Ueber die Wirkung des Quarzsandes und des Kalkes auf die Thone beim Brennprocess; von Dr. Julius Aron.Vom Verf. gütigst eingesendeter Separatabdruck aus dem Notizblatt des deutschen Ziegelvereins. Aron, über Wirkung des Quarzsandes und des Kalkes auf die Thone beim Brennproceß. Wie wichtig auch für sämmtliche Zweige der Thonwaarenfabrikation die Eigenschaften der feuchten Thonmasse sind, indem sie der Verarbeitung des Thones bald förderlich entgegen kommen, bald hindernd in den Weg treten, wie wichtig es auch ist, diese Eigenschaften zu verstehen, damit man sie je nach Bedürfniß, so weit es thunlich ist, modificiren könne, so ist es doch auf gewissen Gebieten der Thonwaarenfabrikation möglich, allen Schwierigkeiten in der Weise aus dem Wege zu gehen, daß man das nasse Verfahren überhaupt gänzlich fallen läßt. Bei der Herstellung von Mauersteinen hat man es in einigen Gegenden Englands vorgezogen, aus trockenem Pulver Steine mit Anwendung erheblicher Kraft zu pressen, und es hat sich dieses Verfahren, sowohl was die Güte des Productes anlangt, als auch was die Herstellungskosten betrifft, als ein lebensfähiges erwiesen. Bekannt ist ferner, daß die schönen Mettlacher Fliesen aus Thonpulver gepreßt werden, und die Zukunft dürfte dieser nach mehr als einer Richtung hin sich empfehlenden Fabrikationsmethode vielleicht auch noch anderweitig Eingang verschaffen. Was aber vorerst auf keinem Gebiete der Thonwaarenproduction zu umgehen ist, das ist der Brennproceß. Durch das Brennen werden die Thonwaaren erst befähigt, denjenigen Zwecken zu dienen, zu denen wir sie verwenden wollen, indem dabei einerseits die leicht zerstörbare Form, welche man ihnen in den vorbereitenden Operationen gab, zu einer innerhalb gewisser Grenzen dauernden, widerstandsfähigen wird, andererseits die in eine bestimmte Form gebrachte Masse erst diejenigen Eigenschaften erhält, welche sie zu der beabsichtigten Verwendung befähigen. So sehr gerade der Brennproceß in Ermangelung anderer sicherer Untersuchungsmethoden zur Prüfung der Brauchbarkeit eines Thones für einen bestimmten Zweck in der Praxis verwendet wird, so ist man doch weit entfernt, wenn der Ofen sein Urtheil gefällt hat, sich klar zu sein über die Bedingungen, denen in dem einen Falle die Brauchbarkeit, in dem anderen die Unbrauchbarkeit zuzuschreiben ist. Es ist aber ganz sicher, daß wenn man diese Bedingungen besser kennte, man häufig aus demselben Rohmateriale durch rationelle vorbereitende Operationen ganz verschiedenartige Objecte erzeugen könnte, deren Herstellung aus demselben Thone fast unmöglich erscheint, oder daß man im Stande wäre, die Objecte, die man fabriciren will, besser herzustellen. So kommt es dann, daß man die Fähigkeit, gewisse Fabrikate zu liefern, häufig einem bestimmten Thone als Monopol zuerkennt, während eine genauere Erkenntniß der einschlägigen Erscheinungen den Kreis der dazu verwendbaren Thone bedeutend erweitern würde. Von den Arbeiten, die zur Aufhellung dieses Gebietes angestellt wurden, sind die Versuchs von Brongniart zu registriren, künstliche Porzellanmasse herzustellen, ferner besonders die Arbeiten von Richters und Bischof. Letztere haben das Ziel gehabt, zu finden, von welchen Bedingungen es abhängig ist, daß Thonproducte innerhalb bestimmter hoher Temperaturen ihre Form beibehalten, nicht in Fluß gerathen. Die angeführten Arbeiten stehen in einem gewissen Widerspruche mit einander. Während die Arbeiten von Richters und Bischof die chemische Formel als das im Wesentlichen Maßgebende für den Schmelzpunkt des Thones hinstellen, kam Brongniart zu dem Ergebniß, daß physikalische Momente eine sehr erhebliche Rolle dabei spielen. Letzterer versuchte nämlich das Kaolinporzellan durch eine Zusammenmischung seiner auf chemischen Wege gewonnenen Bestandtheile zusammenzusetzen. Indem er nun aus den chemischen Bestandtheilen den Kaolin genau durch Mischung reproducirte, gelang es ihm nicht, eine Masse herzustellen, die auch nur annähernd die Schwerschmelzbarkeit des Kaolins besessen hätte. Wenn also zwei Massen, welche der chemischen Analyse unterworfen, genau dieselben Elementarbestandtheile in denselben Proportionen ergeben, dennoch in Bezug auf ihre Schwerschmelzbarkeit sehr bedeutend von einander abweichen, so muß man sich fragen, ob auf diesem Gebiete nicht noch einiges Dunkel liegt, das der Aufhellung bedarf. Ueber die für die eigentliche Thonwaarenfabrikation überaus wichtigen Momente der Schwindung im Ofenfeuer, der Porosität des resultirenden Scherbens, der Einflüsse verschiedener Temperaturen, der Wirkungsweise von verschiedenen Magerungssubstanzen, wie z. B. Quarzsand oder kohlensauren Kalk, darüber scheinen allgemeinere Beziehungen entweder nicht bekannt, oder doch nicht veröffentlicht zu sein. Brongniart hat zwar in seinem Werke (Traité des arts céramiques) Beobachtungen über Schwindung verschiedener Materialien verzeichnet, indessen haben dieselben kein eigentliches allgemeineres Interesse, einerseits weil die dort aufgeführten Materialien nicht definirt sind, andererseits weil häufig die Schwindung beim Trocknen und die Schwindung im Ofen zusammen aufgeführt sind, während es doch zwei ganz verschiedene Erscheinungen sind. Nachstehende Versuche hatten nun den Zweck, in dieser Richtung etwas mehr Licht zu verbreiten. Es handelte sich bei denselben namentlich darum, welche Schwindung verschieden gemagerte Massen im Ofenfeuer bei verschiedenen Temperaturen erfahren. Dieser Punkt ist von überaus großer Wichtigkeit, weil davon die Porosität des Scherbens und damit seine Festigkeit gegen Druck, seine Widerstandsfähigkeit gegen atmosphärische Einflüsse, sein Verhalten gegen Temperaturwechsel u. s. w. abhängig ist. Indem nun zunächst die Wirkungsweise des Quarzsandes und des kohlensauren Kalkes studirt werden sollte, wurden Massen verwendet, die sämmtlich aus demselben Thone hergestellt, bei der einen Versuchsreihe sich nur durch die Mengen, nicht durch die Korngrößen des in ihnen enthaltenen Sandes unterschieden, bei der anderen Versuchsreihe nur durch die Mengen des beigefügten kohlensauren Kalkes. Der Thon war in beiden Versuchsreihen derselbe, nämlich ein aus dem Senftenberger Braunkohlenthone bei einer Stromgeschwindigkeit von 0,48 Mm. pro Secunde übergeschlämmtes Product. Derselbe wurde bei 130° längere Zeit getrocknet und dann mit den verschiedenen Mengen derselben Substanz versetzt, zu einem Teige angerührt und in die Form von Prismen gebracht, die nach sorgfältigem Trocknen bei 130° gewogen und gemessen in der Zahl, die unten näher ersichtlich ist, gemeinsam in einer kleinen, mit ziemlicher Gleichmäßigkeit befeuerten Kapsel, also bei einer für alle Proben nahezu gleichen Temperatur gebrannt wurden. Es wurden die Proben zuerst bei einer niederen Temperatur gebrannt und dann erst Gewicht, Maß und Porosität bestimmt. Dann kehrten sie in die Kapsel zurück, um nunmehr einer gesteigerten Temperatur und darauf wiederholter Untersuchung unterworfen zu werden. In dieser Weise wurden 3 bis 4 Brennstufen hergestellt, die man in Ermangelung eines Pyrometers durch die Glutfarbe der Kapsel unterschied. Gemessen wurde die Schwindung durch die Bestimmung der Entfernung zweier auf jeder Probe befindlicher Marken mit Hilfe des kleinen Apparates, dessen Einrichtung in einem früheren Aufsatze (Ueber Plasticität und Schwindung; Notizblatt 1873; vergl. 1875 215 136) besprochen wurde. Für die Porosität wurde dadurch ein Maß gewonnen, daß man die Proben einige Zeit in destillirtem Wasser kochte, bis die Luft aus den Poren derselben ausgetrieben war, und sie dann unter Wasser abkühlen ließ. Eine in dieser Weise mit Wasser gefüllte Probe wurde dann herausgenommen, schnell oberflächlich abgetrocknet und in einer verschlossenen tarirten Flasche gewogen. Die eingesogene Wassermenge im Verhältniß zu dem Gewicht der trockenen Probe lieferte ein Maß für die Porosität. Hierbei ist nun zu bemerken, daß dieses Verfahren der wissenschaftlichen Schärfe entbehrt. Einerseits müßte die Vergleichung der eingesogenen Gramme oder Kubikcentimeter Wasser nicht mit dem Gewichte der Probe, sondern mit ihrem kubischen Inhalte geschehen, andererseits erhält man bei dieser Methode nicht nur den Inhalt der der physikalischen Constitution der Masse entsprechenden normalen Poren, sondern auch der in der Masse zufällig vorhandenen, nicht gut ausschließbaren Hohlräume und Luftblasen, die sich gleichfalls mit Wasser vollsaugen. Der erste der beiden hervorgehobenen Fehler kann die Vergleichung der Resultate nicht sehr stören, da es sich hier immer um denselben Thon und denselben Sand handelt, und außerdem beide, wenigstens im ungebrannten Zustande, nahezu dasselbe specifische Gewicht hatten. Der zweite Fehler hindert aber die Vergleichbarkeit der Resultate der verschiedenen Proben unter einander, denn je nachdem die eine Probe mehr zufällige Luftblasen enthielt als die andere, wird der Gesammtwerth des Wassers um den Inhalt dieses Luftblasenüberschusses größer ausfallen. Jedoch behalten die Zahlen ihren Werth, sobald es sich um die Betrachtung derselben Probe in verschiedenen Brennstadien handelt, weil hier derselbe Fehler bei allen wiederkehrt und sich dadurch ausschließt; deshalb ist auf diese bequeme Porositätsbestimmung nicht verzichtet worden. Außerdem sind die Zahlen auch insofern von Interesse, als sie die wirkliche Porenmenge nach oben hin abgrenzen, indem letztere in fast allen Fällen geringer sein wird als die gefundene Zahl. Gehen wir nunmehr zu den Versuchen selbst über. Mischungen mit Quarzsand. Als Sand diente ein mit Glimmerblättchen vermischter feiner Quarzsand, der, durch Schlämmung gewonnen, zwischen den Stromgeschwindigkeitswerthen von 0,48 und 1,48 Mm. pro Secunde überging. Die untersuchten Proben sind dieselben, die in einem anderen Aufsatze (Beitrag zur Aufklärung der Wirksamkeit der Magerungsmittel in den Thonen, Notizblatt 1873; vergl. 1875 215 136) der Besprechung unterzogen wurden. Dabei ergaben sich die in Tabelle I zusammengestellte Rohzahlen. Eine andere Versuchsreihe ergab die in Tabelle II gegebenen Rohzahlen. Diese Tabellen dürften ohne Weiteres verständlich sein, wenn hinzugefügt wird, daß die Köpfe 0, 20, 50 etc. jedesmal ebensoviel Gewichtstheile Sand auf je 100 G. Th. Thon bedeuten. Aus diesen beiden Tabellen ergeben sich nun einige bemerkenswerthe Resultate, die sofort hervortreten werden, wenn mir aus ihren Zahlen zwei neue durch Umrechnung feststellen. Textabbildung Bd. 216, S. 262 Sand zu 100 Thon; Tab. I; Gewicht. Gramm; Maß. Millimeter; Mit Wasser. Vor dem Brennen; II. Dunkelrothgult; III. Helle Rothglut; IV. Hellste Rothglut. Textabbildung Bd. 216, S. 262 Sand zu 100 Thon; Tab. II; Gewicht. Gramm; Maß. Millimeter; Mit Wasser. Vor dem Brennen; II. Dunkelrothglut; III. Rothglut; IV. Hellste Rothglut. Textabbildung Bd. 216, S. 263 Sand zu 100 Thon; 0; Tab. III; Gewichtsverlust; Schwindung; Gewicht des Wassers; Gewichtsverlust; Schwindung; Gewicht des Wassers; Gewichtsverlust; Dunkelrothglut; II. Rothglut; III. Hellste Rothglut. Die für 0 unter I aufgeführten Zahlenwerthe gehören eigentlich nicht in diese Columne, da diese Probe nur in den Brennstufen II und III mit den anderen gemeinsam gebrannt wurde, Stufe I aber im Töpferthon gebrannt war. Textabbildung Bd. 216, S. 263 Sand zu 100 Thon; Tab. IV; Gewichtsverlust; Schwindung; Gewicht des Wassers; Gewichtsverlust; Dunkelrothglut; II. Rothglut; III. Hellste Rothglut. Zum Verständniß der Tabellen III und IV ist zu bemerken, daß von den drei Columnen, die jeder Sandmischung beigegeben sind, die erste jedesmal den procentischen Gewichtsverlust, bezogen auf den trocknen ungebrannten Thon, die zweite die procentische Schwindung, bezogen auf die Längenausdehnung im ungebrannten trocknen Zustande, die dritte endlich die eingesogene Wassermenge, procentisch bezogen, auf das jeweilige Gewicht des gebrannten Thones bedeutet. Wo in der Columne der Schwindung ein Pluszeichen über der procentischen Zahl gesetzt ist, hat die Entfernung der Marken nicht abgenommen, sondern um die darunterstehende Procentzahl zugenommen. Daß bei der etwas unsicheren Methode, die nasse Probe oberflächlich rasch zu trocknen, kleine Fehler unvermeidlich sind, ist an sich klar, weshalb diese Columne einige kleine Unregelmäßigkeiten zeigt. Gehen wir nun zur näheren Betrachtung der beiden letzten Tabellen über, so gibt die erste Columne über den Gewichtsverlust kaum zu Bemerkungen Veranlassung, wenn nicht zu der, daß der beigemischte Sand selbst einen kleinen Glühverlust zeigt. In der That hatten 5,1171 Grm. bei 130° getrocknet einen Gewichtsverlust von 0,0197 Grm. = 0,38 Proc. Hierdurch erklärten sich die Abweichungen des Glühverlustes in den höheren Magerungsstufen von den Werthen, welche man nach ihrem Procentgehalt an Sand erwarten sollte. Was nun die zweite Columne anlangt, welche die Schwindungen angibt, so zeigt sich zunächst, daß bei Weitem nicht in allen Fällen eine Verkleinerung der Proben erfolgt ist, sondern in einer Reihe von Fällen eine Vergrößerung, und zwar stellen sich die einzelnen Werthe so, wie folgende Auszüge aus Tabelle III und IV ergeben. Tabelle IIIa. Sand zu 100 Thon. 0 20 50 80 110 140 350   I. Dunkelrothglut ? 0 *0,32 +0,46 +0,59 + 0,69 + 0,71  II. Helle Rothglut 2,19 1,73 1,14 0,53 0 + 0,40 + 0,53 III. Hellste Rotyglut 3,29 2,54 1,52 0,61 0,19 + 0,23 + 0,53 Tabelle IVa. Sand zn 100 Thon. 10 40 70 100 130 160   I. Dunkelrothglut 0 + 0,37 + 0,37 + 0,44 + 0,36 + 0,71  II. Rothglut 1,12 0,22 0    + 0,39 + 0,48 + 0,77 III. Hellste Rothglut 5,59 3,67 2,60 1,88 1,14 0,35 Man sieht aus diesen beiden Tabellen, daß bei Dunkelrothglut, d. h. bei einer Temperatur, bei welcher das chemisch gebundene Wasser aus dem Thone entweicht, bei allen Proben eine kleine Vergrößerung eingetreten ist, mit Ausnahme von 10 und 20, bei denen die Messungen weder Zuwachs noch Schwindung ergaben. Außerdem ist ersichtlich, daß diese Vergrößerungen der Proben zunehmen mit der Menge des Sandes. Einige hierbei sich zeigenden Unregelmäßigkeiten sind jedenfalls auf kleine Messungsfehler zurückzuführen, da sie nur geringfügige Abweichungen von der durch beide Tabellen gehenden Regel zeigen. Weiter sieht man, daß einige der Proben, welche bereits die zweite Brennstufe, also helle Rothglut durchgemacht hatten, immer noch eine Vergrößerung aufweisen, und zwar sind dies diejenigen, die am meisten Sand enthalten. Ja, aus Tabelle IIIa sieht man sogar die Magerungsstufen 140 und 350 noch vergrößert, nachdem sie bereits die dritte Brennstufe, also hellste Rothglut passirt hatten, zu einer Zeit, wo der ungemagerte Thon bereits die erhebliche Schwindung von 3,29 Proc. zeigte. In Tabelle IVa hat in der dritten Brennstufe, welche offenbar einer höheren Temperatur entsprach, als die entsprechende in Tabelle IVa, wie aus den Schwindungen hervorgeht, allerdings bei allen die Vergrößerung aufgehört; indeß ist bei der letzten darin enthaltenen Magerungsstufe auch nur eine ganz unerhebliche Schwindung zu constatiren. Aus diesen Umständen geht hervor, daß es nicht der Thon ist, auf welchen die Vergrößerung der Proben beim Brande zurückzuführen ist, sondern der Quarzsand. In der That zeigte ein Stück Quarz, auf dem zwei Marken angebracht waren, nach dem Glühen eine Vergrößerung von 0,59 Proc. in linearer Ausdehnung. Die absolute Genauigkeit dieser Zahl will ich indeß nicht vertreten, da die Marken nicht genügend scharf hergestellt waren. Außer Zweifel schien mir aber die Vergrößerung zu sein. Es ist übrigens bekannt, daß krystallinische Kieselsäure, sehr heftiger Hitze ausgesetzt, specifisch leichter wird, also sich dem Volumen nach ausdehnt, und zwar kann vor dem Knallgasgebläse die krystallinische Kieselsäure von 2,6 spec. Gew. in die amorphe mit dem spec. Gew. 2,2 übergeführt werden, was einer Volumvergrößerung von etwa 18 Proc. entspricht. Es ist weiter bekannt, daß ein der Oberfläche eines Mauersteines nahe liegendes größeres Quarzstück beim Brande ähnlich sprengend wirkt, als säße ein Kalkstück in dem Steine — eine Wirkung, die auch nur auf die Volumvergrößerung des Quarzes zurückgeführt werden kann. Diese Vergrößerung scheint nun nach obigen Versuchen nicht erst bei hoher Hitze einzutreten, sondern beginnt bereits, sich bei dunkler Rothglut bemerklich zu machen. Man ist nicht berechtigt, aus dem Umstande, daß die meisten Proben in den späteren Brennstufen meiner Versuche keine Vergrößerung mehr aufweisen, den Schluß zu ziehen, daß mit der gesteigerten Temperatur die Ausdehnung des Quarzes nicht mehr zugenommen habe. Die beobachteten Zahlenwerthe sind vielmehr zusammengesetzter Natur, indem sie einen Ausdruck für die Differenz aus der Volumvergrößerung des Quarzes einerseits und der Schwindung des Thones andererseits bilden. Es wird dies noch klarer hervortreten, wenn wir auf die Porositätszahlen näher eingehen. Zunächst also steht für die Ziegelfabrikation fest, daß mit Quarzsand gemagerte Steine bei Dunkelrothglut größer sind als im getrockneten Zustande, und zwar weist das Maximum meiner Versuche eine Vergrößerung von 0,77 Proc. auf. Nähme man also an, daß, abweichend von einer Zieglerregel, die Steine nicht bis genau ans Gewölbe eines Ofens zu setzen, dies dennoch geschehen wäre, so würde unter Umständen bei einer Höhe des Einsatzes von 6 M. das Ofengewölbe um etwa 46 Mm. durch die Vergrößerung herausgedrückt werden, und dies wäre nicht durch die vorübergehende Ausdehnung in Folge der Temperaturerhöhung geschehen, sondern durch die dauernde Volumveränderung des Quarzes. Der vorübergehenden Ausdehnung der Steinsäule des Ofeneinsatzes durch die Temperatur entspricht auch die Vergrößerung der Ofenwände durch die Temperatur, so daß hierbei wohl ein Heben des ganzen Ofengewölbes stattfindet, nicht aber ein Herausdrücken des Gewölbes an der Berührungsstelle des obersten Steines. Indem wir die Zahlen von Tab. IIIa. und Tab. IVa betrachten, zeigt es sich weiter, daß die Schwindungsgrößen mit der Magerung beständig abnehmen, daß also der fettere Thon stärker schwindet als der gemagerte, und zwar für ein und dieselbe Temperatur betrachtet ganz entsprechend seinem Magerungsgrade. Wenn also der Ziegler allgemein behauptet, der Sand vermindere die Schwindung des Thones, so hat er diese Beobachtung von dem schließlichen Endproduct abgeleitet, ohne dabei zu untersuchen, in welchem Stadium der an einem Steine sich beim Trocknen und Brennen vollziehenden, ganz verschiedenartigen Vorgänge der Sand diese Wirksamkeit übt. Daß die Schwindung beim Trocknen aber bis zu einer gewissen Grenze durch Sandzusatz nicht vermindert wird, haben wir bereits in einer früheren Arbeit (Notizblatt 1873, vergl. 1875 215 136) nachgewiesen. Von Interesse ist endlich der Aufschluß, welchen die in den Tabellen befindlichen Porositätszahlen über die Raumveränderungen gewähren, die sich während des Brandes in einem Steine vollziehen. Zur besseren Veranschaulichung stellen wir auch diese Zahlen in zwei besonderen Tabellen zusammen. Tabelle IIIb. Sand auf 100 Thon. 0 20 50 80 110 140 350   I. Dunkelrothglut 15,03 14,60 13,91 14,18 14,53 13,74 23,14  II. Helle Rothglut 12,19 11,85 12,92 14,13 16,11 16,93 25,14 III. Hellste Rothglut 10,93 10,97 12,77 14,72 16,55 18,01 25,54 Tabelle IVb. Sand auf 100 Thon. 10 40 70 100 130 160   I. Dunkelrothglut 14,35 14,49 15,12 14,95 14,41 14,00  II. Rothglut 13,43 13,17 15,04 15,05 15,24 13,99 III. Hellste Rothglut 3,59 7,83 11,61 13,41 15,79 16,44 Man hat für gewöhnlich die Vorstellung, daß in dem Maße, als ein Stein stärker gebrannt wird, sein Gefüge dichter und die Porenmenge des Steines geringer wird. Diese Vorstellung trifft nicht in allen Fällen zu, und selbst da nicht immer, wo der Stein offenbar eine Schwindung äußerlich kundgibt, man also zu erwarten berechtigt ist, daß dieses Schwinden auf Kosten der Poren erfolgt sei. Es liegt dieser Vorstellung wohl stillschweigend die Annahme zu Grunde, daß bei einer Temperatur, die hinreicht, eine bedeutende Schwindung des Thones hervorzubringen, namentlich aber, wenn letzterer einen solchen Grad von zäher Beweglichkeit erlangt, daß man sagt, er fange an zu klinkern, das in dem Steine enthaltene, häufig recht bunte Gemisch von verschiedenen Körpern anfange, sich chemisch zu homogenisiren und alle einzelnen Individuen, um diesen Ausdruck zu gebrauchen, ihre Sonderexistens aufgeben. Dies ist indeß nicht allgemein zutreffend. Doch lassen wir die Zahlen sprechen. Vergleichen wir die Porositätszahlen in Tab. IIIb, so sehen wir, daß die ersten drei Proben 0, 20, 50 nach jeder höheren Brennstufe dichter geworden sind, daß die Probe 80 gleichsam die Grenze bildet insofern, als hier auf allen drei Brennstufen kein wesentlicher Unterschied in der Porosität sich zeigt, daß endlich die drei letzten Magerungsstufen 110, 140 und 350 mit jedem höheren Brande poröser geworden sind. Aehnliche Erscheinungen zeigen sich bei Tab. IVb, und muß nochmals darauf hingewiesen werden, daß in diesem Falle die Hitze erheblich höher war, so daß Probe 10 bereits als Klinker bezeichnet werden mußte, wie ja auch aus der erheblichen Schwindung und dem geringen Porengehalt hervorgeht. Es ergibt sich also für Steine, welche nicht bis zum völligen Fluß gebrannt werden: Durch Quarz gemagerte Thone werden von einem gewissen Punkte der Magerung ab beim Brennen nicht dichter, sondern poröser, und zwar um so poröser, je stärker sie gebrannt werden. (Fortsetzung folgt.)