Baustoffkunde (Fach) / Baustoffkunde 1 / 2 (Lektion)

Grundlagen, Metalle, Beschichtung, Holz, Glas, natürl. u. künstl. Steine, Keramik, Bindemittel, Beton usw.

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• Was versteht man unter Stoffe? Die definierte Form der Materie, die aus kleinsten Teilchen zusammengesetzt ist
• Aggregatzustand? Als Aggregatzustand bezeichnet man , qualitativ verschiedene, temperatur- und druckabhängige physikalische Zustände von Stoffen => fest, flüssig, gasförmig
• Was bedeutet a) Isotropie und b) anisotropie a) die Unabhängigkeit einer Eigenschaft von der Richtung, z.B. Metall b) die Abhängigkeit einer Eigenschaft von der Richtung, z.B. Holz
• Wie entsteht ein Verbundsstoff und wofür macht man es? Entsteht durch Mischung von unterschiedlichen Phasen eines Werksstoffes oder Kombination verschiedener Werkstoffe Grund: Bestimmte Eigenschaften erziehlen, die die Kombination alleine nicht erbringen könnte. Steigerung Festigkeit, STeifigkeit, Anisotropieausgleich von geschichteten anisotropen Baustoffen zur Festigkeitserhöhung, Steigerung der Wirtschaftlichkeit
• Was ist eine Dichte? Dichte ist eine physikalische Eigenschaft des Materials. SIe ist über das Verhältniss der Masse m eines Körpers zu seinem Volumen V definiert ==> Dichte = Masse/Volumen Reindichte(ohne Hohlraum), Rohdichte(einschließlich Hohlraum), Schüttdichte
• Porosität? Unter Porosität versteht man die Gesamtheit, Ausbildung und Verteilung von Poren in einem Festkörper. Poren sind Hohlräume, gefüllt mir Flüssigkeit oder Gasen. Beeinflusst Stoffe: Die Rohdichte, Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Frostwiderstand, Wasseraufnahmefähigkeit, das Formänderungsverhalten, Durchlasswiderstand.
• Einfluss der Wasseraufnahme auf Eigenschaften poröser Feststoffe! Quellung, Dehnung, Reduzierung der Festigkeit, anstieg der Wärmleitfähigkeit, Reduzierung des Frostwiederstandes, erhöhte Reaktionfähigkeit des Baustoffes mit Schadstoffen. (offene Poren)  
• Kapillare Wasseraufnahme (Wasseransaugen) Unter kapillarer Wasseraufnahme eines porösen Stoffes ist das kapillare Einsaugen von Wasser in dessen Kapillar Poren zu verstehen, wenn das Stoff an der Oberfläche von Wasser berührt wird.
• Wasseraufnahme durch Kondensation Als Kondensation wird der Übergang des Wasserdampfes zum flüssigen Zustand bei Überschreitung des Kondensationspunktes(Taupunkt) bezeichnet. Auf Baustoffoberfläche kondensiert Wasser und Baustoff nimmt es auf.
• Hygroskopische Wasseraufnahme Bedeutet die Wasseraufnahme aus der Umgebungsluft. Dabei nimmt, das Baustoff um so mehr Feuchtigkeit auf je höher die Luftfeuchtigkeit und je höher der Verzalzungsgrad des Baustoffes ist auf.
• Härte und Festigkeit Unter Härte versteht man den Wiederstand den ein Körper dem Eindringen eines anderen Körpers engegenbringt. Festigkeit gibt Auskunft darüber, bei welcher Last eine Baustoffprobe versagt. Festigkeit eines Baustoffes is der größte Wiederstand , den dieser einer äußeren Beanspruchung entegegensätzt. Festigkeit-> Bruchspannung -> Sigma(better)= F/A
• Vorteile und Nachteile von Stahl Vorteile: Hoher Wirkungsgrad, Anpassbarkeit der Querschnitte und Bauteilform, leichte Demontier- und Ersetzbarkeit von Konstruktionen, hohe aufnehmbare Last Nachteile: Korrosionanfällig normaler Baustahl, geringer Brandwiederstand.
• Wie wird Stahl hergstellt? - Erze werden gebrochen und gemahlen -Reduktion des Erzes mit Koks im Hochofen zu flüssigem Roheisen => C - Gehalt 3-4 % -Frischen des flüssigen Roheisen mit Sauerstoff im Konverter zur Verringerung von Kohlenstoff (< 2 %) und der übrigen Begleitelemente (für Zähigkeit ist Kohlenstoffanteil verantwortlich) C > 2% = Gusseisen
• Nichtrostende Stähle -hoch legiert ( 5 % Legierungsgehalt) - Chrom (Cr), Nickel (Ni) -> Chrom-Nickel-Stähle - Edelstähle sind korrossionsfrei, haben 20-30% Legierungsgehalt    
• Nichteisenmetalle Nach Dichte   ♦ Leichtmetalle mit p < 4,5 g/cm3                         ♦ Schwermetalle mit p > 4,5
• Metallkorrosion Ist die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine meßbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einem Korrosionsschaden führen kann. Kontakkorrosion, Flächenkorrosion, Huldenkorrosion, Lochkorrosion, Spaltkorrosion, Spannungsrisskorrosion.
• Korrosionsschutmaßnahmen! - Elektrolyt (Wasser usw) fernhalten o. kurze Verweilzeit ermöglichen - Beschichtung auftragen - Kontakte unterschiedlicher Metalle bei freier Bewitterung nur zulassen wenn bei gewählten Paarung Kontaktkorrosionausgeschlossen ist - vermeiden von Spalten im Bereich metall. Kontakte
• Elektrochemicher Korrosionsschutz Kathode kann sich Metall nicht auflösen (korrodieren) daher z.B. das zu schützende Objekt zur Kathode polarisieren. -- Das Objekt mit einer Opferanode elektrischleitend verbinden (Anode löst sich auf daher regelmäßig wechseln)
• Aluminium u. Aluminniumlegierung Vor- und Nachteile Vorteile: -gut verformbar -benötigt keinen Korrosionsschutz, weil auf der Oberfläche sich eine Oxidschicht bildet (Al2O3)  Nachteile: -Festigkeit bei Rohaluminium ist gering - Reagiert empfindlich gegen Saure und Basen Achtung: Zusammenbau mit anderen Metallen vermeiden!
• Aluminium Eigenschaften! p= 2,7 g/cm3 βz= 60 N/mm2 rein, 600 N/mm2 mit Legierung E= 70000 N/mm2
• Einiges über Kupfer! Hohes Verformungs vermögen, hohe elektr. Leitfähigkeit, Korrosionsbeständig ( Schutzschicht aus Kupfersalzenüberzieht Oberfläche), Legierungselement für Kupfer ist Zink ( Messing)-> Festigkeit steigt dadurch. Verwendung: Dachdeckungen, Klempnerarbeiten
• Einiges über Zink Gute atmosphärische Beständigkeit (Oxidationsschicht auf Oberfläche). Verwendung: hauptsächlich für Korrosionschutz von Stahlbauteilen ( Verzinkung).
• Anwendung der Kunststoffe im Bauwesen Beschichtung für fast alle Untergründe, elektr. Isolierung, Kleber, Bindemittel, Rohrleitung, Dämmstoffe, Fugemasse
• Vor- und Nachteile von Kunststoffe? Vorteile: geringe Rohdichte, beständig gegen wässrige Lösungen (säuren, Laugen und Salze), hohe Verformbarkeit, niedrige Wärmeleifähigkeit, elektr. nicht leitend, gut verarbeitbar (schweißbar) Nachteile: brennbar, mechan. Eigenschaft stark Temp. abhängig, keine Dauerstandfestigkeit (jede Belastund nach bestimmter Zeit führt zum Versagen), hohe Wärmedehnung
• Was sind die Grundbausteine für Kohlenstoff? Kohlenwasserstoffe (Moleküle die im wesentlichen aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen); Rohstoffbasis sind: Erdöl, Erdgas und Kohle usw.
• Rohmaterialien für Zement Kalkstein, Ton, Sand, Eisenerz
• Herstellung von Zement In Drehrohröfen wird das Rohmaterial bei einer Temp. > 1300 °C gebrannt, dabei enstehen wasserfrei chem. Verbindungen (die Klinkerphasen)
• Was sind die Hauptklinkerphasen? Tricalciumsilikat        3CaO•SiO2            C3S                Alit Dicalciumsilicat         2CaO•SiO2            C2S               Belit Tricalciumaluminat    3CaO•Al2O3          C3A                Aluminat Calciumaluminatferrit  4CaO•Al2O3•Fe2O3 C4AF        Aluminatferrit
• Festigkeitsentwicklung bei Zement Ansteifen / Erstarren: (dauer: Minuten, Stunden) wichtig für Verarbeitbarkeit von Beton Erhärten: (dauer: Stunden, Wochen, Monate) Wichtig für Festigkeit des Betons
• Hydratation die Anlagerung von Wassermolekülen in Festkörper (Mineralien) als Kristalwasser (chem. Bindung von Wassermolekülen) Anorganische- mineralische Bindemittel erhärten hydraulisch, wenn nach Anmischen mit Wasser, hochfeste, wasserbeständige, kristaline, mineralische Materialien entstehen. (Aushärtung kann in der Luft und unter Wasser stattfinden)
• Die hydraulischen Bindemittel Belit (C2S) und Alit (C3S) Sind wasserfreie Calciumsilikate und erfüllen die Anforderungen für hydraulische Bindemittel. Beide Calcium-Silikate sind anorganisch und mineralisch und reagieren an der Luft und unter Wasser zu Calcium-Silikat-Hydrat
• Gefügeänderung bei der Zementhydratation Es gibt drei Hydratationsstufen: Ansteifen, Erstarren und Erhärten - das Tricalciumaluminat C3A reagiert sehr rasch mit Wasser --> sofortiges Ansteifendes Leimes -> Problem bei Verarbeitung Zement - Tricalciumaluminat-Hydrat (C4AH13) ist mit einer hohen Wärmeentwicklung verbunden, weil es sehr schnell abbindet -> Ansteifung unmittelbar nach Wasserzugabe-> Verarbeitung Verhindert        - Problembehandlung: Gips im Anteil von 3-4 M. % beigeben.          C3A+3CaSO4*2H2O+26H2O-------> C3A*3CaSO4*32H2O (Ettringit) Gips fungiert als Erstarrungsregler. - Das Ettringit in langen Nadelnvon der Oberfläche des Zementkorns aus, es kommt zum ersten Ansteifen - für die Festigkeit des Zementsteins sind das Tricalciumsilicat und das Dicalciumsilicat von Bedeutung, sie bilden in der zweiten Stufe feine, lange Calciumsilikathydratnadeln, die sich ineinander verfilzen - Dritte Stufe: Bildung feiner u. kurzer Nadeln und Fasern, Raum wird verdichtet - C3S u. C2S spalten Kalkhydrate Ca(OH2) ab, dadurch kommt es zu einem pH-Wert von 12,6 des Porenwassers - > der Korrosionsschutz des eingebetteten Stahls ist gesichert
• Einfluss auf Zementeigenschaften - Mehlfeinheit Auswirkung---> Erhärtungsgeschwindigkeit, Verarbeitbarkeit, Festigkeit - Reaktionsgeschwindigkeit u. Wärmeentwicklung lassen sich steuern durch: C2S, C3S, S, P, O, T
• Zementarten und ihre Zusammensetzung Portlandzement: CEM I    reiner Portlandzementklinker Portlandkompositzement: CEM II Portlandzementklinker + jeweils ein weiterer Hauptbestandteil Hochofenzement: CEM III Portlandzementklinker+ Hüttensand Puzzolanzement: CEM IV Portlandzementklinker + mehrere Hauptbestandteile Kompositzement: CEM V Portlandzemetklinker + Hüttensand + mehrere Hauptbestandteile
• Eigenschaften von Zementstein ( vollständiger erhärtetter Zementleim) Die beim Anmischen zugesetzte Wassermenge beeinflusst in ganz erheblichem Maße die Porosität und damit auch Festigkeit und Dichtheit (Dauerhaftigkeit, Bestän-digkeit) des Zementsteins.
• Wasserzementwert und Porosität Der w/z-Wert beeinflusst die Porosität des Zementsteins. Er übt somit einen erhebli-chen Einfluss auf die Festigkeit, die Möglichkeit des Eindringens von wässrigen Lösun-gen (Dichtheit) und somit auf die Dauerhaftigkeit des Baustoffs aus.
• wie hoch muss der w/z-Wert um die Verarbeitbarkeit des Zementleims zu ermöglichen sein? Um eine Verarbeitbarkeit des Zementleims zu ermöglichen, muss jedoch der w/z-Wert größer als 0,4 sein. In der Praxis (z. Bsp. für die Betonherstellung) sind w/z-Werte von 0,45 bis 0,65 erforderlich und üblich
• Abhängigkeit der Festigkeit von Wasserzementwert Der prozentuale Abfall der Festigkeit mit zunehmendem w/z-Wert ist gravierend! Von w/z = 0,4 bis w/z = 0,65 fällt z. Bsp. die Druckfestigkeit um ca. 50 %, das heißt sie reduziert sich um die Hälfte!
• Vor- und Nachteile von Holz Vorteile: rel. hohe Festigkeit, niedriges Gewicht, vielfältige Einsatzmöglichkeiten, leichte Bearbeitbarkeit Nachteile: Streuung der Eigenschaften wegen der unterschiedl. Wuchsbedingen, das hohe Quell und Schwindmaß bei Feuchtewechsel, geringe Beständigkeit, leichte Zerstörbarkeit durch Brand u. Schädlingen
• Hauptbestandteile von Holz 50 Masse % Kohlenstoff (C), 40 Masse % Sauerstoff (O), 6 Masse % Wasserstoff (H), Rest aus Stickstoff und Minerale
• Nadelholz und Laubholz Nadelholz Tanne, Fichte Kiefer Lärche harzreich, geringes Schwindmaß   Laubholz Buche : hohe festigkeit, fault leicht, schwer zu bearbeiten hohes Schwindmaß Eiche : sehr hohe Festigkeit, fault nicht, geringes Schwinden
• Holzeigenschaften Materilakennwerte schwanken über große Bereiche geringer Eigenlast, gute Festigkeitseigenschaften Ingenieurbau hauptsächl. Nadelholz ( geringes Eigengewicht und regelmäßig gewachsen)
• Holzfehler Asthaltiges Holz hat eine höhere Dichte als astfreies, jedoch sowohl geringere Zug- als auch Druckfestigkeit
• Holzschutz Trockenheit ist der beste Schutz gegen Fäule konstruktiver Holzschutz Chemischer Holzschutz (fungizid->pilz tötend, insektizid->Insekten tötend), Imprägnierung duruch Kasseldruckverfahren Beschichtung (Holzlasuren)
• Brandverhalten bei Holz Holz ist bis ca. 100-150°C thermisch beständig, oberhalb dieser Temp. -> chemische Zersetzung rasche Erwärmung-> Entzündung bei 340-430°C Bei 400°C wird der höchste Anteil an Kohlenwasserstoff gebildet Bei 500°C verstärkte Bildung von Holzkohle--> thermische Zersetzung des Holzinneren
• Bautechnische Bedeutung von Glas Raumabschließender u. lichtdurchlässiger Baustoff geringer Wärmetransmissionsverlust hohe Lichtdurchlässigkeit bei geringer Wärmestrahlungsdurchlässigkeit Lärmschutz Schutz gegen Feuer Schutz gegen Einbruch
• Bestandteile des Glases ( Fensterglas-Spiegelglas) Fensterglas Kieselsäure SIO2       71,7 % Tonerde Al2O3            0,7 % Kalk CaO                     9,7 % Magnesia MgO           4,3 % Notron Na2O               13 % Spiegelglas Kieselsäure SIO2       72,2 % Tonerde Al2O3            0,1 % Kalk CaO                    11,2 % Magnesia MgO           2,0 % Notron Na2O               13,7 %
• Formgebung (Glas) Durch ziehen aus der Schmelze, Auswalzen, Pressen. Ziehen aus der Schmelze-> Glas wird auf einem flüssigen Zinnbad hergestellt. Zinn hat eine höhere Dichte als Glas daher schwimmt das flüssige Glas auf der ebenen Oberfläche u. bildet nach dem Erstarren eine völlig ebene Glasschicht (Planparallität u. Ebenheit sehr wichtig).
• Eigenschaften von Natron-Kalk-Silikatglas (Normalglas) Dichte p                     2500kg/m3 Elastitätsmodul E     70000 N/mm2 Druckfestigkeit βD    700-900 N/mm2 Biegezugfest. βBZ     45 N/mm2 Schmelzbereich Ts    1300-1600°C Erweichung Te            >550°C Einsatzbereich            < 200°C Wärmeleitfähigkeit λ    1,0 W/(m*K) linearer Wärmedenkoe αT   9*10-6K-1
• Chemische EIgenschaften von Glas Gegen fast alle wässrigen Chemikalien beständig (keine Langzeiteinwirkung) Wiederstandsfähigk. steigt mit Siliciumgehalt Verwitterungserscheinung bei längeren einwirken von Lösungen Alkali-Ionen lösen sich auf der Oberfläche auf, diese greifen dann das SIO2 Netzwerk an

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