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Bisphenol A (Dian)
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Phosgen
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Bisphenol A (Dian)
Abbildung 10.18 Polycarbonate: a) Kondensationreaktion von Phosgen mit Dian unter Abspaltung von Hel; b) Strukturelement des Kunststoffs.
Furanharze sind Polymere, die in der Hauptkette Furanringe (s. Kap. 10.1.8) enthalten. Sie werden durch Polykondensation von Furfurylalkohol (2-Furanmethanol) mit sich selbst oder mit Furfurol (o-Furfurylaldehyd), Formaldehyd, Harnstoff, Ketonen und/oder Phenol als Co-Monomeren hergestellt. Furanharze sind braune bis schwarze, viskose Fliissigkeiten, die unter dem Einfluss stark saurer Katalysatoren zu Produkten mit ausgezeichneten Gebrauchseigenschaften vernetzen. Kommerziell erhaltliche Furanharze bestehen aus den entsprechenden Furfurylalkohol-Cokondensaten, denen zur Viskositatserniedrigung Reaktivverdunner wie Furfurol, Furfurylalkohol oder aromatische Aldehyde zugesetzt sind. Die Kalterhartung erfolgt entweder mit Mineralsauren (H 3P04 , verd. H 2S04) , die als wassrigalkoholische Losungen zugegeben werden, oder mit festen kristallinen aromatischen Sulfonsauren. Sie konnen dem Harz in fester Form, z.B. im Gemisch mit den Fullstoffen, aber auch als wassrig-alkoholische Losung, zugesetzt werden. Verwendung: Chemikalienbestandige Kitte und bei niedriger Temperatur hartende Klebstoffe. Glasfaserverstarkte Furanharze werden als Konstruktionsmaterialien mit hoher Korrosions-, Hitze- und Flammbestandigkeit fur Behalter, Rohrleitungen und Reaktoren eingesetzt.
10.4.4.3 Polyadditionskunststoffe (Polyaddukte) Bei einer Polyaddition erfolgt die Bildung eines Makromolekiils durch wechselseitige Verkniipfung (Addition) unterschiedlicher Monomermolekiile mit je zwei charakteristischen Gruppen ohne Abspaltung von Nebenprodukten.
10.4 Kunststoffe
455
Wesentliche Voraussetzung fur den Ablauf einer Polyaddition ist das gleichzeitige Vorhandensein eines Protonendonators und eines Protonenakzeptors. Eines der beiden sich verkniipfenden Molekiile muss demnach als Bronsted-Saure und eines als Bronsted-Base fungieren konnen. Ais Protonendonatoren kommen vor allem Diole und als Protonenakzeptoren Diisocyanate mit reaktiven Isocyanatgruppen (O=C=N-) zur Anwendung. Die Protonen der beiden OH-Gruppen des Diols wandern jeweils zu einer Isocyanatgruppe, wobei sich das partiell positiv geladene H-Atom an das Stickstoffatom und das partiell negativ geladene Sauerstoffatom der Hydroxylgruppe an das Kohlenstoffatom der O=C=N-Gruppe anlagert. Dabei wird die n-Bindung der N=C-Doppelbindung gelost (Additionsreaktion) und zwischen den beiden Monomerkomponenten bildet sich eine kovalente Bindung aus. Die in Gl. (10-20) dargestellte Umsetzung eines Diisocyanats mit einem Diol zu einem Polyaddukt lauft bei der Darstellung von Polyurethanen (s.u.) abo n {HO-CH 2-CH 2-OH Ethylenglycol
+
O=C=N-(CH 2)s-N=C=O} 1,6-Hexandiisocyanat
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Bautechnisch wichtige Polyaddukte: Polyurethane, PUR. Setzt man aliphatische Diisocyanate, z.B. 1,6-Hexandiisocyanat, und Diole wie Ethylenglycol (Gl. 10-20) oder 1,4-Butandiol ein, erhalt man iiberwiegend lineare Polyurethane. Sie besitzen ahnliche Eigenschaften wie die Polyamide. Durch Zusatz von Fiillstoffen wie RuB oder Metalloxide (Alz0 3 , Ti02) konnen ihre Gebrauchseigenschaften verbessert werden. Vernetzte Polyurethane entstehen durch Polyaddition von Diund Triisocyanaten (Gemische!) an hohermolekulere Alkohole bzw. verzweigte Polyester. Ihre Eigenschaften sind je nach Vernetzungsgrad iiber einen weiten Bereich variierbar. Sie fallen als harte, sprode Feststoffe oder als Elastomere (Polyurethanelastomere) an.
PUR-Harze haften gut auf unterschiedlichen Untergrundmaterialien, altern nur geringfligig und werden von verdunnte Sauren und Laugen, Kohlenwasserstoffen sowie Olen und Fetten kaum angegriffen. Konz. Laugen und Sauren losen die Harze an. Entsprechend breit gefachert wie das Eigenschaftsspektrum ist auch das Verwendungsgebiet der Polyurethane. Verwendung: Fugenfullstoff, Abdichtungen, Lackbindemittel, Klebstoffe, GieBharze, Spachtelmassen. Polyurethanschaumstoffe lassen sich in PUR-Weich- und PUR-Hartschaumstoffe unterteilen. Sie wurden in der Vergangenheit ausnahmslos durch FCKW (bes. CChF, R 11) geschaumt. Die Suche nach Alternativen machte schnell deutlich, dass es ein halogenfreies Treibmittel, das aIle gunstigen Eigenschaften der FCKW in sich vereint, nicht geben kann. So wurden je nach Schaumstofftyp anwendungsspezifische Ersatzlosungen entwickelt (s.a. PS-Hartschaum). Ein alternatives Treibmittel fur die Weichschaume zu finden, war nicht schwierig. Fuhrt man namlich die Polyaddition in wassriger Losung durch, kommt es unter Abspaltung von CO2 zur Bildung von Diaminen (Gl. 10-21), die als Vernetzerkomponente
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10 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen
wirken. Das freigesetzte Koh1endioxid besitzt blahende und schaumbi1dende Eigenschaften (chemische Schiiummethode). (10-21) Fiir die Produktion der iiberwiegend als Warmedammstoffe eingesetzten PUR-Hartschaume ist heute vor allem Cyclopentan das Treibmittel der Wahl (BASF). Cyclopentan kommt hinsichtlich Siedepunkt und Warmeleitfahigkeit den Anforderungen an ein FCKWErsatztreibmittel am nachsten, Klar ist, dass die zukiinftige Entwicklung zu den COr Schaumen gehen wird. W 0 mit CO 2 als Treibmittel die erforderlichen Schaumstoffeigenschaften nicht erreicht werden, kommen Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Nur in den wenigen Ausnahmefallen, wo die Verwendung unbrennbarer Treibmittel unabdingbar ist, wird man sich weiterhin auf die teuren, teilfluorierten Kohlenwasserstoffe (H-FKW) stiitzen miissen.
Epoxidharze, EP, sind hartbare, industriell hergestellte organische Verbindungen, deren Reaktivitat auf den im Molekiil befindlichen Epoxidgruppierungen beruht. Epoxide enthalten den Sauerstoff in einer cyclischen, aus drei Atomen bestehenden Etherstruktur, bei der ein Sauerstoffatom an zwei direkt miteinander verkniipfte C-Atome gebunden ist. - CH -CH-
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Epoxidgruppe
Die Grundharze entstehen durch Umsetzung von Epichlorhydrin (exakt: l-Chlor-2,3-epoxipropan) mit Diolen, zumeist aromatischen Dihydroxyverbindungen (Phenole), unter Zusatz von Alkalilauge. Als phenolische Komponente verwendet man hauptsachlich das bereits von den Polycarbonaten bekannte Bisphenol A (Dian, Abb. 10.18). Aufgrund der endstandigen Epoxidgruppen sind die Grundharze (Abb. 1O.19a) in der Lage, mit aminogruppenhaltigen Hartern zu reagieren (Abb. 10.19b). Zur Herabsetzung der Viskositat und Verbesserung der GieBbarkeit konnen den Epoxiden Reaktivverdiinner zugesetzt werden, z.B. Glycidether aliphatischer und aromatischer Alkohole, Glycidester hoherer Carbonsauren, Durch Polyaddition der Harterkomponenten an die Epoxid(grund)harze bilden sich vernetzte Makromolekiile, wobei ein harter Duroplast entsteht. Als Harter werden vor allem Di- und Polyamine mit reaktionsfahigen Aminogruppen verwendet. Ein heute haufig eingesetztes cycloaliphatisches Amin ist das Isophorondiamin (IPD). Die raumliche Vemetzung des EP-Grundharzes erfolgt uber reaktive H-Atome des Amins, so dass im ausgeharteten Epoxidharz iiberwiegend tertiare Amine vorliegen (Abb. 10.19b). Die Heillhartung der Grundharze erfolgt bei Temperaturen zwischen 100...150°C mit sauren Hartern (z.B. Dicarbonsaureanhydride), Dabei werden Harze mit einer hoheren Warmebestandigkeit und giinstigeren elektrischen Eigenschaften erhalten. Die spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Epoxide hangen weitgehend von den verwendeten Ausgangs- und Fiillstoffen abo Die ausgeharteten EP-Harze sind relativ hart und abriebfest, chemisch sehr bestandig und haften gut auf den verschiedensten Untergrundmaterialien. Breite Anwendung finden heute in der Baupraxis die Epoxidharzemulsionen (wiissrige 2Komponenten-EP-Systeme). Die Besonderheit dieser Emulsionen, die wie die konventionellen EP-Systeme auf der Umsetzung von EP-Harz mit reaktiven Polyaminen beruhen,
10.4 Kunststoffe
457
besteht darin, dass mindestens eine Komponente wasserverdiinnbar sein muss. Zur Bildung eines kolloiddispersen Systems werden entweder Dispergiermittel eingesetzt oder in die polymere Struktur des Harzes hydrophile Gruppen eingebaut (in der Paxis setzt man iiberwiegend Dispergiermittel ein!). Ais Harter kommen wasserverdiinnbare Polyaminoamide oder hydrophil modifizierte Epoxid-Amin-Addukte zum Einsatz. Der ungeschiitzte Einsatz von Epoxiden (Epoxidharze, Reaktivverdiinner, Harter und ggf'l Losungsmittel) kann neben Reizungen der Augen zu allergischen Kontaktekzemen fuhren (Handschuhe!). Verwendung: Lack- und GieBharze, Injektionsharz fur Abdichtungen, Klebstoffe (Zweikomponenten-Kleber), Bindemittel zur Beschichtung oder zur Herstellung von Kunstharzmortel und Kunstharzbeton (Kap. 10.4.6).
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......
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tertiares Amin
Abbildung 10.19 a) Struktur eines Epoxid-Grundharzes; b) Reaktion der endstandigen Epoxidgruppen eines Grundharzes mit dem Harter (z.B. Amin R-NH2 ) .
10.4.5
Kunststoffdispersionen
Kunststoffdispersionen enthalten in wassrigen, seltener nichtwassrigen Dispersionsmitteln fein verteilte thermoplastische Kunststoffe. Aufgrund der GroBe der dispergierten Teilchen (ca. 10-7 ... 3'10-6m) liegen die Kunststoffdispersionen im Grenzbereich zwischen kolloidund grobdispersen Systemen (Kap. 6.3.2). Die im Bauwesen verwendeten milchig-weiBen Dispersionen sind durch Teilchengroben iiber 10-6m charakterisiert. Ein blauliches bis braunliches Aussehen weist auf Partikelgrolsen zwischen 10-7 ... 10-6 m hin. Kunststoffdispersionen mit Teilchengrofsen < 10- 7 m erscheinen meist transparent. Der Polymeranteil wassriger Kunststoffdispersionen kann bis zu 55% betragen. Polymerdispersionen werden in Primar- und Sekundardispersionen eingeteilt. Bei Primardispersionen erfolgt die Polymerisation der monomeren Bausteine in der wassrigen Phase. Die Makromolekiile entstehen erst bei der Herstellung der Dispersion (Emulsions- oder Suspensionspolymerisation). Bei Sekundardispersionen werden fertig "auspolymerisierte"
458
10 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen
Kunststoffpartikeln in einem anschlieBenden Verfahrensschritt im Losungsmittel dispergiert. Damit eine Emulsionspo1ymerisation ablaufen kann, miissen die Monomere zunachst mit Hi1fe von Dispergiermitteln (Emulgatoren) in wassriger Losung verteilt werden. In den entstandenen Tropfchen erfolgt anschlieBend die Polymerisation zu langkettigen Makromolekiilen. Die adsorbierten Dispergiermittelmolekiile richten sich an der Oberflache der Kunststoffpartikeln entsprechend ihrer tensidischen Struktur so aus, dass sich die dispergierten Partikeln in Wasser abstoBen und nicht zusammenballen. Eine zweite Moglichkeit der Stabilisierung von Kunststoffdispersionen besteht im Zusatz von Schutzkolloiden (Kap. 6.3.2), z.B. von Polyvinylalkohol oder Cellulosederivaten. Bei den in Kunststoffdispersionen verwendeten Bindemitteln handelt es sich vor allem urn Polyvinylacetate, Polyvinylpropionate, Polyacrylate und Acrylharze. Die aus der groBen spezifischen Oberflache der kolloiden Teilchen resultierende hohe Oberflachenenergie ist die Ursache fiir die gute Bindemittelwirkung der Kunststoffdispersionen. Die Verschmelzung der Polymerkugeln zu einem Film hangt vor allem von der Temperatur abo Die Temperatur, bei der die Filmbildung einsetzt, bezeichnet man als Mindestfilmtemperatur. Sie liegt beispielsweise fiir PVAC (und Copolymere) zwischen 10 und 30°C und fiir Polyvinylpropionat (und Copolymere) zwischen 20 und 30°C. Eintrocknen einer Dispersion unterhalb der Mindestfilmtemperatur bewirkt einen weiBen, opaken Film sehr geringer Festigkeit. Trocknet die Dispersion deutlich unterhalb der Mindestfilmtemperatur aus, fallt ein weiBes Pulver an, ohne dass sich ein Film ausbilden kann. Ursache der Filmbildung und damit der Bindemittelwirkung ist das Wirksamwerden intermolekularer Wechselwirkungskrafte zwischen den sich bei der Verdunstung des Losungsmittels annahernden Makromolekiilen. Der Kunststofffilm ist umso fester, je langkettiger die dispergierten Makromolekiile sind. Durch zugesetzte Vemetzer werden zusatzliche kovalente Bindungen gekniipft. Man geht von drei Phasen der Filmbildung aus [OC 6]: a) Verdunstung und/oder Entzug des Wassers durch den kapillaren Untergrund fiihrt zu allmahlicher Einengung der Bewegungsfreiheit der Polymerteilchen; b) Teilchen nahern sich an, durch sich ausbildende Kapillarkrafte erfolgt Aneinanderpressen der Makromolekule; c) Vollstandige Verdunstung bzw. Entzug des Wassers durch kapillares Saugen des Untergrunds fiihrt zur Ausbildung eines geschlossenen Kunststofffilms. Redispersionpulver (Redispergierbare Pulver; in der Praxis meist kurz .Dispersionspulver"). Redispersionspulver konnen aus speziellen Dispersionsformulierungen durch Spriihtrocknung erzeugt werden. Die Pulver besitzen aIle in der Ausgangsdispersion enthaltenen Bestandteile. Riihrt man sie mit Wasser an, bildet sich wieder eine stabile wassrige Dispersion. Urn zu vermeiden, dass bei der Herstellung der Dispersionspulver zu friih eine Filmbildung einschlieBlich irreversibler "Verklebung" einsetzt, umhiillt man die entstehenden feinen Pulverpartikeln mit einem wasserloslichen Schutzkolloid, z.B. mit Celluloseetherderivaten. Man "bettet" die Makromolekiile sozusagen in eine wasserlosliche Phase ein, die bei Kontakt mit Wasser (Einriihren!) aufgelost wird. Auf dem Bausektor werden Kunststoffdispersionen fiir Oberflachenschutzsysteme, Kunststoffdispersionsfarben, Dispersionskleber, kunststoffmodifizierte Zementmortel, Reaktionsharzbetone bzw. -mortel sowie fiir Spachtel- und Fugenmassen verwendet (dispersionsgebundene Baustoffe).
10.4 Kunststoffe
459
Kunststoffdispersionen gehoren wie Bitumenemulsionen, Silane und Siliconharze zu den Beschichtungssystemen. Darunter versteht man allgemein flussige bis pastose oder pulvrige Stoffgemische, die aus folgenden Komponenten bestehen: • Bindemittel (niedrig- bis hochmolekulare Polymere; Silane, oligomere Polyorganosiloxane und Siliconharze; Bitumen) • Pigmente bzw. Farbstoffe (Kap. 10.4.3.4), • Ldsungs- und Verdiinnungsmittel (Kap. 10.2); • Hilfsstoffe (Dispergiermittel, Biozide, katalytisch aktive Substanzen) • Fiillstoffe (Kap. 10.4.3.4) sollen unter anderem die Verarbeitbarkeit (Viskositat), die Diffusionsdichtigkeit und die Elastizitat der Beschichtung beeinflussen. Von praktischer Bedeutung sind vor allem Quarz-, Schiefer- oder Dolomitmehle sowie Talkumpuder. Erfolgt die Hartung der Beschichtungsstoffe durch Verdunsten oder anderweitigen Entzug des enthaltenen Losungs- bzw. Dispersionsmittels, liegen physikalisch trocknende Bindemittel vor. Erfolgt die Hartung durch chemische Vemetzung der Makromolekiile, spricht man von chemisch vernetzenden Bindemitteln. Olige Bindemittel, z.B. in Olfarben oder Olkitten, enthalten mehrfach ungesattigte Fettsauren (z.B. Leinol, Kap. 10.1.7). Unter dem Einfluss von Luftsauerstoff erfolgt eine oxidative Vemetzung tiber die Zwischenstufe von Hyperoxiden zu festen polymeren Produkten (Linoxyn; auch: Linoxid). Diese trocknenden Ole gehoren zur Gruppe der oxidativ trocknenden Bindemittel.
10.4.6
Beton mit Kunststoffen
1m praktischen Sprachgebrauch werden die Begriffe Kunstharzbeton bzw. Polymerbeton mitunter als Sammelbezeichnung fur Werkstoffe aus Beton verwendet, in denen zur Verbesserung der Verarbeitungs- undloder Gebrauchseigenschaften das hydraulische Bindemittel ganz oder teilweise durch Zusatzstoffe auf der Basis von Harzen, insbesondere Reaktionsharzen, ersetzt ist. Da sich ein Kunstharzzementmortel hinsichtlich Verarbeitung und Eigenschaften grundsatzlich von einem Gemenge unterscheidet, das nur Kunststoff(e) als Bindemittel enthalt, hat es sich aus baustofftechnologischen Grunden als notwendig erwiesen, zwischen beiden Fallen klar zu unterscheiden. In der Literatur hat sich folgende Einteilung von Betonen mit Kunststoffen durchgesetzt: KunststoffmodifIzierter Beton
Zement und Kunststoffe erfiillen im Idealfall gemeinsam eine Bindemittelfunktion
Reaktionsharzbeton
Reaktionsharze sind das einzige Bindemittel
Kunststoffgetrankter Beton
Kunststofffiillt die Kapillarporen eines zementgebundenen, bereits erharteten Betons.
Fur kunststoffmodifizierte Betone wurde die Abkurzung PCC (Polymer Cement Concrete), fur Reaktionsharzbetone die Abk. PC (Polymer Concrete) und fur kunststoffgetrankte Betone die Abk. PIC (Polymer Impregnated Concrete) eingefuhrt. Im letzteren Fall werden die Kapillarporen eines bereits erharteten Zementsteins mit unvemetztem bzw. unpolymerisiertem Kunststoff getrankt. Nach der Trankung polymerisieren die Monomere bzw. Harz-
460
10 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen
vorstufen in den Zementporen aus. 1m Folgenden solI naher auf die wichtigen Klassen der kunststoffmodifizierten Betone und die Reaktionsharzbetone eingegangen werden.
10.4.6.1 Kunststoffmodifizierte Martel und Betone Versuche, die Eigenschaften des zementgebundenen Mortels durch Kunststoffzusatz zu verbessern, datieren zuriick in die 20er...30er Jahre des letzten Jahrhunderts. 1923 lief sich der Englander Cresson die Verwendung von Naturlatex unter Zusatz von Portlandzement patentieren. Der Zusatz von Kunstharzen auf der Basis von Polyvinylacetat (PV AC) zum Zementmortel wurde ab den SOer Jahren systematisch untersucht. Heute stehen dem Anwender eine Vielzahl von Kunststoffen zur Modifizierung von zementgebundenen Morteln und Betonen zur Verfiigung. Fur eine Modifizierung werden die Polymere entweder in Form von Dispersionen oder als Pulver (Redispersionspulver) zugesetzt. Bis etwa 1970 wurden vor allem Dispersionen auf der Basis von PVAC eingesetzt. Sie haben sich jedoch wegen ihrer geringen Bestandigkeit gegenuber dem basisch reagierenden Zementmortel nicht bewahrt (Quellerscheinungen, Verseifung der Polymere). Die Alkalibestandigkeit ergibt sich somit als eine erste wesentliche Bedingung fiir den Einsatz eines Kunststoffs zur Modifizierung von Morteln und Betonen. Das basische Milieu des Zementmortels darf den Aufbau eines raumlich vernetzten Kunststoffs nicht behindern oder gar verhindern. Andererseits sollen die zugesetzten Kunststoffdispersionen die Zementhydratation nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. Sie durfen beim Anriihren des Mortels nicht koagulieren, bei spaterer Wasserbelastung nicht quellen und bei hoheren Temperaturen keine korrosiv wirksamen Substanzen abspalten. Zur Modifizierung werden heute vor allem Dispersionen folgender Kunststoffe eingesetzt: Polyvinylpropionat (u. Copolymere), Polyvinylacetat-Copolymere, Polyacrylate und Acrylharze, Polyvinylchlorid (u. Copolymere), Polyacrylat-Acrylnitril-Copolymere, PolyacrylatStyrol-Copolymere. Neben den Dispersionen hat sich in der Baupraxis in den letzten Jahren zunehmend der Einsatz von Redispersionspulvern durchgesetzt. Man verwendet Trockenmortel, bei denen der Zement (in der Regel Portlandzement), die Gesteinskornung und die pulverformigen Polymere neben evtl. weiteren Zusatzen bereits werkseitig gemischt werden. Die Anwendung ist problemlos. Das Risiko von Anwendungsfehlern, z.B. durch falsche Dosierung bei Zugabe der Dispersion, wird minimiert. Filmbildung. Liegen die Temperaturen uber der Mindestfilmtemperatur, bildet sich durch den Wasserentzug infolge Verdunstung, Zementhydratation und kapillaren Absaugens durch den Untergrund ein geschlossener Kunststofffilm hoher Zugfestigkeit aus. Er bewirkt eine zusatzliche Bindemittelwirkung. Wird die Mindestfilmtemperatur unterschritten, kommt infolge ungenugender Filmbildung kein Verbund zwischen Kunststoff, Zement und Gesteinskornung zustande. In diesem Fall besitzen die Kunststoffpartikel lediglich die Funktion eines organischen Fullstoffs, der zudem die mechanischen Eigenschaften des erharteten Mortels oder Betons negativ beeinflussen kann. Vorteile kunststoffmodifIzierter Betone. Die Modifizierung von Beton mit Kunststoff ist mit einer Reihe von Vorteilen verbunden, z.B. • •
Verbesserung der Verarbeitbarkeit des Frischmortels Reduzierung des w/z-Wertes, Erhohung der Dichtigkeit durch AuffiiIlen des Porengefiiges
10.4 Kunststoffe
•
• •
461
Bessere Haftung des Frisch- und Festmortels z.B. auf Altbeton, Holz, PVC Verringerung des Blutens und des Schwindens des Festmortels Bessere Biegezugfestigkeit.
Eine Erhohung der Druckfestigkeit wird nicht erreicht. An dieser Stelle muss betont werden, dass mit einem Kunststoff niemals alle die oben angefuhrten vorteilhaften Eigenschaften realisiert werden konnen. Je nach Art und Gehalt des eingesetzten Polymers sind immer nur bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Die epoxidharzmodifizierten Systeme, Abk. ECC (Epoxy Cement Concrete) bilden eine Untergruppe der PCC. Wie bereits in Kap. 10.4.4.3 ausgefuhrt, erfolgt die Bildung des Festkorpers beim Epoxidharz durch Reaktion des Grundharzes mit einem Harter. Zur Herstellung der ECC werden die in Wasser emulgierten Gemische aus EP-Grundharz und Harter dem Frischbeton bzw. -mortel zugegeben. Die chemische Vemetzung von Grundharz und Harter, die unmittelbar mit der Mischung der Komponenten einsetzt, verlauft idealerweise parallel zur Zementhydratation. Trotz Unterschieden bei der Film- und Festkorperbildung sind die Eigenschaften von duroplastmodifizierten Morteln und Betonen (z.B. Epoxidharz) denen der thermoplastmodifizierten (z.B. Polyacrylate, Polyacrylnitrile, PVC) vergleichbar. Anwendung von PCC: Instandsetzungsmortel, z.B. Briickensanierung, Stutzwande, korrodierter Stahlbeton.
10.4.6.2 Reaktionsharzbeton und -mortel In Reaktionsharzbetonen wird die Gesteinskornung allein durch ein Polymerbindemittel verkittet. Anstelle des Zementleims kommen flussige Reaktionsharze zum Einsatz, die nach Zugabe von Reaktionsmitteln (Harter, Katalysatoren, Beschleuniger, Stabilisatoren u.a.) durch Polyaddition oder -kondensation bei normaler Umgebungstemperatur ausharten, Als reaktive Harze werden vor allem ungesattigte Polyester- und Acrylharze sowie Epoxid- und Polyurethanharze, als Gesteinskornung Quarzsande und -mehle sowie kunstlicher Korund (Elektrokorund) verwendet. Durch das breite Spektrum moglicher Fullstoffe konnen Polymermortel und -betone mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt und den jeweiligen Erfordemissen angepasst werden Die Vorteile des Einsatzes von Polymermorteln und -betonen liegen in kurzeren Erhartungsphasen (vor allem bei reaktionsharzgebundenen Morteln und Betonen!), hohen Friihund Endfestigkeiten, hoheren Dichtigkeiten, hohen Schlagzahigkeiten und Abriebbestandigkeiten sowie einem vernachlassigbaren Wasseraufnahme- bzw. Quellvermogen. Das Fehlen eines Kapillarsystems bewirkt eine gute Bestandigkeit polymergebundener Mortel und Betone gegenliber dem Angriff aggressiver Medien und pradestiniert ihren Einsatz in der Abwassertechnik und dem Unterwasserbau, des Weiteren zum Abdichten von Bauwerken gegen Feuchtigkeit (Korrosionsschutz), zum Ausbessem schadhafter Betonflachen (Reparatur- und Beschichtungsmorteh sowie fur Klebearbeiten. Die Wahl des jeweiligen Polymerbindemittels hangt fur die konkrete Situation von Parametem wie Chemikalienbelastung, Verformungsverhalten, thermische Belastung und Haftung auf dem Untergrund abo Eine Groborientierung zur Auswahl reaktiver Polymerbindemittel ist in Tab. 10.10 gegeben.
462
10 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen
Hartungsvorgang. Der Grad der Vemetzung der Makromolekiile wird vom verwendeten Hartersystem, den eingesetzten Modifikatoren sowie der Temperatur beeinflusst. Modifikatoren greifen entweder in den Mechanismus ein, wobei sie zusatzliche Vemetzungen initiieren, oder sie verb leiben nach der Aushartung zwischen den Makromolekiilen und .Jockem" das Netzwerk auf. Temperaturerhohung fuhrt generell zu einer hoheren Vemetzung. Mit steigender Temperatur erhoht sich die Beweglichkeit und damit die Reaktionsfahigkeit der reagierenden Teilchen. Unterhalb einer Arbeitstemperatur von etwa 10°C kann der Vemetzungs- bzw. Hartungsprozess zum Erliegen kommen. In Analogie zu Zementmorteln findet auch bei der Erhartung der Polymermortel und -betone ein Schrumpfen statt. Ursache ist die Exothermie der Vemetzungsreaktion. Polymermortel und -betone weisen nicht nur eine hohe Festigkeit auf, die Festigkeit wird auch in relativ kurzer Zeit erreicht. Zusatz von Beschleunigem sowie hohe Temperaturen verkiirzen die Festigkeitsentwicklung. Tabelle 10.10 Orientierende Hinweise zur Auswahl des Polymerbindemittels rOC 6]
Bindemittel
Hinweise fur ihre Verwenduna
Durch Polyaddition aushiirtende Realdionsharze:
Epoxidharze (EP) Polyurethane (PUR)
gute Chemikalienbestandigkeit, geringe Schrumpfung, hohe Festigkeit hohe Dehnung, geringe Schrumpfung
Durch Polymerisation aushiirtende Reaktionsharze:
Ungesattlgte Polyesterharze (UP) Ungesattigte Methacrylatharze (PMMA) u. a. Vinylesterharze
gute Chemikalienbestandigkeit, hohe Festigkeit, hohe Schrumpfung gute Chemikalienbestandigkeit, hohe Reaktivitat bei niedrigen Temperaturen, hohe Festigkeit, hohe Schrumpfung
Durch Polykondensation hiirtbare realdive Polymerbindemittel:
Phenolharze
10.4.7
gute Chemikalienbestandigkeit
Alterung von Kunststoffen
Kunststoffe unterliegen Alterungserscheinungen, die in mitunter recht kurzen Zeitraumen wichtige Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel die Oberflachenbeschaffenheit, die Schlagzahigkeit, die Zugfestigkeit, die ReiBdehnung, die Untergrundkorrosion, aber auch die Farbgestaltung signifikant verandern konnen, Natiirliche Witterungs- und Umwelteinflusse bewirken eine allmahliche Veranderung der chemischen Struktur der Kunststoffe, die letztendlich zum vollstandigen Abbau der Polymere fuhren kann. Nachkristallisations- und Diffusionsprozesse verstarken den Polymerabbau. Ebenso wie fur die Korrosion der Metalle und mineralischen Baustoffe gilt auch fur die Alterung der Kunststoffe: Die einzelnen Witterungs- und Umwelteinfliisse wirken nicht
10.4 Kunststoffe
463
isoliert, sondem stets komplex. Deshalb lasst sich im speziellen Fall eben nicht klar entscheiden, ob die auftretenden Alterungsprozesse ursachlich auf die Einwirkung von Warme, UV-Strahlen, O2 bzw. 0 3, Feuchtigkeit, Schadgase oder etwa Mikroorganismen zuruckzufuhren sind. Tabelle 10.11 Bindungsenergien ausqewahlter chemischer Bindungen [AC 3]
Bindung
Bindungsenergie
Bindung
C=C C-C C-F C -Br C-O O-H Si- C
811 345 489 272 358 463 306
Bindungsenergie (kJ/moI)
(kJ/mol)
C=C C-H C-Cl C-S C-N Si - 0 Si - H
615 416 327 289 305 444 323
Warme. Wie fur alle anderen chemischen Reaktionen gilt auch fur Abbaureaktionen, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei ansteigenden Temperaturen erhoht (Kap. 4.3.3). Dabei ist fur den Abbauprozess nicht nur die Hohe der Temperatur, sondem auch die Dauer der Warmeeinwirkung von entscheidender Bedeutung. Die mit steigender Temperatur zunehmende Warmebewegung der Atome kann zu einem Auseinanderbrechen bzw. einem Abbau der Polymerketten bis hin zu den Monomeren fuhren. Diesen Prozess nennt man Depolymerisation. Einen depolymerisierenden Einfluss iiben auch energiereiche Strahlung und Chemikalien aus. In der Mehrzahl der Falle entstehen bei den Abbauprozessen Kettenfragmente unterschiedlicher Grobe. Deshalb wird in der Literatur mitunter von Kettenfragmentierungen oder kurz von Fragmentierungen gesprochen. Letzterer Ausdruck ist allerdings unglucklich gewahlt, da der Begriff der Fragmentierung in der organischen Chemie einem anderen Reaktionstyp vorbehalten ist. Der Abbau beginnt mit einem Bindungsbruch. Naturgemaf werden zuerst die chemischen Bindungen "gebrochen", zu deren Spaltung die geringste Bindungsenergie notwendig ist. Unter der Bindungsenergie eines Molekiils AB versteht man die Energie, die notig ist, urn AB in die Atome A und B aufzuspalten (zu dissoziieren). Die Bindungsenergie entspricht demnach der Bindungsdissoziationsenergie. Bei mehratomigen Molekiilen ABn erhalt man die Bindungsenergie A-B als arithmetisches Mittel der Summe der ersten, zweiten, dritten bis n-ten Bindungsdissoziationsenergie des Molekuls ABn • Aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Bindungsenergien (Tab. 10.11) beginnen die Abbaureaktionen halogenhaltiger Kunststoffe bevorzugt an den C-X-Bindungen (X = Cl, Br). Das erklart die thermische Instabilitat von PVC, dessen C-Cl-Bindungen nicht nur durch energiereiche UV-Strahlung, sondem auch durch Warmeenergie gespalten werden konnen. Dabei bilden sich unter Abspaltung von Chlorwasserstoff C=C-Doppelbindungen aus (Gl. 10-22). Weitere HC1-Abspaltung fuhrt zum Aufbau konjugierter Doppelbindungssysteme innerhalb der Makromolekiilketten. Sie sind auf Grund ihrer spezifischen Absorptionseigenschaften verantwortlich fur eventuell auftretende Verfarbungen (Vergilbung).
464
10 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen
--dT -HCI
t- CH-CH -CH-CH - CH -3I
CI
r+- - -+ 1
n
I
2
LH __CI:.J
CI
t-CH-CH =CH-CH 2-CH-3I
I
CI
CI
n
(10-22)
Polyvinylchlorid
Die hohe Bindungsenergie der C-F-Bindung bildet die Ursache fur die Thermostabilitat des Polytetrafluorethylens. Dagegen ist die thermische Instabilitat des Polyvinylalkohols und anderer Polymere mit Hydroxylgruppen auf zwei unterschiedliche chemische Reaktionen zuruckzufuhren, die einzeln oder kombiniert ablaufen konnen: Polyvinylalkohole sind in der Lage, unter Dehydrierung (Abspaltung von H 2) in Ketone und unter Dehydratisierung (Abspaltung von H 20 ) in ungesattigte Alkohole (Alkenole, Gl. 10-23) iiberzugehen. Verantwortlich fur die Instabilitat der Alkenole ist die hohe Reaktivitat der entstandenen Doppelbindungen. Die ungesattigten Alkohole zersetzen sich in Folgereaktionen.
t CH - CH I
2-
OH I
OH
2
I
2
OH
I
II
0
I
1-n
OH
Keton
L CH- CH -CH-CH -CH1-
L
C - CH2 - CH
(10-23)
n
OH~
Polyvinylalkohol
-
n H20
t
CH - CH = CH - CH2 - CH1I
OH
I
n
OH ungesattigter Alkohol
Bei Polymeren, die ausschlieBlich C-C- und C-H-Bindungen enthalten (z.B. PE, PP, PB und PIB) setzen die Fragmentierungsreaktionen bevorzugt an den Seitenketten ein.
'VV'
(CH2)e - C - NH- (CH2) 4
VV'v
II
o Polyamid
Abbildung 10.20 Saurekatalysierter Abbau von Polyamiden am Beispiel von PA 66 (schematisch).
10.4 Kunststoffe
465
Kunststoffe enthalten in unterschiedlicher Zahl und Menge organische und anorganische Hilfs-, Full- und Verstarkungsstoffe. Da organische Zusatzstoffe uberwiegend niedrige Schmelz- und Siedepunkte aufweisen, kann bereits eine maBige, jedoch langer andauemde Temperaturerhohung zu ihrer teilweisen Verfluchtigung fiihren. Insbesondere das Verdunsten oder Herauslosen von Weichmachem bewirkt bei einigen Kunststoffen (z.B. Weich-PVC) eine merkliche Veranderung der Gebrauchseigenschaften (VersprOdung). UV-Strahlung. Die UV-A-Strahlung (A = 315 ...400 nm) umfasst den Energiebereich von 380 ...299,3 kJ. Damit ist insbesondere der kurzwellige Teil der UV-A-Strahlung in der Lage, eine Reihe von Bindungen photolytisch zu spalten (Tab. 10.10). Beispielsweise liegt die Energie von UV-Licht der Wellenlange A = 320 nm (= 374,lkJ) sowohl tiber der Energie der C-C- als auch tiber der einer ganzen Reihe von C-Heteroatom-Bindungen. Ais ausgesprochen bestandig gegenuber UV-Strahlung erweisen sich die lichtdurchlassigen Polymethylmethacrylate und die Polytetrafluorethylene, was mit den relativ hohen Bindungsenergien der c-o- und C-F-Bindung begriindet werden kann. Sauerstoff/Ozon. 1m Sonnenlicht geht der unter normalen Temperaturen eher reaktionstrage Sauerstoff in Anwesenheit eines Farbstoffs als Sensibilisator in eine besonders aggressive, energiereiche Form tiber, den Singulett-Sauerstoff(Kap. 5.4.2.1). Der SingulettSauerstoff spielt aufgrund seines starkeren Oxidationsvermogens eine wichtige Rolle bei der Autoxidation der Kunststoffe. Trotz zugesetzter Antioxidantien kann es zum Ausbleichen der Kunststoffe sowie zum Abblattern von Kunststoffuberzugen kommen. Die lichtinduzierten Veranderungen der Kunststoffstruktur werden an der Luft durch den Einfluss von Ozon noch verstarkt, Ozon addiert sich aufgrund seines hohen Oxidationsvermogens (EO = 2,075 V!) leicht an ungesattigte organische Verbindungen unter Bildung von Ozoniden. Das kann zu unerwiinschten Vemetzungen bei Gummi und anderen Polymeren mit endstandigen ungesattigten Gruppen fiihren, wodurch die Materialien sprode und bruchig werden. Wasser/Chemikalien. Gegenuber dem Angriff aggressiver Industriegase, Wasser bzw. saurer Losungen und Salzlosungen sind Kunststoffe weitgehend widerstandsfahig. Das betrifft insbesondere Kunststoffe, die aus unpolaren C-C- und C-H-Bindungen aufgebaut sind. Polymere mit Heteroatomen in der Hauptkette bzw. in den Seitenketten, wie z.B. Polyamide, Polyurethane, Polyether, Polyester und Polycarbonate, werden von Sauren bzw. Laugen angegriffen. Die Starke der Schadigung hangt von der Konzentration des E1ektrolyten abo Zum Beispiel unterliegt Polyamid, dessen Makromolekiile urspriinglich unter Abspaltung von Wasser entstanden sind (Polykondensation), der saurekatalysierten Hydrolyse. 1m ersten Schritt lagert sich ein Proton an das Sauerstoffatom der Carbonylgruppe (C=O) an und anschlieBend wird ein Molekiil Wasser an das nunmehr positive C-Atom addiert. Protonenwanderung und Bindungsbruch fiihren zu Kettenfragmenten mit Carboxyl- und AminoEndgruppen (Abb. 10.20). Polyamid kann das bei der Kondensation abgespaltene Wasser wieder einlagem, und es lauft zumindest teilweise die Ruckreaktion der Kondensation, die Hydrolyse, abo Das Auftreten von Spannungsrissen durch mechanische Zugbelastungen oder durch Eigenspannungen, die von Bearbeitungsprozessen herriihren, fiihrt zu einer Verminderung der Festigkeit des Kunststoffs. Zu einer Rissbildung kommt es insbesondere dann, wenn der unter Einwirkung mechanischer Spannungen stehende Kunststoff in Kontakt mit polaren Flussigkeiten (Alkohole, Ester, Amine und organische Sauren), wassrigen Losungen ober-
466
10 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen
flachenaktiver Stoffe oder bestimmten Gasen gerat, Dabei kann der Kunststoff in Abwesenheit mechanischer Spannungen gegeniiber den genannten Chemikalien bzw. Gasen absolut bestandig sein.
10.4.8
Klebstoffe - Fugendichtstoffe - Kitte
Klebstoffe. Unter Klebstoffen versteht man laut DIN EN 923 nichtmetallische Bindemittel, die sowohl iiber Adhasion als auch iiber Kohasion in der Lage sind, zwei Fiigeteile zu verbinden ("Verkleben"). Die Haftung (Adhasion) des Klebstoffs an der Oberflache des zu verklebenden Fiigeteils beruht auf der Wirkung schwacher zwischenmolekularer Wechselwirkungen und starker chemischer Bindungen. Chemische Bindungen tretenjedoch nur bei wenigen Fiigeteil-Klebstoff-Kombinationen auf, so z.B. zwischen Silicon(harz) und Glas, zwischen Polyurethan und Glas und zwischen Epoxid und Aluminium. Allerdings kann in diesen Fallen ihr Anteil bis zu 50% der gesamten Wechselwirkungen betragen. Die adhasiven Wechselwirkungskrafte betreffen nicht nur die reinen Beruhrungsflachen von Klebstoffund Fiigeteil (Adhiisionszone). Sie beeinflussen auch den Zustand des Klebstoffes in der Nahe der Oberflache des Fiigeteils, was z.B. zu einer Entmischung des Klebstoffs fuhren kann. In der sogenannten Ubergangszone konnen kleine Klebstoftbestandteile in Poren der Oberflache diffundieren, die Zusammensetzung des Klebstoffs verandern und damit seine Funktionalitat beeintrachtigen, In Abhangigkeit von der Art der Oberflache, der Natur des Klebstoffs und den Hartungsbedingungen kann die Dicke der Ubergangszone wenige om bis einige mm betragen. In der sogenannten Kohasionszone zwischen den Fiigeteilen liegt der Klebstoff in seinem urspriinglichen Zustand vor. Zu den Kohasionskrqften tragen chemische Bindungen innerhalb und zwischen den Klebstoff-Polymeren (Vemetzung!), intermolekulare Wechselwirkungen zwischen den Klebstoffmolekiilen sowie mechanische "Verklammerungen" zwischen den Klebstoffmolekiilen bei. Die in Kap. 10.4.3 fur die Kunststoffe vorgenommene Einteilung in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere ist bei den Klebstoffen wenig hilfreich, denn es gibt z.B. verschiedene Polyurethanklebstoffe, die als Duromere, als Elastomere oder als Thermoplaste ausharten konnen. So bezieht man sich in der Regel auf den Abbinde- bzw. Hartungsprozess als Ordnungskriterium. Man unterscheidet physikalisch abbindende und chemisch vemetzende Klebstoffe. Einige wichtige Vertreter beider Gruppen sollen im Folgenden kurz vorgestellt werden [OC 8].
Physikalisch abbindende Klebstoffe: Schmelzklebstoffe (Hotmelts) sind bei Raumtemperatur feste, wasser- und Iosungsmittelfreie Klebstoffe, die auf die zu verklebenden Teile im geschmolzenen Zustand aufgebracht werden. Sie erharten nach dem Zusammenfugen der Teile, im Allgemeinen unter Druck, durch Erstarren der Schmelze beim Abkiihlen. Der Klebstoff kann allerdings auch fest durch Auflegen als Folie oder Netz aufgebracht und anschlieBend heiB verpresst werden. Basisrohstoffe: Ethylen-Vinylacetat-Copolymere, Polyamide, Polyester u.a.; Anwendungsgebiete: Verpackungsindustrie, Holzverarbeitende Industrie, Fahrzeugbau. Ldsungsmittelhaltige Nassklebstoffe (auch Kleblacke) enthalten in organischen L6sungsmitteln wie Aceton oder Dichlormethan geloste Polymere. Geeignet sind polymere Vinylverbindungen, Natur- und Synthesekautschuk, PUR, Polyacrylate, Cellulosenitrat
10.4 Kunststoffe
467
(z.B. Hande1sname UHU) u.a. Der Losungsmittelgehalt betragt etwa 75...85%. Die Erhartung erfo1gt wie bei den Dispersionen durch Verdunsten des Losungsmittels. Lost das eingesetzte Losungsmittel gleichzeitig die zu verk1ebenden Flachen an, ergibt sich eine besonders feste Verbindung zwischen den zu verklebenden Oberflachen und dem Klebefilm. Dieser .Anloseprozess" wird beispielsweise beim Verkleben von PVC-Rohren mit Tetrahydrofuran-Klebstoff ausgenutzt. Ein ahnlicher Vorgang lauft beim Quellverschweif3en abo Die Uberlappungsflachen von Dichtungs- oder Dachbahnen (z.B. PIB) werden mit einem Losungsmittel angelost, wobei sich ein Klebefilm aus gelostem Polymer ausbildet. Die Bahnen fugt man dann unter leichtem Druck zusammen und nach dem Verdunsten des Losungsmittels entsteht eine in sich homogene, stabile Klebeverbindung. Weitere Anwendungsgebiete: Verpackungs- und Druckindustrie, Haushaltklebstoffe.
Kontaktklebstoffe enthalten in organischen Losungsmitteln geloste Elastomere wie z.B. Polychloroprene (Chloropren, Formel H2C=CH-eH(CI)=CH2) und Butadien-Acryl-Kautschuk. Der gummiartige Klebefilm wird erzeugt, indem der Kontaktklebstoff auf die beiden zu verklebenden Flachen aufgetragen wird und die Klebeflachen erst nach dem Verdunsten des Losungsmittels kurzzeitig zusammengedriickt werden. Wahrend also die Nassklebstoffe einen nassen Klebefilm verursachen und ihr Losungsmittel erst wahrend des Klebeprozesses entweicht, kleben Kontaktklebstoffe sozusagen "trocken" an. Anwendungsgebiete: Verkleben von Bodenbelagen und Schichtstoffplatten, Automobil- und Schuhindustrie. Wegen der gesundheitsgefahrdenden Wirkung organischer Losungsmittel werden von der Industrie zunehmend Iosungsmittelarme bzw. -freie, wasserverdunnbare Klebstoffe entwickelt. Dispersionsklebstoffe (auch Klebedispersionen) enthalten im Dispersionsmittel Wasser nicht losliche Thermoplaste, meist polymere Vinylverbindungen bzw. abgeleitete Copolymere, aber auch Elastomere (Natur- und Synthesekautschuk). Zur Stabilisierung der Dispersionsklebstoffe werden spezielle stabilisierende Substanzen bzw. Dispergiermittel zugesetzt. Der .Abbindeprozess" erfolgt durch Verdunstung des Wassers. Zugesetzte Fullstoffe sollen die Klebeeigenschaften verbessem. Anwendung: Holzverarbeitende Industrie, Verpackungs- und Schuhindustrie u.a. Zu den auf Wasser als Dispersionsmittel basierenden Klebstoffen (KS) gehoren weiterhin a) KS auf Basis tierischer Bindegewebsproteine (Glutinleime), b) KS auf Basis pflanzlicher Naturprodukte (Starkeleime: Mais, Kartoffeln, Reis; Methylcelluloseleime: Holz), c) KS auf Basis tierischer EiweiBe (Caseinleime: Milch) und d) PVAL-Leime. Die Ausbildung der Klebeschicht erfolgt durch Verdunstung oder Aufnahrne des Wassers durch die Fugeteile. Haftklebstoffe nehrnen innerhalb der Gruppe der physikalisch abbindenden Klebstoffe eine Sonderstellung ein. Sie binden nicht zu einem Feststoff ab, sondem bleiben zahflussig. Haftklebstoffe liegen bereits "voll auspolymerisiert" in hochviskoser Form vor und werden in der Regel als Film auf ein flexibles Tragermaterial aufgebracht (z.B. fur Klebebander oder Etiketten. Der Begriff .Haftklebstoff" ist so zu verstehen, dass im Unterschied zu anderen Klebstoffen beim Fugen sofort starke Adhasions- und Kohasionskrafte wirksam werden. Als Basispolymere kommen spezielle Polyacrylate, Polyvinylether, Naturkautschuk sowie Styrol-Copolymere in Kombination mit entsprechenden Zusatzen (klebrig machende Harze, Weichrnacher, Antioxidantien u.a.) zum Einsatz.
468
10 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen
Chemisch hdrtende Klehstoffe: Reaktionsklebstoffe (Reaktionsharzklebstoffe) harten durch chemische Reaktion aus. Nach der Art der Hartung, d.h. der dem entstehenden Polymer zugrundeliegenden Autbaureaktion, konnen sie in Polymerisationsklebstoffe (z.B. Cyanacrylate, Methylmethacrylate, anaerob hartende Klebstoffe wie z.B. Diacrylsaureester von Diolen, Phenolformaldehydharze), Polykondensationsklebstoffe (z.B. Silicone, Polyimide, Epoxidharzklebstoffe) und Polyadditionsklebstoffe (z.B. Polyurethane) unterteilt werden. In der Praxis gebrauchlicher ist ihre Unterteilung nach dem Mechanismus der Aushartung, Klebstoffe, die nach Mischung mit ihrem Reaktionspartner spontan, d.h. bereits bei Raumtemperatur reagieren, werden kommerziell als Zweikomponenten-K1ebstoffe (2-K) vertrieben, und zwar getrennt als "Harz" und als "Harter". Damit ist ihre Reaktivitat sozusagen mechanisch blockiert. Erst vor dem Auftragen werden sie zum eigentlichen Klebstoff gemischt und erharten dann zu festen, hochpolymeren Verbindungen. Zu den wichtigsten Zweikomponenten-Klebstoffen gehoren die Epoxidharze, die ungesattigten Acryl- und Polyesterharze, die Polyurethane sowie die Siliconkautschuke. Sie werden fur Verklebungen von Steinen, Betonen und Metallen verwendet. Einkomponenten-K1ebstoffe (l-K) liegen bereits vor der Verarbeitung in ihrer endgiiltigen Mischung vor. Ihre Reaktivitat ist allerdings - wenn man so will - chemisch blockiert. Solange nicht die zur Hartung erforderlichen Bedingungen vorliegen, kleben sie nicht. Die Reaktivitat der zweiten Komponente kann entweder durch hohe Temperaturen und/oder durch Verdunsten des Losungsmittels (z.B. Epoxidharze mit latentem, bei hoheren Temperaturen aktivierbarem Harter) oder aber durch Anwesenheit von Luftsauerstoff bzw. Luftfeuchte aktiviert werden. Als Beispiel fur letzteren Fall soll ein Cyanacrylat-Klebstoff auf Basis des 2-Cyanoacrylsauremethylesters (Gl. 10-24) angefuhrt werden. Initiiert durch Spuren von Wasser polymerisiert der Ester zu einem harten, hochmolekularen Polymer ("Sekundenkleber "). Zur Auslosung der Polymerisation reicht im Allgemeinen die in der Luft bzw. auf den zu verklebenden Flachen befindliche Feuchtigkeit. CN
I n C=CH 2 I COOCH 3 2-Cyanoacrylsiiuremethylester
1 t I CN
C-CH
600CH:
(10-24)
n
Polymethylcyanoacrylat ("Polycyanoacrylat'7
Die durch radikalische Polymerisation erhartenden Einkomponentenkleber erreichen auch unter Luftabschluss ihre Klebwirkung (anaerob hartende Reaktionsklebstoffe). Als Initiatoren kommen Peroxide, z.B. Dibenzoylperoxid, zum Einsatz. Die Peroxide zerfallen bei erhohten Temperaturen und leiten die radikalische Polymerisation ein. Ein haufig eingesetzter GrundstofffUr anaerobe Klebstoffe ist Tetraethylenglycoldimethacrylat, TEGMA. Cyanacrylate werden zum Kleben von Glasern aller Art, als Gewebeklebstoff und fur Spruhverbande verwendet. Methylmethacrylate finden vor allem im Automobil- und im Schienenfahrzeugbau Verwendung.
10.4 Kunststoffe
469
Fugendichtstoffe (Dichtstoffe) sind Stoffe, die als spritzbare Massen in Fugen eingebracht werden und sie abdichten, indem sie an geeigneten Flachen in der Fuge haften. Fugendichtstoffe sind als Ein- und Zweikomponenten-Dichtstoffe im Handel. Den grolnen Marktanteil besitzen die Silicon-Dichtstoffe, gefolgt von Polysulfid-, Acryl-, Polyurethanund Butylkautschuk-Dichtstoffen. Auf die Wirkungsweise von Silicon-Dichtstoffen (Siliconkautschuke) wurde in Kap. 9.2.4 eingegangen. Die neueste Generation von Verfugungs- und Klebstoffen enthalt sogenannte MS-Polymere. MS-Polymere (MS steht fur modified silanes) wurden Anfang der 80er Jahre in Japan entwickelt (Kaneka Corp. Osaka). Seit dieser Zeit werden sie erfolgreich als Rohstoff fur Hochleistungsdicht- und -klebstoffe eingesetzt, seit den 90er Jahren auch auf dem europaischen Markt. Am Beginn dieser sich rasant entwickelnden Produktgruppe silanmodifizierter Polymere (silan modified polymers, SMP) standen Polymere aus einer Polypropylenglycol-Hauptkette mit Dimethoxymethylsilyl-Vemetzungsgruppen (Abb. 10.21). Die Aushartung erfolgt bei Umgebungstemperatur als Folge von Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen (s. Abb. 9.13). Ausgelost wird der Vemetzungsprozess durch Luftfeuchtigkeit in Gegenwart eines Katalysators. Durch Verseifung der Methoxygruppen mit Wasser entstehen Silanole und Alkohol (hier: Methanol) wird frei. Inzwischen setzt man Silane mit Ethoxygruppen ein, so dass ungiftiges Ethanol entsteht. Die Silanole vemetzen durch Kondensation zum Silcongeriist. Das gebildete dreidimensional verzweigte Netzwerk kann entweder als Polyether verstanden werden, wobei die Polyethereinheiten durch Siloxanbriicken verbunden sind - oder als Siliconketten, die durch Polyetherbriicken verkniipft sind.
Abbildung 10.21 Struktur eines silanmodifizierten Polymers (MS-Polymer): Polypropylenglycol-Hauptkette mit Dimethoxymethylsilyl-Vernetzungsgruppen
MS-Polymere sind besonders umweltfreundliche Produkte. 1m Gegensatz zu PolyurethanDichtstoffen, die immer einen geringen Anteil an freiem, in hoheren Konzentrationen gesundheitsschadigendem Isocyanat aufweisen, enthalten die MS-Polymere weder Isocyanate noch Oxime oder Losungsmittel. Die Mehrzahl der am Markt erhaltlichen Dicht- und Klebstoffe dieser Substanzklasse sind Einkomponentensysteme, mit der Luftfeuchtigkeit als zweiter Komponente. Der besondere strukturelle Aufbau von MS-Polymeren und ihr Aushartungsmechanismus bieten dem Anwender eine Reihe giinstiger Verarbeitungseigenschaften. Es kommt im Gegensatz zu Polyurethan-Dichtstoffen zu keiner Blasenbildung und die MS-Polymere sind selbst bei tiefen Temperaturen (bis ca. DOC!) gut ausspritzbar.
470
10 Chemie organischer Stoffe im Bauwesen
Die Netzstruktur des ausgeharteten MS-Po1ymers verleiht dem Dichtstoff • eine ausgezeichnete UV-Stabilitiit Die Bindungsenergie der Si-O-Bindung im MS-Polymer ist mit 444 kJ/mo1 deutlich hoher als die der leichter spaltbaren und daher weniger UV-bestandigen C-N-Bindung (305 kJ/mol) der Polyurethan-Dichtstoffe. Die Polyetherketten, die das Riickgrat der MS-Polymere bilden, enthalten C-H- und C-O-Bindungen. Urn vor allem die C-O-Bindung vor UV-Licht und Bindungsbruch zu schiitzen, werden UV-Absorber zugesetzt. • eine sehr gute Haftung auf unterschiedlichsten Baumaterialien MS-Dichtstoffe haften sehr gut auf Metallen wie AI, Messing, Stahl und Sn, auf Mortel, Schiefer, Granit oder Keramikfliesen, auf den meisten Kunststoffen (nicht auf PE und PP!) sowie aufverschiedenen Holzarten. • stabile mechanische, insbesondere elastische Eigenschaften uber die gesamte Lebensdauer. MS-Polymere sind mit den meisten am Markt erhaltlichen Lack- und Farbsystemen iiberstreichbar. Silanmodifizierte Polymere bilden auch die Basis fur Hochleistungsklebstoffe. Die unterschiedlichen Eigenschaften fur die oben besprochenen Dichtstoffe einerseits und die Klebstoffe andererseits lassen sich durch Variation der Lange der Polymerketten und des Verzweigungsgrades einstellen. Die oft als "Silyl-Klebstoffe" bezeichneten Produkte konnen im Hoch- und Tiefbau, in der Automobil- und der Elektronikindustrie zum Einsatz kommen, d.h. in Feldem, in denen heute auch Epoxid- und Polyurethan-Klebstoffe verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass die elastischen Silyl-Klebstoffe die beiden letzteren hinsichtlich Alterungsbestandigkeit und Haftung auf schwierig zu verklebenden Untergriinden deutlich iibertreffen. Kombination: sllanmodffizierte Polymere - Epoxidharze. Kombiniert man silylmodifizierte Polyether mit Epoxidharzen (Mischungsverhaltnis 2 : 1), erhalt man nach dem Ausharten ein stabiles Polymersystem, das aus zwei in sich verzahnten Strukturbereichen besteht. Die Silyl-Polyether-Matrix sorgt fur Flexibilitat und Zahigkeit, wahrend die eingeschlossenen Epoxidbereiche dem ausgeharteten Polymer seine besondere Klebfestigkeit verleihen. Neben der generellen Losungsmittelfreiheit bietet dieser Klebstoff mehrere Vorteile: • schnelle Aushartung bei Umgebungstemperatur • Verklebung ist tiber einen weiten Temperaturbereich stabil • exzellente Haftung auf zahlreichen Untergrundmaterialien • Unempfindlichkeit gegen verformende Spannungen. In den letzten Jahren hat es auf dem Gebiet der silanmodifizierten Polymere interessante Aktivitaten zur Modifizierung und Weiterentwicklung gegeben, mit dem Ziel, diese Produkte fur spezielle Anwendungsbereiche "maBzuschneidem". So wurde z.B. die Propylengruppe -CHz-CHrCHr (propylene spacer) zwischen dem Si-Atom und der Polymereinheit (Abb. 10.21) durch eine Methylengruppe -CH z- ersetzt (a-Silane, Wacker-Chemie GmbH Deutschland). Infolge elektronischer Effekte erhoht sich die Reaktivitat der Alko-
10.4 Kunststoffe
471
xygruppen. Die Vemetzung bzw. das Ausharten des Polymers verlauft deutlich schneller. Inzwischen lassen sich zahlreiche Polymere durch den Einbau von Silanen feuchtigkeitsvemetzbar machen. Eine besondere Rolle spielen neben den Polyethem vor allem Acrylate, Polyester und Polyurethane. Spachtel- oder Ausgleichsmassen (auch Spachtelkitte) sind zahplastische Beschichtungsstoffe, denen Fiillstoffe, wie z.B. Kreide, Feinstsande und Schiefermehl, undloder Pigmente zugesetzt wurden und die zum Ausgleichen von Unebenheiten des Untergrunds bzw. zum Fiillen von Rissen, Lochern und sonstigen Beschadigungen verwendet werden. Als Bindemittel kommen Alkydharze, Epoxid- oder Polyesterharze, Polyurethane, Silicone, trocknende Ole, Bitumen, Leime, aber auch Gips und Zement zum Einsatz. Der Name Spachtelmasse geht auf das noch heute iibliche Auftragen mit einem Spachtel zuruck, inzwischen sind auch spritzfahige Spachtelmassen im Gebrauch.
Kitte. Kitte sind kalt verarbeitbare, plastische Gemische aus trocknenden Olen, Kunststoffen oder Bitumen und Fiillstoffen. Sie erharten zu festen, mehr oder weniger elastischen Massen, die evtl. auch eine gewisse Plastizitat beibehalten konnen, Man unterscheidet:
Leinolkitte. Erhartung durch Linoxidbildung und Verharzung. Vertreter sind Glaserkitt: Gemisch aus Leinol und Schlammkreide, Verwendung: Verkittung von Glas und Holz; Mennigekitt: Gemisch aus Leinol und Mennige (Pb 30 4) . Verwendung: Verkittung von Glas und Metall bzw. Metall und Metall; z.B. Einkitten von Wasch- und Toilettenbecken, Dichten von hanfumwickelten Gas- und Wasserrohren; Mangankitt: Gemisch aus Leinol und MnOz. Verwendung: Abdichten von Gas-, Wasser- und Heizungsleitungen. Wasserglaskitte. Erhartung durch Polykondensation der Kieselsauren, Quarzbildung. Vertreter sind Wasserglas (Kap. 9.2.3.1): Wasserglas kittet Glas- und Steingut, istjedoch nicht wasserbestandig; Steinkitt: Gemisch aus Wasserglas, Schlammkreide, Ziegelmehl, Zement oder Kieselgur; Mischung aus Wasserglas und Magnesia ergibt einen saurebestandigen Steinkitt; Metallkitt: Gemisch aus Wasserglas, Kreide und Zinkstaub. Die Bezeichnung Metallkitt bezieht sich auf den im Kitt enthaltenen metallischen Anteil und nicht auf das Material, zu dessen Verkittung er verwendet werden solI. Beim Kitten muss man den Kitt generell der Eigenart des zu verkittenden Gegenstandes bzw. Materials anpassen. Von Vorteil ist stets eine chemische Verwandtschaft zwischen beiden. So haftet Wasserglas besonders gut am chemisch verwandten Glas oder an Silicaten, da es zur Ausbildung kovalenter Bindungen kommt. Ansonsten beruht die Haftung der Kitte iiberwiegend auf der Ausbildung zwischenmolekularer Wechselwirkungskrafte,
Bitumenkitte. Zahviskose Losungen von Bitumen mit oder ohne Fiillstoffen. Verwendung zum Verkitten von Rohr-, Muffen-, Dach- und Pflasterfugen. Kautschukkitte. Gemische aus Natur- oder synthetischen Kautschuken, Bitumen und/oder trocknenden Olen sowie evtl. Fiillstoffen, die vor allem fur Abdichtungen verwendet werden. Kautschukkitte kombinieren die Thermoplastizitat des Bitumens mit der Gummielastizitat des Kautschuks.
11
Holz und Holzschutz
11.1
Aufbau und Zusammensetzung des Holzes
Holz gehort zu den altesten Bau- und Werkstoffen der Menschheitsgeschichte. Es kann zum einen direkt als Baurund- oder Bauschnittholz fur Geruste, Rammpfahle (Grundbau), Trager, Stiitzen sowie fiir Verschalungen und Zimmerarbeiten verwendet oder aber zu Holzwerkstoffen verarbeitet werden. Zu Holzwerkstoffen verarbeitetes Holz (Sperrholzplatten, Span- und Faserplatten) findet vor allem fiir Wand- und Deckenverkleidungen Verwendung. Der organische Baustoff Holz ist ein hartes festes Zellgewebe, das vom sogenannten Kambium (Bildungsgewebe) unter der Rinde erzeugt wird. Das Kambium bildet durch Zellteilung nach innen Holzzellen und nach auBen Bastzellen, die unter der Rinde liegen. Es befindet sich damit an der Grenze zwischen Rinde und jiingstem Holz. Durch das AufreiBen der Rinde als Foige des Dickenwachstums des Holzes sterben die oberen, aufgesprungenen Schichten ab und es entsteht die Borke. Gleichartige Zellen bilden stets ein Gewebe, also einen Zellverband. Die vom Kambium erzeugten Zellen bzw. Gewebearten iibemehmen unterschiedliche Aufgaben, die wichtigsten sind der Wasser- und der Nahrstofftransport (Leitgewebe), die Speicherung der Nahrstoffe (Speichergewebe) und die mechanische Festigkeit des Holzgefiiges (Festigkeitsgewebe). Aufbau, GroBe und Verteilung der Gewebearten sind von Holzart zu Holzart verschieden, sie beeinflussen sehr wesentlich die Eigenschaften des Holzes. Die unterschiedlichen Eigenschaften von Holzern sind dartiber hinaus auf eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung zurtickzufiihren. Obwohl die Elementaranalysen verschiedener Holzer eine auffallende Ubereinstimmung zeigen (C: - 50%, 0: - 43%, H: 6%, N und andere Elemente: - 1%), unterscheiden sich die chemischen Bestandteile je nach Art, Alter, Standort und Wachstum des Holzes zum Teil recht deutlich. Die Hauptbestandteile des Holzes sind: Cellulose ("Armierung")
40 ... 60%
Hemicellulose (Ho IzpoIyosen)
15 ... 20%.
Lignin ("Beton")
15 ... 40%
Cellulose und Hemicellulose werden haufig unter dem Begriff Holzcellulose zusammengefasst. Die Cellulose bildet als Gertistsubstanz den Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwande, Sie nimmt die Zugspannung auf, damit ist sie funktionell mit dem Bewehrungsstahl im Stahlbeton vergleichbar. Cellulose ist ein wasserunlosliches Polysaccharid der allgemeinen Formel (C 6H120s)n. Die Makromolekille bestehen aus 500 ...5000 Glucosebausteinen (C 6H1206, Abb. l1.1a und b), die kettenformig unverzweigt iiber Sauerstoffbrticken miteinander verkniipft sind (Abb. 11.1c). Da sich innerhalb des Makromolekills zwischen den OH-Gruppen (C-Atom 3) und den Ringsauerstoffatomen benachbarter Glucoseeinheiten Wasserstoffbrtickenbindungen (intramolekulare Il-Bruckeny ausbilden, ist die freie Drehbarkeit urn die verbrtickenden c-oC-Bindungen stark eingeschrankt. Die Foige ist eine lineare Versteifung des Kettenmolekills. Durch zusatzliche Ausbildung von Wasserstoffbrticken zwischen den kettenformigen
11.1 Aufbau und Zusammensetzung des Holzes
473
Makromolekulen (intermolekulare H-Bruckenv lagem sich etwa 60...70 Cellulosemoleklile zu den fur die pflanzlichen Organismen typischen Mikrofibrillen zusammen. Die Hemicellulosen (Holzpolyosen) haben im Gegensatz zur Cellulose einen uneinheitlichen Aufbau. Sie bestehen aus Polysacchariden unterschiedlicher Hexosen (Sechsringzucker) und Pentosen (Funfringzucker). Ihr Polymerisationsgrad betragt 150...200, er liegt damit unter dem der Cellulose. Die Hemicellulosen dienen den Pflanzen teils als Geruststoff, teils als Vorratsstoff. Sie sind von Schadlingen leicht angreifbar.
OH
a)
c)
H
b)
OH
Ausschnitt aus einer Cellulosekette
Abbildung 11.1 a) und b) unterschiedliche Darstellungsweisen der Ringform der Glucose (~-D-Glucose); c) Ausschnitt aus einer Cellulosekette. Das Polysaccharid Cellulose ist durch Polykondensation von GlucosemolekOlen entstanden. Die Kondensation (Abspaltung von Wasser) erfolgt Ober die OH-Gruppen der C-Atome 1 und 4 zweier benachbarter GlucosemolekOle.
Lignin ist eine chemisch aulserst kompliziert aufgebaute Verbindung, deren Struktur bis heute noch nicht endgultig aufgeklart ist. Aus Untersuchungen an Coniferenligninen weiB man, dass es sich bei dieser Substanz urn ein polymeres Oxidationsprodukt des Coniferylalkohols handelt (Abb. 11.2a). Am Aufbau des Lignins von Laubbaumen ist daruber hinaus Sinapinalkohol (Abb. II.2b) beteiligt. Lignin bildet neben Hemicellulose den Hauptbestandteil der Kittsubstanz. Durch seine Einlagerung in das Cellulosegerust erfolgt eine Versteifung der Zellwande, Man spricht auch von einer Verholzung. Ais Kittsubstanz besitzt das Lignin die gleiche Funktion wie der Zementstein im Beton (Aufnahme der Druckspannung!). Abbildung 11.2 Komponenten des Lignins
OH
a)
OH
b)
Coniferylalkohol
Sinapinalkohol
474
11 Holz und Holzschutz
Nadelholz enthalt einen hoheren Anteil an Lignin als Laubholz (z.B. Kiefer und Fichte ca. 29%, Linde und Zitterpappel ca. 18%). Das technische Problem bei der Herstellung von Cellulose bzw. Papier aus Holz besteht im Aufschluss des wasserunloslichen Lignins. Der Aufschluss kann sauer (Sulfitverfahren, Aufschlussmittel: schweflige Saure, S02 und Calciumhydrogensulfit) und basisch (Sulfatverfahren, Aufschlussmittel: NaOH, Na2S u. Na2S04) erfolgen. Neben den drei gerade besprochenen Hauptbestandteilen enthalt Holz immer Wasser und eine Reihe weiterer, meist in geringen Mengen vorkommende Nebenbestandteile (2...8%) wie Zucker, Starke, EiweiB, Harze, Wachse, Gerb- und Mineralstoffe. Sie konnen je nach Art und Menge ihrer Einlagerung die Eigenschaften und damit die Verwendbarkeit des Holzes merklich beeinflussen. Die Harze und Wachse besitzen eine erhebliche technische Bedeutung, z.B. fur Fimisse, Bohnerwachs, Leime, Siegellack und pharmazeutische Praparate. Kiefem, Fichten und Larchen sind besonders harzreich. Gerbstoffe, wie z.B. die Gallussaure (3,4,5-Trihydroxybenzoesaure) und deren hohermolekulare Kondensationsprodukte, schtitzen das Holz vor Pilzbefall. Deshalb ist gerbstoffreiches Holz (z.B. Eichenholz) bestandiger. Laubholzer sind generell gerbstoffreicher als Nadelholzer. SchlieBlich sind im Holz unterschiedliche Mengen an Mineralstoffen enthalten. Sie werden in geloster Form von der Pflanze tiber die Wurzelhaare mit dem Bodenwasser aufgenommen und bleiben beim Verbrennen des Holzes als Oxide, Carbonate, Phosphate oder Nitrate zuruck,
11.2
Holzschutz
Holz ist als kapillarporoser Werkstoffhygroskopisch. Es kann solange Feuchtigkeit aus der Umgebung (in der Regel aus der Luft) aufnehmen oder wieder abgeben, bis sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Dieses Gleichgewicht ist abhangig von der Temperatur, vom Luftdruck und von der relativen Luftfeuchtigkeit. Durch zu schnelles Austrocknen, zu geringe Wassergehalte in den Baumen bei groBer Trockenheit sowie plotzlich einsetzenden Frost werden im Holz innere Spannungen erzeugt, die zu Rissen fiihren konnen, GroBe und Art der Risse beeintrachtigen die Verwendbarkeit des Holzes teilweise betrachtlich. Auch Harzquellen, d.h. im Querschnitt sichtbare, schmale Spalte, die sich mit Harz gefullt haben, mindem die Festigkeit des Holzes und erschweren die Oberflachenbehandlung. Sie sind vor allem bei harzflihrenden Nadelbaumen anzutreffen. Durch den standigen Einfluss von Niederschlagswasser kann die Oberflache von Bauholz im Freien bis zu 0,1 mm pro Jahr abgetragen werden. Die Zerstorung des Holzes durch Witterungseinflusse (Warme, Kalte/Frost, Temperaturwechsel und UV -Strahlung) und durch chemische Einflusse (Saurer Regen, Salzlosungen) tritt in ihrer Bedeutungjedoch weit hinter diejenige zuriick, die durch lebende Holzzerstorer wie Insekten und Pilze hervorgerufen wird. Holzzerstorende Insekten befallen das Holz im Wald, auf dem Holzlagerplatz ("Frischholzinsekten") oder aber im bereits verbauten trockenen Zustand ("Trockenholzinsekten"). Zu nennen sind Kafer wie z.B. der Hausbock, der Gemeine Nagekafer oder der Braune Splintkafer. Sie befallen und zerstoren Bau- und Werkholz. Borkenkafer und Holzwespen gehoren zu den Frischholzzerstorern. Sie greifen nur lebende krankelnde Baume bzw. frisch gefalltes Holz (» 20% Holzfeuchte) an. In den Tropen sind weniger die Kafer, sondem vielmehr Termiten die am meisten gefurchteten Holzzerstorer.
11.3 Holzschutzmittel
475
Hauptursache fur einen Pilzbefall ist die Feuchtigkeit. Holz mit einem Feuchtigkeitsgehalt oberhalb des Fasersattigungspunktes (28 ...30% rel, Holzfeuchte) ist prinzipiell hinsichtlich eines Pilzbefalls gefahrdet. Der optimale Feuchtigkeitsbereich fur das Pilzwachstum liegt zwischen 30...50% reI. Holzfeuchte, unter gewissen Umstanden kann aber bereits ein Befall bei Feuchten von 20% eintreten. In vollkommen trockenem oder vollkommen durchnasstem Holz (z.B. Muhlrader) laufen kaum Schadigungs- und Faulnisprozesse abo Ein weiteres Kriterium fur die Entwicklung der Pilze ist die Temperatur. Das charakteristische Temperaturoptimum fur das Wachstum der meisten Pilze liegt zwischen 20...25°C. Oberhalb und unterhalb des kritischen Temperaturbereichs fur das Pilzwachstum (min. 3°C, max. 40°C verfallen die Pilze in eine Wachstumsstarre. Allen holzzerstorenden Pilzen ist gemeinsam, dass sie die Zellwande der Holzzellen abbauen und damit Faulnis verursachen. So wird durch den Angriff von Braunfaule- und Weififiiulepilzen die Holzstruktur zerstort und damit die Festigkeit des Holzes stark gem indert. Das kann im Endstadium bis zur Pulverisierung des Holzes fuhren. Moderfaule durch Ascomyceten tritt vor allem an Holzern mit standigem Erdkontakt wie Masten, Pfahlen und Schwellen auf. Die Folge eines Blauepilzbefalls konnen Verfarbungen des Holzes und eine Zerstorung des Anstrichfilms sein. Auch Schimmelpilze verursachen Holzverfarbungen, Sie wachsen jedoch nur auf der Holzoberflache, ohne tiefer in das Innere vorzudringen. Schimmelpilze benotigen Feuchtigkeitsgehalte oberhalb des Fasersattigungspunktes. Entzieht man ihnen die Feuchtigkeit, sterben sie ab und konnen abgebiirstet werden. Obwohl gerade in jungster Zeit vermehrt uber Ansatze zu einer "rein biologischen Abwehr" des Angriffs von Pilzen und Insekten auf Holz nachgedacht wird, ist man gegenwartig im Holzschutz immer noch auf den Einsatz von Chemikalien angewiesen. Und zwar sowohl von klassischen Holzschutzmitteln (HSM) wie anorganischen Salzen und Teerolen als auch von Neuentwicklungen wie den so genannten Schlupfverhinderungsmitteln oder den Chitinsynthesehemmem zur Bekampfung holzzerstorender Insekten. Am letztgenannten Beispiel wird eine modeme Entwicklungsrichtung deutlich: Entwicklung von HSM, die spezifisch in den Stoffwechsel eingreifen und dabei das Gefahrenpotential fur Nichtzielorganismen minimieren. Man unterscheidet generell zwischen baulichen und chemischen HolzschutzmaBnahmen. Auf den baulichen, d.h. konstruktionsbedingten Holzschutz, soll im Rahmen des vorliegenden Buches nicht eingegangen werden. Der Nutzen des Holzschutzes fur den Menschen liegt auf der Hand. Er besteht in einer VerIangerung der Nutzungsdauer des eingesetzten Holzes und damit in der Werterhaltung. Dabei wird gleichzeitig ein umweltpolitischer Nutzen sichtbar: Durch HSM wird das Naturprodukt Holz zu einem vielseitig einsetzbaren Baustoff. Der Holzschutz ermoglicht die Verwendung einheimischer Holzer mit geringerer Dauerhaftigkeit, vor allem die Verwendung der als nachhaltige Rohstoffe kultivierten und in ausreichender Menge zur Verfugung stehenden Nadelholzer, obwohl sie im Unterschied zu einigen anderen einheimischen oder zu tropischen Holzern weniger resistent gegen Holzschadlinge sind.
11.3 Holzschutzmittel Der Einsatz chemischer Holzschutzmittel richtet sich in erster Linie gegen biologische Schadigungen durch Insekten und Pilze. Holzschutzmittel enthalten demnach insektizide und fungizide Wirkstoffe, die auf Grund ihrer mehr oder weniger starken gesundheitsschadigenden Wirkungen nur dort eingesetzt werden durfen, wo es der Einsatzzweck erfordert.
11 Holz und Holzschutz
476
Und auch dann nur unter Einhaltung der entsprechenden VorsichtsmaBnahmen, die in den technischen Merkbliittem der Hersteller sowie den einschliigigen Vorschriften der Gefahrstoffverordnung vorgeschrieben werden. Holzschutzmittel sollten einer Reihe von Anforderungen genugen, z.B. - sicherer und lang anhaltender Schutz des Holzes vor schiidigenden Organismen - Eindringtiefen moglichst > 10 mm, Bestiindigkeit gegen Auslaugen und Verdunsten, - Vertriiglichkeit der HSM wie auch des behandelten Holzes mit Metallen, Beschichtungs- bzw. Klebstoffen und anderen Baustoffen - weitgehende Geruch- und Farblosigkeit - moglichst geringe Umweltbelastung bei der Verarbeitung des HSM und durch das mit dem HSM behandelte Holz. Die heute auf dem Markt erhiiltlichen HSM sind in vier Gefahrdungsklassen (GK) mit folgenden Mindestanforderungen eingeteilt:
GKI
Iv
gegen Insekten vorbeugend wirksam
GK2
Iv P
gegen Insekten vorbeugend wirksam gegen Pilze vorbeugend wirksam (Fiiulnisschutz)
GK3
Iv P W
gegen Insekten vorbeugend wirksam gegen Pilze vorbeugend wirksam (Fiiulnisschutz) auch fur Holz, das der Witterung ausgesetzt ist, jedoch nicht im stiindigen Erdkontakt und nicht im stiindigen Kontakt mit Wasser wie W, aber nur fur im Kesseldruckverfahren impriigniertes Holz
(W)
GK4
Iv P W E
gegen Insekten vorbeugend wirksam gegen Pilze vorbeugend wirksam (Fiiulnisschutz) auch fiir Holz, das der Witterung ausgesetzt ist (wie bei GK 3) auch fur Holz, das extremer Beanspruchung ausgesetzt ist (im stiindigen Erd- und/oder Wasserkontakt sowie bei Schmutzablagerungen in Rissen und Fugen)
(P) Ib M
gegen Pilze vorbeugend wirksam gegen Insekten bekiimpfend wirksam Schwammsperrmittel
Fur die angefiihrten Gefahrdungsklassen gelten folgende Anwendungsbereiche: Holzbauteile, die durch NiederschHige, Spritzwasser und dergleichen nicht beanspruchtwerden
GKI GK2
Innenbauteile bei einer mittleren relativen Luftfeuchtigkeit bis 70% und gleichartig beanspruchte Bauteile Innenbauteile bei einer mittleren relativen Luftfeuchtigkeit bis 70% und gleichartig beanspruchte Bauteile sowie Innenbauteile in Nassbereichen, Holzteile wasserabweisend abgedeckt und AuBenbauteile ohne unmittelbare Wetterbeanspruchung
11.3 Holzschutzmittel
477
Holzbauteile, die durch Niederschliige, Spritzwasser und dergleichen beansprucht werden GK3 AuBenbauteile mit Wetterbeanspruchung ohne standigen Erd- und/ oder Wasserkontakt und Innenbauteile in Nassraumen GK4 Holzbauteile mit standigem Erd- und/oder SiiBwasserkontakt, auch bei Ummantelung, •
Wasserbasierte Holzschutzrnittel zum vorbeugenden Schutz von Holzbauteilen gegen holzzerstdrende PiIze und Insekten
Tabelle 11.1 Schutzmitteltypen. Hauptbestandteile und Prufpradikate nach dem Verzeichnis der Holzschutzmittel mit allgemeiner Zulassung (Stand: 01. Januar 2008)
Schutzmitteltvn Hauptbestandteile
Priifpriidikate
Bor-Salze
Iv, P
Anorganische Borverbindungen (Borsaure H 3B03, Borax Na zB407 • lOHzO) CFB-Salze Bor- und Fluorverbindungen, Chromate Kupferoxid (CuO), Cu-Salze, Chromate CK-Salze Cu-Salze unter Zusatz von Arsenverbindungen CKA-Salze (Arsen(V)-oxid AszOs), Chromate Kupferoxid, Cu-Salze unter Zusatz von BorCKB-Salze verbindungen, Chromate CKF-Salze Kupferoxid, Cu-Salze unter Zusatz von Silicaten, Kieselsaure, Chromate Quat-Priiparate Quaternare Ammoniumverbindungen Quat-Bor-Priiparate Quaternare Ammonium-Bor-Verbindungen Chromfreie Cu-Priiparate Cu-Verbindungen, Cu-HDO oder quaternare Ammoniumverbindungen, z.T. unter Zusatz von Triazolen und/oder Borverbindungen Sammelgruppe Praparate, die in ihrer Zusammensetzung von den vorgenannten abweichen bzw. deren Wirksamkeit aufanderen Stoffen beruht (z.B. Propiconazol, Fenoxycarb, Deltamethrin, Permethrin).
Iv,P, W Iv,P, W,E Iv,P, W,E Iv,P, W,E Iv, P, W,E Iv, P, (W) Iv, P, (W)
Iv, P, W, (E)
Iv,P, W
Abbildung 11.3 Kupfer-HDD
Anwendung wasserbasierter HSM: Wahrend anorganische Borverbindungen nur fur witterungsgeschiltzte, nicht aber fur durch Niederschlage, Spritzwasser und dergleichen beanspruchte Holzbauteile verwendet werden sollen (Auswaschung!), konnen chromatfixierte CFB-, CK-, CKA-, CKB- und CKF-Salze im Innen- und AuBenbau bei unterschiedlicher Auswaschungsbeanspruchung eingesetzt werden. Die ubrigen Praparate (s. Tab. 11) werden je nach ihrer Zusammensetzung im Innen- und AuBenbau verwendet.
11 Holz und Holzschutz
478
Wegen der Toxizitat des Chroms in der Oxidationsstufe +VI ist man in letzter Zeit zunehmend zu anderen Fixierungsmitteln iibergegangen, z.B. zu Kupfer-HDO (exakte Bezeichnung: Bis-(N-Cyclohexyldiazeniumdioxo)-Kupfer(II), Abb. 11.3). •
HolzschutzmiUel in organischen Ldsungsmitteln zum vorbeugenden Schutz von Holzbauteilen gegen holzzerstdrende Pilze und Insekten Hauptbestandteile dieser Gruppe von HSM sind organische Fungizide und Insektizide, gelost in organischen Losungsmitteln (teilweise angefarbt) mit unterschiedlich hohem Gehalt an Bindemittel. Prufpradikate: Iv, P und W. Zum Einsatz kommen als Fungizide z.B. Propiconazol und Diclofluanid und als Insektizide Carbamate (z.B. Fenoxycarb, Abb. ll.4a), Deltamethrin und Permethrin (Abb. 11.5). Anwendung: Innen- und AuBenbau. •
HolzschutzmiUel zum vorbeugenden Schutz von Holzbauteilen gegen holzzerstdrende Insekten - ohne Wirksamkeit gegen holzzerstdrende Pilze Hauptbestandteil dieser HSM sind organische Insektizide in organischen Losungsmitteln (z.B. Deltamethrin) oder wasserverdiinnbare organische Insektizide (z.B. Fenoxycarb). Anwendung: Innenausbau. •
Steinkohlenteer-Impraguierdle zum vorbeugenden Schutz von Holzbauteilen gegen holzzerstdrende Pilze und Insekten Hauptbestandteile sind Steinkohlenteer-Impragnierole der Klassen WEI-Typ B und C nach der Klassifizierung des West-Europaischen Instituts fur Holzimpragnierung (W.E.I.) mit einem Benzo[a]pyren-Gehalt bis zu hochstens 50 mg/kg. Prufpradikate: Iv, P, W und E. Anwendung: Nur fur Holzbauteile im AuBenbau; vorzugsweise fur Holz mit starker Gefahrdung durch Auswaschbeanspruchung. •
Sonderpraparate ausschlie8lich fUr Holzwerkstoffe zum vorbeugenden Holzschutz gegen holzzerstdrende Pilze Hauptbestandteile sind anorganische Borverbindungen, KF oder K-HDO. Prufpradikat: P; Anwendung: AusschlieBlich im Herstellwerk fur Holzwerkstoffe.
a) Fenoxycarb
Abbildung 11.4
b) Lindan
Wirkstoffe losungsmittelhaltiger Holzschutzmittel: a) Fenoxycarb, b) Lindan.
Lindan (chemisch Hexachlorcyclohexan) wurde jahrzehntelang weltweit im Holzschutz, aber auch im Pflanzen-, Vorrats- und Textilschutz eingesetzt. Von den acht stereoisomeren Formen ist allerdings nur ein Isomer, das y-Hexachlorcyclohexan (y-HCH, Abb. II.4b), als Insektizid wirksam. Lindan ist lipophil und erweist sich als auBerordentlich schwer abbaubar. Es tritt in die Nahrungskette ein, reichert sich im menschlichen Fettgewebe (Leber, Niere) an und kann zu schweren gesundheitlichen Schaden fuhren, In der BRD wurde Lin-
11.3 Ho1zschutzmitte1
479
dan unter dem Eindruck des Seveso-Ung1iicks bereits 1977 verboten, in der DDR wurde die Lindan-Produktion im Jahr 1982 eingestellt. Seit 2002 gilt ein europaweites Lindan-Verbot. Lindan wurde a1s insektizider Wirkstoff fur den Ho1zschutz vor allem durch die toxiko1ogisch unbedenklicheren Pyrethrin-Abkommlinge Permethrin, Deltamethrin und Cypermethrin ersetzt. Pyrethrin ist ein aus den Bliitenknospen bestimmter Pyrethrinarten gewonnenes, sehr wirksames natiirliches Insektizid. Durch eine gezielte Abwand1ung des Stammsystems konnten weitere, noch wesentlich wirksamere Pyrethroid-Insektizide wie Deltamethrin und Permethrin (Abb. 11.5b) hergestellt werden.
B"C=HV:O~O,© H3C CH3
Deltamethrin
Permethrin
Abbildung 11.5 Insektizide auf Pyrethrin-Basis: a) Deltamethrin, b) Permethrin.
Wegen seiner ausgezeichneten pi1z- und bakterientotenden Wirkung hat Pentachlorphenol (PCP) und sein Natriumsa1z (PCP-Na) a1s Bestandtei1 unterschied1ichster HSM eine weite Verbreitung gefunden. Seit bekannt ist, dass dieser Stoff nicht nur fischtoxisch ist, sondem auch beim Menschen zu erheblichen gesundheitlichen Schaden fuhren kann, wurde mit der Pentach1orpheno1-Verbotsordnung vom 12. 12. 1989 die Herstellung und Verwendung von PCP und dessen Sa1zenverboten. Da mit PCP behande1tes Ho1ziiber einen 1angenZeitraum diesen Wirkstoff emittiert, stellen PCP-haltige Ho1zschutzmitte1 eine echte A1tlast vie1er Gebaude dar. Wirksamkeit und Wirkungsdauer eines Holzschutzmittels hangen sehr wesentlich von der Wahl des Verfahrens zur Einbringung des Mitte1s in das Ho1z abo Die einfachsten und mit Sicherheit bekanntesten Einbringverfahren sind das Streichen und das Spritzen (Spruheny. Allerdings b1eiben die Eindringtiefen in der Regel deutlich unter den geforderten 10 mm, meist 1iegen sie - in Abhangigkeit von der Ho1zart - zwischen 2 und 6 mm. Beim Tauchverfahren schwimmt das Ho1z in einem Tauchbecken im bzw. auf dem Holzschutzmittel. Die Eindringtiefen 1iegen ebenfalls unter 10 mm und es wird allenfalls ein Randschutz erreicht.
Werden die Holzer in offenen Trogen langere Zeit (einige Stunden bis Tage) untergetaucht gehalten, spricht man von einer Trogtrankung, Das Eindringen des HSM erfo1gt hier durch die kapillaren Krafte und die Diffusion im Zellgewebe, den hydrostatischen Druck der im Trankgefals iiber dem Ho1z stehenden F1iissigkeit sowie die Temperaturunterschiede der benutzen Trankflussigkeiten. Die eingesetzten anorganischen Sa1ze dringen tiefer und gleichmaliiger in das Ho1z ein, der erreichte Randschutz ist effektiver a1s bei den vorhergehenden Verfahren. GroBtechnische Verfahren, die zum Einbringen des Schutzmitte1s Uberund/oder Unterdruck anwenden, fasst man unter dem Begriff Kesseldrucktrdnkung zusammen. In druckdichten Kesse1n wird das Schutzmitte1 quasi in das Ho1z gedriickt bzw. gesogen. Varianten des Kesse1druckverfahrens sind die Volltrankung, die Spartrankung, die Wechse1druck- und die Vakuumtrankung. We1che Variante zum Einsatz kommt, hangt
sowohl von der Art des verwendeten Holzschutzmittels als auch von der Art des zu behandelnden Holzes abo Kesseldruckverfahren konnen zu einer Durchtrankung der gesamten impragnierbaren Holzsubstanz fiihren. Die Feuer- oder Flammschutzmittel sollen die Entzundung des Holzes verzogern und die Verbrennung des Holzes und damit die Ausbreitung des Feuers erschweren. Hinsichtlich ihres Brandverhaltens konnen die Feuerschutzmittel als feuer- bzw. flammenerstickend, verkohlungsfordernd sowie sperrschicht- und dammschichtbildend klassifiziert werden.
Feuer- oder flammenerstickende Schutzmittel sind entweder a) kristallwasserhaltige Salze, die in der Hitze schmelzen und unter Warmeentzug Wasser freisetzen oder b) Salze, die in der Feuerhitze andere flammenerstickende Gase abspalten, z.B. CO 2 aus Carbonaten oder Hydrogencarbonaten, S02/S03 aus Sulfaten oder Hydrogensulfaten und NH3 aus Ammoniumhydrogenphosphat: (N~)2HP04 ~ 2 NH 3 + H3P04. Die gleichzeitig gebildete Phosphorsaure wirkt dehydratisierend, d.h. verkohlend.
Sperrschichtbildende Schutzmiuel (Versiegelungsmittel). In der Hitze bildet sich auf dem Holz eine schwer entflammbare, dunne Sperrschicht, die den Zutritt des Luftsauerstoffs zum Holz erschwert. 1m Holz ("aus dem Holz heraus") entsteht eine Holzkohleschicht, die warmedammend wirkt. Fruher wurden als sperrschichtbildende Schutzmittel Wasserglaser und Borate, heute werden Ammoniumpolyphosphate verwendet.
Schaumschichtbildende Schutzmittel sind Substanzgemische, die die Eigenschaften der verkohlungsfordernden und sperrschichtbildenden Schutzmittel kombinieren. Auf der Oberflache des Holzes wird eine gut isolierende Holzkohleschicht erzeugt, indem man Substanzen auf das Holz bringt, die sich beim Erwarmen schaumig aufblahen, verkohlen und anschlieBend verfestigen. Zum Einsatz kommen Gemische aus schichtbildenden Komponenten ("Kohlenstoffspendem") wie Kohlenhydraten, Paraffinen oder Chlorparaffinen und aus blahenden und schaumenden Komponenten wie Polyphosphaten, Melamin, Hamstoff oder Dicyandiamid {NC-NH-C(NH2)=NH} sowie evtl. Ti0 2-Pigmenten.
12
Luftschadstoffe in Innenriumen
In den letzten Jahrzehnten haben gesundheitliche Beschwerden zugenommen, die in engem Zusammenhang mit dem Aufenthalt in Innenraumen bzw. Gebauden stehen. Ausgasungen chemischer Substanzen aus Mobeln, Farben, Anstrichen und Baustoffen, Schimmelpilzbefall in Wohnungen, das Sick-Building-Syndrom und das Phanomen der "Schwarzen Wohnungen" sind - unter Berlicksichtigung einer ansteigenden Aufenthaltsdauer der Menschen in Innenraumen - Anlass genug, das Problem der Innenraumbelastung mehr in den Focus des Gesundheitsschutzes zu rucken, Man geht heute davon aus, dass die Menschen ca. 90% ihrer Lebenszeit in Innenraumen verbringen. Davon entfallen etwa 2/3 auf die Wohnraume und wiederum davon der groBte Teil auf das Schlafzimmer.
12.1
Einleitende Bemerkungen
Zu den Innenraumen gehoren zunachst alle Raume in Gebauden, die nicht nur zum vorubergehenden Aufenthalt von Menschen bestimmt sind, also alle Wohnraume yom Kel-
sowohl von der Art des verwendeten Holzschutzmittels als auch von der Art des zu behandelnden Holzes abo Kesseldruckverfahren konnen zu einer Durchtrankung der gesamten impragnierbaren Holzsubstanz fiihren. Die Feuer- oder Flammschutzmittel sollen die Entzundung des Holzes verzogern und die Verbrennung des Holzes und damit die Ausbreitung des Feuers erschweren. Hinsichtlich ihres Brandverhaltens konnen die Feuerschutzmittel als feuer- bzw. flammenerstickend, verkohlungsfordernd sowie sperrschicht- und dammschichtbildend klassifiziert werden.
Feuer- oder flammenerstickende Schutzmittel sind entweder a) kristallwasserhaltige Salze, die in der Hitze schmelzen und unter Warmeentzug Wasser freisetzen oder b) Salze, die in der Feuerhitze andere flammenerstickende Gase abspalten, z.B. CO 2 aus Carbonaten oder Hydrogencarbonaten, S02/S03 aus Sulfaten oder Hydrogensulfaten und NH3 aus Ammoniumhydrogenphosphat: (N~)2HP04 ~ 2 NH 3 + H3P04. Die gleichzeitig gebildete Phosphorsaure wirkt dehydratisierend, d.h. verkohlend.
Sperrschichtbildende Schutzmiuel (Versiegelungsmittel). In der Hitze bildet sich auf dem Holz eine schwer entflammbare, dunne Sperrschicht, die den Zutritt des Luftsauerstoffs zum Holz erschwert. 1m Holz ("aus dem Holz heraus") entsteht eine Holzkohleschicht, die warmedammend wirkt. Fruher wurden als sperrschichtbildende Schutzmittel Wasserglaser und Borate, heute werden Ammoniumpolyphosphate verwendet.
Schaumschichtbildende Schutzmittel sind Substanzgemische, die die Eigenschaften der verkohlungsfordernden und sperrschichtbildenden Schutzmittel kombinieren. Auf der Oberflache des Holzes wird eine gut isolierende Holzkohleschicht erzeugt, indem man Substanzen auf das Holz bringt, die sich beim Erwarmen schaumig aufblahen, verkohlen und anschlieBend verfestigen. Zum Einsatz kommen Gemische aus schichtbildenden Komponenten ("Kohlenstoffspendem") wie Kohlenhydraten, Paraffinen oder Chlorparaffinen und aus blahenden und schaumenden Komponenten wie Polyphosphaten, Melamin, Hamstoff oder Dicyandiamid {NC-NH-C(NH2)=NH} sowie evtl. Ti0 2-Pigmenten.
12
Luftschadstoffe in Innenriumen
In den letzten Jahrzehnten haben gesundheitliche Beschwerden zugenommen, die in engem Zusammenhang mit dem Aufenthalt in Innenraumen bzw. Gebauden stehen. Ausgasungen chemischer Substanzen aus Mobeln, Farben, Anstrichen und Baustoffen, Schimmelpilzbefall in Wohnungen, das Sick-Building-Syndrom und das Phanomen der "Schwarzen Wohnungen" sind - unter Berlicksichtigung einer ansteigenden Aufenthaltsdauer der Menschen in Innenraumen - Anlass genug, das Problem der Innenraumbelastung mehr in den Focus des Gesundheitsschutzes zu rucken, Man geht heute davon aus, dass die Menschen ca. 90% ihrer Lebenszeit in Innenraumen verbringen. Davon entfallen etwa 2/3 auf die Wohnraume und wiederum davon der groBte Teil auf das Schlafzimmer.
12.1
Einleitende Bemerkungen
Zu den Innenraumen gehoren zunachst alle Raume in Gebauden, die nicht nur zum vorubergehenden Aufenthalt von Menschen bestimmt sind, also alle Wohnraume yom Kel-
12.1 Luftschadstoffe in Innenraumen - Einleitung
481
ler bis zum Dachstuhl, dariiber hinaus Buros und offentliche Gebaude wie Kindergarten, Schulen, Sporthallen und Krankenhauser. 1m weiteren Sinne rechnet man auch mobile Fahrzeuginnenraume (Pkw, offentliche Verkehrsmittel) zu den Innenraumen [UC 1]. Diese Definition bezieht sich aber nicht auf Arbeitsraume, in denen mit bestimmten Chemikalien umgegangen wird. Hier gelten spezielle Arbeitsschutzbedingungen fur den Umgang mit Gefahrstoffen. Wenn es urn Verunreinigungen der Innenraumluft geht, spricht man im Gegensatz zu Luftverunreinigungen am Arbeitsplatz (~ MAK-Wert, Kap. 5.4.2.2.1) von Innenraumluftbelastung (engl. indoor air pollution). 1m Gegensatz zum Arbeitsbereich halten sich in Innenraumen auch Personengruppen wie Kinder, alte und kranke Menschen auf, die als besonders empfindlich gelten. So sind Kinder einer etwa doppelt so hohen inhalativen Dosis, ausgesetzt wie erwachsene Menschen, da bei den Kindem das Verhaltnis von Atemvolumen pro Minute zu Korpergewicht deutlich hoher liegt. Tabelle 12.1 Konzentrationen einiger Bestandteile von Innenraumluft [UC 1]
Stoff, Stoffgruppe
Konzentration in Innenraumen (in mg/m")
8chwefeldioxid (80z) Kohlenmonoxid (CO) Kohlendioxid (CO z) 8tickstoffdioxid (NOz) Ozon (0 3) Formaldehyd (H-CHO) Benzol (C6H6) Toluol C6Hs-CH3 Halogenkohlenwasserstoffe
0.02 1 500 0,02 0,04 0,01 0,003 0,02 0,001
a)
... 0,08 ... 10 ... 2000 0,08 ... 0,4
... ... ... ...
I
0,03 0,2
MAK (in mg/nr')
5 35 9100 9,5 0,2 0,62 8 a) 190
TRK-Wert, s. Kap. 10.2
In Innenraumen gelten fur den Abbau, die Umwandlung und den Transport der Schadstoffe einige Charakteristika, die sich von den jeweiligen Prozessen im AuBenbereich oder in anderen Umweltmedien zum Teil deutlich unterscheiden. So sind einige wichtige Abbaumechanismen, wie sie im AuBenbereich ablaufen, in Innenraumen zu vernachlassigen. Zu nennen sind der Abbau der Schadstoffe durch UV-Licht (Photolyse) und der hydrolytische Abbau von Stoffen (Reaktion mit H20 ). Eine Verdiinnung der Schadstoffe, wie sie im Freien durch die AuBenluft erfolgen kann, ist in Innenraumen nur eingeschrankt moglich, 1m Gegenteil, durch das Adsorptionsvermogen der Staube sowie der Mobel und Teppiche reichem sich schwer fliichtige Substanzen an ihrer Oberflache an, was zu einer signifikanten Erhohung der Konzentration dieser Schadstoffe fuhrt. Mit dem Ubergang zu einer effektiveren Warmedammung und zunehmend dichteren Fenstem hat sich der Austausch der Luft zwischen Innenraum und AuBenbereich deutlich verringert. Dazu kommt, dass die Anzahl der Chemikalien, die tiber die Baustoffe, die Einrichtungsgegenstande und die Haushaltsprodukte in die Innenraumluft gelangen, in schwindelerregender Weise zugenommen hat. Die Folge ist, dass die Konzentration an bestimmten Innenraum-Luftinhaltsstoffen in der Grclsenordnung der MAK- bzw. TRK-Werte (Tab. 12.1) liegt und die entsprechenden Konzentrationen in der AuBenluft (z.B. leicht fluchtige Halogenkohlenwasserstoffe, CO 2, CO, Formaldehyd und PCB) sogar teilweise tlbertrifft.
482
12 Luftschadstoffe in Innenraumen
12.2
Schadstoffe in lnnenraurnen und Gebauden
Die Innenraumschadstoffe konnen zunachst tiber die AuBenluft in die Innenraume gelangen. Quellen sind der Kfz-Verkehr und die Abgase bestimmter Gewerbe. Andererseits gelangen zahlreiche Chemikalien tiber Baustoffe sowie Einrichtungsgegenstande und Haushaltchemikalien in die Innenraume. Mogliche Quellen sind • • • • • • •
Einrichtungsgegenstande und Ausstattungsmaterialien (~ Losungsmittel aus Klebund Impragnierstoffen, Zusatze aus Dammstoffen) Reinigungs-, Desinfektions-, Konservierungs- und Pflegemittel Produkte des Heimwerker- und Bastelbereichs (z.B. Farben und Lacke, Klebstoffe, Dichtungsmassen) Holzprodukte (Abgabe von Formaldehyd aus Spanplatten; Pentachlorphenol aus Holzschutzmitteln) Baumaterialien (Asbestfasern) Verbrennungsprozesse (RuB, Kohlenstaub, Holzstaub; Staube wirken als Tragermedien fiir schwer fluchtige organische Verbindungen s.u.) Mikroorganismen wie Pilze, Viren, Bakterien und Milben.
Die Emission von Schadstoffen kann voriibergehend oder dauerhaft erfolgen. Zu den vorubergehenden Emissionsquellen gehoren Haushaltprodukte. Da sie meist regelmalsig verwendet werden, konnen sie trotzdem eine erhebliche Belastung der Innenraumluft bewirken. Baustoffe und Ausstattungsmaterialien geben dauerhaft tiber lange Zeitraume Schadstoffe abo Die Schadstoffe der Innenraumluft kann man grob in anorganische und organische Vertreter unterteilen. Daneben spielen noch partikelgebundene bzw. partikulare Schadstoffe (Asbeste, ktmstliche Mineralfasern, Schwebstaub) und mikrobielle Verunreinigungen (Schimmelpilze, Bakterien und Viren) eine wichtige Rolle. Anorganische Verbindungen wie Stickoxide (NOx) und Kohlenmonoxid (CO) werden bei Verbrennungsprozessen freigesetzt, andere Gase (vor allem CO 2 ) fallen als menschliche Stoffwechselprodukte an. Die Verwendung asbesthaltiger Baumaterialien, vor allem aber zahlreiche, mitunter recht aufwandige Sanierungen haben zu hohen Asbestfaserkonzentrationen in der Atmosphare und der Innenraumluft gefiihrt. Es sei auch noch einmal auf das radioaktive Edelgas Radon verwiesen (Kap. 2.1.2), das aus dem Bauuntergrund in die Gebaude eindringen kann. Grobte Bedeutung kommt den organischen Luftinhaltsstoffen im Innenraum zu. Sie werden meist in leicht fluchtige Stoffe (engl. volatile organic compounds, VOC) und schwer fltichtige Stoffe unterteilt. Vertreter der Gruppe der leicht fltichtigen organischen Verb indungen (Siedebereich < 260°C) sind n-Alkane (bis C 14) , Isoalkane und Cyc1oalkane, Olefine (z.B. l-Alkene bis C 14) , chlorierte Kohlenwasserstoffe, "niedere" Alkohole, Aldehyde, Ketone, Ester und Ether sowie Terpene. Diese Stoffe werden oft als Losungsmittel fiir die unterschiedlichsten Produkte des Heimwerker- und Haushaltbereichs verwendet. Sie konnen aber auch aus Baumaterialien oder Einrichtungsgegenstanden freigesetzt werden. Zu den mittel- bis schwer fliichtigen organischen Verbindungen (engl. semi volatile organic compounds, SVOC; Siedebereich >260°C) gehoren die polycyclischen aromatischen Koh-
12.3 Schwarze Ablagerungen in Wohnungen ("Fogging")
483
lenwasserstoffe (PAK), Fungizide wie Pentachlorphenol (PCP) bzw. sein Natriumsalz (PCP-Na), Lindan (y-HCH) und DDT, polychlorierte Biphenyle (PCB) und Phthalsaureester (Weichmacher). Trotz ihrer Schwerfluchtigkeit konnen diese Verbindungen in der Raumluft in relativ hohen Konzentrationen auftreten. Haufig besitzen sie eine ausgepragte Neigung zur Adsorption an Staubpartikeln und an Oberflachen von Tapeten, Gardinen sowie Einrichtungsgegenstanden - womit diese selbst wiederum zu Sekundarquellen fur diese Schadstoffe mutieren. Ma8nahmen zur Verringerung der Innenraumbelastung. Sind die Quellen moglicher Belastungen erst einmal identifiziert, konnen sie entfemt oder zumindest in ihrer Wirkung reduziert werden. Urn den Eintrag von Chemikalien in die Raumluft zu verringem, sollte der Einsatz uberflussiger Chemikalien (Haushalt-, Sanitar- und Heimwerkerbereich) vermieden werden, schadstoffarme Produkte (Mobel, Einrichtungsgegenstande, Elektrogerate) angeschafft werden, Textilien vor dem ersten Tragen gewaschen - und nach einer chemischen Reinigung ausgeluftet werden. Der Heizungs- und der Garagenbereich solIte zu den Wohnraumen hin abgedichtet werden. Losungsmittelhaltige Farben und Lacke sowie Verdunnerflussigkeiten sollten nicht in den Wohnraumen gelagert werden. Urn die Belastungen zu mindem, sollte regelmiiBig geluftet und der Staub entfemt werden, z.B. Staubsaugen bei offenem Fenster. 1st man finanziell dazu in der Lage, sollte man belastete Spanplatten, belastete Teppichboden und mit bioziden Holzschutzmitteln belastete Holzer entfemen und durch schadstoffarme Produkte ersetzen. Wenn nicht, kann man die Emission belasteter Spanplatten (Formaldehyd!) durch Anstreichen der Oberflache oder Bekleben mit Aluminium- oder Verbundfolie reduzieren. Mit bioziden Holzschutzmitteln behandelte Dachboden sollten gut gegen den Wohnbereich abgedichtet werden.
12.3
Schwarze Ablagerungen in Wohnungen ("Fogging")
1m Winter 1995/96 trafen beim Umweltbundesamt erste Anfragen nach den Ursachen plotzlich auftretender, ruBiihnlicher schwarzer Flecken und olig schmieriger Ablagerungen auf Tapeten, Fensterrahmen, Steckdosen, Fliesen und anderen Einrichtungsgegenstanden ein. Die schwarzen Ablagerungen bildeten sich innerhalb von Tagen bzw. innerhalb weniger Wochen. Selten war nur ein Raum betroffen, meist traten die schwarzen Flecken in mehreren Raumen einer bestimmten Wohnung auf. 1m Sommer verschwinden die Ablagerungen haufig wieder, treten eventuell im nachsten Winter jedoch emeut auf. Das Phanomen der schwarzen Flecken wird in der Literatur als "Fogging" bezeichnet. Der Begriff stammt aus der Automobilbranche. Hier bezeichnet man die Ausbildung eines Films auf der Windschutzscheibe von Neufahrzeugen infolge von Ausgasungen schwer fluchtiger Bestandteile aus Kunststoffbauteilen als Fogging. Die genauen Ursache-Wirkungs-Beziehungen fur das Auftreten dieser "Schwarzstaub-Ablagerungen" (Magic Dust) im Wohnbereich sind bis heute nicht vollstandig geklart. Es ist noch nicht klar, welchen Beitrag a) die Bewohner mit ihrem Wohnverhalten, b) die Beschaffenheit des Gebaudes und c) die Zusammensetzung der verwendeten Bauprodukte und Einrichtungsgegenstande im Einzelnen auf die Entstehung dieser schwarzen Ablagerungen leisten. 1m Ergebnis zahlreicher Studien und Analysen sowie von Fragebogenaktionen vor allem durch das Umweltbundesamt konnen gegenwartig eine Reihe von Ursachen fur dieses Pha-
12 Luftschadstoffe in Innenraumen
484
nomen angegeben und grundsatzliche Zusammenhange aufgezeigt werden. Folgende allgemeingultige Aussagen wurden erhalten: • • •
Die schwarzen Ablagerungen werden ausschlieBlich in der Heizperiode zumeist als schwarz-grauer, olig-schmieriger Belag sichtbar. Haufig handelt es sich urn neu gebaute oder sanierte bzw. renovierte Wohnungen. Kalte Wandbereiche, Warmebrucken und die Art der Luftstromung sind entscheidende Faktoren beim Auslosen dieses Phanomens, Deshalb sind die Ablagerungen vor allem an Stellen hoher Luftbewegung, z.B. urn den Heizkorper (Abb. 12.2 links), entlang der Wand, der Fenster und Gardinen, oberhalb der Heizquellen und an Stellen verminderter Oberflachentemperatur (Zimmerecken, Abb. 12.2 rechts) am starksten.
Eine Gesamtiibersicht tiber mogliche Ursachen und Einflussfaktoren ist in Abb. 12.1 gegeben. ,
Schwarze Wohnungen I
AuP.>enluft DieselruP.> Plotzliche Staubablagerung
PAK
KaltebrOcken
Elektrostatik
Wohnverhalten
Luftfeuchtigkeit
Luftwechsel
Luftstromung
undichte Schornsteine im Mauerwerk
Temperaturgradient (Innen/auP.>en)
SVOC RuP.>
Verbrennungsprozesse • Kerzen ·Ollampen • Ofenheizung • Kamin
Potentielle Primarquellen • Bauprodukte • Einrichtungsgegenstande
Abbildung 12.1 Fogging: Mogliche Ursachen und Einflussfaktoren [Ue 9]
Die in der Literatur in den vergangenen Jahren beschriebenen schwarzen Ablagerungen im Wohnbereich hatten oft einen anderen Entstehungshintergrund. Es handelte sich vor allem urn RuB aus Schornsteinen und Kaminen, von Kerzen und vom Tabakrauch. Die Analyse der hier besprochenen Schwarzstaub-Ablagerungen ergab in nahezu keinem Fall Hinweise auf hohere Konzentrationen an Verbrennungsruckstanden wie z.B. RuB oder polycyclische Aromaten. Da das Problem offensichtlich in Zusammenhang mit gerade erfolgten Bau- und RenovierungsmaBnahmen auftritt, mussen die Hauptgrtinde auf diesem Gebiete liegen. Die Hersteller zahlreicher Produkte des Bau- und Heimwerkerbereichs setzen vermehrt hoher siedende organische Verbindungen ein. Damit steigt die Konzentration an mittel- und an schwer fluchtigen organischen Stoffen (SVOC) im Innenraum an. Besonders hoch ist sie im Winter bei Heizungsbetrieb und verminderter Luftung, Mittels chemischer Analyse hat man
12.4 Sick-Building-Syndrom
485
vor allem langerkettige Alkane, langkettige Alkohole ("Fettalkohole", z.B . Tetradecanol, Hexadecanol, Octadecanol), gesattigte und ungesattigte Fettsauren (Stearin- und Palmitinsaure, Olsaure, Linol- und Linolensaure) und deren Ester sowie Phthalsaureester nachgewiesen. Die mittel- und schwer fliichtigen organischen Verbindungen spielen beim Fogging eine extrem wichtige Rolle. Ihre Anwesenheit in der Innenraumluft geniigt allerdings noch nicht, um Ablagerungen zu verursachen. Weitere wichtige Faktoren sind • • •
die baulichen Gegebenheiten (Warmebrucken, Risse) die Raumnutzung (Verwendung zusatzlicher Emissionsquellen fur SVOC wie 01lampchen, Kerzen; Liiftungsverhalten) sowie sonstige raumklimatische und Witterungsverhaltnisse (Luftfeuchtigkeit, Elektrostatik der Luft).
Um dem Auftreten der schwarzen Ablagerungen vorzubeugen, sollten emissionsarme bzw. emissionsfreie Produkte (Anstrichstoffe, Lacke, Klebstoffe) und Einrichtungsgegenstande verwendet werden. Da mittel- und schwer fliichtige Verbindungen offensichtlich eine der Hauptursache bilden, muss deren Freisetzung weitgehend vermieden werden. Renovierungen sollte man am besten im Friihjahr durchfuhren. Dann haben sich die anfanglichen Ausgasungen von Bauprodukten und Einrichtungsgegenstanden bis zur nachsten Heizperiode stark reduziert. Abb . 12.2 zeigt schwarze Ablagerungen an exponierten Stellen im Wohnraum .
Abbildung 12.2
12.4
Fogging : Typische schwarze Ablagerungen uber einem Heizungskorper (links) und in einer Raumecke (rechts).
Sick-Building-Syndrom
Seit Mitte der 70er Jahre wird iiber Beschwerden berichtet, die die Betroffenen auf einen Aufenthalt in Biiros, gelegentlich auch in Schulen, Labors oder Krankenhauser zuriickfuhren o Wenn sie die betreffenden Gebaude verlassen, dann lassen meist auch die Beschwer-
12 Luftschadstoffe in Innenraumen
486
den nacho Bei emeutem Aufenthalt in den Gebauden nehmen die Symptome wieder deutlich zu. Von Fach1euten wird diesem Beschwerdebild der Begriff "Sick-Building-Syndrom" (SBS) zugeordnet [UC 10-12]. SBS ist nicht als medizinischer Fachbegriff (Syndrom: ein sich stets mit gleichen Krankheitszeichen manifestierendes Krankheitsbild) zu verstehen. Vielmehr kennzeichnet SBS einen Komplex unspezifischer Symptome, ohne dass eine eindeutige Krankheit oder pathologische Parameter diagnostiziert werden konnen [UC 11]. Als Kriterium fur das Vorliegen eines SBS gilt, dass mindestens 20...25% der exponierten Personen in einem Gebaude tiber folgende unspezifische Symptome klagen: • • • • • •
Reizungen der Augen-, Nasen- und Rachenschleimhaut Ermudung, schwerer Kopf, Kopfschmerzen, Ubelkeit, Benommenheit Konzentrationsschwache Trockener Hals, Halsschmerzen, Husten Trockene Gesichtshaut, gerotetes Gesicht, Hautausschlag, Juckreiz und unspezifische Uberempfindlichkeit.
1m Resultat einer umfangreichen US-amerikanischen Studie, in der 529 Gebaude hinsichtlich der SBS-Symptomatik untersucht wurden, ergab sich das in Abb. 12.3 dargestellte Ursachenspektrum [UC II]. In etwa 50% der Falle wurde als Ursache mangelnde Luftung, in 20-25% der Falle das Vorhandensein bestimmter Innenraumschadstoffe (s. Kap. 12.2), in 10% der Falle bestimmte AuBenluftschadstoffe und in etwa 5% der Falle Schimmelpilze, Milben, Bakterien (stammen oft aus schlecht gewarteten oder falsch dimensionierten Klimaanlagen ~ verkeimtes Befeuchterwasser, Filteruberladung) diagnostiziert. Dazu kommen burotypische Expositionen wie Bildschirmtatigkeit, Larm und evtl. Passivrauchen.
• Reinigungsmittel
Abbildung 12.3
• Tabakrauch
Ursachenkomplex fur das SickBuilding-Syndrom (Gewichtete Daten fur 529 USGebaude, tuc 11D.
• Kleber
unzureichende LOftung
Angesichts der benannten Ursachen wird das Dilemma eines eindeutigen kausalen Zusammenhanges zwischen Ursache(n) und Wirkung deutlich. Wie sollen Effekte, die auf eine unzureichende Ltlftung zuruckgehen, von denen abgetrennt werden, die auf verstarkte Emissionen - seien sie nun chemischer oder biologischer Art - zuruckzufuhren sind? Es ist auch derzeit noch ungeklart, welche Rolle psychosoziale Gesichtspunkte bei der Entstehung von SBS spielen. Es ist durchaus moglich, dass die auf die oben genannten Ursachen zu-
riickgehenden Beschwerden durch psychischen Stress verstarkt - oder iiberhaupt erst ausgelost werden (Mobbing am Arbeitsplatz!). Die Zahl der in Deutschland von SBS betroffenen Menschen liegt nach vorsichtigen Schatzungen bei 1 Million. Diese Zahl verdeutlicht die Notwendigkeit gezielter MaBnahmen, urn dem Sick-Building-Syndrom vorzubeugen. Die haufigsten MaBnahmen sind standiges Liiften in neuen oder frisch renovierten Gebauden und die Gewahrleistung einer giinstigen Luftfeuchtigkeit. Sie sollte in .normalen'' Buroraumen zwischen 50...65%, in klimatisierten Raumen bei 70% liegen. Treten Anzeichen fur ein SBS auf, sollten die Betroffenen einen Arzt fur Umweltmedizin konsultieren. Seine Aufgabe ist es, anhand chemischer Analysen von Proben aus dem Biiro oder den Wohnraumen, aber auch anhand von Fragen zum Betriebsklima oder zur Stimmung in der Familie einen Zusammenhang zwischen den Symptomen und potentiellen Ursachen zu finden. Das Sick-Building-Syndrom muss vom eher selten auftretenden Beschwerdebild "Building Related Illness" (BRl) klar abgegrenzt werden, obwohl es sich in beiden Fallen urn gebaudebezogene Gesundheitsstorungen handelt. Beim BRi geht es urn Beschwerden, die meist nur Einzelpersonen betreffen und die auf wohlbekannte Ursachen zuriickgefuhrt werden konnen, z.B. auf Legionellen oder auf Schimmelpilze. Das SBS stellt dagegen ein kollektiyes Phanomen dar, das auf einen ganzen Ursachenkomplex zuriickgefuhrt wird.
13
Recycling von Baustoffen
13.1
Allgemeine Bemerkungen
So unterschiedlich wie die auf dem Bausektor eingesetzten mineralischen und nichtmineralischen Baustoffe (s. Kap. 8 -10), so unterschiedlich sind die Baureststoffe (Bauabfalle), die am Ende der Nutzungsphase von Bauwerken, von StraBen usw. anfallen. Baureststoffe stellen im Hinblick auf das Gesamt-Abfallaufkommen in der BRD (2002: ca. 381 Mio. 1.) mit 241 Mio. t den groBten Anteil, nach Gewicht sind das etwa 65% und nach Volumen ca. 45...50% des Gesamtaufkommens [AB 21]. Der Anfall an Baureststoffen lag Mitte der 90er Jahre noch bei etwa 300 Mio. Tonnen. Der Riickgang zu heute wird auf eine absinkende Bautatigkeit zuriickgefuhrt. Der durch Recycling autbereitete Anteil ist mit etwa 25% gleich geblieben. Die Verwendung von Recyclingmaterialien schont nicht nur unsere Umwelt und unsere natiirlichen Ressourcen, sie hat sich auch Mitte der 90er Jahre in der Gesetzgebung niedergeschlagen. Am 07. Oktober 1996 trat das "Gesetz zur Forderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltvertraglichen Beseitigung von Abfallen (Kreislaufwirtschaftsund Abfallgesetz, KrW-/AbfG)" in Kraft. Es regelt die Verpflichtung zur Abfallvermeidung und zur schadlosen Abfallverwertung. Eine Beseitigung von Abfallen kommt nur dann in Betracht, wenn eine Verwertung technisch nicht moglich oder wirtschaftlich nicht zumutbar ist. Das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz formuliert die eindeutige Zielhierarchie: Vermeiden geht vor Verwerten und Verwerten geht vor Beseitigen. Zur Schonung der Ressourcen miissen Abfalle von vomherein vermieden bzw. minimiert werden. Unvermeidbare Abfalle sollen einer qualitativ hochwertigen Verwertung zugefuhrt werden. Nicht verwertbare Abfalle sollen durch Behandlung oder Ablagerung beseitigt werden, wobei Vermeidung und Verwertung immer Prioritat vor der Beseitigung der Abfalle haben. Damit
riickgehenden Beschwerden durch psychischen Stress verstarkt - oder iiberhaupt erst ausgelost werden (Mobbing am Arbeitsplatz!). Die Zahl der in Deutschland von SBS betroffenen Menschen liegt nach vorsichtigen Schatzungen bei 1 Million. Diese Zahl verdeutlicht die Notwendigkeit gezielter MaBnahmen, urn dem Sick-Building-Syndrom vorzubeugen. Die haufigsten MaBnahmen sind standiges Liiften in neuen oder frisch renovierten Gebauden und die Gewahrleistung einer giinstigen Luftfeuchtigkeit. Sie sollte in .normalen'' Buroraumen zwischen 50...65%, in klimatisierten Raumen bei 70% liegen. Treten Anzeichen fur ein SBS auf, sollten die Betroffenen einen Arzt fur Umweltmedizin konsultieren. Seine Aufgabe ist es, anhand chemischer Analysen von Proben aus dem Biiro oder den Wohnraumen, aber auch anhand von Fragen zum Betriebsklima oder zur Stimmung in der Familie einen Zusammenhang zwischen den Symptomen und potentiellen Ursachen zu finden. Das Sick-Building-Syndrom muss vom eher selten auftretenden Beschwerdebild "Building Related Illness" (BRl) klar abgegrenzt werden, obwohl es sich in beiden Fallen urn gebaudebezogene Gesundheitsstorungen handelt. Beim BRi geht es urn Beschwerden, die meist nur Einzelpersonen betreffen und die auf wohlbekannte Ursachen zuriickgefuhrt werden konnen, z.B. auf Legionellen oder auf Schimmelpilze. Das SBS stellt dagegen ein kollektiyes Phanomen dar, das auf einen ganzen Ursachenkomplex zuriickgefuhrt wird.
13
Recycling von Baustoffen
13.1
Allgemeine Bemerkungen
So unterschiedlich wie die auf dem Bausektor eingesetzten mineralischen und nichtmineralischen Baustoffe (s. Kap. 8 -10), so unterschiedlich sind die Baureststoffe (Bauabfalle), die am Ende der Nutzungsphase von Bauwerken, von StraBen usw. anfallen. Baureststoffe stellen im Hinblick auf das Gesamt-Abfallaufkommen in der BRD (2002: ca. 381 Mio. 1.) mit 241 Mio. t den groBten Anteil, nach Gewicht sind das etwa 65% und nach Volumen ca. 45...50% des Gesamtaufkommens [AB 21]. Der Anfall an Baureststoffen lag Mitte der 90er Jahre noch bei etwa 300 Mio. Tonnen. Der Riickgang zu heute wird auf eine absinkende Bautatigkeit zuriickgefuhrt. Der durch Recycling autbereitete Anteil ist mit etwa 25% gleich geblieben. Die Verwendung von Recyclingmaterialien schont nicht nur unsere Umwelt und unsere natiirlichen Ressourcen, sie hat sich auch Mitte der 90er Jahre in der Gesetzgebung niedergeschlagen. Am 07. Oktober 1996 trat das "Gesetz zur Forderung der Kreislaufwirtschaft und Sicherung der umweltvertraglichen Beseitigung von Abfallen (Kreislaufwirtschaftsund Abfallgesetz, KrW-/AbfG)" in Kraft. Es regelt die Verpflichtung zur Abfallvermeidung und zur schadlosen Abfallverwertung. Eine Beseitigung von Abfallen kommt nur dann in Betracht, wenn eine Verwertung technisch nicht moglich oder wirtschaftlich nicht zumutbar ist. Das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz formuliert die eindeutige Zielhierarchie: Vermeiden geht vor Verwerten und Verwerten geht vor Beseitigen. Zur Schonung der Ressourcen miissen Abfalle von vomherein vermieden bzw. minimiert werden. Unvermeidbare Abfalle sollen einer qualitativ hochwertigen Verwertung zugefuhrt werden. Nicht verwertbare Abfalle sollen durch Behandlung oder Ablagerung beseitigt werden, wobei Vermeidung und Verwertung immer Prioritat vor der Beseitigung der Abfalle haben. Damit
488
13 Recycling von Baustoffen
verbunden ist eine Ausweitung und Differenzierung des Abfallbegriffs in Abfalle .zur Verwertung" und solche "zur Beseitigung".
13.2
Recyclingbaustoffe: Charakterisierung und Einteilung
Recyclingbaustoffe sind Materialien, die bereits mindestens einmal als Baustoff eingesetzt worden sind und nun fur eine weitere BaumaBnahme verwendet werden sollen. Dabei konnen sie entsprechend dem neuen Verwendungszweck aufbereitet oder aber unaufbereitet eingesetzt werden. Recyclingbaustoffe fallen beim Ruckbau, beim Aufbruch und Ausbau von Hoch- und Tiefbauten, von StraBen und Flughafen, von Schienenwegen u.a. an. Es handelt es sich uberwiegend urn ungebundene Mineralstoffgemische, urn hydraulisch gebundene oder bitumenhaltige Stoffe. Zu den ungebundenen Baustoffen zahlen Schotter und Gleisschotter, Werksteine aus Natursteinen, Mineralstoffgemische, ungebundene Tragschichten u.a. Sie konnen im Allgemeinen mit geringem Aufwand der Wiederverwendung im StraBenbau zugefuhrt werden, vorausgesetzt sie sind nicht schadstoffbelastet. Zu den hydraulisch gebundenen Baustoffen gehoren vor allem Beton, Stahlbeton, Fahrbahndecken, Bordsteine, Platten und zu den bitumenhaltigen Baustoffen vor allem Asphaltaufbruch und Frasgut. Der Begriff Baureststoffe ist unter Zugrundelegung des KrW-/AbfG sowie in Anlehnung an die Verordnung zur Einfuhrung des Europaischen Abfallkatalogs (EAKV) vom 13.09.1996 gleichzusetzen mit der EWC (European Waste Catalogue)-Nr. 17: .Bau- und Abbruchabfalle". Sie werden unterteilt in: •
Bauschutt (EAK-Nr. 1701): Beton, Blahton, Erdreich, FliesenIKeramik, Gips, Kalkstein, Steinwolle und Ziegel. Bauschutt ist im Wesentlichen mineralisches Material, das vor allem bei BaumaBnahmen im Hoch- und Tiefbau anfallt, Er ist in der Regel heterogen zusammengesetzt und mitunter mit organischen Materialien verunreinigt. Bauschutt wird zur Zeit noch uberwiegend deponiert.
•
Stra8enautbruch (EAK-Nr. 1703): bitumenhaltige und hydraulisch gebundene Stoffe, teerhaltige und mit Teer behandelte Stoffe, Pflaster- und Randsteine, Sand, Kies und Schotter. StraBenaufbruch entsteht beim Ruckbau, Ausbau und der Instandsetzung von StraBen, Wegen oder verfestigten Flachen. Er besteht aus mineralischem Material, das entweder mit Bitumen oder Teer gebunden oder ungebunden beim StraBenbau verwendet wurde. StraBenaufbruch wird zu 60...70% wiederverwendet. Fur die Verwertung von teerhaltigen Deck- und Binderschichten gelten gesonderte Vorschriften, s.u.
•
Baustellenabfalle (EAK-1707): Farben, Holz, Kabel, Kunststoffe, Lacke, Kleister, Metall, Pappe und Papier. Baustellenabfalle sind Baureststoffe, die bei Neubauten bzw. Sanierungen, dem Ausbau oder dem Abriss von Gebauden anfallen. Sie enthalten, wie die obige Aufzahlung zeigt, viele verschiedenartige Materialien.
•
Erdaushub (EAK-Nr. 1705): Lehm/Ton, Mutterboden, Sand und Kies, Steine.
13.3 Anforderungen an Baustoffe aus Recyclingmaterial
489
Der Erdaushub kann unbelastet oder durch Schadstoffe belastet sein. Unbelasteter Erdaushub besteht aus naturlichem oder bereits verwendetem Erd- oder Felsmaterial. Er fallt bei nahezu allen Bautatigkeiten an und muss als ein wertvolles Wirtschaftsgut betrachtet werden. Erdaushub wird praktisch vollstandig wiederverwendet und nicht auf Deponien abgelagert. 1st der Erdaushub kontaminiert, fallt er in den Bereich der Altlastensanierung. Je nach Reinheitsgrad und Zusammensetzung wird er im StraBenbau, fur Dammschiittungen oder fur Larmschutzwalle verwendet. Die einzelnen Gruppen waren prozentual am Gesamt-Baurestaufkommen 1997 (285 Mio. t) wie folgt beteiligt: Erdaushub 75,5%, StraBenaufbruch 9,1%, Bauschutt 10,5% und Baustellenabfalle 4,9% [AB 22, 23]. Diese Aufteilung des Baurestaufkommens hat sich bis heute nicht wesentlich verandert. Der hohe Anteil anfallender Baureststoffe macht deutlich, dass eine Wiederverwertung unabdingbar notwendig ist. Deponieraum in diesen Grofenordnungen ist nicht verfugbar. Die in groBen Mengen verwendeten "Massenbaustoffe" wie Kies, Sand, Schotter oder Splitt konnen, wenn sie z.B. als ungebundene Tragschichtmaterialien eingesetzt werden, unbedenklich durch Altemativmaterialien aus dem Recyclingbereich ersetzt werden. Allerdings findet in diesem Bereich angesichts der enormen Mengen anfallenden Bauschutts nur ein geringer Teil der aufgearbeiteten Baustoffe Wiederverwendung. Lediglich 3% des Betonabbruchmaterials dienen der Herstellung von neuem Beton. Der grobte Teil wird im StraBenbau oder im Tiefbau als Verfullmaterial verwendet. Hier handelt es sich immer noch hauptsachlich urn ein Downcycling anstelle von Recycling, d.h. vormals hoherwertige Baustoffe werden als minderwertigere Baustoffe wiederverwendet. Ein wichtiger Grund fur diese unbefriedigende Situation besteht darin, dass es sich bei dem Abbruchmaterial in den seltensten Fallen urn eine Monocharge (Beton) handelt. Urn ein qualitativ hochwertiges Recyclat zu erhalten, ist jedoch ein Betonbruch notwendig, der frei von storenden Stoffen ist und der eine hohe Sortenreinheit aufweist. Erster Schritt in Richtung qualitativ hochwertiger Recyclate ist eine entsprechende Vorsortierung des Bauschutts im Rahmen eines selektiven Abbruchs. Die jeweilige Aufbereitungstechnik hangt wesentlich von der Art und der Zusammensetzung des Eingangsprodukts und der beabsichtigten Qualitat (Kornung, Komverteilung, Reinheit) des Endprodukts abo Bauschuttaufbereitungsanlagen bestehen aus Zerkleinerungsanlagen (Brecher), Siebmaschinen, Magnetabscheidem, mechanischen Sortieranlagen (Windsichter, Schleuderbander), Einrichtungen zur manuellen Sortierung und Forderanlagen zum Materialtransport. Zusatzliche Schutzeinrichtungen wie Entstaubungsanlagen und Filter sind moglich. Die Aufbereitungsanlagen konnen stationar und mobil betrieben werden. Details zum Aufbau und zur Arbeitsweise von Bauschuttaufbereitungsanlagen siehe [AB 25].
13.3
Anforderungen an Baustoffe aus Recyclingmaterial
Die Anforderungen an die Eigenschaften und die Nutzungsdauer von Bauwerken, die aus Recyclingbaustoffen errichtet wurden, miissen generell denen von Bauwerken entsprechen, fur die konventionelle Baustoffe verwendet wurden. Verwendungskriterien fur eine mogliche Anwendung von Recyclingbaustoffen sind [AB 22]: •
die technische Eignung (getrennte stoffliche, technische und technologische Eigenschaften des jeweils giiltigen Regelwerkes)
490
• •
13 Recycling von Baustoffen
Wirtschaftlichkeit gegenuber konventionellen Baustoffen Umweltvertraglichkeit,
Das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz fordert die Abfallvermeidung und Ressourcenschonung und definiert allgemeine Anforderungen an die ordnungsgemalse und schadlose Verwertung. Grundsatzliche Verpflichtungen zur Verwendung von Recyclingmaterialien sind im Wasserhaushaltgesetz (WHG), im Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG) und im Bundesimmissionsschutzgesetz (BimsSchG) festgelegt. Allerdings lassen sich aus diesen Gesetzen keine konkreten Anforderungen an die Baustoffe ableiten. Hier sind die bundeseinheitlichen Regelungen der Landerarbeitsgerneinschaft Abfall (LAGA, [AB 24]) "Anforderungen an die stoffliche Verwertung von mineralischen Reststoffen/Abfallen" maBgebend. Dieses Regelwerk trat 1997 in Kraft und beurteilt anhand des im Feststoff oder im Eluat gemessenen Schadstoffgehaltes die Moglichkeit der Wiederverwendung aufbereiteter Baustoffe mit Schwerpunkt Bodenaushub, StraBenaufbruch und Bauschutt. Die Baureststoffe werden auf der Grundlage bestimmter Zuordnungswerte in sechs Einbauklassen eingeteilt (Abb. 13.1). Materialien der Klassen ZO bis Z2 sind grundsatzlich fur den Erd-, StraBen-, Landschaftsbau u.a, wiederverwendbar. Fur Recyclingmaterialien der Klassen Z3 bis Z5 ist ein Wiedereinbau nicht zugelassen. Die Festlegung der zulassigen Einbauklasse erfolgt nach Verwendungszweck und Einbauort durch die zustandige Umweltbehorde, Die Zuordnungswerte werden auf der Grundlage der gemessenen Schadstoffgehalte ermittelt. Neben Arsen (ZO = 20) werden in den Feststoffen die Schwermetalle Blei (100), Cadmium (0,6), Chrom (50), Kupfer (40), Nickel (40), Quecksilber (0,3) und Zink (120), Kohlenwasserstoffe Hl8 (IR-spektroskopische Bestimmung von KW nach DIN 38409-HI8; ZO = 100), polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, PAK (1) und polychlorierte BiphenylelPCB (0,02) bestimmt. In Klammem stehen jeweils die von der LAGA in den Technischen Regeln 11.1.4 Bauschutt festgelegten Zuordnungswerte (ZO) .Feststoffe fur Boden", alle ZO-Werte sind in mg/kg angegeben. In den Eluaten ermittelt man zusatzlich die Sulfat- und die Chloridkonzentration sowie die elektrische Leitfahigkeit und den pH-Wert. 20
21
22
Zuordnungswert (Obergrenze der Einbauklasse)
uneingeschrankter Einbau
24
Z3
25
1
1
Einbau/Ablagerung in Deponien einge-
•
schrankter offener Einbau
eingeschrankter Einbau mit
-----. ------. -----• DeponieDeponieSonderklasse 1 (TA SieAbfall)
klasse 2 (TA SieAbfall)
.
abfalldeponie (TAAbfall)
definierten techno SicherungsmaBnahmen
Abbildung 13.1 Einbauklassen mit den dazugehorigen Zuordnungswerten (Quelle: LAGA)
Die Zuordnungswerte ZO bis Z2 sind als Obergrenze der jeweiligen Einbauklasse definiert. ZO bedeutet uneingeschrankten Einbau, ZI steht fur offenen, eingeschrankten Einbau und
13.4 Bitumen- und pechhaltige Recyclingstoffe
491
Z2 fur eingeschrankten Einbau mit definierten technischen SicherheitsmaBnahmen. Somit werden fur die Einbauklasse ZO die geringsten und fur die Einbauklasse Z2 die hochsten Anforderungen gestellt. Die Einbauklasse Z 1 wurde nochmals unterteilt in Z 1.1 (ungiinstige hydrogeologische Voraussetzungen) und Z1.2 (giinstige hydrogeologische Voraussetzungen). Grundsatzlich gelten die Z1.1-Werte. Recyclingbaustoffe mit Z1.2-Werten diirfen lediglich in hydrogeologisch giinstigen Gebieten (Abstand zum hochsten Grundwasserstand mind. 1 m; keine Wasserschutz- und Naturschutzgebiete) eingebaut werden, soweit dies die landesspezifischen Regelungen erlauben. Fiir die Zuordnungswerte Z2 gelten bereits sehr umfangreiche Auflagen und Einschrankungen, Weitere Details siehe [AB 24]. Fiir Recyclingbaustoffe wie auch fur zahlreiche industrielle Nebenprodukte existieren schon seit langem Technische Lieferbedingungen (TL) sowie Merkblatter, in denen bautechnische Anforderungen und Mindestanforderungen an wasserwirtschaftliche Parameter festgelegt sind. Die Landergemeinschaft Abfall hat die oben erlauterten Empfehlungen fur die Verwendung solcher StraBenbaustoffe erarbeitet. Ais Konsequenz der unterschiedlichen Umweltvertraglichkeit der genannten StraBenbaustoffe erarbeitete die Forschungsgesellschaft fur StraBen- und Verkehrswesen (FGSV) Richtlinien fur die umweltvertragliche Anwendung von industriellen Nebenprodukten und Recyclingbaustoffen im StraBenbau (RuA-StB 01, Ausgabe 2001). Diese Richtlinien beriicksichtigen neben der wasserwirtschaftlichen Vertraglichkeit die Vorgaben des Bundesbodenschutzgesetzes im Hinblick auf den Einsatz von Recyclingbaustoffen und Nebenprodukten.
13.4 Bitumen- und pechhaltige Recyclingbaustoffe Bei Stralienbelagen geht man von einer durchschnittlichen Lebensdauer von 20...30 Jahren aus. Damit fallen durch standige Emeuerung und Reparatur von StraBen groBe Mengen an Altasphalt und Frasgut an. Eine Wiederverwendung ist dringend anzustreben. Den bei BaumaBnahmen von StraBen und Verkehrsflachen zuriick gewonnenen Asphalt bezeichnet man als Ausbauasphalt. Er kann als Frasasphalt (durch Frasen kleinstiickig gewonnen) oder als Aujbruchasphalt (durch Aufbrechen und Aufnehmen in Schollen gewonnen) anfallen. Die Wiederverwertung von Asphalten ist in den technischen Vorschriften ZTV Asphalt-StB und ZTVT-StB geregelt. Ausbauasphalte konnen a) entweder Bitumen oder b) Pech/Teer als Bindemittel enthalten. Dass Bitumen und Peche (Teerpeche) sich nicht nur chemisch, sondem auch in ihrer Wirkung auf die Umwelt signifikant unterscheiden, wurde bereits in Kap. 10.3 besprochen. Jahrlich fallen in der Bundesrepublik Deutschland etwa 15 bis 16 Mio. t Ausbauasphalt an, etwa 12 Mio. t werden wieder verwendet. Bei (Bitumen)Asphalten geht die Entwicklung in Richtung einer fast 100%igen Wiederverwendung in Asphalt-HeiBmischanlagen. Die Asphaltbefestigung wird durch Frasen und/oder Aufbrechen abgetragen und in HeiBmischanlagen gezielt mit zusatzlichem Mischgut verarbeitet (In Plant). Dabei konnen Asphalte hoher Qualitat produziert werden. 1m .Merkblatt fur die Erhaltung von AsphaltstraBen, Teil B: Bauliche MaBnahmen-Riickformen der Fahrbahnoberflache" ist die Wiederverwendung von Asphalt "Vor Ort" (In Place) geregelt. Sie kann nach 3 Verfahren erfolgen:
492
13 Recycling von Baustoffen
• • •
Riickformen der Fahrbahnoberflache ohne Zugabe von zusatzlichem Material (Reshape) Riickformen der Fahrbahnoberflache mit Zugabe von Material fur eine zusatzliche Beschichtung - ohne Mischen (Repave) Riickformen der Fahrbahnoberflache unter Zugabe von zusatzlichem Material, Vermischen von bereits vorhandenem mit neuem Asphaltmaterial (Remix).
Bei diesen drei Verfahren ist die Moglichkeit einer Qualitatsverbesserung ziemlich beschrankt, Das in der Praxis bevorzugte Verfahren ist das Riickformen mit Mischgutzugabe und Mischen (Remix). Pechhaltige Asphalte. Bis 1987 wurden im StraBenbau und bei der Bauwerksabdichtung Steinkohlenteerpeche (Peche) verwendet. Damit fallen jahrlich groBe Mengen pechhaltiger Ausbauasphalte an, fur deren Wiederverwertung aus Grunden des Umweltschutzes besondere Bedingungen einzuhalten sind ("Merkblatt fur die Wiederverwendung pechhaltiger Ausbaustoffe im StraBenbau unter Verwendung von Bitumenemulsionen" (1993) sowie .Merkblatt fur die Verwendung von Asphaltgranulat und pechhaltigen StraBenbaustoffen in Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln" (2002». Teere und Peche enthalten einen relativ hohen Anteil an krebserzeugenden polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und an Phenolen. Diese Substanzen konnen als Dampfe emittiert oder durch Wasser eluiert werden. Da die Emission mit steigender Temperatur zunimmt, ist die fur Ausbauasphalte iibliche Wiederverwendung im HeiBmischverfahren (s.o.) unter okologischen und arbeitsmedizinischen Gesichtspunkten abzulehnen. Die Aufarbeitung pechhaltigen StraBenaufbruchs sollte auf kaltem Wege erfolgen. Dazu wurden Verfahren entwickelt, bei denen pechhaltige Ausbauasphalte mit Bitumenemulsionen oder hydraulischen Bindemitteln (oder Kombinationen beider) gebunden werden. Die auf diese Weise aufbereiteten Ausbaustoffe konnen als untere Tragschichten (oberhalb der Frostschutzgrenze), als kapillarbrechende Schicht und unterhalb von bitumenhaltigen Oberbauschichten, die eine wasserdichte Abdeckung gewahrleisten soIlen, eingebaut werden [AB 22]. Der Einsatz von teerhaltigem StraBenaufbruch verbietet sich in wasserwirtschaftlich sensiblen Bereichen wie Grundwasserschutz- und Uberschwemmungsgebieten.
13.5
Baustoffrecycling heute: Eine kritische Bestandsaufnahme
Als das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz 1996 in Kraft trat, wurde der Grundsatz .Vermeiden vor Verwerten vor Beseitigen" als iibergeordnetes Ziel fiir Wirtschaft und Politik verbindlich festgeschrieben. Die verstarkte Forderung der Kreislaufwirtschaft zur Schonung unserer natiirlichen Ressourcen wurde als Hauptanliegen des neuen Gesetzes formuliert. Betrachtet man die aktuelle Situation auf dem Gebiet des Baustoffrecycling heute kritisch, so zeigt sich, dass das KrW-/AbfG nur wenig bewirkt hat. Sein untergeordnetes Regelwerk wird in den verschiedenen Bundeslandern unterschiedlich ausgelegt und wissenschaftlich fragwiirdige .Besorgnisgrundsatze" in Verbindung mit nicht einzuhaltenden Grenzwerten hebe In den Verwertungsanspruch aus [AB 26]. Zu den Leidtragenden dieses okologischen (und biirokratischen) Konflikts gehort in erster Linie die Bauwirtschaft. Laut Arbeitsgemeinschaft Kreislaufwirtschaftstrager Bau (ARGE KWTB), eine
1995 gegriindete freiwillige Brancheninitiative, die die (Kreislaufwirtschafts)-Interessen aller am Bau Beteiligten vertritt, fallen die Auswirkungen drastisch aus: •
•
•
•
Verwertbare Abfalle werden auf kommunal gefuhrten .Billigv-Deponien (die es nach den urspriinglichen Zeithorizonten der TA Siedlungsabfall heute gar nicht mehr geben sollte!) entsorgt. Technisch gut ausgestattete und nach hochsten Umweltstandards arbeitende Recyclingfachbetriebe werden in die Insolvenz getrieben. Damit verliert die deutsche Bauwirtschaft wertvolles, tiber zwei Jahrzehnte entwickeltes Know-how im Recyclingbereich - und dariiber hinaus Arbeitsplatze. GroBe Mengen giiteiiberwachter Recyclingbaustoffe lagem auf Halde, da ihre Verwendung durch Bewertungsmodelle blockiert wird, die sich auf z.T. nicht nachvollziehbare Grenzwerte stiitzen. BauausfUhrende Firmen werden nach willkiirlichem Ermessen zu Abfallerzeugem erklart. Indem man diesen Untemehmen ungerechtfertigt Verantwortung, Ptlichten, Risiken und zusatzliche Kosten ubertragt, treibt man auch sie ins Aus.
In ihrem 2003 publizierten Positionspapier fordert die Arbeitsgemeinschaft Kreislaufwirtschaftstrager Bau, das iiberdimensionierte und z.T. widerspriichliche Ordnungsrecht auf ein anwendungsorientiertes MaB zu reduzieren und fur die Behandlung von Baureststoffen ein bundesweit einheitliches und praktikables System zu etablieren [AB 26]. 1m Sinne einer akzeptierten Kreislaufwirtschaft muss nach einem qualitatsgepruften Recyclingprozess den Baustoffen der Produktstatus zugesprochen werden. Recycelte Baustoffe sind keine Abfalle mehr. Die Beibehaltung des Abfallstatus fur Recyclingbaustoffe bis zu ihrem Einbau ist in der Praxis schwer vermittelbar und wirkt sich prinzipiell negativ auf ihren Absatz aus. Kreislaufwirtschaft im Bauwesen bedeutet Bauen, Riickbauen und verwertungsorientiertes Recycling. Kreislaufwirtschaft ist praktizierter Umweltschutz, da durch das Recycling und die Wiederverwendung von Baureststoffen natiirliche Ressourcen geschont werden. Wer eine Wiederverwertung giiteiiberwachter Recyclingbaustoffe - durch welche MaBnahmen auch immer - verhindert, versiindigt sich an unserer Umwelt und damit an nachfolgenden Generationen.
14
Hightech im Bauwesen: Anwendung der Nanotechnologie in Architektur und Bauwesen
Die Nanotechnologie gilt weltweit als die Schliisseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Fiir zahlreiche Industriebranchen wie etwa den Automobilbau, die chemische und pharmazeutische Industrie, die Informationstechnik sowie die optische Industrie hangt die kiinftige Wettbewerbsfahigkeit ihrer Produkte sehr wesentlich von der ErschlieBung modemer Technologien zur kontrollierten Erzeugung und Nutzung nanoskaliger Strukturen abo Doch die Nanotechnologien bieten nicht nur den Hightech-Branchen, sondem auch den konventionellen Industriezweigen wie dem Bausektor erhebliche Entwicklungs- und Geschaftspotentiale. Der gezielte Einsatz nanotechnologischer Innovationen, die das Bauen schneller, flexibler, nachhaltiger und kostengiinstiger machen, starkt die Wettbewerbsfahigkeit der Bauwirtschaft - und schafft Arbeitsplatze.
1995 gegriindete freiwillige Brancheninitiative, die die (Kreislaufwirtschafts)-Interessen aller am Bau Beteiligten vertritt, fallen die Auswirkungen drastisch aus: •
•
•
•
Verwertbare Abfalle werden auf kommunal gefuhrten .Billigv-Deponien (die es nach den urspriinglichen Zeithorizonten der TA Siedlungsabfall heute gar nicht mehr geben sollte!) entsorgt. Technisch gut ausgestattete und nach hochsten Umweltstandards arbeitende Recyclingfachbetriebe werden in die Insolvenz getrieben. Damit verliert die deutsche Bauwirtschaft wertvolles, tiber zwei Jahrzehnte entwickeltes Know-how im Recyclingbereich - und dariiber hinaus Arbeitsplatze. GroBe Mengen giiteiiberwachter Recyclingbaustoffe lagem auf Halde, da ihre Verwendung durch Bewertungsmodelle blockiert wird, die sich auf z.T. nicht nachvollziehbare Grenzwerte stiitzen. BauausfUhrende Firmen werden nach willkiirlichem Ermessen zu Abfallerzeugem erklart. Indem man diesen Untemehmen ungerechtfertigt Verantwortung, Ptlichten, Risiken und zusatzliche Kosten ubertragt, treibt man auch sie ins Aus.
In ihrem 2003 publizierten Positionspapier fordert die Arbeitsgemeinschaft Kreislaufwirtschaftstrager Bau, das iiberdimensionierte und z.T. widerspriichliche Ordnungsrecht auf ein anwendungsorientiertes MaB zu reduzieren und fur die Behandlung von Baureststoffen ein bundesweit einheitliches und praktikables System zu etablieren [AB 26]. 1m Sinne einer akzeptierten Kreislaufwirtschaft muss nach einem qualitatsgepruften Recyclingprozess den Baustoffen der Produktstatus zugesprochen werden. Recycelte Baustoffe sind keine Abfalle mehr. Die Beibehaltung des Abfallstatus fur Recyclingbaustoffe bis zu ihrem Einbau ist in der Praxis schwer vermittelbar und wirkt sich prinzipiell negativ auf ihren Absatz aus. Kreislaufwirtschaft im Bauwesen bedeutet Bauen, Riickbauen und verwertungsorientiertes Recycling. Kreislaufwirtschaft ist praktizierter Umweltschutz, da durch das Recycling und die Wiederverwendung von Baureststoffen natiirliche Ressourcen geschont werden. Wer eine Wiederverwertung giiteiiberwachter Recyclingbaustoffe - durch welche MaBnahmen auch immer - verhindert, versiindigt sich an unserer Umwelt und damit an nachfolgenden Generationen.
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Hightech im Bauwesen: Anwendung der Nanotechnologie in Architektur und Bauwesen
Die Nanotechnologie gilt weltweit als die Schliisseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Fiir zahlreiche Industriebranchen wie etwa den Automobilbau, die chemische und pharmazeutische Industrie, die Informationstechnik sowie die optische Industrie hangt die kiinftige Wettbewerbsfahigkeit ihrer Produkte sehr wesentlich von der ErschlieBung modemer Technologien zur kontrollierten Erzeugung und Nutzung nanoskaliger Strukturen abo Doch die Nanotechnologien bieten nicht nur den Hightech-Branchen, sondem auch den konventionellen Industriezweigen wie dem Bausektor erhebliche Entwicklungs- und Geschaftspotentiale. Der gezielte Einsatz nanotechnologischer Innovationen, die das Bauen schneller, flexibler, nachhaltiger und kostengiinstiger machen, starkt die Wettbewerbsfahigkeit der Bauwirtschaft - und schafft Arbeitsplatze.
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14 Nanotechnologie im Bauwesen
14.1 Was sind Nanoteilchen? Die Nanowelt gleicht in vielem noch einem unbekannten Kosmos mit kaum vorstellbaren Dimensionen - und zwar unvorstellbar kleinen Dimensionen. 250 Mrd. Nanopartikel aus RuB passen beispielsweise problemlos in den Punkt, der am Ende dieses Satzes steht. In der Nanowelt bewegen wir uns auf der Ebene einzelner Molektile und Atome. Die Vorsilbe Nano entstammt dem griechischen Wort "nanos" (Zwerg), ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters. Schon 5. .. 10 Atome nebeneinander ergeben einen Nanometer. Eine Veranschaulichung dieser Grofenverhaltnisse zeigt Abb. 14.1.
Abbildung 14.1 Die Nanowelt im Grc>f1envergleich. Links: Typische Nanopartikel (Silica(Si0 2)-Nanopartikel , www.furukawa.co.jp)verhaltensichzueinemFur..ball wie etwa ein Fufsball zur Erdkugel.
Die Nanotechnologie befasst sich mit Strukturen, die per Definition kleiner als 100 Nanometer sind . Das bedeutet, sie befasst sich sowohl mit dunnen, wenige Nanometer dicken Schichten als auch mit kleinsten Objekten oder Strukturen, deren Dimensionen im Bereich weniger bis einzelner Molekiile liegen . Die Besonderheit bei der Beschaftigung mit Nanopartikeln besteht darin , dass die Gesetze der klassischen Physik im Nanokosmos ihre Giiltigkeit verlieren. Hier gilt die Quantenmechanik, nach der sich Eigenschaften von Stoffen nicht mehr kontinuierlich, sondem in Sprungen (gequantelt) andern. Die Nanomaterialien besitzen im Vergleich zu ihren grober strukturierten Formen deutlich veranderte Eigenschaften, die physikalische und chemische, aber auch biologische Stoffcharakteristika betreffen. So andem sich z.B. wichtige Materialeigenschaften eines Festkorpers wie elektrische Leitfahigkeit, Magnetismus, Fluoreszenzverhalten, Harte und Festigkeit signifikant mit der Anzahl und der Anordnung der wechselwirkenden Atome, lonen oder Molekiile. Nichtleiter werden zu Leitem, Stoffe wechseln ihre Farbe wenn sie zu Nanopartikeln verarbeitet werden. Zum Beispiel variiert das Fluoreszenzverhalten des Cadmiumtellurids (CdTe) stark mit der Partikelgrofse: Ein 2 nm groBes CdTe-Partikel sendet griines Licht aus, ein 5 om groBes Partikel dagegen rotes . Auch chemische Eigenschaften hangen stark von der Strukturierung der Materialoberflache aboJe kleiner die Teilchen, umso graj3er ist das Verhaltnis zwischen Oberfldche und Volumen, umso hoher ist der Anteil an Oberflachenatomen. Nanoskalige Strukturen weisen demnach ein deutlich groBeres Verhaltnis von reaktiven Oberflachenatomen zu reaktionstragen Teilchen im Inneren des Feststoffs auf. Zum Beispiel enthalt ein Partikel des Durchmessers 20 om etwa 250 .000 Atome, wobei sich 10% der Atome an der Oberflache befinden. Verkleinert man das Partikel auf einen Durchmesser von 1 nm enthalt es ca. 30 Atome, wobei der Anteil der Oberflachenatome nun 99% betragt,
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14.2 Innovationsfelder fllr Nanotechnologien
Durch die Nanostrukturierung ergeben sich somit vollig neue Moglichkeiten fur die Entwicklung funktionaler Oberflachen, bei denen gewiinschte Materialeigenschaften wie der Selbstreinigungseffekt bei Werk- und Baustoffoberflachen, eine verbesserte Kratzfestigkeit von Lacken, spezielle Effekte bei Farben und Lacken durch Einsatz von Nanopartikeln, Antireflexeigenschaften bei Gebrauchsglas und Displays, ein verbesserter UV- und Warmeschutz sowie antibakterielle Eigenschaften von Werk- und Baustoffen gezielt auf den jeweiligen technischen Anwendungszweck zugeschnitten werden konnen.
14.2 Innovationsfelder fOr Nanotechnologien auf dem Bausektor Die Moglichkeiten zur Anwendung nanotechnologischer Innovationen erstrecken sich auf nahezu aile Bereiche des Bausektors, vom Rohbau, der Fassadengestaltung, der Haustechnik bis hin zur Innenausstattung. Selbst der Infrastrukturbereich (StraBen, Briicken, Kanale) kann wesentlich von nanotechnologischen Prinziplosungen profitieren. In Abb . 14.2 sind einige Beispiele zur Anwendung nanotechnologischer Innovationen im Hausbau dargestellt. Selbstreinigende Ziege l
Innenausbau Antireflexsch ichten far Solarzellen
Funktionale Beschichtungen
Fassadendilmmung
optimierte Betoneigenschaften
BrandgeschOtzte Taren , Fenster , Kabel
Abbildung 14.2 Anwendungsbeispiele der Nanotechnologie im Hausbau
14.2.1
OberfUichenfunktionalisierung
Einen Schwerpunkt der Anwendung der Nanotechnologie im Bauwesen stellt die Oberflachenfunktionalisierung von Fassadenflachen (AuBen- und Dachfassaden) dar. Durch die Anwendung von Nanomaterialien lasst sich beispielsweise das Verhalten von Oberflachen gegeniiber Fliissigkeiten gezielt einstellen, z.B. hydrophob, hydrophil oder oleophob (olabweisend). Die wohl bekannteste Herangehensweise ist die Hydrophobierung der Fassadenoberflache, Sie beruht in der Regel auf Beschichtungen mit Si-organischen (Kap . 9.2.4) oder fluororganischen Verbindungen. Auf wasserabweisenden Schichten (groBe Randwinkel a.; Kap. 6.2.2.2) perlt das Wasser ab und auf der Oberflache anhaftende Schmutzpartikel werden abgespiilt. Durch eine chemische Modifizierung der Oberflache konnen Randwinkel bis max . 110... 120° realisiert werden. Sollen hohere a.-Werte - und damit eine noch
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14 Nanotechnologie im Bauwesen
stiirkere Wasserabsto13ung - erreicht werden, muss die Oberflache (mikro)strukturiert werden. Dabei gilt: Bei hydrophoben Oberflachen wird die Benetzbarkeit durch die (Mikro)Rauigkeit der Oberflache reduziert, bei hydrophilen wird sie dagegen verbessert . Den Zusammenhang: Starke Wasserabstoj3ung durch Mikrostrukturierung der Oberflache realisiert die Natur bei den Blattoberflachen einiger Pflanzen, z. B. auch der Lotuspflanze (Lotus-Effect ®). Der Tropfen liegt nur auf den au13eren Spitzen der Mikrostruktur auf, wobei Randwinkel urn 1600 auftreten . Man spricht von ultra- oder superhydrophoben Oberflachen. Der Selbstreinigungsmechanismus stutzt sich auf die minimalen Kontaktflachen zwischen Tropfen und Oberflache (2 - 3%!). Die wie auf einer Burste aufliegenden Schmutzpartikel werden vom abrollenden Fltlssigkeitstropfen mitgenommen (Abb. 14.3b). Die Besonderheit der Blattstruktur besteht darin, dass auf der Noppenstruktur (die Noppen sind 5. .. 10 11m hoch und 10... 15 11m voneinander entfemt; Abb. 14.3a) noch eine zweite, sehr feine Nanostruktur realisiert ist. Dabei handelt es sich urn kleine Wachskristalle (0 ca. 100 nm), die sowohl die Noppen als auch die Taler dazwischen uberziehen.
a)
b)
Abbildung 14.3 a) Noppenstruktur des Lotusblattes (www.lotus.effect.com); b) Selbstreinigungsmechanismus an einer mikrorauen Oberftache.
Die Ubertragung einer soleh komplexen Oberflachenstruktur auf technische Produkte zur Erlangung eines Selbstreinigungseffektes ist hoch kompliziert und au13erst anspruchsvoll . So wurden Anstrichstoffe entwickelt, bei denen durch Zugabe von Si02-Mikropartikeln zu geeigneten Bindemitteln nach der Verarbeitung eine klinstlich mikrostrukturierte Oberflache erzeugt wird. Die 1999 auf den Markt gebrachte Fassadenfarbe Lotusan" wirbt beispielsweise mit dem oben dargestellten Selbstreinigungsmechanismus. Es hat sich in den letzten Jahren jedoch gezeigt, dass die gewlinschte Selbstreinigung der Oberflache nicht in dem Ma13e eintritt, wie erhofft. Die Tauwassertropfen sind so leicht und vor allem so klein, dass sie nicht abrollen konnen. Sie verbleiben im Mikrorelief und trocknen dort abo Wenn sie losliche Verschmutzungen aufgenommen haben, lagert sich der Schmutz in der Mikrostruktur ab und die Fahigkeit zur Selbstreinigung geht allmahlich verloren. Hier ist die Lotuspflanze klar im Vorteil! Sie besitzt die Fahigkeit, ihre Oberflache zu regenerieren . Wird die Grenzschicht beschadigt, emeuert sie die defekte Oberflachenstruktur innerhalb weniger Stunden bis die Selbstreinigung wieder funktioniert.
Titandioxid (Ti02)-Photokatalyse. Wie die Nutzung des gerade beschriebenen LotusEffects", so kann auch die Anwendung der Titandioxid-Photokatalyse im Baubereich inzwischen schon als Klassiker bezeichnet werden . Gibt es doch inzwischen eine ganze Reihe
14.2 Innovationsfelder fiir Nanotechnologien
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kommerziell erhaltlicher Produkte, die Titandioxid als Photokatalysator zur Zersetzung von Luftschadstoffen praktisch nutzen. Titandioxid gehort neben Verbindungen wie ZnO, ZnS, CdS und Fe203 zu den Photohalbleitem (Kap. 3.3.3). Es kommt in drei unterschiedlichen kristallinen Modifikationen vor, dem Rutil, dem Anatas und dem Brookit. Die thermodynamisch stabile Rutil-Modifikation findet als WeiBpigment fiir Farben, Lacke, Kunststoffe und Keramiken sowie in der Lebensmittelindustrie breite Anwendung. Anatas ist thermodynamisch instabil, kinetisch jedoch stabil. Die Anatas-Modifikation wird aufgrund der im Vergleich zum Rutil deutlich erhohten Photoaktivitiit nur begrenzt technisch verwendet. Fur einen Einsatz als Photokatalysator ist Anatas geradezu pradestiniert. Abb. 14.4 zeigt das Energieniveauschema eines Halbleiterteilchens in der Darstellungsweise des Energiebandermodells. Bestrahlt man TiOrPartikel mit UV-Strahlung der WelIenlange A ::; 390 nm (dieser Wert entspricht der Energie der Bandlucke zwischen Valenz (VB)- und Leitungsband (LB) des Ti02(Anatas), E g = 3,2 eV), so reicht die Energie hv der Photonen aus, urn die Bandlucke zu uberwinden. Es erfolgt der Ubergang eines Elektrons in das Leitungsband (e-LB), wobei im Valenzband ein Defektelektron (auch "Loch", h+VB ) zuruckbleibt (Gl. 14-1). (14-1) Liegen die Redoxpotentiale potentieller Akzeptormolektile (A) und Donormolektile (D) innerhalb der Bandlucke des Halbleiters, kann eine Redoxzersetzung erfolgen. Die an die Partikeloberflache migrierten Elektron-Loch-Paare konnen, falls sie nicht vorher rekombinieren, auf direktem Wege adsorbierte Schadstoffmolekule zersetzen. Eine zweite Moglichkeit des Schadstoffabbaus kann tiber intermediiir gebildete Radikale erfolgen. Durch die hohe Oxidationskraft der Locher im Valenzband kann Wasser in einem Einelektronenschritt zum Hydroxylradikal -OH oxidiert werden. OH-Radikale gehoren zu den effektivsten Oxidationsmitteln der Atmosphare, ihre Oxidationskraft iibertrifft die des Chlors und Ozons. Die photolytisch erzeugten Elektronen sind dagegen in der Lage, adsorbierten Sauerstoff zu Superoxidionen O 2-- zu reduzieren. Aus den Superoxidionen konnen im Resultat unterschiedlicher Sekundarprozesse Wasserstoffperoxid (H 20 2), Peroxyradikale (H02-) und wiederum Hydroxylradikale entstehen (Details s. [BC 16,17]). Q) .~ Q)
c
W
Abbildung 14.4 Energieniveauschema eines Halbleiterteilchens (Energiebandermodell)
498
14 Nanotechnologie im Bauwesen
Uber ein zweites faszinierendes Phanomen, das vollig unabhangig vom gerade beschriebenen photoinduzierten Schadstoffabbau existiert, wurde 1997 von Watanabe und Mitarbeitern berichtet [BC 16]: Eine Titandioxid-Oberflache wird bei UV-Einstrah1ung ultrahydrophil (Kontaktwinkel a < 10 ) . Das Wasser flieBt auseinander und bildet einen flussigen Film. Unterbricht man die UV-Bestrah1ung, bleibt der niedrige Kontaktwinkel fur einen, maximal zwei Tage erhalten, steigt dann jedoch langsam wieder an. Die Oberflache wird wieder hydrophober. Die Ultrahydrophilie kann durch erneute UV-Bestrahlung wiedererlangt werden. 1m Jahre 1994 kamen die ersten, gemeinsam vom japanischen Konzern TOTO Ltd. und der Universitat Tokio entwickelten photokatalytisch aktiven Fliesen auf den japanischen Markt. Aufgrund ihrer nachgewiesenermaBen bakteriziden Wirkung wurden sie in Krankenhausern (OP-Bereich), Kliniken und im hauslichen Sanitarbereich eingesetzt. Mit der Entdeckung der hohen Hydrophilie der TiOrBeschichtung bei solarer Einstrahlung wurden die Fliesen sofort fur AuBenanwendungen interessant und 2002 in ersten Bauwerken in Japan eingesetzt. Von beschichteten Keramiken zu beschichteten Glasern ist es nur ein kleiner Schritt. Der international agierende Flachglashersteller Pilkington stellte 2002 das erste Bauglas Pilkington Aktiv™ mit dualaktiver (selbstreinigend und ultrahydrophil) Wirkungsweise vor. Photokatalytisch aktives, selbstreinigendes Glas kann fur nahezu aIle AuBenanwendungeneingesetzt werden. Heute gibt es in Deutschland fast keinen Hersteller von Beschichtungs- bzw. Anstrichstoffen, der nicht in mindestens einem Produkt die Schadstoffzersetzung der photoaktiven TiOrPigmente nutzt. Daneben werden Ti0 2-modifizierte Dachziegel, Ti02-modifizierte Zemente fur Fassaden und StraBenbeton zur Reduktion der hohen Konzentrationen an NOx und leicht fluchtigen organischen Verbindungen in Ballungsgebieten, Putze sowie Gegenstande fur die Innenausstattung kommerziell vertrieben [18].
Thermische Isolierung. Als weiteres Anwendungsgebiet der Nanotechnologie muss die thermische Isolierung von AuBenfassaden angefuhrt werden. Die Warmedammung von AuBenfassaden ist ein wesentlicher Faktor in der Bauwirtschaft - und zwar sowohl im Hinblick auf Investitionskosten bei Neubauten und Gebaudesanierungen als auch hinsichtlich anfallender Betriebskosten. In Westeuropa wird der Markt fur die thermische Isolierung in der Gebaudetechnik auf ca. 6 Mrd. Euro geschatzt [BC 19, 20]. Hier bietet sich ein Zukunftsmarkt fur nanoporose Materialien. Seit 1999 werden so genannte Vakuumisolationspaneele (VIP, Vacuum Insulated Panel) entwickelt. Diese Dammplatten nutzen das Prinzip der Vakuumdammung. Die Vakuumdammung benotigt bei gleicher Dammwirkung wesentlich geringere Dammstarken als konventionelle Dammstoffe, Als Dammmaterial wird Aerosil" (Kap. 6.2.2.2), ein hochporoses, nanostrukturiertes Kieselsaurepulver verwendet. Platten aus feinteiliger, poroser Kieselsaure besitzen schon unter Normaldruck gute Warrneschutzeigenschaften, Bereits ein moderates Vakuum von etwa 50 Millibar reicht aus, urn das Warmeleitvermogen des feinporigen Dammmaterials weiter deutlich herabzusetzen. Die VIP bestehen aus Kieselsaureplatten, die in ein schutzendes Vlies gepackt, anschlieBend evakuiert und in metallisierte gasdichte Kunststofffolien eingeschweiBt werden. Ihre Warmeleitfahigkeit betragt nur ca. 0,004 W/m K. Ihre Warmeschutzwirkung ist fast 10-mal besser als die herkommlicher, am Bau eingesetzter Dammmaterialien wie Polystyrol, Polyurethan, Glas- oder Mineralwolle. Das bedeutet: Statt z.B. 40 em eines ublichen Dammstoffs wie Polystyrol erzielen 4 em Vakuumisolationspaneele den gleichen Warmeschutz. Fazit: Schlankere Konstruktionen werden moglich. Die ersten Produkte erhielten im Juli 2007 ihre allgemeine bauaufsichtliche Zulassung.
14.2 Innovationsfelder fur Nanotechnologien
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Ein weiteres in den letzten Jahren entwickeltes Isolationsmaterial sind die so genannten Silica-Aerogele (z.B. Nanogel"), Silica-Aerogele, auch als "gefrorener Rauch" bezeichnet, bestehen aus einem nanostrukturierten, dreidimensionalen Netzwerk von Si02-Partikeln. Die Partikelgrobe betragt etwa 10 nm. Die Porositat dieser Gele kann Werte tiber 95% (!) erreichen. Fassadenelemente auf Basis von Silica-Aerogelen sind transparent im Gegenteil zu den in der Regel lichtundurchlassigen Vakuum-Dammplatten. Aufgrund der Lichtdurchlassigkeit eignen sich diese Materialen sowohl fur durchscheinende Gebaudefassaden als auch fur Dachfenster. Die Aerogel-Fenster basieren auf Doppelverglasungen zwischen denen mit Aerogelgranulat gefullte Polycarboxylat-Stegplatten eingebracht wurden. Die Dammelemente weisen aufgrund der extrem hohen Porositat des Gels sehr gute Warmeund Schalldammwerte auf und bewirken gleichzeitig eine ausgezeichnete Grundhelligkeit mit angenehmem Streulicht. 1m Hinblick auf modeme Fassadenfunktionalitaten muss auch die Anwendung von Latentwarmespelchern angefuhrt werden, wenngleich sich diese Entwicklungsrichtung noch auf dem Weg zur Nanostrukturierung befindet. Durch die Verwendung spezieller warmespeichemder Materialien kann der temperaturausgleichende Effekt dicker Wande auf nur wenige Millimeter dicke Putzschichten ubertragen werden. Das Prinzip ist leicht erklart: Bei der Speicherung von Warme tritt gewohnlich im Speichennaterial eine Temperaturerhohung auf. Diese Temperaturerhohung verhalt sich zur gespeicherten Warmemenge proportional (Abb. 14.5). Da die gespeicherte Warme zu fuhlen ist, wird diese Form der Warmespeicherung alsfuhlbare oder sensible Warmespeicherung bezeichnet. Bei der latenten Warmespeicherung wird die Warme dagegen von einem Material gespeichert, bei dem ein Phasenubergang, z.B. vom festen in den flussigen Zustand, erfolgt. Man spricht von Phasenwechselmaterialien (engl. Phase Change Materials, PCM). Nach dem Erreichen der Phasenubergangstemperatur bleibt die Temperatur trotz weiterer Warmezufuhr solange konstant, bis das Speichennaterial vollstandig geschmolzen ist (Abb. 14.5). Erst dann steigt die Temperatur weiter an. Die wahrend des Phasenubergangs eingespeicherte Warme bezeichnet man als "versteckte" oder latente Warme,
Temperatur des PhasenObergangs
,
, ,,
,,
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,, Abbildung 14.5 Temperaturverhalten eines sensiblen (gestrichelte Kurve) und eines latenten (durchgezogene Kurve) Warmespeichers.
~
latente warme des PhasenObergangs
eingespeicherte warmemenge
Fur den Phasenubergang fest-flussig entspricht die latente Warme der Schmelz- oder Kristallisationswarme (Kap. 4.2.1). Latentwarmespeicherung ist ein aus dem Alltag gut bekanntes Phanomen, z.B. von so genannten Warmekissen. Sie enthalten meist ubersattigte
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14 Nanotechnologie im Bauwesen
Losungen von Natriumacetat-Trihydrat (CH3COONa . 3 H 20) . Diese ubersattigten Losungen stellen den "geladenen Zustand" des Warmekissens dar. Chemisch handelt es sich bei der Salzlosung urn ein metastabiles System. Erst durch .Anstoben" wird der metastabile Zustand gestort, Das Natriumacetat kristallisiert schlagartig aus und das System gibt (latente) Warme an die Umgebung abo Dabei handelt es sich sowohl urn Kristallisations- als auch urn Salzhydratbildungswarme. Durch das AnstoBen, z.B. durch Bewegung eines Stahlklickers oder durch Biegen eines Metallstreifens bzw. -plattchens, werden aktive Stellen erzeugt. Wahrscheinlich handelt es sich urn Mikrorisse im Metall, die als Kristallisationskeime wirken konnen, Das neuerliche "Aufladen" erfoIgt im heiBen Wasser, wobei das feste Salzhydrat wieder in eine iibersattigte Losung iibergeht. Ein zweites Beispiel fur Latentwarmespeicherung stellt die Speicherung von Kalte im Eis dar. Latentwarmespeicher konnen in einem groBen Temperaturbereich verwendet werden. Je nach Phasenumwandlungstemperatur und Anwendungsbereich werden Stoffe unterschiedIichster Substanzklassen als PCM verwendet, z.B. Salzhydrate und Salzhydratmischungen, wassrige Salzlosungen und Paraffine. Bei den auf dem Bausektor eingesetzten PCM-Materialien handelt es sich gegenwartig vor allem urn Paraffine (Paraffinwachse) mit Schmelztemperaturen zwischen -3 . . . 100 °C. Die Entwicklung geht jedoch in Richtung Salzhydrate, da bei ahnlichen Umwandlungsbereichen die gespeicherte Warmemenge dieser Verbindungen die der Paraffme deutlich iibersteigt. Fiir Anwendungszwecke werden die Paraffine in Kunststoff-Mikrokapseln eingebracht (0 der Kapseln 5...20 urn), Durch diese Mikroverkapselung ergeben sich eine Reihe von Vorteilen: • Die Paraffine konnen nicht in den Baustoff gelangen und eventuell dessen Eigenschaften negativ beeinflussen. • Die Gesamt-Paraffinoberflache ist aufgrund der geringen GroBe der Kapseln sehr groB, damit wird ein optimaler Warmeaustausch zwischen PCM und Baustoff ermoglicht, • Mikroverkapseltes Paraffin (Abb. 14.6) ist wie ein Pulver leicht und vielseitig einsetzbar, z.B. in Innenputzen und Spachtelmassen. Abbildung 14.6 REM-Aufnahme eines PCM-haltigen Gipsputzes : Die Mikrokapseln sind deutlich zu erkennen . QueUe: Fraunhofer ISE.
Steigt die Umgebungstemperatur an, wird das Paraffmwachs fliissig und Warme wird gespeichert. Fallt die Temperatur wieder ab, wird das Wachs emeut fest und Warme wird an die Umgebung abgegeben. 1m Februar 2005 kam in Deutschland der PCM-haltige Gipsputz maxit clima® (Fa. maxit) auf den Markt. Die eingesetzten mikroverkapselten Paraffine sind auf eine Phasenwechseltemperatur von 24 ...26 °C eingestellt. Laut Hersteller nimmt der Spezialputz funfinal mehr Warme auf als ein herkommlicher Innenputz. Eine 1,5 em dicke Putzschicht mit maxit
14.2 Innovationsfelder fur Nanotechnologien
501
clima® weist demnach etwa die gleiche Warmespeicherkapazitat auf wie eine 7 em dicke Gipsdielenwand. Wichtig ist, dass die durch sommerliche Uberhitzungseffekte "aufgeladene" PCM-Putzschicht durch Nachtluftung wieder "entladen" wird. Da Paraffine brennbar sind, wurde der PCM-Gipsputz wie auch die Knauf-Latentwarmespeicherplatte in die Brandschutzklasse B2 eingestuft. Durch Aufbringen einer feuerhemmenden Beschichtung (Dammschicht) erfiilIen beide Baustoffe die Anforderungen der Brandschutzklasse Bl. Entwicklungsbedarf besteht gegenwartig noch hinsichtlich der Erhohung der Lebensdauer der Mikrokapseln in zementgebundenen Baustoffen. Die Mikrokapseln durfen weder beim Einmischen noch bei der Verarbeitung zerstort werden. Des Weiteren muss der erhartete Baustoff eine nahezu beliebige Anzahl von Schmelz-lErstarrungszyklen uberstehen, ohne dass er in seiner Stabilitat beeintrachtigt wird. Es ware ein technologischer Durchbruch, gelange es Nano-PCM herzustellen - z.B. als Nano-Komposite, die dauerhaft in die Zementmatrix eingebettet werden, ohne die Betoneigenschaften zu beeinflussen [BC 19].
14.2.2
Weitere Anwendungsfelder
Wenn man so will kann man den Zement als altestes Nanotech-Produkt bezeichnen, denn bei der Hydratation dieses Bindemittels etwa im Beton entstehen nadelformige, mikro- bis nanometerfeine KristalIe, die zusammenwachsen und die Festigkeit des Materials bewirken. Die Betontechnologie hat gerade in den Jahren nach 1990 deutliche Fortschritte gemacht, die vor allem auf die Entwicklung neuartiger, leistungsfahiger Betonzusatzmittel wie die modemen FlieBmittel, aber auch auf Betonzusatzstoffe wie Mikrosilica zuruckzufuhren sind. Wie in Kap. 9.3.3.5 ausgefiihrt, beruhen Festigkeit und Dauerhaftigkeit zementgebundener Baustoffe auf einer moglichst dichten Mikro- und Nanostruktur der durch die Hydratation gebildeten C-S-H-Phasen. Je dichter die nadelige Struktur, umso dichter ist das Gefiige des erharteten Betons. Durch Verwendung von Mikrosilica erreicht man eine wesentliche Verringerung des Porenvolumens sowie Veranderungen in der Kontaktzone ZementsteinGesteinskornung (Kap. 9.3.3.3.1). Aufgrund der sehr hohen spezifischen Oberflache kann Uberschusswasser gebunden werden. Der Verbund wird verbessert, die Festigkeit erhoht, Die Verwendung von Nanomaterialien (Nanopulver, Polymerdispersionen) fiihrt zu einer weiteren Verbesserung der Baustoffeigenschaften. Durch Anwendung von Nanosilica (z.B. Aerosil") mit einer Partikelgrofse zwischen 5... 50 nm wird eine noch optimalere Verdichtung der Mikrostruktur des Zementsteins erreicht. Die Nanopartikeln fiillen die Poren weitgehend aus, die Packungsdichte wird erhoht und der Verbund in der Kontaktzone Zementstein/Gesteinskornung wird weiter verbessert. Zusatzlich zu den physikalischen Packungseffekten (Fullerfunktion) wird durch die bei kleiner werdender Partikelgrofse exponentiell ansteigende Oberflache die puzzolanische Reaktivitat wesentlich gesteigert. Ais Beispiel solI die Umsetzung von Si02 mit Ca(OH)2 angefiihrt werden [BC 19]: 1st das Quarzmehl grob gemahlen, so lauft beim Mischen mit Ca(OH)2 ohne Warmebehandlung keine chemische Reaktion abo Mikrosilica dagegen, mit einer mittleren Teilchengrolse zwischen 0,1 ... 0,15 urn, reagiert innerhalb weniger Tage (bis Wochen) in Gegenwart von Wasser mit Ca(OH)2 zu den entsprechenden C-S-H-Phasen. Ein homogenes Gemisch aus Nanosilica und Ca(OHh hat dagegen bereits nach 24 Stunden einen hohen Anteil an C-S-H-Phasen gebildet, so dass dieses Gemisch bereits als ein eigenstandiges Bindemittel betrachtet werden kann.
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14 Nanotechnologie im Bauwesen
Die genannten Vorteile machen Nanosilica zu einem idealen Zusatzmitte1 fur modeme zementbasierte Bindemittel (hochfester und ultrahochfester Beton). Seine Anwendung spiegelt sich in verbesserten mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer hohen Druckfestigkeit, in einer geringen Porositat und einer erhohten Dauerhaftigkeit wider. Wie eingangs ausgefiihrt, nimmt die Bedeutung der Oberflache mit abnehmender PartikelgroBe zu. Die extrem groBe Oberflache bei Nanopartikeln ist, wie gerade beschrieben, fiir eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften wie die hohe Reaktivitat und die sehr gute Wasserbindung verantwortlich. Urn diese Eigenschaften zu entfalten, miissen die Nanopartikeln moglichst homogen in die jeweilige Formulierung eingebracht werden. Und genau hier liegt das Problem. Hinsichtlich der Auswahl und der Wirkung geeigneter Dispergiermittel besteht zur Zeit noch ein erheblicher Klarungsbedarf Neben Nanosilica sind auch andere nanoskalige Oxide wie Fe203, Ah03 oder Ti0 2 als Betonzusatzstoffe denkbar. Abbildung 14.6 Raurnliche Struktur einer Kohlenstoff- Nanorohre (CNT) (www.3dchem.com/molecules).
Eine interessante Forschungsrichtung beschaftigt sich mit der Verwendung von Nanorohren bzw. -fasem anstelle von Nanopartikeln. Fur die Herstellung von Nanorohren eignen sich vor allem schichtformig aufgebaute Stoffe oder Polymere, von besonderem Interesse sind in diesem Zusammenhang Kohlenstoff-Nanorohren (Carbon Nano Tubes, CNT; Abb. 14.6). Kohlenstoff-Nanorohren weisen eine Reihe extremer Eigenschaften auf: Ihre Zugfestigkeit kann bis 50 GPa betragen, damit ist sie mehr als 20-mal so hoch wie die von Stahl. Ihr E-Modulliegt bei ca. 1000 GPa. Dariiber hinaus besitzen sie eine etwa 1000-mal hohere elektrische Leitfahigkeit als Cu und eine hohe thermische Leitfahigkeit (bis zu 5.800 W/m K). Ihre Dichte betragt rund 1,4 g/cm', Die Rohren aus Kohlenstoff haben einen Durchmesser von wenigen Nanometem. Sie sind damit etwa 50.000-mal dunner als ein menschliches Haar. Aufgrund ihrer extrem kleinen Abmessungen lassen sie sich wesentlich besser im Beton verteilen als ubliche Stahl- oder Kunststoffbewehrungen. Da sich gezeigt hat, dass sie zusatzlich als Kristallisationskeime wirken, hartet der Beton schneller aus und erhalt eine hohere Dichtigkeit. Die Druckfestigkeit von UHPC kann durch Zugabe von Kohlenstoff-Nanorohren nochmals deutlich erhoht werden. Ein gegenwartig noch zu losendes Problem beim Verarbeitungsprozess betrifft die Dispergierbarkeit der CNT. Sie neigen aufgrund ihres hydrophoben Verhaltens in wassriger Losung zur Clusterbildung. Interessante Anwendungsfelder ergeben sich fur die Nanotechnologie auch im Bereich Fenster und Verglasnngen. Durch Anwendung nanoskaliger Schichten bzw. Beschichtungen konnen der Warme- und Sonnenschutz sowie das Reflektions- und Verschmutzungsverhalten der Glasscheiben (s. o. TiOrPhotokatalyse) gesteuert werden. Fenster (Glasflachen) sind wichtige Komponenten des (solaren) Bauens: Indem sie Sonnenstrahlung und Warme in den Raum lassen, senken sie den Heizbedarf der Gebaude in der kalten Jahreszeit und ermoglichen im Winter passiv-solare Energiegewinne. Dariiber hinaus
14.2 Innovationsfelder fur Nanotechnologien
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garantieren sie ganzjahrig eine naturliche Beleuchtung und reduzieren so den Energieaufwand fur elektrische Beleuchtung. Die hohe Licht- und Energiedurchlassigkeit groBer Fensterflachen bringt jedoch auch Nachteile mit sich: 1m Sommer kommt es zu Uberhitzungen. Damit wird entweder eine aktive Klimatisierung erforderlich oder die Glasflachen mussen aufwendig abgeschattet werden, z.B. durch Jalousien, Stores oder Markisen. Kiinftig sollen schalt- oder regelbare Verglasungen dieses Problem losen und die teilweise gegensatzlichen Anforderungen besser in Ubereinstimmung bringen. Schalt- oder regelbare Verglasungen andern ihre optischen Eigenschaften quasi per Knopfdruck (aktive Systeme) oder selbsttatig (reaktive Systeme). Je nach Aktivierung und Aufbau unterscheidet man folgende schaltbare Schichten:
•
Elektrochrome Schichten
Bei elektrochromen Verglasungen erfolgt die Schaltung durch elektrischen Strom. Dabei lasst sich die Transmission (Durchlassigkeit) der Verglasung entweder in mehreren Stufen (haufig 5) oder stufenlos verandern. Die Durchsicht bleibt immer erhalten. Unter Elektrochromie versteht man die Anderung der optischen Eigenschaften von Molekiilen und KristaIlen, insbesondere der Lichtabsorption, durch ein auBeres elektrisches Feld. Der Aufbau des elektrochromen Glases ist vergleichbar mit dem einer Verbundglasscheibe, die aus zwei TCO-beschichteten Glasern (TCO = tranparent conductive oxide, z.B. fluordotiertes Sn02) besteht (Abb. 14.7). An den Glasern sind die elektrischen Anschlusse montiert. Zwischen den beiden Glasscheiben des Glasverbunds befindet sich die aktive Schicht, bestehend aus Wolframoxid (W0 3, Elektrode) bzw. einem Li-Ionen enthaltenden Mischoxid (Gegenelektrode). Eine leitfahige, transparente Polymerfolie trennt die beiden Elektroden. Wird nun zwischen Elektrode und Gegenelektrode eine Spannung in der Grobenordnung von 3 V angelegt, wandem die Lithiumionen durch das leitfahige Polymer zum Wolframoxid. Dort lagem sie sich in das Kristallgitter ein, das selbst wahrend des gesamten Prozesses unverandert bleibt. Durch die Einlagerung der lonen verandert sich die Oxidationsstufe des Wolframs und damit die Bandstruktur des Ubergangsmetalloxids, was wiederum zu einer Anderung der elektrischen Leitfahigkeit und der optischen Eigenschaften fuhrt. Die gebildeten "Li-WOx-Farbzentren" absorbieren das einfallende Licht. Wird danach die umgekehrte Spannung angelegt, werden die Farbzentren wieder .zerstort". Die Lithiumionen wandem durch das Polymer zur Gegenelektrode zuruck, Der Verbund entfarbt sich wieder.
Randversiegelung
wax lonenleitfiihiges Polymer Gegenelektrode
--Gl Li-Ionen •
Li-WOa-Farbzentren
Teo innen
Abbildung 14.7 Schichtaufbau einer elektrochromen Verglasung; TeO = transparent conductive oxide, z.B. f1uordotiertes Sn02. QueUe: FLABEG
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14 Nanotechnologie im Bauwesen
Die geschilderten Vorgange sind mit dem Lade- und Entladevorgang eines Akkumulators vergleichbar. Bei falscher Steuerung konnen hier ebenso Memory-Effekte auftreten und bei Uberladung konnen die Elektroden geschadigt werden. Deshalb wird kommerziell fur jede elektrochrome Scheibe ein Controller mitgeliefert, der eine ordnungsgemafse Steuerung von Ladung und Entladung garantiert. Je nach Grobe der Scheibe kann ein vollstandiger Umfarbevorgang bis zu 15 Minuten dauem. Bei Einsatz von W03 erreicht man eine intensive Blaufarbung der Verglasung. Durch Variation der elektrochromen Substanzen kann die Farbe des aktivierten Fensters verandert werden: Mo-dotiertes Nioboxid (Nb10S-Mo) ~ grau; Li-dotiertes Nioboxid (Nb10S-Li) oder Nickeloxid/Titandioxid (NiO-Ti01) ~ braun. Lebensdauer und Eigenschaften der elektrochromen Verglasung hangen wesentlich von der Zuverlassigkeit der Steuerungselektronik abo Es wird eine Lebensdauer von 20 Jahren angestrebt. Mit elektrochromen Verglasungen kann die Energieeinstrahlung variabel gestaltet und Energie eingespart werden. Bei direktem Sonnenlicht gibt es allerdings keinen sicheren Blendschutz, eine mogliche Blendung wird nur stark reduziert. • Gaschrome (hydrochrome) Schichten Die Schaltung bei gaschromen Schichten erfolgt durch Kontakt mit einem Gas. Fur die einzufarbende Schicht wird meist ebenfalls Wolframoxid verwendet, d.h. die gaschromen Schichten zeigen im abgedunkelten Zustand ebenfalls eine tiefblaue Farbung. Die Durchsicht bleibt wiederum erhalten. Die transparente Wolframoxidschicht befindet sich auf der Innenseite der Doppelverglasung. Die Einfarbung erfolgt aber nicht wie gerade beschrieben durch elektrischen Strom, sondem durch die Einlagerung von atomarem Wasserstoff. Durch den Kontakt mit dem Wasserstoff andert die vorher "unsichtbare" WOrSchicht ihre chemische Zusammensetzung, farbt sich dunkelblau und streut zusatzlich das Licht. Der Wasserstoff entsteht wie folgt: Wasserdampfwird in einer Elektrolyse-Einheit durch Strom in Wasserstoffund Sauerstoff zerlegt. Der Wasserstoff wird katalytisch (Pt) in atomaren Wasserstoff aufgespalten. Durch Wechselwirkung des atomaren Wasserstoffs bzw. der gebildeten Protonen mit den O-Atomen der Wolframoxidschicht werden O-Fehlstellen im Gitter erzeugt. Sie sind die Ursache fur die auftretende Farbanderung. Der sich bildende Wasserdampf entweicht. Die Lichtdurchlassigkeit der gaschromen Verglasung wird tiber die Wasserstoffkonzentration im Gasspalt der Verbundscheibe gesteuert. Entfarbt wird die aktivierte Schicht durch Uberstromen mit atomarem Sauerstoff, der ebenfalls katalytisch erzeugt wird. Das Gasversorgungsgerat, das den Wasserstoff und den Sauerstoff liefert sowie das gebildete Wasser recycelt, wird idealerweise in die Fassade integriert. Ftir den Aufbau einer Warmeschutzverglasung kann der gaschrome Zweischeiben-Verbund mit einer niedrig emittierend beschichteten Glasscheibe kombiniert werden. Je nach Gasversorgungssystem konnen Verglasungsflachen von bis zu 10 m 1 geschaltet werden. Die Einfarbung der Glaseinheit benotigt etwa funf Minuten. Auch bei gaschromen Verglasungen ist ein vollstandiger Blendschutz nicht gegeben. • Photochrome/photoelektrochrome Schichten Photochrome Glaser (oder Kunststoffscheiben) sind bekannt von selbsttonenden Sonnenbrillen. Bei Sonneneinstrahlung dunkeln diese Glaser in den Farben grau und braun ein, bleiben aber durchsichtig. Der Effekt der Abdunklung wird durch UV -Licht bzw. kurzwelliges sichtbares Licht hervorgerufen. In Abwesenheit von Sonnenlicht erfolgt die Aufhellung von selbst. Hintergrund der Ein- bzw. Entfarbung sind reversible Ubergange zwischen
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14.2 Innovationsfelder fur Nanotechnologien
im Glas eingelagerten, mit Cu dotierten Silberhalogeniden (AgCI, AgBr). Durch Einstrahlung von Licht entstehen z.B. aus Silberchlorid (AgCI) Silber- bzw. Chloratome: ~
0
AgCI ......-- Ag + CI· Ftir die Eindunkelung sind die Silberatome verantwortlich. Diese Photoreaktion ahnelt dem Primarvorgang des photografischen Prozesses. Anders als im photografischen Material konnen aber in den photochromen Glasern die Chloratome nicht wegdiffundieren und die Silberkeime nicht nennenswert wachsen. Dies verhindert die starre Borosilicatmatrix. Damit sind giinstige Voraussetzungen fur die Ruckreaktion gegeben, die sowohl durch Licht als auch durch Warme ausgelost werden kann. Vorteile: Sehr einfacher Aufbau (keine TCO-Schichten), keine exteme Spannungsversorgung notwendig, kein Problem mit Kurzschltissen, in modemeren Systemen wird zum Einfarben kein UV -Licht mehr gebraucht. Photochrome Glaser besitzen aber auch eine Reihe von Nachteilen: Die Ein- bzw. Entfarbung sind stark temperaturabhangig, die Glaser besitzen eine mangelnde Langzeitstabilitat, einen hohen Absorptionsgrad im abgedunkeltem Zustand, sind nicht wie die oben besprochenen schaltbaren Glaser steuerbar und besitzen hohe Preise. Es gibt auch hier Neuentwicklungen (Kombination mit Farbstoffzellen), auf die aber nicht naher eingegangen werden solI. TCO/Pt
Abbildung 14.8 Funktionsprinzip einer photoelektrochromen Schicht (QueUe: Fraunhofer ISE) Glas
Farbstoff
Bei photoelektrochromen Schichten (Abb. 14.8) wurden die Wirkmechanismen einer elektrochromen Schicht und einer elektrochemischen Solarzelle kombiniert. Eine Glasscheibe wird mit einer transparenten leitfahigen Schicht (TCO) und einer elektrochromen W0 3-Schicht belegt. Daraufbringt man nanoporose TiOz-Partikeln, die mit einer Monolage eines Sensibilisierungsfarbstoffes bedeckt sind (Farbstoffzelle!). Die Poren und der Raum zwischen TrO, und Gegenelektrode sind mit einem festen Elektrolyten gefullt, indem Lithiumiodid (Lil) gelost ist. Ais Gegenelektrode fungiert eine zweite, mit einer TCOSchicht bedeckte Glasscheibe. Die TCO-Schichten werden mit katalytisch aktivem Platin uberzogen. Beide Elektroden sind tiber einen extemen Schalter miteinander verbunden. Bei Absorption von Licht durch die Farbstoffmolekiile erfolgt ein Elektronentransfer auf die TiOz-Partikeln, die die Elektronen zum W0 3 weiterleiten. Dort wird das Wolfram reduziert und die photoelektrochrome Schicht farbt sich blau. Die oxidierten Farbstoffmolekiile werden durch die anwesenden lodidionen gemaf! 3 T ~ 13- + 2 e wieder reduziert, wobei Tri-
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14 Nanotechnologie im Bauwesen
iodidionen (13-) entstehen. Uberschussige Li+-Ionen diffundieren durch die porose TiOzSchicht in die WOrSchicht und sorgen fur den Ladungsausgleich. Die photoelektrochrome Schicht wird tiber einen extemen Stromkreis geschaltet: 1st der Stromkreis geoffnet, farbt sich die Schicht unter Bestrahlung blau. Wird der Stromkreis geschlossen, konnen die Elektronen aus dem W0 3 tiber den Schalter zur Gegenelektrode zuruckflieben, wo das Platin die Rtickreaktion des 13- zum T katalysiert. Gleichzeitig wandem die Lithiumionen in den Elektrolyten zuruck. Die Schicht entfarbt sich - auch unter Bestrahlung, d.h die Lichtdurchlassigkeit kann sowohl bei Beleuchtung als auch im Dunklen durch Schalten wieder erhoht werden. Vorteile des photoelektrochromen Systems: Keine exteme Stromversorgung notwendig, Ein- und Entfarbung konnen unabhangig voneinander optimiert werden, durch Schalten kann die Entfarbung auch bei starker Beleuchtung verringert werden. Die Schaltzeit betragt etwa 15 Minuten. • Thermochrome und thermotrope Schichten Thermochrome Schichten wechseln die Farbe, wenn ihre Temperatur einen bestimmten Wert tibersteigt. Fur Verglasungen wird zurzeit dem Vanadiumpentoxid V Z05 das grolste Potential zugemessen. In dunnen Schichten auf das Glas aufgetragen, andert das V Z05 bei 68°C seine optischen Eigenschaften (von gelb nach grun; je nach Herstellungsverfahren sind auch andere Farbwechsel bekannt!). Erwtinscht ist allerdings weniger eine temperaturabhangige Verfarbung im sichtbaren Bereich. Vielmehr wiinscht man sich die Veranderung der optischen Eigenschaften im IR-Bereich, so dass Wiirmestrahlung je nach Schaltzustand der Scheibe durchgelassen wird - oder eben nicht. Entwicklungsstand: LabormaBstab. Thermotrope Glaser gehen mit steigender Temperatur (selbstandig) von einem klaren, lichtdurchlassigen in einen opaken, lichtstreuenden, weiB eingetrubten Zustand uber, Bei den eingesetzten Substanzen handelt es sich urn Zweikomponentensysteme wie KunststoffKunststoff (Polymerblend)- oder Kunstoff-Wasser (Hydrogel)-Kombinationen. Bei niedriger Temperatur liegt das System homogen und klar vor. Steigt die Temperatur an, kommt es zur Zusammenballung der Polymere. Durch diese .Entmiscbung" stellt sich eine erhohte Lichtstreuung und eine diffuse Reflektion ein. Der Vorgang ist reversibel. Nachteile: nicht steuerbar, ungleichmiiBige Eintriibung, langsame Reaktion.
I
Bis heute ist ein Durchbruch fUr eine breite kommerzielle Anwendung schaltbarer Glaser ("Smart Windows") sowohl aus Kostengriinden als auch aus technischen Griinden noch nicht absehbar.
Marktreif ist inzwischen die Entwicklung von Antireflexschichten fur Flachglas, deren Aufgabe es ist, den Licht- Transmissionsgrad zu erhohen. Die Antireflexeigenschaften beruhen auf einer nanoporosen Interferenzschicht aus SiO z oder Siliciumnitrid (SiN x) , die auf beiden Seiten des Glases aufgebracht wird. Die Reflektionsverluste, die liblicherweise bei 8% liegen, konnen bis auf etwa 2% verringert werden. Anwendungsfelder sind Photovoltaik-Module, grofsflachige Glasfassaden und Gewachshauser. Obwohl noch einige weitere Beispiele fur die Anwendung nanotechnologischer Innovationen in Architektur und Bauwesen zu nennen waren, z.B. mit Nanopartikeln modifizierte Fliesenkleber, Nanocoating von Keramik und Holz sowie neue Flammschutzmittel mit optimiertem Eigenschaftsprofil, erscheinen mir die vorstehend beschriebenen Anwendungsfelder als besonders reprasentativ und zukunftsweisend.
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Sachwortverzeichnis Abbinden 329, 332f., 358 Abbindebeschleuniger 354 Abbindeverzogerer 353 Abgabe von Energie 77 Abgaskatalysator 129 abgebundener Gips 358 abgeschlossenes System 76 Abkiihlkurve des Eisens 232 absolute Luftfeuchtigkeit 99 Absorption, von Strahlung 30 Abstandsfaktor 352 Abstolsungskrafte, elektrostatische 46 Abtrag, s. Stoffabtrag Abwasser 172 Acetaldehyd (Ethanal) 409 Acetat 190, 197,200,202, 41lf. Aceton (Propanon) 409f., 418 Acetylen (Ethin) 397 Acetylide, s. Carbide Achterschale 49 Acrylate 410f., 446, 458, 468 Acrylharze 446, 458 Acrylnitril 445 Aery lsaure (Propensaure) 410 Actinoide 40 acyclische Kohlenwasserstoffe 391 Adhasion 64, 138 Adhasionskrafte 64, 138 Adipinsaure 449 Adsorption 89, 338 Aerosil 281,498 Aerosol 121 Aggregatzustand I Aggressivitat der Atmosphare (Korrosion) 121 Akkumulatoren 224 Aktivierungsenergie 85 Aktivitat 181 Aktivitat, radioaktive Strahlung 25 Aktivitatskoeffizient 181 Albit 66, 228 Aldehyde 407ff. Algizide 383 alicyclische Kohlenwasserstoffe 391 aliphatische Kohlenwasserstoffe 391
Alit 314 Alithydratation 324ff. Alkalibestandigkeit 460 Alkali-Kieselsaure-Reaktion 375f. Alkali-Mangan-Batterie 225 Alkalimetalle 39 Alkalipuffer 377 alkalische Losung 186 Alkalimetallsilicate 282f. Alkalitat, wirksame 377 Alkalitreiben, s. Alkali-KieselsaureReaktion Alkanale 407f. Alkandisauren 412 Alkane 391ff. Alkanole 404f. Alkansauren 41Off. Alkene 395ff. Alkine 396ff. Alkohole 150,403f. Alkydharze 453 Alkylreste 393 Allotropie 107 Alpaka 265 Alphastrahlung 24 Altersbestimmung 27 Alterung von Bitumen 425 von Kunststoffen 462 Aluminate 262 Aluminatphase 315 Aluminium 261ff. Aluminiumbronzen 263 Aluminiumhydroxid 262,275 aluminothermisches Verfahren 263 Alumosilicate 275, 286, 288 Ameisensaure (Methansaure) 412 Amine 401 Aminobenzol, s. Anilin Aminogruppe 401 Aminoplaste 451 Ammoniak 94, 104, 105 - basische Eigenschaft 105 - Puffer 201 Ammonifikation 104
Sachwortverzeichnis
Ammoniumchlorid 198, 202, 370 Ammoniumion 104 Ammoniumnitrat 204,370 Ammonsalpeter, s. Ammoniumnitrat amorphe Stoffe 65, 142,290 Amosit 284 Amphibolasbeste 287 Amphibole 284 Ampholyte (Saure-Base) 184 amphoter 42, 184f., 262 anaerob 105,382 Anfangsfestigkeit 342 angeregter Zustand 32 Angriffsgrad von Wassern 171 Anhydrit 66, 322, 329, 355 Anilin (Aminobenzol) 401 Anion 7,228 Anionbase 184, 197 Anionenaustauscher 168 Anionsaure 184 anisotrop 67 Anlassen 237 Anmachwasser 171 annelierte Ringsysteme 401 Annelierung 401 Anode 213,227£,239 anodische Oxidation 213,227,228 anodischer Korrosionsschutz 260f. anorganische Bindemittel 305ff. Anorthit 66, 288f. Anreger 318,360 Antioxidationsmittel, Antioxidantien 437f., 465 Anziehungskrafte - elektrostatische 46 - intermolekulare 62 Apatit 273, 355 Aquakomplexe 152, 173 Aquivalenzkonzentration (Normalitat) 191 Aquivalenzpunkt 176, 189 Aragonn 66,272,307 Argon 98 aromatische Verbindungen 397ff. Arrheniussche Saure-Base-Theorie 181 Arylrest 398
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Asbest 287 Asbestzemente 288 Aschen 320 Asphalte 426 Asphaltene 420 Assoziationskolloide 157 ataktisch 430 Atmosphare 97 Atmospharendruck - und Siedepunkt 145 Atmosphiirentypen (Korrosion) 121 Atom 6 Atombau 2lff. Atombindung (Kovalenz) 48ff. Atomhypothese, Dalton 8 Atomkem 22 Atommasse - absolute 11 - relative 11 Atomare Masseneinheit 11, 541 Atommodell, Bohr 3Off. Atomorbital 32 Atomradius 40 Atomspektrum 30 Aufbauprinzip 36 Aufenthaltswahrscheinlichkeit 33 Auflosen eines Salzes 151ff. Aufnahme von Energie 77 Aufstellen von Reaktionsgleichungen 74,208 Ausbauasphalt 491 Ausbliihungen 384ff. Ausgleichsmasse 471 Auslaugung von Beton 365 auBere Weichmachung 433 Austenit 236 Autoabgase 129 Autoklav 146,356,364 Autoprotolyse des Wassers 185 Avogadrosche Konstante 12,541 Bakelit 451 bakterielle Besiedlung 381 Balmer-Serie 31 Bandermodell, s. Energiebandermodell Bandsilicate 284
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Bariumsulfat 164,273,437 Basalte 274 Basen 42,181£,186,205 Baseanhydrid 42 Baseexponent 194 Basekonstante 194 Basestarke 192f. basische Losungen 186 basische Oxide 42 Baufeuchtigkeit 309 Baugipse 355ff. Bauglas 294f. Baukalke 307ff. Baustahle 237 Bauschutt 488 Baustellenabfalle 488 Baustoffrecyc1ing 487 ff. Bautenschutz 388f. Bauxit 344 Becquerel 25 Beilsteinprobe 443 Beizen 260 Beizinhibitoren 260 Belit 314, 315f. Beliiftungselement 242 Benetzung 138 Benzine 394f., 418 Benzoesaure 412 Benzol 398f., 418 Bergkristall 278 Beschichtungen 390, 459, 500 Beschleuniger 354f., 437 Besetzung von Orbitalen 36 Betastrahlung 24 Beton 332ff., 336, 338 Betoncarbonatisierung 378 Betonkorrosion 367ff. Betonverfliissiger 347 Betonzusatzmittel 347ff. Bewehrungsstahl (korr. Angrift) 378f. Bienenwachs 415 Bildungsenthalpie 79,536 Bimsstein 274 Bindemittel 305ff., 459 Bindungsdissoziationsenergie 463 Bindungselektronenpaar 48
Sachwortverzeichnis
Bindungsenergie 463 Bindungslange 40 Bindungspolaritat 56 Bindungswinkel 5U., 132 biogene Schwefelsaurekorrosion 382 biogene Sedimente 276 Biokorrosion 241,381 biologische Schadigungen 368,38Of. Biomineralisation 276 Biozide 383 Bittersalz 386 Bitumen 419ff. bitumenhaltige Bindemittel 419ff. Bitumenemulsion 424 Bitumenkitte 471 Bitumenlosung 423 Blauepilze 475 Blei 267ff. Bleiakkumulator 226 Bleiglanz 273 Bleikristallglas 294 Blockcopolymere 430 Bodenfeuchtigkeit 258 Bodenkorper 160 Bodenkorrosion 244 Bogue-Formeln 316 Bohmisches Kristallglas 293 Bohrsches Atommodell 28 Bor-Tonerde-Glaser 294 Borax 294 Boudouard-Gleichgewicht 233 Brandschutzglas 295 Branntkalk, s. gebrannter Kalk Bravais-Gitter 534 Brennen von Kalkstein 95, 307 Brennen der Zementrohstoffe 312 Brennstoffzelle 226 Bromierung von Doppelbindungen 395 Bronsted-Base 183 Bronsted-Saure 183 Bronzen 265 Brtmieren 176 Building Related Illness (BRl) 487 Biirette 176 1,3-Butadien 396 Butan 392
Sachwortverzeichnis
Butanol 405 Butansaure, s. Buttersaure I-Buten 396 2-Buten 396 I-Butin (Ethylacetylen) 396 2-Butin (Dimethylacetylen) 396 Buttersaure (Butansaure) 410 Calcinierung 307 Calcit 307 Calciumaluminate 315, 328f. Calciumaluminatferrite 328f., 316 Calciumaluminatferrithydrate 331f. Calciumaluminathydrate 330f. Calciumcarbid 397 Calciumcarbonat 274f., 307, 378 - Brennen 307 - Loslichkeit 166,531 - Reaktion mit Kohlensaure 116 Calciumhydrogencarbonat 116, 167,369 Calciumhydroxid 161,308,324 Calciumnitrat 387 Calciumnitrit (Korr.inhibitor) 354 Calciumoxid 42, 308 Calciumphosphat 168,355 Calciumsilicate 310, 314f. Calciumsilicathydrate 323f. Calciumsulfat 165, 168, 355f. Calciumsulfat-Dihydrat 356 Calciumsulfat-Halbhydrat 356 Carbidion 397 Carbonate 114, 115f. Carbonatharte 167 Carbonatisierung, Luftkalke 309 Carbonatisierung, Beton 378 Carbonatisierungstiefe 379 Carbonatnachweis 114 Carbon Nano Tubes 502 Carbonsauren 410ff. Carbonsaureester 413f. Carbonylgruppe 407 Carboxylgruppe 410 Cellulose 472 CEM(II)-Zemente 346 Cementit 235f. Chalkogene 39
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Chelate 174 Chelatkomplexe 174 Chemiegips 355 chemische Bindung 45ff. chemische Formel 6,392 chemische Korrosion (Metalle) 237ff. chemische Korrosion nichtmetallischer Baustoffe 368ff. chemische Reaktion 7, 74ff. chemisches Gleichgewicht 90ff. chemisches Symbol 5 chemische Verbindung 6 chern. gebundenes Wasser 155,338,341 Chemisorption 89 Chlor 206, 210 Chloralkalielektrolyse 229 Chloralkane 40 If., 418 Chlorbenzol 399,418 Chloridkorrosion 245,379f. Chloridnachweis 164 Chlorkohlenwasserstoffe 401, 418 Chlormethan (Methylchlorid) 403 Chloroform, s. Trichlormethan Chlorokomplexe 173f., 245 Chlorsilane 300 Chlorwasser 210 Chlorwasserstoff 182, 204 Chrom 269ff. Chromat 269 Chromatieren 258 Chromatreduzierer 269f. Chrysotil 284 Cobaltkomplexe 174 Copolymere 429 Coulombsches Gesetz 46 Cristobalit 279 CSH-Phasen 323ff. Curie 25 Cyanid als Ligand 173 cyclische Ether 407, 415 Cycloalkane 394ff. Cyclohexan 394,418 Cypermethrin 479 Dammstoffe 294,445,455 Daltonsche Atomtheorie 8
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Daltonsches Gesetz der Partia1drticke 101 Dampfdruck - Losungen 146f. - reines Wasser 143 Daniell-Element 213 DDT 400 Debye 56 Decan 392 Defektelektron 61 delokalisierte Bindung - Benzol 397 - Ozon 108 - Stickoxide 123 Deltamethrin 479 demineralisiertes Wasser 169 Denitrifikation 105 Depassivierung des Bewehrungsstahls 379 Depolymerisation 463 Desoxidation 234 Destillation 4 Detergentien, s. Tenside Deuterium 24 Diabas 274 Diagenese 275 diamagnetisch 106 Diamminsilber-Komplex 164 Diaphragma 213 1,2-Dibromethan 395 Dicalciumsilicat 310, 314f. Dicarbonsiiuren 412 Dichlordifluormethan 403 Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT) 400 1,2-Dichlorethan 396 Dichlorethene 395 Dichlormethan (Methylenchlorid) 403, 418 Dichromat 269 dichteste Kugelpackung 67 Dichtungsmittel 353 Dielektrizitiitskonstante 152 Diene 396 Diethylether 406, 418 Diffusion 334 Diffusionschromieren 254
Sachwortverzeichnis
Dihydrogenphosphat 205 Dimethylacetylen, s. 2-Butin Dimethylbenzole, s. Xylole Dimethylether 407 Dimethylketon (Aceton) 408, 418 Dinasteine 299 Diole 404, 405 Diorit 274 Dioritporphyr 274 1,4-Dioxan 407 Dioxine 416 Dipol 56, 132 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen 62 Dipolmolekiil 56f., 132 Dipolmoment 56 Diradikal 49, 106 Dispergiermittel, s. Tenside Dispersion 156ff. Dispersionsgrad 156 Dispersionskolloide 157 Dispersionskriifte 63 Dispersionsklebstoffe 467 Dispersionsmittel 141, 156 Disproportionierung 210 Dissoziation, elektrolytische 178 Dissoziationsgrad 178 Dissoziationskonstante 178 Distickstoffmonoxid 118 Dolomit 273, 307 Dolomitkalk 310 Doppelbindung 51,395 d-Orbitale 34 Dotierung 61 Dreifachbindung 51,396 dreiwertiger Alkohol 405,414 Dreiwegekatalysator 129 Druck - und chemisches Gleichgewicht 94 Druckfestigkeit von Beton 341 Dualismus, Welle-Teilchen 32 Duplex-System 253 Duraluminium 263 Duromere, s. Duroplaste Duroplaste 436 Dynamidonsteine 299
Sachwortverzeichnis
dynamisches Gleichgewicht 9lf., 143, 160 Echte Losung 155 Edelgase 39 Edelgaskonfiguration 46 Edelstahle 248 edle Metalle 218, 219 EDTA 176 Edukte 7,74 einbasige (einprotonige, einwertige) Sauren 191, 204 Einbauklassen 490 Einfachbindung 50, 39lf. Einfriertemperatur 432 Einkomponenten-Klebstoffe 468 Einlagerungsmischkristalle 71 Einpresshilfen 354 einsaurige (einwertige) Basen 191 Einstreumenge 361 einwertiger Alkohol 404 einzahniger Ligand 174 Eis 133, 134 Eisen - analytischer Nachweis 176 - Darstellung 233 - pysikalisch-chemische Eigenschaften 231 Eisenerze 231 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 235 Eisenoxidhydroxid (Rost) 243 Eisenphosphat 257 Eisessig 412 Elastomere 434f. elektrische Leitfahigkeit 179f. elektrisches Potential 212 elektrochemische Spannungsreihe 214 f., 218,220,533 elektrochem. Stromerzeugung 224ff. elektrochrome Schichten 503 Elektrode 211 Elektrodenpotential 214 Elektrolyse 227f. Elektrolyte 177f. elektrolytische Dissoziation 178 elektromagnetisches Spektrum 29
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elektromotorische Kraft 216 Elektron 21 Elektronegativitat 54 Elektronenaffinitat 41 Elektronendichte 33 Elektronengasmodell 59 Elektronenhulle 22, 28f. Elektronenkonfiguration 36 Elektronenoktett 48 Elektronenpaar 48 Elektronenpaarbindung 48 Elektronensprung 32 Elektroneniibergang (Redox) 45 elektrostatische Anziehung 46 Elementarladung 21, 541 Elementarteilchen 21f. Elementarzelle 65 Elemente - chemische 5,38f. - galvanische 213 Eloxal-Verfahren 256,261 Emaillieren 256 Emulgatoren, s. Tenside Emulsion 157f., 424 Emulsionspolymerisation 457 Enantiotropie 232 endogene Krafte 272 endotherme Reaktion 77 endothermer Losungsvorgang 154 Energie - chemischer Reaktionen 75 - elektromagnetische Strahlung 30 - von Orbitalen 36 Energiebandermodell 59 Entglasung 291,296 Entropie 82 Entsauerung 307 Entschwefelung von Rauchgasen 125 Entstickung von Rauchgasen 129 Entzinkung 250 EP 456 Epichlorhydrin 456 Epoxide 456 Epoxidharze 456 Erdalkalimetalle 39 Erdalkalimetallsilicate 282, 314 f.
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Erdaushub 488 Erdol 394,419 Erdolharze 421 Ergussgesteine 274 Erhaltung der Masse 7 Erhartung 332,358,462 Erosion 275 Erstarren 332, 338 Essigsaure (Ethansaure) 412 Essigsaure-Acetat-Puffer 202 Essigsaurebutylester 418 Essigsaureethylester 413,418 Ester 413ff. Estrichgips 358 Ethan 392 Ethanal, s. Acetaldehyd 1,2-Ethandiol, s. Ethylenglycol Ethandisaure, s. Oxalsaure Ethansaure, s. Essigsaure Ethanol 404,418 Ethen (Ethylen) 395 Ether 406ff. Ethin 396 Ethinylrest 397 Ethylacetat, s. Essigsaureethylester Ethylacetylen, s. l-Butin Ethylalkohol, s. Ethanol Ethylen (Ethen) 395 Ethylendiamin 174 Ethylendiamintetraacetat (EDTA) 176 Ethylenglycol (1,2-Ethandiol) 150, 405f., 418 Ethylgruppe (-rest) 393 Ettringit 329f., 372, 374 Ettringitbildung, verspatete 374 Eutektikum 71 eutektisches Gemisch 71 Eutrophierung 169 exogene Krafte 272 exotherme Reaktion 77 exothermer Losungsvorgang 154 extensive GroBe 13 Fallen 163 Farben von Glas 294 Faradaykonstante 2l7f., 221, 541
Sachwortverzeichnis
Faradaysche Gesetze 229 Farbmittel 438 FCKW 117, 402f., 455 Fehlingsche Losung 409 Feldspate 273,288f. Ferritphase 316 Ferrosilicium 234 feste Losungen (Mischkristalle) 70f. fester Zustand 64ff. Festgestein 273 Festigkeitsklassen 342 Festigkeit von Beton 341 Festigkeit von Polymermorteln und Polymerbetonen 461 Festkorper 64 Festkorperreaktionen 87 Fette 414 Fettsauren 411 feuerfeste Steine 299 Feuerschutzmittel (Holz) 480 Feuerverzinkung 253 Filtration 4 Flachenkorrosion, gleichmalsige 248 flachenzentriert 66 Flammschutzmittel (Holz) 480 FlieBbereich 432 FlieBbeton 348 FlieBmittel 348 FlieBtemperatur 432 Flint 376 Fluate 390 Flugrost 244 Fluorchlorkohlenwasserstoffe 117, 402f., 455 Fluorkieselsaure, s. Hexafluorokieselsaure Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) 111 Fluorosilicate 390 Fluorwasserstoff 64, 279 Flussmittel 298 Flussspat 273 Fogging 483 Formaldehyd (Methanal) 409,450 Formalin 409 Formel 6, 392 Formelumsatz 74
Sachwortverzeichnis
Formiate 410 fraktionierte Destillation 100 freie Enthalpie 82 freier Kalk 313,317,375 freie Kohlensaure 116 freie iiberschiissige Kohlensaure 116, 369 freie zugehorige Kohlensaure 116 freiwillig ablaufende Prozesse 82 Fremdstrom (Korrosionsschutz) 259 Frequenz 29 Friedelsches Salz 380 Frigene 402 Frischbeton 336 Frischholzinsekten 474 Frostangriff an Beton 149 Frostschutzmittel 150 Frost-Tausalz-Angriff 150 Fiillstoffe (Fiiller) 321,437,459 fungizide Wirkstoffe 383, 477f. Furanharze 454 Gabbro 274 galvanische Zelle (galvanisches Element) 213 Galvanisieren 254 Gammastrahlen 24 Gangart 233 Ganggesteine 274 gaschrome Schichten 504 Gase - allgemeine Zustandsgleichung 10 - ideale Gase 9 - im chemischen Gleichgewicht 93 - Loslichkeit 100f. - reale Gase 9 Gasbeton, s. Porenbeton Gaskonstante 10,221,541 gebrannter Kalk 308 gebundene Kohlensaure 116 Gefrierpunkt 2, 135, 146 Gefrierpunktsemiedrigung 146f. Gel 159f., 333, 339 geloschter Kalk 308 Gelporen 335, 339f. Gelwasser 339
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Gemenge, s. Gemisch Gemisch 3 Gerbstoffe des Holzes 474 Geriistsilicate 288f. Gesamthiirte 167 gesattigte Kohlenwasserstoffe 391ff. gesattigte Losung 160 geschlossenes System 75 Geschwindigkeit einer Reaktion 83 Geschwindigkeitskonstante 84 Geschwindigkeitsverteilung 85 Gesetz der Erhaltung der Masse 7 Gesetz der konstanten Proportionen 7 Gesetz der multiplen Proportionen 8 Gesteine 273ff. Gesteinskornung (friiher: Zuschlag) 321,336,338,375£ GFK 435 Gibbs-Helmholtz-Gleichung 82 Gips 273,322,355£ Gipserhartung (-hydratation) 358 Gipsstein, s. Gips Gipstreiben 373 Gitterenergie 46 Gitterkonstanten 65 Glas (Definition) 290 Glaselektrode 188 Glaser 290ff. Glasfaserprodukte 294 glasfaserverstarkte Kunststoffe 435 Glaskeramiken 296 Glaskorrosion 295 Glassorten 292 Glasiibergangstemperatur 432 Glasur 300 Glaubersalz 386 Gleichgewicht, chemisches 9lff. - Druckabhangigkeit 94 - Temperaturabhangigkeit 94 Gleichgewichtskonstante 92 - bei Fallungs- und Losereaktionen 162 - bei Saure-Base-Reaktionen 194 Gleichgewichtsreaktionen 90f. gleichioniger Zusatz 165 Glimmer 284f. Glimmerschiefer 278
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Glucose 473 Glycerin (Propantriol) 150, 405f., 414, 418 Glycerinester 414 Gneise 278 Goldschmidt-Verfahren 263 Grad deutscher Harte 167 Granite 3,274 Grauwacken 276 grenzflachenaktive Stoffe 140ff. Grenzformeln , mesomere 108, 122, 123, 398 Grenzwerte fur chemische Stoffe im Trinkwasser 170 Grenzwerte zur Beurteilung des Angriffsgrades von Wassern 172 grobdisperse Systeme 156 Grundwasser 131, 171 Grundzustand, e1ektronisch 32 Gruppensilicate 284 Gumrnielastizitat 434 Gussschiacke 234 Haber-Bosch-Verfahren 94 Haftatom 174 Haftgrundvermittler 257 halbbesetzte Schale 38 Halbelement, s. Halbzelle Halbhydrat 356 Halbleiter 61 Halbwertszeit 26 Halbzelle (Halbelement) 211 Halogenalkane 401f. Halogene 39 Halogenkohlenwasserstoffe 400, 401 Haltepunkt 232 Hamatit 231,273 Hamstoff 451 Hamstoff-Formaldehyd-Harze 451 Harte des Wassers 166ff. Hartebereiche 167 Hartegrade nach Mohs 47 Harter 428,435,450,453,456,462,468 Hartgestein 273 Hart-PE 441 Hart-PVC 443
Sachwortverzeichnis
Harze 427, 450f(, 456,459,474 Hauptgruppen 39 Hauptquantenzahl 33 y-HCH, s. y-Hexachlorcyclohexan Hemicellulose 472 Henderson-Hasselbalch-Gleichung 201 Henry-Daltonsches Gesetz 101 Heptan 392 Hess, Satz von 81 Heteroatom 415 heterocyclische Verbindungen 415ff. heterogene Gleichgewichte 95f. heterogene Katalyse 89 heterogene Reaktionen 87 heterogenes Gemisch 3 y-Hexachlorcyclohexan (Lindan) 478 Hexafluorokieselsaure 390 hexagonal 66,534 hexagonal dichteste Kugelpackung 67 Hexamethylendiamin 449 Hexammincobalt(III)-chlorid 173 Hexan 392 1,6-Hexandiisocyanat 455 Hinreaktion 91 Hochdruckpol yethylen 440 hochhydraulischer Kalk 311 Hochofen 223 Hochofenschlacke 234 Hochofenzement (CEM III) 346 Holz 472ff. - chemische Zusammensetzung 472 Holzcellulose 472 Holzschadigungen 475 Holzschutz 474ff. HolzschutzmitteI 475ff. homogenes Gemisch 3 homogene Katalyse 89 homologe Reihe 391 Homopolymere 429 Hornblenden, s. Amphibole Hume-Rothery-Phasen 73 Hundsche Regel 36 Hiittenbims 234 Hiittensand 234 Hiittenzemente 346 Hybridisierung 51f.
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Sachwortverzeichnis
Hybridorbita1e 51 Hydratation 151ff., 173 Hydratation des Zements, s. Zementhydratation Hydratationsdruck 154,387 Hydratationsentha1pie 153 Hydratationswarme, s. Hydratationsentha1pie Hydrate 153,385 Hydrathtille 153 hydratisierte lonen 151, 173 Hydratphasen des Zements 323ff. Hydrau1efaktoren 310 Hydrau1emodu1 313 hydrau1isch 3 10 hydrau1ische Kalke 310 Hydridion 43 Hydrogencarbonate 115, 167,369 Hydrogenphosphate 205 Hydrogensu1fate 120,203 Hydrogensu1fite 120 Hydrolyse 198 Hydrona1ium 263 Hydroniumion 182 hydrophi1 138, 140f., 158 hydrophile Kolloide 158 hydrophob 138, 140(, 158 hydrophobe Kolloide 158 Hydrophobierung 301,388f. Hydrophobierungsmitte1 301,388f. hydrotherma1e Prozesse 146,364 Hydroxide 42, 205 Hydroxidion 181, 185 Hydroxy1gruppe 403 hygroskopisch 154f., 203, 362, 390 Idea1er Zustand eines Gases 9 Illit 285,296 Impragnierung 388 Inchromieren 254 Indikator (Saure-Base) 187 Induktionskrafte 62 induzierter Dipo1 62 Initiatoren 437 Inhibitor 90f., 260 Innenraume 480
Innenraumschadstoffe 488ff. innenzentriert 66 innere Energie 77 innere Weichmachung 434 insektizide Wirkstoffe 475f. Inse1si1icate 284 intensive GroBe 13 interionische Wechse1wirkungen 180 interkristalline Korrosion 250 intermetallische Verbindungen 73 intermo1eku1are Bindungskrafte 62ff. intermo1eku1are Wechse1wirkungen, s. intermo1eku1are Bindungskrafte iondisperse Systeme 156 lon-Dipo1-Wechse1wirkung 62 lonen 7 lonenaustausch 168 lonenbindung 45f. lonengitter 46, 68f. loneng1eichung 208 lonen1adung 7 lonenprodukt des Wassers 185 lonenradius 40 lonenverbindungen 6 ionischer Charakter einer Bindung 57 lonisierungsenergie 41 Irdengut 298 Isobutan 393 Isobutano1 405f., 418 Isocyanat 455 isoe1ektronisch 104 Isolator 62 Isomerie 392, 395 Isomorphie 70 Isopren 396 Isopropanol 405 isotaktisch 430 Isotope 23 isotrop 67 Jenaer G1as 293 Jou1e-Thomson-Effekt 100 Ka1i-Blei-G1as 294 Ka1ife1dspat 273, 288 Kali-Ka1k-G1as 293
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Kalilauge, s. Kaliumhydroxid Kaliumcarbonat (Pottasche) 293,390 Kaliumchromat 207, 269f. Kaliumdichromat 207, 269f. Kaliurnhydroxid 205 Kaliumnitrat (Kalisalpeter) 204,388 Kaliumpermanganat 207,209 Kaliumsilicat (Kaliumorthosilicat) 282 Kaliumsulfat 385 Kalke 307ff. Kalkablagerungen (Ausbluhungen) 384 Kalkbrennen 95, 307f. Kalkerhartung 309 Kalkfeldspat 288 Kalkhydrat 308 kalkig gebundener Sandstein 276 Kalk(stein)-Kohlensaure-Gleichgewicht 116 Kalkloschen 308 kalklosende Kohlensaure 117, 369f. Kalkmilch 308 Kalkmergel 276£., 312 Kalkmortel 308 Kalksalpeter 204,387 Kalksandstein 364 Kalkschiefer 278 Kalkseifen 371 Kalk-Soda-Verfahren 168 Kalkspat 307 Kalkstandard 313 Kalkstein 95, 274f., 307 Kalktreiben 375 Kalktuffe 277 Kalorimeter 79 Kanalstrahlen 21 Kaolin 287,296 Kaolinit 284 Kapillaritat 139 Kapillarporen 339 Kapillarwasser 339 Katalysator 88, 129 Katalyse 88ff., 129,497 Kation 7 Kationenaustauscher 168 Katode 7,213,225,227,239 Katodenstrahlen 22
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katodischer Korrosionsschutz 258ff. Kautschuk 435 Kautschukkitte 471 Keramik 297f. keramische Wolle 295 Kernladungszahl 23 Kesseldrucktrankung 479 Kesselstein 167 Ketogruppe 407 Ketone 407ff. Kettenreaktion 439 Kettensilicate 284 Kiesabbrand 312 Kiese 275, 279f. Kieselgel 280 Kieselglas 292 Kieselgur 276,281£. kieselig gebundener Sandstein 276 Kieselsauren 279ff. Kieselsaureester 389 kinetische Energie 78, 86 Kitte 471 klastische Sedimente 276 Klebstoffe 466ff. klimawirksame Spurengase 117 Klinker (Ziegel) 298 Klinkerphasen 314ff. Knallgasgemisch 83 Koagulation 159 Kochsalz, s. Natriumchlorid Kohasionsdruck 136 Kohasionskrafte 64, 136 Kohlendioxid 95, 113f., 115,309 Kohlendioxid-Zyklen 115 Kohlenmonoxid 114 Kohlensaure I 15ff. Kohlenstoff- Nanorohren 502 Kohlenstoff-Silicium-Gruppe 39 Kohlenstoff-Uhr 27 Kohlenwasserstoffe 391ff. Koks 233 Kolloide 156£f. Komplexbildner, s. Ligand Komplexbildung 173 Komplexe, s. Komplexverbindungen Komplexometrie 176
Sachwortverzeichnis
Komplexbildungsreaktionen 173ff. Komplexverbindungen 173 Kompositzement (CEM V) 346 Komproportionierung 210 Kondensation (phys.) 143 Kondensationsreaktion 280, 300, 449 kondensierte Aromaten 401 Konigswasser 220 konjugierte Doppelbindungen 396 konjugiertes Saure-Base-Paar, s. korrespondierendes Saure-Base-Paar Konstitutionsformel 392 Konstitutionsisomerie 392 Kontaktekzem (Zement) 269 Kontaktklebstoffe 467 Kontaktkorrosion 245ff. Kontaktwinkel 138 kontinuierliches Spektrum 29 Konzentration 13 Konzentrationskette 223 KonzentrationsmaBe 13ff. Koordinationsgeometrie 175 Koordinationsverbindungen 173 Koordinationszahl 175 koordinative Bindung 173 Korallenkalk 276 Korngrenze 250 korrespondierendes Saure-Base-Paar 183 Korrosion, metallische 237ff. - Bewehrung 378f. - Erscheinungsformen 248f. - Typen 238 - Wesen 238 Korrosion nichtmetallisch-anorganischer Baustoffe 367ff. Korrosion von Natursteinen 388 Korrosionselement 239 Korrosionsgeschwindigkeit 240 Korrosionsinhibitoren 260,354 Korrosionsschutz 251ff. Korrosionsschutzpigmente 255f., 267 Korrosionsstrom 240 Korund 261£,273,363 kovalente Bindung 48ff. Kreide 276
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Kristalle 64 - Auflosung 15If. Kristallgitter 65 kristalline Hochofenschlacke 234 Kristallisationsgrad von Kunststoffen 431 Kristallisationsdruck 385 Kristallite 58, 72, 250 Kristallitschmelztemperatur 432 Kristallstruktur 65 Kristallsysteme 66,534 Kristallwasser 153 kritische Temperatur 145 kritischer Druck 145 kritischer Punkt 145 kubische Kristallgitter 66, 534 kubisch-dichteste Kugelpackung 67 Kunstharze 427 Kunststoffdispersionen 457ff. Kunststoffe 427ff. kunststoffgetrankter Beton 459 kunststoffmodifizierter Beton 459 Kupfer 264ff., 273 Kupfer-HDO 477 Kupferkies 273 Kupfernachweis 265 Kupfersulfat-Pentahydrat 154, 175,264 Ladung des Elektrons 21,535 Ladung des Protons 21,535 Ladung eines Ions 7 Ladungsbilanz chemischer Reaktionen 75, 208f. Ladungsdichte 33 Lanthanoide 40 latent-hydraulisch 318 Latentwarmespeicher 499f. Laugen (Basen) 42, 18If., 186,205 Lavagesteine 274 Ledeburit 236 Leclanche-Element 224 Legierungen 70ff. Lehm 296 Leichtmetalle 261 Leinol 255,414 Leitfahigkeit, elektrolytische 179ff.
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Leitfahigkeitsband (Leitungsband) 60 Lewis-Formel 48 Lichtabsorption 30 Lichtgeschwindigkeit 29,541 Ligand 173 Lignin 472 Ligninsulfonate 347 Limonit 231 Lindan 478 lineare Makromolektile 301,428 Linienspektrum 30 Linoxyn (Linoxid) 459 Liquiduslinie 71,235 Lithiumzelle 225 Lithopone 266 Lochfrabkorrosion 249 Lochleitung 61 Lockergesteine 273 Lokalelement 239,245 Loschkalk 308 losender Angriff 369ff. Loslichkeit 160ff. - von Gasen 100f. - von Salzen 160,531 Loslichkeitsprodukt 160ff. Losungen 155ff. - Dampfdruck 146 - Gefrierpunkt 148 - Konzentration 13 - Siedepunkt 148 Losungsenthalpie 154 Losungsmittel 13, 152, 155 Iosungsmittelhaltige Nassklebstoffe 466 Losungsvorgang 151ff. Lotus-Effect'" 496 Luft 97ff. - Zusammensetzung 97 - physikalisch-chemische Eigenschaften 99 Luftbindemittel, s. Luftkalke Luftfeuchtigkeit 99 Luftkalke 307 Luftporenbildner 352 Luftschadstoffe 119ff., 480 Luftverflussigung 100 Lyman-Serie 32
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Magerungsmittel 298 Magmatite 273 Magnesia 362 Magnesiabinder 362 Magnesiaestrich 363 Magnesiatreiben 375 Magnesit 362 Magnesiumcarbonat 167 Magnesiumchlorid 362,370,374 Magnesiumhexafluorosilicat 390 Magnesiumhydroxid 362,375 Magnesiumsulfat 385,386 magnetische Eigenschaften 106 Magnetit 231 Magnetquantenzahl 35 Makromolekille 300,421,428 MAK-Wert 109 Maltene 420 Mangan 225,234,237,263 Marmor 277 Martensit 237 Masse - Atom 11 - Elektron 21 - molare 12 - Neutron 23 - Proton 21 Massenanteil 14 Massenprozent 14 Massenkonzentration 15 Massenwirkungsgesetz 91ff. - Anwendung auf Losungsgleichgewichte 162 - Anwendung auf Saure-Base-Gleichgewichte 193 Massenzahl 23 Mauersalpeter 387 Mauerziegel 298 Maurerkratze (Kontaktekzem) 269 Maxwell-Boltzmannsche-Geschwindigkeitsverteilung 85 mehrwertige (mehrbasige) Sauren 191, 196,199,203,205 Mehrfachbindung 49,51,53,395 mehrprotonige Sauren, s. mehrwertige Sauren
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mehrwertige (mehrsaurige) Basen 191, 199 mehrzahniger Ligand 174 Me1amin-Formaldehyd-Harz 452 Melamin-FormaldehydSulfit-Harze 348 Membran 136, 188 Mennige 255,268 Mercaptogruppe 435 Mergel 276f., 310, 312 mesomere Grenzformeln 108, 122,398 Messing 250, 265 Metallbindung 58ff. Metallgitter 67 metallische Korrosion 237ff. metallische Leiter 58 metallischer Zustand 58 Metallkomplexe, s. Komplexverbindungen metamorphe Gesteine (Metamorphite) 277ff. metastabil 162,322,356,362 Methacrylsaureester 446 Methan 52,98,118,391£ Methanal, s. Formaldehyd Methangarung 118 Methansaure, s. Ameisensaure Methanol (Methylalkohol) 404f.,418 Methylacetylen, s. Propin Methylbenzol, s. Toluol Methylbutan (i-Pentan) 393 Methylchlorid, s. Chlormethan Methylenchlorid, s. Dichlormethan Methylgruppe (-rest) 393 Methylmethacrylat 418, 446 Methylorange 188 Methylphenylether 407 Methylpropan 393 2-Methyl-l-Propanol (lsobutanol) 405 2-Methyl-2-Propanol (t-Butanol) 405 Methylrot 188 MF 452 Micellen 141,421 Microfibrillen 473 Mikrosilica 320 Milchsaure 172
Mindestfilmtemperatur 460 Mineraldammstoffe 294 Minerale 272ff. Mineralole 371,394,415 Mineralsauren 205 Mischbarkeit 152 Mischelemente 23 Mischkristalle 70 MMA 418 Modifikationen 106,232,307 Modifikatoren 462 Molzahldifferenz 92 Mohssche Harteskala 47 Mol 12 molale Gefrierpunktsemiedrigung 148 molale Siedepunktserhohung 148 Molalitat 148 molare Leitfahigkeit 180 molare Masse (Molmasse) 12 Molaritat 16 Molekiil 6 molekulardisperse Systeme 156 Molekiilgeometrie 5Uf. Molekiilgitter 62 Molekiilkolloide 157 Molekiilmasse, relative 11 Molekiilorbital (MO) 59 Molekiilverbindungen 6 Molenbruch 18 Molprozent 18 Molvolumen 9,541 monoklin 66, 534 Monomer 428 Monosulfat 330,332,333,336,374 Montmorillonit 284 Mortel 279, 282, 308, 323, 329, 332, 344,348,362,384,385,387,390 MS-Polymere 469 Muldenkorrosion 249 Mullit 298 Musche1kalk 276 Muskovit 284, 287 Nanosilica 321,501 Nanotechnologie 493 Na20-Aquivalent 13
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Naphthalin 401 Naphthalin-ForrnaldehydSulfit-Harze 348 Natriumacetat 197,202 Natriumcarbonat (Soda) 168, 292 Natriumchlorid 197,204 - Elektrolyse 228 - Gittertyp 70 -lonenbindung 45 Natriumhydroxid 205, 229 Natriumnitrat (Natronsalpeter) 204 Natrium(ortho )silicat 282 Natriumsulfat 385ff. Natriumsulfit 128 Natron-Kalk-Glas 292 Natronlauge, s. Natriumhydroxid Naturkautschuk 435 natiirliche Radioaktivitat 24 Natursteine 273 ,388 NA-Zemente 343 Nebengruppen 39 Nebengruppenelemente 40 Nebenquantenzahl 34 Nemstsche Gleichung 221 ff. neutrale Losung 186, 197 Neutralisation 182, 189 Neutron 22 n-Halbleiter 61 nichtbindendes Elektronenpaar 48 Nichtcarbonatharte 167 Nichtelektrolyte 177 Nichtmetalle 42 nichtrostender Stahl 237 Nickel 234 ,237 Nitrate 104, 204f., 370, 387 Nitrifikation 105 Nitrite 105 Nitrobenzol 401 Nitrosylchlorid 220 nivellierender Effekt 195 Norrnalalkane (n-Alkane) 391 Norrnalglas 292 Normalitat 191 Norrnalpotential 215 Norrnalwasserstoffelektrode 215 Norrnalzementarten 346
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Norrnbedingungen 9 Norrndichte von Gasen 13 Norrnfestigkeit 342 Norrn-Reinheitsgrad 253 Novolake 451 Nucleonen 22 Nuclide 22 Nylon 449 Oberflachenenergie 136 Oberflachenbenetzung 138 Oberflachenschutz 388 Oberflachenspannung 137f., 141,348 offenes System 75 Oktaeder 175 oktaedrischer Komplex 175 Oktetterweiterung 49 Oktettregel 48 Ole 371 ,414 Olefine 395f., 440 olige Holzschutzmitte1 478f. Olivin 272 , 284f. Olsaure 410,414 Opal 278 , 376 opaline Sande 376 Opferanode 258 optisches Glas 294 Orbitale 32f. Orbitalbesetzung 36 OrbitaliiberJappung 50 Ordnungszahl 23 organisches Glas 446 organische Verbindungen 391ff. Orientierungskrafte 62 Orthokieselsaure 279 Orthoklas 288 Orthophosphorsaure, auch Phosphorsaure 205 ortho-Stellung 399 Osmose 335 osmotischer Druck 335 Ostwaldsches Verdiinnungsgesetz 195 Ostwald-Verfahren 122 Oxalate 412 Oxalsaure (Ethandisaure) 412 Oxide 42, 106f., 206
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Oxidation 206 Oxidationsbitumen 422 Oxidationsmitte1 207 Oxidationsstufe, s. Oxidationszah1 Oxidationszah1 43 oxidierende Saure 203,204,219 Oxidion 107 Oxidschicht 219,231,243,247,256, 261,264,266,268 Oxoniumion 182 Ozon 107ff. Ozon1och 110 Ozonschicht (Ozongurtel) 109 PA 449 Palmitinsaure 411, 414 Paraffine 394,500 Paraffinwachs 394,500 Parallelepiped 65 paramagnetisch 106 para-Stellung 399 Parathion 478 Partia1druck 93, 101 Partialladung 56, 132 Paschen-Serie 32 passiver Korrosionsschutz 253ff. Passivierung 219, 231, 237, 261, 269 Patina 264 Pau1i-Prinzip 35 PB 442 PBT 453 PC 453 PCM 499 PE 440 Peche 426 Pectacrete 344 Pentan 392 Pentanatriumtriphosphat 169 Penten 396 Perik1as 317,375 Periodensystem der E1emente 38ff. periodische Eigenschaften 40ff. Perlit 236 Permanganat 207,209 permanente (echte) E1ektro1yte 177 permanente Wasserharte 167
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Permethrin 477, 479 PET 452 Petro1ether 394 PF 450 Pfropfcopo1ymere 430 p-Ha1b1eiter 62 Phase 3 Phase Change Materials 499 Phasendiagramm des Wassers 145 Phasengrenze 145 Phasenumwand1ung 78,144,494 Pheno1e 403,406 Pheno1at 406 Pheno1-Forma1dehyd-Harze 450 Phenolphthalein 188,379 Pheny1rest 398 Phosphate 205 Phosphatieren 257 Phosphor 233,237 Phosphorit 273,355 Phosphorsaure 205 photochrome Schichten 504 photoelektrochrome Schichten 504 Photokata1yse 496 Photon 30 Photosmog 111 Photosynthese 131 Phthalate 412 o-Phthalsaure 412 Phthalsaureester 412,434 pH-Wert 186 pH-Wert-Berechnung 198ff. pH-Wert-Messung 187, 188 pH-Wertska1a 187 physikalische Verwitterung 275 phys. gebundenes Wasser 155,338,341 physika1ischerVorgang (physika1ischer Prozess) 2 PIB 442 Pi (nj-Bindung 51,53,395,398 Pi (1t)-E1ektronen 395,398 Pi (1t)-Dberlappung 51,53 Pigmente 438 pK-Werte 194,532 P1ancksche Konstante 30,541 P1aste 427
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Plastizitatsbereich (-spanne) 421 Platin 89, 130 Plattchenstruktur der Tone 297 Plexiglas 447 PMMA 446 pOR-Wert 186 polare kovalente Bindung 54ff. polare Losungsmittel 152 polare Molekiile 56, 132, 152 Polarisierung der Elektronenhiille 57 Polaritat der Bindung 54ff. Polyacrylate, s. Polyacrylsaureester Polyacrylsaureester 446 Polyaddition 454 Polyaddukte 454ff. Polyamide 449 Polybutylen 442 Polycarbonate 453 Polycarboxylate 350 Polycarboxylatether 351 Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) 401,419,425 Polyene 396 Polyesterharze 453 Polyethylen 440 Polyethylenterephthalat 452 Polyisobutylen 442 Polykieselsauren 280 Polykondensate 449ff. Polykondensation 449 Polymerbetone 459 Polymerbitumen, s. polymermodifizierte Bitumen polymer cement concrete (PCC) 459 polymer concrete (PC) 459 polymer impregnated concrete (PIC) 459 Polymere 428 Polymerisate 439ff. Polymerisation 439 Polymerisationsgrad 428 Polymermodifizierte Bitumen 423 Polymethacrylsauremethylester 446 Polymethylmethacrylate, s. Polymethacrylsauremethylester Polymorphie 232,279,307 Polyphosphate 169
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Polypropylen (Polypropen) 441 Polysaccharide 473 Polystyrol 444 Polysulfidkautschuke 435 Polytetrafluorethylen 448 Polyurethan 455 Polyurethanschaumstoffe 455 Polyvinylacetat 447 Polyvinylalkohol 447 Polyvinylchlorid 443 Polyvinylether 448 Polyvinylidenchlorid 444 Porenbeton 364 Porenvolumen 338ff. Porenwasser 339 Porositat 338 Porphyrgesteine 274 Portlandflugaschezement (CEM II) 346 Portlandhiittenzement (CEM II) 346 Portlandit 324,334 Portlandkalksteinzement (CEM II) 346 Portlandkompositzement (CEM II) 346 Portlandpuzzolanzement (CEM II) 346 Portlandschieferzement (CEM II) 346 Portlandsilicastaubzement (CEM II) 346 Portlandzement (CEM I) 312ff., 346 Portlandzementhydratation 322ff. Portlandzementklinker 314ff. Porzellan 299 Porzellanerde 287,299 Potentialdifferenz 212 potentielle Elektrolyte 178 Pottasche, s. Kaliumcarbonat PP 441 ppb 15,98 ppm 15,98 Primarelemente 224 primarer Alkohol 404 Prinzip des kleinsten Zwanges 93 Propan 392 Propanal, s. Propionaldehyd I-Propanol (Propylalkohol) 405 2-Propanol (Isopropanol) 405 Propanon, s. Aceton Propansaure, s.Propionsaure Propantriol, s. Glycerin
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Propen (Propylen) 396 Propensaure, s. Acrylsaure Propin (Methylacetylen) 396 Propionaldehyd (Propanal) 408 Propionsaure (Propansaure) 410 Propylalkohol, s. l-Propanol Propylen (Propen) 396, 441 Propylgruppe (-rest) 393 Protolyse 183, 197 Proton 21, 181£. Protonenakzeptor 183 Protonendonator 183 Protoneniibertragung, s. Protolyse Prozentgehalt, prozentuale Zusammensetzung 14 PS 444 PTFE 448 Pufferlosung 201 ff. PUR 455 Putzgips 357 Puzzolane 319ff. Puzzolanzement (CEM IV) 346 PVAL 447 PVE 448 PVC 443 PVDC 444 PVM 448 Pyrethrin 479 Pyridin 415 Pyrit 231 Pyroxene 274,284 Quadratisch-planarer Komplex 175 Quantenzahlen 33 Quarz 278 Quarzglas 292 Quarzite 276 Quarzkiese 279 Quarzporphyr 274 Quarzsande 279 Quellen des Betons 343 Radiale Aufenthaltswahrscheinlichkeit 33 Radienverhaltnis von lonen 69 Radikale 49, 106, 110, 122,439,497
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radikalische Polymerisation 439 Radikalkettenreaktion 439 radioaktiver Zerfall 24 radioaktive Strahlung 24 Radioaktivitat 24ff. - von Baustoffen 26ff. Radiokohlenstoff-Methode 27 Randwinkel 138 Raoultsches Gesetz 147 Rauchgasentschwefelung 125ff. Rauchgasentstickung 129 Reaktanden, s. Edukte Reaktion, chemische 74f., 90, 206 Reaktionsenthalpie 75f., 79 Reaktionsgeschwindigkeit 83ff. Reaktionsgleichung 74f., 90, 208 Reaktionsharzbeton 459 Reaktionsharze 427,446,453, 455, 456 Reaktionsklebstoffe 468 Reaktionswarme 76 REA-Gips 126 reale Gase 9 Redispersionspulver 458 Redoxampholyt 210 Redoxpaar 207 Redoxpotential 215 Redoxreaktion 206 Reduktion 206 Reduktionsmittel 206 Regenwasser 166, 187,370 Reinelemente 23 reine Stoffe 2 relative Atommasse 11 relative Luftfeuchtigkeit 99 relative Molekiilmasse 11 Resistenzgrenze 248 Resitole 450 Resole 450 Resublimation 144 RGT-Regel 86 rhombisch 534 Ringsilicate 284 Rost 243 Rostschutz 252ff. Rostvorgang 240ff. Rostwandler 257
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Ruckreaktion 91 RuB 438 Rutherfordsches Experiment 21 Rutil 66, 273
Salpeter, s. Kaliumnitrat Salpetersaure 104, 204, 369 salpetrige Saure 105, 123 Salzablagerungen (Ausbluhungen) 384ff. Salze 182 Salzgesteine 277 Salzsaure 204, 369 SAN 445 Sande 279 Sandstein 276 Sattigungskonzentration 162 Sauerstoff 106ff. Sauerstoffkorrosion 238, 240f., 245, 247 Saulsche Regel 86 Saure 181£f. Saureanhydrid 42 Saure-Base-Reaktionen 181ff. Saure-Base-Titration 188 saure Gangart 233 Saurekonstante 194 saure Losung 186 saure Oxide 42 saurer Regen 124 saurer Smog 121 saure Salze 191 Saurestarke 192f., 532 schaltbare Verglasungen 502 Schamottesteine 298 Schaumglas 294 Schaumpolystyrol 444 Schichtsilicate 284 Schiefer 278 Schlacke 234,318 Schmelzdiagramme (Legierungen) 71ff. Schmelzdruckkurve 145, 147 Schmelzenthalpie, molare 78 Schmelzflusselektrolyse 228 Schmelzklebstoffe 466 Schmelzpunkt 2 Schnellzement 345
Sachwortverzeichnis
Schrodinger-Gleichung 32 Schiitteltest 365 Schutzkolloide 159f., 354, 361 schwache Basen 192 schwache Elektrolyte 178 schwache Sauren 192 Schwarze Wohnungen 483 Schwarzstaub 483 Schwefel 121,233,234 Schwefeldioxid 119ff. Schwefelhexafluorid 49 Schwefelkohlenstoff 418 Schwefelkreislauf 121 Schwefelsaure 120£., 196, 203f., 369 Schwefeltrioxid 120 Schwefelwasserstoff 382 schweflige Saure 120 Schwermetalle 231,366 Schwerspat 273 Schwinden 297,343 Schwindreduzierer 355 Schwingungsrisskorrosion 251 Sedimentgesteine (Sedimentite) 274ff. Seifen 140, 168,371,413,414 Sekundarelemente 224 sekundarer Alkohol 404 Seltenerdmetalle 40 semipermeable Wand 335 Serpentin 272, 287 Sicherheitsglas 294 sichtbares Licht 29 Sick-Building-Syndrom 485ff. Siderit 231 Siedepunkt 2, 146 Siedepunktserhohung 148 Sigma (cr)-Bindung 50, 54, 395, 397 Sigma (oj-Uberlappung 50 Silane 302f. Silberbromid 163 Silberchlorid 163 Silberiodid 163 Silbemitrat 164 Silica 320 Silicagel 280 Silicastaub 281,320 Silicate 273,282ff.
Sachwortverzeichnis
Silicatklassen 283ff. Silicatverwitterung 275 Silicium 39,61, 278f. Siliciumdioxid 53, 273, 278f. Siliconate 303 Silicone 300ff. Siliconharze 301,303 Siliconkautschuke 304 Siliconole 301 Sillimanit 299 Sillimanitsteine 299 Siloxane 303 Siloxankette 300 Sintern 87f., 297, 312 Sinterzeug 299 Soda, s. Natriumcarbonat Sol 159 Soliduslinie 71,235 Solvatation 153 Solvathulle 153 Solvens 153 Sommersmog 111 s-Orbita1 33 Spachtelmasse 471 spate Ettringitbi1dung 374 Spaltkorrosion 251 Spannungsreihe 217f., 533 Spannungsrisskorrosion 251 Spektralanalyse 30 Spektrallinie 30 Spektrum 30 Spin 35 Spine11e 262 Spinquantenzahl 35 sp-, Sp2-, Sp3-Hybridorbita1e 5Uf. Spongiose 250 Stabilisatoren (Kunststoft) 437 Stabilisierer (Beton) 354 Stahl 234ff. Stahlbeton 378 Stah1korrosion 247ff. Standardbedingungen 79,215 Standardbi1dungsenthalpie 79 Standardelektrodenpotential 215 Standardpotential, s. Standarde1ektrodenpotential
531
Standardreaktionsenthalpie 80 Standtest 365 starke Basen 192 starke Elektrolyte 178 starke Sauren 192 Stearinsaure 410,411,414 Steigvermogen, kapillares 140 Steingut 299 Steinholz 363 Steinkohlenflugasche 320 Steinkohlenteer 426 Steinwolle 295 Steinzeug 299 Stickoxide (NOx) 122 Stickstoff 103ff. Stickstoffdioxid 122 Stickstoff-Fixierung 105 Stickstoffmonoxid 122 Stickstoff-Phosphor-Gruppe 39 Stochiometrie chemischer Reaktionen 74,208 stochiometrische Berechnungen 18ff. stochiometrische Wertigkeit 43 Stoffabtrag (Metalle) 244, 248, 262 Stoffbilanz chemischer Reaktionen 75,208 Stoffe If. Stoffmenge 12 Stoffmengenanteil (Molenbruch) 18 Stoffmengenkonzentration (Molaritat) 16 StraBenaufbruch 488 Stromschlussel 214 Strukmrlormel6,392 Stuckgips 357 Stufenmechanismus 449 Styrodur 445 Styrol 396, 444 Sublimation 144 Sublimationsdruck 144 Sublimationsenthalpie, molare 79 Sublimationskurve 145 Substitutionsmischkristalle 70 Substitutionsreaktion 398 Sulfate 120,196,203,318,322,355£, 369,372,385
532
Sulfatnachweis 164 Sulfattrager 314 Sulfattreiben 372 Sulfide 273, 382f. Sulfite 120 Summenformel 6, 392 Superverfliissiger 348 Suspension 4, 156f. Suspensionspolymerisation 457 Sylvin 273 synthetische Polymere 428 System 75 Talk 272, 284, 286f. Taumittel 150,353 Tausalze, s. Taumittel Teere 425 Teerpeche 426 Teflon 448 Temperatur, Abhangigkeit - chemisches Gleichgewicht 94 - Dampfdruck des Wassers 144 - Gasdruck und Gasvolumen 10 - Gefrier- und Siedepunkt 145 - Loslichkeit 161 - Reaktionsgeschwindigkeit 85 - Redoxpotential 221 temporare Wasserharte 167 Tenside 140f., 347, 348, 352, 424, 458 Terephthalsaure 412 Terrakotten 296 tert. Butanol 405 tertiarer Alkohol 404 Tetraca1ciumaluminatferrit 316f., 331 Tetracalciumaluminatferrithydrat 331 Tetrachlorkohlenstoff, s. Tetrachlormethan Tetrachlormethan (Tetrachlorkohlenstoff, Tetra) 40lf.,418 Tetraeder 51,52, 133 Tetraederwinkel 51 tetraedrischer Komplex 175 Tetrafluorethylen 448 Tetrahydrofuran 407 Textur 272 Thermitverfahren 263
Sachwortverzeichnis
thermochrome Schichten 506 thermotrope Schichten 506 Thermoelaste 436 Thermoplaste 431ff. Thixotropie 159,297,323 Tiefengesteine 274 Titan 234,237 Titandioxid 66, 273, 496f. Titanzink 267 Titration 176, 188f. Titrationskurve 190 Tobermorit 326 Tollens Reagenz 409 Toluol (Methylbenzol) 399,418 Tone 296ff. Tonerde 261 Tonerdeschmelzzement (Tonerdezement) 344 Tongut 298 Tonkeramik 298ff. Tonminerale 283f.,296 Trachyt 274 Transportbeton 348 Trass 278, 319f. Trasskalk 311 Travertin 277 treibender Angriff 371ff. Treibhauseffekt 117 Treibmittel fur Beton 263, 364 Treibmittel fur Kunststoffe 444, 455 Tremolit 284 Trennverfahren 4 Trica1ciumaluminat 314,315,329,333 Trica1ciumaluminattrisulfat 329f.,372, 374 Trica1ciumsilicat 314f., 323, 334 Trichlorethylen 418 Trichlormethan (Chloroform) 402f.,418 Tridymit 269 Triester 414 Triglyceride 414 trigonal-planar 53 triklin 66, 534 Trinkwasser 170 Trinkwasserverordnung 170 Tripelpunkt 145
533
Sachwortverzeichnis
Trisu1fat, s. Trica1ciuma1uminattrisu1fat Trockenelemente 225 Trockenho1zinsekten 474 trocknende Ole 414,459 Trogtriinkung 479 Tuffe 274 Ubergangse1emente 40 Ubergangsmetallkomplexe 173ff. Uberlappung von Orbita1en 5Off. ubersattigte Losung 162 Uberspannung 228 ubiquitare Stoffe 400 UF 451 Ultrahydrophi1ie 496, 498 Umformen 432 Umkehrosmose 170 uned1e Metalle 218 ungepaarte E1ektronen 49 ungesattigte Koh1enwasserstoffe 395ff. ungesattigte Losung 162 ungesattigte Po1yesterharze 453 un1egierte Stahle 237 Unordnung 83 unpo1are Losungsmittel 152 unpo1are Mo1ekii1e 56, 152 Unterscha1e 34 UP 453 Uranzerfall 25 Urformen 432 UV-Absorber, s. UV-Stabi1isatoren UV-Stabi1isatoren 437 UV-Strah1ung 110,437,465 Vakuumiso1ationspanee1e 498 Va1enzband 60 Va1enze1ektronen 39,41,59 Va1enzscha1e 37,39,48 Va1enzstrichforme1 48 Van-der-Waa1s-Krafte 62 Van't-Hoff-Faktor 148 Vanadium 234, 237 Vaterit 307 Vera1gung 383 Verbindungen, chemische 6 verbotene Energiezone 60 Verbrennung 107
Verbrennung fossi1er Brennstoffe 118, 119 Verbrennungsentha1pie 82 Verdampfungsentha1pie, mo1are 79 Veresterung 413 Verflussiger 347ff. Vergi1bung 463 Verharzung 414 Verho1zung 473 Vemetzung 301,414,429,434,436, 438f. Versprodung von PVC 443,465 Verseifung 371, 413f., 414 Verstarkungsstoffe 438, 465 Verwitterung 275 verzinktes Stah1b1ech (Korrosion) 246 verzinntes Stah1b1ech (Korrosion) 245, Verzogerer 353f., 361 verzweigte Makromo1ekiile 428 Viny1benzo1(Styrol) 396, 399, 442, 444f. Vinylchlorid 396,442, 443f. Viny1gruppe (-rest) 395 Viskositat 142 Vitrokerame 296 vollbesetzte Scha1e 38 Vorkondensate 450, 452 Vu1kanisisation 435 Vu1kanite 274 Wachse 415,474 Waldschaden 124 Warmebehandlung des Stah1s 235 Warmeleitfahigkeit 58,99f., 142 Warmeleitzahl, s. Warmeleitfahigkeit Wasser 131£f. - als Komp1ex1igand 173 - a1sLosungsmittel 151ff. - Assoziation 133 - Autoproto1yse 185 - Dampfdruck 143f., 154 - Dichteanoma1ie 134 - Dipo1moment 57, 132 - Gefrierpunkt 135, 146 - Harte 166ff. - Mo1ekiilstruktur 52, 132
534
- Phasendiagramm 145 - saure und basische Eigenschaften 186 - Siedepunkt 135, 145 - Warmekapazitat 142 - Warmeleitfahigkeit 142 Wasserdampfdurchlassigkeit 302,389 Wasserglas 282 Wasserglaskalk 311 Wasserloslichkeit von Salzen 531 Wasserstoff - Atomspektrum 31 - Isotope 24 - Standardpotential 214 Wasserstoffbruckenbindung 63f., 133 Wasserstoffion, s. Proton Wasserstoffkorrosion 238, 240f., 245, 246 Wasserstoffperoxid 211 Wasser-Zement-Wert (w/z-Wert) 340 Weichmacher 412,433,443 Weichmachung eines Polymers 433 Weich-PVC 443 WeiBblech 245 WeiBkalk 310 wellenmechanisches Atommodell 32 Welle-Teilchen-Dualismus 29 Wellmann-Lord-Verfahren 128 Wertigkeit, stochiometrische 43 Wertigkeit von Sauren und Basen 191 Xylo1e (Dimethy1benzole) 399,418 Youngsche Gleichung 139 Zementarten 311, 343ff., 346 Zemente 311ff. Zementekzem, s. Kontaktekzem Zementerhartung 332ff. Zementgel 333, 339 Zementhydratation 86, 155, 322f., 332ff. Zementit, s. Cementit Zementklinker 314ff. Zementleim 323 Zementstein 323, 338f. Zentralatom 173 Zeolithe 289
Sachwortverzeichnis
Zerfallsreihe, radioaktive 25 Zersetzungstemperatur von Kunststoffen 432 Ziege1 298 Zink 246,253,266£ Zinkate 266 Zinkcarbonat 266 Zinkchromat 267 Zink-Kohle-Batterie, s. LeclancheElement Zink-Kupfer-Element, s. DaniellElement Zinkphosphat 257 Zinkstaub 267 Zugabewasser 171 Zunder 231, 238 Zusatzmittel 347ff. Zusatzstoffe 321 Zusammensetzung der Luft 97ff. Zusch1ag, s. Gesteinskornung Zustandsbereiche der Kunststoffe 432 Zustandsdiagramm Fe-C 285 Zustandsdiagramm des Wassers 145 Zustandsgleichung idealer Gase 10 zweibasige Saure 191, 203 Zweikomponenten-K1ebstoffe 486 zweiprotonige Saure 191, 203 zweiwertiger Alkohol 405 zweizahniger Ligand 174 zwischenmolekulare Anziehungskrafte 62ff.
Anhange
535
Anhang 1: Elemente, Symbole, Ordnungszahlen (OZ) und Atommassen (Ar ) Element
Symbol
Actinium Aluminium Americium Antimon Argon Arsen Astat Barium Berkelium Beryllium Bismut Blei Bohrium Bor Brom Cadmium Casiurn Calcium Californium Cer Chlor Chrom Cobalt Curium Darmstadtium Dubnium Dysprosium Einsteinium Eisen Erbium Europium Fermium Fluor Francium Gadolinium Gallium Germanium Gold Hafnium Hassium Helium Holmium Indium lod Iridium Kalium Kohlenstoff Krypton
Ae AI Am 8b Ar As At Ba Bk Be Bi Pb Bh B Br Cd Cs Ca Cf Ce CI Cr Co Cm Ds Db Dy Es Fe Er Eu Fm F Fr Gd Ga Ge Au Hf Hs He Ho In I Ir K C Kr
OZ 89 13 95 51 18 33 85 56 97 4 83 82 107 5 35 48 55 20 98 58 17 24 27 96 110 105 66 99 26 68 63 100 9 87 64 31 32 79 72 108 2 67 49 53 77 19 6 36
Ar 227,0278 26,9815 (241) 121,76 39,948 79,922 210 137,327 (249) 9,0122 208,9804 207,19 (264) 10,811 79,904 112,411 132,9054 40,078 (252) 140,115 35,4527 51,9961 58,9332 (244) (271) (262) 162,50 (252) 55,847 167,26 151,965 (257) 18,9984 223 157,25 69,723 72,61 196,9665 178,49 (269) 4,0026 164,9303 114,818 126,9045 192,217 39,0983 12,0112 83,80
Element
Symbol
Kupfer Lanthan Lawrencium Lithium Lutetium Magnesium Mangan Mendelevium Meitnerium Molybdan Natrium Neodym Neon Neptunium Nickel Niob Nobelium Osmium Palladium Phosphor Platin Plutonium Polonium Praseodym Proactinium Promethium Quecksilber Radium Radon Rhenium Rhodium Roentgenium Rubidium Ruthenium Rutherfordium Samarium Sauerstoff Scandium Schwefel Seaborgium Selen Silber Silicium Stickstoff Strontium Tantal Technetium Tellur
Cu La Lr Li Lu Mg Mn Md Mt Mo Na Nd Ne Np Ni Nb No Os Pd P Pt Pu Po Pr Pa Pm Hg Ra Rn Re Rh Rg Rb Ru Rf 8m
0 8e 8 8g 8e Ag 8i N 8r Ta Te Te
OZ 29 57 103 3 71 12 25 101 109 42 11 60 10 93 28 41 102 76 46 15 78 94 84 59 91 61 80 88 86 75 45 111 37 44 104 62 8 21 16 106 34 47 14 7 38 73 43 52
Ar 63,546 138, 9055 (262) 6,941 174,967 24,305 54,9381 (260) (268) 95,94 22,9898 144,24 20,1797 (237) 58,6934 92,9064 (259) 190,23 106,42 30,9738 195,08 (239) 209 140,9077 231,0359 (145) 200,59 226,0254 222 186,207 102,9055 (272) 85,4678 101,07 (261) 150,36 15,9994 44,9559 32,066 (266) 78,96 107,8682 28,0855 14,0067 87,62 180,9479 (99) 127,60
Anhange
536
Terbium Tb Thallium TI Thorium Th Thulium Tm Titan Ti Uran U Vanadium V Wa55er5toff
65 81 90 69 22 92 23
H
158,925 204,383 232,0381 168,9342 47,88 238,0289 50,9415 1
Wolfram Xenon ytterbium Yttrium Zink Zinn Zirkonium 1,00794
W Xe Yb Y
Zn Sn Zr
74 54 70 39 30 50 40
183,84 131,29 173,04 88,9059 65,39 118,710 91,224
Anhang2: Molare Bildungsenthalpien ausgewahlter Verbindungen a) Verbindung
~H
AgCI (5) AgBr (5) -62 Agi (5) Ag 20 (5) AI203 (5) AICI3 (5) A1 2(S04h -635 CaO CaCI 2(5) CaC12·6 H2O -2607 CaC03(5) Ca(OHh(5) CaS04(5) CaS04' % H20 (5) CaS04' 2 H20 (5) -938 Ca(N03h (5) CaC 2 (5) CH 4 (g) -75 C 2Hs(g) C 2H4(g) C 2H2 (g) +83 CsHs(l) CH 30H (I) C 2HsOH (I) CO (g) -111 CO 2 (g) -394 CuO (5) -157 CU20 (5) CUS04(5) CUS04 . 5 H20 (5) FeO (5) -272 Fe203 (5) Fe304 (5) FeC03(5) a)
(kJ/mol) -127 -100 -31 -1676 -704 -3442 -796 -1207 -986 -1434 -1577 -2023 -60 -85 +52 +227 -239 -278
-169 -771 -2280 -824 -1118 -741
Verbindung
~H
(kJ/mol)
FeS04 (5) FeS04 . 7 H20 (5) FeS2, Pyrit (5) -178 HCI (g) HCI (aq) HN03 (I) H20 (g) -285 H20 (I) H2S (g) KBr (5) -392 K2C03 (5) KCI (5) KOH (5) K20 (5) MgC03 (5) MgCI 2 (5) -642 Mg(OHh (5) MgO (5) -601 MgS04 (5) MgS04· 7 H20 (5) NaCI (5) -1131 Na2C03 (5) Na2C03· 10 H20 (5) NaOH (5) Na20 (5) -416 -515 Na202 (5) -1318 Na2S04 (5) Na2S04' 10 H20 (5) NH 3 (g) NO (g) +33 N02 (g) Si02, Quarz (5) S02 (g) S03 (g)
-928 -3015 -92 -167 -174 -242 -21 -1146 -436 -425 -361 -1096 -924 -1288 -3388 -411 -4082 -427
-4324 -46 +90
Aylward, G.H., Findlay, T.J.v.: Datensammlung Chemie. Weinheim: VCH 1986; (g) gasformig, (I) liquidus flussiq, (s) solidus fest.
-911 -297 -396
Anhange
537
Anhang 3: Ldslichkeiten einiger Salze (200 e ) Verbindung
Formel
Aluminiumchlorid-Hexahydrat Aluminiumnitrat-Nonahydrat Aluminiumsulfat-18-Hydrat Ammoniumchlorid Ammoniumnitrat Ammoniumsulfat Bleichlorid Bleinitrat Bleisulfat Calciumcarbonat Calciumchlorid Calciumchlorid-Dihydrat Calciumchlorid-Hexahydrat Calciumsulfat-Dihydrat Eisen(lll)-chiorid-Hexahydrat Eisen(II)-chlorid-Tetrahydrat Eisen(II)-sulfat-Heptahydrat Kaliumcarbonat Kaliumchlorid Kaliumdichromat Kaliumhydrogensulfat Kaliumnitrat Kaliumpermanganat Kaliumsulfat Kupferchlorid-Dihydrat Kupfersulfat-Pentahydrat Magnesiumchlorid Mag nesiumchlorid-Hexahydrat Magnesiumsulfat-Heptahydrat Natriumcarbonat Natriumcarbonat-Decahydrat Natriumchlorid Natriumnitrat Natriumsulfat Natriumsulfat-Decahydrat
AICl s· 6 H20 AI(NOsh . 9 H20 AI2(S04h . 18 H20 NH 4CI NH 4NOs (NH 4hS04 PbCI 2 Pb(NOsh PbS04 CaCOs CaCb CaCI 2· 2 H20 CaCI 2 ·6 H20 CaS04· 2 H20 FeCl s· 6 H20 FeC1 2·4 H20 FeS04· 7 H20 K2COS KCI K2Cr20 7 KHS04 KNO s KMn04 K2S0 4 CuC1 2·2 H20 CUS04· 5 H20 MgCI 2 MgCI 2· 6 H20 MgS04· 7 H20 Na2COS Na2COS . 10 H20 NaCI NaNOs Na 2S04 Na 2S04 . 10 H20
Loslichkeit (g/100g H20) 45,6 75,4 36,4 37,6 187,7 75,4
1 52,2 4,1 . lO- s 1,4 . lO- s 83 128,1 (40°C) 74,5 0,204 91,9 62,4 26,6 112,3 34,2 12,5 51,4 31,7 6,4 11,1 77,0 20,8 55,5 54,6 35,6 29,4 21,7 35,8 88,3 19,2 28,0 (25°C)
538
Anhange
Anhang 4: Starke von Sauren und ihren korrespondierenden Basen (22°C)
pK s
Saure
- -10 - -10 - -9 - -6 - -3
HCI04 HI HBr HCI H2SO4
-1,74
H3O+
-1,32 1,81 1,92 2,12 2,22 3,14 3,35
HN03 H2S03 HS04H3P04 [Fe(H2O)6]3+ HF HN02
4,75 6,35 6,92 7,20 9,25 9,40 9,51 10,40 11,74 12,36 12,90
CH3COOH H2C03 H2S H2P04NH/ HCN H4Si04 HC03H3Si04HPO/HS-
15,74
H2O
-16 -23 -24
C2H sOH NH3 OW
~
~ ~
~
~ ~
~
~ ~
~ ~
~
~
~ ~
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~ ~
~
~
~ ~
Proton +
Base
pK B
H+ H+ H+ H+ H+
+ + + + +
C104-
-24 -24 -23 -20 -17
H+
+
H2O
15,74
H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+
+ + + + + + +
N0 3HS03SO/H2P04[Fe(H2O)sOH]2+ FN02-
15,32 12,19 12,08 11,88 11,78 10,86 10,65
H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+
+ + + + + + + + + + +
CH3COOHC03HSHPO/NH3 CNH3Si04C032H2SiO/P04 3S2-
H+
+
OH-
H+ H+ H+
+ + +
C2H sONH20 2-
r Br-
cr HS04-
9,25 7,65 7,08 6,80 4,75 4,60 4,49 3,60 2,26 1,64 1,10 -1,74 - -2 - -9 - -10
Anhiinge
539
Anhang 5: Elektrochemische Spannungsreihe mit den Standardpotentialen EO ausgewahlter Redoxpaare
Reduzierte Form
Oxidierte Form
Li
Li+ K+
ee2 ee-
Cr
Cr3+
Fe Co Ni Sn Pb
Fe 2+ Co 2+ Ni2+ Sn 2+ Pb 2+
+ + + + + + + + + + + + + +
Cu
Cu 2+
+ 2
21H202 + 2 H20
12
O2 + 2 H30+
Fe 2+
Fe 3+
Ag
Ag+
Hg
Hg 2+
NO + 6 H20
N03- + 4 H30 +
+ 2 e+ 2 e+ e+ e+ 2 e+ 3 e+ 2 e+ 2 e+ 4 e-
K Ca
Ca 2+
Na
Na+
Mg AI Mn Zn
Mg 2+
2
sr
A1 3+ Mn 2+ Zn 2+
Br2
Pt
Pt2+
6 H20 2 Cr3+ + 21 H20 2 CIAu Mn 2+ + 12 H2 0 Au 4 H20 2 F-
O 2 + 4 H30 + Cr20/- + 14 H30+ + + CI2 Au 3+ + Mn04- + 8 H30+ + + Au' + H202 + 2 H30+ + F2
2e 3e 2e 2 e-
e2 e-
3
2e 2e 2e 2 e-
e
6e 2 e3 e5 e-
e2 e2 e-
-3,04 -2,92 -2,87 -2,71 -2,36 -1,66 -1,18 -0,76 -0,74 -0,44 -0,28 -0,23 -0,14 -0,13
°
+0,34 +0,54 +0,68 +0,77 +0,80 +0,85 +0,96 +1,07 +1,19 +1,23 +1,33 +1,36 +1,50 +1,51 +1,69 +1,76 +2,87
Anhange
540
Anhang 6: Die 14 Bravais-Gitter
a)
d)
,-::::
e) ;..,l
1"'" -::'- -'.0<.- -:_~ "
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,
h)
m)
a) b) c) d) e) f) g)
g)
f)
, _/"\ .Q'~--
c)
b)
/
/
V
V
i)
k)
n)
triklines Gitter, einfach monoklines Gitter flachenzentriertes monoklines Gitter einfach rhombisches Gitter basiszentriertes rhombisches Gitter innenzentriertes rhombisches Gitter allseitig flachenzentriertes rhombisches Gitter
I)
0)
h) i) k) I) m) n) 0)
hexagonales Gitter trigonal-rhomboedrisches Gitter einfach tetragonales Gitter innenzentriertes tetragonales Gitter einfach kubisches Gitter innenzentriertes kubisches Gitter flachenzentriertes kubisches Gitter.
541
Anhange
Anhang 7 Relative Molekiilmassen (M r ) bauchemisch wichtiger Verbindungen: Formel
Mr
Formel
Mr
H2O CO 2 Fe20s AI20 S S02 SOs Si02 CaO Ca(OHh CaCO s CaCI2 CaS04 CaS04' 1/2 H2O CaS04·2 H2O K20 KOH K2COS KCI K2S04
18,0 44,0 159,7 102,0 64,1 80,1 60,1 56,1 74,1 100,1 111 136,2 145,2 172,2 94,2 56,1 138,2 74,6 174,3
MgO Mg(OHh MgCO s MgS04 Na20 NaOH Na2COS NaCI Na2S04
40,3 58,3 84,3 120,4 62,0 40,0 106 58,4 142
CsA C2S CsS
270,3 172,3 228,4 486,1 560,4 342,5 731,1 1254,6
C~F
C~H13
C sS2Hs CsSeH s Trisulfat
Fundamentalkonstanten: GroBe Lichtgeschwindigkeit (Vakuum) Avogadrosche Konstante Plancksche Konstante Rydberg-Konstante Faraday-Konstante Elementarladung Atomare Masseneinheit Molare Gaskonstante Molares Normvolumen eines idealen Gases (Molvolumen) Normdruck Normtemperatur
Symbol
Wert 2,997925.108 m. S-1 23 6,0220453. 10 mol" 34 6,626 076 . 10- J . s 5 1,09678.10 cm ' 96485 C· rnol" 19 1 6021892· 10- C 27 1:660 5655 . 10- kg 8,314510 J/(mol . K) 22,41410 I· mol' 101 325 Pa = 1,01325 bar 273,15 K
