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Über dieses Buch

Das Buch ist nicht nur für den Studienanfänger eine wertvolle Hilfe, den Anforderungen eines Regelstudienganges Bauingenieurwesen oder Architektur zu entsprechen, es dient auch dem Baupraktiker als nützliches Nachschlagewerk. Neben den Grundlagen vermittelt der Autor spezielle chemische Kenntnisse zu Baustoffen und baurelevanten Prozessen verständlich und methodisch ausgewogen. Dabei orientiert sich die exemplarisch vorgenommene Auswahl von Verbindungen, Stoffen, Reaktionen und Prozessen an deren Praxisrelevanz für das Bauwesen unter Berücksichtigung moderner ökologischer Gesichtspunkte. Das Werk basiert auf langjährigen Lehrerfahrungen in der Hochschulausbildung von Bauingenieurstudenten und hebt sich deutlich von einer nur chemisch kommentierten Baustofflehre ab. Es kann sowohl als vorlesungsbegleitendes Lehrmaterial als auch im Selbststudium und im Rahmen einer Weiterbildung eingesetzt werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Allgemein-chemische Grundlagen

Die Chemie ist eine noch relativ junge naturwissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Zusammensetzung und der Umwandlung von Stoffen befasst. Gegenstand dieses Wissenschaftsgebietes sind damit die Gesetzmäßigkeiten, die den strukturellen Aufbau und die wechselseitige Umwandlung der ungeheuren Vielfalt von Stoffen bestimmen. Die Chemie ist in erster Linie eine experimentelle Wissenschaft. Akkumuliertes Wissen, neue Anschauungen und Konzepte sind der Ausgangspunkt für neue Experimente und Beobachtungen, die ihrerseits wiederum zu einem verfeinerten Verständnis und zu weiterentwickelten Anschauungen hinsichtlich der Struktur der Stoffe sowie der sie zusammenhaltenden Kräfte führen. Zur Aufklärung von Struktur und Eigenschaften der neuen Substanzen werden immer modernere physikalische und auch biologische Messmethoden eingesetzt. Insofern sind die Interessengebiete von Chemie, Physik, Biologie, Geologie und Mineralogie eng verknüpft und eine strenge Abgrenzung des Aufgabengebiets der Chemie von dem der übrigen naturwissenschaftlichen Disziplinen ist weder sinnvoll noch notwendig.

Roland Benedix

2. Atombau und Periodensystem der Elemente

Die Frage nach der Struktur der Materie ist ein besonders instruktives Beispiel dafür, wie in enger Wechselbeziehung zwischen Experiment, Theorienbildung und Modellvorstellung die schrittweise Aufklärung der atomaren Substruktur zu immer detaillierteren Kenntnissen hinsichtlich des Aufbaus des Atomkerns und der Elektronenhülle führte.

Roland Benedix

3. Chemische Bindung

Chemische Stoffe weisen teilweise sehr unterschiedliche Eigenschaften auf. Betrachtet man beispielsweise solche wichtigen Stoffeigenschaften wie die Löslichkeit oder die elektrische und thermische Leitfähigkeit, so existieren in der Regel signifikante Unterschiede zwischen den Salzen und Oxiden einerseits und den organischen Verbindungen bzw. den Nichtmetallen andererseits. Sie haben ihre Ursache in den spezifischen Wechselwirkungen zwischen den Atomen oder Molekülen.

Roland Benedix

4. Die chemische Reaktion

Chemische Reaktionen sind Stoffumwandlungsprozesse. Um den Ablauf chemischer Reaktionen genauer zu verstehen, müssen Fragen nach den Mengenverhältnissen zwischen reagierenden und entstehenden Stoffen, nach der Energiebilanz und der Geschwindigkeit der Reaktion sowie nach deren Verlauf beantwortet werden. Zunächst einige Bemerkungen zur Stöchiometrie chemischer Reaktionen. Mit Hilfe der Stöchiometrie werden aus der qualitativen Kenntnis der Reaktionspartner und -produkte einer chemischen Reaktion die tatsächlichen Mengenverhältnisse (→ Reaktionsgleichung) und die Stoffmengen ermittelt.

Roland Benedix

5. Luft und Luftinhaltsstoffe

Bauwerke sind den ständigen Einflüssen der Atmosphäre mit den in ihr natürlich enthaltenen Gasen Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, den Edelgasen, wechselnden Mengen an Wasserdampf, aber auch mit den in ihr enthaltenen Luftschadstoffen wie Schwefeldioxid, Stickoxiden, Ozon sowie Staubpartikeln unterschiedlichster Herkunft ausgesetzt. Schlagworte wie Saurer Regen, Sommersmog, Treibhausgase und Neuartige Waldschäden gehören dank der Berichterstattung durch die Medien zu unserem Alltag. Häufig besteht jedoch gerade bei Begriffen, mit denen wir ununterbrochen konfrontiert werden, der größte Erklärungsbedarf. Zum einen im Hinblick auf das Verständnis des Phänomens selbst und zum anderen im Hinblick auf die komplexen Wechselbeziehungen zu anderen natürlichen Prozessen und Vorgängen, die häufig außerordentlich schwer zu überschauen und zu bewerten sind.

Roland Benedix

6. Wasser und wässrige Lösungen

Das Wasser der Erde besitzt ein Gesamtvolumen von ca. 1,4 Milliarden km

3

. Der überwiegende Teil (97,23%!) davon ist Salzwasser. Die restlichen 2,77% Süßwasser liegen zu etwa drei Viertel in Form von Polar- und Gletschereis vor [UC 2]. Zieht man vom Süßwasseranteil auch die für eine geregelte Trinkwasserversorgung ungeeignete Bodenfeuchte, das Tiefengrundwasser, das Wasser der Biosphäre und den Wasserdampf der Atmosphäre ab (Tab. 6.1), steht als Trinkwasser nur ein winziger Teil der Gesamtwassermenge, nämlich 0,3%, zur Verfügung. Diese Zahl macht deutlich, dass vor dem Hintergrund des explosionsartigen Anwachsens der Weltbevölkerung (03/2015: ca. 7,2 Mrd. Menschen) der Wert des Trinkwassers nicht hoch genug einzuschätzen ist und künftig noch weiter steigen wird.

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7. Redoxreaktionen – Grundlagen der Elektrochemie

Sehr viele Prozesse der Baupraxis wie die metallische Korrosion, das Ausbleichen von Fassaden oder die Alterung von Kunststoffen sind auf Oxidations- bzw. Reduktionsreaktionen zurückzuführen. Die Begriffe Oxidation und Reduktion sind im Laufe der historischen Entwicklung der Chemie mehrfach erweitert und auf einer höheren Erkenntnisebene neu definiert worden. Ursprünglich wurde unter einer Oxidation die Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff (Oxygenium), also eine Sauerstoffaufnahme verstanden. Die Rückführung des Stoffes in den ursprünglichen Zustand, d.h. die Abgabe von Sauerstoff, wurde als Reduktion bezeichnet.

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8. Chemie der Baumetalle

Neben der großen Gruppe nichtmetallischer Baustoffe (Kap. 9) gehören vor allem die Metalle und ihre Legierungen mit ihren ganz spezifischen chemischen und technologischen Eigenschaften zu den wichtigsten Bau- und Werkstoffen. Inhalt des vorliegenden Kapitels sollen die physikalisch-chemischen Besonderheiten metallischer Werkstoffe, ihr Verhalten gegenüber atmosphärischen Einflüssen (Korrosion) sowie gegenüber anorganisch-nichtmetallischen Baustoffen wie Gips, Kalk und Beton sein.

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9. Chemie nichtmetallisch-anorganischer Baustoffe

Die äußerste Schicht unserer Erde ist aus einer Vielzahl unterschiedlicher Gesteine aufgebaut, die sich über lange geologische Zeiträume hinweg gebildet haben. Von der Art der bei der Bildung der Gesteine ablaufenden physikalischen oder chemischen Vorgänge hängen Struktur und Aufbau und damit die Gebrauchseigenschaften eines Gesteins wie Härte, Druckfestigkeit, Porosität und Wasseraufnahmevermögen ab.

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10. Chemie organischer Stoffe im Bauwesen

Im

Bauwesen

spielen Kohlenstoffverbindungen sowohl als Hilfsstoffe (Lösungs- und Verdünnungsmittel, Füllstoffe, Zusatzmittel) als auch direkt als Baustoffe (Bitumenhaltige Bindemittel, Kunststoffe, Holz) eine wichtige Rolle. Für ein besseres Verständnis ihres chemischen Aufbaus, ihres Verhaltens und ihrer Eigenschaften sollen in diesem Kapitel einige grundlegende organische Stoffklassen besprochen werden.

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11. Holz und Holzschutz

Holz gehört zu den ältesten Bau- und Werkstoffen der Menschheitsgeschichte. Es wird zum einen

direkt

als Baugrund- oder Bauschnittholz für Gerüste, Rammpfähle (Grundbau), Träger, Stützen, Verschalungen sowie Zimmerarbeiten verwendet und zum anderen zu Holzwerkstoffen verarbeitet. Holzwerkstoffe wie Sperrholzplatten, Span- und Faserplatten finden vor allem für Wand- und Deckenverkleidungen Verwendung.

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12. Luftschadstoffe in Innenräumen

In den letzten Jahrzehnten haben gesundheitliche Beschwerden zugenommen, die in engem Zusammenhang mit dem Aufenthalt in Innenräumen bzw. Gebäuden stehen. Ausgasungen chemischer Substanzen aus Möbeln, Farben, Anstrichen und Baustoffen, Schimmelpilzbefall in Wohnungen, das Sick-Building-Syndrom und das Phänomen der „Schwarzen Wohnungen“ sind Anlass genug, das Problem der Innenraumbelastung mehr in den Focus des Gesundheitsschutzes zu rücken. Man geht heute davon aus, dass die Menschen ca. 90% ihrer Lebenszeit in Innenräumen verbringen. Davon entfallen etwa 2/3 auf die Wohnräume und wiederum davon der größte Teil auf das Schlafzimmer.

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13. Hightech im Bauwesen: Anwendung der Nanotechnologie in Architektur und Bauwesen

Die Nanotechnologie gilt weltweit als

die

Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Für zahlreiche Industriebranchen wie den Automobilbau, die chemische und pharmazeutische Industrie, die Informationstechnik sowie die optische Industrie hängt die künftige Wettbewerbsfähigkeit ihrer Produkte sehr wesentlich von der Erschließung moderner Technologien zur kontrollierten Erzeugung und Nutzung nanoskaliger Strukturen ab. Doch Nanotechnologien bieten nicht nur den Hightech-Branchen, sondern auch den konventionellen Industriezweigen wie dem Bausektor erhebliche Entwicklungs- und Geschäftspotentiale. Der gezielte Einsatz nanotechnologischer Innovationen, die das Bauen schneller, flexibler, nachhaltiger und kostengünstiger machen, stärkt die Wettbewerbsfähigkeit der Bauwirtschaft - und schafft Arbeitsplätze.

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14. Qualitative Analyse von Baustoffen

Mit Hilfe der qualitativen anorganischen Analyse wird festgestellt, aus welchen chemischen Elementen ein Stoff besteht. Entweder liegen die anorganischen Substanzen bereits in Ionenform vor (z. B. Inhaltsstoffe von Wässern) oder sie müssen durch Lösen erst in Ionen überführt werden. Häufig ist es von Bedeutung,

welche

Ionen die anwesenden Elemente bilden.

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Backmatter

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