Zement

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Ein zum Durchmischen vorbereiteter Haufen Sand (braun) und Zement (grau)

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In Säcke abgefüllter Zement in Tunesien

Zement (lateinisch caementum „Bruchstein“, „Baustein“) ist ein anorganischer und nichtmetallischer Baustoff. Er ist feingemahlen und zählt daher zu den Schüttgütern. Aufgrund seiner Eigenschaften wird er in Zementwerken als Baustoff hergestellt und zum Anfertigen von Bauteilen und Bauwerken verwendet. Innerhalb der Baustoffe zählt Zement zu den Bindemitteln. Er erhärtet durch die chemische Reaktion mit Wasser (siehe Hydration) und bleibt danach fest. Zur Herstellung von Baustoffen wie Mörtel und Beton werden dem Zement sogenanntes Anmachwasser und andere Stoffe als Zuschlagstoffe beigemengt. Aufgrund der hohen Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton ist Zement weltweit eines der wichtigsten Bindemittel. Mit einer Weltproduktion von 2,8 Milliarden Tonnen ist Zement der meistverbrauchte Werkstoff überhaupt.

Zement wird in Zementwerken produziert, zu seiner Herstellung werden die natürlichen Rohstoffe Kalkstein und Ton (oder Mergel) verwendet. Falls nötig, werden als Korrekturmaterialen auch Quarzsand und eisenoxidhaltige Stoffe für eine bessere Sinterung beigemischt. Die Rohstoffe werden zu Rohmehl gemahlen und anschließend bei etwa 1.450 °C gebrannt, wodurch Klinker entsteht. Das nun kugelförmige Material wird abgekühlt und mit Hüttensand, Flugasche, Kalkstein und Gips zum Endprodukt Zement gemahlen. Je nach verwendeten Bestandteilen, unterschiedlicher Dosierung der Bestandteile und der Mahlfeinheit stellt man verschiede Zementsorten her.

Geschichte

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Die Kuppel des Pantheons in Rom wurde als opus caementitium angefertigt

Ursprünge

Das deutsche Wort Zement geht auf die lateinische Bezeichnung opus caementitium zurück. Beim opus caementitium, das den Römern bereits vor über 2000 Jahren bekannt war, handelte es sich allerdings nicht um Zement in der heutigen Bedeutung, sondern um ein betonartiges Mauerwerk. Es kann als Vorläufer des heutigen Betons angesehen werden und bestand aus Steinen, Sand, gebranntem Kalkstein als Bindemittel sowie Puzzolanen als Zuschlag. Da das opus caementitium widerstandsfähig gegen Wasser war, wurde es zum Bau von Wasserleitungen und Hafenmolen verwendet, aber auch Fundamente und Bauwerke wie beispielsweise das Kolosseum und das Pantheon wurden unter Verwendung dieser betonartigen Mauerwerke gebaut.

Später wurden mit cementum, cimentum, cäment und cement Zuschlagstoffe wie vulkanische Asche und Ziegelmehl bezeichnet (Puzzolan, Traß), die man dem gebrannten Kalk zusetzte, um ein hydraulisches Bindemittel (Hydraulkalk, Wasserkalk) zu erhalten. Die Bedeutung des Tongehalts für die hydraulischen Eigenschaften des Zements (Romanzement) wurde von dem Engländer John Smeaton (1724–1792) entdeckt. Seit damals steht Zement nicht mehr für den Zuschlagstoff, sondern das Bindemittel.

Portlandzement

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Die Alsensche Portland-Zementfabrik in Itzehoe um 1895

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Silhouette des ehemaligen Zementwerks Dyckerhoff in Neubeckum/Westf. mit Vorwärmerturm (Mitte), Silos und Förderbandbrücken

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Ortseinfahrt von Höver mit Holcim-Zementwerk

Kennzeichen: Hauptbestandteile sind Calcium, Silicium und Aluminium; Sinterung der Ausgangsstoffe (d. h. hohe Brenntemperatur) und anschließendes Feinmahlen.

Der Franzose Louis-Joseph Vicat (1786–1861) legte mit der Wiederentdeckung des „römischen Zements" und der Erfindung des künstlichen hydraulischen Kalks die Grundlagen für die Entwicklung von Zement und Kalkmörtel.

Als eigentlicher Erfinder des Portlandzements gilt der Engländer Joseph Aspdin (1778–1855). 1824 erhielt er das Patent An Improvement in the Mode of Producing an Artificial Stone; in der Patentschrift benutzte er den Ausdruck ‚Portland cement‘. Die Bezeichnung lehnte sich an den Portland-Stein an, einen Kalkstein, der auf der Halbinsel Portland an der englischen Kanalküste als Werkstein abgebaut wurde und den aus Portlandzement gefertigten Kunstprodukten farblich ähnlich war.

Dieser ‚Portland cement‘ war noch kein Zement im heutigen Sinne, sondern künstlicher Romanzement: Die Bedeutung des Sinterns hat anscheinend als erster Isaac Charles Johnson (1811–1911) im Jahr 1844 erkannt, und mit seinem verbesserten Verfahren den „echten“, überbrannten Portlandzement in das Baugewerbe eingeführt, wo er aufgrund seiner überlegenen Härte den Romanzement schnell verdrängte.

1838 wurde von dem Ulmer Apotheker Dr. Ernst Gustav Leube und seinen Brüdern in Ulm das erste deutsche Zementwerk gegründet. Der erste deutsche Portlandzement nach englischem Vorbild wurde in Uetersen produziert. Die Grundlage für die Herstellung des Portlandzements in Deutschland hat Hermann Bleibtreu (1824–1881) geschaffen, der auch zwei Zementwerke in Züllchow bei Stettin (1855) und in Oberkassel bei Bonn errichtete. Entscheidenden Einfluss auf die weitere Entwicklung hatte Wilhelm Michaelis (1840–1911). In seinem 1868 erschienenen Buch mit dem Titel Die hydraulischen Mörtel machte er als erster genaue Angaben über die günstigste Zusammensetzung des Rohstoffgemischs.

In der Zahnmedizin wird eine modifizierte Form des Portlandzements unter dem Namen Mineral Trioxid Aggregat (MTA) zum retrograden Verschluss von Wurzelkanälen verwendet.

Trasszement

Trasszement ist eine übliche Bezeichnung für einen Zement, der durch die Beimischung von Trass einen wasserdichteren Mörtel ergibt. Bei Verwendung mit Natursteinen zeigt er weniger Ausblühungen als bei der Verwendung von Portlandzement, da der Kalkhydrat-Anteil weitgehend gebunden wird.

Sonderzemente

Zement ist meist ein graues Pulver. Daneben dient Weißzement beziehungsweise Dyckerhoff-Weiß als Pigment.

Tonerdezement

Ähnlich Portlandzement, aber hoher Aluminiumanteil. Dadurch bildet sich beim Aushärten wenig Calciumhydroxid. In Deutschland nicht für tragende Strukturen zugelassen.

Schnellzement

Schnell aushärtender Zement, meist Mischung aus Portland- und Tonerdezement

Faserzement

→ Hauptartikel: Faserzement

Herstellungsprozess

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Schema eines Zementwerkes.

Zement wird heute in modernen Zementwerken in einem kontinuierlichen Prozess aus überwiegend natürlichen Rohstoffen nach dem im folgenden beschriebenen Trockenverfahren hergestellt. Dabei erreichen die Anlagen eine Leistung von 3.000 bis 10.000 Tonnen Klinker pro Tag. Vorgänger des Trockenverfahrens waren Nass- und Halbnassverfahren, bei denen die Rohstoffe im nassen Zustand vermahlen und gemischt wurden. Wegen des hohen Energieaufwands beim anschließenden Trocknen sind diese Verfahren heute jedoch in der Regel nicht mehr konkurrenzfähig.

In Zementwerken werden die Rohmaterialien Kalkstein (als Quelle für Calciumoxid), Ton (für Siliciumdioxid und Aluminiumoxid), Sand (für Siliciumdioxid) und Eisenerz (Eisen(III)-oxid) gebrannt und anschließend unter Beimengung von Gips, der die Aushärtegeschwindigkeit verzögert, fein vermahlen.

Die Rohstoffe werden in Steinbrüchen abgebaut, in Brechern vorzerkleinert und in das Zementwerk befördert. In einer Rohmühle werden alle Rohmaterialien zusammen vermahlen und gleichzeitig getrocknet. Das dabei entstehende Rohmehl wird dann in einem Drehrohrofen bei Temperaturen von ca. 1.400–1.450 °C zu sogenanntem Klinker gebrannt, welcher dann in einem Kühler auf eine Temperatur von unter 200 °C heruntergekühlt wird. Dabei wird das im Kalk gebundene Kohlendioxid freigesetzt - die nach der Verbrennung von fossilen Rohstoffen zweitgrößte CO₂-Quelle. Die entstehenden graubraunen Granalien werden anschließend in einer Kugelmühle zusammen mit Gips oder Anhydrit zum fertigen Produkt, dem Zement, vermahlen.

Durch die Zumahlung von unterschiedlichen Zusatzstoffen wie Hüttensand, Puzzolan, Flugasche und Kalkstein können Zemente mit verschiedenen chemischen und physikalischen Eigenschaften hergestellt werden.

Siehe auch: Technischer_Kalkkreislauf#Brennen_des_Kalks.

Eigenschaften

Hydraulische Eigenschaften beim Abbinden

Zement ist, im Gegensatz zu (Luft-)Kalkmörtel, ein hydraulisches Bindemittel. Als hydraulisch werden Stoffe angesehen, die sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärten und auch beständig sind. Diese Eigenschaften erfüllt Zement. Er erhärtet nicht wie Luftkalk unter Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Luft, sondern reagiert mit Wasser unter Bildung unlöslicher, stabiler Verbindungen. Diese Verbindungen, die Calciumsilikathydrate, bilden feine nadelförmige Kristalle aus, welche sich untereinander verzahnen und so zur hohen Festigkeit eines Zementmörtels oder Betons führen. Diese Eigenschaften machen Zement zu einem Bindemittel, das den hohen Anforderungen im Baubereich entspricht.

Nebenreaktionen der Hydration sind beispielsweise

• Alkali-Kieselsäure-Reaktion. Durch Volumenzunahme kann sie zu einem Aufbrechen von Beton führen.
• Puzzolanische Reaktion. Sie bewirkt eine Zunahme der Festigkeit innerhalb mehrerer Monate.
• Bildung von Wollastonit (Calciumsilicat).

Zusammensetzung und Kenngrößen

Portlandzement, hergestellt durch die Vermahlung von Klinker und Gips bzw. Anhydrit, besteht chemisch gesehen aus ca. 58 bis 66 % Calciumoxid (CaO), 18 bis 26 % Siliciumdioxid (SiO₂), 4 bis 10 % Aluminiumoxid (Al₂O₃) und 2 bis 5 % Eisenoxid (Fe₂O₃). Nach dem Calcinieren des Kalks (CaCO₃) zu Calciumoxid, bei dem CO₂ freigesetzt wird, bilden sich beim Brennprozess im Drehrohrofen aus diesen Hauptbestandteilen Mineralien, die für die besonderen Eigenschaften von Zement von entscheidender Bedeutung sind. Die wichtigsten dieser Verbindungen sind:

• Tricalciumsilikat (Alit), bauchemisch kurz C₃S (3 CaO · SiO₂)
• Dicalciumsilikat (Belit), kurz C₂S (2 CaO · SiO₂)
• Tricalciumaluminat, kurz C₃A (3 CaO · Al₂O₃)
• Tetracalciumaluminatferrit, kurz C₄AF bzw. C₄(A,F) (4 CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃) und C2(A,F).

Beim Aushärten mit Wasser („Hydratation“) wachsen Calciumsilicathydrat-Fasern, kurz CSH bzw. C₃S₂H₃ (3 CaO + 2 SiO₂ + 3 H₂O) und es bildet sich Portlandit, kurz CH (Ca(OH)₂).

Außer der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung ist auch die Feinheit eines Zements ausschlaggebend für seine Eigenschaften. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass ein Zement, der feiner ist, auch eine höhere Festigkeit entwickelt. Die spezifische Oberfläche (auch als Blaine bezeichnet) dient als Maß für die Feinheit und liegt normalerweise zwischen 2.500 und 5.000 cm²/g.

Die Qualität und Zusammensetzung eines Zements wird heute ständig im Labor überwacht. Dazu werden in regelmäßigen Abständen automatisch Proben aus der laufenden Produktion entnommen und mit modernen Analysemethoden hinsichtlich ihrer Eigenschaften untersucht. Dadurch wird gewährleistet, dass auch bei schwankenden Rohstoffeigenschaften ein durchgängig konstantes Produkt hergestellt werden kann.

Arten und Festigkeit

Zementfestigkeitsklassen nach EN 197 und Kennzeichnung nach DIN 1164

Bezeichnung	Druckfestigkeit [N/mm²]			Kennfarbe
	nach 2 Tagen	nach 7 Tagen	nach 28 Tagen	Sackfarbe	Aufschriftfarbe
32,5 L	–	≥ 12,0	≥ 32,5 und ≤ 52,5	hellbraun
32,5 N	–	≥ 16,0	≥ 32,5 und ≤ 52,5		schwarz
32,5 R	≥ 10,0	–	≥ 32,5 und ≤ 52,5		rot
42,5 L	–	≥ 16,0	≥ 42,5 und ≤ 62,5	grün
42,5 N	≥ 10,0	–	≥ 42,5 und ≤ 62,5		schwarz
42,5 R	≥ 20,0	–	≥ 42,5 und ≤ 62,5		rot
52,5 L	≥ 10,0	–	≥ 52,5	rot
52,5 N	≥ 20,0	–	≥ 52,5		schwarz
52,5 R	≥ 30,0	–	≥ 52,5		weiß

Die Festigkeit von Zementen wird in Europa durch die Europäische Norm EN 197 geregelt. Es wird zwischen drei verschiedenen Festigkeitsklassen unterschieden, mit Normfestigkeiten von 32,5, 42,5 und 52,5 N/mm² nach 28 Tagen Erhärtung. In Abhängigkeit der Anfangsfestigkeit eines Zements wird dieser zudem innerhalb einer Festigkeitsklasse als langsam- (L), normal- (N) oder schnellerhärtend (R, von engl. rapid) bezeichnet. Um Verwechslungen insbesondere auf der Baustelle vorzubeugen, sind den Zementen in Deutschland Kennfarben beim Papier der Zementsäcke und dem Aufdruck zugeordnet. Die Zuordnung erfolgt in der DIN 1164. Die europäische Norm verzichtet auf solche Kennzeichnungen.

Die EN 197 klassifiziert neben der Festigkeit Zemente auch nach ihrer Zusammensetzung. Fünf verschiedene Arten werden in der Norm definiert:

• CEM I – Portlandzement
• CEM II – Portlandkompositzement
• CEM III – Hochofenzement
• CEM IV – Puzzolanzement
• CEM V – Kompositzement

Hydratation und Festigkeitsentwicklung

Das Erstarren und Erhärten des Zements beruht auf der Bildung wasserhaltiger Verbindungen, die bei der Reaktion zwischen den Zementbestandteilen und dem Anmachwasser entstehen. Im Allgemeinen reagiert der Zement in einem verhältnismäßig wasserarmen, plastischen Gemisch mit Wasserzementwerten zwischen etwa 0,3 und 0,6. Die Reaktion wird als Hydratation, die Reaktionsprodukte werden als Hydrate oder Hydratphasen bezeichnet. Eine Folge der unmittelbar einsetzenden Reaktionen ist ein Ansteifen des Zementleims, das anfangs noch sehr gering ist, sich aber mit der Zeit verstärkt. Erreicht das Ansteifen des Zementleims ein bestimmtes Maß, so spricht man vom Beginn des Erstarrens. Die zeitlich anschließende weitere Verfestigung des Zementleims gilt als Erstarren, die danach fortschreitende Verfestigung wird Erhärten genannt.

Ursache des Ansteifens, Erstarrens und Erhärtens ist die Bildung eines mehr oder weniger starren Gefüges aus Hydratationsprodukten, das den wassergefüllten Zwischenraum zwischen den Feststoffpartikeln des Zementleims, Mörtels oder Betons ausfüllt. Der zeitliche Verlauf, nicht jedoch die Art der Hydratationsprodukte, hängt daher in sehr starkem Maß von der Größe des Zwischenraums ab, d. h. vom Wasserzementwert. Die festigkeitsbildenden Hydratationsprodukte sind bei den silicatischen Zementen in erster Linie Calciumsilicathydrate und beim Tonerdezement Calciumaluminathydrate. Weitere Hydratationsprodukte sind Calciumhydroxid, Calciumferrithydrate, sulfathaltige Hydrate und verwandte Verbindungen, Hydrogranat und Gehlenithydrat.

Silicatische Zemente bestehen zu über 70 M.-% aus Calciumsilicaten oder silicatischen Bestandteilen. Daher kommt der Hydratation dieser Verbindungen und den Eigenschaften der dabei entstehenden Calciumsilicathydrate besondere Bedeutung zu. Da die Calciumsilicathydrate CaO-ärmer als die Calciumsilicate des Zementklinkers sind, bildet sich bei der Hydratation des Portlandzements außerdem Calciumhydroxid. Alle Zemente enthalten als wesentliche Bestandteile auch Aluminium- und Eisenoxide sowie Sulfate, daher bilden sich auch Calciumaluminathydrate, Calciumferrithydrate und sulfathaltige Verbindungen sowie auch komplexere Hydratationsprodukte. Der pH-Wert der Porenlösung nimmt vergleichsweise hohe Werte an und ist für die meisten Hydratationsreaktionen von besonderer Bedeutung.

Kurz nach dem Kontakt mit Wasser setzt eine kurze, intensive Hydratation ein (Prä-Induktionsperiode), Calciumsulfate gehen teilweise und Alkalisulfate nahezu vollständig in Lösung. Aus der Reaktion von Calcium- und Sulfat-Ionen mit Tricalciumaluminat bilden sich auf den Oberflächen der Klinkerpartikel kurze, hexagonal säulenförmige Ettringitkristalle. Daneben kommt es, ausgehend vom Tricalciumsilicat, zur Bildung von ersten Calciumsilicathydraten (CSH) in kolloidaler Form. Durch die Bildung einer dünnen Lage von Hydratationsprodukten auf den Klinkerpartikeln verebbt diese erste Hydratationsperiode, und die Ruheperiode oder Induktionsperiode beginnt, während der praktisch keine weitere Hydratation stattfindet. Die ersten Hydratationsprodukte sind noch zu klein, um den Raum zwischen den Zementpartikeln zu überbrücken und ein festes Gefüge aufzubauen. Damit bleiben die Zementpartikel noch gegeneinander beweglich - das bedeutet, die Konsistenz des Zementleims ist nur wenig steifer geworden. Das Erstarren des Zementleims beginnt nach etwa ein bis drei Stunden, wenn sich erste, noch sehr feine Calciumsilicathydratkristalle auf den Klinkerpartikeln bilden. Nach Abschluss der Ruheperiode setzt erneut eine intensive Hydratation der Klinkerphasen ein. Diese dritte Periode (Beschleunigungsperiode) beginnt nach etwa vier Stunden und endet nach 12 bis 24 Stunden. Dabei baut sich ein Grundgefüge auf, bestehend aus CSH-Faserbüscheln bzw. CSH-Blattstrukturen, plattigem Calciumhydroxid und in die Länge wachsenden Ettringitkristallen. Durch die größeren Kristalle werden die Räume zwischen den Zementpartikeln überbrückt. Im weiteren Hydratationsverlauf nimmt die Verfestigung stetig zu, jedoch mit reduzierter Hydratationsrate. Das Gefüge verdichtet sich dabei und die Poren werden zunehmend ausgefüllt.

Die chemischen Reaktionen der Klinkerphasen mit dem Anmachwasser lassen sich vereinfacht wie folgt darstellen:

• 2C3S + 6H → CSH + 3CH

oder ausgeschrieben als chemische Formeln:

• C3S: Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \mathrm{\ 2 \ (3 \ CaO \cdot SiO_2) + 6 \ H_2O \longrightarrow (3 \ CaO \cdot 2 \ SiO_2 \cdot 3 \ H_2O) + 3 \ Ca(OH)_2}}
• C2S: Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \mathrm{\ 2 \ (2 \ CaO \cdot SiO_2) + 4 \ H_2O \longrightarrow (3 \ CaO \cdot 2 \ SiO_2 \cdot 3 \ H_2O) + Ca(OH)_2}}
• C3A: Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \mathrm{\ (3 \ CaO \cdot Al_2O_3) + 12 \ H_2O + Ca(OH)_2 \longrightarrow (4 \ CaO \cdot Al_2O_3 \cdot 13 \ H_2O)}}
• C4AF: Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \mathrm{\ (4 \ CaO \cdot Al_2O_3 \cdot Fe_2O_3) + 13 \ H_2O \longrightarrow (4 \ CaO \cdot Al_2O_3 \cdot Fe_2O_3 \cdot 13 \ H_2O)}}

Die Hydratationsprodukte bilden sich nicht gleichzeitig, sondern entsprechend ihrer Reaktionsfähigkeit mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und nach unterschiedlicher Dauer. Der Übergang von Erstarren zum Erhärten erfolgt „fließend“.

Datei:Throwel in a bucket.JPG

Aus Zement, Wasser, Sand und anderen Stoffen (z.B. Kalk) gemischter Mörtel

Spezialzemente

Die hohen Anforderungen der Bauindustrie an den Baustoff Beton – und damit auch an das Bindemittel Zement – machen es notwendig, Zemente mit speziellen chemischen und physikalischen Eigenschaften herzustellen. Dies geschieht durch die Zumahlung verschiedener Stoffe wie Hüttensanden, Puzzolan, Flugasche oder Kalkstein in unterschiedlich großen Mengen. Diese Zemente mit besonderen Eigenschaften beeinflussen die Hydratationsgeschwindigkeit (Zement mit niedriger Hydratationswärme, LH), die Beständigkeit gegen chemische Stoffe (Zement mit hohem Sulfatwiderstand, SR, oder Zement mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt, NA) oder auch die Verarbeitbarkeit und Festigkeit des Zementes.

Außer normalen grauen Zementen gibt es auch Weißzemente. Diese werden aus sehr eisenarmen Rohstoffen hergestellt (Fe₂O₃-Gehalt < 0,1 %) und hauptsächlich für Terrazzo, Sichtbeton und Putz eingesetzt. Weißzement eignet sich nicht nur für hellfarbige Zubereitungen, sondern lässt sich mit Farbpigmenten leichter einfärben als gewöhnlicher grauer Portlandzement. Dies macht man sich insbesondere bei der Herstellung farbiger Terrazzoplatten zunutze.

Thurament ist ein spezieller Zement aus Hochofenschlacke bzw. Hüttensand mit einem Anteil Gips, der in Thüringen hergestellt wird.

Celitement ist ein Spezialzement, der von Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichem Zement weist Celitement aber wesentlich günstigere Stoff- und Energiebilanzen auf. Ähnlich robust und fest wie herkömmlicher Zement wird Celitement bei unter 500 Grad Celsius hergestellt. Dies würde erhebliche ökologische und ökonomische Vorteile bringen. Die Marktreife des Produktes wird für 2014 prognostiziert.

Spritzzement – Spritzbindemittel

Umweltfreundliche Spritzzemente oder Spritzbindemittel sind schnell erstarrende, umweltverträgliche Bindemittel, die keine Zugabe von Erstarrungsbeschleunigern bei der Herstellung von Spritzbeton erfordern und die rasche Festigkeitsentwicklung des Spritzbetons gewährleisten.

Das Prinzip der Spritzzemente bzw. Spritzbindemittel besteht im Wesentlichen darin, dass bei der Herstellung auf die Zumahlung von Rohgips zum Klinker zur Abbindezeitverzögerung verzichtet wird. Die Idee, solche Bindemittel zur Herstellung von Spritzbeton einzusetzen, hatte im Jahre 1983 Robert Keller aus Vils in Tirol. Er führte vergleichende Laborversuche mit Spritzzement einerseits und Zement mit Beschleuniger andererseits durch. In den darauf folgenden Praxisversuchen wurde das Bindemittel optimiert und weiterentwickelt. Auch Forschungsinstitute haben sich mit beschleunigerfreien Spritzzementen bzw. Spritzbindemitteln befasst. Diese Bindemittel wurden bereits auch im Tunnelbau in Österreich und Deutschland eingesetzt.

Normung

Zement wurde schon sehr früh genormt. Aktuell wird die Zementzusammensetzung in der EN 197-1 geregelt.

Die aktuelle Norm unterscheidet im Allgemeinen 28 Zementarten. 27 der Zementarten werden nach prozentualem Gewichtsanteil der sie zusammensetzenden Stoffe unterschieden (Normalzementarten). Die letzte Zementart (Sonderzemente) ist lediglich eine Beschreibungsvorschrift, die die Bezeichnung der Zemente regelt, die in der Norm (wegen ihrer Zusammensetzung) nicht enthalten sind.

Die Anwendungen von einzelnen Zementarten sind ebenfalls genormt. Hier kommt allerdings außer der EN 197-1 in Deutschland die DIN 1164 zum Einsatz. Die DIN 1164 beschreibt, für welche Umwelteinflüsse und Einbausituationen (die Norm benutzt dazu den Begriff „Expositionsklassen“) welche Zemente vorgeschrieben sind (z.B. hüttensandhaltige Zemente für Unterwasserbeton).

Umweltschutzaspekte

Datei:Weltweite-co2-produktion-durch-zementherstellung.png

Jährlicher weltweiter CO₂-Ausstoß aufgrund von Zementherstellung (1925–2000).

Bis in die 1960er Jahre galten Zementwerke als „Dreckschleudern“, die eine große Menge an Staub und Abgasen in die Umwelt leiteten. Obwohl Zementwerke immer noch viermal so viel CO₂ freisetzen wie der weltweite Flugverkehr zusammen, hat sich der Umweltschutz bei der Zementherstellung mittlerweile deutlich verbessert. Durch modernere Filteranlagen ist die Staubemission drastisch gesenkt worden. Ebenso sind durch die Weiterentwicklung der Drehrohröfen und der Feuerungstechnologie der Energieverbrauch und der Ausstoß von schädlichen Abgasen wie Schwefeldioxid (SO₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Stickoxiden (NO_x) gesenkt worden. Letztere werden durch sogenannte SNCR-Verfahren aus den Abgasen entfernt. Besonderes Augenmerk wird auf die Emission von flüchtigen Spurenelementen, wie Quecksilber, Cadmium oder Thallium gelegt, während alle schwer- und nicht flüchtigen Spurenelemente durch den frisch entsäuerten Kalkstein adsorptiv gebunden werden (Prinzip der Trockensorption). Zur Einsparung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl werden zum Teil sogenannte Sekundär- oder Ersatzbrennstoffe eingesetzt. Diese alternativen flüssigen und festen Brennstoffe wie Altöl oder Lösemittel, wie auch aufbereiteter Haus- und Gewerbemüll, Autoreifen, Tiermehl, Altholz oder andere Biomassen werden im Drehrohrofen aufgrund der oxidierenden Bedingungen und extrem hoher Temperaturen (Flammentemperatur > 2.000 °C) ohne die Entstehung zusätzlicher schädlicher Abgase verbrannt. Die Emissionen unterliegen den Standards der EU-Mit-Verbrennungsrichtline 76/2000EC, über deren Einhaltung die genehmigenden Behörden elektronisch wachen. In der Schweiz beträgt der Anteil dieser alternativen Brennstoffe mehr als 50 %. In ganz Westeuropa ist man ebenfalls bestrebt, den Anteil sogenannter Sekundärbrennstoffe im Zementwerk bis in die Größenordnung von ca. 70 % zu bringen. Dabei wird diese Entsorgungsmöglichkeit durch die Mitverbrennung, auch in Schwellenländern, als probates Mittel genutzt, kostengünstig fehlende Entsorgungsinfrastrukturen zu entwickeln und eine nachhaltige landeseigene Entsorgung unter hohen Umweltschutzstandards zu gewährleisten. Seit über 30 Jahren werden ganze PKW- und LKW-Altreifen (ohne voriges Schreddern) im Ofeneinlauf des Drehrohrofens thermisch und – wegen der Eisenkarkasse- stofflich genutzt. Eine befürchtete Emission von Dioxinen oder Furanen konnte bis heute wissenschaftlich nicht belegt werden, da der hohe basische Calciumanteil, die Abgasatmosphäre sowie die dafür ungünstigen Temperaturbedingungen im geschlossenen System die sogenannte De-Novo-Synthese verhindern.

Da ein Großteil der heute produzierten Zemente sogenannte Kompositzemente sind, in denen Klinker durch andere Zumahlstoffe zu gewissen Anteilen ersetzt ist, werden natürliche Rohstoffe geschont. Außerdem handelt es sich bei diesen Zumahlstoffen, beispielsweise beim Hüttensand und der Flugasche, um Rest- und Abfallstoffe aus anderen Industriezweigen. Auch die Wärmeenergiebilanz hat sich durch die intensive Nutzung von Abwärme aus dem Drehrohrofen, beispielsweise zur Mahltrocknung und zum Vorwärmen des Rohmehls, enorm verbessert. Umweltschutzrichtlinien und die damit verbundenen gesetzlichen Emissionsgrenzwerte haben dazu geführt, dass moderne Zementwerke diese Faktoren zunehmend beachten.

Ein sich mit zunehmendem Treibhauseffekt verschärfendes Problem ist allerdings der hohe Ausstoß von Kohlendioxid. Weltweit werden jährlich 2,8 Milliarden Tonnen Zement hergestellt, der im Mittel etwa 60 % CaO enthält. Damit ergibt sich durch das Freisetzen des im Kalk gebundenen Kohlendioxids selbst bei optimaler Prozessführung ein Ausstoß von mindestens zwei Milliarden Tonnen CO₂ oder 6 % des jährlichen CO₂-Ausstoßes. 2014 soll ein Zement auf den Markt kommen, der deutlich weniger CO₂ freisetzt.

In Zementen enthaltene lösliche Chromate können eine Allergie, die so genannte Maurerkrätze auslösen, wobei der hohe basische pH-Wert der wässrigen Lösung sein Übriges beiträgt.

Vorsichtsmaßnahmen bei der Verarbeitung

Unter Einfluss von Wasser entsteht im Zement eine Lauge mit hohem pH-Wert (ungefähr 13), welche zu Verätzungen an Haut oder Augen führen kann. Daher müssen bei der Verarbeitung von Zement Brille und Handschuhe getragen werden. Sollten bei der Verarbeitung von Zement Kleidung oder Handschuhe nass werden, müssen diese sofort gewechselt werden.

Wirtschaftliche Aspekte

Verbraucher

Den größten Bedarf an Zement hat die Volksrepublik China. Dort werden ungefähr 45 % der weltweiten Produktion verbaut.

Volkswirtschaftlich ist der Jahres-Zementverbrauch pro Kopf der Bevölkerung eine interessante Kenngröße. In Ländern wie Indonesien werden nur ca. 15 bis 20 kg pro Einwohner jährlich benötigt; in Ländern wie Singapur oder den arabischen Ländern kann der Verbrauch mehr als 2.000 kg pro Einwohner im Jahr betragen. Der Verbrauch in Deutschland hat Werte um etwa 350 kg pro Einwohner im Jahr. Der Jahresverbrauch an Zement ist so eine wichtige Kenngröße zur Intensität der Bautätigkeit in einer Region.

Produzenten

Die größten Zementhersteller weltweit (2003)

Rang	Land	Produktion (in Mio. t)	Rang	Land	Produktion (in Mio. t)
1	VR China	813,190	11	Brasilien	34,032
2	Indien	115,932	12	Deutschland	33,409
3	USA	94,329	13	Thailand	32,628
4	Japan	68,520	14	Indonesien	28,956
5	Südkorea	60,720	15	Ägypten	28,740
6	Italien	43,920	16	Saudi-Arabien	23,000
7	Russland	42,204	17	Vietnam	22,600
8	Spanien	42,000	18	Frankreich	20,000
9	Türkei	35,076	19	Taiwan	18,474
10	Mexiko	34,176	20	Malaysia	17,160

Quelle: Fischer-Weltalmanach 2007

Für eine ausführlichere Liste der Produktionsländer siehe Liste der größten Zementhersteller.

Literatur

• Lothar Müller: Portlandzement. In: Chemie in unserer Zeit. 7, Nr. 1, 1973, ISSN 0009-2851, S. 19-24, doi:10.1002/ciuz.19730070104.
• Friedrich W. Locher: Zement: Grundlagen der Herstellung und Verwendung. Verlag Bau + Technik, Düsseldorf 2000, ISBN 3-7640-0400-2.
• Verein Deutscher Zementwerke: Zement-Taschenbuch 2002, 50. Ausgabe. Verlag Bau + Technik, Düsseldorf 2002, ISBN 3-7640-0427-4.
• W. Scholz, W. Hiese: Baustoffkenntnis. Werner Verlag, Köln 2007, ISBN 978-3-8041-5227-4.
• Georges Spicher, Hugo Marfurt, Nicolas Stoll: Ohne Zement geht nichts. Geschichte der schweizerischen Zementindustrie. NZZ Libro, Zürich 2013, ISBN 978-3-03823-835-5

Siehe auch

• Puzzolanische Reaktion

Weblinks

 Commons: Zement – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Zement – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Zemente und ihre Herstellung (PDF-Datei; 309 kB)
• Initiative für Nachhaltigkeit in der deutschen Zementindustrie
• Virtuelle Zementfabrik
• Deutsches Zementmuseum in Hemmoor an der Oste
• Die Entwicklung des deutschen Cementes, "Der Architekt", 1995

Verbände

• Verein Deutscher Zementwerke e.V.
• Bundesverband der Deutschen Zementindustrie e.V.
• Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie
• Verband der Schweizerischen Cementindustrie
• VDZ – Darstellung der Geschichte