Gips

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Autoren: Hans-Jürgen Schwarz , Nils Mainusch, Tim Müller


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Gips[1][2][3]
SA101 1.jpeg
Mineralogische Salzbezeichnung Gips, Selenit
Chemische Bezeichnung Calciumsulfatdihydrat
Trivialname Leichtspat, Marienglas, Fraueneis, Alabaster
Chemische Formel CaSO4•2 H2O
Hydratformen Anhydrit (CaSO4)
Halbhydrat (CaSO4•0,5 H2O)
Kristallsystem monoklin
Deliqueszenzfeuchte 20°C
Löslichkeit(g/l) bei 20°C 2,14 g/l
Dichte (g/cm³) 2,31 g/cm³
Molares Volumen 74,69 cm3/mol [4]
Molare Masse 172,17g /mol
Transparenz durchsichtig bis undurchsichtig
Spaltbarkeit sehr vollkommen, deutlich mit Faserbildung
Kristallhabitus tafelige, prismatische, nadelige Kristalle; körnige, massige Aggregate
Zwillingsbildung häufig; Schwalbenschwanz, Montmartre, Durchdringung
Phasenübergang
Chemisches Verhalten in Wasser schwer löslich
Bemerkungen schlecht wasserlöslich
Kristalloptik
Brechungsindices nx = 1,519-1,521
ny = 1,522-1,523
nz = 1,529-1,530
Doppelbrechung Δ = 0,010
Optische Orientierung zweiachsig positiv
Pleochroismus farblos
Dispersion 58°
Verwendete Literatur


Calciumsulfate und Gips[Bearbeiten]

Abstract[Bearbeiten]

An dieser Stelle wird das System CaSO4/H2O behandelt und im Speziellen auf Gips eingegangen. Gips ist eines der wichtigsten Salze, die an z. B. Bauwerken und Wandmalereien für Schäden verantwortlich sind. Vor allem außen exponierte Objekte leiden unter Gipsschäden. Die Eigenschaften, die Schadenswirkung, das Vorkommen und auch der Nachweis von Gips werden behandelt. Abbildungen, Mikroaufnahmen und Beispiele aus der Praxis ergänzen und veranschaulichen das Dargelegte.

Einleitung[Bearbeiten]

Gips ist eines der heute am häufigsten vorkommenden bauschädlichen Salze. Er kommt in unterschiedlichen Formen und Ausprägungen an fast allen Objekten am Außenbau vor. Auch in Innenräumen ist er häufig zu finden.


Vorkommen von Gips[Bearbeiten]

Als eines der am meisten verbreiteten Minerale entsteht Gips beim Ausfall aus wässrigen Lösungen bei Temperaturen unter ca. 40°C. Liegen erhöhte Temperaturen (> 60°C) einer Lösung vor, so wird direkt Anhydrit gebildet. In Form von Gesteinen sind beide Calciumsulfatformen häufig anzutreffen. Natürliche Vorkommen des Halbhydrates existieren nicht.
Gips findet sich als Vorkommen in Salzlagerstätten und in Salzwüsten, wo durch den Einschluss von Quarzpartikeln bei der Bildung des Kristalls häufig sogenannte Wüstenrosen entstehen. In Salzlagerstätten bilden Gips und Anhydrit zuweilen einen "Salzhut" aus, d.h. eine mächtige Materialschicht, die sich über anderen Salzvorkommen eines natürlichen Lagers befindet. Künstlich hergestellter Gips entsteht u.a. im Zuge der Entschwefelung von Rauchgasen in Kraftwerken, in denen fossile Brennstoffe verwertet werden.

Herkunft und Bildung von Gips an Baudenkmalen[Bearbeiten]

Die hohe Schadensrelevanz von Gips für Denkmale aus mineralischer Bausubstanz steht wesentlich in Zusammenhang mit der Umwandlungsreaktion von Kalk zu Gips. Unter der Einwirkung von SOx-haltiger Luft in Verbindung mit Feuchte können auf diese Weise wichtige Materialkomponenten von Bauwerken (Kalkmörtel, Verputz, calcitische Gesteine etc.) zu Gips entsprechend dem Chemismus:

CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + H2O + CO2

umgewandelt werden. Gips stellt darüber hinaus einen wichtigen Baustoff für die Erstellung von Mörtel und Verputzen dar und kann bereits als Gestein und somit originäres Baumaterial Eingang in das Gefüge eines Denkmals gefunden haben. Ähnliches gilt für Anhydrit.


Schadenspotential und Verwitterungsaktivität[Bearbeiten]

Lösungsverhalten[Bearbeiten]

Abbildung 1: Löslichkeit von CaSO4 in Wasser, Grafik M. Steiger


Gips zählt zur Gruppe der "gering" wasserlöslichen Salze und kann somit als wenig mobil bezeichnet werden. Allerdings ist der Fremdioneneinfluss auf die Gipslöslichkeit vergleichsweise groß. So wird die Löslichkeit von Gips durch Halit je nach Konzentrationsverhältnis bis um den Faktor vier erhöht.

Abbildung 2:Darstellung der temperaturabhängigen Veränderung der Löslichkeit von Gips im Vergleich mit anderen Salzphasen (Angaben nach [Stark.etal:1996]Titel: Bauschädliche Salze
Autor / Verfasser: Stark, Jochen; Stürmer, Sylvia
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)

Hydratationsverhalten[Bearbeiten]

Das System CaSO4 – H2O:
Calciumsulfat kann in drei unterschiedlichen Hydratstufen auftreten, dem oben bezeichneten kristallwasserlosen Anhydrit, einem Halbhydrat, welches unter Normalbedingungen die instabilste Form darstellt, und Gips. Anhydrit existiert in verschiedenen Modifikationen, wodurch je nach Abhängigkeit der Modifikation des vorliegenden Anhydrit unterschiedliche chemische Eigenschaften (z.B. variierende Löslichkeit in Wasser) feststellbar sind. Das gleiche gilt auch für die Modifikationen des Halbhydrates.

Als Wert für die Übergangstemperatur (in wässriger Lösung) kann der Bereich 40°C-66°C angegeben werden. Unter normalen Klimabedingungen an Denkmalen entsteht somit beim Ausfall von Calciumsulfat aus einer wässrigen Lösung in erster Linie Gips. Liegen die Temperatur einer Lösung höher als 40°C-60°C, bildet sich v.a. Anhydrit. Parallel hierzu kommt es zur Bildung des Halbhydrates, welches zwar metastabil ist, beim Ausfall aber zunächst in großer Menge auftritt und dann in eine der stabileren Hydratstufen umgebildet wird.

Beim Erhitzen des Dihydrates (als Feststoff in Abwesenheit von wässrigem Lösungsmittel) kommt es bei einer Temperatur ab etwa 50°C zum Austreiben von Kristallwasser und es entsteht das Halbhydrat. Die vollständige Überführung zum Halbhydrat findet erst bei Temperaturen von ca. 100°C statt. Wird das Dihydrat längere Zeit auf 500-600°C erhitzt, liegt völlig entwässertes Calciumsulfat vor. Bei Temperaturen über 1000°C erfolgt die Zersetzung in Calciumoxid und SO3.

Hygroskopizität[Bearbeiten]

Abbildung 3: Dargestellt ist die Veränderung der Löslichkeit von Gips in Wasser unter Anwesenheit von Halit Liegt Halit in einer Konzentration von ca. 140 g/l in wässriger Lösung vor, so lösen sich hierin etwa 8 g Gips (Angaben nach [DAns:1933]Titel: Die Lösungsgleichgewichte der Systeme der Salze ozeanischer Salzablagerungen
Autor / Verfasser: d'Ans, J.
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)

Gips besitzt als Reinsalz keinen definierten und durch die relative Feuchte beeinflussten Deliqueszenzpunkt. Bei Überschreiten von 90 % r.F. kann es in Gegenwart von Halit allerdings (durch die Feuchtesorption von Halit) zum Auflösen von Gipskristallen kommen; ein Absinken der Feuchtewerte auf ca.75 % r.F. bewirkt die Rekristallisation des Gipses.

Kristallisationsdruck[Bearbeiten]

Bei der Kristallisation aus wässriger Lösung, die eine Übersättigung im Verhältnis 2:1 aufweist, läßt sich für Gips ein linearer Wachstumsdruck von 28,2-33,4 N/mm2 im Temperaturbereich 0-50°C angeben. Im Vergleich mit anderen bauschädlichen Salzen liegen diese Werte im mittleren Bereich einer berechneten Werteskala, die insgesamt von 7,2 bis 65,4 N/mm2 reicht [nach [Winkler:1975]Titel: Stone: Properties, Durability in Man ´s Environment
Autor / Verfasser: Winkler, Erhard M.
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].

Hydratationsdruck[Bearbeiten]

An einem Objekt vorliegender Gips kann das im Kristallgitter enthaltene Kristallwasser nur bei Temperaturen ab ca. 50°C abgeben, wird also in der Regel nicht dehydrieren. Umgekehrt ist die Einlagerung von Kristallwasser bei Vorliegen von Anhydrit oder Halbhydrat an einem Denkmal aber durchaus möglich. Beide Vorgänge sind mit Volumenveränderungen (von 31,9% beim Übergang Halbhydrat-Gips) und dem Entstehen von Hydratationsdrücken verbunden [Zahlenwerte nach [Sperling.etal:1980]Titel: Salt Weathering on Arid Environment, I. Theoretical ConsiderationsII. Laboratory Studies
Autor / Verfasser: Sperling, C.H.B.and Cooke, R.U.
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]. Für den Fall des Überganges Halbhydrat-Gips (Stichwort Gipstreiben) kann bei einer Temperatur im Bereich 0-20°C und einer r.F. von ca. 80% ein Hydratationsdruck von 114 –160 N/mm2 angegeben werden, was extrem hohe Werte darstellt [nach [Stark.etal:1996]Titel: Bauschädliche Salze
Autor / Verfasser: Stark, Jochen; Stürmer, Sylvia
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].

Umwandlungsreaktionen[Bearbeiten]

Wie erläutert hängt der substanzgefährdende Charakter von Gips v.a. mit der Umwandlungsreaktion Calcit-Gips zusammen. Aus Calcit gebildete Gipsmoleküle besitzen ein Volumen, welches das der ursprünglichen Calcitmoleküle um etwa 100% übersteigt. In diesem Zusammenhang ist als relevanter Schadensfaktor die Veränderung der Wasserlöslichkeit zu nennen. Calcit ist mit einer Wasserlöslichkeit von ca. 0,014g/l (20°C) schwerer löslich als Gips, so dass nach Umwandlung zu Gips ein deutlich wasserempfindlicheres System vorliegt. Hingewiesen sei auf die Untersuchungen von Snethlage und Wendler [[Snethlage.etal:1998]Titel: Steinzerfall und Steinkonservierung - neueste Ergebnisse der Münchner Forschungen
Autor / Verfasser: Snethlage, Rolf; Wendler, Eberhard
Link zu Google Scholar
], die den Einfluss von Gips auf die hygrischen Längenänderungen eines bestimmten Sandsteinmaterials analysiert haben und die beobachtete Schadensbildung in erster Linie auf das veränderte Quellverhalten durch den Gipseinfluss erklären.

Analytischer Nachweis[Bearbeiten]

Mikroskopie[Bearbeiten]

Laboruntersuchung: Gips ist gering wasserlöslich, so dass gipshaltiges Probematerial beim Versetzen mit Aquadest nur geringfügig in Lösung geht. Wird gipshaltiges Probematerial in Lösung gebracht, entstehen bei vorsichtigem Einengen des Lösungmitteltropfens im Zuge der Rekristallisation zunächst Einzelnadeln und zunehmend nadelige Gipsaggregate im Bereich des Saumes der Lösung (alternativ kann Probematerial mit Salzsäure versetzt werden, was ebenfalls zur Bildung von Kristallnadeln führt). Im Vergleich zu anderen Salzen, die ebenfalls nadelig rekristallisieren können wie z.B. Natriumcarbonat, weisen Gipsnadeln eine deutlich geringere Länge auf.

Brechungsindizes:    nx = 1.521; ny =1.523; nz =1.530
Doppelbrechung:      Δ = 0.009
Kristallklasse:            monoklin


Polarisationsmikroskopische Untersuchung:
Außer dem typischen nadeligen Habitus von Gipskristallen (v.a. von rekristallisiertem Material) treten unterschiedliche morphologische Charakteristika auf, die bei der Identifikation von Gips hilfreich sind. Gipspartikel (in Rohprobematerial) zeigen sich häufig in Form von gerundeten Splittern und tafeligen Rhomboedern an denen deutliche, innere Spaltflächen ablesbar sind. Darüber hinaus ist das Auftreten von Zwillingsformen sowohl bei lattigen Partikeln wie auch Tafeln und Plättchen typisch für Gips. Die Zuweisung der Brechungsindizes erfolgt entsprechend der Immersionsmethode unter Verwendung von Medien mit den Indizes nD=1,518 und nD=1,53, wobei aufgrund der zumeist sehr kleinteiligen Partikel die Überprüfung des Schroeder van der Kolk- Schatten aussagekräftiger und sicherer ist, als der Becke-Linien Test.

Gipskristalle gehören zur Klasse der monoklinen Kristalle, zeigen also je nach Ausrichtung des Einzelpartikels unter dem Mikroskop zum einen sowohl parallele bzw. symmetrische Auslöschung, weisen v.a. jedoch eine charakteristische schiefe Achsenstellung in der Auslöschungsposition auf. An gut ausgebildeten Kristallrhomben ist diese schiefe Auslöschung zumeist klar messbar. Von allen Calciumsulfaten ist Gips am geringsten doppelbrechend und erscheint bei gekreuzten Polarisatoren mit sehr niedrigen Interferenzfarben, die (natürlich in Abhängigkeit der vorliegenden Partikeldicke) im Bereich grau bis gelblich weiß der ersten Ordnung liegen.


Verwechslungsmöglichkeiten:
Gips ist im dargestellten Analyseverfahren eindeutig zuweisbar, sofern die folgenden Untersuchungskriterien eindeutig geklärt sind:

  • geringe Wasserlöslichkeit
  • charakteristisch nadelige Morphologie bei rekristallisierten Partikeln
  • alle beobachtbaren Indizes besitzen einen nD –Wert zwischen 1,518 und 1,530
  • Gipskristalle besitzen eine geringe Doppelbrechung und niedrige Interferenzfarben
  • Gipskristalle weisen eine schiefe Auslöschung auf


Tabelle 1: Salzphasen mit gipsähnlichen chemischen und optischen Eigenschaften
Salzphase Unterscheidungsmerkmale
Syngenit K2Ca(SO4) • 2H2O alle beobachtbaren Indizes < 1,518
Tachyhydrit CaMg2Cl6 • 12H2O zumeist ein beobachtbarer Index < 1,518 / nur parallele und symmetrische Auslöschung
Hydromagnesit Mg5[OH(CO3)2]2 • 4H2O ein Index zumeist > 1,53



Salze und Salzschäden im Bild[Bearbeiten]

Am Objekt[Bearbeiten]


Unter dem Polarisationsmikrokop[Bearbeiten]


Unter dem Rasterelektronenmikroskop[Bearbeiten]


Einzelnachweise[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

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Weitere Literatur

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Bezeichnet für ein Salz den Grenzwert, oberhalb dessen dieses Luftfeuchte aufnimmt, bis es sich darin vollständig löst.

Die Deliqueszenzfeuchte beschreibt die Höhe der relativen Luftfeuchte, oberhalb der z. B. ein Salz Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt und in Lösung geht.

relative Luftfeuche

Rasterelektronenmikroskop