Luftkalke

Brennen. Durch Brennen von Kalkstein (vereinfacht als CaC03 angenommen) bei Tempe – raturen uber 900°C wird gebrannter Kalk CaO gewonnen (Gl. 4-10).

CaC03(s) ——— ► CaO(s) + C02(g) AH= +178 kJ/mol

Kalkstein gebrannter Kalk

Die thermische Zersetzung des Kalksteins unter Freisetzung von Kohlendioxid („Kohlen – saure“) wird auch als Entsauerung oder Calcinierung bezeichnet. Der Brennprozess muss unterhalb 1200°C erfolgen, um ein Sintem des Brennprodukts zu vermeiden. Beim Brenn – prozess nach obiger Reaktion werden aus lOOg СаСОз etwa 56g CaO und 44g CO2 gewon- nen. Der gebrannte Kalk (ungeloschter Kalk, fruher: Branntkalk) entsteht als ein hoch – poroses Material mit einem Porenvolumen von etwa 52 Vol.-% (Volumenkonstanz voraus – gesetzt). Die im gebrannten Kalk entstandenen Poren sind von allergroBter Bedeutung fur den sich anschlieBenden Loschvorgang.

Wird der Kalkstein zu hoch erhitzt („iiberbrannt“), entsteht kristallines CaO. Der auf diese Weise erhaltene Sinterkalk reagiert infolge der Verdichtung der CaO-Kristalle und einer stark verringerten Porositat nur langsam mit Wasser. Damit wird der nachfolgende Losch – prozess teilweise oder ganz unterbunden.

Kalk ist die in der Praxis gebrauchliche Bezeichnung fur Calciumoxid CaO. Dass haufig auch Kalkstein und geloschter Kalk als Kalk bezeichnet werden, ist zwar vom chemischen Standpunkt her falsch, fiihrt aber in der Praxis kaum zu Problemen.

Loschen. Um als Bindemittel wirken zu konnen, muss der Kalk geloscht werden. Dabei reagiert CaO in einer stark exothermen Reaktion (Gl. 9-11) mit Wasser zu Calciumhydro – xid (geloschter Kalk, Loschkalk; nieht ganz korrekt: Kalkhydrat).

CaO(s) + H20(1) —————– ► Ca(OH)2(s) AH= -65,2 kJ/mol (9-11)

gebrannter Kalk geloschter Kalk

Die stark exotherme Losehreaktion fiihrt zu einer Erwarmung des Stoffsystems. Zum Bei – spiel entwickelt 1 kg CaO beim Loschen eine Warmemenge von 1162 kJ. Sie reicht aus, um 2,8 Liter Wasser von 0° auf 100°C zu erwarmen (Verspritzungsgefahr!). Erfolgt das Loschen im stochiometrischen Verhaltnis, wird also die laut Gl. (9-11) erforderliche, ein – schlieBlich der verdampfenden Menge an Wasser zugegeben, fallt der Loschkalk als tro – ckenes Pulver an (werkmaBige Herstellung, Trockenloschen). Loscht man Kalk mit einem maBigen Uberschuss an Wasser (Nassloschen), erhalt man den auf der Baustelle eingesetz – ten Kalkbrei. Durch Abloschen von Kalk mit einem hohen Uberschuss an Wasser wird eine dimnflussige Suspension von Ca(OH)2 in Wasser (Kalkmilch) erhalten. Der Loschvorgang des gebrannten Kalkes erfolgt umso schneller und vollstandiger, je reiner der Kalk (je ho – her sein CaO-Gehalt!) und je frischer er ist, je weicher er gebrannt wurde und je hoher der Druck ist, unter dem geloscht wurde.

Beim Loschen dringt das Wasser in die Poren des gebrannten Kalks ein und es findet eine Umsetzung im Inneren des Korns statt. Die harten Kalkstucke quellen und ihr Volumen vergroBert sich fast bis auf das Doppelte. Der stuckige gebrannte Kalk zerfallt infolge der VolumenvergroBerung (Dichteanderung von 3,34 auf 2,24 g/cm3) zu mikrokristallinen Ca(OH)2-Teilchen. Die TeilchengroBe ist in erster Linie von der Art des Loschens abhan – gig. Sie liegt mit Werten von 0,01 bis > 10 pm im Grenzbereich zwischen grob – und kol – loiddispersen Losungen. Die geringe TeilchengroBe ist die Ursache fur das gute Sandein – bindevermogen des Kalkbreis und fur sein thixotropes Verhalten. Der Loschvorgang muss vor der Verarbeitung des Kalks als Bindemittel abgeschlossen sein. Vermortelter Luftkalk (Kalkmortel) ist demnach ein steifer, wassriger Brei, der aus geloschtem Kalk als Mortel – bildner und Sand als Magerungsmittel besteht.

Enthalt Kalkmortel zu harte oder uberbrannte Kalkanteile, die unter dem Einfluss der Feuchtigkeit erst nach dem Aufbringen des Mortels abloschen, konnen infolge der Volu – menzunahme Sprengwirkungen auftreten (.Nachloschen). Beim Mauermortel kommt es zur Gefugezerstorung und damit zur Festigkeitsminderung, bei Putzmorteln treten Risse, Bla – sen bzw. Absprengungen auf (Kalktreiben, Кар. 9.4.2.2).

Wie CaO ist auch Ca(OH)2 in Wasser schwer loslich, bei 20°C losen sich 1,26 g Ca(OH)2 in einem Liter Wasser. Technische Kalkhydrate sind aufgrund der in ihnen enthaltenen anorganischen und organischen Verbindungen zu etwa 5… 10% besser loslich als chemisch reines Ca(OH)2. Die stark basisch reagierende gesattigte Losung besitzt einen pH-Wert von

12,5 (bei 20°C). Wie fur eine sich exotherm losende Verbindung zu erwarten (Кар. 6.3.1), nimmt die Loslichkeit des Calciumhydroxids mit zunehmender Temperatur ab.

Erharten. Beim Aufbringen von Kalkmortel auf Mauersteine erfolgt relativ schnell eine erste Verfestigung und Versteifung des Mortels, da die porosen Steine einen Teil des Mor – telwassers,,absaugen“. Der chemische Erhartungsprozess besteht in der Bindung von Koh – lendioxid aus der Luff. Diesen fur alle Luftkalke charakteristischen Erhartungsvorgang bezeichnet man als Carbonatisierung (s. Gl. 4-11).

Ca(OH)2(s) + C02(g) ———- ► CaC03(s) + H20(1) AH= -112 kJ/mol

Die Carbonatisierung kann allerdings nur in Gegenwart von Wasser ablaufen, da es sich chemisch um eine Neutralisation der Base Ca(OH)2 mit der Kohlensaure H2C03 handelt (Gl. 9-12). Zur Bildung von Kohlensaure H2C03 wird jedoch H20 benotigt. Die Kohlen­saure entsteht durch Reaktion des C02 der Luft mit dem Mortelwasser.

Ca(OH)2 + H20 + C02 —– ► CaC03 + 2 H20 (9-12)

Geloschter Каїк Mortel- aus Luft Calciumcarbonat Freiwerdende

wasser (erharteter Kalk) Baufeuchtigkeit

Durch den geringen C02-Gehalt der Luft (ca. 0,04 Vol%) verlauft die Carbonatisierung sehr langsam. Man geht davon aus, dass sie nach etwa einem Jahr abgeschlossen ist. Bei groBen Putzflachen im Freien muss man selbst bei warmem Wetter mit einigen Monaten Carbonatisierungsdauer rechnen. In tiefen Mauerfugen benotigt die Carbonatisierung ei – nige Jahre bis Jahrzehnte und verlauft auch dann nicht vollstandig.

Bei der Erhartung der Luftkalke wird als Nebenprodukt Wasser freigesetzt (Gl. 9-12). Es tritt als Baufeuchtigkeit in Neubauten in Erscheinung. In Abhangigkeit von der Carbo – natbildung ist die Wasserabgabe je nach Wandstarke und – beschaffenheit fruhestens nach etwa einem Jahr abgeschlossen.

Um moglichst schnell eine vollstandige CaC03-Bildung zu erreichen, muss Kohlendioxid im Uberschuss angeboten werden. Dazu wurden frliher Koksofen oder Propangasbrenner in Innenraumen eingesetzt (Achtung Verbrennungsgase!). Die erzeugte Warme fuhrt gleich – zeitig zu einer zusatzlichen Verdunstung des gebildeten Wassers. Der Einsatz von Bren – nem und Ofen hat sich heute jedoch weitgehend erubrigt, da in Innenraumen fast nur noch Gipsputze zum Einsatz kommen.

Die zur Carbonatisierung benotigten Wassermengen durfen dem Mortel allerdings nicht zu schnell, z. B. durch zu starke Warmeeinwirkung bzw. Sonneneinstrahlung, durch Vermau – em trockener, stark saugfahiger Steine oder durch Putzen auf trockenem Untergrund, ent – zogen werden. Geschieht das, kommt der Carbonatisierungprozess zum Erliegen, denn mit C02 allein ist keine СаСОз-Bildung moglich (Gl. 9-12). Das wird unter anderem durch die Tatsache belegt, dass pulverformiger Loschkalk in Papiersacken im Trockenen iiber lan – gere Zeit lagerfahig ist. Saugende Steine und trockener Putzgrund mtissen deshalb stets gut vorgenasst werden.

Die Carbonatisierung, die langsam und immer nur teilweise ablauft, ist nicht die einzige Ursache der Kalkerhartung. Kalkbrei ist eine feinkomige, nahezu kolloiddisperse Losung von Ca(OH)2-Partikeln, deren spezifische Oberflache sich in der GroBenordnung von 10…30 m2/g bewegt. Durch die groBe Oberflache sind die Teilchen in der Lage, Wasser adsorptiv zu binden. Es bilden sich Oberflachenkrafte (Van-der-Waals-Krafte) aus, die die Kalkteilchen untereinander zusammenhalten (,,verkleben“). Nachdem das Uberschusswas – ser durch die Mauersteine oder den Untergrund abgesaugt worden ist, bewirken die iiber das Adsorptionswasser wirksam werdenden Wechselwirkungskrafte eine erste Verfesti – gung (Gelbildung) des Kalkputzes. Eine durchaus treffende Analogie zu diesem Vorgang stellt der Sandburgenbau am Meeresstrand dar. Feuchten Sand kann man gut formen und,,vermauem“. Ist das als Bindemittel fimgierende Wasser verdunstet, zerrieselt das Sand – bauwerk. GroBe und Adsorptionsvermogen der kleinen Quarzkristalle des Sandes sind al – lerdings in keiner Weise mit denen der Ca(OH)2-Teilchen vergleichbar.

Obwohl reine Luftkalkmortel infolge ihrer hohen Porositat nur eine geringe Festigkeit aufweisen, besitzen sie im Gegensatz zu Zementputzen den Vorteil, aufgrund ihrer Elasti – zitat geringfiigige Bewegungen im Bauwerk ohne Rissbildung auszuhalten.

Zur Gruppe der Luftkalke gehoren der WeiB – und der Dolomitkalk. WeiBkalk (CL, cal­cium lime) wird durch Brennen von moglichst reinem Kalkstein erhalten. Handelsiiblicher CaO-Gehalt: 94%, frUher auch: Speck – oder Fettkalk. Dolomitkalk (DL, dolomitic lime) wird durch Brennen von Dolomit CaMg(C03)2 erhalten, MgO-Gehalt ^ 10%.