Zement: Grundlagen und Anwendungen

Historischer Überblick: Die Ursprünge des Zements

Die lateinische Bezeichnung für Zement lautet Opus caementicium. Schon vor mehr als 2.000 Jahren kannten die Römer das Material und seine Eigenschaften. Damals handelte es sich um ein betonartiges Mauerwerk, das als Vorläufer des heutigen Betons gilt.

Zement in der Antike: Widerstandsfähig und vielseitig einsetzbar

Früher bestand Zement aus gebranntem Kalk als Bindemittel sowie Quarzsand, Steinen und Puzzolanen als Zuschlagstoffe. Eine besondere Eigenschaft war seine Wasserbeständigkeit, weshalb er bevorzugt für den Bau von Hafenmolen, Wasserleitungen und Fundamenten eingesetzt wurde. Bekannte Bauwerke wie das Kolosseum und das Pantheon wurden mit diesem Material errichtet.

Im Laufe der Zeit wurden weitere Zuschlagstoffe wie Ziegelmehl, vulkanische Asche und Puzzolane beigemischt, um ein hydraulisches Bindemittel zu schaffen. Die Bedeutung des Tongehalts für die hydraulischen Eigenschaften des Zements (Romanzement) wurde später von dem Engländer John Smeaton entdeckt. Damit wurde Zement erstmals als echtes Bindemittel und nicht nur als Zuschlagstoff betrachtet.

Die Entwicklung des modernen Zements

Der Franzose Louis-Joseph Vicat legte die Grundlagen für die Weiterentwicklung von Zement und Kalkmörtel, indem er die römischen Zemente sowie den künstlichen hydraulischen Kalk wiederentdeckte.

Der eigentliche Durchbruch kam jedoch durch den Engländer Joseph Aspdin, der 1824 ein Patent für den ersten Portlandzement erhielt. Der Name lehnt sich an den Portland-Stein, einen Kalkstein von der Halbinsel Portland, an. Dieser Zement ähnelte zwar dem heutigen Material, war aber technisch noch mit dem Romanzement verwandt.

Die Industrialisierung des Zements: Vom Romanzement zum Portlandzement

1844 erkannte Isaac Charles Johnson die Bedeutung des überbrannten Zements und entwickelte ein verbessertes Verfahren, das schließlich zum echten Portlandzement führte. Dieser verdrängte den Romanzement aufgrund seiner höheren Festigkeit und Härte.

In Deutschland spielte der Apotheker Gustav Ernst Leube eine Schlüsselrolle. Gemeinsam mit seinem Bruder gründete er 1838 das erste deutsche Zementwerk in Ulm. Der erste deutsche Portlandzement wurde nach englischem Vorbild von Hermann Bleibtreu in Uetersen hergestellt. Bleibtreu gründete später zwei weitere Zementwerke in Stettin und Oberkassel.

Wissenschaftliche Weiterentwicklungen und Normierungen

Auch der Chemiker Wilhelm Michaelis hatte großen Einfluss auf die Entwicklung des Zements. 1868 veröffentlichte er ein Buch mit detaillierten Angaben zur Zusammensetzung von Zementrohstoffen.

Mit der wachsenden Bedeutung von Zement wurde 1871 von der Berliner Cement AG die Alte Schmiede errichtet – eines der ältesten erhaltenen Bauwerke aus Portlandzement.

1877 schlossen sich 23 deutsche Portlandzement-Fabriken zum Verein Deutscher Portland-Cement-Fabrikanten zusammen, um wissenschaftliche und technische Fragen zu klären. In Kooperation mit Architektenvereinen und der Ziegelindustrie wurden 1878 die ersten preußischen Normen zur Prüfung von Portlandzement erlassen, die anschließend für alle staatlichen Bauten verpflichtend wurden.

Rohstoffe

Die Rohstoffe für den Zement werden in verschiedenen Steinbrüchen abgebaut. Dazu zählen Kalkstein, Ton und Quarzsand. Bevor die Rohstoffe aus den Steinbrüchen in das Zementwerk geliefert werden, werden sie mit einem Brecher im Vorfeld zerkleinert. Das daraus entstandene Rohmehl wird in einem Drehrohrofen bei Temperaturen von rund 1.450 Grad zu Zementklinker gebrannt. Im Anschluss daran werden die Klinker in einem Kühler auf unter 200 Grad heruntergekühlt. Es entstehen graubraune Granalien, die in einer Kugelmühle mit Gips und Anhydrit zu Zement gemahlen werden.

Durch das Zusetzen von weiteren Zusatzstoffen wie zum Beispiel Hüttensand, Flugasche, Kalkstein und Puzzolan lassen sich verschiedene chemische sowie physikalische Eigenschaften erzielen.

Der Herstellungsprozess von Zement

Zement wird in den Zementwerken in erster Linie aus natürlichen Rohstoffen hergestellt. Zu den Zuschlagstoffen zählen Kalkstein, Quarzsand und Ton, welche bereits im Vorfeld grob zerkleinert werden.

Wie bereits erwähnt werden in einem Drehrohrofen die Rohstoffe bei sehr hohen Temperaturen zu Klinker gebrannt. Zur weiteren Verarbeitung werden die Klinker heruntergekühlt. Pro Tag ist es möglich, in den speziellen Anlagen für das Trockenverfahren zwischen 3.000 und 10.000 Tonnen zu verarbeiten. In der Vergangenheit kam hier noch das Nass- und Halbnassverfahren zum Einsatz, welches die Bruchsteine im nassen Zustand mahlt und vermischt. Da für den anschließenden Trockenvorgang sehr viel Energie aufgewendet werden musste, wurde das heutzutage nicht mehr konkurrenzfähige Verfahren eingestellt.

Arten von Zement

Es wird in verschiedene Zementsorten unterschieden, die wir uns im Folgenden näher angeschaut haben.

• Portlandzement – Es handelt sich hier um die weltweit am meisten verwendete Zementart. Portlandzement wurde bereits im frühen 19. Jahrhundert in England aus anderen hydraulischen Kalkarten entwickelt. In der Regel wird Portlandzement aus Kalkstein hergestellt.

• Hochofenzement – dieser gehört zu den Normalzementen und enthält zwischen 36 und 95 Prozent Hüttensand. Der restliche Anteil besteht aus Portlandzementklinker. Des Weiteren sind bis zu 5 Prozent an Nebenbestandteilen möglich.

• Schnellzement – Er bindet besonders schnell ab und hat daher meistens nur eine Verarbeitungszeit von zwei bis drei Minuten. Nach 5 bis 7 Minuten tritt die Erstarrung ein. Schnellzement enthält hohe Anteile an Calciumflouraluminat (Variante des Friedelschen Salzes). Bei Schnellzement handelt es sich um eine normierte Zementart nach EN 197—1.  

• Trasszement – Es handelt sich hierbei um einen speziellen Kompositzement, welcher aus einem Gemisch von Portlandzement, gemahlenem Trass sowie verschiedenen Zusatzstoffen hergestellt wird.

• Spezialzemente – Dazu gehören Thurament (aus der Hochofenschlacke bzw. Hüttensand mit einem Anteil Gips aus Thüringen) und Celitement. Letzterer hat eine günstigere Stoff- und Energiebilanz, da er bei weniger als 300 Grad gebrannt wird, aber ebenso stabil ist.

Chemische und physikalische Eigenschaften von Zement

• Die chemischen Reaktionen bei der Zementherstellung: Es handelt sich bei der Zementherstellung um einen komplexen Prozess, welcher mit dem Abbau und dem Mahlen von Gestein und den Zuschlagstoffen beginnt. Der anschließende Hydrationsprozess beginnt immer an der Oberfläche der einzelnen Zementpartikel und dringt dann bis zum Kern vor. Für diesen Prozess muss immer ausreichend Anmachwasser zur Verfügung stehen, damit der Zement komplett ausreagieren kann. Diese vollständige Ausreagieren findet immer in 3 Phasen statt: Ansteifen, Erstarren und Erhärten.  Während der Hydration entstehen bestimmte Stoffe, die sogenannten Hydrate, welche miteinander verfilzen und so für die Härte und die Widerstandsfähigkeit des Zements verantwortlich sind. Während der Herstellung geht der zähflüssige Zementleim in den festen Zementstein über.

• Physikalische Eigenschaften: Bei Zement handelt es sich um ein hydraulisches Bindemittel. Wird er mit Wasser vermischt, härtet der Zementleim sowohl an der Luft als auch unter Wasser zu festem Zementstein aus. Der Zementstein ist nicht nur wasser- und witterungsbeständig, sondern auch druckfest. Dabei ist er im Allgemeinen zentraler Bestandteil von Beton, Mörtel und Putz.

• Einflussfaktoren auf die Zementeigenschaften: Nicht nur das Fließvermögen, sondern auch die Verformbarkeit sowie die Verdichtungswilligkeit des Zements hängen in erster Linie vom Zuschlag ab. Dabei kommt es im Besonderen auf die Kornform, die Kornzusammensetzung sowie die Kornoberfläche an. Neben der verwendeten Menge des Zuschlags spielen auch die rheo-logischen Eigenschaften des Zementleims eine entscheidende Rolle für die späteren Zementeigenschaften. Die Festigkeit des Zements ist in einem bestimmten Alter und seiner Aushärtung von zwei Faktoren abhängig, nämlich dem Verdichtungsgrad sowie dem Wasser-Zement-Wert.

Anwendung von Zement in der Bauindustrie

• Zement als Bindemittel in Beton und Mörtel: Wesentlicher Unterschied zwischen Beton und Mörtel sind die Zuschlagstoffe. In Beton sind zusätzlich Kies oder Splitt enthalten, die für eine höhere Stabilität verantwortlich sind. Mörtel dagegen besteht nur aus Sand, Zement oder Kalk und Wasser.

• Häufige Einsatzmethoden im Bauwesen: Beton wird unter anderem als das Rückgrat der modernen Bauindustrie bezeichnet. Beton bzw. Zement kommt in nahezu allen Arten von Bauwerken zum Einsatz. Des Weiteren kann Zement, der nur mit Wasser und feinkörnigen Zuschlagstoffen angerührt wird, zu Zementmörtel hergestellt werden. Dieser wiederum wird für das Mauern und Verputzen von Wänden verwendet.

• Verarbeitung und Einsatzbereiche: Grundsätzlich wird eine Einheit Zement immer mit vier Einheiten Sand vermischt. Wasser wird nur nach Bedarf hinzugegeben. Durch die zugegebene Wassermenge wird die spätere Konsistenz des Betons bestimmt. Wird der Zement mit einem Betonmischer angerührt, dann sollte dieser eine Mindestlaufzeit von 3 bis 4 Minuten haben. Auf keinen Fall sollte Zement pur verarbeitet werden, da sich beim Trocknen eine dritte anders zusammengesetzte Schicht bildet.

Zement im Hausbau: Ein unverzichtbarer Baustoff

Zement im Hausbau spielt eine zentrale Rolle bei der Errichtung stabiler und langlebiger Gebäude. Ob für Fundamente, Wände oder Decken – ohne Zement im Hausbau wären viele Konstruktionen nicht realisierbar. Besonders in Kombination mit Beton sorgt er für hohe Tragfähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Witterungseinflüssen.

Neben der klassischen Verwendung in Betonmischungen kommt Zement im Hausbau auch in Mörtelarten wie Mauermörtel oder Putzmörtel zum Einsatz. Er ermöglicht das sichere Mauern von Steinen und das Verputzen von Innen- und Außenwänden. Dank seiner vielseitigen Eigenschaften bleibt Zement im Hausbau ein unverzichtbarer Bestandteil moderner Bauweisen.

Umweltaspekte und Nachhaltigkeit

Bis Ende der 60er Jahre war die bloße Existenz eines Zementwerks als echte Dreckschleuder verschrien, da sie große Mengen an Staub und Abgaben in die Umwelt brachten. Aktuell hat sich der Umweltschutz bei der Zementherstellung deutlich verbessert, auch wenn der CO2-Ausstoß nach wie vor 4-mal so hoch ist wie beim kompletten Flugverkehr weltweit. Möglich wird dies durch moderne Filteranlagen, welche die Staubemissionen deutlich reduzieren.

Bedingt durch den Treibhauseffekt ist der extrem hohe Ausstoß von Kohlendioxid nach wie vor ein Problem. Die Zementindustrie ist einer der größten Produzenten, wenn es um Treibhausgase geht, welche sich auf die globale Erwärmung der Erde auswirken. Weltweit werden pro Jahr mehr als 4,1 Milliarden Tonnen an Zement hergestellt, welche durchschnittlich ca. 60 %. CaO enthalten. Es handelt sich dabei um mindestens 3 Milliarden Tonnen des CO 2-Ausstoßes.

Um die Vorgaben des Pariser Klimaabkommens erfüllen zu können, muss bis zum Jahr 2030 die jährliche Emission der Zementproduktion um mindestens 16 % sinken. Aus diesem Grund wird stark über Möglichkeiten von umweltverträglicheren Methoden bei der Herstellung des Zements nachgedacht.

Wirtschaftliche Bedeutung der Zementindustrie

• Marktübersicht und wirtschaftliche Kennzahlen: China ist mit rund 1.900 Millionen Tonnen pro Jahr der weltweite größte Zementhersteller. Danach folgen Indien mit 450 Millionen Tonnen und Vietnam mit 110 Millionen Tonnen, bevor die USA mit 86 Millionen Tonnen genannt wird. Zu den Ländern mit den geringsten Produktionen gehören Russland und Saudi-Arabien mit jeweils 50 Millionen Tonnen pro Jahr.

• Trends und Herausforderungen in der Zementproduktion: Zu den Herausforderungen eines jeden Zementwerks gehören, dass sich die etablierten Lösungsansätze mittelfristig nicht mehr umsetzen lassen. Ursache hierfür sind die einzelnen Maßnahmen, die im Rahmen des Klimaschutzplans 2050 in anderen Bereichen angestrebt werden. Klar ist allerdings, dass die eingesetzten Nebenprodukte wie Hüttensand und Flugasche zukünftig nicht mehr oder in ausreichenden Mengen verfügbar sein werden. Dies erklärt, warum die Ansätze zur strombasierten Prozesswärmeerzeugung unter anderem im Bereich der Zementklinkerherstellung untersucht und vorangetrieben werden.

• Bedeutung für die Bauwirtschaft: Durch den Baustoff Zement waren Menschen in der Lage, dauerhafte Strukturen und bedeutende Gebäude zu errichten. Diese haben sowohl den Elementen als auch Katastrophen standgehalten. Die Zementverwendung als Baustoff ist der Grundstein für die moderne Gesellschaft, da sie von Anfang an zum Bauen. Von Städten, Häfen, Schutzbauten und vielem mehr nötig waren und werden.

Praktische Tipps

• Berechnung der benötigten Zementmenge: Für das fertige Gemisch müssen immer ein Teil Zement, vier Teile Kies und Wasser nach Bedarf vermischt werden. Werden 2.500 kg Beton benötigt, dann ist die Rede von einem Mischverhältnis von 500 kg Zement, 2.000 kg Kies und Wasser je nach gewünschter Konsistenz.

• Lagerung und Haltbarkeit von Zement: In einem dicht geschlissenen Gebinde und einer trockenen Lagerung ist er bis zu 12 Monate nach Abpackdatum haltbar. Reste können mit Flüssigkeit gemischt werden. Nach dem Aushärten werden sie als Bauschutt ähnlich den Betonabfällen entsorgt. Auf keinen Fall darf das Material in die Kanalisation gelangen oder über den Hausmüll entsorgt werden.

• Fehlervermeidung bei der Verarbeitung: Zum einen muss das Mischungsverhältnis stimmen und zum anderen darf nur so viel Flüssigkeit zugegeben werden, dass die gewünschte Konsistenz erreicht wird.

Fazit

Sicherlich gilt Zement nach wie vor als Klimakiller, doch es kann auch gesagt werden, dass eine Verbesserung eintritt. Mittlerweile gibt es 30 verschiedene Zementsorten und es werden immer mehr, die je nach Nutzung zum Einsatz kommen. Eine entscheidende Lösung zur Verbesserung ist der sogenannte Grüne Zement, welcher nicht mehr in einem Drehrohrofen bei mehr als 1.400 Grad gebrannt wird, sondern in einer Art Dampfkochtopf mit nur maximal 300 Grad. Die soll die Herstellung umweltverträglicher machen, da dabei deutlich weniger Energie benötigt wird und auch nur halb so viel CO2 erzeugt wird. Es gibt bereits eine Pilotanlage, die schon in Betrieb ist.

Die Zementindustrie arbeitet zudem verstärkt an der Entwicklung von chromatarmen Zementvarianten, um gesundheitliche Risiken zu minimieren und umweltfreundlichere Produkte auf den Markt zu bringen. Auch bekannte Hersteller wie Sakret bieten inzwischen ein breites Sortiment an speziellen Mörtelprodukten, darunter Putzmörtel und Mauermörtel, die für verschiedene Anwendungen im Bauwesen optimiert sind. Durch gezielte Forschung zur Hydratation von Zement entstehen zudem innovative Materialien mit verbesserter Festigkeit und längerer Haltbarkeit, was langfristig zur Effizienzsteigerung in der gesamten Zementindustrie beiträgt.

FAQ zu Zement