Bindemittel - Natursteine, Mineralien, Gips, Kalk

+: wasserfest, porenarm -> frostsicher

Verwendungsmöglichkeiten je nach Festigkeit, Homogenität und Gefüge:

• Bauindustrie: Zementherstellung, Schotter, Außenfassaden, Natursteinmauerwerk

• Chemische Industrie

• Gartenbau

• Straßenbau

• Innenausbau: Küchenplatten, Treppen, Fensterbänke

• Restaurierungen

• Grabmale, Steinbildhauerei

Deutschland:

• Bedeutende Vorkommen u. a. in Bayern, Sachsen, Thüringen und Rheinland-Pfalz.

• Hauptabbauprodukte: Granit, Basalt, Kalkstein, Sandstein, Schiefer.

• Ca. 250 aktive Steinbrüche in Deutschland.

• Einsatz vor allem im Hochbau, Straßenbau, Denkmalpflege.

• Deutschland ist auch ein wichtiger Importeur, v. a. aus Italien, China, Indien.

Weltweit:

• Führende Förderländer: China, Indien, Türkei, Iran, Italien, Brasilien.

• China und Indien sind die größten Produzenten und Exporteure von Roh- und Fertigprodukten.

• Wichtige Natursteine weltweit: Granit, Marmor, Kalkstein, Travertin, Schiefer.

• Naturstein ist ein nicht erneuerbarer Rohstoff, aber lange nutzbar und recycelbar.

Mantel: Magnesiumsilikate

ozeanische Kruste (6-15km): Calcium, Magnesium, Eisen, Aluminium

kontinentale Kruste (25-65km): Kalium, Silizium, Aluminium

Metallreicher Kern: Eisen, Nickel, Kobalt

-> schwere metallreiche Schmelze sinkt zum Kern, leichte silikatische Schmelze sammelt sich an der Oberfläche

Die wichtigsten gesteinsbildenden Minerale:

• Natürliches Vorkommen (nicht synthetisch hergestellt)

• Vorkommen als anorganischer Feststoff

• besitzen eine geordnete Kristallstruktur, homogen

• definierte chemische Zusammensetzung

Eigenschaften von Mineralien

• Spaltbarkeit (splittrig, muschelig, richtungsabhängig)

• Härte (Mohssche Ritzhärte, Ritzt ein Material das andere oder wird es geritzt?)

• Dichte

• Paragenese (gemeinsames Vorkommen verschiedener Minerale) oder Zwillingsbildung (regelmäßige Verwachsung)

• chemische Zusammensetzung (Geschmack, Säurelöslichkeit)

• besondere physikalische Eigenschaften (Magnetismus, elektrische Leitfähigkeit)

• optische Eigenschaften (Farbe, Strichfarbe (Farbe des fein gemahlenen Pulvers), Glanz (Glas, Fett, Seide, Metall, Perlmutt))

• Habitus / Form (nadelig, stängelig, blättrig, xenomorph (unregelmäßig))

Tonminerale

• Beispiel: Kaolinit Al₂Si₂O₅(OH)₄

• Aussehen: Weiß, Perlmutt- bis Seidenglanz

• Entsteht durch Verwitterung von Feldspat

• feinschuppige Plättchenstruktur

• sehr große innere Oberfläche

• Wichtig in Keramik, Ziegel, Papierindustrie

2. Karbonatgestein

• Beispiel: Kalkstein CaCO₃ (Calcit)

• Aussehen: Hellgrau bis beige, dicht oder grobkörnig

• Reagiert mit Salzsäure

3. Gips

• Sulfatgestein CaSO₄·2H₂O

• Aussehen: Weiß bis grau, weich, oft faserig oder tafelig

• Entsteht durch Verdunstung salzhaltiger Gewässer

• Anwendung: Bauindustrie, Medizin

4. Halogenide

• Beispiel: Steinsalz NaCl

• Aussehen: Farblos bis weiß, würfelig, durchsichtig

• gut spaltbar

5. Oxide & Hydroxide

• Beispiel: Hämatit Fe₂O₃

• Aussehen: Rötlich bis schwarz, metallischer Glanz

• Eisenoxid, Haupt-Eisenerz

• Sehr hart, färbt rot

• Verwendung: Stahlherstellung

6. Kalkspat (Calcit)

• Summenformel: CaCO₃

• Aussehen: Farblos bis weiß aber oft verunreinigt, perlmuttglänzend, gut spaltbar

• Hauptbestandteil vieler Sedimentgesteine

• Reagiert mit HCl (aufbrausend)

Gesteine = Aggregate aus verschiedenen Mineralen

Ausnahmen:

− Monomineralische Gesteine (Steinsalz, Gips, Kalk, Quarzit)

− nichtkristalline Substanzen (amorph, z. B. vulkanisches Glas)

− organische Substanzen (Kaustobiolithe wie Torf, Kohle)

Festgesteine: Minerale sind verzahnt miteinander verwachsen bzw. durch ein Bindemittel verbunden (z. B. Sandsteine, Granit, Kalk)

Lockergesteine: Minerale oder Gesteinsbruchstücke sind nicht verbunden (Sand, Kies)

Gips ist ein wasserhaltiger schwefelsauerer Kalk

1. Natürliches Gipsgestein: Sedimentgestein aus Calciumsulfat-Dihydrat (CaSO₄·2H₂O), wird durch Abbau in Gipslagerstätten gewonnen.

2. Anhydrit: Natürlich vorkommendes Calciumsulfat ohne Kristallwasser (CaSO₄); entsteht durch Austrocknung von Gips in geologischen Prozessen.

3. Anhydritbinder: Industriell hergestellter Bindemitteltyp auf Basis von Anhydrit, der z. B. durch Brennen von Gips oder technischer Anhydritgewinnung produziert wird.

4. REA-Gips: Technisch gewonnener Gips (CaSO₄·2H₂O) aus der Rauchgasentschwefelung in Kraftwerken; chemisch wie natürlicher Gips, aber industrielles Nebenprodukt.

1. Natürlich:

   • Entsteht durch Eindampfen von Meerwasser in warmen, flachen Meeren

   • Ausfällung von Calciumsulfat bei hoher Salzkonzentration

   • Ablagerung in Schichten → Bildung von Gipsgestein, Auskristallisation von übersättigten wässrigen Lösungen vor 240 Millionen Jahren

2. Technisch (z. B. REA-Gips):

   • Entsteht bei der Rauchgasentschwefelung in Kraftwerken

   • Schwefeldioxid wird mit Kalk reagiert → Gips als Nebenprodukt

-> Durch die geologische Vorgeschichte unterscheiden sich die Gipsgesteine in ihrem Reinheitsgrad sowie in ihrer Farbe und ihrem Gefüge (feinkörnige Strukturen, tafelige Platten, spätig und blättrig, faserige Aggregate)

Reaktionsprodukt ist von der Brenntemperatur abhängig

• Fertigspachtel, Elektrikergips

• Gipsputz

• Gipskartonplatten

• Zahntechnik

  
  

  -> Gipsbinder oft als Ausgangsprodukt

Unterscheidung nach Bindemittelgehalt:

1. Gips-Putztrockenmörtel (B1): min. 50 % Gipsbinder als aktives Hauptbindemittel und max. 5 % Baukalk (Calciumhydroxid)

2. Gipshaltige Putztrockenmörtel (B2): max. 50 % Gipsbinder als aktives Hauptbindemittel und max. 5 % Baukalk.

3. Gipskalk-Putztrockenmörtel (B3): B1 oder B2 mit mehr als 5 % Baukalk.

4. Gipsleicht-Putztrockenmörtel (B4, B5, B6): Trockenrohdichte < 1.000 kg/m³

5. Gips-Trockenmörtel mit erhöhter Oberflächenhärte (B7)

6. Dünnlagenputz (C6)

7. Gips-Flächenspachtel (C7)

Zusatzstoffe:

Quarzsand, gebrochener Kalkstein, Perlite, Fasern, Pigmente, Baukalk, Abbindeverzögerer, luftporenbildende Stoffe, wasserrückhaltende Stoffe

Nur ein Teil des Zugabewassers wird in die Festigkeit des Gipsbindern eingelagert. Das restliche Wasser verdunstet und hinterlässt eine Vielzahl von Poren. Deswegen ist die Rohdichte de erhärteten Gipses von der Menge des Zugabewassers (=Wassergipswert) abhängig.

E-Modul (Gips) = 2800 N/mm^2

E-Modul (Gipsbinder) = 5000 N/mm^2

Poren

• Porenvolumen bei 50-65Vol.-%

• offenporiges Gefüge, relativ große Kapillaren -> schnelles Ausgleichen der Feuchtigkeit

• Quellen bis 2M.-%

• Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl: 4 (feucht), 10 (trocken)

Baustoffklasse A1: nicht brennbar (DIN4102-1)

• keine Rauchentwicklung

• kein brennendes Abfallen

-> wird als Schutzschicht für Bauteile verwendet

Ein Gipsbinder (Stuckgips, Dichte ρ0 = 2,7 g/cm³) wird mit einem Wasser-Gips-Wert von 0,7 verarbeitet. Es können bei der Bildung des Dihydrats 21 M-% als Kristallwasser gebunden werden. Das restliche Wasser bildet Kapillarporen.

Wie groß ist das Porenvolumen in 1 dm³ verarbeitetem und erhärtetem Gipsbinder?

w/g=0,7 -> 1g Gips + 0,7g Wasser

davon 0,21g als Kristallwasser gebunden

Restwasser = Porenwasser: 0,7g - 0,21g = 0,49g

Porenvolumen = 0,49cm³ (Dichte 1g/cm³)

Masse von Gips in 1dm³ = 1g/1,7g*1000=588,2g

-> 588,2g * 0,49cm³/g = 288,2cm³

Wie groß ist die Porosität?

Porösität = Porenvolumen / Gesamtvolumen = 288,2cm³ / 1000cm³ = 28,8%

Berechnen Sie die Trockenrohdichte des erhärteten Gipses.

Trockenmasse = Gips + Kristallwasser = 588,2g + 0,21 * 588,2g = 712,8g

ρ(trocken) = 712,8g / 1000cm³ = 0,713g/cm³

Warum dürfen Gipsproben bei der Ermittlung der Trockenrohdichte nicht wie andere Baustoffe bei 105 °C getrocknet werden?

Das Kristallwasser würde auch verdampfen und der Gips zerfällt.

Welche Eigenschaften des verarbeiteten Gipses werden durch die hohe Kapillarporosität beeinflusst?

Festigkeit (mehr Poren = schwächer)

Wasseraufnahme / Schwindmaß (mehr Poren = schnelle Feuchtigkeitsaufnahme, mehr Schrumpfen)

Wärmeleitfähigkeit (mehr Poren = weniger Leitfähigkeit, weil Luft isoliert)

Wie ändert sich (qualitativ) die Porosität, wenn der w/g-Wert auf 0,8 steigt?

mehr Wasser = mehr Kapillarporen

Porösität steigt, Feuchtigkeit sinkt, Wasseraufnahme steigt

Wie groß ist die Ausgleichsfeuchte von Gips im Innenraum?

50-60% relative Luftfeuchtigkeit

Gipswandbauplatten: Bauelemente aus massivem Stuckgips für nichttragende Wände, Schachtwände, Stützenummantelungen

Gipskartonplatten: Wand- und Deckenbekleidung, Montagewände

Herstellung Fertigbauteile

! Eigenschaften sind richtungsabhängig (größere Festigkeit in Längsrichtung, also in Richtung der Kartonfasern)

= Anhydritestrich

Ein Estrich ist eine verlegereife Ausgleichsschicht auf dem Rohboden, die als Unterlage für Bodenbeläge dient oder direkt genutzt werden kann.

Eigenschaften:

• Gute Verarbeitbarkeit (lange offene Zeit, selbstverlaufend bei Fließestrichen)

• Geringe Schwind- und Quellneigung

• Hohe Maßhaltigkeit (kaum Rissbildung)

• Schnelle Festigkeitsentwicklung

• Glatte Oberfläche

Wichtig zu beachten:

• Nicht dauerhaft feuchtebeständig → nicht geeignet für Nassräume (z. B. Duschen)

• Empfindlich gegen Nässe → Abdichtung erforderlich

• Erhärtung durch Trocknung, nicht durch chemische Reaktion mit Wasser wie bei Zement

Selbstnivellierender Fließestrich

• Werkseitig fertig vorgemischter Trockenmörtel wird mit Wasser gemischt, durch den Förderschlauch transportiert und ausgegossen. Vorher wird ein entsprechender Unterbau gelegt.

  
  

Fertigteilstrich

• Einsatz überall dort, wo der Zeitfaktor bzw. geringe Masse eine besondere Rolle spielt und/oder wo man nicht mit Nass-Estrichen arbeiten will (z.B. in der Altbausanierung).

• Fertigteilestriche eignen sich auch zur Kombination mit Fußbodenheizungen.

Nicht-hydraulische Bindemittel: Härten nur an der Luft durch Aufnahme von CO₂ und/oder H₂O und sind nicht wasserbeständig.

Hydraulische Bindemittel: Härten mit Wasser sowohl an der Luft als auch unter Wasser und sind wasserbeständig.

Latent-hydraulische Bindemittel: Härten nur in Kombination mit Anregern (z. B. Ca(OH)₂) und Wasser, sind dann wasserbeständig.

Puzzolanische Bindemittel: Enthalten reaktives SiO₂ und härten nur in Gegenwart von Ca(OH)₂ und Wasser, wobei CSH-Phasen entstehen.

1. Brennen

Erhitzt man Calciumcarbonat auf ca. 1.000 °C, zerfällt er unter Bildung von Calciumoxid und Kohlendioxid. Zur Herstellung von Luftkalk wird möglichst reiner Kalkstein mit ca. 97 % CaCO3-Gehalt verwendet.

CaCO₃ → CaO + CO2 (Kalkstein → gebrannter Kalk + Kohlendioxid)

2. Löschen

Calciumoxid, auch Branntkalk genannt, setzt man mit Wasser um, wobei Calciumhydroxid (Kalkhydrat) oder Löschkalk entsteht.

CaO + H₂O → Ca(OH)2 + 1150 J/g (Branntkalk + Wasser → Kalkydrat)

3. Erhärten (Karbonatisierung)

Calciumhydroxid wandelt sich durch Aufnahme von Kohlendioxid (CO2) und Abspaltung von Wasser (H2O) wieder in Calciumcarbonat CaCO3.

Ca(OH)₂ + CO₂ + H₂O → CaCO₃ + 2H2O (Kalkhydrat + Kohlensäure H₂CO₃ → Kalkstein + Wasser)

In der Luft ist nur ca. 0,03 % Kohlendioxid enthalten. Die Umwandlung von Kalkhydrat zu Calciumcarbonat verläuft daher sehr langsam. Karbonatisierung einer 2 cm dicken Putzschicht dauert ca. 1 Jahr.

natürliche hydraulische Kalke (NHL)

Mergel / natürlicher Kalkstein

• zu 20% in Zement

künstliche hydraulische Kalke (HL)

1. Rohstoffe:

   • Kalkstein mit Tonanteil (5–20 %) (SiO², Al²O³)

2. Brennen:

   • Bei ca. 900–1100 °C im Kalkofen

   • Tonmineralien reagieren mit Kalk zu hydraulischen Verbindungen

3. Löschen:

   • Mit Wasser → Bildung von Kalkhydrat (Ca(OH)₂)

4. Vermahlen:

   • Zu feinem Pulver, das als hydraulischer Kalk verwendet wird

5. Erhärtung:

   • Reagiert mit Wasser → bildet CSH-Phasen (wasserbeständig)

   • Erhärtet an Luft und unter Wasser

Puzzolane sind feinkörnige, silikatische oder silikatisch-aluminatische Stoffe, die selbst keine Bindekraft besitzen, aber in Gegenwart von Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) und Wasser zu CSH-Phasen reagieren und somit festigkeitsbildend wirken.

Herstellung:

• Natürlich:

  • Vulkanische Aschen, Tuffe → gemahlen

• Künstlich:

  • Industrielle Nebenprodukte wie Flugasche, Silicastaub, Hüttensand

  • Kalzinierung tonhaltiger Materialien (z. B. Metakaolin durch Brennen von Kaolinit)

Verwendung:

• Zusatz zu Zement (zur Verbesserung von Dauerhaftigkeit)

• Nachhaltiges Bauen (Reduktion von CO₂-Emissionen durch geringeren Klinkeranteil)

  
  

  Eigenschaften:

• Reagieren mit Ca(OH)₂ zu stabilen CSH-Phasen

• Wasserbeständig, wenn hydraulisch aktiviert

• Langsamer Festigkeitsaufbau, aber hohe Endfestigkeit

• Dichtes Gefüge, gute Sulfat- und Frostbeständigkeit

• Reduzieren Porenraum, verbessern Dauerhaftigkeit

• Umweltfreundlich, da oft Recyclingmaterialien genutzt werden

Beispiel: Trass

• natürliches Puzzolan aus vulkanischem Tuffstein

• besteht aus Kieselsäure, Tonerde, Wasser

• reagiert mit Calciumhydroxid nach einem langen Erhärtungsprozess zu einer zementsteinähnlichen Verbindung

• für alle Mörtelanwendungen geeignet

1. Definition: Beton ist ein Baustoff, der aus Zement, Wasser, Sand und Kies oder Schotter (65%) besteht.

   Zement als Bestandteil: Der Zement im Beton wirkt als Bindemittel, das Sand und Kies zusammenhält.

• Lastabtrag über das Korngerüst - Last liegt auf dem Material mit höherem E-Modul

1. Rohstoffgewinnung und Aufbereitung

Rohstoffe:

• Kalkstein CaCO₃: 80%

  • besteht aus CaO und CO²

• Ton: 20%

  • besteht aus SiO², Metalloxide, H²O

• Sekundärrohstoffe: Quarzsand, Klärschlamm, Flugasche,…

Phasen:

1. Abbau des Rohschotters im Steinbruch

2. Homogenisierung und Vermahlen zu Rohmehl:

   • Die gemischten Rohstoffe werden in Mühlen (z. B. Kugelmühle) zu feinem Rohmehl gemahlen.

   • Ziel: Gleichmäßige chemische Zusammensetzung (Homogenität) für eine kontrollierte Reaktion im Ofen.

   • Dabei Trocknung durch Abwärme

2. Klinkerproduktion im Drehrohrofen

Drehrohrofen mit Zyklonwärmern:

Der Ofen ist ca. 60–100 m lang und besteht aus mehreren Temperaturzonen:

1. Trocknungszone:

   • Entfernung von Restfeuchte

2. Calcinierzone (Entsäuerung):

   • Bei ca. 850–900 °C wird Calciumcarbonat (CaCO₃) zu Calciumoxid (CaO) und CO₂ gespalten:

     • CaCO₃ → CaO + CO₂

3. Sinterzone:

   • Bei ca. 1450 °C reagieren die Bestandteile flüssig miteinander zu einem neuen Mineral

   • Es entstehen Klinkerphasen (z. B. Alit, Belit), die später für die Festigkeit des Zements verantwortlich sind.

   • Der dabei entstehende feste Stoff heißt Zementklinker

   • siehe Hauptklinkerphasen unten

3. Zementmahlung

• Der abgekühlte Zementklinker wird mit Gips (CaSO₄) (zur Steuerung der Erstarrung) in Mühlen fein gemahlen.

• Ergebnis: Zementpulver

6. Hydratation

• Chemische Reaktion von Zement mit Wasser → Bildung von Calcium-Silikat-Hydraten (CSH) = Hauptverantwortlich für Festigkeit

• exotherme Reaktion -> Hydratationswärme

1. Anmachen der Zementkörner zu Zementleim

2. Ansteifen und Erstarren zu Zementgel

3. Erhärten zu Zementstein

7. Festbeton

• Nach ausreichender Hydratation ist der Beton fest und trägt Lasten.

• Beton wird in Festigkeitsklassen (z. B. C25/30) eingeteilt.

Zusammenfassung der Fachbegriffe:

CEM I: Portlandzemente

CEM II: Portlandkompositzemente

CEM III: Hochofenzemente

CEM IV: Puzzolanzemente

CEM V: Kompositzemente

• N: übliche Anfangsfestigkeit

• R: hohe Anfangsfestigkeit

• Festigkeit hängt vom Mahlgrad, der Zusammensetzung und der Wasserzugabe ab

• Bsp.: Calciumsulfat legt eine Schutzschicht um Zementkörper, damit die Erstarrung verzögert wird.

Zusätzlich werden angefügt:

• Zement mit niedriger Hydratationswärme (LH-Zement)

• Zement mit hohem Sulfatwiderstand (SR-Zement)

• Zement mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt (NA-Zement)

• Zement mit frühem Erstarrungsbeginn (FE-Zement) • Zement mit schnellem Erstarrungsbeginn (SE-Zement)

• Zement mit erhöhtem Anteil an organischen Zusätzen (HO-Zement)

1. Hauptzementart: CEM I bis CEM V

(in allen Zementen ist als ein Hauptbestandteil Portlandzementklinker K enthalten)

2. Hinweis auf die Menge der weiteren Hauptbestandteile.

Es gibt die Anteilsbereiche: A (geringer Anteil), B (mittlerer Anteil), C (hoher Anteil)

3. Art des weiteren Hauptbestandteils: S, D, P, Q, V, W, T, L, LL, (M)

4. Festigkeitsklasse: 32,5; 42,5; 52,5 und Erhärtungsgeschwindigkeit: R (rapid), N (normal)

5. Besondere Eigenschaft: LH, SR, NA, FE, SE, HO

• hängt ab von Mahlfeinheit und Korngrößenverteilung

• optimaler Wasser/Zement-Wert = 0,4

• Zement neigt aufgrund seiner höheren Dichte zum Sedimentieren, an der Oberfläche bildet sich eine Wasserschicht (“Wasserabsondern” oder “Bluten”)

zu viel Wasser: Überschusswasser bildet Kapillarporen

gute Wassermenge: Zementpartikel hydratisieren vollständig, das gesamte Zugabewasser wird chemisch gebunden

zu wenig Wasser: Zementpartikel hydratisieren nur in den äußeren Schichten

Puzzolanische Zusatzstoffe

• natürliche Puzzolane: Trass

• künstliche Puzzolane: Flugasche, Silicastaub

Wirkung: enthalten reaktionsfähige Kieselsäure SiO², tragen zur Erhärtung bei, weil sie mit Ca(OH)² (entsteht bei der Hydratation von Zement) zu zementsteinähnlichen Erhärtungsprodukten (CSH-Phasen) reagieren

Steinkohleflugasche (SFA)

• Verbrennungsrückstand aus Elektrofiltern in Steinkohlekraftwerken

• leisten Beitrag zur Betonfestigkeit einschließlich Nachhärtung

• Füller-Effekt, da ähnlich zu Zementkörnung

Trass

• aus gemahlenem, vulkanischem Tuffstein

• besteht aus Kieselsäure, Tonerde, Wasser

• reagiert mit Calciumhydroxid zu zementsteinähnlichen Verbindung

• Beton wird dichter, widerstandsfähiger, wirkt Kalkausblühungen entgegen, weniger Hydratationswärme

Silicatische Feinstäube

• SiO²-haltige reaktionsfähige Stäube

• wirkt festigkeitssteigernd, verbesserte Klebewirkung, Erhöhung Druckfestigkeit und Wasserundurchlässigkeit, Frostwiderstand

• Beachten: sehr hoher Wasseranspruch, teuer, 5-15% des Zementgewichts