Chemie des Bauwesens: Band 1: Anorganische Chemie

512 Pages·1980·18.536 MB·German

by  Dr. rer. nat. habil. Karl Krenkler (auth.)

Karl Krenkler
Chemie
des Bauwesens
Band 1: Anorganische Chemie
Mit 287 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin· Heidelberg· New York 1980
Dr. rer. nat. habil. KARL KRENKLER
apl. Professor an der Fakultat fur Bauingenieur
und Vermessungswesen der Universitat Stuttgart
CIP-Kurztitelaufnahme def Deutschen Bibliothek
Krenkler, Karl:
Chemie des Bauwesens / K. Krenkler.
Berlin, Heidelberg, New York: Springer.
Bd. 1. Anorganische Chemie. - 1980.
ISBN-13: 978-3-642-8 I 476-I e-ISBN-13: 978-3-642-8 I 475-4
001: 10.1007/978-3-642-81475-4
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© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1980
Sofkover reprint of the hardcover 15t edition 1980
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Vorwort
Fur die meisten Menschen ist die Chemie "ein Buch mit
sieben Siegeln", und mancher Bauingenieur mag sich bei
dem Buchtitel "Chemie des Bauwesens" fragen, was denn
das Bauwesen mit Chemie zu tun hat. Darauf gibt es nur
eine Antwort: "sehr viel".
Als Beispiel der Zement. Er ist eine prozentgenau abge
stimmte Mischung von Silikaten, Aluminaten und Ferriten.
Zement wird nicht nur in einem scharfer Kontrolle unter
liegenden chemischen ProzeB hergestellt, sondern auch
seine Erhartung und alles was damit zusammenhangt, wie
z. B. Schwinden, Kriechen, Warmeentwicklung, sind Fol
gen chemischer Reaktionen, und auch die mogliche Schadi
gung des Zementsteins durch Sulfate und andere aggressive
Stoffe sind chemische Vorgange.
Den idealen Zement, der nur gute Eigenschaften besitzt,
gibt es nicht. Die Eigenschaften schlieBen sich oft gegensei
tig aus; ein fruhhochfester Zement hat in der Regel auch
eine hohe Warmeentwicklung, verstarkte Schwindneigung
und anderes mehr. Urn den vielerlei Forderungen der Pra
xis gerecht zu werden, gibt es eine Reihe von Zementen,
von denen nur die Portlandzemente, der Eisenportland
zement, der Hochofenzement, der Tonerdezement, der
TraBzement, der WeiBzement und zementahnliche Binde
mittel wie der hydraulische Kalk und der Wasserkalk ge
nannt seien. Diese Bezeichnungen mit den dazugehoren
den Eigenschaften zu uberolicken, ist eine Gedachtnisbela
stung. Einfacher ist es, die Eigenschaften der Zemente von
ihrer chemischen Zusammensetzung abzuleiten, denn es
sind nur relativ wenige Faktoren, durch deren Variation die
Vielfalt der Zementeigenschaften zustande kommt.
Nicht wesentlich anders ist es beim Stahl. Durch Legie
rung und chemische MaBnahmen ist es moglich, die unge-
V
niigenden Eigenschaften des Eisens entscheidend zu ver
bessern. Bei der Verarbeitung des Stahls treten wohl weni
ger chemische Probleme auf, dafiir aber urn so mehr in der
Folgezeit. 1m Unterschied zum Beton, der gegen atmo
spharische Einfliisse und Wasser in der Regel bestandig ist,
rostet, d. h. oxidiert ungeschiitzter Stahl schon an der Luft
und dies urn so starker, wenn Wasser und aggressive Sub
stanzen hinzukommen. Diese Korrosion des Stahls ist ein
chemischer Vorgang; wer sie mit Erfolg verhindern will,
muB ihre chemischen Ursachen und die stoffbedingten Ei
genschaften der Schutzmittel kennen.
Ein anderes Beispiel sind die Kunststoffe, die in steigen
dem Urn fang im Bauwesen Anwendung finden. Wer nur
die Namen hort wie z. B. Polyathylen, Polystyrol, Polypro
pylen, Polyviny1chlorid, Polyesterharze, Polyurethanharze
usw., dem mag es ergehen wie dem Schiiler im Faust: "Mir
ist von alledem so dumm, als ging mir ein Miihlrad im Kopf
herum." Wer sich jedoch naher damit befaBt, der erkennt
bald, daB diese oft komplizierten Namen Bezeichnungen
fiir relativ einfache Dinge sind und daB die vielfaltigen Ei
genschaften der Kunststoffe sich im wesentlichen aus der
Molekiilstruktur erklaren lassen, fUr die es eine der Bau
statik sehr ahnliche "Molekiilstatik" gilt.
Man kann die Beispiele beliebig weiterfiihren. Tatsache
ist, daB die Bautechnik zu einem groBen Teil angewandte
Chemie ist und daB die Bedeutung der Chemie fUr das Bau
wesen immer mehr zunimmt. Wer tiefer in die Materie der
Baustoffe eindringen will, der braucht dazu die Chemie.
Wenn sich ein Bauingenieur mit Chemie befassen solI,
dann muS diese auf seine Bediirfnisse zugeschnitten, d. h.,
praxisnah und einfach sein. Die standige Bezogenheit auf
die Praxis ist deshalb ein Leitgedanke des Buches, was je
doch nicht bedeutet, daB theoretische Oberlegungen ver
nachlassigt werden, denn diese fiihren erst zum tieferen
Verstandnis der Zusammenhange. Da fUr den Bauinge
nieur der Plan, d. h. die zeichnerische Darstellung seiner
Objekte, Grundlage seiner Arbeit ist, wurde in diesem
Buch versucht, auch die Chemie weitgehend graphisch dar
zustellen, was insgesamt eine groSe Zahl von Bildern erge
ben hat, die aber manches verstandlich machen werden,
was, in Formeln ausgedriickt, dem Nichtchemiker unver
standlich ist.
VI
Das Buch wendet sich an den Vertiefung suchenden Stu
denten, an den Bauingenieur der Praxis und an Chemiker
von Firmen, die Partner des Bauwesens sind. Viele Pro
bleme der Bautechnik haben chemische Ursachen. Wenn
der Ingenieur diese mit den Fachleuten der Chemie kHiren
will, muB er mit Argumentationswissen ausgeriistet sein,
das er hier finden solI.
Der Stoff ist mir in jahrzehntelanger Tatigkeit in der
bauchemischen Industrie und durch Befassung mit den
Problemen der Bauingenieure zugewachsen. Das Buch ent
halt deshalb zu einem wesentlichen Teil Erfahrungswissen,
doch ist darin eine Vielzahl von Erkenntnissen eingefUgt,
die von Wissenschaftlern und Praktikern gesammelt wur
den und wofiir ich mich dankbar erweise. Unter den vielen
seien die Zementchemiker H. Kiihl, F. Keil, W. Czernin,
F. W. Locher und die Betontechnologen K. Walz und G.
Wischers genannt. Zahlreiche weitere sind aus dem Litera
turverzeichnis zu entnehmen.
Die sich iiber viele Baustoffgebiete ausdehnende Stoff
fUlle ergab sich durch meine dreiBigjahrige Tatigkeit als
Lehrbeauftragter an der Universitat Stuttgart fUr das Ge
biet "Chemie der Baustoffe". Fiir diese mich zutiefst be
friedigende Aufgabe und die mir daraus zugekommenen
Kenntnisse danke ich der Universitat Stuttgart und den
Kollegen der Fakultat fiir Bauwesen. Von diesen seien ge
nannt F. Popel, der mich an die Universitat geholt hat und
G. Rehm, dessen Lehrstuhl fUr Werkstoffe im Bauwesen
ich eingegliedert bin und dem ich manches Wissen, insbe
sondere auf dem Gebiet der Metalle, und vielfache Unter
stiitzung verdanke.
Mein Dank gilt auch Frau Marianne Marotz, welche die
vielen Bilder gezeichnet hat, und insbesondere meiner
Frau, die einen groBen "passiven" Beitrag zu dem Buch
geleistet hat, indem sie auf viele Freizeitfreuden verzich
tet hat, die der Arbeit an diesem Buch zum Opfer fielen.
SchlieBlich sei auch dem Springer-Verlag fUr die stets ange
nehme Zusammenarbeit herzlich gedankt.
Stuttgart, im August 1980 K. Krenkler
VII
Hinweis fUr den Leser
Die (etten Bildnummern wei sen auf die erste Zitatstelle des
jeweiligen Bildes hin; in deren unmittelbarer Niihe ist auch
das betreffende Bild zu finden. Ferner bedeuten in Zusam
menhang mit der Bild-Nr.: r. = rechts, 1. = links, o. =
oben, u. = unten, m. = Mitte. Eine zusiitzliche Ziffer,
durch Schriigstrich von der Bild-Nr. getrennt, verweist auf
das entsprechend numerierte Teilbild.
Inhaltsverzeichnis
1 Anorganische Grundlagenchemie
1.1 Grundbegriffe
1.1.1 Atom und Atombau
1.1.2 Atommasse ... 2
1.1.3 Periodensystem 5
1.1.4 Gruppen des Periodensystems 5
1.1.5 Obersicht tiber die Elemente 8
1.1.6 Chemische Verbindungen 9
1.1.7 Oxidationszahl 11
1.2 Oxide 13
1.2.1 Sauerstoff 14
1.2.2 Wasser 14
1.2.3 Kohlendioxid 18
1.2.4 Kohlenmonoxid 20
1.2.5 Magnesiumoxid 20
1.2.6 Aluminiumoxid 20
1.2.7 Siliciumdioxid 21
1.2.8 Schwefeltrioxid 21
1.2.9 Schwefeldioxid 21
1.2.10 Calciumoxid 22
1.3 Hydroxide der Metalle 22
1.3.1 Basen allgemein 22
1.3.2 Natrium-und Kaliumhydroxid 22
1.3.3 Calciumhydroxid . .. .. 24
1.3.4 Weitere Metallhydroxide ... 24
1.4 Hydroxide der Nichtmetalle (Sauerstoffsauren) 25
1.4.1 Kohlensaure 25
1.4.2 Kieselsaure ... . 25
1.4.3 Schwefelsaure .. .. 27
1.5 Hydride der Nichtmetalle 27
1.5.1 Methan .. 27
1.5.2 Ammoniak .. 28
1.5.3 Schwefelwasserstoff 28
1.5.4 F1uorwasserstoff 30
IX
1.5.4.1 Siliciumtetrafluorid 30
1.5.5 Chlorwasserstoff 30
1.5.6 Hydride insgesamt 30
1.6 pH-Wert 31
1.7 Salze .. 34
1.7.1 Sulfate 34
1.7.1.1 Natriumsulfat 34
1.7.1.2 Magnesiumsulfat 34
1.7.1.3 Calciumsulfat . . 34
1.7.1.4 Ammoniumsulfat 36
1.7.1.5 Sulfate allgemein 36
1.7.2 Carbonate 36
1.7.2.1 Natriumcarbonat 36
1.7.2.2 Magnesiumcarbonat 36
1.7.2.3 Calciumcarbonat . . 37
1.7.2.4 Calcium-Magnesiumcarbonat 37
1.7.2.5 Carbonate allgemein 37
1.7.3 Silikate .... 38
1.7.3.1 Natriumsilikat 38
1.7.3.2 Kaliumsilikat 38
1.7.3.3 Calciumsilikat 38
1.7.3.4 Aluminiumsilikat 38
1.7.3.5 Silikate allgemein 38
1.7.4 Chloride 39
1.7.4.1 Natriumchlorid 39
1.7.4.2 Magnesiumchlorid 39
1.7.4.3 Calciumchlorid . . 39
1.7.4.4 Chloride allgemein 40
1.7.5 Fluoride 40
1.7.5.1 Kalium-und Natriumfluorid 40
1.7.5.2 Calciumfluorid . . . . . . 40
1.7.6 Fluate 40
1.7.7 Ergiinzendes zu den Salzen 41
1.8 Hydrolyse 41
1.9 Dissoziation 42
1.10 Elektrolyse 42
1.11 Aggregatzustande 46
1.11.1 Gaszustand 46
1.11.2 Fliissigkeit 46
1.11.3 Feststoff 46
1.12 Stoffsysteme 47
1.12.1 Fliissige Stoffgemische 47
1.12.1.1 LOsungen 47
1.12.1.1.1 LOslichkeit ..... . 47
x
1.12.1.1.2 Losungskalte 47
1.12.1.1.3 Losungswarme 48
1.12.1.1.4 Losungstemperatur 48
1.12.1.1.5 Diffusion - Osmose 49
1.12.1.2 Kolloide 49
1.12.1.2.1 Gele allgemein 50
1.12.1.2.2 Wasserbindung der Gele 50
1.12.1.2.3 Schrumpfung der Gele 51
1.12.1.2.4 Quellung der Gele 51
1.12.1.3 Dispersionen 51
1.12.1.4 Emulsionen 52
1.12.2 Feststoffe 52
1.12.2.1 Kristallgitter 52
1.12.2.1.1 Atomradius 53
1.12.2.1.2 Ionenradius 53
1.12.2.2 Kristallsysteme 53
1.12.2.3 Kristallbindungen 56
1.12.2.3.1 Ionenbindung 56
1.12.2.3.2 Atombindung 56
1.12.2.3.3 Metallbindung 56
1.12.2.3.4 Wasserstoffbindung 58
1.12.2.3.5 van der Waalssche Bindung 58
1.12.2.4 Harte fester Korper 58
2 Anorganische Bauchemie (Verschiedenes) 61
2.1 Wasser im Bauwesen 61
2.1.1 Kreislauf des Wassers 61
2.1.1.1 Wasserverdunstung 61
2.1.1.2 Wasserdampfsattigung 62
2.1.1.3 Niederschlagsbildung 62
2.1.1.4 Taupunkt .. 64
2.1.1.5 Wasserkreislauf und Wasserverteilung 66
2.1.2 Wasser als Losungsmittel 66
2.1.2.1 Meerwasser 66
2.1.2.2 Trinkwasser 68
2.1.2.3 Harte des Wassers 70
2.1.2.4 Enthartung des Wassers 73
2.1.2.5 Enthartungsverfahren 73
2.1.2.6 Mineralwasser 74
2.1.3 Wasser als Bindemittel 76
2.1.3.1 Oberflachenspannung des Wassers 76
2.1.3.2 Haftspannung des Wassers .. 78
2.1.3.3 Bedeutung der Wasserbindung 80
2.2 Gestein und Verwitterungsprodukte 82
2.2.1 Geochemie 82
2.2.2 Urgestein 82
2.2.3 Verwitterung 84
2.2.3.1 Boden 85
XI