Wichtige mineralische Baustoffe

Baustoffe sind alle Materialien, aus denen Bauwerke entstehen. Das können Metalle und deren Legierungen, Steine, Stoffgemische wie Zement und Beton, Glas oder auch pflanzliche Materialien wie Holz sein. Jeder Baustoff bringt, durch seine Eigenschaften bedingt, für die unterschiedlichsten Verwendungszwecke Vor- und Nachteile mit sich.

Baustoffe sind alle Materialien, aus denen Bauwerke entstehen. Das können Metalle und deren Legierungen, Steine, Stoffgemische wie Zement und Beton, Glas oder auch pflanzliche Materialien wie Holz sein. Für Wohnhäuser und Industriebauten werden die vielfältigsten Baumaterialien verwendet. Jeder Baustoff hat bestimmte wünschenswerte aber auch nachteilige Eigenschaften.

1. Beton

Beton ist ein sehr stabiler künstlicher Stein und gilt als moderner Baustoff. Er ist jedoch keineswegs eine Erfindung heutiger Zeit, sondern war schon in der römischen Antike bekannt. Römischer Beton ist eine der bedeutendsten Erfindungen der Baugeschichte.

Die großartigsten Beispiele römischer Baukunst, das Kolosseum und das Pantheon mit seiner 43 Meter freitragenden Kuppel, wären ohne die Entwicklung des Betons nie errichtet worden. Im Mittelalter geriet der Beton in Vergessenheit.

Erst vom 18. Jahrhundert an wurde Beton wieder häufiger verwendet. 1867 wurde der Stahlbeton erfunden.

Der französische Gärtner JOSEPH MONIER war es leid, dass seine großen Pflanzenkübel immer wieder zerbrachen. So verstärkte er diese einfach mit Eisendrähten, die er in den Beton eingoss.

Dies war die Geburtsstunde des Stahlbetons. Durch die Erfindung des Portlandzements und die Einführung des Stahl- sowie des Spannbetons ist der Anwendungsbereich des Betons außerordentlich erweitert worden.

Die wichtigsten Bestandteile von Beton sind Zement und diverse Zuschlagstoffe wie z. B. Kies, Sand, Splitt oder Bims. Zement entsteht, wenn der Kalkstein unter Zusatz von Ton gebrannt wird. Dabei entsteht ein Gemisch verschiedener Calciumsilicate und Calciumaluminate. Mit Wasser und Sand vermischt, erhält man daraus den Zementmörtel, mit dem auch unter Wasser gebaut werden kann.
Mengt man nun Zement, Zuschlagstoffe und Wasser zusammen, erhält man über einen chemischen Prozess Beton. Zement und Beton sind sehr druckfest. Durch Einarbeitung von Stahlstäben oder Stahlgeflechten wird aus Beton der sehr belastbare Stahlbeton.
Der Beton erhärtet, indem der Zement mit dem Wasser reagiert und durch Hydratation, eine Reaktion bei der Wasser angelagert wird, einen Teil des Wassers chemisch als Hydratwasser bindet. Der übrige Teil des Wassers ist als Porenwasser nicht gebunden und verdunstet bei trockener Lagerung während eines längeren Zeitraums.

Der Beton lässt sich im flüssigen, noch formbaren Zustand praktisch in jede Form gießen. Diese Eigenschaft macht den Beton zu einem begehrten Baustoff. Zu den weiteren Eigenschaften gehört die Wasserundurchlässigkeit, ein hoher Frost- und Verschleißwiderstand und ein hoher Widerstand gegen chemische Angriffe (z. B. saurer Regen).

Zudem ist er wirtschaftlich von Interesse, da die Zuschläge leicht verfügbar und die Baumöglichkeiten mit Beton sehr vielseitig sind.

Stahlbeton

Beton besitzt eine hohe Druckfestigkeit, kann aber keine Zugkräfte aufnehmen. Also muss in den Beton ein Material eingebettet werden, dass hohe Zugkräfte verträgt. Im Stahlbeton bietet Stahl die erforderliche Zugfestigkeit.
Stahlbeton ist ein Beton, der mit Stahleinlagen in Form von Stäben, Drähten oder Matten verstärkt ist. Die Kombination zwischen Stahl und Beton ist gut möglich, da beide Materialien eine fast gleiche Wärmeausdehnung besitzen.

Da sich Beton und Eisen beim Erwärmen nahezu gleich stark ausdehnen, entstehen bei Temperaturschwankungen keine Spannungen, welche Risse im Beton erzeugen könnten.

Ein Problem beim Einsatz von Stahlbeton ist die spätere Korrosion der Stahleinlagen durch alkalisches Porenwasser. Das Problem kann jedoch z. B. durch die Verwendung von rostfreiem Stahl gelöst werden.

Spannbeton unterscheidet sich vom Stahlbeton dadurch, dass die Stahleinlagen mit einer Zugkraft vorgespannt werden. Der Spannbeton eignet sich für große Spannweiten und hohe Lasten, wie sie beim Bau von Brücken und Kuppeln gebraucht werden.

wichtige mineralische Baustoffe

Durch den Einsatz von Stahl- und Spannbeton sind Konstruktionen möglich geworden, die mit konventionellen Materialien undenkbar wären.
Durch die vielseitigen Nutzmöglichkeiten des Betons ist er mit über fünf Milliarden Kubikmetern der weltweit meistgenutzte Baustoff.

2. Gips

Gips ist eigentlich ein Mineral der Zusammensetzung $(C a S O_{4} \cdot 2 H_{2} O)$ . Für die Nutzung im Baugewerbe muss das Material vorbehandelt werden. Erhitzt man Gips auf 120 - 130 °C, so spaltet sich aus dem Kristall ein Teil seines Kristallwassers ab. Diesen Vorgang nennt man das Brennen von Gips. Aus dem Dihydrat wird dabei ein Halbhydrat $(C a S O_{4} \cdot 1 / 2 H_{2} O)$ , das auch als „gebrannter Gips“ bezeichnet wird.

Verrührt man den gebrannten Gips mit Wasser zu einem Brei, erhärtet dieser rasch zu einer festen Masse aus feinfaserigen, miteinander verfilzten Gipskristallen. Bei diesem als Abbinden bezeichneten Prozess lagern sich wieder Wassermoleküle als Kristallwasser an. Es entsteht wieder das ursprüngliche Calciumsulfatdihydrat $C a S O_{4} \cdot 2 H_{2} O$ .
Neben dem Baugewerbe findet der gebrannte Gips auch als Keramik, in der Medizin und in der Bildhauerei Verwendung.

Stuckgips

In der Technik wird Gips in großen Eisenkesseln („Gipskocher“) bei einer Temperatur von 130-180 °C entwässert.
Dabei entsteht der Stuckgips, der eine Modifikation des wasserfreien Calciumsulfats ist und wesentlich schneller abbindet als das Halbhydrat. Die Volumenzunahme bei der Wasseranlagerung ermöglicht die Anfertigung von Gipsformen, die feinste Strukturen wiedergeben.

Estrichgips

Wird der Gips noch weiter erhitzt, büßt er bei 500 °C seine Abbindefähigkeit wieder ein. Beim Brennen in Schachtöfen bei 800-900 °C entsteht der Estrichgips. Dieser ist chemisch gesehen eine andere Modifikation des wasserfreien Calciumsulfats und bindet mit Wasser innerhalb von mehreren Tagen langsam zu einer zementharten Masse ab.

Totgebrannter Gips

Beim Erhitzen auf 1000-1200 °C entsteht totgebrannter Gips, der sich wie auch natürliches Anhydrit nur schwer mit Wasser umsetzen lässt.

Basischer Gips

Oberhalb von 1200 °C spaltet der Gips dann Schwefeltrioxid $S O_{3}$ ab. Durch die hohen Temperaturen geschieht dies in Form von Schwefeldioxid $S O_{2}$ und Sauerstoff $O_{2}$ .

$2 C a S O_{4} ⇄_{}^{} 2 C a O + 2 S O_{2} + O_{2}$

3. Mörtel

Mörtel besteht aus Zuschlagstoff (meist Sand), Bindemittel (Zement, Gips oder Kalk) und Wasser. Mörtel werden für die Herstellung von Mauerwerk, Putz und Estrichen verwendet.

Gebrannter Kalk (auch Branntkalk, Ätzkalk: Calciumoxid CaO) wird mit Wasser zu Calciumhydroxid $C a {(O H)}_{2}$ (Löschkalk) umgesetzt und zum Weißen von Häusern oder als Bestandteil des Kalkmörtels verwendet. Beim Abbinden bildet sich mit Kohlenstoffdioxid aus der Luft Calciumcarbonat, dessen Kristalle die Baustoffe miteinander verbinden.

Kalkbrennen:
${CaCO}_{3} \overset{}{\to} CaO + {CO}_{2} Δ H° = + 178 kJ/mol$
Löschen von Kalk:
$CaO + H_{2} O_{} \overset{}{\to} {Ca(OH)}_{2} Δ H° = - 65 kJ/mol$
Abbinden von Kalkmörtel:
${Ca(OH)}_{2} + C O_{2}_{} \overset{}{\to} {CaCO}_{3} + H_{2} O$

4. Baukeramik

Keramiken sind nichtmetallische, anorganische Stoffe, die aus kristallinen Bestandteilen aufgebaut sind. Ihre endgültigen Eigenschaften erhalten sie in einem Hochtemperaturprozess, der sogenannten Sinterung.

Keramische Baustoffe wie Ton, Lehm oder Porzellan basieren auf Silicaten unterschiedlicher Zusammensetzung und Struktur. Die Baukeramik wird im Innen- und Außenbau verwendet. Auch als Schmuckelement ist sie mit dem Bauwerk fest verbunden. Zur Baukeramik gehören Ziegel, Dachziegel, Klinker, Fliesen, Ofenkacheln und Tonrohre.
Die Eigenschaften der Baukeramik ähneln denen von Ziegeln, wobei das Material nicht so porös und brüchig ist.

Prinzipiell sind keramische Baustoffe Stoffgemische, die aus Ton mit verschiedenen Zusätzen hergestellt werden.

Je nach Beschaffenheit des tonhaltigen Ausgangsstoffs kann Steingut, Steinzeug oder Porzellan erzeugt werden.
Ton besteht in seiner reinsten Form aus Aluminiumsilicat, ist aber in der Regel mit Sand, Feldspat und Eisenverbindungen vermischt. Lehm ist ein Ton, der besonders viel Sand und zusätzlich noch Kalk (Calciumcarbonat) enthält. Kaolin, eine besonders reine Tonerde, wird zur Herstellung von Porzellan genutzt. Porzellan entsteht aus den Mineralen Aluminiumsilicat, Feldspat und Quarz.

5. Ziegel und Klinker

Ziegel werden aus Lehm, Sand, Wasser und Zusätzen hergestellt. Auch dieses Baumaterial besitzt eine gute Druckfestigkeit und kann zudem durch Poren Gase und Wasserdampf austauschen.

Für die Ziegelherstellung wird der Ton mit Wasser gemischt und nach Bedarf gemagert, das heißt zum Beispiel mit Lehm und Sand vermischt, dann geformt, getrocknet und in der Regel gebrannt. Das Brennen des Ziegels erfolgt unterhalb der Sintertemperatur, bei der sich die Körnung verändert. Ziegel gehören damit zum Irdengut.

Die Brenntemperatur ist niedriger als 900 bis 1200 Grad. Dieses Irdengut ist wasserdurchlässig und durch Stahl leicht ritzbar.
Der Ziegel, auch Backstein genannt, ist ein quaderförmiger Baustein aus gebranntem Ton von roter, gelber oder brauner Farbe. Er ist normalerweise 25 cm lang, 12 cm breit und 6,5 cm hoch. Er dient zur Errichtung von Gebäudetragwerken oder in fliesenähnlicher Form zur Verwendung als Dachziegel.

Von Hand werden die Steine in hölzernen Formen nass geformt, glatt gestrichen und herausgestochen (handgestochener Ziegel). Bei der maschinellen Produktion (Maschinenziegel) wird die Masse fortlaufend in Form eines Stranges durch die rechteckige Öffnung der Strangpresse gepresst und mit Draht in einzelne Steine abgeteilt.

Diese werden auf Gestellen in Trockenkammern oder im Freien getrocknet und im Ringofen bei 900 bis 940 Grad gebrannt. Die Rotfärbung der gebrannten Ziegel beruht auf dem Gehalt an Eisenoxiden im Ton.

Luftgetrocknete oder ungebrannte Ziegelsteine werden auch heute noch beim Häuserbau in Nordafrika, Vorderasien und in Mexiko verwendet.
Ein besonders hochwertiger Baustoff ist der Klinker.
Der Klinker wird auch Hartbranntziegel genannt. Er wird aus kalkarmen Tonen mit etwa 5 bis 8 % Eisengehalt gebrannt.
Klinker besitzt eine glasartige, harte Oberfläche und ist mit Stahl kaum ritzbar. Er ist wasserundurchlässig und besitzt eine große Druckfestigkeit, ist wetter- und säurefest.

Um Klinker herzustellen, ist eine höhere Brenntemperatur nötig. Das Material wird auf 1200 bis 1500 Grad erhitzt. Bei diesem Vorgang werden die einzelnen Stoffkörnchen des Tongemisches so stark erhitzt, dass diese zusammenbacken. Diesen Vorgang nennt man Sintern.

6. Glas

Unter dem Begriff Glas fasst man anorganische Stoffe zusammen, die beim Abkühlen aus ihrer Schmelze erstarren, ohne zu kristallisieren. Glas stellt man aus Quarzsand mit verschiedenen Zusätzen her. Es ist lichtdurchlässig, lässt sich in geschmolzenem Zustand in jede beliebige Form bringen und mit Metallen oder Metalloxiden einfärben. Ein großer Nachteil ist die Sprödigkeit von Glas, es zerbricht sehr schnell.

Für die Herstellung von sogenanntem Normalglas (Fensterglas) werden folgende Rohstoffe benötigt:

Quarzsand $(S i O_{2}),$
Natriumcarbonat $(N a_{2} C O_{3})$ - Soda,
Calciumcarbonat $(C a C O_{3})$ - Kalk,

Anstelle von Soda verwendet man auch Pottasche = Kalium-carbonat $(K_{2} C O_{3}),$ für Kalk auch Dolomit $(C a C O_{3} \cdot {MgCO}_{3})$ .
Diese Rohstoffe existieren in der Natur weltweit in nahezu unerschöpflichen Vorräten, sodass der Werkstoff Glas in Zukunft andere knapper gewordene Materialien ersetzen wird.

Ersetzt man Natriumcarbonat $(N a_{2} C O_{3})$ und Calciumcarbonat $(C a C O_{3})$ teilweise durch andere Verbindungen (z. B. Kaliumcarbonat, Bortrioxid $B_{2} O_{3}$ oder Aluminiumoxid), dann erhalten die Gläser besondere Eigenschaften.
Um eine Färbung des Glases zu erzielen setzt man den Gemischen Metallverbindungen, meist Metalloxide, zu. Eisen(II)-oxid (FeO) erzeugt z. B. eine blaugrüne Färbung.

Durch Variation der Zusammensetzung und der thermischen Bedingungen bei der Glasherstellung kann man die Struktur und die Eigenschaften von Gläsern optimieren.
So kann Glas als Baumaterial, zur Herstellung von Gefäßen oder Glasfasern (Wärme- und Schallisolierung, Nachrichtentechnik) eingesetzt werden. Aber auch Glasgewebe oder optische Gläser spielen eine wichtige Rolle in der Technik. Wird eine Glasschmelze mit hochschmelzenden Oxiden versehen, entsteht die Glaskeramik Ceran, die man u. a. aus dem Haushalt (Herdplatten aus Ceran) kennt.

7. Holz

Eine gute Alternative zu den mineralischen Baustoffen ist der nachwachsende Rohstoff Holz, der eine Reihe attraktiver Eigenschaften aufweist.

Es ist leicht zu bearbeiten.
Es hat eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht.
Es besitzt gute Isolierfähigkeit gegen Wärme und Kälte.
Es hat eine hohe Biegefestigkeit.
Holz gibt es in einer großen Vielfalt an Farben, Zeichnungen und Dichten.
Es hat geringe Gewinnungs- und Bereitstellungskosten.

Allerdings ist Holz feuchtigkeitsempfindlich und wird von Holzschädlingen angegriffen. Deshalb muss es mit geeigneten Holzschutzmitteln behandelt werden um eine ausreichende Beständigkeit zu gewährleisten. Seinen hydrophilen Eigenschaft hat es Holz auch zu verdanken, dass es in Abhängigkeit des Feuchtigkeitsgehaltes der Umgebung anfängt zu „arbeiten“. Das heißt, in trockener Umgebung zieht sich Holz zusammen und dehnt sich entsprechend in feuchten Verhältnissen wieder aus. Das muss bei der Verarbeitung von Holz als Baumaterial unbedingt beachtet werden. Um diesen Aspekt zu reduzieren wird Holz vor der Verarbeitung meist lange abgelagert (getrocknet).
Chemisch gesehen ist Holz ein Stoffgemisch, dass hauptsächlich aus Cellulose, Lignin, Wasser und anderen Stoffen (Harze, Wachse, Phenole u. v. a. m.) besteht. Die Eigenschaften der verschiedenen Holzarten, ergeben sich aus der unterschiedlichen Zusammensetzung der Hölzer. So kann z. B. der Wassergehalt zwischen 15 und 60 % variieren.

Auch die folgenden Stoffe werden aus Holz gewonnen oder mit Holz hergestellt.

Holzbeton: Beton, der aus vorbehandelten Holzspänen, Holzmehl oder Holzwolle und Zement gemischt ist; er ist ein säge- und nagelbarer Leichtbeton und wird für Dämm- und Fußbodenplatten verwendet.

Acetyliertes Holz: Die OH-Gruppen der Cellulose können mit Essigsäure verestert werden.
Das so erhaltene acetylierte Holz kann keine Feuchtigkeit mehr aufnehmen, es ist somit dimensionsstabil. Weiterhin ist es resistent gegen den Befall durch Insekten und Pilze. Es eignet sich daher sehr gut zur Herstellung sehr hochwertiger Gebrauchsgegenstände.

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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