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

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Baus

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e Ve

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prod

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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"

Wärmedämmglas gefüllt mit Ar, Kr Brandschutzglas mit aufschäumender Brandschutzschicht bei Hitzeeinwirkung (ab 120 °C) Na2SiO3(aq), Verdampfen des gebundenen Wassers Glaskorrosion Trübung durch oberflächliche Bewitterung (Gelschichtbildung), (weiches) Wasser, Säuren, Basen