Baumaterialien I Baustoffkunde I 1. Einführung 1.1. Baustoffe – Basis des Bauens 1.1.1. Geschichte der Baustoffe 1.1.2. Baustoffflüsse 1.2. Baustoffeigenschaften 1.2.1 Aufbau von Materialien 1.2.2. Mechanische Eigenschaften 1.2.3. Weitere baurelevante Materialeigenschaften 1.3. Materialwahl Mineralische Baustoffe 1. Mineralische Bindemittel 1.1. Überblick 1.2. Historisches 1.3. Baugipse 1.3.1. Herstellung und Hydratation 1.3.2. Eigenschaften 1.4. Baukalke 1.4.1. Weisskalke 1.4.2. Dolomitkalke 1.4.3. Hydraulische Kalke 1.5. Portlandzemente 1.5.1. Herstellung und Zusammensetzung 1.5.2. Hydration von Portlandzement 1.5.3. Portlandzement mit Zumahlstoffen 1.5.4. Zementnormung 1.5.5. Spezialzemente 2. Beton 2.1. Einleitung 2.2. Normung 2.3. Wasser/Zement-Wert 2.4. Gesteinskörnungen für Beton 2.4.1. Natürliche Zuschläge 2.4.2. Künstliche Zuschläge 2.4.3. Leichtzuschläge 2.4.4. Spezialzuschläge 2.4.5. Zuschlagsieblinien 2.5. Zusatzstoffe 2.6. Betonzusatzmittel 2.7. Eigenschaften des Betons 2.7.1. Frischbeton 2.7.2. Druckfestigkeit 2.7.3. Schwinden und Krieche 2.8. Dauerhaftigkeit von Beton 2.8.1. Lösende Betonkorrosion 2.8.2. Treibende Betonkorrosion 3. Mauerwerk 3.1. Überblick 3.2. Mauersteine 3.2.1. Ziegel 3.2.2. Kalksandsteine 3.2.3. Porenbeton 3.3. Mauermörtel 3.3.1. Mauerwerksoberfläche 4. BauGlas 4.1. Herstellung 4.2. Eigenschaften 4.3. Glasarten 4.3.1. Flachglas 4.3.2. Sicherheitsglas 4.3.3. Isolierglas 4.3.4. Schallschutzglas 4.3.5. Brandschutzglas 4.3.6. Glasbausteine 4.3.7. Schaumglas Metallische Werkstoffe: Stahl, Aluminium, Buntmetalle 1. Einleitung 2. Kulturhistorische Bedeutung der Metalle 2.1. Neuzeit 2.1.1. Gusseisen 2.1.2. Walzstahl 3. Die Gewinnung von Eisen und Stahl 4. Der mikroskopische Aufbau von Stahl 4.1. Eisen-Kohlenstoff-Legierungen 4.2. Das metastabile Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm 4.2.1. Welcher Teil des Fe-Fe3C-Diagrammes ist im Bauwesen wichtig? 4.3. Die Legierung 4.4. Die Beimengungen 4.5. Die Wärmebehandlung 5. Stahlarten

FS11/Baumaterialien/Carmeliet/giuliagi/Giulia Giardini

5.1. Eigenschaften von Baustahl 5.2. Wetterfeste Baustähle 5.3. Nicht rostende Stähle 6. Korrosionsvorgänge 6.1. Korrosionsvorgänge in wässrigen Angriffsmitteln 6.1.1. Elektrodenreaktionen 6.1.2. Spannungsreihen 6.1.3. Normalpotentiale und Praxispotentiale 6.2. Erscheinungsformen der Korrosion 6.2.1. Korrosion ohne mechanische Beanspruchungen 6.2.2. Korrosion mit zusätzlicher mechanischer Beanspruchung 7. Vorbeugende Massnahmen 7.1. Ziel und prinzipielle Möglichkeiten des Korrosionsschutzes 7.1.1.Veränderung am Werkstoff 7.2. Trennen von Werkstoff und Angriffsmittel 7.2.1. Schutzschichten 7.2.2. Veränderung am Angriffsmittel 8. Verarbeitung- und Lieferformen von Stahl 9. Verbindungstechnik für Stahl 10. Aluminium und Aluminiumlegierungen 10.1. Die Gewinnung von Aluminium 10.2. Der mikroskopische Aufbau von Aluminium 10.3. Arten von Aluminiumlegierungen 10.4. Verarbeitungs- und Lieferformen von Aluminiumlegierungen 10.5. Verbindungstechnik für Aluminiumlegierungen 10.5.1. Verschraubung 10.5.2. Schweissen 10.5.3. Kleben 10.6. Eigenschaften von Aluminiumlegierungen 10.6.1. Mechanische Eigenschaften 10.6.2. Chemie, Korrosion 11. Buntmetalle 11.1. Kupfer an der Atmosphäre 11.2. Titanzink 11.3. Eigenschaften, Verarbeitung und Korrosionsverhalten 12. Ökologische Aspekte metallischer Werkstoffe 12.1 Aluminium 12.2. Zink, Zinn und Kupfer 12.3. Umweltbelastung durch Korrosionsprodukte Polymere Baumaterialien 1. Einführung Polymerwerkstoffe 1.1. Zur Geschichte 1.2. Klassifizierung der Polymere 1.3. Herstellung von Polymeren 1.4. Eigenschaften von Polymeren und Kunststoffen 1.4.1. Alterung von Polymeren 1.4.2. Bedeutung der Additive am Beispiel PVC 1.4.3. Mechanische Eigenschaften thermoplastischer Polymere 1.5. Anwendungen polymerer Baustoffe 1.6. Rohre und Rohrleitungen 1.7. Dämmstoffe, Dichtungsbahnen und Membranen 1.8. Beschichtungen 1.9. Klebstoffe 1.10. Composites Holz und Holzwerkstoffe 1. Holz 1.1. Holzwirtschaft und Holzproduktion 1.2. Aufbau und Struktur des Holzes 1.2.1. Makroskopischer Aufbau 1.2.2. Mikroskopischer Aufbau 1.2.3. Submikroskopischer Aufbau der verholzten Zellwand 1.2.4. Die chemischen Hauptkomponenten der Zellwand 1.2.5. Inhaltstoffe (Extraktstoffe) 1.3. Holzarten 1.4. Stabförmige Massivholzprodukte 1.4.1. Vollholz 1.4.2. Konstruktionsvollholz (KVH) 1.4.3. Modifiziertes Vollholz 1.4.4. Brettschichtholz (BSH) 1.5. Holzwerkstoffe (HWS) 1.5.1. Ausgangsprodukte 1.5.2. Massivholzplatten 1.5.3. Werkstoffe auf Furnierbasis 1.5.4. Werkstoffe auf Spanbasis 1.5.5. Werkstoffe auf Faserbasis 1.6. Klebstoffe und Bindemittel 1.6.1. Organische Bindemittel 1.6.2. Anorganische Bindemittel 1.7. Physikalisch-technische Materialeigenschaften 1.7.1. Dichte und Rohdichte 1.7.2. Holzfeuchte, Hygroskopizität 1.7.3. Feuchtetransport 1.7.4. Schwinden und Quellen

1.7.5. Mechanisches Verhalten: Festigkeit, Steifigkeit, Deformation 1.7.6. Kriechen 1.8. Bauphysikalische Eigenschaften 1.8.1. Diffusionswiderstand 1.8.2. Thermische Eigenschaften 1.9. Dauerhaftigkeit 1.10. Biologische Beanspruchung 1.10.1 Holzbewohnende Pilze 1.10.2. Holzzerstörende Pilze 1.10.3. Holzzerstörende Insekte 1.11. Schutzkonzepte 1.12. Die ökologischen Aspekte von Holz und Holzwerkstoffen 1.12.1. Wälder und Holzprodukte sind Kohlenstoffspeicher 1.12.2. Nachhaltige Holzbereitstellung 1.12.3. Umwelteffiziente Bereitstellung und Nutzung 1.12.4. Substitutionseffekte

Baustoffkunde I 1. Einführung

1.1. Baustoffe – Basis des Bauens 1.1.1. Geschichte der Baustoffe Körperliche Grundbedürfnisse und Sicherheit Lokale Baumaterialien (fehlende Transportmöglichkeiten), ausser grosse Kultstätte à Klimatisch und geographisch bedingte Baustoffe 1. Künstlicher Baustoff: gebrannter Ziegel ab 400 v. Chr. Firmitas: Dauerhaftigkeit, statische und mechanische Eigenschaften, Konstruktion Utilitas: Multifunktionale Baustoffe Venustas: Innovation von Baustoffen à Einfluss auf Architektur (z.B. Stahl) 1.1.2. Baustoffflüsse 60 Mio. Tonnen/Jahr verbaut in der Schweiz Bauwerk Schweiz: 2.1. Mia Tonnen (⅔ Hochbau) Wichtigste: Beton (790 Mio. Tonnen) und Kies-Sand (570 Mio. Tonnen) Bauabfälle (11.9 Mio. Tonnen) à 70% wieder verwendet, Rest entsorgt Recycling: 90% Baustoff aus nicht erneuerbare Quellen, massive Eingriffe in Natur à Energie für Transport, Produktion und Verarbeitung („Graue Energie“) 1.2. Baustoffeigenschaften Verarbeitbarkeit Mechanische (Druck- und Zugfestigkeit) Thermische (Wärmeleitfähigkeit und –Kapazität) Hygrische (Transport und Speicherung von Wasser) Optische (Farbe, Transparenz) Akustische (Schallreflexion) à Abhängig von molekularen Zusammensetzung Molekulare Ebene: Chemische Zusammensetzung, Art der Bindung Mikroskopische Ebene: Material als Komposit von identifizierbaren Phasen Makroskopische Ebene: Eigenschaften sind repräsentativ für das ganze Material Isotrop = Eigenschaften unabhängig von Raumwinkel (≠ anisotrop) 1.2.1. Aufbau von Materialien Chemische Bindung: Primäre Bindungen (Oktett Regel) 1. Ionische Bindung: Ein Bindungspartner gibt Valenzelektronen an Anderer um äusserste Hülle auf 8 zu füllen.

Proportionale Stärke zum Produkt der Ladungen durch Abstand Keine Bevorzugte Richtung, räumliche Anordnung durch Grössenverhältnisse Nur unterschiedliche Elemente, nur wenn nicht beide volle Valenzelektronenzahl

2. Kovalente Bindung: Teilen von 1-3 Elektronenpaar auf 2 Ionen Geringe Festigkeit, da nur Atom beteiligt und nicht Ion

3. Metallische Bindung: Valenzelektronen bilden negatives Elektronengas und positiver Rumpf bleibt Positive Atome auf Gitterplätzen Elektronengas à hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit Legierungen: Mischungsverhältnisse frei, Grössenverhältnis einschränkend

Sekundäre Bindung 4. Van der Waals Bindung: Beruhen auf schwachen elektrostatische Anziehungskräfte

Dynamische Dipole: Bewegung der Elektronen um Kern (Elektro-) Statisch: Kovalente Bindung bevorzugt Elektronen nahe bei Bindungspartner Schwächer als kovalent, erhöhte Temperatur/Belastung à Bruch

Zwischen-atomaler-Abstand: Gleichgewichtsabstand, neutralisiert, System bei kleinster Energie Bindungsenergie: Energie die notwendig ist für Aufbrechen der Bindung

Ionische Bindung 600 – 1500 kJ/mol Kovalente Bindung 500 – 1250 kJ/mol Metallische Bindung 100 – 8000 kJ/mol Van der Waals Bindung < 50 kJ/mol

Elastizitätsmodul: Ausmass der Änderung, entspricht der Kraft-Abstands-Kurve Hooksches Gesetz: Spannung/Dehnung Je grösser E-Modul, umso steifer Konsequenzen à vgl. Skript

1.2.2. Mechanische Eigenschaften Geben Auskunft über Verformungsverhalten und Festigkeitswerte Verformungsverhalten: Elastischer Bereich (Verformung geht zurück), plastischer Bereich (bleibt)

à Versagen der Bindung Linearer Zusammenhang à Reversibel, elastisch Streckgrenze à Danach plastisch, irreversibel Maximum = Zugfestigkeit, dann Bruchfestigkeit Zugfestigkeit endlich, Druckfestigkeit theoretisch unendlich (Praxis!)

Mittelwerte und Verteilungen (Normalverteilung) und Standardabweichung à Je nach Material variabel (Holz sehr variabel, Unikat, Stahl regelmässig, Massenprodukt) Dimensionierung: k × Abweichung (Sicherheitsfaktor) 1.2.3. Weitere baurelevante Materialeigenschaften Verarbeitbarkeit: Formgebungsmöglichkeiten Industrielle Vorproduktion vs. Produktion vor Ort Gewicht Geschwindigkeit Bsp. Selbstverdichtender Beton: Zusatz von Fliessmittel à Keine Entmischung von Bindemittel, keine mechanische Verdichtung notwendig. Thermische: (Werte müsse beim Bau bekannt sein) Wärmekapazität: Wie viel Energie für Temperaturerhöhung notwendig, konstant betrachtet Angegeben in Energie/Masse Wärmeausdehnung: Mit Zunahme von Vibration auch Zunahme von Abstand Koeffizient α Wärmeausdehnung je stärker Bindung, desto schwächer Wärmeleitung: Elastische Stösse zwischen Elektronen (frei) In porösen Materialien stark von Wassergehalt abhängig Hygrische: Relative Luftfeuchtigkeit schwankt, Baustoffe in Kontakt mit flüssigem oder gasförmigem Wasser Wasserdampfdiffusion: Transport von gasförmigem Wasser Sd (Luftschicht) = Diffusionswiderstand × Schichtdichte Bei 20-22° à relative Luftfeuchtigkeit bei 35 -65 % Wasserspeicherung : Hygroskopisches Wasser (mono/ multimoleukulare Oberflächenschicht, Poren, etc.) Überhygroskopisches Wasser: Flüssigwasser in Poren /Kapillaren Abhängig von Porosität und Art der Porosität Wasser: Beschleunigt Alterungsprozesse, steigert Wärmeleitfähigkeit, Korrosion Quellen bei Holz, beeinträchtigt mechanische Eigenschaften Optische: Einfluss auf Funktion und Ästhetik Verhalten durch Interaktion mit elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Spektrum

Refraktion (Ablenkung des Lichtstrahls beim Eintreten in transparentes Material) Reflektion Absorption Transmission

Opakes Material: Vollständige Absorption von Photonen Bei Metallen: Nach Absorption Energie durch Emission freigesetzt

Nichtmetalle: Wenn ΔE zwischen Zuständen klein genug um von Licht überwunden zu werden. Wenn ΔE > 3eV à Transparent! Farbe: Durch Spektrum des reflektierenden Lichts bestimmt

Refraktion: Durch unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit in Luft und Körper Effekt durch Polarisation von Atomen/Ionen durch elektr. Feld der Lichtwellen Teil des Lichtes an Grenzfläche reflektiert à transluzent oder opak

Optimierung: In Abhängigkeit der Wellenläge ist entscheidend für Fenster à Beschichtung des Glases mit Dünnschichten (Eigenschaften) Oberflächenbeschaffenheit: Rauigkeit, Gleichmässigkeit, etc. Akustische Gewicht und E-Modul ausschlaggebend Bestimmen Fortpflanzungsgeschwindigkeit und Dämpfungseigenschaften Für akustische Wellen à Konstruktive Ausbildung wichtig. 1.3. Materialwahl Wahl nach oben genannten Kriterien und Dichte, Preis, Umweltbelastung

Mineralische Baustoffe 1. Mineralische Bindemittel 1.1. Überblick Zur Herstellung von Mörteln und Betonen: à Zement (Bindemittel) + Zuschlag + Wasser = Festbeton, Frischbeton Pulverförmige Gemenge synthetischer oder natürlicher Komponenten Mit Wasser als Kittstoff, binden Körnige Materialien (Zuschlag) Reaktion von anorganischen Bindemittel mit Wasser à kristallisieren à Verfestigungsprozess Verfestigung: Erstarrung (Übergang zu Gebilde geringer Festigkeit) Erhärtung (weitere Verfestigung) à Exotherm, meist Schwinden/Schrumpfen Einteilung (vgl. Skript): a) Nach der Herstellung b) Nach der Erhärtung 1.2. Historisches Seit Bindemittel: Steine brauchen keine Passgenauigkeit Verputz Aussen und Innen àästhetischer und witterungsfähiger Schalungen: geringer Aufwand, Eingiessen Frühestes: Lehm, sein über 9000 Jahren (Ägypten), heute noch in Entwicklungsländer Griechen: Erfinder des Mörtels (auf Basis von Branntkalk) und Mörtelzusätze Römer: Herstellung/Verwendung von Kalk/Gipsmörteln

Puzzolanische Zusätze à Festigkeit und witterungswidertandsfähigkeit Ziegelmehl und Trass als hydraulisch erhärtende Bindemitte Nach Römerzeit: Bautechnik vergessen, nur mit Vitruv überliefert

Bis Mitte 18.Jh: Gips und Kalk als Mörtelmaterial nicht hydraulisch und Trass Danach: Bindemittel für hydraulischen Kalk à Tongehalt ausschlaggebend 1800: Zement: Selbstständig erhärtendes Bindemitte 1887: Erstes Zementwerk in der Schweiz (SO) 1.3. Baugipse 1.3.1. Herstellung und Hydratation 50% Dehydratationsprodukte des Calciumsulfat-Dihydrates Rohgips durch Aufbereitung und Brennverfahren und Mahlen Ohne oder mi werkseitig zugegeben Zusätzen verwendet Anforderungen in EN 13279 und En 13454 genormt α-Halbhydrant (Fester, gut ausgebildete Kristalle àIndustrie, Chirurgie, etc.) β- Halbhydrant (keine nadelige Kristalle àStuck und Formarbeiten, Gipsbauplatten) Hydrationsreaktionen: geringe Volumenzunahme Festigung: Durch Verfilzung der nadeligen Dehydratkristalle 1.3.2. Eigenschaften Zusätze können Verfestigung verzögern (Zucker) oder Beschleunigen (NaCl) Anreger: Hydration des relativ reduktionsträgen Anhydrit II rascher Druckfestigkeiten: β - Halbhydrat (Stuckgips) bis max. 10MPA α- Halbhydrat (Hartformgips) bis max. 50MPA Feinporiges Gefüge: Hohes Wassersaugvermögen (Aufnahme bis 50%) à Gute bauphysikalische Eigenschaften bezüglich Feuchtigkeitsaufnahme/Abgabe Vorteile: Schalldämmernd und wärmeisolierend Feuerhemmend Ästhetisch (weiss, beliebig färbbar) Gute Hartfähigkeit an Putzträgern Durchfeuchtung à Starker Festigkeitsrückgang Lösungserscheinung bei fliessendem Wasser, nur im Innenbereich Fehlender Korrosionsschutz für Bewehrungsstahl Bei Berührung mit hydraulischen Bindemittel kann Sulfattreiben aufkommen 1.4. Baukalke Für Bauzwecke: Kalkstein, Branntkalk und Kalkhydrat Norm EN 459 1.4.1. Weisskalke Kalksteine à brennen bei ca. 1000° à Branntkalk CaCO3à CaO + CO2 Zersetzung Calcinierung, Entsäuerung) nur bei Wärme, da endothermer Prozess Je höher Temperatur, desto grösser der CaO-Kristalle, desto langsamer Löschreaktion mit Wasser Calciumoxid in Form von Branntkalk für Mörtelzwecke: CaO + H2O à Ca(OH)2 Exothermer Prozess à Erwärmung der Mischung à Volumenzunahme à Kalktreiben Mit Wasserüberschuss gelöscht à Kalkbrei

Mit richtiger Menge gelöscht à Kalkpulver Calciumhydroxid: Schwache Wasserlöslichkeit, starke Base, pH-Wert ca. 12.5 Erhärtung durch Bindung von CO2 in Luft (Carbonaterhärtung): Ca(OH)2 + H2O + CO2à CaCO3 + 2h2O Brauch Feuchtigkeit und ist langsam (CO2-Konzentration) à Nebenprodukt Wasser, muss gut durchlüftet werden nicht frühzeitig absperren 1.4.2. Dolomitkalke Brennen von Dolomit oder dolomithaltigem Kalkstein CaCO3+MgCO3àCaCO3+MgO+CO2 bei 600° CaCO3+MgOàCaO+MgO+CO2 bei 900° Löschreaktion analog zu Branntkalk à entstehen Ca(OH)2 und Mg(OH)2 Bei Erhärtung: Entsteht Calcit und hydratwasserhaltige basische Magnesiumcarbonate 1.4.3. Hydraulische Kalke Brennen von Mergel (tonhaltiger Kalkstein) bei 1000-1200° Branntkalk und andere Verbindungen entstehen Löschen: Nur so viel Wasser, das reaktiverer Calciumoxid gelöscht, hydraulische Phasen, hydratisieren nicht. Gemischte. Durch Mischen von Kalk und Hüttensand oder Puzzolanen Bei Erhärtung: Carbonaterhärtung und hydraulische Erhärtung, auch unter Wasser Druckfestigkeit: Steigen mit zunehmenden Anteil an Hydraulefaktoren in Bindemittel bei Feuchtlagerung Konsequenzen à vgl. Skript 1.5. Portlandzemente Grösste Gruppe anorganischer Bindemittel Feingemahlene hydraulische Bindungen, nach Vermischen von Wasser (anmachen), erhärten an Luft und Wasser Hydraulisch = Wasserbindend, wassertest und unter Wasser erhärtend 1.5.1. Herstellung und Zusammensetzung Mischungen aus Kalkstein und Ton (Rohmehle) sowie Korrekturstoff bis Sinterung erhitzt 1400-1500° Partielles Schmelzen (20-30%) à Zementklinker mit Calciumsulfaten und Zumahlstoffen àPortlandzement Zusammensetzung essentiell für Eigenschaften, Spielraum gering Kalkgehalt entscheidend (zu niedrig = Festigkeitsabfall, zu hoch = Kalktreiben) Hydraulefaktoren: SiO2, Al2O3 und Fe2O3 (Oxide) Optimaler CaO-Gehalt: Höchster Gehalt der an seine Hydraulefaktoren gebunden werden kann Kalkkennnwerte: HM und KSt I, II, III, SM und TM Hauptphasen des Zementklinkers

- Alit: 3CaO-SiO2 = C3S à 50-75% muss schnell abgekühlt werden (innere Energie), führt zu hoher hydraulischer Aktivität)

- Belit: 2CaO-SiO2 = C2S à5-20% stabilisiert ss-Form durch Alkalioxide - Aluminat: 3CaO-Al2O3 = C3A à 5-15% Erstarrung des Zementes - Ferrat: 4CaO-Al2O3-Fe2O3 = C4AF à 5-15%

Vermahlen mit 4-8% Gips à Portlandzement Nicht gebundenes CaO und MgO meistens enthalten, aber unter 2% Phasenberechnung nach Bogue: chem. Analyse à potentieller Phasenbestand 5-8% Gips oder Anydrit als Erstarrungsverzögerer zugegeben Sulfatzusatz abhängig vom C3A-Gehalt und Feinheit 1.5.2. Hydration von Portlandzement Gesamte komplexe Prozess der Reaktionen mit Wasser Alit und Belit à schlecht kristallisierte Calciumsilicathydrate gebildet Bildung von CH à Korrosionsschutz des Stahles im Beton Aluminat à Liefert stabiles kubisches Hexanhydrat, kein CH gebildet aber in dessen Gegenwart -> hexagonale Calciumaluminathydrate oder in Gegenwart von Calciumsulfat à Calciumaluminiumsulfathydrate Gipszusatz: Am Anfang Reaktion auf C3A-Oberflächen bildet sich Trisulfat aber ändert Gefüge des Zementleims nicht à Bewegen der Körner noch Möglich. Nach Stunden entstehen grössere Trisulfatkristalle und gegenseitige Vernetzung also Verfestigung à Hemmt Erstarrung häng von Gehalt und Reaktivität von C3A ab. Ohne Sulfat: C3A hydratisiert, überbrückt den Wassergefüllten Porenraum à Verfestigung, nicht gehindert durch Gefüge Entwicklung im Zementleim Ferrat à Calciumaluminatferrathydrate oder Calciumaluminatferratsulfathydrate Festigkeitsentwicklung: Alit und Belit Nach Hydratation: 70% Calciumsilicathydrate à grössere Oberfläche (1000x) à Festigkeit da Adhäsion und Absorption ermöglicht

2. Theorien der Erhärtung: Kristalltheorie von Le Chatelier Kolloidtheorie von Michaelis 1.5.3. Portlandzement mit Zumahlstoffen Zumahlstoffe: 1. Latent hydraulische (Aschen und basische Schlacken) à Erhärtungseigenschaften, brauchen aber basische Anreger (Ca(OH)2) 2. Nicht hydraulische (Puzzolane) à Keine hydraulische Eigenschaft, reagiert aber mit Ca(OH)2 hydraulisch 3. Kalksteinmahl à Nimmt zu geringem Teil an Hydratationsreaktionen Teil 1. und 2.: Erhärten Langsamer, niedrige Hydratationswären Herstellung von Massenbeton (Wasserbauten) und Gründungsarbeiten (Industrie) 1.5.4. Zementnormung Portlandzemente in EN 197 à 27 Normzemente in 5 Hauptzementarten: CEM I, II, III, IV, V In Festigkeitsklassen eingeteilt, müssen bestimmte physikalische und chem. Anforderungen erfüllen 1.5.5. Spezialzemente Vgl. Skript S. 49/50/51 2. Beton 2.1. Einleitung Zement, Wasser, Zuschlag + Zusatzstoffe (für bestimmte Eigenschaften) Einige Stunden bearbeitbar, dann erhärtet. Nach 28 Tagen Nennfestigkeit gemessen - Baustellbeton (auf Baustelle gemischt) - Transportbeton (im Werk gemischt, an Baustelle in einbaufertigem Zustand) - Beton für Betonfertigteile (im Werk vermischt und verbaut)

- Frischbeton: Nicht mehr bearbeitbar, erhärtet à Festbeton - Stahlbeton: Verbundbaustoff aus Beton und Stahl à Nötig für Aufnahme der Schnittgrössen - Spannbeton: Verbund aus Beton und eingelegten Spannglieder à Beim Vorspannen bringen Druckspannung,

wirken der Beanspruchung entgegen - Stahlbetonbauteile: Witterung ausgesetzt = Aussenbauteile

Stahlbewehrung: Sicherung des Korrosionsschutzes und gegen Brandeinwirkung à Genug dicht, dick und hochwertiger Beton ummantelt à Verhindert schnelle Carbonatisierung des Zementes, Herabsetzung des pH-Wertes

- Selbsverdichtender Beton (Braucht keine Vibration oder Stampfen) - Hochfester beton (filigrane Bauteile) - Faserbeton (Hohe Zugfestigkeit, Verbesserung des Nachbruchverhaltens) - Recycling Beton (Verwendung rezyclierter Zuschläge)

Schweiz: 4.2Mt Zement/Jahr, Marktvolumen: 30Mio m3 à 20 Mt. Beton Rezeptur: Kiessand (0-32mm) 2000kg/m3 Beton Zement 250-400 kg/m3 Wasser 150 kg/m3 Beton à Rohdichte : 2400-2550kg/m3 à Zuschlag: 80% der Masse 2.2. Normung EN206 und weitere für Ausgangsstoffe, Bemessung, Ausführung und Prüfnorm Nach Eigenschaften: Expositionsklasse Druckfestigkeitsklasse Grösstkorn des Zuschlags Chloridgehaltsklasse Konsistenz Besondere Eigenschaften 2.3. Wasser/Zement-Wert Wassergehalt: Zugabewasser, Oberflächenfeuchtigkeit des Zuschlags, Wassergehalt von Zusatzmitteln Massgebend für w: Verarbeitung des Mörtels bzw. beton Wasser-Bindemittelwert àporenraum àDichtigkeit und Festigkeit 2.4. Gesteinskörnungen für Beton Zuschlag bildet Korngerüst, das mit Bindemittel verkittet wird Volumenbeständigkeit günstig à weder quellen noch schwinden Beton: Grösstkorn < 4mm

Mörtel: Grösstkorn > 4mm Unterteilung: Gefüge: dichtes und poriges Herkunft: natürliche und künstliche Aufbereitung: ungebrochene und gebrochene Korngrösse Kornform: kugelig, faserförmig 2.4.1. Natürliche Zuschläge Natursande (<4mm), Kiese (>4-32 mm): Sedimentäre Lockergesteine àAbgeschliffen je nach Fundort, gewaschen, keine Feinanteil unter 0.125 mm Brechsand (< 4mm), Splitt (> 4-32 mm): Steinbrüche, aus festen Natursteinen à Hoher Feinanteil unter 0.125mm, „Edel“ ist günstige Form (durch Brechen) 2.4.2. Künstliche Zuschläge Hochofenschlacken àlangsam gekühlt oder schnell gekühlt, granuliert (Hüttensand) Baustoffrecycling: Altbeton à Aufbereitung à Zuschlag (weniger fest und verformbarer) 2.4.3. Leichtzuschläge Angewendet wenn hohe Wärmedämmung erwünscht à Hausbau Bimsstein, Schaumlava, Tuffe (natürliche Zuschläge), Perlite, Blähschiefer (künstliche Zuschläge) 2.4.4. Spezialzuschläge Extrem schwer im Strahlenschutz verwendet (Baryt, Eisenerze, Bleichschlacken) Für Hartstoffe, grosse Verschleißfestigkeit (Basalt, Metallspäne, Siliciumcarbid) Für Feuerfesten Beton, keine Volumenveränderung (Ton) Farbige, für Sichtbetone oder Betonwerksteine 2.4.5. Zuschlagsieblinien Gut: Gemischtkörnig, kleiner sollen Hohlräume zwischen Grossen vollständig ausfüllen Zu grosser Feinanteil: Erhöhen Wasseranspruch (niedrige Festigkeit, hohes Schwinden) Zu grosser Grobanteil: Schwer bearbeitbar und verdichtbar Fullers Formel Sieblinie: Je mehr Form von Kugel abweicht, desto feiner muss Sieblinie sein Zuschlag darf nicht: Zersetzen und erweichen unter Einwirkung von Wasser Mit Bindemittel schädliche Verbindungen bilden Dauerhaftigkeit des Betons beeinflussen Nicht genügend fest oder Witterungsbeständig sein Schädliche Bestandteile enthalten (stören Erstarren/Erhärten oder setzen Festigkeit/Dichtigkeit ab oder Treiberscheinung verursachen oder Korrosionsschutz herabsetzen) 2.5. Zusatzstoffe Wie bei Zement: Latent hydraulisch Nicht hydraulisch Kalksteinmehl und andere Gesteinmehle Nehmen an Erhärtungsreaktionen teil, Betondruckfestigkeit Können Teil des Zements ersetzen (k-Wert-Konzept), z.B. Flugasche 2.6. Betonzusatzmittel Eigenschaften die eingesetzt werden, nicht aber Korrekturmittel Beeinflussen: Hydratationsprozess, Frisch-/Festbetoneigenschaften EN934 Wirkungsgruppen vgl. S. 65

Beschleuniger Schnelleres Inlösunggehen der Bestandteile des Zements à Hydratation Chloride Alkalialuminate, -nitrate oder Calciumacetat, -formiat Feinere Mahlen des Portlandzements

Verzögerer Umhüllung der Zementpartikel durch Absorptionsfilme/Reaktionsschichten àWasserzutritt gehemmt, abbinden verzögert Salze. Zucker, Kohlenhydrate z.T. bei Überdosierung Beschleunigung der Zementhydratation

Verflüssiger Anionische Polymere, an Oberflächen von Zementpartikel adsorbieren und Zementpartikel dispergieren w/z-Wert verringert, Festigkeit und Dichtigkeit steigt Ermöglicht hochfester und selbsverdichtender Beton

Luftporenbildner Physikalisch, Anstreben einer gleichmässigen Verteilung von Mikroluftblasen Saugwirkung gemindert, Wasser beim Gefrieren in nicht gefüllte Poren Anteil mind. 1.5-3 % Abstand nicht höher als 0.2mm Harzseifen

Stabilisierer Verbessern Pumpfähigkeit, Standfestigkeit von Spritzbeton, verhindert Aufschwimmen von

Leichtzuschlagskörner 2.7. Eigenschaften des Betons 2.7.1. Frischbeton Genaue Dosierung beim Zumischen Handmischen für kleinere Arbeiten/untere Betonqualität Freifallmischer (nicht für steife, zementreiche geeignet) und Zwangsmischer (schwer bearbeitbar) Mischdauer: 30-60s à Wirksamkeit hat Einfluss auf Wasserbedarf, Verdichtbarkeit und Hydratation Verdichten: wenn unverdichtet erhärtet à Verdichtungsporen à verschieden Eigenschaften Carbonatisierungsgeschwindigkeit erhöht, negativ für Dauerhaftigkeit von Stahlbeton Hängt von Konsistenz des Betons ab Baustelle: wichtigste Paramater müssen kontrolliert werden 2.7.2. Druckfestigkeit Gemessen nach 28 Tagen Faktoren: w/z: Wert à Fester bei sinkendem w/z-Wert Zusatzstoffe à Festigkeitbeitrag von z.B. Flugaschen Verdichtung à Fester bei besserer Verdichtung LP-Gehalt à Weniger Fest bei höherem LP-Gehalt Nachbehandlung: Bis zum Erstarren schützen, feucht halten, Temperatur 2.7.3. Schwinden und Kriechen Schwinden: Längenverkürzung infolge Austrocknung und Hydratationsvorgänge Je trockener Umgebung, desto stärkere Schwellung Höhere w/z- Werte à höhere Schwindwerte à Schwindrisse vermeiden: Optimierung der Rezeptur, Dilationsfugen, Nachbehandlung, Bewehrung Volumenänderung wie Zement: Plastisches Schwinden Chemisches Schwinden Hygrisches Schwinden Kriechen: Plastisch, irreversible Verformung unter Belastung, Dauer je nach Feuchtgehalt Kriechverformung = Fliessanteil + Elastische Deformation Steigende Last, höherer Zementanteil, höherer w/z-Wert, trockene Umgebung à Nimmt zu! 2.8. Dauerhaftigkeit von Beton Unter normalen Bedingungen dauerhaft Innere und äussere Schädiger können Dauerhaftigkeit senken Leichter angreifbarer: Zement-Bindemittelstein (Zugabwasser verursacht Poren) Hohe Widerstandsfähigkeit: kleiner w/z-Wert, hoher Hydratationsgrad 2.8.1. Lösende Betonkorrosion An Oberfläche infolge chemischer Reaktionen leicht lösliche Reaktionsprodukte bilden àWaschbetonartige Oberfläche à Zuschläge brechen aus, Zementstein Durch Säuren oder Laugen, bestimmte Salze, Fette und Öle Weiches Wasser à auslaugt Ca(OH)2 à vermehrt Porenraum 2.8.2. Treibende Betonkorrosion Im festen Zustand àkein Ausweichen gegenüber Neubildungen im Inneren des Bauteils Voraussetzung für Rissbildung infolge Treibreaktionen:

- Chemische Reaktionen oder physikalische Prozesse im Innern - Volumen der Neubildung grösser als Volumen der festen Ausgangstoffe - Entstehende Spannungen grösser als Festigkeit des Baustoffes

2.8.3. Sulfattreiben Schädigende Sulfate aus wässrigen Lösungen, dringen schnell und tief ein Volumenvergrösserung à Dichteabnahme Alkali-Aggregat-Reaktion: Wenn Zement erheblicher Alkaligehalt hat à Treiberscheinung Alkali-Silicat-Gele: Quellen unter Wasseraufnahme Vermindern Festigkeit Zerstören Beton Zuschläge alkaliempfindlich, geringer Gehalt in Ordnung. Verhindern: Wenig Alkali und wenig alkaliempfindlich Carbonatisierung des Betons und Korrosion der Stahlbewehrung Stahl im Beton --< Keine Korrosion --< Porenflüssigkeit = 12.6-13 pH i.O. Passivierung oder Immunisierung des Eisen à Erniedrigung der OH –Konzentration (pH < 9.5) à Carbonatisierung oder Anwesenheit von spez. Ionen à Calciumhydroxid + CO2 in Luft à Calciumcarbonat (pH 9)

Festigkeitsverlust und Volumenzunahme à Absprengen des Beton Einflussfaktoren: CO2-Konzentration, Temperatur, Luftfeuchtigkeit à Gut! Herabsetzung des w/z, Erhöhung des Z-Gehalts und Z-Qualität, höhere Betonfestigkeit und Dichtigkeit à schlecht! Gute Verdichtung und lange feuchte Nachbehandlung à Schlecht! Chloride à Heben Passivierung an Oberfläche auf à Lochfrass wo Beton bereits karbonisiert à Bereits angebundenes Chlorid schadet nicht, ungebundenes schon à Kann durch PVC Brände, Schwimmbadwasser, Streu/Meersalz à Dichterer Beton oder Sperrende Beschichtung Frost-Tauwechsel-Schäden: Durchfeuchteten Zustand à Porensystem mit 91% H2O à Kein Platz für Eisvolumen Gefriert à Volumenvergrösserung à hydrostatischer Druck à Rissbildung Grössere Poren à weniger Frostgefährdet à Luftporen wirken als Druckausgleich 3. Mauerwerk 3.1. Überblick Mauersteine mit Mauermörtel verbunden à entweder steinschichtig oder beschichtet Unterscheiden in Art der Mauersteine:

- Backsteine (B) und Leichtbacksteine (BL) - Zementsteine (C) und Leichtzementsteine (CL) - Kalksandsteine - Porenbetonsteine (P) und Porenbetonleichtsteine (PL)

Fugen à Laserfugen: Fast horizontal zwischen Schichten oder Steinen à Stossfugen: Fast vertikal zwischen nebeneinanderliegende Steine Rechtwinklig zueinander und/oder zur Oberfläche à Polygonaler Fugenverlauf: unregelmässig, keine Form Fugendicke: + Steinhöhe = Schichthöhe < 5mm= Press oder Knirschfugen Möglichst dünn aber genug um Steintoleranz auszugleichen Aussenseite immer bündig, Innenseite variabel Immer gegeneinander versetzte Steinschichten à Stossfugenüberdeckung mind. 30% Steinhöhe

- Binderschicht: Quer zur Laufrichtung - Läuferschicht: Laufrichtung - Rollschicht: Hochkante Binderschicht

1-schaliges Mauerwerk: Eine vertikale Schicht, mind. 120 mm dick, Porenbeton > 150mm Tragfähigkeit durch Knickgefahr begrenzt 2-schaliges Mauerwerk: Innere (tragende 120-150mm) und Äussere (wetterbeständige > 1200mm) mit Isolationsschicht und evtl. Luftspalt Grosses Saugvermögen: Mörtel zu rasch Wasser entzogen, kann nur ungenügend erhärten Geringe Festigkeit, Schwindrisse, wenige Dauerhaft Wasserrückhaltende Zusatzmittel oder Stein vornässen Kleines Saugvermögen: Stein schwimmt im Mörtel, haftet weniger Erschwert Prozess vom Aufmauern 3.2. Mauersteine 3.2.1. Ziegel (EN 771-1) Keramische Baustoffe, Verformung von Rohstoffen und Verfestigung Ausgangsstoffe: Tone (enthalten Quarz/Feldspatanteile + Tonminerale Mauerziegel bei 1000°, Mauerklinker bei 1350° Brennprozess. Neben Glasphase bildet sich Mullit --< Festigkeit 3.2.2. Kalksandsteine (EN771-2) Gebrannter Kalk, Quarzsand und Wasser bei 170-200° à Drücken. Quarzsand à Erhärtungsreaktionen mit Kalk zu calciumsilicathydraten Hydrothermale Erhärtung à Produkt Kristalliner 3.2.3. Porenbeton (EN 771-4) Zusätzlich Aluminiumpulver als Treibmittel à reagiert vor Autoklavierung mit Kalk zu H à Auftreiben der Mischung 3.3. Mauermörtel (EN 998-2) Gemisch aus anorganischen Bindemittel, Zuschläge, Wasser und Zusatzstoffe/Mittel (Lager, Stoss, Längsfugen, Fugenglasttstrich oder Nachfugen) Mauermörtel nach Eignungsprüfung: Bestimmte Eigenschaften von Hersteller gewünscht Mauermörtel nach Rezept: Vorgegebene Anteile bestimme Eigenschaften Normalmauermörtel: ohne besondere Eigenschaften

Dünnbettmörtel: Eignungsprüfung Grösstkorn < festgelegter Wert Leichtmörtel: Eignungsprüfung, Trockenrohdichte < festgelegter Wert 3.3.1. Mauerwerksoberfläche Sichtmauerwerk: Hohe Steinqualität, gute Schichtenpläne, Wahl der Baustoffe Vorsatzmauerwerk: Dampfdicht, wasserdurchlässig --<Hinterlüften, Wasser ableiten, Fugenoberfläche nachbehandeln, Tragsicherheit und Aussehen beachten Beschichtung: Unterscheidung zwischen:

- Imprägnierung: Wasserabweisend durch Siliconharzen in Lösungen à Wasser dringt nicht ein aber dampfförmig transportierbar

- Anstrich: Geeignete Farben, aber Wassertransport möglich (nicht Latex verwenden) - Verputz: Am Untergrund haften, frei von grossen Rissen, Widerstandfähig gegen Witterung

Ästhetik Abhängig von Putzgrund (Mauerwerk) à Gut Haften = Saugfähigkeit und Rauigkeit Keine Risse = Putzgrund steifer, keine Verformung Putzregel: Putz nicht fester als Putzgrund

Druckfestigkeit/E-Modul von Putz <von Putzgrund Transport von Dampf durch Putz muss möglich sein

Spritzbewurf als Haftgrund: 5 mm Grundputz: 5-20 mm Deckputz: 5-10 mm Speziell: Wärmedämmputze, Sanierputze 4. BauGlas 4.1. Herstellung Glasstruktur amorph, nicht kristallin àSiO2 Atome nicht im Kristallgitter Normalglas à unregelmässiges Netzwerk durch Metall Ionen zusammengehalten Historisches à Nach Jh. Rekristallisiert, verliert Transparenz und Festigkeit Metalloxide à Senken Schmelzpunkt von Quarz in Flamme verformbar Normalglas à SiO2, CaCO3, Soda bei 1500° Spezialgläser enthalten mehr Baugläser: Flachglas, Pressglas, Glasfasern, Schaumglas 4.2. Eigenschaften Kein Schmelzpunkt, Erweichung bei 600-1000° Mechanisch, thermisch, hygrisch (vgl. Skript) Lichtdurchlässig Bauglas: Hoher Widerstand gegen Chemikalien, UV-Strahlung, Temperatur Nicht stabil gegen wässerige Lösungen (Säuren und Basen) àSäureangriff: Ionenaustauschprozess, Si-O-Netzwerke unberührt à Laugenangriff: Reagiert mit SI-O à Kieselsäuren àStruktur zerstört Alterungsprobleme bei Anschlusselement nicht Glas 4.3. Glasarten 4.3.1. Flachglas Gussglas: Dekorativ, Walzen àStruktur àLichtstreuung /Durchsichtigkeit Gezogenes: Fensterscheiben, zwischen Rollen gezogen àVariationen in Dicke Floatglas: In Zinnbad bei 1000° gegossen à plane Oberfläche à in Platten geschnitten 4.3.2. Sicherheitsglas Drahtglas: Metalldrahteinlage à Splitter halten zusammen, feuerhemmend Einscheibensicherheitsglas (ESG): Erhitzt und mit Kalter Luft abgeschreckt à Spannungszustand: Temperaturbeständig, Stösse und Schläge aber Kratzer an Oberfläche zerstört Verbundsicherheitsglas (VSG): 2 oder mehr ESG mit Kunststoffschicht verbunden – Verhindert zersplittern und Verletzungen à Panzerglas 4.3.3. Isolierglas Glasscheiben à abgeschlossener Scheibenzwischenraum getrennt Klebeverbindung à Lebensdauer begrenzt (Eindiffundieren von Feuchtigkeit), Wärmeschutz: mind. 1 infrarotverspiegelte Scheibenfläche, besser wärmdämmernde Edelgase statt Luft 4.3.4. Schallschutzglas Isolierglas mit grösserem Zwischenraum, evtl. Schwerglas VSG verwendet, Kunststoffschicht dämmt 4.3.5. Brandschutzglas R-Verglasung (Drahtglas, feuerfestes Glas, Verbundglas oder eingelagerte Wasserglasschicht) à 30-60min standhalten

F-Verglasung (mehrere Scheiben, hoher Wassergehalt): Verdampfung des H2O à Hitzeschild. Müssen zusätzlich Durchtritt von Hitzestrahlung verhindern. 4.3.6. Glasbausteine Schalenförmige Teile, bei 1000+, dazwischen Teilvakuum (U=3W/m2kà etwas isolierend), nichttragende Wände 4.3.7. Schaumglas Besondere Zusammensetzung gemahlen, mit C vermischt, 1000°, C oxidiert à bildet Bläschen (isolierend)à In Platten Metallische Werkstoffe: Stahl, Aluminium, Buntmetalle 1. Einleitung Stahl: Tragwerke (Stahlbau), Verstärkung on Beton (Bewehrung), Fassadenbau Aluminium: Bau (Profilaluminium), Fenster und Fassaden (Blech) Buntmetalle: Fassaden-/Dachverkleidungen (Messing, Kupfer, Zink, Blei, etc.) 2. Kulturhistorische Bedeutung der Metalle 1. Metall unbekannt à muss elementar vorkommendes gewesen sein Anwendung: Schmuck (Kostbarkeit, Bsp. Gold, Weichheit) Kupferzeit (5000-3000 v. Chr.): Kupfer (Legiert mit Zink, Blei, Nickel) à Härter als Gold, Verwendung von Brennöfen, Gewinnung aus Erzen möglich Eisenzeit (1200 v. Chr.): Ausbreitung und Nutzung von Eisen (früher selten) à wertvoll weil selten Mittelalter: Alchemie à Beschäftigung mit Metallen (wegen Goldsuche), 14. Jh. Eigenbedarf à Holzkohleöfen (Abholzung von Waldflächen) 2.1. Neuzeit 1780 beginnt Ära des Eisen im Bau. Industrialisierte Gewinnung von Kohle/Eisenerz à Bronzemetallguss (Skulpturen, Glocken) 2.1.1. Gusseisen Korrosionsfest, druckbeständig, leicht, problemlos transportier, schlankere Proportionen für Bauelemente als Holz Stützen, Bogen, Maschinenteil à verbreitete sich global Festigkeit, unbeschränkte Formen (Verbindungen), sehr feine Details möglich - Spröde, schlagempfindlich, wenig biegefest à nicht für elastische, weitspannende Konstruktion Schmiedeeisen bleibt teuer, auch nach Wasserkraftgetrieben Hammerwerke 2.1.2. Walzstahl 1800 (UK): Produktion von Eisendraht à Abspannungen Walzstahl: Eisenblöcke à immer dünner gewalzt à Platten und Bleche, Stäbe In grossen Mengen für Eisenbahnen (1830). Bis 19 Jh. Nur nahe von Wald (Holzofen) à Einsatz von Koks à Hütten ins Ruhrgebiet, bei Kohleminen L-, U-, I-Profile im 20Jh. à Hoch- und Brückenbau Hohe Druckfestigkeit, zug-, biege-, schlagfest. Kann genietet, verschraubt, verklebt, verschweisst werden. Integrierte Knotenbleche und Nieten à filigranes Fachwerk à Brücken und Hochhäuser 3. Die Gewinnung von Eisen und Stahl Eisenerz mit Kohle, Koks schmelzen à hoher Kohlenstoffgehalt (3-5%) + unerwünschte Eisenbegleiter àRoheisen à Giessen/ Walzen /Schmieden Frischen von Roheisen à Kohlenstoffgehalt runter, Eisenbegleiter weg à Rohstahl Eisenschmelze (Eisenerz, Alteisen9: 1799° : Eisenblasen von O vom C befreit à gezieltes Aufkohlen à gewünschter C-Gehalt Zusätzlich zu Roheisen, grosse Mengen Hochofenschlacke àmineralische Baustoffe 4. Der mikroskopische Aufbau von Stahl Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. C ist wichtigstes Legierungselement in Eisen à Unterschiede in C-Gehalt ändern Eigenschaften Eisen je nach Temperatur: Raumtemperatur: kubisch-raumzentrierte Phase (Ferrit, α Eisen) Mittlere Temperatur: Kubisch-flächenzentriert (Austenit, γ Eisen) Unter Schmelzpunkt: Kubisch-raumzentriert (Sigma-Ferrit, δ Eisen) Kohlenstoff wird im α, γ, δ -Eisen in Zwischengitterplätze gelagert, nur begrenzt löslich à unterschiedlicher Aufbau der Modifikationen à unterschiedliche C-Löslichkeit

4.1. Eisen-Kohlenstoff-Legierungen 4.2. Das metastabile Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm Metastabiles Eisen-C-Zustandsdiagramm Fe und C: Stabiles Gleichgewicht (+ Graphit) Metastabiles Gleichgewicht (+ Zementit) Bauwesen: C-Gehalt unter 1% Abhängigkeit des Rp-Wertes (Grösse für Festigkeit) vom C-Gehalt Ferrit (Weich, verformbar), Zementit (hart, spröde9 à je mehr Zement, desto fester aber unverformbarer 4.2.1. Welcher Teil des Fe-Fe3C-Diagrammes ist im Bauwesen wichtig? Relevant: Bereich von reinem Eisen bis Fe3C - Unter 2.1 Gew. % C à Stahl, darüber à Gusseisen (Liquidustemperaturen, Eutektikum (+3%C) - Erstarrt Legierung: Eutektisches Lamellengefüge Ledeburrit (α-Eisen + Fe3C(Zementit)) - Geringe Zug- aber hohe Verschleissfestigkeit Stahl: Wichtiger Punkt bei 0.8% Gew: Unteren Rand des Austenit-Existenzbereich (durch C-Zugabe erweitert, d.h. Phase höhere Temperatur als Eisen, weil gute Löslichkeit im kfz). Hingegen α-Eisen im krz-Gitter nur wenig C löslich à Bei Kühlung von Austenit muss gelöster C ausscheiden à Langsames Abkühlen: unter eutektoiden Temperatur bei 0.8%Gew. C à Perlit Untereutektoider Stahl > 0.8% C Übereutektoider Stahl < 0.8% C 4.3. Die Legierung Grundmaterial (z.B. Eisen) mit wenig anderen Elementen à Keine chem. Verbindung aber Kristallgitter - Substitution von Atomen der Grundsubstanz oder - In Zwischenräumen gelagert Kraft zwischen Atomen, Volumen, Form der Kristallzelle geändert à Ändert Makro Eigenschaften Stahl: Legierung Fe und C (0-2%) und weitere Stoffe. Kristallform und Struktur abhängig von: - Zusammensetzung der Legierung - Temperaturvorgeschichte - Vorausgegangene Verarbeitung 4.4. Die Beimengungen C à Erhöht beim Eisen die mech. Festigkeit, Härte und Sprödigkeit à reduziert Bruchdehnung und Schweissbarkeit Eisenbegleiter: Silizium, Mangan, Phosphor à Festigkeit und Korrosionsverhalten! 4.5. Die Wärmebehandlung Nachträgliche Wärmebehandlung: à Alter Spannungszustand ausgleichen (Glühen) à Kristallgefüge homogenisieren und /oder modifizieren (Glühen) à neuer Spannungszustand erzeugen (Härten, Abschrecken), dieser Stabilisieren (Vergütern) Bsp. Härten: Verändert nicht E-Modul aber Anhebung der Streckgrenze Erwärmung bei 800° C à Kristallgitter Umordnung Abschrecken à Nicht zurückverwandeln, „friert“ in Form à Spanungszustand

(weil Oberflächenschichten anders als Innen) Nachwärmen auf 100-300°C à Spannungsungleichheiten entfernen Vergütern à Härtung stabilisiert

5. Stahlarten

S 235 Gütergruppen JR, J0, J2 Allgemeiner Baustahl S 275 Gütergruppen JR, J0, J2

S 355 Gütergruppen JR, J0, J2, K2, N, NL B 450 C Betonstähle für schlaffe Bewehrung B 500 A, B Spannstahl Vorgespannte Konstruktionen Sonderstähle Wetterfest, Hochspannungsmasten Nicht rostende, rostfreie Stähle Hoch legiert mit Cr-Ni oder Cr-Ni-Mo Zusatz Hochfeste Feinkornbaustähle

5.1. Eigenschaften von Baustahl Mechanische: Hohe Zugfestigkeit (350-1700N/mm2) Hohe Streckgrenze (bis 1670N/mm2)

Elastischer Bereich erstreckt sich über 0.2% der Dehnung Streckgrenze bei 2% Bruchdehnung bei 20%

Bevorzugt für Ingenieurbau, nicht allzu grosse Toleranzen - Festigkeit nimmt bei 400-600°ab à Muss vor Feuer geschützt werden

5.2. Wetterfeste Baustähle Legiert mit 0.3-0.5% Cu 0.5-0.5% Chrom 0.4 % Ni Oberfläche oxidiert zu Deckschicht, nicht homogen à weiterrosten nicht unmöglich Rostprozess unter heutigen Luftverhältnisse kommt nicht zum Stillstand à Bauschäden und Totalsanierungen Regeln:

1. Vorkehrung für Wasserabfluss 2. Vermeiden von Wassersäcken, Überlappungen und weitere gefährdete Bereiche 3. Regelmässige Kontrolle der Konstruktion auf Korrosion, Entfernen von Rost, Staub, Laub, etc.

5.3. Nicht rostende Stähle Hoch legiert, Chromgehalt >10.5%, C-Gehalt <1.2% Nicht ganz kein Rost, aber keine Flächenkorrosion und merkliche Rostbildung Kurzname: X 5 Cr Ni 18 - 10 à 5/100% C, Cr 18%, Ni 10% Gefügezustand Unterscheidung (abhängig von Legierungsbestandteile, Wärmebehandlung, Umformung): Ferritische Austenitische Martnsitische Ferritisch-austenitische Wirksumme: Beständigkeit gegenüber Loch-/Spaltkorrosion à % Chrom + 3.3 × % Molybdän + 30 × % Stickstoff 6. Korrosionsvorgänge Elektrochemische Natur (ausser hohe Temperatur) 6.1. Korrosionsvorgänge in wässrigen Angriffsmitteln 6.1.1. Elektrodenreaktionen Phasengrenze Werkstoff/Korrosives Medium à Metall gibt Elektrode ab (Oxidation) à Ionischer Zustand Metallauflösung bei Anode à Anodische Teilreaktion im Metall: Elektrischer Strom bring e- an andere Oberflächenzone, wo vom Angriffsmittel aufgenommen (Reduktion) bei Kathode, kathodische Teilreduktion Hängt vom pH Wert ab 6.1.2. Spannungsreihen Korrosionsmöglichkeit, aber nicht Geschwindigkeit des Prozesses 6.1.3. Normalpotentiale und Praxispotentiale Normalpotential: Tendenz einzelner Metalle sich im Korrosionsmedium aufzulösen Unterschied Normalpotentiale und Praxispotentiale 6.2. Erscheinungsformen der Korrosion 6.2.1. Korrosion ohne mechanische Beanspruchungen 7. - Gleichmässiger Flächenbetrag: Korrosionsprodukt regelmässig abgetragen, Nutzungsdauer bestimmbar 8. - Muldenfrass: Unterschiedlichen Metallabtrag an Oberfläche à Mulden, Geschwindigkeit nicht bestimmbar 9. - Lochfrass: Stelle mit kraterförmigen Vertiefungen, sonst keine Korrosion à Aggressive Anionen, lokal! 10. - Spaltkorrosion: In Spalten unter Ablagerungen à Viel aggressive Stoffe, wenig Sauerstoff 11. - Kontaktkorrosion: Unedleres Metall angegriffen, Intensität je nach Flächenverhältnis Kathode/Anode à

Verbindungselemente mit kleiner Fläche nicht unedleres Metall 11.2.1. Korrosion mit zusätzlicher mechanischer Beanspruchung Spannungsrisskorrosion (SpRK) Gleichzeitige Belastung (Zug) und Korrosionsangriff à Riss! 12. Vorbeugende Massnahmen 7.1. Ziel und prinzipielle Möglichkeiten des Korrosionsschutzes 7.1.1.Veränderung am Werkstoff Zugeben von Legierungselementen (12%Cr) Elektrische Schutzmassnahmen (Potential verschieben) Wärmebehandlung 7.2. Trennen von Werkstoff und Angriffsmittel 7.2.1. Schutzschichten

Konstruktive Vorkehrung Metallische Überzüge Anorganische Beschichtung Organische Beschichtung 7.2.2. Veränderung am Angriffsmittel Entzug aggressiver Bestandteile Zugabe von Inhibitoren Nur für geschlossen Systeme sinnvoll 8. Verarbeitung- und Lieferformen von Stahl Giessen: Guss, Kokillenguss, Strangguss Wärmeverarbeitung: Schmieden, Warmwalzen Kalkverarbeitung: Kaltwalzen, Kaltpressen, Kaltziehen, Kaltstrecken, Rollen 9. Verbindungstechnik für Stahl Schweissen: Strahl-, Gassschmelz-, Lichtbodenschmelzschweissen Verschrauben: Reibung oder Scherkraft (und Lochleibungsdruck) Nieten, Bolzen Kleben 10. Aluminium und Aluminiumlegierungen 10.1. Die Gewinnung von Aluminium 7.3% in Erdkruste Bauxit (50-70% Aluminiumoxid) à + Natronlauge = Natriumaluminat à Zersetzt zu Tonerde à Elektrolytisch zersetzt à Aluminium Aluminiumoxid à Stabil, schwierig zu zersetzen 10.2. Der mikroskopische Aufbau von Aluminium Struktur kann beeinflusst werden Zugfestigkeit (90N/mm2) àKaltverformung (160N/mm2) Ausgehärtete Legierung à Höhere Festigkeit AlMgZn 10.3. Arten von Aluminiumlegierungen Gusslegierung: Aushärtbar, nachgekühlt (Homogenisierung), selten im Bau Knetlegierung . Strangguss à Verarbeitet 10.4. Verarbeitungs- und Lieferformen von Aluminiumlegierungen vgl. Skript S. 129 10.5. Verbindungstechnik für Aluminiumlegierungen Verschraubung: Engere Grenzen als Stahl; Nur Alu oder rostfreie Schrauben Schweissen: z.T. Nachbehandlung nötig wegen Festigkeitsverlust Kleben Nieten 10.6. Eigenschaften von Aluminiumlegierungen 10.6.1. Mechanische Eigenschaften Geringe Dichte (2660-2730kg/m3), geringes Eigengewicht Hohe Festigkeit, hoher plastischer Bereich à Verformung Bei 200+ à Wärmestandfestigkeit gering (Brandschutz) 10.6.2. Chemie, Korrosion Dünne Al-Oxidschicht ..> geschützt Durch Eloxieren verdickt à gefärbt oder porös Alkalisches Wasser von Beton à Löst Oxidhaut weg à schädigt 11. Buntmetalle Meist verwendet: Kupfer, Bronze und Messing Wegen Oberflächenbeschaffenheit, Patinabildung, Korrionsresistent, aber höhere Preise à Luxusfassaden Schweissen, verschrauben, hart- und weichlöten 11.1. Kupfer an der Atmosphäre Oxidfilm aus Kupfer, stabilisiert Braunfärbung, verliert Glanz à immer dichtere Oxidschichten Chemische Umwandlung à Kupferoxidschicht zu basische Sulfate

à Patina Grün wegen Wasser (TECU-Patina) 11.2. Titanzink Fassadenverkleidung, Dachdeckung 11.3. Eigenschaften, Verarbeitung und Korrosionsverhalten Geringe Wärmedehnung und Kaltsprödigkeit Korrosionsbeständig: Schutzschicht aus Zinkoxid und basisches Zinkkarbonatà verhindert Luftkohlenoxid durch Wasserbeaufschlagung --> Patinaentwicklung bei Zinkhydroxid à Weisse pulvrige Schicht (Weissrost) 12. Ökologische Aspekte metallischer Werkstoffe Resourcenverfügbarkeit: Weltweit in grosse Mengen (Al 7%, Fe 4%) Wiederverwendbarere Schadstoff à Schrott, recyclebar Gewinnung aus Erzen à Energieverbrauch hoch, Abfallstoffe hoch 12.1 Aluminium Viel Energie, grosse Menge Natronlauge, grosse Menge Chlor Fluorid (Flussmitte) à Schwere Umweltgifte 12.2. Zink, Zinn und Kupfer Erze von Schwermetallen schwer beseitigbar 12.3. Umweltbelastung durch Korrosionsprodukte Klimatische Faktoren und Schadgase Abschwerenraten à Anders wegen Korrosionsverhalten Zi, Ku, Blei à Flächenhafte Korrosion unter Ausbildung von dicken Deckschichten Al, Stahl, Ti à Dicke Passivschithe Polymere Baumaterialien 1. Einführung Polymerwerkstoffe

1.1. Zur Geschichte Natürliche: Wolle, Leder, Seide, Papyrus à 1. Technische Verarbeitung = Papier Definition: Makromolekulare Werkstoffe, teilweise oder vollständig durch Synthese à Kunststoffe 16. Jahrhundert: Kaseinkunstharz 1856: Celluloid -> Ersatz von Elfenbein (Billardkugeln) à 1930 alternative Materialien Bakelit(duroplastisches Polymer): hohe Temperaturbeständigkeit, Widerstand gegen chemische Lösungen Makromolekül („Staudinger“): Keine einheitliche Molmasse, Eigenschaften unabhängig von %. 1.2. Klassifizierung der Polymere Syntheseverfahren, Molekularaufbau, chem. Herkunft Mechanische und Thermische Verfahren:

Thermoplast Plastisch, duktil, über TG à rezyklierbar, beliebig verformen, Thermoplastische Elastomere Kombination von Thermoplast und Elastomer, weiche und harte Segmente Elastomer Teilweise quervernetzt, verhindert irreversible Verformung Duroplast Lange Ketten, 3D vernetzt, fest und spröde, zerfallen!

Grad der Quervernetzung der Ketten: Dichte und Festigkeit à Spezifische Eigenschaften (z.B. Abhängigkeit von mechanischen Eigenschaften von Temperatur). Keine scharfe Grenzen, Kontinuum TG: Glasübergangstemperatur: hart, amorph, glasartig à gummiartige Schmelze Unterhalb: Brown’sche Bewegung längerer Kettensegmente (20-50 Kettenatome) eingefroren, oberhalb „aufgetaut“.

1.3. Herstellung von Polymeren Anfangs: Steinkohle, dann: Erdöl als Ausgangsmaterial Reaktion von monomerer oder oligomerer Verbindung à linear, verzweigt, vernetzte Makromoleküle Voraussetzungen: Monomere müssen reaktive Bindungen haben (Doppelbindungen, funktionelle Gruppen/Ringe) ΔGp=ΔHP – T × ΔSp muss negativ sein (Polymerisationsenthalpie: ΔGp) Polymerisationsreaktion mit steigender Temperatur Stillstand oder Abbau Polymerisationsreaktion: Schnelle Kinetik (d.h. hohe Reaktivität der Monomere) 1. Kettenwachstumsreaktion: Monomer lagert an reaktives Zentrum: C* + M à CM*

Reaktives Zentrum: Ionische, radikalische oder koordinative Mechanismen Polymerisierbar: 1 oder mehr C-Mehrfachbindungen der C-Heteroatom-mehrfachbindungen

2. Stufenwachstumsreaktion: Monomere oder Oligomere reagieren zu Makromolekülen à Polykondensation: Niedermolekulare Verbindung freigesetzt à Polyaddition: Nicht freigesetzt

Wichtigster Rohstoff fu ̈r Herstellung: Naphta, Fraktion aus Erdöldestillation à Preisbindung der Polymere an Erdölkosten 1.4. Eigenschaften von Polymeren und Kunststoffen

Nie in reiner Form für technische Anwendung à sondern System von Substanzen Hilfsstoffe und Additive à Beitrag zu Eigenschaften oder Verarbeitung à Property = Polymer + Processing - Geringes spezifisches Gewicht (0.8 g/cm3 -2.2.g/cm3) à leicht! - Flexibilität: Tiefes E-Modul (Elastomer), aber auch fast wie Alu (Epoxide) - Niedrige Verarbeitungs-/Umformungstemperatur: 200-250° - Niedrige therm./elektr. Leitfähigkeit: 10-1 – 8-1 W/mK, 1010 - 108 Ω cm - Teilweise Transparent: Kristallisationsgrad à je amorpher, desto transparenter - Hohe chem. Beständigkeit: Wie Metalle, nicht beständig gegen anorganischem

à chem. Nicht verändert sondern in Lösung gebracht - Durchlässigkeit zu Gase/Flüssigkeit: Geringe Dichte - Rezyklrbariekieit

Die mechanischen Eigenschaften der Polymere sind stark abhängig von der Temperatur -> Glasu ̈bergangstemperatur Thermoplaste zeigen ein viskoelastisches Verhalten, d.h. sie neigen zum Kriechen Je nach Einsatzbedingungen kommen unterschiedliche Alterungsmechanismen zum Zug Brandschutzbestimmungen bei Polymeren genu ̈gend beachten

1.4.1. Alterung von Polymeren Strahlung Aggressive Agenzien (Säuren, Laugen, organische Lösemittel) Temperatur

Wasser Biologischer Angriff (Bakterien und Pilze) Mechanische Beanspruchung à Abbau, Umkehrreaktion der Polymerisierung (Kettenspaltung oder Depolymerisation) à Oxidation (Therm., photochemisch oder Hydrolyse induziert): RH + O2 àROOH àRO° + °OH Additive zur Unterbindung/Verzögerung à Stabilisatoren Verhinderung von Oxidation à weniger O2 àOberflächenschutzmittel schützen vor Eindiffundieren à Antioxidantien UV-Anteil mit O2 stark degradierend: Verhinderung der Absorption oder Desaktivierung von Zuständen

durch Radikalfängern und Antioxidanten Zugabe von Pigmenten, der Russ, oder UV Absorber

1.4.2. Bedeutung der Additive am Beispiel PVC Günstig, verarbeitbar, Zugabe von Additive à Viele Anwendungen Alterungsmechanismus: Abspaltung von Salzsäure, bei 100°, schnell bei 170-200° Abbau bei labilen Chloratomen -à Doppelbindung à Destabilisation à Kettenreaktion à Verfärbung und Veränderung von mech. Und physik. Eigenschaften Stabilisierung: - Substitution von labilen Chloratomen durch stabile Liganden

à Wichtigste, früher durch basische Bleiverbindungen (wirksam aber unökologisch) à keine bleihaltige Additive Verwendung von Erdalkali (binden Chloride) und Übergangsmetalle (ersetzen labil Chloride à Ohne Erdalkali =

Abbau von PVC) à Synergistische Wirkung - Neutralisierung oder entstehenden Salzsäure - Reaktion der Additive mit den entstehenden Doppelbindungen - Verhinderung von Oxidationsreaktionen - Komplexierung von abbaufördernden Spezies - Deaktivierung von Radikalen 1.4.3. Mechanische Eigenschaften thermoplastischer Polymere Verformung plastisch und elastisch (siehe Spannungs-Dehnungsverlauf) Hängt von Dauer und Geschwindigkeit der Belastung ab à Komplexes Verhalten: Wegen Art der Relativbewegung zwischen Polymermolekülen Linearer Teil: Kovalente Bindungen gestreckt, geht wieder zurück Nicht-linearer Teil: Verschiebung von Kettenabschnitten à Viskoelastisch (langsam zurück) Über Streckgrenze à Plastisch! Länger Veränderung der Kettenmoleküle à Dehnen und gleiten à Entflechtung, Abfall der Spannung à Erhöhte Van der Waals à Spannung à Bruch 1.5. Anwendungen polymerer Baustoffe Rohre, Dichtungsbahnen, Dämmstoffe, Lacke und Anstriche, Klebstoffe, Composites, Membranen

1.6. Rohre und Rohrleitungen Vorteile: Beständigkeit, Geringes spezifisches Gewicht, Einfache Herstellung in beilebigen Längen, Flexibilität, Einfache Lösingen für Verbindungstechnik, Preis Nachteile: Limiierter Temperaturbereich, Relative keine Druckbeständigkeit Elemente: Rohre, Verbindung, Verlegung, Formstücke, Armaturen Thermoplaste: Polyethylen PE, Polypropylen PP, Polyvinylchlorid Verbindungstechnik: Mechanisch, Schweissen, Kleben Beanspruchungsarten: Temperatur, Chemie der Umgebung, Druck Zeitstandfestigkeit: 50 Jahre erreichbar 1.7. Dämmstoffe, Dichtungsbahnen und Membranen Dichtunsbahnen: Funktion: Abdichtung gegen dürckendes und nicht-drückendes Wasser, Regulation der Wasserdampfdiffusion Materialien: Kautschukbahnen (Elastomere), Kunststoffbahnen (Thermoplaste); Bitumenbahnen, Flüssigbeschichtungen (Polyester) Belastungen: Mechansich, Thermisch, Biologisch

Additive: Weichmacher, Lichtstabilisatoren, Flammschutzmittel, Biozide, etc. Problematik: Auswaschung à Veränderung der Eigenschaften, Emission persistenter Stoffe Dichtungsmaterialien: Schutz von Fugen gegen Wind und Regen, Dauerelastisch, Temperaturbeständig Bewegungsfuge: Bruch des Fugenmaterials infolge plastischer statt elastischer Verformung Wärmedämmstoffe: Reduktion des Wärmetransportes durch die Gebäudehülle Voraussetzungen: Keine thermische Leitfähigkeit, Anpassungsfähigkeit an Gebäudegeomeitrie, Dauerhaftigkeit (30+ J) Materialien: Stein/Glaswolle, Schaumlglas, Holzprodukte, Polymerschäume Struktur/Eigenschaften: Geschäumt (offen oder geschlossen), Wärmeleitfähigkeit < 0.1W7mK Anwendung: Vorgefertigte Platten, Herstellung vor Ort 1.8. Beschichtungen (Lacke und Anstriche) Gründe: Verbesserung der Objektfunktionen (Ästhetik, Kennzeichnung, Hygiene, Reinigungsfähigkeit) Schutz des Objekts, Werterhaltung (Witterungseinflüsse, chemische, biologische und mech. Einflüsse) Zusammensetzung: Pigmente und Füllstoffe, Lösemittel, Bindemittel, Zusatzstoffe Bindemittel: Nichtflüchtiger Anteil der Bindemittellösung oder dspersion eins Bschichtungsstoffes, der die Beschichtung bildet. Funktion: Bindung der Pigmente und Füllstoffe, Haftung zum Untergrund Vertreter: Acryl- und alkydharze, Epoxidharze, Polyurethane Filmbildung: Physiklaisch trocknend, chemisch härtend (oxidative oder hygroskopische Vernetzung, Polyaddition, -kondensation oder –merisation). 3 Stufen: - Applikation - Fixation (Verhinderung von Abläugen oder anderen UNregelmässigkeiten in Oberfläche) - Aushärtung (Physiklische oder chemische Umwandlung in einen „inerten“ Film) Pigmente: Farbgebung, Schutz vor uV-Strahlung, Verbesserung des Diffusionswiderstandes Lösemittel: Bringen Flüssiglacke in eine appliierbare Frm Bestimmen: Art der Applikation, Gehalt an Bindemittel, Stabilität von Dispersionen, Viskosität, Trocknungszeiten Formulierungstypen: Wasserverdünnbare (Dispersionen), Lösemittelhaltige, Lösemittelfreie (Strahlungshärtende Beschichtungen à Industrielle Applikation), Pulverlacke (Industrielle Applikation) Additive: 0.1-1% à Katalysatoren für Vernetzung, Korrosionsinhibitoren, UV-Absorber, Fungizide und Bakterizide, Antischaummittel, Netzmittel, Antioxidantien, etc. Anstrichtypen: Hydrophobierung, Versiegelung/Lasur, Beschichtung (dünn oder dick) 1.9. Klebstoffe Herausforderung: Applikation vor Ort à Reinheit Untergrund, Konstruktiv: Nur Kräfte in der Klebschicht, Dauerhaftigkeit! Vorteile: Anpassungsfähig, einfache Handhabung Materialien: Polyurethane, Epoxide, Polyvinyacetat Anwendungen: Holzbau (Mehrschichtträger, Laminate), Bodenbeläge, Aussenliegende Wärmedämmung, Nachträgliche Verstärkung mit CFK, Glasbau 1.10. Composites Motivation: Werkstoffe, die leichzeitig mehrere der folgenden Eigenschaften aufweisen: - geringes spez. Gewicht - hohe Festigkeit - hohe Steiifigkeit - hohe Härte - gute Abriebbeständigkeit - grossen Korrosionswiderstand - gute Leitfähigkeit Faserverstärlkte Verbundwerkstoffe (FVK): Matrix à Hält Fasern zusammen, Überträgt Last auf die Fasern (trägt selber nur wenig mit), Schutz der Fasern vor mechanischen Beschädigungen und chemisch-physikalischen Einwirkungen, Separation der Fasern à Verlangsamung der Rissfortpflanzung, Bestimmt Einsatztemperatur

Fasern à Polykristalline oder amorphe Materialien, Kleiner Durchmesser, Hohe Zugfestigkeit

Holz und Holzwerkstoffe 1. Holz 1.1. Holzwirtschaft und Holzproduktion 1.2. Aufbau und Struktur des Holzes

1.2.1. Makroskopischer Aufbau

Komponente Massenanteile Grundbaustein Funktion Nadelholz Laubholz Cellulose 42 45 Glucose Armierung

(Zugfestigk.) Hemicellulose 27 30 Pentosen Matrix Lignin 28 20 Phenylpropane

Pyophenole Matrix (Druckfestigk.)

Extraktstoffe 3 5 Terpene Stilbenoide Poyphenole

Widerstands-fähigkeit (Mikroorgan.)

1.2.3. Mikroskopischer Aufbau 1.2.3. Submikroskopischer Aufbau der verholzten Zellwand 1.2.4. Die chemischen Hauptkomponenten der Zellwand 1.2.5. Inhaltstoffe (Extraktstoffe)

Stoffgruppe Beispiele Anorganische/mineralische Substanzen Silikate, Carbonate, Asche des Holzes Aliphatische Kohlenwasserstoffe Fette, Wachse, Fettsäuren Isoprenide Terpene, Terpenoide, und Steroide Kohlenhydrate Zucker, Stärke, Pectine Phenole Cumarine, LIgnane, Gerbstoffe Chinone, Chinoide, Chinonmethide Verschiedenste Substanzen, spez. Nach Baumarten Alkaloide Pyridin, Nikotin

1.3. Holzarten Im tragenden Holzbau (einheimische): Fichte (Rottanne) Tanne (Weisstanne) Föhre (Kiefer) Lärche Rotbuche Eiche 1.4. Stabförmige Massivholzprodukte 1.4.1. Vollholz 1.4.2. Konstruktionsvollholz (KVH) 1.4.3. Modifiziertes Vollholz 1.4.4. Brettschichtholz (BSH) Vorteile: Grosse Trägerabmessungen Gebogene Trägerformren

Höhere Festigkeiten Kombiniertes BSH Kontr. Holzfeuchte àDimensionsstabilität Einsatz: Biegebeanspruchte Konstruktionen Klassen: GL24, GL28, GL36 1.5. Holzwerkstoffe (HWS) 1.5.1. Ausgangsprodukte Schnittholz, gehobelt Vollholzcharakter bleibt weitgehend erhalten Aussortieren von Fehlstellen Gezielte Anordnung der Einzelelemnte Klebstoffverbund flächig und längs 1.5.2. Massivholzplatten Einschichtig: Dekorativ (Tische, Möbel) Keine Absperrung Verklebung an der Schmalseite meist stumpf Keine feuchtbeständige Verklebungen Mehrschichtig: Dekorativ und Aussteifend Absperrwirkung Verklebung flächig und/ oder schmalseitig Brettsperrholzplatten: Baubereich: Statische Beanspruchung als Platte, Scheibe, Stab Absperrwirkung: Homogenisierung, geringere Anisotropie, höhere Schubtragfähigkeit Verklebung flächig und/oder schmalseitig Dicke bis 70-500mm 1.5.3. Werkstoffe auf Furnierbasis Ausgangsprodukt: Schäfurniere, meist NH Vollholzcharakter in Furnerfaserrichtung weitgehend erhalte Gezielte Anordnung der Einzelelemente Klebstoffverbund flächig und länhs Plattenförmig: Furnierschichtholz (LVL), Sperrholz Stabförmig: Furnierstreifenholz 1.5.4. Werkstoffe auf Spanbasis Klassisches Holzwerkstoffprodukte fu ̈r Möbel- und Bauanwendung Ausgangsprodukte Wald- und Industrieresthölzer Industrieller Herstellprozess: Auflösung des Holzgefu ̈ges bis auf Partikel- bzw. Spangrösse: Holzanteil ca. 90%, 10% Eigenschaften durch Herstelltechnologie bestimmt: Spangrösse, Sortierung, Streuung, Klebstoff, Pressdruck Plattendicke von 3 bis 80 mm (Homogen 80 als Wandtafel) Ausgeprägtes Rohdichteprofil Bauspanplatte, OSB 1.5.5. Werkstoffe auf Faserbasis Holzwerkstoffe fu ̈r Möbel- und Bauanwendung Auflösung des Holzgefu ̈ges bis auf Faserebene durch Defibrillieren von Hackschnitzeln Holzanteil ca. 85%, ca. 15% Klebstoffe und Zusatzstoffe (MDF) Eigenschaften durch Herstelltechnologie bestimmt: Beleimung, Klebstoff, Pressdruck Gut lackierbar und quer zur Plattenrichtung profilierbar Weniger ausgeprägtes Rohdichteprofil Plattendicke von 3 bis 60 mm (Wärmedämmplatten) MItteldichte Faserplatte (MDF), Hartfaserplatten, Weichfaserplatten 1.6. Klebstoffe und Bindemittel 1.6.1. Organische Bindemittel 1.6.2. Anorganische Bindemittel 1.7. Physikalisch-technische Materialeigenschaften Wuchsbedingte Einflussfaktoren auf die Schnittholzqualität: Äste, Drehwuchs, Reaktionsholz, Schrägfasrigkeit, Harz, Winddruckstauchungen Grosse Variabilität der Eigenschaften durch: Physiologische und mechanische Einflüsse beim Wachstum Standort und Umwelteinflüsse

Lage des Holzes im Stamm Merkmale des natürlich gewachsenen Baustoffs Holz: Zelliger Aufbau Inhomogenität der Eigenschaften Anisotropie Hygroskopizität: Schwinden, Quellen, Feuchteabhängigkeit Kapillarporosität Biologische Abbaubarkeit Brennbarkeit Gutes Gewichts zu Festigkeitsverhalten Relativ einfache Bearbeitbarkeit 1.7.1. Dichte und Rohdichte Rohdichte = Masse/ Volumen in g/cm3 oder kg/m3 Dichte einer Zwellwandsubstanz: 1.5g/cm3 Rohdichte nach DIN 52182 ist bezogen auf u=12% Rohdichte beeinflusst: elastische Eigenschaften Festigkeit Wärmeleitfähigkeit Schwinden und Quellen

1.7.2. Holzfeuchte, Hygroskopizität 1.7.3. Feuchtetransport Holz: guter dynamischer Feuchtespeicher 1.7.4. Schwinden und Quellen IM hygroskopischen Bereich (u < 30%): Änderung der Holzfeuchte à Formänderung Verhältnis der Formänderung: Längs = 1 Radial = 12 Tangential = 24 1.7.5. Mechanisches Verhalten: Festigkeit, Steifigkeit, Deformation 1. Hohe Zugfestigkeit in Fasserrichtung Geringe Zugfestigkeit quer zur Faserrichtung (Kraft-Einleitung quer zur Faserrichtung vermieden) 2. Druckfestigkeit ist abhängig von Geometrie des Bauteils: Schlankheitsgrad geringà Abgleiten, Stachen der Holzfasern                                Schlankheitsgrad hoch à Ausknicken 1.7.6. Kriechen Abhängig von Temperatur, Geuchte, Lastniveau, Lasteinwirkung

Maximale Kriechverformung w = w 0 x (1+ φ) 1.8. Bauphysikalische Eigenschaften 1.8.1. Diffusionswiderstand Wasserdampfdiffusionswiderstand - Werte quer zur Faserrichtung ca. 17-20mal so hoch wie in Faserrichtung - Holzarteneinfluss - Starke Abhängigkeit von Substratfeuchte - Praxiswerte quer zur Faserrichtung 40-60

1.8.2. Thermische Eigenschaften Brennbarkeit: Holz ist brennbar, Entzündungstemperatur ca. 270° C, H, + O à Pyrolose (brennbare Gase) à Holzkohle Entflammbarkeit: Holzfeuchte, Wassergehalt, Rohdichte, Erwärmungsdauer Vorteile: Geringe Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung à Ausbildung einer Verkohlungsschicht (Sauerstoffbarriere) à Erhalt eines Restquerschnitts und der Tragfähigkeit Probleme: Rauchbildung, Raumabschluss Spezifische Wärmespeicherkapazität: Die zum Erwärmen auf ein Volumen bezogene erforderliche Wärmemenge à Tiefer als Beton und Stahl Wärmespeicherzahl: Wie gross die Reichweite einer an der Oberfläche erfolgten Temperaturänderung in die Tiefe ist. à kleiner als Beton und Stahl Wärmeeindringkoeffizient: Kleiner als Stahl und mineralische Stoffe Temperaturleitfähigkeit: Temperaturänderungen breich sich im Beton 10mal, im Stahl 160mal so rauch aus wi im Holuz à Holz reagiert träge auf Erwärmen und Abkühlen, es bildet daher eine langsam reagierrend Wärmespeichermasse 1.9. Dauerhaftigkeit 1.10. Biologische Beanspruchung 1.10.1 Holzbewohnende Pilze Holzverfärbende: Schimmel, Bläue 1.10.2. Holzzerstörende Pilze Braunfäule, Weissfäule, Moderfäule 1.10.3. Holzzerstörende Insekte Frischholzinsekten, Trockenholzinsekten Nagelkäfer, Splintholzkäfer 1.11. Schutzkonzepte 1.12. Die ökologischen Aspekte von Holz und Holzwerkstoffen 1.12.1. Wälder und Holzprodukte sind Kohlenstoffspeicher Holzbildung: Photosynthese à ca. 500kg Kohlenstoff in1 Tonne Biomasse Holz gespeichert 1.12.2. Nachhaltige Holzbereitstellung Bei nachhaltiger Bewirtschaftung quantifizierbare Vorteile beimRessourcenverbrauch • Bereitstellung des Rohstoffs verbraucht vergleichsweise wenig fossile Energieträger • Ökologisch flexibel einsetzbar. Die Produkteeigenschaften können anden Anforderungen angepasst werden. • Ressourcenmanagement in der ersten Holzverarbeitungsstufe ist weitgehend optimiert durch stoffliche und/oder energetische Nutzungder Reststoffe • Lebenszyklus-Design bei Holzprodukten kann vermehrt Kaskadennutzungen ermöglichen und muss End-of Life Prozesse beru ̈cksichtigen 1.12.3. Umwelteffiziente Bereitstellung und Nutzung 1.12.4. Substitutionseffekte