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