Quarz besteht chemisch aus Siliziumdioxid (SiO2) und ist der Hauptbestandteil der meisten Sande und Kiese. Daneben kommen häufig Feldspäte, Schichtsilikate (Tonmineralien, Glimmer, Schiefer etc.), Schwerminerale, Eisen- und Manganminerale sowie Gesteinsbruchstücke vor. Auch die Feldspäte und Schichtsilikate enthalten die Elemente Silizium (chemisches Zeichen: Si) und Sauerstoff (chemisches Zeichen: O).
Siliziumdioxid-Gehalt und Quarz-Gehalt
Wenn für einen Quarzrohstoff der SiO2-Gehalt angegeben wird, so ist damit die Summe aus Quarz ("freies" SiO2) und rechnerischem SiO2-Gehalt der Nebenbestandteile des Rohstoffs ("gebundenes" SiO2) gemeint.
Davon zu unterscheiden ist der Quarz-Gehalt, der maximal gleich dem SiO2-Gehalt sein kann, in der Regel aber kleiner ist. Es ist nicht möglich, aus dem Quarzgehalt eines Quarzrohstoffes den SiO2-Gehalt abzuleiten, oder umgekehrt. Standardmethoden zur Bestimmung des SiO2-Gehaltes sind die Röntgenfluoreszenzanalyse gemäß DIN 51001 (RFA) oder die nasschemische Analyse durch Aufschluß mit Flußsäure (HF) gemäß DIN EN 12902. Der Quarzgehalt kann durch Röntgenstrukturanalyse (Röntgenbeugung) oder petrographisch durch Auszählen der nicht mit anderen Mineralien verwachsenen Quarzkörner (Klaubemethode) bestimmt werden.
Quarz ist SiO2 in der bei Temperaturen unter 573°C thermodynamisch stabilsten kristallinen Modifikation. "Thermodynamisch stabil" bedeutet, daß sich theoretisch alle anderen Modifikationen des SiO2 , z.B. amorphes SiO2 (in Form von "fester Kieselsäure", Quarzglas oder Mikrosilica) oder Cristobalit, "freiwillig", d.h. auch ohne Zufuhr von Energie, in Quarz umwandeln könnten, nicht aber umgekehrt. Daher ist Quarz die mit Abstand häufigste Form, in der freies SiO2 in der Natur vorkommt. Die anderen genannten Modifikationen des SiO2 nennt man "metastabil", weil sie sich zwar in der Praxis ebenfalls als "stabil" erweisen, aber vom thermodynamischen Standpunkt nicht stabil sind, so daß eine freiwillige Umwandlung in Quarz durch physikalisch-chemische Einwirkungen angestoßen werden kann.
Tiefquarz und Hochquarz
Auch vom Quarz selbst gibt es zwei unterschiedliche kristalline Modifikationen, nämlich den Alpha-Quarz ("Tiefquarz") und den Beta-Quarz ("Hochquarz"). Die Modifikation Tiefquarz liegt bei Temperaturen unter 573°C vor und ist deshalb bei allen von EUROQUARZ aufbereiteten Quarzrohstoffen, z. B. AQUAGRAN®, SILIGRAN®, SILICA, gegeben. Tiefquarz hat eine Dichte von 2,65 g/cm³ und eine Kristallstruktur aus gerüstartig verknüpften SiO4Tetraedern. Tiefquarz wandelt sich oberhalb dieser Temperatur in die Hochquarz-Modifikation um und wird bei Abkühlung wieder zu Tiefquarz. Den Übergang nennt man "Quarzsprung", weil die Umwandlung von Tiefquarz zu Hochquarz auch mit einer sprunghaften Vergrößerung des spezifischen Volumens um 0,8% verbunden ist, die durch eine geänderte Verknüpfung der SiO4Tetraeder entsteht und bei Abkühlung, d.h. bei der Umwandlung zu Tiefquarz, nicht erhalten bleibt. Der Quarzsprung muß z.B. beim Brennen von quarzhaltigen Tonwaren beachtet werden: Ein zu schnelles Aufheizen oder Abkühlen kann zu Sprüngen und Rissen von Tonwaren führen.
Hochquarz hat einen Schmelzpunkt von 1550°C (schnelles Aufheizen, erhöhter Druck). Läßt man den Aufheizvorgang nur sehr langsam erfolgen (Tempern), so findet bei 870°C eine Umwandlung in Tridymit und bei 1470°C eine Umwandlung in Cristobalit statt.
Einen großen Einfluss auf die entstehenden Modifikationen hat neben der Temperatur auch der Umgebungsdruck. Cristobalit hat seinen Schmelzpunkt bei 1723°C. Der Schmelzpunkt und insbesondere der Punkt des beginnenden Sinterns (= beginnendes Schmelzen, so dass die Quarzkörner zusammenbacken) sind stark von der Reinheit (SiO2-Gehalt) des Quarzes abhängig. Verunreinigungen führen zu einer Absenkung von Sinterbereich und Schmelzpunkt. Daher ist ein hoher SiO2-Gehalt des Quarzrohstoffes z.B. für die Anwendung in Gießerei- oder Feuerfest-Produkten wichtig.
Eigenschaften des Quarzes
Quarzsande und Quarzkiese für feuerfeste Baustoffe müssen einen Erweichungspunkt von mindestens 1500°C aufweisen. Nach ISO 1109 wird für feuerfeste Silikaprodukte ein SiO2-Gehalt von mindestens 93% gefordert. Kies- und Sandabbau unterliegt dem Bergrecht, wenn der zu gewinnende Kies oder Sand zur Herstellung feuerfester Erzeugnisse geeignet ist. Dies ist gemäß § 3 Abs. 4 BBergG der Fall, wenn der Quarzgehalt mindestens 80% (Quarzgehalt, nicht SiO2-Gehalt) und der Schmelzpunkt mindestens 1580°C betragen. Für Gießereisande werden SiO2-Gehalte von mindestens 97%, häufiger sogar über 99%, gefordert.
Quarz ist ein chemisch inertes und unlösliches Material: Quarz wird bei Raumtemperatur nur von Flußsäure (HF) oder in einem sehr langsamen Prozeß von konzentrierter Natron- oder Kali-Lauge angegriffen.
Quarz gehört mit einer Mohs'schen Härte von 7 zu den härtesten Naturmaterialien. Die Mohs'sche Härteskala ist so aufgebaut, daß ein Mineral der Skala das vorhergehende, weichere ritzt und von dem folgenden Mineral seinerseits geritzt wird. Die Mohs´sche Härteskala sagt nichts über Sprödigkeit oder Zerbrechlichkeit eines Materials aus. Quarzkörnung kann trotz hoher Härte bei pneumatischer Förderung unter hoher Druckdifferenz und ungünstiger Streckenführung zu nennenswerten Anteilen zerbrochen werden.
Die chemische Inertheit und hohe Härte des Quarzes machen ihn zu einem idealen Filtermedium für die Trinkwassergewinnung und -aufbereitung. Daher ist auch für diese Anwendungen der Quarzgehalt, ausgedrückt durch den SiO2-Gehalt des verwendeten Quarzrohstoffes, wichtig. Gemäß DIN 4924 (Filtersande und Filterkiese für Brunnenfilter) und gemäß EN 12904, Typ 1 (Produkte zur Aufbereitung von Wasser für den menschlichen Gebrauch, Sand und Kies) wird ein SiO2-Gehalt von mindestens 96% gefordert.
Wir unterscheiden folgende Quarzrohstoffe:
- Sand:
Lose Gesteinskörnung mit Korndurchmessern von 0,063 bis 2 mm (Definition gemäß DIN 18196). Sand wird nach DIN 4022 (Feineinteilung) unterschieden in:
| Feinsand: | Körnungen bis 0,2 mm |
|---|---|
| Mittelsand: | Körnungen bis 0,63 mm |
| Grobsand: | Körnungen bis 2 mm |
Bestandteile mit Korndurchmessern von 0,002 bis 0,063 mm werden als Schluff bezeichnet, noch kleinere Korndurchmesser als Feinstkorn bzw. Ton. Die EN 12620 kennt den Begriff "Sand" nicht mehr, sondern unterscheidet feine Gesteinskörnungen bis zu einer Korngröße von 4 mm und grobe Gesteinskörnungen > 2 mm.
- Kies:
Lose Gesteinskörnung mit Korndurchmessern größer 2 mm bis 63 mm (Definition gemäß DIN 18196 und EN 12620). Nach DIN 4022 wird unterschieden in:
| Feinkies: | Körnungen bis 6,3 mm |
|---|---|
| Mittelkies: | Körnungen bis 20 mm |
| Grobkies: | Körnungen bis 63 mm |
Gröbere Körnungen bis 2000 mm bezeichnet man als "Steine", noch größere Körnungen als "Blöcke".
- Quarzsand:
Sand mit einem Quarzgehalt von mindestens 80% (laut gemeinsamem Runderlaß vom 23.09.1985 des Umwelt- und des Wirtschaftsministeriums NRW) oder mit einem SiO2-Gehalt über 95 Gew.-% (letztere Definition entnommen aus Winfried Koensler, "Sand und Kies", Enke Verlag Stuttgart 1989).
"Reiner Quarzsand" oder "Industriesand" ist Quarzsand mit einem SiO2-Gehalt von über 98% und einer Korngröße bis zu 0,7 mm.
"Glassand" ist reiner Quarzsand mit SiO2-Gehalten von über 99% und Schwermineralgehalten (insbesondere Eisenverbindungen) von unter 0,05%; der Kornbereich liegt im Bereich von 0,125 mm bis 0,355 mm.
- Quarzkies:
Kies mit einem Quarzgehalt von mindestens 80% (Gemeinsamer Runderlaß von Wirtschafts- und Umweltministerium NRW vom 23.09.1985) oder mit einem SiO2-Gehalt über 95 Gew.-% (letztere Definition entnommen aus Winfried Koensler, "Sand und Kies", Enke Verlag Stuttgart 1989). Im industriellen Bereich wird meistens von Körnung bzw. Quarzkörnung gesprochen.
Quarzkiesvorkommen sind seltener als Quarzsandvorkommen. Während in Mitteleuropa große Vorkommen an reinen Quarzsanden mit SiO2-Gehalten über 99 % existieren, gibt es in Mitteleuropa nur wenige Quarzkiesvorkommen, aus denen sich Körnungen mit SiO2-Gehalten über 99 % SiO2 gewinnen lassen. Filterkies zur Aufbereitung von Wasser für den menschlichen Gebrauch muss gemäß EN 12904 Typ 1 einen SiO2-Gehalt über 96 Gew-% aufweisen. Bei einem SiO2-Gehalt über 99 % ist der Quarzkies weiß und meist frei von Eisensulfiden (FeS2), z. B. Pyrit und Markasit; man spricht dann von hochreinem Quarzkies, der auch für die Herstellung von Rohsiliziumbestens geeignet ist. Solche hochwertigen Quarzkiese sind sehr selten.
(aktualisiert April 2009)
Dipl.-Ing.
Holger VespermannVertriebsleiter, Prokurist
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