Temperaturausdehnung von Naturstein, Keramik und Quarzagglo
Was ist eigentlich „Temperatur“?
In der Thermodynamik ist der Begriff „Temperatur“ eine physikalische Größe. Sie beschreibt den „Schwingungszustand" eines Systems. Das können Atome, Moleküle, Kristallgitter oder auch größere Teile sein. Treffen Feststoffe oder Gase aufeinander, deren Temperatur unterschiedlich ist, wird immer die Wärme zu dem kälteren Bereich „fließen“, solange bis ein thermisches Gleichgewicht vorhanden ist.
Was ist mit Schwingung gemeint?
Am einfachsten kann man das an Metallgittern erklären. Sie bilden regelmäßige Gitter. Führt man Energie (Wärme) zu, fangen die Atome an zu schwingen und dadurch dehnt sich das Metall aus. Bei Erreichen der Schmelztemperatur werden die Verbindungskräfte überwunden und das Metall schmilzt.
Wie ist das bei Kristallen in Naturstein?
Je nach Kristallform und Zusammensetzung ändert sich auch die hauptsächliche Ausdehnungsrichtung. Bevor z. B. ein Kristall wie „reiner“ Quarz bei ca. 1700°C schmilzt, kann er schon vorher durch die schlagartige Ausdehnung bei 573°C (Quarzsprung) platzen.
Welche Temperaturen sind in der Küche anzunehmen?
- Wärmelampen (Infrarot) meist alternierend 80°C
- Kochtopf mit Suppe 100°C
- Pfannenboden bis zu 250°C
Welche Rolle spielt die Wärmemenge?
Eine große Rolle spielt die Energiemenge. Ein gebratener Hering, der aus der Pfanne auf eine Arbeitsplatte kommt, ist schnell kalt und der Naturstein hat außer einem evtl. Fettfleck kein Problem. Anders ist es bei einem Gänsebräter, in dem eine fette Gans gebraten wurde. 5 cm Fett mit 250° (Bräunung) eine Gans, Maronen usw. sind eine große Energiemenge, die auf einen kleinen Bereich auf den Naturstein trifft. Liegt eine Vorspannung vor, z. B. durch einen nicht formstabilen Untergrund (schwimmender Estrich, verzogene Möbel usw) dann kann die Fläche sogar kleiner sein. Dies kann bei vielen Materialien zu Rissen führen. Allen gemeinsam ist die ungleichmäßige Ausdehnung, anders als bei Metallen.
Spielt es eine Rolle, aus welcher Richtung die Wärme kommt?
Jein. Nehmen wir eine Arbeitsplatte, die einseitig warm wird:
- Platte ohne Wärmeausdehnung
- Wärme von unten, zuerst unten länger als oben bis zum Ausgleich
- Wärme von „schräg“ oben (Sonne, Wärmelampe) Ausdehnung oben stärker. Fugen werden stark belastet.
Wie ist die Wärmeausdehung bei Natursteinen?
Die Temperaturausdehung ist bei verschiedenen Gesteinsarten unterschiedlich.
1. Granit
Quarz dehnt sich in Längsrichtung aus, Feldspat hat eine geringe Ausdehnung, Glimmer dehnt sich im Lager stärker aus als gegen das Lager. Je höher der Porenraum ist, desto geringer ist die Gefahr von Spannungen und Mikrorissen. So ist z.B. Padang Hell beständiger gegen Wärmelampen als Bohus Rot.
2. Gneis
Minerialienansammlungen (Quarzadern wie z.B. bei Paradiso) sind meist durch die Erkaltung mit kleinen Stichen versehen. Diese dienen manchmal wie bei Granit als Puffer - wie ein Ausdehnungsgefäß bei einer Heizung. Elastische Gneise, wie Serizzo sind für Wärmelampen unkritisch, wenn auch momentan kein Trendmaterial.
3. Blockquarzite
Wie bei den Gneisen ist keine einheitliche Aussage möglich. Durch die Entstehungsgeschichte sind sie unserer Erfahrung nach nicht zu flammen ohne sie zu zerkrümeln. Transluzente Sorten, wie Patagonia oder Emerald enthalten Riesenkristalle und reagieren stärker als weiße Sorten, wie Mont Blanc. Wir würden generell keine Freigabe für Wärmelampen bei Blockquarziten geben.
4. Schwarze Gesteine (inkl. Labrador)
Hier kommt ein zusätzlicher Effekt zum Tragen. Die mafischen (schwarzen) Mineralien sind schlechtere Wärmeleiter als Quarz oder Feldspat. Dadurch staut sich die Wärmeenergie an der Oberfläche, die sich nur langsamer als bei Granit verteilt. Es entsteht ein extrem steiler thermischer Unterschied. Die Oberfläche ist „heiß“ und will sich stark ausdehnen, während nur wenige Millimeter darunter das Gestein noch kühl und unbewegt ist. Die heiße Oberfläche wird vom kühlen Untergrund am Ausdehnen gehindert. Dies erzeugt eine enorme Zugspannung in der Oberflächenschicht. Die Kristallgrenzen reißen ab durch die Zugspannung. Es entstehen zuerst Mikrorisse. Verbinden sie sich, reißt die Platte schlagartig ohne Vorwarnung. Deshalb sollte auch geflammtes Material 30 mm dick sein. Stiche sind trotzdem zu erwarten.
Wie ist die Wärmeausdehung bei Keramik?
Bei den Marken Neolith und Emperor sind die Spitzen der winzigen Kristalle miteinander verschmolzen. Dabei bleiben auch kleine Hohlräume von der Pressung zurück. Andere Zuschlagsstoffe sind „glasig“ und füllen diese Zwischenbereiche. Bei Wärmezufuhr schwingen die Atome der versinterten Bereiche stärker und drücken sich leicht auseinander. Die glasigen Teile werden weicher und dehnen sich wie ein „elastisches Netz“. Dadurch werden die Ausdehnungen aufgefangen und die Ausdehnung ist sehr klein. Jedoch kann bei plötzlichen starken Temperaturänderungen oder hohen punktuellen Wärmemengen auch Keramik platzen. Die glasigen Bestandteile können nicht schnell genug „Platz“ machen. Ein heißer Topf und eine Vorspannung sind riskant. Umgekehrt kann auch eine tiefe Temperatur, z. B. beim Transport im Winter zu einer Versprödung führen.
Wann sind Wärmelampen problematisch für Naturstein, Keramik und Quarzkomposit?
Bei Wärmelampen, die „zu nah“ an der Arbeitsplatte sind, kommt es wie auch bei schwarzen Steinen zu Spannungen parallel zur Oberfläche. Dabei können zuerst Mikrorisse entstehen, die sich irgendwann zu einem großen Riss vereinigen können, wenn zusätzlich eine Verformung hinzukommt.
Wie ist die Temperaturausdehung bei Compac und Dream Quarz?
Bei Quarzagglo hat man eine Kombination von molekularer Dehnung der Quarzkörner und dem Bindemittel Polyester. Die Polyesterketten vergrößern den Abstand untereinander und „strecken“ sich. Deshalb hat Quarzagglo eine höhe Temperaturausdehnung. Übersteigt die Wärmemenge die Elastizitätzsgrenze, so kann sich das Bindemittel von den Quarzkörnern abscheren und Mikrorisse entstehen. Die garantierte Temperaturbeständigkeit ist 120°C, aber nicht bei punktueller Belastung „ein und aus“. Läuft eine Wärmelampe 24 Std. durch, entstehen i. d. R. keine Probleme. Einen weiteren Haken gibt es noch bei Infrarotlampen Das ist der Bereich der Resonanzfrequenz des Bindemittels. Sprich, die Platte wird sehr heiß - zusätzlich zur schlechten Wärmeleitung. Wir raten von der Benutzung von Wärmelampen bei Quarzagglo ab.