Baustoffkunde: Bindemittel, Metalle, Holz und Keramik

Einführung in mineralische Bindemittel

Gesteine und mineralische Agglomerate besitzen die Eigenschaft, durch Anfeuchten plastische Pasten, Mörtel und Betone zu bilden, die sich formen lassen und schließlich zu einer dauerhaften, festen Masse erhärten.

Klassifizierung der Bindemittel

• Luftbindemittel: Erhärten ausschließlich an der Luft und sind nicht wasserbeständig (z. B. Gipsbaukörper, Luftkalk).
• Hydraulische Bindemittel: Erhärten sowohl an der Luft als auch unter Wasser (z. B. hydraulischer Kalk, Portlandzement).
• Kohlenwasserstoff-Bindemittel: Flüssige oder viskose Kohlenwasserstoffe, die durch Verdampfen flüchtiger Lösemittel oder Abkühlung erhärten (z. B. Asphalt- und Bitumenbindemittel).

Arten von Gips- und Calciumsulfatkörpern

• Dihydrat-Gips: CaSO₄ · 2H₂O (in der Natur am häufigsten vorkommend).
• Hemihydrat-Gips (Halbhydrat): (CaSO₄) · 0,5H₂O bzw. 2CaSO₄ · H₂O.
• Anhydrit: CaSO₄ (wasserfrei, weniger reichlich).

Gewinnung und Herstellung von Baugips

Gipsstein kommt in der Natur überwiegend als Dihydrat vor. Um daraus bautechnisch nutzbares Halbhydrat herzustellen, muss er unter kontrollierten Bedingungen thermisch aufbereitet werden:

Reaktionstemperatur: 140–200 °C:
2 (CaSO₄ · 2H₂O) → (2CaSO₄) · H₂O + 3 H₂O

Die Phasen der Gipsproduktion

1. Gipssteingewinnung: Abbau im Tagebau oder unter Tage in Stollen; bevorzugt werden Sprengbohrungen mit Schwarzpulver eingesetzt, um ein Zerkleinern mit geringem Feinstaubanteil zu ermöglichen, da das Material von Natur aus elastische Eigenschaften aufweist.
2. Zerkleinerung: Einsatz von Backenbrechern, bestehend aus zwei gerillten Stahlplatten (eine beweglich und vertikal geneigt, die andere fest über einen oberen Führungsbolzen montiert).
3. Brennen:
   • Rustikales Verfahren: Brennen in Erdgruben, bei dem größere Steine unten und kleinere Steine oben wechselweise aufgeschichtet werden.
   • Industrielle Kesselverfahren: Mechanische Rührkessel von ca. 2 m Durchmesser mit internen Mischflügeln und Schabern; Wärmezufuhr erfolgt geregelt über komprimiertes Gas oder Petroleum an Boden und Kesselwandungen.
   • Drehrohröfen: Ähnlich wie in der Zementherstellung genutzte Drehzylinder mit ca. 10 m Länge und 1,5 m Durchmesser; das Brenngut wird durch die kontrollierte Ofenwandhitze geführt.
4. Feinmahlung: Dieser Vorgang erfolgt in Dreh- oder Desintegratormühlen. Diese Mahlwerke bestehen im Wesentlichen aus zwei Mahlsteinen mit Zähnen, wobei der obere Stein fest montiert ist und der untere rotiert.

Klassifizierung handelsüblicher Gipse

Luftkalk und Zementarten

Luftkalk: Produkt aus der thermischen Zersetzung von Kalkstein (Entsäuerung). Klassifizierung nach Fettgehalt: Fettkalk, Magerkalk sowie hydraulischer Kalk.

Zement: Die aktive Komponente von Mörtel und Beton. Obwohl Zement bezogen auf das Gesamtgewicht nur etwa 10–20 % des Betons ausmacht (80–90 % entfallen auf Zuschlagstoffe und Wasser), bestimmt er maßgeblich die Erhärtungseigenschaften und Dauerhaftigkeit.

Metalle im Bauwesen

Die am häufigsten im Bauwesen verwendeten Metalle sind Eisen und Stahl, gefolgt von Blei, Zink, Kupfer und Aluminium.

Wichtige physikalische und mechanische Eigenschaften

• Schmelzbarkeit: Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt lassen sich leichter verflüssigen. Die flüssige Schmelze muss eine ausreichende Fließfähigkeit besitzen, um feine Formhohlräume vollständig auszufüllen.
• Schmiedbarkeit: Fähigkeit eines Metalls, im festen Zustand plastische Verformungen durch Hämmern, Walzen oder Pressen rissfrei aufzunehmen. Spröde Metalle sind nicht schmiedbar.
• Walzbarkeit (Streckbarkeit): Eigenschaft, sich bei normalen oder erhöhten Temperaturen durch Walzen und Hämmern zu Blechen formen zu lassen. Hoher Phosphorgehalt führt zu Kaltversprödung.
• Duktilität: Fähigkeit, zu feinen Drähten gezogen zu werden (z. B. Gold, Silber, Platin, Kupfer, Aluminium, Eisen, Zinn, Blei, Zink).
• Zähigkeit: Widerstand gegen Bruchbelastung, der durch mechanische Bearbeitungen wie Hämmern und Walzen sowie durch das Vorhandensein bestimmter Kohlenstoffanteile beeinflusst wird.
• Zerspanbarkeit und Schnittfähigkeit: Zu harte Metalle lassen sich schlecht schneiden, während zu weiche Werkstoffe schmierig reagieren und keine sauberen Kanten bilden.
• Schweißbarkeit: Vermögen zweier Metallteile, unter Druck und Hitze zu einem zusammenhängenden Werkstück verbunden zu werden.
• Oxidationsbeständigkeit: Mit Ausnahme der Edelmetalle oxidieren Metalle bei Kontakt mit Luftsauerstoff. Bildet das Oxid eine dichte, undurchlässige Schutzschicht (Passivierung), wird das darunterliegende Metall geschützt.

Eisenmetalle, Roheisen und Gusseisen

Eisen wird aus Eisenerzen gewonnen. Die Haupterze sind roter Hämatit (Fe₂O₃), brauner Limonit (Fe₂O₃ · nH₂O), Magnetit (Fe₃O₄) und Eisencarbonat bzw. Siderit (FeCO₃).

Hochöfen: 20 bis 30 Meter hohe Metallschächte, die innen vollständig mit feuerfesten Ziegeln ausgekleidet sind. Über Windformen (Tuyères) wird stark vorkomprimierte Heißluft eingeblasen, um die Reduktion und Verbrennung zu beschleunigen.

Klassifizierung von Gusseisen

• Grauguss: Der Kohlenstoff scheidet sich nach der Erstarrung als elementarer Graphit ab; dieser Vorgang wird durch einen erhöhten Siliziumgehalt begünstigt.
• Weißguss: Der Kohlenstoff liegt chemisch gebunden als Eisenkarbid (Zementit, Fe₃C) vor. Er entsteht durch schnelles Abkühlen oder erhöhten Mangangehalt und wird oft in Flammofenanlagen verarbeitet.

Verwendung von Gusseisen

Gusseisen dient zur Herstellung von Kamin- und Ofenbauteilen, Sanitärrohren, Maschinensockeln und druckfesten Fundamentteilen sowie Lagerstühlen für Brücken und Mörserbettungen.

Schmiedeeisen und Weichstahl

Schmiedeeisen (auch Schweißeisen oder Weicheisen genannt) besitzt eine faserige Struktur, enthält ca. 99 % reines Eisen und maximal 0,1 % Kohlenstoff. Es wird oft aus Schrott im Puddelverfahren durch mechanisches Rühren der Schlacke-Schmelze gewonnen.

• Walzen: Warm- oder Kaltwalzen führt Rohblöcke schrittweise durch Profilwalzen, um Schienen, Träger, Winkelbleche, Bandeisen oder Bleche zu erzeugen.
• Ziehen: Warm- oder Kaltziehen durch Matrizen formt Profile und Drähte mit Durchmessern von unter 5 mm sowie nahtlose Rohre.
• Schmieden und Pressen: Formgebung warm mit Fallhämmern oder hydraulischen Pressen; kalt über Stanzen, Lochpressen oder Tiefziehen von Blechen.
• Handelsprofile: Winkel, T-Träger, Doppel-T-Träger (H-Träger) sowie Nägel, Bolzen, Schrauben, Muttern und Seile.

Klassifizierung und Veredelung von Stahl

Stahl ist eine schmiedbare Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,10 % und 1,50 %.

• Nach Kohlenstoffgehalt: Weicher Stahl (0,10–0,20 %), Halbharter Stahl (0,20–0,40 %), Harter Stahl (0,40–0,70 %), Sehr harter Stahl (0,70–1,50 %).
• Nach Herstellungsverfahren: Bessemerstahl, Siemens-Martin-Stahl, Elektrostahl, Duplex- und Triplex-Verfahren.
• Nach Legierungselementen: Nickelstahl, Manganstahl, Chrom-Nickel-Stähle etc.
• Wärmebehandlungen: Härten, Anlassen, Einsatzhärten (Zementieren), Glühen.

Bauholz: Eigenschaften und Klassifizierung

Holz zählt zu den ältesten Baustoffen der Menschheit. Es dient sowohl für dauerhafte Tragkonstruktionen als auch für temporäre Hilfsbauten wie Gerüste und Schalungen.

Mechanische Festigkeit von Holz

1. Sehr hart (Bruchfestigkeit 1200–1800 kg/cm²): Guajak/Vera, Eiche, Araguaney, Canalete, Mora, Pilón.
2. Halbhart (Bruchfestigkeit 600–1000 kg/cm²): Apamate, Mahagoni, Jabillo, Samán.
3. Hart (Bruchfestigkeit 1000–1200 kg/cm²): Angelino, Carreto, Baría, Orozul.
4. Weich (Bruchfestigkeit 250–600 kg/cm²): Zeder (Cedro), Balsa, Mijao.

Verwendungszwecke von Holz

• Tischler- und Schreinerarbeiten: Hochwertige Möbel, Türen und Verkleidungen (Edelhölzer wie Eiche, Mahagoni, Balsamico vs. Zeder und Apamate).
• Industrieholz: Rohstoff für die Faserplatten-, Zellstoff- und Papierherstellung.
• Bauholz für Tragwerke: Dauerhafte Lastabtragung bei Stützen, Balken, Decken und Dachtragwerken (bevorzugt zähe und harte Holzarten).
• Temporäre Hilfskonstruktionen: Schalungen, Rüstungen und Gerüstbohlen (z. B. Jabillo, Mijao, Samán).

Holzeigenschaften und Handelsmaße

Die Tragfähigkeit wird wesentlich durch Faserverlauf, Dichte und Holzfeuchte bestimmt. Als organischer Werkstoff unterliegt Holz dem Befall durch Insekten, Pilze sowie Witterungs- und Feuereinflüssen.

• Bretter: Stärke 2,5–3 cm, Breite 20–40 cm, Länge 3–5 m.
• Bohlen (Tablones): Ähnlich Brettern, jedoch mit einer Stärke von 5–10 cm.
• Kanthölzer (Cuartones): Querschnitte von 7,5 × 5 cm, 10 × 5 cm und 10 × 10 cm.
• Furniere und Sperrholz: Dünne, unter hohem Druck verpresste Schichten.

Tone und keramische Baustoffe

Ton ist ein sedimentäres Verwitterungsprodukt aus der Zersetzung von Feldspäten durch atmosphärische Einflüsse. Chemisch besteht er vor allem aus wasserhaltigen Aluminiumsilikaten.

Physikalische Eigenschaften von Ton

• Plastizität: Bestimmt den erforderlichen Wasserzusatz, um zylindrische Probekörper rissfrei formen zu können.
• Festigkeit: Ermittlung der Zug- und Druckfestigkeit an standardisierten Briketts in Prüfmaschinen.
• Schwindung: Maßgebend für die Formenherstellung; die lineare Schwindung liegt typischerweise zwischen 7 % und 10 %.
• Schmelzbarkeit: Bestimmt den Brennstoff- und Energiebedarf beim keramischen Brand.

Grob- und feinkeramische Erzeugnisse

• Mauerziegel: Standardmaße ca. 25 × 12 × 6,5 cm.
• Großformatige Platten: Maße ca. 40 × 40 × 4 cm.
• Feuerfeste Schamottesteine: Hoch kieselsäure- und tonerdehaltig, beständig gegen Ofentemperaturen bis über 1800 °C; Maße ca. 25 × 12 × 6,5 cm.
• Verkleidungsplatten und Fliesen: Wand- und Bodenbeläge mit Abmessungen von 26 × 26 × 2,5 cm oder 20 × 20 × 1 cm.
• Hohlblocksteine und Deckensteine: Zur Gewichts- und Wärmedämmung in Betondecken (z. B. Rippendecken mit Einlegekörpern).
• Dachziegel: Konisch geformte Ziegel (Länge ca. 40 cm, Breiten 20 bzw. 23 cm).
• Weitere Keramikprodukte: Steinzeug, Klinker, glasierte Fliesen, Steinzeugrohre und Sanitärporzellan.