US-Bundesstaat New Mexico: Das Wüstengebiet „White Sands“ ist durch Verdunstung eines flachen Meeres entstanden – der Sand ist in Wirklichkeit reiner Gips. Foto: Teenymeyer / www.pixelio.de
Was ist Gips?
Gips hat viel mit Kalk gemeinsam. Nicht nur, weil beide Stoffe meist eine weiß-graue Farbe haben und von der Baustoffindustrie als Bindemittel eingesetzt werden, sondern auch wegen ihrer chemischen Zusammensetzung und erdgeschichtlichen Entstehung. Gips wird sogar oft als „schwefelsaurer Kalk“ bezeichnet. Tatsächlich ähneln sich beide Elemente selbst auf der Atom-Ebene. Kalkstein (Calciumcarbonat) besteht aus Calcium-, Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen. Beim Gips tritt an die Stelle des Kohlenstoffs ein Schwefelatom.
Chemisch betrachtet ist Gips Calciumsulfat (CaSO4). Der in der Natur vorkommende Gips enthält aber meist auch noch Wasser (H2O). Man spricht in diesem Zusammenhang von Kristallwasser, weil die Wassermoleküle fest in die Gipskristalle eingebunden sind. Während ein Schwamm Wasser aufsaugt und dabei spürbar feuchter und weicher wird, ist es beim Gips genau anders herum. Er bindet das Wasser chemisch und wird dadurch härter! Pro Calciumsulfat-Molekül werden in der Regel zwei Wassermoleküle in den Kristallverbund eingelagert. Die vollständige chemische Formel für herkömmliches Gipsgestein lautet daher CaSO4 • 2H2O. In Worten: Calciumsulfat-Dihydrat. Der Begriff Hydrat steht allgemein für Wasser, das in einen festen Kristallkörper eingebunden ist. In der Natur kommt aber auch Gips vor, der kein Kristallwasser enthält – also aus reinem CaSO4 besteht. Das ist das so genannte Anhydrit.
Wie ist Gipsstein entstanden?
Genauso wie Kalkstein ist Gipsstein vor sehr langer Zeit durch Ablagerungsprozesse auf dem Grund urzeitlicher Meere entstanden. Allerdings ist er nicht ganz so alt: Während sich die Kalksteinvorkommen in Deutschland vor etwa 600 Millionen Jahre bildeten, sind die Gipsvorkommen noch vergleichsweise jung: Die ältesten haben „nur“ rund 240 Millionen Jahre auf dem Buckel.
Außerdem ist Gips – anders als Kalk – nicht aus Überresten von Meerestieren entstanden, die sich am Meeresboden angesammelt haben, sondern durch die Verdunstung des Wassers. Bekanntlich enthält Meerwasser Salze, und zu diesen Salzen gehört auch der Gipsbaustein Calciumsulfat. Denn Sulfate sind die Salze der Schwefelsäure. Vor rund 200 Millionen Jahren erhielten einige Urmeere offenbar nicht mehr genug Frischwasserzufuhr. Durch natürliche Verdunstung nahm ihr Wasserspiegel daher zunehmend ab, die Meere trockneten langsam aus. Das führte dazu, dass das verbliebene Wasser irgendwann mit Salzen übersättigt war. Diese begannen dann, als Festkörper auszukristallisieren.
Man nimmt an, dass das Calciumsulfat ursprünglich zusammen mit eingelagertem Wasser auskristallisierte – also als CaSO4 • 2H2O. So bildeten sich die ersten Gipsschichten, die mit der Zeit durch weitere Ablagerungen immer mehr zusammengepresst wurden, sodass schließlich fester Gipsstein entstand. Nach und nach folgten weitere Ablagerungsschichten, bis irgendwann das gesamte Meer verdunstet war. In den tieferen Gipsschichten war es aber zwischenzeitlich durch den zunehmenden Druck von oben zu einer Entwässerung des Gesteins gekommen. Dadurch enstand das natürliche Anhydritgestein.
Herstellung von Baugipsen
Naturgips ist nicht immer weiß, sondern manchmal auch durchsichtig – so wie dieser Gipskristall aus dem Freiberger Mineralienmuseum. Foto: Bärbel Schulz / www.pixelio.de
In Deutschland wird Gipsstein sowohl im Tage- als auch im Untertagebau abgebaut. Daneben kommt heute als Rohstoff aber auch in großen Mengen künstlich gewonnener Gips zum Einsatz. Dieser so genannte REA-Gips entsteht als Nebenprodukt in den Rauchgasentschwefelungsanlagen großer Kohlekraftwerke. Wir wollen dieses Thema an dieser Stelle aber nicht weiter vertiefen. Nur so viel: REA-Gips ist chemisch absolut identisch mit Naturgips.
Zur Herstellung von Baustoffen wird der zerkleinerte und gemahlene Gips im Brennofen getrocknet. Je nach Brenntemperatur entstehen dabei unterschiedliche Baugipse für unterschiedliche Bauvorhaben. Der gebrannte Gips ist ein trockenes, pulverförmiges Produkt, das man als Bindemittel zum Beispiel in Putz oder Estrich verwendet. Vor der Verarbeitung werden diese Trockenprodukte wieder mit Wasser angerührt.
Unter den verschiedenen, künstlich hergestellten Baugipsen, haben die so genannten Halbhydrate die größte Bedeutung. Bei Brenntemperaturen bis 150°C entsteht so genanntes Alpha-Halbhydrat, aus dem man die härteren Gipsprodukte herstellt. Erhöht man die Temperatur moderat bis zu 190°C, dann erhält man Beta-Halbhydrat, das für weichere Gipse besser geeignet ist. Trotz der unterschiedlichen Härte haben beide Varianten übrigens die gleiche chemische Zusammensetzung: CaSO4 • ½ H2O.
Durch weitere Erhöhungen der Brenntemperatur kann man Gipse mit immer weniger Wassergehalt herstellen. Auf diese Weise wird auch künstliches Anhydrit produziert. Das wird zum Beispiel als Bindemittel für Estrichmörtel eingesetzt (Calciumsulfatestrich). Dagegen wird Putzgips aus Halbhydraten und Anhydrit gemischt. Stuckgips wiederum besteht überwiegend aus dem harten Alpha-Halbhydrat.
Gipserhärtung
Gipsputz und Gipsestrich, aber auch Gipsplatten, bestehen im Wesentlichen aus den Baugipsen (Bindemittel) und Sand. Angerührt wird die Mischung mit Wasser. Die gebrannten Baugipse, die ihr Kristallwasser zuvor mehr oder weniger abgeben mussten, sind geradezu begierig darauf, erneut H2O aufzunehmen. Das Anmachwasser wird zum Teil wieder in die Molekularstruktur des Gipses eingelagert. Dadurch erhärtet der Gips erneut. Der Brennprozess kehrt sich also um: Das Bindemittel wird wieder zu Calciumsulfat-Dihydrat – also zu Gipsstein.
