Baustoffe: Eigenschaften, Klassifizierung und Umwelteinflüsse

Grundlegende Materialeigenschaften

Permeabilität: Die Eigenschaft von Flüssigkeiten, ein Material unter Druck- und Temperatureinfluss zu durchdringen.

Kapillarität: Die Eigenschaft eines Festkörpers, eine Flüssigkeit durch Kapillarkräfte aufsaugen und aufsteigen zu lassen.

Klassifizierung von Bauprodukten nach Brandverhalten

Die Reaktion auf Temperaturerhöhung wird anhand folgender Kriterien bewertet:

• RE (Reaktion auf Feuer): Beitrag zum Brand.
• µm (Massenverlust): Verlust an Masse.
• tf (Flammenlänge): Ausbreitung der Flamme.
• FS (Flammenausbreitung): Grad der Ausbreitung.
• Ho (Heizwert): Potenzieller Heizwert.
• FIGRA (Brandfortschrittsindex): Geschwindigkeit der Brandausbreitung.
• THR600s (Gesamtwärmefreisetzung): Freigesetzte Wärme in 600 Sekunden.
• LFS (Laterale Flammenausbreitung): Ausbreitung der Flammenfront seitlich.
• SMOGRA (Rauchentwicklungsrate): Rate der Rauchentwicklung.
• TSP600s (Gesamtrauchentwicklung): Gesamte Rauchentwicklung in 600 Sekunden.

Klassen der Reaktion auf Feuer (A1 bis F)

Baustoffe werden nach ihrem Beitrag zum Brand in 7 Klassen eingeteilt:

• A1 und A2: Kein Beitrag zum Brand.
• B: Sehr geringer Beitrag zum Brand.
• C: Geringer Beitrag zum Brand.
• D: Kleiner Beitrag zum Brand.
• E: Brandverhalten nicht bestimmt.
• F: Nicht klassifiziert.

Einstufung konstruktiver Elemente nach Funktion

Die Feuerwiderstandsklassen von Bauteilen werden durch Buchstabenkombinationen definiert:

• R (Tragfähigkeit): Fähigkeit, Lasten zu tragen.
• E (Integrität): Fähigkeit, das Durchdringen von Flammen und heißen Gasen zu verhindern.
• I (Isolation): Fähigkeit, die Temperatur auf der unversehrten Seite zu begrenzen.
• W (Strahlung): Begrenzung der Wärmeabstrahlung.
• M (Mechanik): Widerstand gegen mechanische Einwirkungen.
• C (Schließen): Fähigkeit, sich selbstständig zu schließen.
• S (Rauchdichtheit): Abdichtung gegen Rauchdurchtritt.
• G (Rußbeständigkeit): Widerstand gegen Rußablagerungen.
• K (Brandschutzfähigkeit): Allgemeine Brandschutzkapazität.

Beispiele für Klassifikationen (EI, REI, EW)

• EI 30: Integrität und Isolation für mindestens 30 Minuten.
• REI 60-M: Tragfähigkeit, Integrität und Isolation für mindestens 60 Minuten, inklusive mechanischer Einwirkung.
• EW 120-C: Strahlung und Integrität für mindestens 120 Minuten, inklusive Verschlüsse.

Mechanische Eigenschaften und Materialverhalten

Mechanische Eigenschaften definieren das Verhalten von Materialien gegenüber äußeren Einwirkungen, die deren Nutzung beeinflussen.

Spannung und Verformung

• Bruchfestigkeit: Die Spannung, die ein Material aushält, bevor es versagt. Spannung ist die Intensitätsverteilung der Kräfte, die eine Formänderung bewirken. Arten sind Druckspannung (Bruchlast geteilt durch Fläche), Zugspannung, Scherung und Biegung. Die Formel für die Spannung (σ) lautet: σ = P / A (P = Kraft, A = Fläche).
• Elastizität (Hookesches Gesetz): Die Eigenschaft einiger Materialien, Verformungen zu zeigen, die proportional zur Last sind, und nach Wegfall der Last in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren.
• Plastizität: Die Eigenschaft von Materialien, sich dauerhaft zu verformen, ohne Risse zu erleiden (z.B. weicher Ton oder Blei).
• Sprödigkeit: Die Eigenschaft eines Materials, keine plastische Verformung zu zeigen und über die Elastizitätsgrenze hinaus sofort zu brechen.
• Zähigkeit: Die Fähigkeit eines Materials, sich bei Verformung zu verfestigen (Festigkeitssteigerung durch Deformation).

Härte

Härte: Die Fähigkeit eines Materials, Oberflächenverformungen durch dynamische Einwirkung eines anderen Körpers zu widerstehen. Man unterscheidet Ritzhärte, Eindringhärte, elastische Härte und Scherspannungshärte.

• Ritzhärte: Zeigt die mineralogische Härte und den Widerstand gegen Kratzer.
• Eindringhärte: Der Widerstand eines Körpers gegen das Eindringen eines anderen Körpers unter Druck. Die Angabe 30HB 10/30.000/30'' bedeutet: Brinellhärte-Wert von 30 N/mm², Kugel von 10 mm Durchmesser, aufgebrachte Last von 30.000 N, Einwirkdauer von 30 Sekunden.

Weitere mechanische Reaktionen

• Kerbschlagzähigkeit: Das Verhalten eines Materials gegenüber Stoßbelastungen, gemessen an der absorbierten Energie beim Aufprall.
• Druckfestigkeit: Die Reaktion auf den Druck, der durch einen anderen Körper ausgeübt wird.

Elektrochemische Zellen

Beim Eintauchen eines Metallstücks (z.B. Zink) in eine Lösung (z.B. Kupfer-Sulfat) entsteht eine elektrochemische Zelle. Das Metall (Zn) oxidiert zu Ionen (Zn²⁺), während die Ionen in der Lösung (Cu²⁺) zu Metall reduziert werden (Cu). Zink wirkt als Anode, Kupfer als Kathode, wodurch ein Elektronenfluss und somit Elektrizität erzeugt wird. Für den Stromfluss sind notwendig:

• Ein Elektronentransfer an beiden Elektroden.
• Die Elektroden sind durch einen elektrischen Leiter verbunden.
• Die beiden Zellen sind durch eine Salzbrücke verbunden.

Spanische Regelwerke

Wichtige technische Regelwerke sind:

• CTE: Código Técnico de la Edificación (Technische Bauordnung).
• DITE: Documento de Idoneidad Técnica Europeo (Europäische Technische Zulassung).
• NBE: Normas Básicas de la Edificación (Grundnormen für das Bauwesen).
• NTE: Normas Tecnológicas de la Edificación (Technologische Baunormen).

Formeln und Dichteberechnungen

Probleme mit Formeln

Dichte fester Stoffe (D_r):

• D_r = P_d / V_R (P_d = Gewicht, V_R = Volumen des Feststoffs).
• Mit Pyknometer: D_r = P_m / (P_m - L_f - L_i) (P_m = Masse des Pyknometers mit Probe, L_f = Masse des Pyknometers mit Probe und Flüssigkeit, L_i = Masse des Pyknometers mit Flüssigkeit).

Dichte von dispergierten Matten:

• Relativ: D_r = P_d / V_relativo (Summe aller Volumina).
• Gesamt: D_r = P_d / V_conjunto (Volumen des Behälters bei Füllung bis zum Rand).

Weitere Formeln:

• Normaldichte: P_n = (P_s - P_d) / P_d × 100 %
• Porosität: V_R / V_ap × 100 % = D_ap / D_r × 100 %
• Packungsdichte: V_pacc = (P_s - P_d) / ρ_liqu

Chemische Umgebung und Atmosphäre

Zusammensetzung der Luft

Luft: Eine Gasmischung, die die Erdatmosphäre bildet und durch die Schwerkraft gehalten wird (Gesamtmasse ca. 500 Billionen Tonnen). Sie enthält O₂, Wasserdampf, H₂, Ozon, Kohlenmonoxid und Wasserstoffgase.

Schichten der Atmosphäre

• Troposphäre: Bis ca. 12 km (7 km an den Polen, 16 km an den Tropen). Enthält Staub, Rauch und Wasserdampf.
• Stratosphäre: 12–50 km. Kühler Bereich, in der oberen Hälfte viel Ozon, das einen Großteil der UV-Strahlen absorbiert.
• Mesosphäre: 50–100 km. Temperaturen sinken stark. Meteoriten verglühen hier.
• Ionosphäre: Ab 100 km bis ca. 500 km. Temperaturanstieg durch ionisierende Strahlung.
• Exosphäre: 500–1000 km.

Ozon (O₃)

Eine allotrope Form von Sauerstoff (O₂). Es ist eine bläuliche Substanz, die bei Abkühlung flüssig wird und als violetter Feststoff gefriert. Es kommt in geringen Konzentrationen (ca. 20 ppb) in der Nähe der Erdoberfläche vor.

Treibhauseffekt und Strahlung

Treibhauseffekt: Die Sonne liefert Energie (ca. 342 W/m²). 30 % werden reflektiert, 10 % der einfallenden Strahlung absorbiert, was thermische Phänomene und Verdunstung erzeugt, die das Wetter bestimmen.

• UV-Strahlung: Der energiereichste Teil wird hauptsächlich durch Ozon und Eisen(III)-Schichten absorbiert.
• Infrarotstrahlung: Wird von Gasmolekülen (Wasserdampf, CO₂, Methan, NO₂) in den verschiedenen Schichten absorbiert. Etwa 50 % der Infrarotenergie erreichen die Erdoberfläche. Die Erde absorbiert diese Energie und gibt sie als Wärme ab. Die Atmosphäre absorbiert einen Teil dieser Wärme und strahlt sie zur Erde zurück, was zur Erwärmung der Oberfläche führt. Ohne diesen Effekt läge die Erdtemperatur bei -18 °C statt der aktuellen 15 °C.

Luftverschmutzung

• Saurer Regen: Niederschlag mit saurem pH-Wert, verursacht durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe in Kraftwerken und Fahrzeugen (Schwefeldioxid → Schwefeltrioxid → H₂SO₄).
• Photochemischer Smog: Luftverschmutzung in städtischen Gebieten, verursacht durch photochemische Reaktionen, die Ozon erzeugen. Dies führt zu einer rötlich-braunen Atmosphäre und respiratorischen Problemen (oxidierende Verbindung).

Umweltverschmutzung und Klimawandel

Die Bodentemperatur ist seit dem 19. Jahrhundert um 0,6 °C gestiegen und wird voraussichtlich bis 2100 um 1,4 bis 5,8 °C zunehmen. Dies ist auf die Industrialisierung und die Verbrennung von Erdöl, Kohle und die Abholzung zurückzuführen, welche die Konzentration von Treibhausgasen (CO₂, CH₄, N₂O) erhöht haben.

Umweltanalytik

Die Umweltbewertung versucht, Aspekte zur Verbesserung der Umwelt zu ermitteln, um negative Auswirkungen von Schadstoffen zu minimieren oder zu verhindern.

Beständigkeit von Materialien

Die Haltbarkeit von Materialien hängt von der Umgebung ab, der sie ausgesetzt sind. Die Umwelt umfasst physikalische, chemische, klimatische, biologische und mechanische Einwirkungen auf ein Bauelement.

Das Verhalten eines Bauteils wird durch Lasten, menschliche Einflüsse, Wind, chemische Feuchtigkeit, thermische Schwankungen, Strahlung und Witterungsphänomene bestimmt.

Arten von Umgebungen

• Innenraum: Keine direkte Sonneneinstrahlung, konstante Temperatur (18–20 °C), konstante Luftfeuchtigkeit (50–60 %), außer in Nassbereichen. Kann aggressiv sein (Labore, Industrie).
• Ländlich: Geringe Schadstoffbelastung, starke Sonneneinstrahlung.
• Gebirge: Starke Winde, Ozon, Frost.
• Stadtzentrum: Moderate Schadstoffbelastung (Rauch, Staub, Fett, Gase wie CO₂, SO₂, NO₂).
• Industrie: Stärkere Konzentration chemischer Schadstoffe als in der Stadt.
• Maritim: Hohe Luftfeuchtigkeit und Chloride (Na⁺, Ca²⁺) sowie Magnesiumsulfat. Starke Winde führen zur Erosion.
• Tropisch: Hohe Strahlung, Feuchtigkeit und Temperatur, was biologischen Angriff auf organische Materialien (Pilze, Insekten) fördert.
• Erdverlegt: Konstante Temperatur und hohe Feuchtigkeit, mögliche Anwesenheit von gelöstem Sauerstoff und Salzen (Sulfate).

Betonbauweise (EHE-Richtlinien)

In der EHE (Instrucción Española del Hormigón Estructural) wird die Aggressivität der Umgebung für jedes Strukturelement und die Lebensdauer des Gebäudes definiert. Jede Umgebung erzeugt physikalische und chemische Beanspruchungen, die zu einer Schädigung des Betons führen.

• EHE – Aggressive Arten: Die Exposition gegenüber Korrosion der Bewehrung wird in spezielle Klassen eingeteilt. Wenn eine spezifische Aggression (Frost, chemische Angriffe, Erosion) vorliegt, wird dies durch ein „+“-Zeichen gekennzeichnet.

Biologische Einwirkung

Verursacht durch lebende Organismen (Bakterien, Flechten, Pilze, Moose), die zum Verfall und Verbrauch von Materialien führen. Pflanzenwurzeln können Risse verursachen. Insekten können Materialien besiedeln. Bakterien und Pilze zersetzen organische Materialien unter Freisetzung von Säuren, welche die Korrosion von Metallen beschleunigen.

Chemische Einwirkung

Ausgelöst durch Schadstoffe in der Umgebung. Dies umfasst direkten chemischen Angriff, sauren Regen und verwendete Chemikalien, was zu atmosphärischem, biochemischem, kapillarem oder elektrochemischem Abbau führt.

Physikalische Einwirkung

Verformungen, Vibrationen und Brüche von Materialien. Dies kann durch direkte mechanische Einwirkung (Solar-, Wind-, seismische, elektromagnetische Kräfte) oder durch thermische Effekte (Wärme, Schall) sowie durch Eis- und Salzsprengung in Rissen und Poren verursacht werden.

Bodenmechanik (Geotechnik)

Boden

Boden: Die äußere Schicht der Erdkruste, die durch bautechnische Maßnahmen wie Fundamente, Verfüllungen und Verdichtung beeinflusst wird.

Anzahl der Schichten: Teil der Erdkruste, deren Material durch Wassereinwirkung in einzelne Partikel zerlegt wird.

Entstehung des Bodens

Durch thermische Veränderungen, Wassereinwirkung und Frost entstehen innere Spannungen, die zu Volumenänderungen führen. Physikalische Verwitterung zerbricht das Gestein in immer kleinere Fragmente, die durch Erosionsprozesse voneinander getrennt werden.

Boden-Partikel-Chemie

Chemische Phänomene wie Hydratation, Auflösung, Zementierung und biologische Prozesse führen zur Umwandlung des Gesteins. Zementartige Produkte können Partikel verbinden, tragen aber häufiger zum Zerfall bei. Hauptphänomene sind Hydratation (Umwandlung von Anhydrit in Gips), Tonhydrolyse, Oxidation, Karbonatisierung (von Na, K, Ca, Mg + CO₂) und die Auflösung von Kalkstein.

Verwitterung: Alle Phänomene, die zum Zerfall und zur Umwandlung des Gesteinsprofils führen. Wenn der Boden an Ort und Stelle bleibt, spricht man von Restboden; wenn er transportiert wird, von Transportboden.

Korngrößen und Klassifikation

Transportprozesse sind an der Bodenbildung beteiligt und führen zur Bildung von festen Teilchen unterschiedlicher Größe und Struktur.

Bodentypen nach Korngröße

• Kies: Korn > 2 mm (bis 8–10 cm). Speichert Wasser schlecht.
• Sand: 2 mm bis 0,06 mm. Bei Mischung mit Wasser leicht trennbar.
• Schluff: 0,06 mm bis 0,002 mm. Speichert Wasser besser.
• Ton: < 0,002 mm. Hydratisiert und bildet Schichtsilikate (Lawinen- und Schichtsilikatgruppe).

Bodenklassifikation (T-Klassen)

• T-1 (geringe Variabilität): Fundamentbereich kann direkt isoliert werden.
• T-2 (mittlere Zone): Zeigt Variabilität; Fundamentlösungen sind immer erforderlich. Anthropogene Füllungen nicht mehr als 3 m.
• T-3 (ungünstig): Expansiv, klüftig, weich oder locker, Karst, unterschiedliche Zusammensetzung. Anthropogene Schichtdicke > 3 m, Hänge anfällig für Erdrutsche (> 15°), Sümpfe.

Geotechnische Einheiten und Füllungen

Geotechnische Einheit: Jede der Bodenschichten, die im Hinblick auf ihre gemeinsame Herkunft, Materialzusammensetzung, Zustand, Festigkeit und Verformung ähnliche physikalische und mechanische Eigenschaften aufweist.

Strukturelle Füllung: Material, das zur Erhöhung der Oberfläche oder als Ersatz für Bodenschichten mit spezifischem geotechnischem Risiko (Melioration) verwendet wird. Bei der Auswahl von Füllmaterialien sind zu berücksichtigen: Korngröße, Tragfähigkeit, Kompaktheit, Durchlässigkeit, Plastizität, Gehalt an organischen Stoffen und chemische Angriffe.

Expansive Böden

Bestehen aus Mineralien, die Wasser aufnehmen und verlieren können. Wassermoleküle dringen in das Silikatgitter ein, was zu Volumenänderungen führt. Zur Bewertung der potenziellen Ausdehnung werden Parameter wie die Tonmineralogie herangezogen. Spezielle Labortests wie der Oedometer-Test (Lastwechsel unter kontrollierter Befeuchtung) werden zur Beurteilung eingesetzt.