Baustoffkunde: Metalle, Naturstein und Holz im Überblick

Metalle: Grundlagen und Eigenschaften

Gangart und Erz

In jedem Mineral kann man zwei Teile unterscheiden:

• Die Gangart (Ganga): Nichtmetallische Stoffe, die mit dem Mineral gemischt sind und entfernt werden müssen.
• Das Erz (Mena): Alle Körper, die mit dem Metall verbunden sind.

Eigenschaften von Metallen

Maschinenbau und Mechanik

• Festigkeit: Widerstand gegen Zug-, Druck-, Biege- und Scherkräfte.
• Verformbarkeit: Elastizität, Plastizität usw.
• Zähigkeit: Widerstand gegen Bruch.
• Härte: Widerstand gegen Ritzen, Durchdringung und Schneiden.
• Schweißbarkeit: Eignung zum stoffschlüssigen Verbinden.

Physikalische Eigenschaften

• Elektrisch: Elektrische Leitfähigkeit.
• Thermisch: Wärmeleitfähigkeit, thermische Expansion.
• Chemisch: Oxidation und Korrosion (insbesondere durch externe Einflüsse).

Materialprüfungen

Wichtige Verfahren sind das Spannungs-Dehnungs-Diagramm sowie mechanische Prüfungen wie Zug-, Biege-, Verdrehungs-, Ermüdungs- und Zähigkeitsprüfungen.

Metallbearbeitung

• Drahtziehen: Dehnen eines Drahtes durch eine Matrize zur Kalibrierung kleiner Durchmesser.
• Schmieden: Bearbeitung durch Kalt- oder Heißverformung (Schläge).
• Laminieren (Walzen): Formgebung durch spezielle Rollen.
• Gießen (Molding): Schmelzen in Formen aus Metall, Sand, Ton oder Wachs.
• Spanende Bearbeitung: Einsatz von Bohrmaschinen, Drehbänken, Fräsen und Schleifmaschinen.

Defekte beim Gießen

• Lunker: Hohlräume, die durch Volumenverlust beim Erstarren entstehen.
• Risse: Entstehen durch Spannungen bei ungleichmäßiger Abkühlung.
• Flecken: Verursacht durch Verunreinigungen (Farbunterschiede).
• Zunder (Skalen): Dünne Oberflächenschichten durch schnelle Abkühlung.

Wärmebehandlungen

• Normalglühen: Erhitzen über die kritische Temperatur und Abkühlen an der Luft.
• Härten (Austenitisieren): Erhitzen über T_krit und Abschrecken zur Steigerung von Härte und Festigkeit.
• Glühen: Erhitzen nahe T_krit und langsames Abkühlen.
• Anlassen: Nach dem Abschrecken Erhitzen unter T_krit, gefolgt von Kühlung in Wasser oder Luft.
• Isotherme Umwandlung: Schnelles Abkühlen nach Erhitzen über T_krit.
• Einsatzhärten: Erzeugung einer harten, verschleißfesten Randschicht.
• Thermochemische Behandlung: Aufkohlen und Nitrieren.

Korrosion und Rost

Korrosion ist die unbeabsichtigte Zerstörung eines Festkörpers durch chemischen oder elektrochemischen Angriff. Umgebungsbedingungen und Metalleigenschaften beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit.

Rost entsteht durch die exotherme Reaktion von Eisen mit Sauerstoff und Wasser. Die entstehende Eisenoxidschicht ist porös, hygroskopisch und beschleunigt die weitere Zerstörung.

• Arten: Chemische Korrosion (Gas-Metall) und elektrochemische Korrosion (Metall-Flüssigkeit).
• Faktoren: Innere Spannungen und Oberflächenrauhigkeit erhöhen die Korrosionsgefahr.

Spezialstähle im Bauwesen

Edelstahl

Edelstahl bietet hohe Korrosionsbeständigkeit, Haltbarkeit und ein ansprechendes Aussehen. Er ist kompatibel mit fast allen Materialien und hat eine geringe Längenausdehnung, was Dehnungsfugen reduzieren kann. Verbindungsarten: Schweißen, mechanische Bindung oder Kleben.

Verzinkter Stahl

Stahl mit einer Zinkbeschichtung (Eintauchen). Er ist kostengünstiger als Edelstahl und für den Außenbereich geeignet, jedoch weniger beständig. Verbindungen sollten mechanisch (verzinkte Schrauben) erfolgen.

COR-TEN-Stahl

Wetterfester Baustahl, der eine schützende Oxidschicht (Patina) bildet. Diese braune Schicht verhindert das Fortschreiten der Korrosion. Er wird oft als dekoratives Element im Freien eingesetzt.

Profile und Schweißverbindungen

Arten von Stahlprofilen

• U-Profil (Commercial): Höhe unter 80 mm, abnehmende Flanschstärke.
• Winkelprofil (L): Gleichschenklig, rechtwinklig.
• Rund-, Quadrat-, Rechteck- und Sechskantstahl: Volle Querschnitte.
• IPE-Profil: Mittelbreite I-Träger (Doppel-T) mit parallelen Flanschflächen.
• IPN-Profil: Normalprofil (Doppel-T) mit geneigten Innenflächen der Flansche.
• UPN-Profil: Standard-U-Profil mit geneigten Flanschen.
• HE-Profile (HEA, HEM): Breite I-Träger (H-Form).

Schweißnahtformen und Fehler

• Nahtarten: Vollanschluss, Überlappstoß, Außenwinkel, Innenwinkel.
• Oberflächenfehler: Einbrandkerben (Bites), Nahtüberhöhung, Poren, Überlauf, mangelnde Bindung, Schweißbart.
• Interne Defekte: Gaseinschlüsse, Schlacken, Risse, Bindefehler, mangelnde Durchdringung.

Qualitätskontrolle beim Schweißen

• Sichtprüfung: Durch qualifiziertes Personal.
• Farbeindringprüfung: Reinigung, Auftragen des Eindringmittels (rot), Abwaschen, Entwickler (weiß).
• Ultraschall und Röntgen: Detektion interner Diskontinuitäten.

Aluminium und Kupfer im Bauwesen

Aluminium

• Wärmebehandlung: Härten (460-560 °C) und Glühen.
• Qualitätskontrolle: Eloxalschichtdicke, Luftdurchlässigkeit, Schlagregendichtheit.
• Anwendungen: Fassaden, Dächer, leichte Strukturen.

Kupfer und Legierungen

• Löten von Kupferrohren: Reinigen mit Stahlwolle, Flussmittel auftragen, Erhitzen, Lot zuführen.
• Vorteile: Einfache Installation, temperaturbeständig, antibakteriell, langlebig.
• Legierungen: Bronze (Kupfer + Zinn), Messing (Kupfer + Zink).

Naturstein: Klassifizierung und Anwendung

Klassifikation der Gesteine

• Magmatische Gesteine: Plutonite (Granit, Gabbro), Vulkanite (Basalt, Bims) und Ganggesteine (Porphyr).
• Sedimentgesteine: Lockergesteine (Sand, Ton) und Kompaktgesteine (Sandstein, Kalkstein).
• Metamorphe Gesteine: Umwandlungsgesteine (Marmor, Gneis, Schiefer).

Bearbeitung von Naturstein

Der Prozess umfasst das Brechen, Schruppen (grobe Form), Sägen (Endform) und die Oberflächenveredelung (poliert, gestockt, geflammt, geschliffen).

Anwendungsbereiche

Böden und Beläge

Anforderungen: Rutschfestigkeit, geringe Porosität, Abriebfestigkeit. Materialien: Granit, Marmor, Schiefer, Basalt.

Dach und Fassade

• Dach: Schieferplatten (leicht, wasserfest, biegefest).
• Fassade: Dünne Platten, frostbeständig, geringe Wärmeleitfähigkeit. Probleme wie Ausblühungen oder Frostschäden müssen durch konstruktiven Schutz vermieden werden.

Marmor und Granit

• Marmor: Metamorphes Kalkgestein, kristallin, geringe Porosität. Klassifizierung nach Farbe (einfarbig, geädert, Trümmer-Marmor).
• Granit: Magmatisches Tiefengestein aus Quarz, Feldspat und Glimmer. Extrem hart, homogen und witterungsbeständig.

Holz: Eigenschaften und Holzwerkstoffe

Physikalische und mechanische Eigenschaften

• Feuchtigkeit: Beeinflusst Quellen und Schwinden.
• Dichte: Variiert von sehr leicht bis sehr schwer.
• Härte: Einteilung in Weichhölzer (Tanne, Pappel) und Harthölzer (Eiche, Ebenholz).
• Festigkeit: Höchste Zug- und Druckfestigkeit parallel zur Faser.

Anatomie des Holzes

Struktur von außen nach innen: Borke, Bast (Phloem), Kambium (Wachstumsschicht), Splintholz (Wassertransport), Kernholz (Stützfunktion).

Holzschutz und Behandlungen

• Biologische Schädlinge: Pilze, Insekten (Holzwurm, Termiten), marine Organismen.
• Schutzmaßnahmen: Richtiger Fällzeitpunkt (Winter), Saftentzug (Wässern, Dämpfen), Trocknung (unter 20% Feuchte).
• Behandlungen: Oberflächenschutz (Streichen), Tauchen, Druckimprägnierung (Autoklav).

Holzwerkstoffe und Platten

• Sperrholz: Kreuzweise verleimte Furniere (ungerade Anzahl).
• Leimholz: Parallel verleimte Bretter für große Bauteile.
• Spanplatten/Faserplatten: Aus Holzpartikeln und Bindemitteln gepresst.
• Vorteile von Brettschichtholz: Große Spannweiten, dekorativ, Nutzung minderwertigerer Hölzer möglich.

Sanierung: Die Beta-Technik

Verfahren zur Konsolidierung beschädigter Holzbalken mittels Epoxidharz-Mörtel und Glasfaser- oder Polyesterstäben. Der beschädigte Teil wird entfernt und durch den Kunstharz-Verbund ersetzt.