Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 16.02.16

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Beton, verkannter Baustoff?

Vortrag von Sebastian Opitz im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - anorganische Chemie", WS 03/04

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Gliederung:

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1.Einleitung

1.1 Gegenwart

Der schlichte Baustoff Beton ist aus dem 21. Jahrhundert nicht mehr wegzudenken. Wird irgendwo eine gewaltige Schleusenanlage eröffnet, so spielt Beton die Hauptrolle. Ist ein Fundament zu legen, gleich ob für eine Hütte oder für einen riesigen Palast, dann werden keine Eichenpfähle in den Boden gerammt, sondern es wird mit Beton gebaut. "Beton ist Alltag, auch wenn seine graue Alltäglichkeit uns, angesichts unserer eigenen grauen Alltagswelt, in einer Art Selbsthass gegen ihn antreten lässt" [5]. Beton ist ein Material der Industriemoderne, das NW I der Universität ist bestes Beispiel für das Bauverständnis Anfang der 70er Jahre (s. Abb. 1). Schon die römische Großarchitektur der Kaiserzeit, aber auch die technischen Bauten der Bundesrepublik waren ohne Betonverwendung gar nicht denkbar (s. Abb. 2). Beton gibt es  seit fast 2000 Jahren, auch wenn sich damals die Verarbeitung anders gestaltete.

Zu Beginn der 70er Jahre kam der Beton mehr und mehr in Verruf, als er zunehmend auch gestalterisch in architektonischer Eintönigkeit zum Ausdruck kam. Beton hat einen schlechten Ruf. Dies ist verständlich, wenn man Sätze wie „die ganze Natur wird zubetoniert“ in der Politik bei Ökologiefragen hört. Ebenso ist in der Vergangenheit aus Kostengründen am Material gespart worden und der Baustoff wurde ökonomisch ausgereizt. Dadurch kam es zu Fehlern beim Bauen und hat natürlich dem Ansehen des Betons geschadet. [5]

Abb. 1: Gebäude Naturwissenschaften I, Universität Bayreuth

Abb. 2: Gebäude des Vermessungsamtes Bayreuth

Abb. 3: Glenn Damm, USA [1]

1.2 Ein alter Baustoff, aber was steckt dahinter?

Beton ist eigentlich nichts anderes als eine Gesteinsart aus Kies, Sand, Zement und Wasser. Zement wiederum wird aus natürlichem Kalkstein unter Zusatz von Ton zu Zementklinkern gebrannt und gemahlen. In der Praxis macht man sich seine Eigenschaften mit Wasser und auch mit Bestandteilen der Luft zu reagieren zu Nutze. Er ist hervorragend belastbar und überaus vielseitig einsetzbar. Seine hydraulische Fähigkeit, unter Luftabschluss und sogar unter Wasser zu erhärten, unterscheidet ihn vom Kalkmörtel, der nur aus Löschkalk und Sand besteht.

Zement stammt von dem Begriff „opus caementitium“, wie die Betontechnik im 2. Jahrhundert im römischen Reich genannt wurde, als man hydraulischen Kalk und gebrochene Zuschlagstoffe mit einer Korngröße von etwa 70mm vermischte, danach goss und durch Stampfen verdichtete. Das römische Weltreich war baulich auf Beton gegründet. Beispiele Aquädukt, Pantheon (s. Abb. 4), Hagia Sofia.

Abb. 4: Querschnitt durch das Pantheon, Rom [2]

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2.Der Zement

2.1 Mörtel

Der Oberbegriff Mörtel umfasst Bindemittel, welche – mit Wasser angerührt – nach gewisser Zeit steinartig erhärten. Je nach Widerstandsfähigkeit unterscheidet man Luftmörtel (z.B. Kalkmörtel), welche vom Wasser angegriffen und somit nur an Luft härten, sowie Wassermörtel (Zement und hydraulischer Kalk), welche dem Angriff von Wasser widerstehen und deshalb auch unter Wasser härten. Wassermörtel setzt sich aus Zement und Sand zusammen, wobei dem Beton neben dem Sand auch noch Kies zugesetzt wird. Die Unterscheidung beruht also in der Zusammensetzung der Zuschläge gemessen in Korngröße. Dem Beton werden also größere Steine zugemischt. Es finden sich Schwer-, Normal- und Leichtbeton.

2.2 Zementgewinnung

Erhitzt man Kalkstein (Calciumcarbonat) auf rund 1000 °C, so wird das Material unter Abgabe von Kohlendioxid zu Brandkalk (Calciumoxid) verarbeitet. Wird dieser nun mit Wasser gelöscht, dann bildet sich unter Wärmeentwicklung Calciumhydroxid oder Löschkalk, genutzt im Luftmörtel.

Wird jedoch ein Kalk-Tongemisch oder Mergel über der Sintergrenze (Sintern: teilweises Schmelzen) bei Temperaturen von 1450 °C in Drehrohröfen (sehr gute Durchmischung) gebrannt, so entsteht als Sinterprodukt der so genannte Zementklinker. Dieser ergibt nach Zerkleinern und Feinmahlen je nach Zusammensetzung die unterschiedlichen Zementqualitäten. Zum Verkauf ist er als feines Pulver in Säcken verpackt im Handel erhältlich. Bereits während der Aufheizung bis zur Sintertemperatur laufen wesentliche Reaktionen ab. Bei Temperaturen bis etwa 200°C entweicht das als ungebundene Feuchtigkeit vorliegende Wasser. Im Temperaturbereich etwa zwischen 100 und 400°C geben die Tonminerale ihr adsorptiv gebundenes Wasser ab. Je nachdem, welche Tonmineralarten vorliegen, wird dann zwischen 400 und 750 °C auch das chemisch gebundene Wasser ausgetrieben (Dehydratation). [7] Als Beispiel sei die Dehydratation von Kaolinit genannt:

Struktur von Kaolinit:

Abb. 5: Struktur des Kaolinit, Grün entspricht Calcium, Blau steht für Aluminiumtetraeder, Rot für Sauerstoff, Weiß für Wasserstoff.

Bei weiter ansteigenden Temperaturen bis etwa 900 °C zerfällt der Metakaolin bzw. die entsprechenden Reaktionsprodukte in reaktionsfähige Oxidmischungen.

Das im Zementrohmehl enthaltene CaCO3 zersetzt sich theoretisch bei T>896 °C:

Zement besteht somit zu überwiegenden Anteilen aus wechselnden Mengen basischer Verbindungen des Calciumoxids CaO (Kalkgestein) mit Siliciumdioxid SiO2, Aluminiumtrioxid Al2O3 sowie Eisentrioxid Fe2O3 (Tongestein). Außerdem finden sich Spuren an Na2O, K2O, MgO und P2O5.

Die Verbindungen sind:

Tricalciumsilicat Ca3SiO5, „Alit“, aufgebaut aus Ca2+-, SiO44-- und O2-- Ionen:

Abb. 6: Struktur des Tricalciumsilicat, Grün entspricht Calcium, Blau steht für Siliciumtetraeder und Rot für Sauerstoff.

Dicalciumsilicat Ca2SiO4, „Belit“, aufgebaut aus Ca2+- und SiO44- - Ionen.

Tricalciumaluminat Ca3Al2O6, „Aluminatphase“, aufgebaut aus Ca2+ - und Al6O1818- - Ionen:

Abb. 7: Struktur des Tricalciumaluminat, Grün entspricht Calcium, Blau zeigt Aluminiumtetraeder, Sauerstoffatome sind weggelassen. Die gelben Tetraeder heben eine Einheit heraus.

Dicalciumaluminatferrit Ca2AlFeO5, „Ferritphase”.

Portlandzement:

Der wichtigste Kalk-Ton-Zement ist der Portlandzement (Weltjahresproduktion einschließlich verwandter Zemente: 1000 Megatonnen). Er besteht aus 58-66 % CaO, 18-26 % SiO2, 4-12 % Al2O3, 2-5 % Fe2O3 und enthält hauptsächlich Ca3SiO5 und Ca2SiO4, darüber hinaus ca. 10 Gewichtsprozent Ca3Al2O6 und ein Gewichtsprozent Ca2AlFeO5.[7]

Abb. 8: Aufnahme eines Anschliffes unter dem Mikroskop: Alit-Kristalle zeigen Kanten und Ecken, Belit-Kristalle sind meist rund. Zwischen den Silicaten befindet sich die Grundmasse aus Aluminat und Ferrit [3].

Abb. 9: REM-Photo eines Portland-Zementklinkers: Gut ausgebildete Alit-Kristalle (A) mit Grundmasse (Schmelze) aus Aluminat und Ferrit (F) [3].

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3.Verarbeitung und Anwendung

Zur Verarbeitung von Portlandzement vermischt man das Zementpulver mit Sand und Wasser („Anmachen“). Weiterhin verwendet man Zusatzmittel, wie Verzögerer und Beschleuniger, dessen Wirkung schon im Namen impliziert werden. Ebenso können Fließmittel (Tenside) zugesetzt werden, die Beton leichter fließend machen ohne seiner Abbindfähigkeit (hervorgerufen durch zuviel Wasser) zu schaden. Dies ist speziell im großtechnischen Maßstab sinnvoll, wenn der Beton über längere Strecken angeliefert wird. Zusatzstoffe wie Kalksteinmehl (Beton wird dichter, Oberfläche wird glatt) oder Steinkohlenflugasche (puzzolanischer Anteil, amorphes SiO2) finden zudem Anwendung in der Industrie.

Seine Verfestigung erfolgt zunächst unter Wärmeabgabe sehr rasch (in 1-3 Stunden) durch Wasser- und Sulfataufnahme seitens des Tricalciumaluminats (Vorgang heißt Abbinden). Dieser Prozess schreitet dann unter weiterer Wärmeabgabe langsam fort (Erhärten). Hierbei werden die Calciumsilicate unter Abscheidung von Kalkhydrat Ca(OH)2 mehr oder minder weitgehend hydrolytisch zu Calciumsilicaten 3 CaO*2SiO2*nH2O zersetzt. Unter Bildung eines harten Stoffes verwachsen deren Kristalle miteinander und mit den zugegeben Steinen und Sand fest zusammen.

3.1 Abbindungsprozess:

Zugesetztes Calciumsulfat verhindert folgende Reaktion, welche unerwünscht ist:

Das entstehende Calciumaluminathydrat würde mit seinen großen Kristallen den Raum zwischen den Zementpartikeln ausfüllen und somit zu einem schnellen Erstarren führen.

Stattdessen bilden sich durch Calciumsulfatzugabe in einer noch schnelleren Reaktion Ettringit-Kriställchen, welche eine schützende Schicht auf der Oberfläche der Aluminatpartikel bilden. Diese feinen Kristalle bilden kein festes Gefüge, weil den Zwischenraum zwischen den Zementkörnern nicht überdecken. Darauf beruht die erstarrungsverzögernde Wirkung. Erst nach und nach bilden sich größere Ettringitkristalle und sorgen für ein Verfestigen des Zements.[7]

Ettringit:

Abb. 10: Struktur des Ettringit, Grün steht für Calcium, Aluminiumtetraeder sind blau und Sulfattetraeder sind gelb.

Das gebildete Ettringit reagiert dann während der Zementhärtung mit noch vorhandenem Tricalciumaluminat weiter zum Monosulfat.

Ettringitkristalle:

Abb. 11: REM Photo: Zementpaste nach Einstündiger Hydratation. Auf den Zementkörnern prismatische Neubildung von Ettringit (E). Die Körner sind noch nicht überbrückt. Die Paste ist noch plastisch.[3]

Abb. 12: REM Photo: Zementpaste nach einstündiger Hydratation. Die Zementkörner sind durch lange Ettringit-Nadeln überbrückt. Die Paste steift an. [3]

3.2 Erhärtungsprozess:

Da Ca3SiO5 sehr schnell abbindet, versucht man bei der Herstellung von Zement einen hohen Anteil an CaO zu erhalten, aber es darf kein freies CaO vorliegen. Dieses verursacht ansonsten im Beton das sogenannte Kalktreiben, indem es mit Wasser zum Ca(OH)2 reagiert.

Ebenso bildet sich Calciumaluminat Ca4Al2O7*nH2O und Calciumaluminatferrit Ca4Fe2O7*nH2O.

Später geht überschüssiges Calciumhydroxid Ca(OH)2 zusätzlich unter Aufnahme von CO2 aus der Luft in CaCO3 über und die Kristalle werden in die bereits geschaffene Matrix eingebaut.

Kristallwachstum:

Abb. 13: Ettringit im Porenraum der Zementsteinmatrix [6]

Abb. 14: CaO*2SiO2*nH2O-Kristalle [6]

3.3 Besonderheit, der Stahlbeton

Mitte des 19. Jahrhundert trat Beton in zunehmendem Maße in Konkurrenz zum Stahl, dem gegenüber der Betonguss drei vorteilige Eigenschaften ins Feld führen konnte: seine Feuerbeständigkeit, die geringen Herstellungskosten und logistische Vorteile. Die unbegrenzte Formfähigkeit hatte er mit dem Stahl gemeinsam.

Bei einer Verbindung beider Stoffe ergab sich der Stahlbeton. Beton schützt Stahl aufgrund seines hohen pH-Wertes. Aber sobald der Beton zu rosten beginnt wird der Beton durch das höhere Volumen der Eisenoxide gesprengt. Beton kann zwar hohe Drücke aushalten, zerbricht aber leicht bei Zugbelastungen. Stahl verbessert die Eigenschaften des Betons, indem er die Zugfestigkeit des Stahlbetons erhöht.

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4.Zusammenfassung

Die Festigkeit des Betons entsteht durch Auskristallisieren der Bestandteile des Zements.  Kleinste Kristallnadeln bilden sich, die sich fest ineinander verzahnen. Die Bildung der Ettringit-Kristalle beim Vorgang des Erstarrens nach 1-3 h sind vorrangig von Bedeutung. Im Prozess des Erhärtens beginnen die Tri- und Dicalciumsilicate nach etwa 4 h sich in Calciumsilicathydrate wandeln. Die einzelnen Kristalle wachsen ineinander und füllen so alle Zwischenräume zwischen den beigefügten Steinen aus. Das Kristallwachstum hält über Monate an, sodass die endgültige Festigkeit erst lange nach dem Betonguss erreicht wird.

Aufgrund der einfachen Herstellung, seinen sehr guten physikalischen Eigenschaften und seiner Langlebigkeit wird der Beton auch in Zukunft eine Rolle im Bauwesen spielen, auch wenn sein Einsatz aufgrund seiner Ästhetik in der sichtbaren Architektur nur bedingt zum Einsatz kommen wird. Heutzutage werden vor allem Garagen und Fertighäuser mit Fertigbetonteilen (Fa. Zapf) errichtet. Nach der Fertigstellung folgt meist das Verputzen der Wände, weshalb einem Haus nicht immer anzusehen ist, ob es ganz mit Beton gebaut wurde.

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5. Literatur:

  1. http://www.sealtec.co.il/Files/BetocreteC1617PR.pdf, 16.02.2016
  2. http://www.lpg.musin.de/kusem/exkurs/rom/texte/12.htm , 16.02.2016
  3. Beckert, Mechel, Lamprecht, gesundes Wohnen, 1986, Düsseldorf.
  4. Wiberg, E., Holleman, A.F. Lehrbuch der anorganischen Chemie, Berlin, 1995
  5. Hackelsberger, Christoph Beton: Stein der Weisen, Braunschweig,1988
  6. http://element.fkp.physik.tu-darmstadt.de/physik4bi/material/bivor02.pdf, Urheber: B.Möser, 16.02.2016
  7. Dirk Lohmann, 1999. Untersuchungen zur Vermeidung zu hoher pH-Werte in weichen Trinkwässern bei der Inbetriebnahme von Rohrleitungen mit einer Zementmörtelauskleidung, Gerhard-Mercator-Universität - Gesamthochschule Duisburg, Dissertation, 220 S.

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E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 16.02.16