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

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

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

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

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

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.

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)

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

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.

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/

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

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.

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).

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.

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).

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)

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.

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)

48

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

49

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