Gips. Herstellung und Verwendung

Gips gehört zu den ältesten mineralischen Werkstoffen, die der Mensch für sich entdeckt hat. Für den Chemiker scheint die Unterscheidung zum Kalk ↗ denkbar einfach: Kalk ist Calciumcarbonat, Gips ist Calciumsulfat. Fertig.

Doch schauen wir mit den Augen eines antiken oder mittelalterlichen Handwerkers auf die beiden Materialien, wirken sie erstaunlich ähnlich. Beide lieferten einen weißen Baustoff, der mit Wasser angerührt wurde und anschließend wieder erhärtete. Gute Gründe, Kalk und Gips gedanklich in dieselbe Schublade zu legen. Schon Plinius behandelt gypsum streckenweise recht unscharf gegenüber Kalkprodukten. Selbst die Fachliteratur des 18. und 19. Jahrhunderts bezeichnet Gips häufig schlicht als schwefelsauren Kalk, während unser heutiger Kalkstein als kohlensaurer Kalk geführt wird. Erst die moderne Chemie machte aus den scheinbar nahen Verwandten zwei klar voneinander getrennte Stoffe.

Wie Kalkstein begegnet uns auch Gips in verschiedenen natürlichen Erscheinungsformen. Hinter Namen wie Alabaster, Selenit oder Anhydrit verbergen sich keine unterschiedlichen Stoffe, sondern verschiedene Ausprägungen desselben Minerals, die sich in Aussehen und Eigenschaften teils deutlich unterscheiden.

Gips kommt in weiten Teilen Europas vor und wurde deshalb vielerorts direkt vor Ort gewonnen. Das meist weiße bis graue Gestein entstand durch Ablagerungen in urzeitlichen Meeresbecken und bildet häufig mächtige Lagerstätten. Historische Werke nennen Fundorte von Frankreich über Süddeutschland bis nach Mitteldeutschland in großer Zahl. Besonders berühmt waren die Gipsvorkommen des Pariser Beckens, deren Alabaster und Baugips weit über die Region hinaus bekannt wurden.

Gipslager liegen oft erstaunlich dicht unter der Erdoberfläche. In Sperenberg südlich von Berlin wurde das mächtige Gipsflöz bereits nach dem Abtragen von nur zwei bis drei Fuß Erdreich erreicht. Von dort aus versorgte man die Hauptstadt über viele Jahrzehnte mit Tausenden Tonnen Gips.

Der frisch gebrochene Rohgips hatte nur recht exotische Verwendungsmöglichkeiten: Aus der Varietät Alabaster wurden kunstvolle Statuen geschnitzt, der durchsichtige Gipsspat Selenit diente als Fenster (Marienglas) und als Polierstein für Edelsteine ↗ und Perlen ↗ . Im alten China, wo Kuhmilchprodukte historisch kaum eine Rolle spielten, war mit Gips hergestellter Tofu über Jahrhunderte hinweg der wichtigste Calciumlieferant überhaupt. Fein gemahlener Rohgips war im 18. und 19. Jahrhundert der Wunderdünger der Zeit. Als Schwefel- und Calciumlieferant sollte er regelrechte Ertragsrevolutionen auf den Feldern auslösen. Ob Gips wirklich dazu in der Lage ist, ist heute umstritten.

Doch als Baustoff war der natürliche Gips noch unbrauchbar. Erst durch das Brennen entstand daraus der Werkstoff, den Maurer und Stuckateure verarbeiten konnten.

Fertig gebrannter Gips ist keine Erfindung der Neuzeit. Bereits im Mittelalter und in der frühen Neuzeit wurde er als Handelsware zur Herstellung von Mörtel und Estrich ↗ verkauft.

Seine Qualität schwankte jedoch erheblich. Nicht nur die Reinheit des Rohgesteins spielte eine Rolle. Vor allem entschied die Art des Brennens über die Eigenschaften des fertigen Gipses.

An den Fundorten des Gipsgesteins entstanden schon früh größere Brennanlagen. Meist arbeiteten sie nach dem Prinzip des Schachtofens: Rohgips und Kohle wurden abwechselnd eingeschichtet und gemeinsam abgebrannt. Das Verfahren war leistungsfähig, hatte jedoch einen Nachteil: Da im Ofen unterschiedliche Temperaturen herrschten, enthielt der fertige Gips stets unterschiedlich stark gebrannte Anteile. Seine Qualität schwankte entsprechend.

Mit der Industrialisierung kamen neue Verfahren hinzu. In der Zeit der Dampfmaschinen nutzte man den heißen Abdampf der Maschinen, um Rohgips in geschlossenen Röhren zu erhitzen. Auf diese Weise ließ sich Gips in großen Mengen herstellen, zugleich aber wesentlich gleichmäßiger und sauberer als im Schachtofen. Nach dem Brennen musste der Gips zerkleinert und gemahlen werden. Das geschah entweder von Hand mit Schlägeln oder Dreschflegeln oder in geschlossenen Mahlwerken. Das Zerschlagen erzeugte erhebliche Staubmengen, weshalb man den Gips häufig leicht mit Wasser besprengte. Dabei begann allerdings bereits ein kleiner Teil des Materials abzubinden.

Die zahlreichen Brennverfahren führten zu erheblichen Qualitätsunterschieden. Wer fertigen Gips kaufte, wusste oft nicht, welche Eigenschaften ihn erwarteten. Für Bildhauer, Stuckateure und andere Künstler, die auf einen zuverlässig abbindenden Gips angewiesen waren, war es deshalb häufig die bessere Wahl, den Gips selbst zu brennen.

Eine klassische Methode bestand darin, den zuvor gemahlenen und gesiebten Rohgips in einem Kupferkessel über mäßigem Feuer zu erhitzen. Nach einiger Zeit beginnt sich die Oberfläche zu bewegen. Die Pulvermasse wird vom aufsteigenden Wasserdampf getragen, nivelliert sich und wirkt beinahe wie eine Flüssigkeit. Zahllose kleine Krater, aus denen der Dampf entweicht, erzeugen das Bild einer sanft kochenden Masse. Als zuverlässiges Zeichen für das Ende des Brennvorgangs galt eine einfache Probe: Hielt man eine Glas- oder Metallplatte über den Kessel und sie beschlug nicht mehr, war der Gips fertig gebrannt.

Eine einfachere Methode kam ohne Kupferkessel aus. Dazu wurde der Rohgips in nussgroße Stücke zerschlagen und in den noch heißen Backofen ↗ eingebracht. Nachdem Ofensohle und Feuerraum von Glut und Asche gereinigt worden waren, füllte man den Gips ein und verschloss das Mundloch. In regelmäßigen Abständen zog man einzelne Probestücke heraus und brach sie auf. Zeigte die Bruchfläche keine glänzenden Kristalle mehr, sondern war matt und stumpf, galt der Gips als gar. Anschließend wurde er gemahlen und gesiebt.

Mit Wasser angerührt, wird Gips zu einem weichen Teig. Doch dieser Zustand hält nur kurz an. Schon nach wenigen Minuten beginnt er abzubinden. Man spürt, wie sich die Masse in der Hand erwärmt, und wenig später erstarrt sie zu einem festen Körper. Nach etwa einer halben Stunde ist er ausgehärtet und hält exakt die Form, in die man ihn gegossen oder gestrichen hat. Während viele Baustoffe beim Trocknen schwinden, dehnt sich Gips beim Abbinden geringfügig aus.

Diese schnelle Erhärtung machte Gips zu einem wertvollen Werkstoff. Doch sie verlangte Erfahrung beim Ansetzen. Der Gelegenheitshandwerker behandelt Gips gern wie Mehl beim Backen: Pulver in die Schüssel, Wasser darüber. Genau das ist der schwerste Fehler beim Gipsmischen. Er führt unweigerlich zu Klumpen, unvollständig benetztem Pulver und einer Masse, die an manchen Stellen fest wird und an anderen bröckelig bleibt.

Wer wissen will, warum Gips nach dem Anrühren wieder zu Stein wird, muss den Blick auf das Kristallwasser richten. Es ist der eigentliche Schlüssel zum Materialverständnis. Natürliches Gipsgestein ist Calciumsulfat-Dihydrat. Das bedeutet, dass in jedem Molekül Calciumsulfat zwei Wassermoleküle fest in die Kristallgitterstruktur eingebaut sind. Dasselbe gilt für alle bereits abgebundenen Endprodukte, egal ob Gipsplatte, Totenmaske oder das Gipsbein.

Beim Brennen beginnt der Gips sein gebundenes Wasser auszuschwitzen. Es entsteht gebrannter Gips oder Calciumsulfat-Halbhydrat: Wieder hat das Kristallgitter eine stabile Struktur, aber es kommt nur noch rechnerisch ein halbes Wassermolekül auf ein Molekül Calciumsulfat. In diesem Zustand nimmt der Gips genau die fehlende Wassermenge gierig wieder zurück, um den Kreis zu schließen und wieder Gestein zu werden.

Doch die Brenntemperatur kann noch weiter gesteigert werden, und der Gips verliert auch sein letztes Kristallwasser. Dann nennt man ihn Anhydrit. In dieser Form kommt er auch als natürliches Mineral vor. Der Anhydrit ist nicht reaktiv wie der Halbhydratgips und daher chemisch gesehen tot, weshalb man ihn traditionell auch als totgebrannten Gips bezeichnet.

Je nach genauer Temperaturführung beim Brennen entstehen verschiedene Zwischenstufen und Modifikationen, die das Verhalten des Materials beeinflussen. Die Unterschiede liegen in der Kristallstruktur, und wirken unabhängig vom Mahlgrad des Produkts:

Das β-Halbhydrat

entsteht bei etwa 120 bis 180 °C in offenen Kesseln oder Drehrohröfen. Das Kristallwasser entweicht schlagartig und unkontrolliert als Dampf direkt aus dem Kristallgitter. Dabei werden die ursprünglichen Dihydrat-Kristalle regelrecht gesprengt, und es entstehen mikroporöse, splitterige Kriställchen mit großer innerer Oberfläche. Das führt zu einem hohen Wasseranspruchswert beim Anmachen. Je mehr Wasser man beim Anrühren braucht, desto mehr Hohlräume (Poren) bleiben im Gips zurück, sobald dieses Wasser nach dem Aushärten verdunstet. Der ausgehärtete Gips wird weicher und bildet unter dem Mikroskop eine schwammartige Porenstruktur. Dies ist der klassische, jahrhundertealte Baugips, Putz- und Stuckgips.

Das α-Halbhydrat

entsteht unter gesättigtem Wasserdampfdruck im Autoklaven oder durch Kochen in einer konzentrierten Salzlösung bei Normaldruck. In beiden Fällen kann das Wasser langsam und kontrolliert entweichen. Dadurch bleiben die Kristalle gut ausgebildet, mit deutlich geringerer Oberfläche. Das führt zu einem niedrigeren Wasseranspruch, und damit zu einer höheren Festigkeit. Das flüssige Gemisch fließt in Poren und Rillen, die im Mikrometerbereich liegen, ohne dass Luftblasen an rauem Gipskristallstaub hängen bleiben. Da kaum überschüssiges Wasser verdunsten muss, entsteht eine dichte, fast porzellanartige Oberfläche. Feine Details wie Haare oder Gewandfalten in Antikenkopien brechen beim Entformen nicht ab. Als Erzeugnis einer hochtechnisierten Verfahrenstechnik trägt diese Gipsform den romantischen Namen Alabastergips. Man verwendet ihn als Modellgips oder Dentalgips.

Anhydrit III

entsteht bei ca. 200 bis 300°C. Er ist wasserlöslich und zieht hygroskopisch aus der Luftfeuchtigkeit Wasser an, wodurch er sich in Halbhydrat zurückverwandelt. In der Praxis taucht er nicht als eigenständiges Endprodukt auf. Aber diese Zwischenform ist der Grund, warum frischer, stark erhitzter Gips bei falscher Lagerung rasch seine Eigenschaften verändert.

Anhydrit II

bildet sich bei Temperaturen zwischen 300 und 900 °C. Er ist reaktionsträge, bindet also für sich allein genommen nicht ab. Daher bezeichnet man ihn als totgebrannt. Gibt man ihm chemische Beschleuniger bei (sogenannte Anreger wie Kaliumsulfat oder Kalk), bindet er über Tage hinweg langsam ab. Er erreicht danach aber eine große Härte und Abriebfestigkeit. Historisch nutzte man diesen hochgebrannten Gips für Gipsestriche in Scheunen oder Wohnbereichen: ein fugenloser, harter und feuerfester Bodenbelag. (Estrich- und Marmorgips).

Anhydrit I

entsteht bei 1.180 °C. Der endgültige Totbrand: das Kristallgitter ist thermisch zersetzt. Dieser Gips lässt sich selbst mit allen Tricks nicht mehr zum Abbinden bringen. Früher im einfachen Feldofen war diese Stufe ein Unfall, der nicht passieren durfte. Heute erzeugt man ihn bewusst, um ihn gezielt dort einzusetzen, wo sich ein mineralischer Zuschlagstoff auf keinen Fall verändern darf: In der Farben- und Lackindustrie als weißer Füllstoff, als Pigment und Füllstoff für glattes, weißes Papier, als Erstarrungsverzögerer in der Zementindustrie: Dem Zementklinker beim Mahlen beigemischt, sorgt der totgebrannte Gips dafür, dass Zement länger verarbeitbar bleibt.

Es werden auch Mischungen angeboten, die gezielt aus solchen speziellen Zwischenstufen zusammengesetzt werden. So ist z.B. Hartputzgips ist ein Gemenge aus Anhydrit II und Halbhydrat. Der Baumarkt verkauft dem Anwender keine Rohstoffe, sondern Anwendungsgarantien. Der Unterschied zwischen Spezialprodukten wie Elektrikergips, Haftputz oder Ansetzgips liegt fast immer nur in der Abbindezeit (gesteuert durch Beschleuniger/Verzögerer) und der Haftung (gesteuert durch Zellulose und Kunstharze). Wenn dem Kunden klar wäre, dass in allen Säcken dasselbe Basismaterial steckt, könnte der Hersteller die teilweise massiven Preisunterschiede nicht mehr rechtfertigen.

Schon früh suchte man nach Möglichkeiten, das schnelle Abbinden des Gipses zu beeinflussen. Verschiedene Salze im Anmachwasser konnten die Erstarrung beschleunigen oder verändern. Kaliumsulfat (K₂SO₄) und Kaliumsilikat (K₂SiO₃) im Anmachwasser führen zu einem schnelleren Abbinden des Gipses, bei Kalium-Natriumtartrat (KNaC₄H₄O₆) geschieht dies sogar augenblicklich. Dieses Salz ist unter dem Namen Seignettesalz (auch Rochellesalz) bekannt.

Man kann das abgebundene Gipsobjekt allein dadurch härten, dass man es wiederholt wässert und wieder trocknet. Die Kristalle im Inneren verbinden sich so noch inniger.

Die Scagliola ist eine Technik des Barock und Rokoko, bei der ein Zusatz aus tierischem Leim den Gips härtet. So ließ sich kostbarer Marmor täuschend echt nachahmen.

Noch weitaus beträchtlicher wird die Härtung durch Alaun: Man kann entweder den fertigen Gipsabguss mit einer Alaunlösung behandeln, oder die Gipssteine bereits vor dem Anrühren alaunieren.

Bei der ersten Methode wurde eine große Büste einen Monat lang in eine Lösung von eisenfreiem Alaun in 12 oder 13 Teilen Wasser bei 15° gelegt, dann abgespült und getrocknet. Sie ertrug danach sogar harte Hammerschläge, ohne abzusplittern. Allerdings war die Farbe gräulich geworden, und die Statue wurde empfindlich gegen Feuchtigkeit.

Vorzuziehen ist daher die verbesserte Methode, die Richard Wynn Keene 1838 patentieren ließ: Die Gipssteine, frisch gebrannt aus dem Ofen, werden zunächst erkaltet und dann in eine Alaunlösung 1:10 (Teile Alaun : Teile Wasser) gelegt. Nach einigen Minuten holt man die Steine heraus, lässt sie abtropfen und brennt sie abermals im Ofen, wo sie bis zur Rotglut (800–1000 °C) erhitzt werden. Richtig gebrannter Alaungips erstarrt beim Anrühren mit Wasser, nur langsamer als gewöhnlicher Gips. Man rührt ihn aber nicht mit reinem Wasser an, sondern wieder mit einer Alaunlösung 1:12. Solche Güsse bleiben länger feucht, erhärten dann aber zu einer Konsistenz vergleichbar mit Alabaster oder Marmor. Die Oberfläche ist polierbar, und an dünneren Stellen ist ein Durchscheinen zu beobachten, wie bei Alabaster.

Gipsgießer bezeichneten die traditionelle Oberflächenbehandlung ihrer Abgüsse als Enkaustieren. Der Begriff ist von der antiken Maltechnik der Enkaustik abgeleitet, bei der in Wachs ↗ gelöste Farbpigmente heiß auf den Bildträger aufgetragen und mit Hitze eingebrannt werden. Um Gipsabgüssen ein schönes, weißes Aussehen zu verleihen und sie zugleich wasserfest zu machen, geht man wie folgt vor:

Anwendung

Der Gipsabguss wird zunächst sorgfältig von Flecken befreit, gründlich abgeschliffen und komplett entstaubt. Die Flüssigkeit wird nun mit einem Pinsel so lange aufgetragen, wie der Gips sie aufsaugt. Anschließend reibt man die Oberfläche mit einem Tuch oder einer Bürste kräftig ab. Reicht der Glanz noch nicht aus, wird der Vorgang einfach wiederholt.

Wer das korrekte Anmischen einmal verstanden hat, kann dieses Wissen auch gezielt gegen den Gips wenden. Normalerweise härtet Gips aus, indem sich beim Kontakt mit Wasser mikroskopisch kleine Kristallnadeln bilden, die sich ineinander verkeilen und zu einem stabilen Gitter verfilzen. Rührt man den Gips aber nach dem Sumpfen weiter und weiter, über den eigentlichen Abbindezeitraum hinaus, meist länger als 15 bis 20 Minuten, ohne Unterbrechung, geschieht etwas anderes: Man zerschlägt die frisch entstehenden Kristallverbindungen immer wieder, noch bevor sie sich verfilzen können. Die Kristalle vollenden zwar ihre chemische Hydratation, verweigern sich aber der gegenseitigen Verzahnung. Verdunstet das Wasser, bleibt kein harter Stein zurück, sondern ein weiches, kreideartiges Pulver.

Was wie ein Missgeschick klingt, nutzt die Kunst- und Restaurierungspraxis gezielt: Dieser tote Gips ist die Grundlage für Gesso sottile, den klassischen Gemälde- und Vergoldungsgrund. Er verbindet sich mit tierischen Leimen wie Hasenleim zu einer elastischen, gut schleifbaren Grundierung. Und weil sein Kristallgitter nie entstanden ist, bleibt er auch völlig spannungsfrei: kein Schwinden, kein Ausdehnen: ein Füllstoff ohne Eigenleben.