den Rmern und den Griechen verwendet, um Natursteinblcke
miteinander zu verbinden.9
8 http://www.panoramio.com/photo/15832813. 9 Stark/Wicht,
Geschichte der Baustoffe S. 133.
-
15
Mittelalter und Neuzeit
Im Mittelalter (ca. 500 bis 1500 nach Chr.) wurden die
Baumaterialien im Allgemeinen nicht viel
weiterentwickelt; bereits zuvor bekannte Materialien waren in
Vergessenheit geraten. Allerdings gab
es als Besonderheit den mittelalterlichen Gipsmrtel und
-estrich, der sich durch eine
auergewhnliche Dauerhaftigkeit auszeichnete (teilweise hielt er
lnger dem Regenwasser stand als
Naturstein) und erst in den letzten Jahren wiederentdeckt
wurde.10
Bis ins 18. Jahrhundert diente Eisen so gut wie ausschlielich
als Verbindungsmaterial (etwa fr
Zugbnder, Klammern oder Ketten)11. Durch die Erfindung der
Dampfmaschine, eine der wichtigsten
Maschinen der industriellen Revolution, durch James Watt Mitte
des 18. Jahrhunderts (Wolfgang
Amadeus Mozart 1756 - 1791) wurde die Eisenproduktion
kostengnstiger. Daher kamen
Eisenprodukte seit dieser Zeit vermehrt zum Einsatz. Zunchst
wurde Gusseisen verwendet, vor allem
im Brckenbau12. Ende des 18. Jahrhunderts (als z.B. Franz
Schubert zur Welt kam) wurde das erste
Eisenbauwerk von Abraham Darby III 13, eine gueiserne
Bogenbrcke, errichtet, die ber den Severn bei Coalbrookdale ging
(Abbildung 1-1)14.
Abbildung 1-1 Brcke bei Coalbrookdale, Kristallpalast,
Eiffelturm
Die Konstruktionsweise dieser Brcke unterschied sich mit ihren
fnf parallel angeordneten,
halbkreisartigen Bindern, die rund 30 m berspannten, stark von
jener der damals erbauten
Holzbrcken. Die ersten gewalzten I-Trger wurden 1845 in
Frankreich produziert; ein Maurerstreik,
der hohe Holzpreis, Angst vor Brnden sowie der Wunsch nach
greren Spannweiten waren
gemeinsam dafr verantwortlich. Ein wichtiger Antrieb fr diese
Entwicklung war auch der Wunsch
nach offenen Fassaden bzw. groen Glasflchen.
Der erste Bau, bei dem das Prinzip des Skelettbaus durchgehend
angewendet wurde, war die
Schokoladenfabrik Menier von Julies Saunier 1871, in der Nhe von
Paris.
Etwa 100 Jahre spter wurde zur Weltausstellung in Paris (1889),
zu einer Zeit in der sonst der
10 Stark/Wicht, Geschichte der Baustoffe S. 65. 11 Stark/Wicht,
Geschichte der Baustoffe S. 134. 12 Stark/Wicht, Geschichte der
Baustoffe S. 134. 13 Vgl. Hcker, Architektur. 14 Vgl. Delius Peter
(Hrsg), Geschichte der Architektur S. 75.
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16
Historismus sehr stark in der Architektur vertreten war, ein
besonders berhmtes Bauwerk aus Eisen errichtet: der von Gustave
Eiffel konstruierte Eiffelturm. Dieser war damals mit seiner Hhe
von 300m das hchste von Menschhand errichtete Gebude (und blieb
dies fr immerhin 40 Jahre).15 Zeitlich
zwischen diesen beiden Bauwerken liegt der 1840 im Zuge der
Weltausstellung in London
fertiggestellte Kristallpalast von Joseph Paxton. Dieser war das
erste Bauwerk, das ausschlielich aus vorgefertigten und genormten
Teilen errichtet wurde. Zu dieser Zeit war durch das 1748
patentierte Puddelstahlverfahren16, das die Produktion
hherwertigen Stahls ermglichte, bereits die Vorfabrikation grerer
Eisenmengen mglich17. Das Frischen von Stahl18 im Konverter und das
Legieren fhrten etwa zeitgleich nicht nur zur Verbesserung der
Stahlgte, sondern ermglichten u.a.
die Massenproduktion von billigen Walzeisenprofilen.
Mit dem 1824 durch Jospeh Aspadin erfundenen knstlich erzeugten
hydraulischem19 Bindemittel, das von nun an Portlandzement
bezeichnet wurde, begann der moderne Betonbau eine Jahr bevor die
weltweit erste ffentliche Eisenbahn (in England) fuhr. Der erste
"echte Portlandzement" nach heutigem Verstndnis (als eine zur
Sinterung gebrannte Rohmischung) wurde wahrscheinlich
erst durch dessen Sohn William Aspadin ungefhr 20 Jahre spter
hergestellt.
Seit damals hat die Weiterentwicklung des Betons zum
Hightech-Produkt stattgefunden. Neuere
Errungenschaften sind unter anderem selbstverdichtende Betone,
transluzente Betone (z.B. mit
Glasfasern), Hochleistungsbetone, Faserbetone sowie
Ultraleichtbetone.
Parallel zur Stahl- und Zemententwicklung entstanden Mitte des
19 Jhdts. auch die ersten
Eisenbeton-Erzeugnisse bzw. -Bauteile der Neuzeit20. Bereits
1845 stellte der Erfinder des
Eisenbetons Josef Monier Blumenkbel und Gartenmbel aus mit
Eiseneinlagen verstrktem (bewehrtem) Beton her, und erhielt spter
auch Patente fr Brcken und Rohre aus Eisenbeton. 1875
wurde die erste Brcke nach Moniers Patent erbaut, wobei in
erster Linie Stahl und nur zur
Verkleidung Beton verwendet wurde der Verbundgedanke stand noch
nicht im Vordergrund.
15 Vgl. Delius Peter (Hrsg), Geschichte der Architektur S. 76.
16 Vgl. Stark/Wicht, Geschichte der Baustoffe S. 133; Bei diesem
Verfahren wird das erhitzte Roheisen in mit Eisenoxid geftterten
fen durch Umrhren ("puddling" auf Englisch) Einwirkungen des
Sauerstoffs ausgesetzt; 17 Vgl. Delius Peter (Hrsg), Geschichte der
Architektur S. 75. 18 Anmerkung zu Frischen von Stahl: Roheisen
besteht nicht nur aus Eisen, sondern beinhlt - je nach Herkunft -
unterschiedliche Begleitstoffe mit unerwnschten Nebenwirkungen. Der
Anteil dieser Begleitstoffe wird durch das Frischen, das heit durch
Luft- bzw Sauerstoffzufhrung verringert. Insbesondere wird der
Anteil an Kohlenstoff verringert (nicht vollstndig entfernt, sonst
ist das Eisen zu weich), aber auch der Anteil an anderen
Bestandteilen wie z.B. Phosphor Silizium, Kohlenstoff, Schwefel,
Phosphor oder Mangan. Durch zu viel Kohlenstoff wird den Stahl
sprde und schlechter verformbar; der Kohlenstoff ist aber fr die
Hrte und Festigkeit des Stahls wichtig; daher ist hier die richtige
Menge entscheidend. 19 Als "hydraulisch" werden Stoffe bezeichnet,
die sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhrten und auch unter
Wasser bestndig sind. 20 Bei einem von den Rmern errichteten
Wohngebude in Kln aus dem 1. Jahrhundert n. Chr. fand man Eisenstbe
im Betonboden, die als Bewhrung fr die Wand dienten; s.
Stark/Wicht, Geschichte der Baustoffe S. 5.
http://www.beton.org/wissen/beton-bautechnik/selbstverdichtender-beton/
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17
Die Erfindung des Einsatzes von bewehrtem Beton im Jahr 1892
(durch Franois Hennebique), als Mittel um Zugkrfte im Stahlbeton in
erster Linie auf das Bewehrungseisen zu bertragen, war ein weiterer
Meilenstein in der Baugeschichte.21 Durch die Erfindung des
Stahlbetons entstanden ganz
neue formale Gestaltungsmglichkeiten in der Architektur. Eine
weiterentwickelte Variante des
Stahlbetons ist der Spannbeton, bei dem die Stahleinlagen
vorgespannt werden.
Das 20./21. Jahrhundert ist gekennzeichnet durch
Qualittssteigerung, Produktionszunahme, Fortentwicklungen und
Erfindungen. Beispiele fr Letztere sind Titan- und
Aluminiumlegierungen, Kunststoffe, aber auch Verbundwerkstoffe und
Werkstoffverbunde zu nennen (z.B. faserverstrkte Stoffe,
Sandwichelemente, Stahlbeton und Spannbeton) sowie neue,
innovative
Dmmstoffe.
Kunststoffe im Bau knnen unter anderem als Glasersatz, als
Fubodenbelge, als dnne
Dichtungsschichten, als Profile fr Fenster und Tren, als Rohre
fr Installationen sowie auch in
Sonderbetonen mit Kunststoffen eingesetzt werden.
1.3 Die Rolle der Werkstoffe beim Planen und Bauen -
Bemessung
1.3.1 Planen und Bauen
Das Bauen hat seit jeher sowohl elementare als auch kulturelle
Aufgaben zu erfllen: Menschen
sowie deren Einrichtungen und Gter mssen gegen die Unbill der
Natur geschtzt werden. Soll ein
Bauwerk errichtet werden, gibt es von den Bauherrn bzw.
zuknftigen Nutzern eine Vielfalt an
Anforderungen/Wnschen zu den Funktionen und Eigenschaften, die
das Bauwerk erfllen soll.
Entsprechend den Anforderungen erfolgt dann der Planungsprozess:
das Entwerfen, das Konstruieren
und zuletzt die bauliche Umsetzung. Schon die ersten
Planungsschritte erfordern das Abwgen und
die bewusste Auswahl geeigneter Baustoffe, um den Anforderungen
von Funktion, Baugestaltung,
Konstruktion, Herstelltechnik u.a. gerecht zu werden.
Wie vielfltig die Anforderungen sind, die bei der Planung eines
Bauwerkes zu bercksichtigen sind,
und welche Materialeigenschaften bei der Planung von Bedeutung
sind, zeigt die folgende
Darstellung. Nahezu alle Nutzeranforderungen zur Funktion haben
Einfluss auf die Baustoffwahl.
21 Glancey, Architektur, S. 158;
http://de.wikipedia.org/wiki/Fran%C3%A7ois_Hennebique
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18
Anforderungen an Bauwerk und Baustoffe sind in Abbildung 1-2
zusammengefasst.
Charakteristische Gren der Baustoffe:
Technische Einsetzbarkeit: mechanisches Verhalten (Festigkeit,
Hrte, Elastizitt, Zhigkeit,
etc.), physikalisch-chemisches Verhalten (Dichte,
wrmetechnisches Verhalten,
Korrosionsbestndigkeit etc.)
Form- und Fgbarkeit: Giebarkeit, Formbarkeit, Verarbeitbarkeit,
Gestaltbarkeit u. a.,
Schweibarkeit und Klebbarkeit
Wirtschaftlichkeit: kostengnstige Gewinnung, Herstell- und
Formbarkeit, mgliche
Wiederverwertbarkeit
Umweltverhalten: Umweltbelastung, Energieein-satz,
Recyclingverhalten
Abbildung 1-2 Anforderungen an Bauwerke
Merke: Die Kenntnis folgender Merkmale jedes Baustoffes sind
wichtig:
die Bezeichnung: sonst kann ich weder den korrekten Baustoff
bestellen noch diesen in meinen Plnen korrekt beschreiben; die
eindeutige Bezeichnung des Baustoffes ist umso
wichtiger, je grer die Verwechslungsgefahr mit einem anderen,
eventuell weniger
geeigneten oder unntige teureren Baustoff gegeben ist; weiters
kann die Nichtkenntnis der
korrekten Bezeichnung auch den Anschein mangelnder
Professionalitt erwecken.
die technischen Eigenschaften: die technischen Kennwerte werden
zur korrekten Berechnung, z.B. der Statik oder der Bauphysik
bentigt.
die Eigenschaften in Bezug auf Nachhaltigkeit und
Wirtschaftlichkeit um kologische bzw. konomische Auswirkungen der
Baustoffauswahl abschtzen zu knnen.
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19
1.3.2 Bemessen
In Bezug auf die Bemessung von Baukrpern bzw. Bauteilen wird
deutlich, wie stark die Baustofflehre
mit der Bauphysik und der Tragwerkslehre verwoben ist.
Was bedeutet es, einen Bauteil zu bemessen?
Wenn man einen Bauteil z.B. eine Wand oder eine Decke plant, ist
es von Beginn an erforderlich, sich
die Funktionen dieses Bauteils vor Augen zu halten, z.B.:
Eine (tragende) Wand muss das Gewicht aller Bauteile, die auf
ihr stehen bzw. liegen tragen
knnen es ist daher eine statische Bemessung der Druckfestigkeit
(Spannungsnachweis) erforderlich.
Die Wand soll gegen die Auenwelt abschlieen (bzw. auch gegen
Nachbarwohnungen oder angrenzende Rume), d.h. es soll mglichst
wenig Lrm durch die Wand dringen
knnen(Schallschutzbemessung), die Wand soll gegen die Klte von
Auen schtzen (Wrmeschutzbemessung), whrend die (hohe)
Luftfeuchtigkeit, die sich in den Rumen bildet (durch den Menschen
selbst, aber auch durch dessen spezielle Raumnutzung, wie etwa in
der
Kche oder im Badezimmer), durch die Wand nach auen gelangen
knnen soll
(feuchtetechnische Bemessung) diese Bemessungsmethoden werden im
Bereich Bauphysik behandelt. Fr die bauphysikalische Bemessung ist
die Kenntnis einer Vielzahl von Materialgren erforderlich (z.B. die
Wrmeleitzahl eines Baustoffes). Die
Grenzwerte/Vergleichsgren (z.B. des Wrmedurchgangs durch eine
Wand) sind in gesetzlichen Vorschriften z.B. der Bauordnung
angegeben. Es ist etwa ein Nachweis darber zu erbringen, dass der
Wrmedurchgang der zu bemessenden Wand unter dem in der
Bauordnung
festgelegte Grenzwert liegt.
Merke:
Einen Bauteil zu bemessen, bedeutet, den Nachweis zu fhren, dass
der Bauteil den definierten (zu erwartenden) Beanspruchungen (z.B.
mechanischer Art (Zug, Druck usw.), chemischer Art, Feuchtigkeit
oder Temperatur) standhlt.
Wenn man wei, wie ein Bauteil belastet wird (z.B. Druck, Zug,
Biegung, Torsion) bzw. welche
Anforderungen an ihn gestellt werden (Schallschutz, Wrmeschutz
etc.), dann wei man, welche
Nachweise zu fhren sind (Bemessung der Druckspannungen,
Zugspannungen, Biegespannungen,
Torsionsspannungen, Schallschutzwirkung, Wrmedmmung).
Voraussetzung fr die Bemessung eines Bauteils sind daher:
Kenntnisse der Einwirkungen (man muss vorab wissen, wie gro die
zu Last ist, die auf den Bauteil wirken wird, wie hoch die
Umgebungstemperatur sein wird, etc.
Kenntnisse der Anforderungen (z.B. an die Wrmedmmung oder den
Lrmschutz).
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20
Merke:
Bemisst man einen Bauteil in statischer Hinsicht, sind folgende
Ansprche zu beachten bzw. Nachweise zu fhren:
Spannungsnachweis - "Nachweis, dass der Bauteil nicht bricht":
Der Bauteil soll unter der einwirkenden Last weder brechen noch
sonst versagen. Die aufgrund der Lasten wirkenden
Spannungen mssen daher kleiner sein als die Spannungen, die zum
Bruch des Bauteils fhren.
Wir bentigen dafr Kenntnisse ber die Bruchspannung, d.h. unter
welchen Spannungen der Bauteil bzw. das Material bricht!!!22
Gebrauchstauglichkeitsnachweis/Verformungsnachweis; Der Bauteil
soll sich unter der auftretenden Last nicht in einer Weise/einem
Ausma verformen (stauchen, durchbiegen), dass er
nicht mehr zu verwenden ist. Um diesen Nachweis zu fhren,
bentigt man die Kenngren der
Materialien, aus denen man folgern kann, wie sich das Material
unter Belastung verformt. Zur
Verformung der Bauteile gibt es Grenzwerte, die normativ
festgelegt sind, z.B. dazu, wie hoch die
Durchbiegung eines bestimmten auf Biegung beanspruchten Bauteils
maximal sein darf.
Ein Nachweis im Bauwesen zeigt fr einen Bauteil, dass ein
technischer Kennwert kleiner/grer ist
als der fr diesen Bauteil festgelegte/vereinbarte Grenzwert.
1.4 Arbeitsbehelfe im Bauwesen
1.4.1 Normen
Der Begriff Norm kommt vom lateinischen norma, was ursprnglich
Winkelma, dann aber auch Richtschnur, Mastab, Regel, Vorschrift
bedeutet(e). Eine Norm ist eine Regel, die ein bestimmtes Tun oder
Unterlassen gebietet bzw. einen Mastab ("Stand der Technik") setzt.
Im Bauwesen sind neben den gesetzlichen Vorschriften vor allem die
NORMEN von groer Bedeutung. NORMEN sind zwar im Allgemeinen
freiwillige sterreichische Standards, die vom Austrian
Standards Institute (zuvor vom "sterreichisches
Normungsinstitut") erarbeitet und verffentlicht
werden, sie sind aber dann zwingend einzuhalten, wenn sie durch
den Gesetzgeber etwa im
Rahmen eines Bundesgesetzes, eines Landesgesetzes oder einer
Verordnung fr verbindlich erklrt
wurden.23 Auerdem legen die NORMEN den Stand der Technik dar.
Dieser Stand der Technik"
wird in der NORM EN 45020 definiert: Entwickeltes Stadium der
technischen Mglichkeiten zu
einem bestimmten Zeitpunkt, soweit Produkte, Prozesse und
Dienstleistungen betroffen sind,
basierend auf entsprechenden gesicherten Erkenntnissen von
Wissenschaft, Technik und Erfahrung.
22 Spannung = Kraft / Flche (bei Belastung auf Zug oder Druck);
bei Biegebeanspruchung gilt: Spannung = Moment / Widerstandsmoment.
23 Dies ist auch in 5 des Normengesetzes 1971 festgelegt. Es kann
bzw. darf die NORM nur in einer bestimmten Fassung fr
rechtsverbindlich erklrt werden, ansonsten wrde man das Austrian
Standards Institute zu einem neuen Gesetzgeber machen und dies ist
in der Verfassung nicht vorgesehen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Latein
-
21
Der Stand der Technik ist also im Regelfall der bereits
gesicherte Wissensstand. Die Nichteinhaltung dieses Standards kann
zur Haftung fhren (meist im Sinne von
Schadenersatzforderungen, aber wenn Personen dadurch zu Schaden
kommen, auch zu
strafrechtlicher Haftung).
Im Bauwesen arbeitet man in sterreich meist mit einer NORM EN .
oder NORM B ....". Normen werden international oder national
erarbeitet. In Deutschland gibt es die DIN-Normen. An europaweit
vereinheitlichte Regeln gibt es weiters die Eurocodes des
Europischen Komitees fr Normung ("CEN") fr das Bauwesen. Die
Eurocodes werden in sterreich als "NORMEN EN"
verffentlicht. Eurocodes beinhalten Regelungen fr den Entwurf,
die Berechnung und die Bemessung
von Tragwerken. Liste der Eurocodes:
Eurocode 0: Grundlagen
Eurocode 1: Einwirkungen
Eurocode 2: Betonbau
Eurocode 3: Stahlbau
Eurocode 4: Verbundbau
Eurocode 5: Holzbau
Eurocode 6: Mauerwerksbau
Eurocode 7: Grundbau
Eurocode 8: Erdbeben
Eurocode 9: Aluminiumbau.
Merke: NORMEN sind zwar im Allgemeinen freiwillige Standards,
knnen aber auf zweierlei Weise verbindlich werden/wirken:
NORMEN knnen durch Gesetze oder Verordnungen zu Gnze oder
teilweise fr verbindlich erklrt werden
NORMEN geben den Stand der Technik wieder, deren Nichteinhaltung
zu einer Haftung fhren kann.
Wo finde ich als Student die NORMEN-Texte? Man kann diese an der
TU Wien online unter TU-
Wien/Dienstleister/Bibliothek/Datenbanken oder im Lesesaal
lesen.
1.4.2 Richtlinien von Interessensgemeinschaften
In machen Anwendungsbereichen gibt es Richtlinien, die von
Interessensgemeinschaften erarbeitet
wurden. Manche dieser Richtlinien wurden durch den Gesetzgeber
fr verbindlich erklrt, andere
geben "nur" den Stand der Technik wieder. Beispiele fr solche
Regeln:
Von der sterreichischen Bautechnik Vereinigung24 gibt es eine
ganze Reihe von Richtlinien, u.a. zu Themen der Baukonstruktion,
der Materialtechnologie, des Hochbaus, des Straenbaus, des
Tunnelbaus und des Brckenbaus, z.B. die Richtlinie "Faserbeton"
und die Richtlinie "Sichtbeton -
Geschalte Betonflchen".
24 http://www.bautechnik.pro/obvzeb/shop/publikliste.aspx.
-
22
Weiters gibt es noch die Richtlinien und Vorschriften fr den
Straenbau (RVS): Dieses Normenwerk des Verkehrs- und Straenwesens
wird von der FSV (Forschungsgesellschaft Strae -
Schiene - Verkehr) erarbeitet.25
1.4.3 Gesetzliche Vorschriften Bauordnungen
Fr Bauvorhaben gelten die Baugesetze (wie etwa die Bauordnung)
und die Bau-Verordnungen des
jeweiligen Bundeslandes. In Wien kommen unter anderem folgende
Gesetze und Verordnungen zur Anwendung:
Wiener Bauordnung (BO Wien)
Wiener Bautechnikverordnung (WBTV)
Wiener Kleingartengesetz
Wiener Garagengesetz
Wiener Aufzugsgesetz (WAZG)
Wiener Naturschutzgesetz.
In diesen Gesetzen und Verordnungen sind insbesondere folgende
Bereiche geregelt:
Art der baulichen Nutzung
gesundes Wohnen (Belichtung,
Raumhhen, Schall-, Klte- und
Wrmeschutz)
Feuerwiderstandsklassen von Bauteilen
Eignung von Bauprodukten
Standsicherheit
Sicherheit von Baustelle und Bauwerk.
Die sterreichischen Bundesgesetze, Landesgesetze und
Verordnungen kann man online unter
http://www.ris.bka.gv.at abrufen.
1.4.4 EU-Recht
Neben den sterreichischen Gesetzen und Verordnungen kommen auch
europarechtliche
Bestimmungen (Richtlinien und Verordnungen) zur Anwendung. Im
Bereich des Bauwesens ist vor
allem die "Verordnung des Europischen Parlaments und des Rates
vom 9.3.2011 zur Festlegung
harmonisierter Bedingungen fr die Vermarktung von Bauprodukten
und zur Aufhebung der Richtlinie
89/106/EWG des Rates (ABl. Nr. L 88 vom 04.04.2011)", kurz
"Bauprodukte-Verordnung" (BPV) (welche die frhere
"Bauprodukte-Richtlinie" ersetzt) von Bedeutung. Diese Verordnung
beschreibt in
Anhang I die Grundanforderungen an Bauwerke fr folgende
Bereiche:
25 Das Inhaltsverzeichnis zu den RVS ist auf der Internetseite
des FSV abrufbar:
http://www.fsv.at/shop/produktliste.aspx?ID=76b8e427-d3b2-4c25-8baa-00ae618e258e&Bezeichnung=RVS.
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23
Mechanische Festigkeit und
Standsicherheit
Hygiene, Gesundheit und Umweltschutz
Brandschutz
Sicherheit und Barrierefreiheit bei der
Nutzung des Bauwerks
Schallschutz
Energieeinsparung und Wrmeschutz
Nachhaltige Nutzung der natrlichen
Ressourcen.
Die Bauprodukten-Verordnung ist online abrufbar unter:
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32011R0305:DE:NOT
1.4.5 Materialdatenbltter
Es ist in der Praxis nicht mglich und auch nicht notwendig fr
all die verschiedenen Bauprodukte
eigene Versuche durchzufhren, um deren Kennwerte zu ermitteln.
Diese Werte kann man den
Datenblttern der Herstellerfirmen entnehmen. Die den
Datenblttern zugrunde liegenden Versuche
sind im Allgemeinen bereits von autorisierten Prfanstalten nach
den jeweiligen Normen durchgefhrt
worden. Die Firmen besitzen zum Nachweis dafr ein Prfzeugnis
eines entsprechenden Prflabors.
Im Datenblatt sind u.a. folgende Daten enthalten:
Mae des Bauproduktes (wenn anwendbar, wie z.B. bei Ziegeln)
Gewicht oder Rohdichte
Druckfestigkeit
Wrmedmmeigenschaften (etwa der Wrmedurchgangskoeffizient) oder
die Wrmeleitzahl
Schalldmmeigenschaften
Brandschutzeigenschaften/Brandschutzklasse
Wasserdampfdiffusionsdurchlasswiderstand.
Bei den Datenblttern ist nicht nur darauf zu achten, welche
Informationen darin enthalten sind,
sondern auch darauf, welche fehlen. Daher ist es wichtig zu
wissen, welche Informationen man auf
einem Datenblatt erwarten kann. Fehlen etwa Angaben zum
Schallschutz, sollte man dem auf den
Grunde gehen und bei der Herstellerfirma nachfragen - unter
Umstnden sind die Werte fr den
Schallschutz nicht sehr gut und eben daher auf dem Datenblatt
nicht zu finden. Dies bedeutet nicht
automatisch, dass dieses Produkt an sich schlecht ist, aber es
ist wichtig, dessen Materialschwchen
zu wissen, um diesen - etwa durch besondere
Schallschutzvorkehrungen, wenn mangelnder
Schallschutz die Materialschwche ist - begegnen zu knnen.
Datenbltter zu den verschiedensten Baustoffen sind im Internet
auf den Seiten der jeweiligen
Herstellerfirma abrufbar. Beispiele fr Datenbltter finden sich
im Folgenden (Abbildung 1-3,
Abbildung 1-4).
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24
Abbildung 1-3 Materialdatenblatt Passivhausziegel EDER XP 8, Fa.
ZIEGELWERK EDER GMBH & CO KG
(http://www.ziegel-eder.de/dwn/ederxp8.pdf)
-
25
Abbildung 1-4 Materialdatenblatt Porotherm 50 W.i Plan, Fa.
Wienerberger AG
(http://www.wienerberger.at/porotherm-50-w.i-plan.html?lpi=1114066833210)
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26
2 berblick ber die wichtigsten Baustoffe,
Begriffe und Definitionen
2.1 Stahl Stahl besitzt eine hohe Festigkeit, gute
Verformbarkeit, hohe Elastizitt und ist gut recyclierbar,
verliert
aber bei hheren Temperaturen die Festigkeit.
Stahl wird in Verbindung mit Beton (als Bestandteil von
"Stahlbeton") eingesetzt. Diese Verbindung
von Stahl und Beton funktioniert sehr gut, weil beide
Materialien eine hnliche Wrmedehnzahl haben.
Definition: Stahl ist eine Eisen-Kohlenstofflegierung mit max.
2,06% Kohlenstoff.
Zum Vergleich dazu: Gusseisen hat eine C-Gehalt
(Kohlenstoff-Gehalt) von >2,06 % und ist daher sprder als Stahl;
der C-Gehalt von Baustahl betrgt meist < 0,6%.
Eisen und Kohlenstoff sind chemische Elemente. Eisen wird aus
Eisenerz gewonnen (Schmelzpunkt: 1538C), das im Stahlwerk durch
Frischen26 und Desoxidieren27 weiterverarbeitet wird.
Verwendung findet Stahl im Bauwesen u.a. im
Stahlbau (Stahltrger)
Stahlbetonbau (Bewehrungssthle und Gitter) und Spannbetonbau
(Spannsthle)
Alle Arten von Verbindungsmittel.
Wichtige technische Eigenschaften von Baustahl:
Hohe Zugfestigkeit (bei Spannsthlen: 835 - 1770 N/mm, bei
Bausthlen allgemein: meist
unter 500 N/mm)
Verformt sich wenig unter Last (hoher Elastizittsmodul E = 210
000N/mm)
Betonsthle haben eine Flie- oder Streckgrenze (jene Belastung
bei der eine plastische (das
heit eine bleibende) Verformung entsteht) von 550 N/mm
Hohe Dichte (7850 kg/m)
Verliert im Brandfall schnell an Festigkeit
Der Energieaufwand bei der Herstellung von Stahl ist hoch.
Beispiele fr Bezeichnungen:
Bewehrungsstahl: Betonstabstahl B500B (Flie- oder Streckgrenze
von 550 N/mm)
Stahltrger (Profilstahl): IPE 160 (Werkstoff: S235JR). 26 Durch
das Frischen werden unerwnschte Stoffe aus dem Eisen
herausoxidiert. 27 Durch Desoxidation wird der gelste Sauerstoff
aus dem Stahl fast vollstndig entfernt.
-
27
2.2 Holz und Holzwerkstoffe
2.2.1 Massivholz
Als Massivholz bezeichnen wir jenes Holz, das in Form von
Brettern, Bohlen, Pfosten oder Rundholz
direkt aus dem Sgewerk kommt.
Man unterscheidet dabei
Nadelhlzer
Laubhlzer.
Laub- und Nadelhlzer unterscheiden sich durch ihren Aufbau.
Wichtiger im Bauwesen sind Nadelhlzer (vor allem Fichte und
Kiefer), die im Holzbau fr Blockhuser oder als Konstruktionsholz fr
Holzriegelkonstruktionen oder Dachsthle eingesetzt werden.
Laubhlzer kommen vor allem im
Innenausbau aber auch im Mbelbau zum Einsatz.
Abbildung 2-1 Schnittrichtungen
Wir unterscheiden bei Massivholz immer, ob es in der
Faserrichtung (in Richtung des Stammwuchses) oder
normal (im rechten Winkel) zur Faserrichtung
beansprucht wird. Die Eigenschaften des Holzes
unterscheiden sich je nach Beanspruchungsrichtung in
oder quer zu Faserrichtung erheblich.
Massivholz wird im Sgewerk durch Schnitte in
folgenden Richtungen zu kleineren Teilen verarbeitet:
durch Querschnitt ("Q"), Tangentialschnitt ("T") und
Radialschnitt ("R") (Abbildung 2-1).
Technische Eigenschaften:
Geringe Dichte (geringes Gewicht, bzw. Rohdichte), bei Fichte
ca. 430 kg/m
hohe Biegefestigkeit (10 - 60 N/mm)
hohe Zug- und Druckfestigkeit in Faserrichtung
Holz ist brennbar, bildet aber im Brandfall eine Schicht mit
geringerer Wrmeleitfhigkeit, welche
nur schlecht brennt und das darunterliegende Holz (eine gewisse
Zeit lang) schtzt.
2.2.2 Holzwerkstoffe und Plattenwerkstoffe
Holzwerkstoffe werden durch die weitere Verarbeitung von Holz
hergestellt. Der Vorteil der Holzwerkstoffe gegenber Massivholz ist
die grere Beeinflussbarkeit der Materialeigenschaften.
Holzwerkstoffe bestehen aus Schnitthlzern, Furnieren, Holzspnen
oder Holzfasern, die zu Platten
oder Trgern zusammengefgt werden. Die grundlegende Zuordnung in
der Systematik von
Holzleimbindern oder Brettschichtholz zu den Holzwerkstoffen ist
eine hufige Diskussion, da diese
-
28
Produkte sowohl Charakteristika von Massivholz, als auch von
Holzwerkstoffen besitzen.
Beispiele fr Holzwerkstoffe:
Brettschichtholz/Holzleimbinder (bestehen aus mind. 3
Einzelbrettern, die faserparallel miteinander verklebt sind), Trger
z.B. bei Einkaufsmrkten und Hallen
Brettsperrholz / Kreuzlagenholz (Holzplatten aus 3 oder mehr
Lagen kreuzweise miteinander flchig verklebten Massivholzes), z.B.
fr Decken und Wnde
Holzplattenwerkstoffe bestehend aus Furnierschichten,
Furnierstcken, Holzspnen, Holzwolle oder Holzfasern. Beispiele fr
Holzplattenwerkstoffe: Spanplatten, OSB-Platten,
Sperrholzplatten,
welche z.B. im Mbelbau oder fr Fubodenkonstruktionen verwendet
werden.
2.3 Keramik Baukeramik besteht aus aufbereiteten Tonen/Lehm
(tonige Massen), meistens mit Magerungsstoffen (z.B. Sand)
gemischt. Die Masse ist bildsam, d.h. es knnen mit der Hand oder
mitMaschinen Formstcke hergestellt werden, die anschlieend gebrannt
werden.
Der Brennprozess fhrt den getrockneten Formling in ein hartes,
wasserbestndiges Produkt ber. In der technischen Keramik wird
dieser Prozess auch als Sintern bezeichnet. Bei niedrigen
Temperaturen (< 1000C) werden flchtige Bestandteile ausgetrieben
(Wasser, Kohlendioxid,
organische Hilfsstoffe). Dabei zersetzen sich die tonigen
Bestandteile und bilden neue Minerale. In
dem so entstehenden Scherben schlieen sich Kristalle an den
Korngrenzen zusammen
(Kristallwachstum) und werden (falls enthalten) durch glasige
Anteile verkittet. Anteil und Art
(Korngrenverteilung, Texturen etc.) der Kristall- und Glasphase
sowie der Poren bestimmen die
Eigenschaften des gebrannten Guts. Keramische Baustoffe knnen
entsprechend Tabelle 2-1
eingeteilt werden.
Tabelle 2-1 Einteilung keramischer Baustoffe
Baustoffart Grobkeramik Feinkeramik Irdengut (900 bis 1300C,
porser Scherben) Irdengut ist pors und kann Wasser aufnehmen.
Irdengut ist nicht so frostbestndig wie Sinterzeug oder
Feuerfeststeine.
Mauerziegel, Deckenziegel, Dachziegel
Irdengutfliesen, Steingutfliesen
Sinterzeug28 (1150 bis 1450C, dichter Scherben) Sinterzeug ist
bereits viel dichter als Irdengut.
Klinker, Spaltplatten Steinzeugfliesen, Sanitrporzellan
Feuerfeststeine (ca. 1500C)
Steine, Formstcke (Einsatztemperatur >600C)
--
28 Unter Sinterung versteht man ein Verfahren zur Herstellung
oder Vernderung von Werkstoffen. Die feinkrnigen keramischen
Ausgangsstoffe werden erhitzt, wobei die Temperaturen unterhalb der
Schmelztemperatur der Hauptkomponenten bleiben.
-
29
Lehm ist ein nicht gebrannter Werkstoff, dessen Festigkeit stark
durch Feuchtigkeit beeinflusst wird. Der Einsatz von Lehmziegeln
ist im eingeschoigen Bereich durchaus mglich, bei
mehrgeschoigen
Bauwerken ist deren Einsatz eher schwierig.
Fr hhere Festigkeiten und bessere Feuchtigkeitsbestndigkeit wird
der Baustoff gebrannt.
Technische Eigenschaften (je nach Werkstoff/Produkt):
gute Druckfestigkeit
relativ geringe Wrmeleitfhigkeit.
Verwendung und Bezeichnung:
Eine typische Anwendung von keramischen Baustoffen sind Mauer-
und Dachziegel. Die Bezeichnung
der Mauerziegel setzt sich aus einer Abkrzung fr die Ziegelform
(z.B. MZ = Mauerziegel, oder HLZ
= Hochlochziegel) und einer Angabe zur Druckfestigkeit zusammen
(Tabelle 2-2).
Tabelle 2-2 Ziegelfestigkeitsklassen
Ziegelfestigkeitsklassen (N/mm)
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 50,0
Unter Keramisieren werden Beschichtungsverfahren
zusammengefasst, bei der eine SiOx-Schicht auf eine Kunststofffolie
aufgebracht wird.
"Keramisierung" kann aber auch die gesteuerte Entglasung
(Kristallisation) von Glsern bedeuten.
2.4 Glas Glas ist eine ohne Kristallisation erstarrte
Silicatschmelze. Da Glas ein Stoff ohne geordnete innere
Struktur ist, spricht man hier von einem amorphen Stoff.
Hauptbestandteil von Glas ist Siliciumdioxid SiO2 (verwendeter
Rohstoff: Quarzsand). Weiters besteht Glas in der Regel noch aus
Calciumcarbonat CaCO3 (verwendeter Rohstoff: Kreide, Marmor,
Kalkspat oder Kalkstein) sowie aus
Natriumcarbonat Na2CO3 (verwendeter Rohstoff: Soda, oder auch
Gemische aus Natriumsulfat und
Kohle).
Technische Eigenschaften (je nach Werkstoff/Produkt):
fest, homogen und meist lichtdurchlssig
geringe Wrmeleitfhigkeit fr Wrme und
Elektrizitt
Dichte: 2,5 kg/dm
Druckfestigkeit: 300 - 900 N/mm
Zugfestigkeit: 30 - 90 N/mm
E-Modul: 35 000 - 75 000 N/mm
Lichtdurchlssigkeit: 90 - 92 % (Fensterglas)
Hergestellt wird Glas durch Schmelzen der gut durchmischten
Rohstoffe (in 2 Stufen:
-
30
Aufschmelzen, dem eigentlichen Schmelzen der Bestandteile, und
Homogenisieren, dem Lutern der Schmelze) und Erkalten. Bei der
Herstellung von Glasbauteilen unterscheidet man Gussglas (in einem
Walzprozess hergestellt; hat eine rauere Oberflche und geringere
Festigkeit als Floatglas) und
Floatglas (die 1600 C heie Schmelze wird auf ein Floatbad aus
geschmolzenem Zinn zugeleitet und schwimmt darauf in einem endlos
laufendem Band; in einem Khltunnel und auf Rollen erkaltet
das Glas danach planmig und spannungsfrei).
Zur Verwendung als Bauteil sind von Bedeutung:
(thermisch oder chemisch) vorgespanntes Glas
Verbundsicherheitsglas und Verbundglas
Isolierglas.
2.5 Bindemittel Bindemittel sind Stoffe mit der denen andere
Materialien (Sand, Schotter, Holzstcke etc.) miteinander verbunden
(verklebt) werden. Bindemittel im Bauwesen sind oft pulverfrmig und
werden mit Wasser zu einem Leim (man spricht dann z.B. von
Zementleim).
Andere Bindemittel z.B. le oder Wasserglas werden bei Farben
verwendet.
2.5.1 Kalk
Man kann Kalk unterscheiden in
Luftkalk und
Hydraulischen Kalk
Luftkalk: entsteht durch Brennen von Kalkstein (CaCO3).
Dabei entsteht vorerst:
Gebrannter Kalk (CaO), CO2 wird frei,
und nach dem Lschen mit Wasser (H2O) entsteht
Gelschter Kalk (Ca(OH)2).
Hydraulischer Kalk: Zur Herstellung von hydraulischem Kalk wird
als Ausgangsstoff nicht reiner Kalkstein verwendet, sondern
Kalkmergel (Kalk + silikatische Bestandteile, z.B. Ton). Wird der
Kalkmergel gebrannt, entsteht aus ihm hydraulischer Kalk, der beim
Erhrtungsvorgang zustzliche silikatische Erhrtungsprodukte besitzt
und daher fester und bestndiger ist. Hydraulische Kalke
unterscheiden sich von gebranntem Kalk (CaO) dadurch, dass an das
Kalziumoxyd noch sogenannte
Hydraulefaktoren (aus Siliziumoxyd(SiO2), Aluminiumoxyd(Al2O3)
und Eisenoxyd(Fe2O3)) gebunden
sind.
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31
An Hydraulefaktoren gebundenes Kalziumoxyd ist:
Trikalziumaluminat(3CaO . Al2O3)
Tetrakalziumaluminatferrit(4CaO . Al2O3. FeO3)
Dikalziumsilikat(2CaO . SiO2)
Diese 3 Kalkverbindungen erhrten ausschlielich mit Wasser und
sind u.a. auch Bestandteile des Zements. Im hydraulischen Kalk sind
neben diesen Verbindungen immer noch Anteile des erhrtenden
Kalkhydrat enthalten (durch Aufnahme von Kohlendioxyd).
Daher brauchen Hydraulische Kalke sowohl Wasser als auch Luft
zum Erhrten.
Kalk ist ein weies Pulver, das als Sackware oder im Silo zur
Verfgung steht. Zur Verwendung wird der Kalk (das Pulver) mit
Wasser gemischt (es entsteht ein Leim). Dann kommt ein Zuschlag
(Gesteinskrnung, Schotter) dazu. Dieses Gemisch ist dann ein
Mrtel.
Technische Eigenschaften:
Dichte: 2600 bis 2900kg/m (Schttdichte ca. 450kg/m)
Druckfestigkeit: 1 bis 16N/mm
Merke: Baukalk ist ein anorganisches Bindemittel, das durch
Brennen von Kalk entsteht. Kalk ist ein Carbonat (ein Salz der
Kohlensure H2CO3). Baukalk (das gebrannte Pulver + Wasser) erhrtet
durch
Carbonatisierung und ist im erhrteten Zustand wasserfest.
Bezeichnungen:
Luftkalke:
Weikalk (CL)
Dolomitkalk (DL).
Hydraulische Kalke:
Natrliche hydraulische Kalke (NHL)
Allgemein hydraulische Kalke (HL).
Luftkalke kommen berwiegend im Rauminneren zum Einsatz.
Hydraulische Kalke werden im
Auenbereich z.B. zum Verputzen verwendet. Hydraulischer Kalk ist
stark basisch und hat daher die
positive Eigenschaft, Stahl vor dem Rosten zu schtzen.
Bei der Verwendung von Kalk sollte man unbedingt eine
Schutzbrille tragen.
2.5.2 Gips
Baugips ist ein anorganisches Bindemittel, das durch Brennen von
Naturgips entsteht (es gibt
-
32
Gips auch als Reststoff von Rauchgasentschwefelungsanlagen:
REA-Gips). Gipsgestein wird
chemisch beschrieben als CaSO42H2O (das Wasser ist dabei nicht
chemisch gebunden, sondern
physikalisch im Kristallgefge eingebaut), also ein Sulfat ein
Salz der Schwefelsure (H2SO4).
Die beim Brennen ab ca. 100C entstehenden Halbhydratpartikel,
z.B. CaSO41/2H2O, lsen sich in
Wasser auf. In dieser wssrigen Lsung beginnt der
Kristallisationsprozess (Erhrtung) von Gips. Die
Gipserhrtung ist also ein gekoppelter Lsungs- und
Kristallisationsprozess.
Technische Eigenschaften:
Geringe Druckfestigkeit
Gips ist im erhrteten Zustand nicht wasserfest.
Gips darf nicht mit Zement vermischt werden
Gips greift Metalle an (dies fhrt zu Korrosion).
Verwendung:
Putz und Stuck
Gipskartonplatten
Gipssteine.
Merke: Baugips ist ein anorganisches Bindemittel, ein
Calziumsulfat (ein Salz der Schwefelsure). Es erhrtet durch
Kristallisation und ist im erhrteten Zustand nicht wasserfest.
2.5.3 Zement
Durch Brennen von Ton, Kalk und Mergel (Brenntemperatur 1450 C)
entsteht Portlandzementklinker in Form eines Granulates (kleine
Kugeln, Durchmesser ca. 1cm). Der Portlandzementklinker wird dann
mit anderen Stoffen (z.B. mit Hochofenschlacke) gemeinsam
gemahlen. So entsteht Zement.
Zement ist ein hydraulisches Bindemittel (es erhrtet auch unter
Wasser). Es ist ein graues Pulver, das mit Wasser zu Zementleim
wird.
Wir unterscheiden 5 Zementsorten:
CEM I Portlandzemente (max. 5%Zustze)
CEM II Portlandkompositzemente Portland(htten,
-flugasche)zemente
CEM III Hochofenzemente
CEM IV Puzzolanzemente
CEM V Kompositzemente
-
33
Die Zementsorten unterscheiden sich durch die Art und Menge der
zugemahlenen Stoffe, z.B.: S
Httensand, V silikatische Flugasche, D Microsilika, P natrliche
Puzzolane, Q knstliche Puzzolane.
Es gibt folgende Zementfestigkeitsklassen:
32,5 [N/mm]
42,5 [N/mm]
52,5 [N/mm]
Dabei ist immer die Druckfestigkeit nach 28 Tagen gemeint.
2.6 Mit Bindemittel gebundene mineralische Baustoffe
2.6.1 Beton
Beton ist ein Konglomerat, ein knstlicher Stein. Er besteht im
einfachsten Fall aus Zement, Wasser und Gesteinskrnung (Zuschlag).
Zement und Wasser bilden den Zementleim der zum Verkleben der
Gesteinskrnung dient.
Man unterscheidet:
Frischbeton: Der Beton ist bei der Herstellung des Bauwerkes
noch in weichem Zustand (hier ist darauf zu achten: wie ist er zu
verarbeiten?, wie viel Luft ist in der weichen Mischung? etc.)
Festbeton: Beton im erhrteten Zustand (welche Druckfestigkeit
besitzt der Beton? Ist er bestndig wenn es friert? etc.)
Um die Betoneigenschaften zu verbessern kann man
Zusatzstoffe (in greren Mengen) wie Gesteinsmehl, Mikrosilika
etc. oder
Zusatzmittel (wenige Gramm) wie Verflssiger, Luftporenbildner
(fr frostbestndige Betone), Beschleuniger (fr eine schnellere
Erhrtung) etc.
hinzufgen.
Je nach Gesteinskrnung/Zuschlag unterscheidet man nach der
Dichte (Leichtbeton (2600kg/m).
Technische Eigenschaften:
Hohe Dichte (Normalbeton): 2000 bis 2600kg/m
Hohe Druckfestigkeit (Normalbeton blicher Anwendung hat eine
Druckfestigkeit zwischen 25 und
40N/mm, hochfeste Betone > und ultrahochfeste Betone
Hohe Bestndigkeit.
Die Bezeichnung von Beton erfolgt nach der Druckfestigkeit nach
28 Tagen:
-
34
z.B. C25/30
"C" steht fr "Concrete", die englische Bezeichnung fr Beton
25 Zylinderdruckfestigkeit von 25 N/mm
30 Wrfeldruckfestigkeit von 30 N/mm.
Tabelle 2-3: Druckfestigkeitsklassen fr Normalbeton nach N B
4710-1
Druckfestigkeitsklasse Charakteristische Druckfestigkeit von
Zylindern fck,cyl, mindestens
Charakteristische Druckfestigkeit von Wrfeln fck,cube,
mindestens
N/mm N/mm C8/10 8 10 C12/15 12 15 C16/20 16 20 C20/25 20 25
C25/30 25 30 C30/37 30 37 C35/45 35 45 C40/50 40 50 C45/55 45 55
C50/60 50 60 C55/67 55 67 C60/75 60 75 C70/85 70 85 C80/95 80 95
C90/105 90 105 C100/115 100 115
Hochfeste Betone ab Festigkeitsklasse C55/67, Ultrahochfeste
Betone ab 100/115.
Fr die Erstellung der Rezeptur des Betons ist es erforderlich,
die Umgebungsbedingungen/Einflsse
(z.B. Frost, chemische Einwirkungen) auf den Beton zu kennen.
Zur Charakterisierung dieser
Umgebungsbedingungen verwendet man Expositionsklassen (Tabelle
2-4).
Tabelle 2-4 Expositionsklassen
X0 Kein Angriffsrisiko XC Karbonatisierung (Carbonatisation XD
Chloride (Deicing-Salt) XS Meerwasser (Sea) XF Frost und
Frost-Tausalz (Frost) XA Chemischer Angriff (Acid) XM Verschlei
(Mechanical Abrasion)
-
35
2.6.2 Industriell hergestellte Mauersteine
In diese Gruppe fallen unter anderem:
Ziegelsteine: als Ausgangsstoff werden mit Sand abgemagerte
Tone, tonhaltige Rohmassen oder Lehme mit mglichst wenigen
Verunreinigungen verwendet. Die Ausgangsstoffe werden - bei
Bedarf nach Beigabe von Zustzen, wie Magerungsmitteln oder
porenbildenden Stoffen - geformt,
bei maximal 200 C vorgetrocknet und bei 900 - 1100 C gebrannt.
Das Normalformat fr
Ziegelsteine betrgt in sterreich 25 x 12 x 6,5cm.
Hohlblocksteine: sind groformatige Mauersteine aus Beton. Im
Allgemeinen sind sie nach fnf Seiten geschlossen und haben zur
Lagerflche offene Kammern. Neben dem tragenden Beton
knnen Hohlblocksteine noch Dmmmaterial enthalten.
Mantelsteine: sind Schalungskrper aus wrmedmmenden Stoffen,
welche fr die Ausfhurng von Mantelbetonwnden verwendet werden. Sie
bestehen aus entsprechend vorbehandelten und
mineralisch gebundenen Holzspnen, Leichtbeton (z.B.: Blhbeton-,
Perlit-, oder
Httensimsbeton) oder einem Gemenge aus mineralisch gebundenen
Holzspnen und
Leichtbeton.
Porenbetonsteine/Gasbetonsteine: Gasbetonsteine sind
Porenbetonsteine mit silikatischer Bindung. Sie werden in der Form
von Mauersteinen, Deckenplatten und Wandplatten produziert
und haben in der Regel eine sehr gute Wrmedmmfhigkeit, aber eher
nur eine mige
Druckfestigkeit.
2.6.3 Mauermrtel
Mauermrtel ist ein Gemisch aus einem oder mehreren Bindemitteln
(z.B. Kalk und/oder Zement)
und Gesteinskrnung (d 8mm). Man kann Mauermrtel auf der
Baustelle mischen oder Fertig-
bzw. Werksmrtel verwenden.
Er wird als Lage zwischen den (Ziegel-)Steinen eines Mauerwerks
verwendet.
Es gibt Mauermrtel mit folgenden Bezeichnungen:
G Normalmauermrtel
T Dnnbettmauermrtel
L Leichtmauermrtel
-
36
2.6.4 Putzmrtel
Putzmrtel bestehen aus einem oder mehreren Bindemitteln (z.B.
Kalk, Zement, Gips) und
Gesteinskrnung (d 4mm). Man kann Putzmrtel auf der Baustelle
mischen (und deren
Eigenschaften bzw. Rezepte auf den Anwendungsfall abstimmen)
oder Fertig- bzw. Werksputz
verwenden. Als Putzmrtel bezeichnet man jene Mrtel, die auf der
Wandoberflche zu sehen sind.
Es gibt Putzmrtel mit folgenden Bezeichnungen:
GP Mrtel fr allgemeine Zwecke fr Innen- und Auenputz
R Sanierungsmrtel
Nach der NORM werden Putzmrtel in folgende Klassen eingeteilt
(Tabelle 2-5).
Tabelle 2-5 Klassen der Putzmrtel
Eigenschaften Klassen Anforderungen Prismendruckfestigkeiten (28
Tage) CS I
CS II CS III CS IV
0,4 bis 2,5 N/mm 1,5 bis 5,0 N/mm 3,5 bis 7,5 N/mm
6,0 N/mm Kapillare Wasseraufnahme W 0
W 1 W 2
Nicht festgelegt c 0,4 kg/(mmin0,5) c 0,2 kg/(mmin0,5)
Wrmeleitfhigkeit von Wrmedmmputz T 1 T 2
0,1 W/(mK) 0,2 W/(mK)
2.6.5 Estrichmrtel
Ein Estrich ist ein plattenartiger Bauteil, der in einem
Wohngebude oder einer Industriehalle
entweder unter einem Fubodenbelag zu finden ist, oder bereits
selbst als Fuboden verwendet
wird.
Estrichmrtel bestehen aus einem Bindemittel (z.B. Zement oder
Calziumsulfat (Gips oder Anhydrit)) und Gesteinskrnung.
Estrichhhe 40 mm: Grtkorn 8 mm
Estrichhhe > 40 mm: Grtkorn 16 mm
bliche Estrichhhe: ca. 6cm.
Es gibt Estriche mit - je nach dem verwendeten Bindemittel -
folgenden Bezeichnungen:
CT = Zementestrich (frher ZE)
CA = Calciumsulfatestrich
MA = Magnesiaestrich
-
37
AS = Gussasphaltestrich
SR = Kunstharzestrich.
Bezeichnung auch nach der Druckfestigkeit: z.B C12, C20, C25,
C30 (Druckfestigkeit in N/mm nach
28 Tagen): z.B. EN 13813 CT-C20
2.7 Kunststoffe/Polymerwerkstoffe Kunststoffe
(Plastik)/Poymerwerkstoffe sind makromolekularer Natur und bestehen
aus Monomeren organischen Moleklen. Diese knnen synthetisch
hergestellt werden (auf Basis von Erdl, Ergas oder Kohle) oder
halbsythetisch sein (Abbildung 2-2).
Abbildung 2-2 Makromolekle29
Halbsynthetische Kunststoffe entstehen durch die Modifikation
natrlicher Polymere (Zellulose zu Zelluloid). Biobasierte
Kunststoffe wie z.B. Polymilchsure werden durch die Fermentation30
von Zucker oder Strke hergestellt. Je nach dem Grad der Vernetzung
der Molekle unterscheidet man
drei groen Gruppen, die sich auch in ihrem Temperaturverhalten
(thermischem Verhalten) unterscheiden:
Thermoplaste (warmverformbare Kunststoffe)
Duroplaste (geringe Temperaturabhngigkeit der physikalischen
Eigenschaften)
Elastomere (gute Dehnbarkeit).
29
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/polymere_werkstoff/polymere_werkstoffe.vlu.html
(letzter Zugriff 6.8.2014) 30 Fermentation oder Grung ist eine
Umwandlung organischer Stoffe durch die Zugabe von z.B. Bakterien-,
oder Pilzkulturen, die die Fermentation/Grung im Rahmen ihres
Stoffwechsels ausfhren.
-
38
Thermoplaste bestehen aus langen linearen (fadenfrmigen)
Moleklen. Der Werkstoff wird durch Wrme weich und formbar
(plastisch). Nach dem Abkhlen behlt das Produkt seine Form, bei
nochmaliger Erwrmung, kann das Material wieder zurckgeformt
(reversibler Vorgang) oder auch in eine neue Form gebracht
werden.
Zur Gruppe der Thermoplaste zhlen u.a. Polyethylen (PE) (Rohre),
Polypropylen (PP) (Rohre),
Polystyrol (PS), schumbares Polystyrol (EPS, XPS) (Wrmedmmung),
Polyamid (PA),
Polyethylenterephtalat (PET), Polybutylenterephtalat (PBT),
Polymethylmethacrylat (PMMA)
(Plexiglas), Polyvinylchlorid (PVC) (Fensterprofile, Rohre),
Polycarbonat (PC) und Polyester.
Duroplaste bestehen aus raumvernetzten Makromoleklen. Sie
entstehen meist in einem Hrtungsprozess aus einer Schmelze oder
Lsung der Komponenten durch eine
Vernetzungsreaktion. Durch die engmaschige Vernetzung der
Makromolekle sind Duroplaste
unschmelzbar.
Die Erwrmung von Duroplasten fhrt daher nicht zu einer
plastischen Verformbarkeit, sondern
lediglich zu deren Zerstrung. Ausgehrtete Duroplaste sind oft
hart und sprde und nur noch
mechanisch bearbeitbar.
Zur Gruppe der Duroplaste zhlen z.B. Polyurethanharze,
Poyesterharze; Verwendung:
Elektroinstallationen und Lacke.
Die Polymere bei Elastomeren sind weitmaschig vernetzt, was zur
Folge hat, dass sie sehr flexibel sind. Die Vernetzung erfolgt u.a.
durch Vulkanisation.31 Zu den Elastomeren gehren alle Arten von
vernetztem (Natur- oder Synthetik-)Kautschuk. Zu ihnen gehren
auch elastische Polymere auf der
Basis von Pflanzenprodukten wie Latex (Milchsaft). Elastomere
werden beim Erwrmen nicht weich
und sind in den meisten Lsemitteln nicht lslich.
Verwendung: Autoreifen (wegen ihres sehr guten
Rckfederunsverhalten), Hygieneartikel,
Chemikalienhandschuhe
Zu den generellen Eigenschaften der Kunststoffe zhlen:
sehr gutes Isoliervermgen (daher werden daraus auch
Wrmedmmungen, etwa aus
Styropor, hergestellt)
geringe Dichte
Brennbarkeit.
31 Fr die Vulkanisierung wird eine Kautschukmischung
(Rohkautschuk, Schwefel, Katalysatoren (zur Erhhung der
Reaktionsgeschwindigkeit)) und Fllstoffe erhitzt. Dabei werden die
langkettigen Kautschukmolekle durch Schwefelbrcken vernetzt und die
plastischen Eigenschaften des Kautschuks gehen verloren, d.h. mit
Hilfe der Vulkanisierung wird der Stoff von einem plastischen in
einen elastischen Zustand bergefhrt.
-
39
2.8 Dmmstoffe Dmmstoffe werden in Form von Matten, Filzen,
Platten oder auch lose eingesetzt.
Tabelle 2-6 zeigt unterschiedliche Eigenschaften verschiedener
Dmmstoffe.
Tabelle 2-6 Eigenschaften von Dmmstoffen
Dichte [kg/m]
Wrmeleitfhig-keit [W/mK]
Spezifische Wrmespeicher-kapazitt [J/kgK]
Dampfdiffusions-widerstand
Schilfrohrplatte 140 0,060 1 200 k.A. Hanf 35 0,040 612 1
Holzfaserdmmplatte 160 0,048 2 340 5 Zellulosefaserflocken 55 0,041
1 800 1 Korkplatte 120 0,048 1 800 10 Kokosfasermatte 90 0,045 612
1 Schafwolle Dmmfilz 30 0,040 1 800 1 Steinwolle 25 0,043 900 1
Mineralschaumplatte 115 0,049 1 300 2,5 - 3 Blhperlit 85 0,042 900
3 Blhglimmer 100 0.070 900 3 Schaumglas 105 0,041 900 dampfdicht
Polystyrol 25 0,036 1 400 60
2.8.1 Mineralische Dmmstoffe
Man unterscheidet folgende Dmmstoffe aus anorganischen
natrlichen Rohstoffen (z.B. Steinen und
Erden).
Mineralische Dmmstoffe:
Mineralwolle (Steinwolle oder Glaswolle) (einer der in sterreich
am Hufigsten eingesetzten Dmmstoffe aus Glas bzw. aus Steinen wie
Basalt, Dolomit oder Kalkstein) - vorrangige
Verwendung fr Innenwnde und hinterlftete Fassaden, aber auch fr
Dachschrgen.
Mineralfasern
Mineralschaum(platten) (bestehend aus Kalk, Sand und Wasser) -
haben eine relativ geringe Festigkeit und werden daher in der Regel
mit Gipskartonplatten verkleidet
Blhperlit (bestehend aus vulkanischem Perlit) - wird als loser
Dmmstoff oder auch in Form
von Platten eingesetzt
Kalziumsilikatplatten - (bestehend aus Kalk (Kalziumoxid) und
Sand (Siliziumoxid) sowie aus Zellulosefasern und Wasser) knnen
ohne Dampfsperre eingesetzt werden, da sie aufgrund
ihrer feinporigen Struktur Feuchtigkeit gut aufnehmen knnen
(feuchtigkeitsausgleichend),
aber auch diffusionsoffen sind.
Schaumglas (mit Treibmitteln (Kohlenstoffpulver) aufgeschumtes
Glas) - ist sehr teuer in der Herstellung, zeichnet sich aber durch
eine sehr hohe Druckfestigkeit aus
-
40
2.8.2 Dmmstoffe aus Kunststoffen
Dies sind Dmmstoffe, deren Ausgangsrohstoff Erdl ist. Sie sind
in der Regel eher gnstige
Dmmstoffe mit guter Dmmwirkung. Es gibt diffusionsoffe und
diffusionsdichte Dmmstoffe aus
Kunststoffen. Sie haben oftmals ein vergleichsweise groes
Volumen (Transport ist aufwendig).
Dmmstoffe werden unter anderem aus folgenden Kunststoffen
hergestellt:
Polyester
Polystyrol
Polyurethan-Hartschaum (PUR).
2.8.3 Dmmstoffe aus organischen natrlichen Rohstoffen
Hier unterscheidet man pflanzliche und tierische Dmmstoffe.
Diese Dmmstoffe werden u.a. aus folgenden pflanzlich Rohstoffen
hergestellt:
Stroh (hier wird ein Nebenprodukt aus dem Anbau von Getreide
verwendet): bei diesem Dmmstoff ist wichtig, dass die Feuchtigkeit
gering gehalten wird (nicht ber 15 %, da sonst
Gefahr der Schimmelbildung) und das Material in hoher und
gleichmiger Dichte eingebaut
wird (um eine gute Wrmedmmung zu erzielen und fr den Brand- und
Schdlingsschutz)
Schilf: hat den Vorteil, widerstandsfhig gegen (auch lnger
anhaltende) Wassereinwirkungen zu sein und hat eine hohe
Festigkeit. Die darin enthaltenen luftgefllten
Hohlrume wirken wrme- und auch schalldmmend. Schilf wird in
Matten- und in Plattenform
eingesetzt. Platten knnen als Putztrger dienen.
Hanf: ein Dmmstoff als Nebenprodukt der Hanfproduktion; Es gibt
ihn in Form von Matten und Dmmfilzen (fr Dachschrgen und
Leichtwnde) und auch als Stopfhanf (fr die
Zwischensparrendmmung und fr hinterlftete Fassaden) sowie lose
zur Dmmschttung
(z.B. zur Verwendung in Verbindung mit Lehm) auf dem Markt.
Baumwolle: wird in Form von Matten und Filzen und auch lose
eingesetzt. Lnger andauernde Feuchtigkeitsbelastung kann zu Fulnis
fhren.
Kork (aus der Rinde der Korkeiche): ist unempfindlich gegen
Feuchtigkeit, das heit die Dmmwirkung bleibt trotz
Feuchtigkeitseinwirkungen weitgehend erhalten. Kork wird in
Form
von Platten nicht nur zur Wrmedmmung, sondern auch zur
Trittschalldmmung eingesetzt,
zur Wrmedmmung auch in loser Form.
Kokosfasern: Kokos hat den Vorteil, resistent gegen
Schimmelbildung und Ungezieferbefall zu sein. Dmmstoffe aus Kokos
werden als Matten (hufig in Verbindung mit Latex), Filzen
und als Platten, aber auch als Stopfwolle angeboten. Sie werden
als Trittschalldmmung und
zur Zwischensparrendmmung verwendet.
-
41
Als tierisches Dmmstoffmaterial wird vor allem
Schafwolle: verwendet diese erfordert den Einsatz eines
Insektenschutzes, um Motten- und Kferbefall zu vermeiden.
Schafwolle wird in Form von Dmmstoffmatten und als Stopfwolle
angeboten.
2.9 Wichtige Begriffe Zur Erleichterung des Verstndnisses werden
hier einige Begriffe, die in der Materialkunde hufig
verwendet werden vorab kurz erklrt. Eine detaillierte
Darstellung einiger Begriffe findet sich in den
entsprechenden Abschnitten.
Fr physikalische Gren verwenden wir hufig griechische Buchstaben
(Tabelle 2-7).
Tabelle 2-7 Beispiele physikalischer Gren und deren
Kennbuchstaben
Zeichen Name Beispiel fr eine physikalische Gre rho Dichte sigma
(Druck-, Zug-, Biege-)Spannung tau (Schub-, Torsions-)Spannung
epsilon Dehnung alpha Wrmedehnzahl lambda Wrmeleitzahl my
Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl phi Relative Luftfeuchtigkeit
Delta Differenz, z.B. Lngennderung
Adhsion, Kohsion
Man unterscheidet, ob Molekularkrfte zwischen aneinander
angrenzenden Moleklen desselben
Stoffes oder zwischen Moleklen unterschiedlicher Stoffe wirken
(Abbildung 2-3).
Kohsionkraft = Anziehung zwischen einem Molekl und seinen
Nachbarn der selben Substanz
Adhsionkraft (lat. Adhaesio anhaften) = Anziehung zwischen
Moleklen, die benachbart sind, aber aus unterschiedlicher Substanz
bestehen.
-
42
Kohsion: Haften z.B. der blau eingezeichneten, stoffgleichen
Molekle
untereinander
Adhsion: Anhaften der Molekle einer Substanz an der angrenzenden
Oberflche der anderen Substanz Abbildung 2-3 Adhsion und
Kohsion
Man merkt die (Adhsionskraft, wenn man zwei feuchte Glasplatten
aneinander drckt. Je strker die
Adhsionskraft ist, desto schwerer lassen sich die Glasplatten
auseinanderziehen.
Isotrop, Anisotropie
Isotrope Materialien besitzen keine Richtungsabhngigkeit der
physikalischen Eigenschaften. Z.B. ist
die Druckfestigkeit von Stahl bei einem Wrfel in allen
Richtungen gleich gro.
Bei anisotropen Materialien sind die physikalischen
Eigenschaften richtungsabhngig. Bei Holz ist die
Druckfestigkeit parallel zur Faser wesentlich grer als normal
zur Faser.
Homogen, inhomogen
Ein Material, das ber seine gesamte Ausdehnung einen
gleichartigen Aufbau besitzt nennt man
homogen (z.B. Stahl).
Ein Material, das in sich unterschiedlich aufgebaut ist, wie
z.B. Beton (Zementstein und
Gesteinskrner) nennt man inhomogen. Holz ist ebenfalls inhomogen
(es besteht insbesondere aus
vielen Jahresringen mit jeweils unterschiedlichen
Eigenschaften).
Dispersion, Suspension, Emulsion
Dispersion ist der berbegriff fr Suspension und Emulsion. Es ist
ein Gemisch aus zwei oder mehr Stoffen, welche sich nicht oder nur
in sehr geringem Ausma ineinander lsen oder chemisch miteinander
verbinden (wie z.B. l mit Wasser).
Eine Suspension (lat.: suspendere bedeutet in der Schwebe
lassen) besteht aus einer Flssigkeit und einer darin schwebenden
festen Substanz, welche pulverfrmig und in der Flssigkeit fein
verteilt ist (z.B. eine Schlmme aus Ton in Wasser). Ein sehr
bekanntes Beispiel aus dem tglichen
Leben wre der naturtrbe Apfelsaft.
Eine Emulsion besteht aus einer Flssigkeit und darin fein
verteilt schwebenden winzigen Trpfchen einer zweiten Flssigkeit.
Ein sehr bekanntes Beispiel fr eine Emulsion ist die Milch.
-
43
Rheologie
Die Rheologie (griech. "Flieen") ist die Wissenschaft, die sich
mit dem Verformungs- und Flieverhalten von Materialien beschftigt,
z.B. rheologisches Verhalten von Frischbeton (Flieverhalten von
Frischbeton). Die in der Rheologie erforschten Verformungen
knnen
vorbergehender Natur (reversibel) oder irreversibel (plastisch)
sein. Die erforschten Verformungen
knnen abhngig von verschiedenen Faktoren, wie etwa Temperatur,
Feuchtigkeitseinwirkungen (z.B.
bei Holz) oder Krafteinwirkung (z.B. die Verformung der Decke
durch angreifende Lasten) sein. Ein
wichtiges Gebiet der Rheologie ist es, Berechnungsmethoden zu
finden, mit denen zu erwartende
Verformungen schon vorab berechnet werden knnen.
Viskositt
Die Viskositt ist ein Ma fr die Zhflssigkeit eine Flssigkeit.
Sie beschreibt den Widerstand des Stoffes gegen Flieen bzw. viskose
Verformung. Sie ist der Kehrwert zur Fluiditt, der Fliefhigkeit
eines Stoffes. Je grer die Viskositt, desto dickflssiger ist der
Stoff.
Die Viskositt von festen Stoffen ist im Allgemeinen so hoch,
dass sie schwer bestimmbar ist. Man
verwendet daher fr Feststoffe hufig auch die Begriffe Duktilitt
und Zhigkeit bzw. - als Gegenteil
dazu - die Sprdigkeit.
Duktilitt
Duktilitt (lat. von ducere; ziehen, leiten fhren) ist die
Eigenschaft eines Materials, sich unter
Belastung plastisch (irreversibel) zu verformen zu knnen, bevor
es versagt. Duktile Materialien brechen nicht pltzlich (Sprdbruch),
sondern sie verformen sich (stark), bevor sie brechen. Baustahl ist
ein duktiles Material, er kann sich stark verformen, ehe er bricht.
Dies hat den Vorteil,
dass man vor dem Materialversagen, dem Bruch, durch die
Verformung gewarnt wird. Glas dagegen
ist nicht duktil, sondern sprde: es verformt sich nicht sehr
stark, ehe es bricht. Auch Beton und Mauerwerk haben eine geringe
Duktilitt: der Bruch kann bei entsprechender Belastung sehr
unerwartet und pltzlich eintreten.
-
44
3 Chemie und Physik der Stoffe
3.1 Die Stoffe Zu den naturwissenschaftlichen Grundlagen der
Lehre ber die Baustoffe gehrt ein ausreichendes
Wissen ber Stoffe an sich. Ihr Aufbau, ihre wichtigsten
Eigenschaften und ihre Einteilung werden in
diesem und dem folgenden Kapitel erklrt. Die Abbildung 3-1
veranschaulicht eine Einteilung der
Stoffe.
Elemente
Reinstoffe
Verbindungen
Gasgemische
Homogenes Gemisch
Legierungen
Stoffe
Lsungen
Gemisch
Dispersionen
Heterogenes Gemisch
Kolloide
Gemenge
Abbildung 3-1 Einteilung der Stoffe
-
45
3.1.1 Reinstoffe
Reinstoffe sind Elemente oder Verbindungen; sie sind Stoffe, die
einheitlich aus nur einer einzigen chemischen Verbindung oder einem
einzigen chemischen Element bestehen; z.B.: Kohlenstoffdioxid,
Wasser, Sauerstoff, Kohlenstoff
Elemente sind Reinstoffe, die sich nicht durch chemische
Reaktionen in weitere Elemente zerlegen lassen; sie bestehen nur
aus einer Atomsorte; z.B. Sauerstoff; Kohlenstoff.
Es gibt 118 Elemente, die im Periodensystem der Elemente,
geordnet nach der Anzahl ihrer Protonen, aufgelistet sind. Atome
mit der gleichen Protonenanzahl haben gleiche chemische
Eigenschaften. Sie knnen sich aber in physikalischen
Eigenschaften unterscheiden.
Chemische Verbindungen sind Reinstoffe, die aus mindestens zwei
chemischen Elementen bestehen, welche durch Wechselwirkungen der
Elektronen in einem festen Atom- und daher auch in
einem festen Massenverhltnis zusammengehalten werden.
Das Charakteristische einer chemischen Verbindung ist die
chemische Formel, mit der man unter
Verwendung der molaren Masse die Menge an Produkten einer
chemischen Reaktion errechnen
kann32.
3.1.2 Gemische
Alle Stoffe, die keine Reinstoffe sind, werden zu den Gemischen
gezhlt. Ein Gemisch ist ein Stoff, der mehrere chemische
Verbindungen enthlt.
Man unterscheidet weiter:
Homogene Gemische: Die Vermischung der chemischen Verbindungen
ist so vollstndig, dass das Gemisch nur mehr eine Phase aufweist.
Die homogenen Gemische sind
Gasgemische, Legierungen oder (echte) Lsungen.
Heterogene Gemische: Die Vermischung der chemischen Verbindungen
ist nicht vollstndig, d.h., dass das Gemisch mehrere Phasen
aufweist. Heterogenen Gemische werden je nach
den entstehenden Phasen weiter unterteilt in Gemenge,
Dispersionen und Kolloide.
3.1.2.1 Homogene Gemische
Bei den homogenen Gemischen unterscheidet man
A) Gasgemische
B) Legierungen
C) Lsungen.
32 http://www.chemie.de/lexikon/Chemische_Verbindung.html
(letzte Zugriff 12.9.2014)
-
46
A) GASGEMISCHE
Gasgemische bestehen aus mindestens zwei verschiedenen
chemischen Elementen (Gasen) oder chemischen Verbindungen. Das
bekannteste Gasgemisch ist die Luft bestehend aus ca. 1/5
Sauerstoff und 4/5 Stickstoff.
B) LEGIERUNGEN
Die Fhigkeit zur Legierungsbildung ist eine grundlegende
chemische Eigenschaft von Metallen. Legierungen erhlt man durch das
Zusammenschmelzen von zwei oder mehreren Metallen, aber
auch von Metallen mit Nichtmetallen, z.B. Stahl =
Eisen-Kohlenstofflegierung
Es gibt verschiedene Typen von Legierungen, die sich durch ihre
Mischbarkeit im festen und flssigen Zustand unterschieden:
Mischkristalle (Abbildung 3-2)
Substitutionsmischkristalle
Einlagerungsmischkristalle
Mischkristalle bilden sich zwischen den Kristallgittern
unterschiedlicher Metalle aus.
Abbildung 3-2 links: Alpha Mischkristall; rechts: Gamma
Mischkristall (blau: Fe; rot: C)
Substitutionsmischkristalle eines Metalls sind Kristallgitter
bei denen Gitterpunkte im Kristallgitter in statistisch
ungeordneter Weise durch Atome eines anderen Metalls besetzt
sind.
Einlagerungsmischkristalle setzen sich aus einem
bergangsmetall33 und einem oder mehreren Nichtmetallen, wie z.B.
Wasserstoff, Kohlenstoff, Silicium, Stickstoff, Phosphor, Schwefel
oder Bor
zusammen. Im Metallgitter besetzen die Nichtmetallatome, von
denen nur geringe Mengen vorhanden
sind, Zwischengitterpltze. Dabei mssen die Nichtmetallatome
einen kleineren Durchmesser haben
als die Atome des Grundmetalls (z.B. Stahl).
33 Elemente mit den Ordnungszahlen 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis
80 und 89 bis 112 werden als bergangsmetalle bezeichnet. Beispiele:
Fe (26), Cu (29) Zn (30)
-
47
Merke: Wenn sich die Metalle im flssigen Zustand mischen lassen,
dann gibt es eine bestimmte Temperatur und ein bestimmtes
Mischungsverhltnis, in dem die beiden reinen Metalle in einem
Gleichgewicht mit einer Schmelze sind, in der beide Metalle
gemischt auftreten. Dieser Zustand wird
eutektischer Punkt genannt. Wenn man diese Schmelze rasch
abkhlt, dann erstarrt sie zu einer Legierung, die mikroskopisch
kleine Kristalle beider Metalle enthlt.
C) LSUNGEN
Lsungen sind Stoffgemische aus mindestens zwei chemischen
Stoffen.
Beispiele: Salz in Wasser; Alkohol in Wasser (z.B. Wein), Gas in
Wasser (z.B. Mineralwasser)
Lsungen bilden nur eine homogene Phase, d.h. die gelsten Stoffe
sind als Molekle, Atome oder
Ionen homogen im Lsungsmittel verteilt (sie sind nicht durch
Filtration trennbar).
3.1.2.2 Heterogene Gemische
Heterogene Gemische sind:
A) Dispersionen
B) Kolloide
C) Gemenge.
A) DISPERSIONEN
Dispersionen sind heterogene Gemische, bei der feinste Teilchen
(disperse Phase) eines Stoffes in
einem anderen Stoff (Dispersionsmittel) schweben, d.h.
Dispersionen sind Flssigkeiten, in denen
sehr kleine Teilchen eines weiteren Stoffes fein verteilt sind,
ohne dass sie gelst sind. Dispersionen
mit ihren Bezeichnungen und Bespielen sind in Tabelle 3-1
zusammengestellt.
Tabelle 3-1 Bezeichnung von Dispersionen34
Disperse Phase
Dispersions-mittel Name Teilchengren
Beispiele
gasfrmig flssig Schaum ca. 10-6 bis 10-3mm fest fester Schaum
ca. 10-6 bis 10-3mm Bimsstein, PU-Schaumflssig gasfrmig flssiges
Aerosol ca. 10-6 bis 10-3mm Nebel flssig Emulsion ca. 10-6 bis
10-3mm Milch, Kautschuk fest feste Emulsion ca. 10-6 bis 10-3mm
Pudding fest gasfrmig festes Aerosol ca. 10-6 bis 10-3mm Staub
flssig Sol Suspension: ca. 10-4 bis 103mm
Kolloid: ca. 10-6 bis 10-4mm Dispersionsfarbe, Frischbeton,
Schlamm
fest Festes Sol Gel ca. 10-6 bis 10-3mm Kolloid: ca. 10-6 bis
10-4mm
Zementgel
34
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/1/pc/pc_09/pc_09_02/pc_09_02_01.vlu.html
(letzter Zugriff 13.9.2014)
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Sind beide beteiligten Phasen gasfrmig, dann entsteht keine
Dispersion, weil Gasgemische immer
homogen sind. Bei zwei festen Phasen entsteht ein Gemenge, das
nicht zu den Dispersionen zhlt.
B) KOLLOIDE
Der Begriff des Kolloids wird mehrdeutig verwendet:
Der Begriff Kolloid oder kolloidale Lsung bezeichnet einerseits
eine Dispersion, in der feste Partikel in einer flssigen Phase
gelst sind. Es ist hierbei zu beachten, dass diese Systeme
keine
echten Lsungen, sondern Suspensionen sind.
Der Begriff Kolloid wird aber auch ganz allgemein als Definition
fr die Gre der Strukturen eines Systems verwendet. Als Kolloide
werden demzufolge alle dispersen Systeme bezeichnet, deren
Teilchen oder Strukturen im Grenbereich von etwa 1 bis 100 nm
liegen.
Im Bereich des Bauwesens sind bei den Kolloiden die Begriffe Sol
und Gel von besonderer
Bedeutung:
Ein Sol hat ein weitgehend homogenes Erscheinungsbild, zumindest
bei Untersuchungen unter einem Lichtmikroskop; das
Dispersionsmittel ist flssig, meist Wasser. Eine kolloidale
Lsung macht jedoch im Gegensatz zu echten Lsungen ber den
Tyndall-Effekt den
Strahlengang von Lichtstrahlen sichtbar. Die einzelnen
Feststoffteilchen sind bei der
Untersuchung unter einem Elektronenmikroskop sichtbar. Sie sind
weitgehend voneinander
getrennt und in der flssigen Phase frei beweglich. Typische Sole
sind Druckertinten.35
Gel: Wenn sich die festen Teilchen zu einem feinen,
schwammartigen Netzwerk verbinden, in dem die Flssigkeitsmolekle
eingebettet sind, dann spricht man von einem Gel. In diesem Fall
ist der Feststoff das Dispersionsmittel und die Flssigkeit ist
dispergiert. Die Teilchen sind
im Gegensatz zum Sol nicht frei gegeneinander verschiebbar36.
Gele sind viskoelastische Fluide z.B. Zementgel (wichtig fr die
Eigenschaften sind z.B. die Gelporen).
Sole und Gele aus hydrophilen Stoffen und Wasser knnen
ineinander umgewandelt werden (Sol-Gel
Verfahren). Koagulation macht aus einem Sol ein Gel, Peptisation
aus einem Gel ein Sol.
C) GEMENGE
Ein Gemenge ist ein heterogenes Gemisch aus zwei oder mehreren
Feststoffen.
Der Begriff Gemenge wird in der Fachliteratur nicht eindeutig
definiert:
Gemenge: Gemisch, dessen Bestandteile meist grob verteilt sind
und mit dem Auge unterschieden
werden knnen.37
Von einem Gemenge spricht man auch bei granulen (Haufwerk,
Schttgut) oder lebenden
35 vgl. Benedix, S 158 36 Diese Definition ist die
meistverbreitete, eine allgemein anerkannte Definition gibt es
nicht. 37 http://www.duden.de/rechtschreibung/Gemenge (letzter
Zugriff 29.9.2014)
http://www.duden.de/rechtschreibung/Gemenge#Bedeutung1http://www.duden.de/rechtschreibung/Gemenge#Bedeutung1
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Komponenten (Samen), die sich nur miteinander vermengen, aber
nicht homogen mischen knnen,
ohne abzusterben oder funktionsunfhig zu werden.38
3.2 Aggregatzustnde und Phasen
3.2.1 Allgemeines
Der Aggregatzustand (fest, flssig oder gasfrmig) ist eine
physikalische Eigenschaft, die vom Druck und der Temperatur abhngig
ist.
Die Phase ist ein homogenes Teilvolumen eines Stoffes, das
bestimmte fixe physikalische und chemische Eigenschaften aufweist.
Z.B. sind Zementphasen Teile des Zementsteins mit fixen
Eigenschaften.
Eine Phase eines Stoffes hat einen bestimmten fixen
Aggregatzustand.
3.2.1.1 Die Aggregatzustnde
Stoffe knnen in unterschiedlichen Aggregatzustnden vorliegen:
fest, flssig oder gasfrmig.
Ein Stoff ist fest, wenn er ein fixes Volumen und eine
definierte Form aufweist.
Er ist fl