04 Bindemittel

Bindemittel

• Bindemittel werden seit Jahrtausenden im Bauwesen verwendet, hauptsächlich in Form von Lehm, Gips und gebranntem Kalk.

Geschichte der Bindemittel

• Lehm: Das älteste Bindemittel, das insbesondere in heißen, regenarmen Gebieten des Orients zum Bau ganzer Städte diente.
• Gebrannter Kalk und Gips: Seit dem Altertum bekannt, wobei gebrannter Kalk schon früher, etwa 7000 bis 5500 v. Chr., zum Ausgleichen von Steinflächen verwendet wurde.
• Gips: Vorwiegend zur Verzierung von Innenräumen genutzt.
• Opus Caementicium: Ein römischer Baustoff, ähnlich dem heutigen Beton, ermöglichte Bauwerke wie das Kolosseum.
• Louis-Joseph Vicat: Schuf Grundlagen für Zement und Kalkmörtel durch Wiederentdeckung des "römischen Zements" und Erfindung künstlichen hydraulischen Kalks.
• Joseph Aspdin: Erfinder des Portlandzements im Jahr 1824, benannt nach dem Portland-Stein.
• Weiterentwicklung 1844: Verbesserte Eigenschaften des Zements durch Erhitzen von Ton und Kalk bei höheren Temperaturen.

Einteilung der Bindemittel

• Mineralische Bindemittel: Stoffe aus anorganischen Ausgangsstoffen, die nach Vermischung mit Wasser erstarren und erhärten.
• Organische Bindemittel: Haben ihren Ursprung in der belebten Natur.

Anwendung

• Hydraulische Bindemittel: Erhärten sowohl an der Luft als auch unter Wasser.
• Nichthydraulische Bindemittel: Erhärten nur an der Luft und sind nicht wasserbeständig.

Mineralische Bindemittel

• Gebrannte, fein gemahlene Stoffe aus anorganischen Materialien.
• Verwendung: Verbinden Gesteinskörnungen zu Mörtel oder Beton.
• Typen: Hydraulische und nichthydraulische.

Organische Bindemittel

• Ursprung: Belebte Natur, basierend auf Kohlenstoffverbindungen.
• Verwendung: Herstellung von Bauprodukten.
• Benötigen kein Wasser zum Aushärten.

Anwendungsgruppen

• Mineralisches Bindemittel + Wasser = steinhartes Material.
• Variation von Bindemittel und Zuschlagstoffen ermöglicht vielfältige Produkte.
• Zwei Anwendungsgruppen: mit und ohne Zuschlagstoffe.

Anwendungsgruppe ohne Zuschlagstoffe

• Bindemittel werden mit Wasser zu Bindemittelleim verarbeitet.
• Beispiele: Schlämme, Weissputz.

Anwendungsgruppe mit Zuschlagstoffe

• Bindemittel wie Zement oder Gips werden Zuschlagstoffen wie Sand, Kies, Splitt beigemischt.
• Produkte: Mörtel, Beton.

Abbinde- und Erhärtungsprozess

• Abbinden: Chemische Reaktion nach Wasserkontakt, die zum Erstarren führt.
• Erhärten: Prozess nach dem Abbinden, bis Baufestigkeit erreicht ist.
• Dauer: Variiert je nach Bindemittel, beeinflussbar durch Zusatzmittel.

Nachhaltigkeit

• Rohstoffabbau für mineralischen Bindemittel im Tagbau benötigt Energie und verursacht Emissionen (Abgase und Staub).
• Herstellung: Hohe Temperaturen erforderlich, insbesondere bei der Zementklinkerherstellung (ca. 1450°C), wobei CO2 freigesetzt wird.
• Herstellung organischer Bindemittel: Benötigt mehr Energie als mineralische, Ausnahme ist Bitumen, das als Nebenprodukt der Erdöldestillation anfällt.

Kreislaufwirtschaft

• Recycling: Ist bei mineralischen Baustoffen wichtig
• Deponierung: Ist für nicht recycelbare Materialien erforderlich.
• Recycling von Gips: Nicht etabliert, da kein sinnvoller Verwertungsweg.
• Bituminöses Belagsmaterial: Wiederaufbereitung für neue Strassen sinnvoll.

Umweltrelevante Aspekte

• Rohstoffe für mineralische Bindemittel: Regional und ausreichend verfügbar, aber Abbau führt zu Landschaftszerstörung durch Tagebau, Renaturierung von Steinbrüchen schafft neuen Lebensraum.
• Anwendung: Mineralische Bindemittel wenig kritisch, aber manche Produkte können Biozide gegen Algen/Pilze enthalten, die Gewässer schädigen.

Gesundheitsrelevante Aspekte

• Mineralisch gebundene Baustoffe: Während der Nutzung unbedenklich, aber Verarbeitung von Zement reizend.
• Kunststoffgebundene Produkte: Formaldehyd in Klebern, Farben, Lacken kann Emissionen verursachen, formaldehydfreie/lösungsmittelarme Produkte bevorzugen.
• Bituminöse Produkte: Können Geruchsbelästigungen verursachen und stehen im Verdacht, krebserregend zu sein.

Zement

• Herstellung: Erfolgt in industriellen Anlagen nahe Kalksteinbrüchen.
• Prozess: Rohstoffgewinnung, -aufbereitung, Brennen, Mahlen, Abfüllen/Verladen.

Rohstoffe

• Kalkstein und Ton (oft als Mergel) liefern Kalzium, Silizium, Aluminium und Eisen.
• Aufbereitung: Zerkleinern und Mahlen der Rohstoffe, ggf. Beimischung von Hilfsstoffen.

Brennen

• Rohmehl wird bei 1450 °C gebrannt, wobei Zementklinker entsteht.

Mahlen

• Zementklinker wird mit Kalkstein und Gips zu Zement gemahlen.
• Je nach Bedarf werden Zusätze wie Flugasche oder Hüttensand beigemengt.

Abfüllen und Verladen

• Zement wird gemischt und entweder in Silos gelagert oder direkt für den Transport verladen.
• Mengen an CO2 entstehen bei Herstellungsprozess.

Allgemeine Eigenschaften von Zement

• Hydraulisches Bindemittel.
• Mechanisch widerstandsfähig mit hoher Druckfestigkeit.
• Alkalisch (pH-Wert ca. 12) und schützt Stahl vor Korrosion.
• Frost- und wetterbeständig, jedoch empfindlich gegenüber Säure und Sulfat.

Hydratation von Zement

• Mehrstufiger chemischer Prozess, bei dem sich feine Kristalle bilden und die Zwischenräume füllen.
• Freisetzung von Wärme (Hydratationswärme).
• Zwei neue mineralische Stoffe entstehen hauptsächlich: kleine nadelförmige Kristalle aus Calciumsilikathydraten (CSH) und grosse plattige Calciumhydroxid-Kristalle (Ca(OH)2).

Anwendungen für Zement

• Vielfältig einsetzbar als Bindemittel für Beton, Mörtel, Estriche.
• Erhärtet auch unter Wasser.

Kalk

• Herstellung: Wird seit der Antike als Baustoff verwendet.
• Heutige Baukalke hauptsächlich für Mauer- und Putzmörtel.
• Unterscheidung: Luftkalke (erhärten nur an der Luft) und hydraulische Kalke.

Luftkalk

• Wird aus Kalkstein oder Dolomitgestein gewonnen.
• Reiner Kalkstein = Weisskalk genannt.

Hydraulischer Kalk

• Wird aus Kalkmergel hergestellt (enthält Hydraulefaktoren wie Kieselsäure, Tonerde und Eisenoxid).
• Klinkermineralien entstehen beim Brennen und bilden die Ausgangslage für hydraulischen Kalk.

Kalkkreislauf

• Beschreibt Umwandlung von Kalkstein zum Baustoff: Brennprozess, Löschprozess, Erhärtungsprozess

Brennprozess

• Kalkstein (Calciumcarbonat CaCO3) wird auf 900°C erhitzt.
• Entstehung: Branntkalk (Calciumoxid CaO).
• Formen: Stückkalk und Weissfeinkalk (gemahlen).

Löschprozess

• Branntkalk reagiert mit Wasser -> Calciumhydroxid (Löschkalk).
• Unterscheidung Trocken- und Nasslöschen.
• Trockenlöschen ergibt pulverförmigen Weisskalk.
• Nasslöschen nach einiger Zeit den teigigen Sumpf- und Grubenkalk.

Erhärtungsprozess

• Kalkhydrat nimmt CO2 aus der Luft auf und gibt Wasser ab.
• Rückumwandlung zu Calciumcarbonat (Kalkstein).

Eigenschaften von Kalk

• Nichthydraulischer Kalk: Erhärtet nur an der Luft, langsamer, ist alkalisch, atmend.
• Hydraulischer Kalk: Erhärtet an der Luft und im Wasser, geringere Druckfestigkeit, plastisch, elastisch.

Anwendungen von Kalk

• Nichthydraulischer Kalk - Weissfeinkalk als Bindemittel, Mörtel für Deckputze, im Strassenbau zur Bodenverbesserung.
• Hydraulischer Kalk - Putz und Mauermörtel, Versetzmörtel für Natursteinplatten

Gips

• Herstellung: Für Putz, Stuck und Estriche, sowie Gipsbauplatten.
• Zwei Arten: Naturgips und REA-Gips.

Naturgips

• Gipsstein als Calciumsulfat-Dihydrat (CaSO4 2H2O).
• Anhydrit: Gips ohne Kristallwasser.

REA-Gips

• Technischer Gips, der bei der Rauchgasentschwefelung in Industrieanlagen anfällt.
• Chemisch identisch mit Naturgips und in gleicher Weise zu Baugips verarbeitet.

Einteilung Gips

• Gipsarten ohne Zusatzstoffe: Stuckgips, Putzgips
• Gipsarten mit Zusatzstoffen: Mörtelgips, Haftgips, Fugengips, Spachtelgips, Estrichgips

Eigenschaften von Baugips

• Kurze Abbindezeit
• Schwindet nicht
• Feine, glatte Oberfläche
• Gut verarbeitbar und formbar
• Gute Haftfestigkeit
• Feuerhemmend, wärmedämmend, schalldämmend, atmend
• Korrosion von ungeschützten Metallteilen

Anwendungen für Gipsmörtel

• Wandputz
• Deckenputz
• Calciumsulfat-Estrich (Unterlagsboden)
• Kleber für Vollgipsplatten
• Fugengips, Spachtelgips, Haftgips

Bauteile aus Mineralischem Bindemittel

• Bauteile sind vorgefertigte Komponenten, vereinfachen und beschleunigen den Bauprozess.
• Mineralische Bindemittel sind geeignet für die Bauteilherstellung.

Herstellung

• Rohmaterialien mit Bindemittel und Wasser vermengen.
• In die gewünschte Form bringen, ggf. mit Bewehrung.
• Aushärten.

Bauteile mit Zement

• Seit den 1950er Jahren in grosser Zahl produziert.
• Zement als Bindemittel vorteilhaft, da Bauteile in trockenen, feuchten und nassen Bereichen einsetzbar sind.
• Sehr druckfest sowie frost- und witterungsbeständig.

Betonwaren

• Rohmaterialien: Sand, Kies, Zement, Wasser, eventuell Bewehrung.
• Herstellung durch Mischen, Formgebung, Vibrieren, Aushärten, Nachbehandlung.
• Eigenschaften: Wasserdicht (bedingt), Druckfest, Gestaltungsmöglichkeiten durch Farben.
• Anwendung: Pflästerungen, Fensterbänke, Randsteine, Rasengittersteine.

Betonelemente

• Rohmaterialien: Sand, Kies, Zement, Wasser, Bewehrung.
• Herstellung: Mischen, Bewehrung verlegen, in Schalung geben, vibrieren, aushärten, Oberflächenbehandlung bei Bedarf.

Betonstein, Betonziegel

• Rohmaterialien: Sand, Zement, Wasser.
• Herstellung: Mischen, Formgebung mit Stangenpresse, Aushärten, ggf. Oberflächenbehandlung.
• Eigenschaften: Hohe Druckfestigkeit, wasserbeständig, massgenau, gute Schalldämmung.

Splittbeton

• In Form gebracht und mit Zement verbunden ergeben Filterplatten und Schalungssteinen.
• Auch das Ausbetonieren von Steinen ist möglich.

Faserbeton

• Rohmaterialien: Sand, Zemtent, Wasser, Glas-, Kunststoff- oder Kohlestofffasern
• Anwendung für Fensterbänke, Brunnenelemente, Fassadenverkleidungen.

Porenbeton

• Rohmaterialien: Quarzsand. Zement, Branntkalk, Wasser, Aluminiumpulver.
• Anwendung für Mauersteine, etc..

Kunststein

• Rohmaterialien: Sand, Kies, Zement, Wasser.
• Treppenläufe oder Fensterbänke lassen sich damit erstellen

Anwendung für Faserzement

• Rohmaterialien: Zement, Wasser, Kalksteinmehl, Zellstoff-Fasern, Farbpigmente, Luftporen.
• Anwendung für grossformatige Fassadenplatten

Zementgebundene Holzspanplatten

• Rohmaterialien: Holzspäne, Mineralsalze, Zement, Wasser.
• Anwendung für den Brandschutz

Leichtbauplatten

• Rohmaterialien: Holwolle, Mineralsalz und Zement.
• Anwendung für den Schallschutz

Polymerbeton

• Bindemittel: Reaktionsharze statt Zement und Wasser.
• Zuschlagstoffe: Sand, Kiese und Gesteinsmehl.
• Massenanteil der Reaktionsharze: Zwischen 5 und 15 %.
• Aushärtung durch Zugabe von Reaktionsmitteln.
• Gute Chemikalienbeständigkeit und hohe Festigkeit.
• Schnelle Aushärtung.
• Eigenschaften durch Variation der Harze und Gesteinskörnungen beeinflussbar.
• Anwendung: Herstellung von Rohren, Rinnensystemen und Fassadenverkleidungen

Ultra-Hochleistungsbeton (UHPC)

• Bindemittel: Hochofenzement statt Portlandzement.
• Dichteres Gefüge als Normalbeton.
• Eigenschaften: Hohe Druckfestigkeit und Duktilität, geringe Porosität.
• Anwendung gut geeignet für den Bau von Brückenflächen und Lagerhallen

Zementarten nach Norm SN EN 197-1

• Portlandzement (CEM I)
• Portlandkompositzement (CEM II)
• Hochofenzement (CEM III) (CEM IV)
• Kompositzement (CEM V)

Fesigkeitsklassen

• Festigkeitsklassen: 32.5, 42.5 und 52.2
• Anfangsfestigkeit: L, N und R