Zement

Zement (lat. caementum: Bruchstein, Baustein) ist ein hydraulisches, künstlich hergestelltes Bindemittel für die Baustoffe Mörtel und Beton. Es ist ein meist graues Pulver, welches in großindustriellen Prozessen aus den Rohmaterialien Kalkstein, Ton, Sand und Eisenerz hergestellt wird. Aufgrund seiner hohen Festigkeit und der Dauerhaftigkeit von Beton ist Zement weltweit eines der wichtigsten Bindemittel. "Caementum" wurde bereits von den Römern verwendet, aus dessen Namen das Wort Zement abgeleitet ist. Dieser Baustoff bestand aus gebranntem Kalk, Wasser und Sand. 1835 wurde er von dem Ulmer Apotheker Dr. Ernst Gustav Leube wiederentdeckt.

Herstellungsprozess

Schema eines Zementwerkes (nicht maßstabsgetreu)

Zement wird heute in modernen Zementwerken in einem kontinuierlichen Prozess aus überwiegend natürlichen Rohstoffen hergestellt. Dabei erreichen die Anlagen eine Leistung von 3000 bis 10.000 Tonnen Klinker pro Tag.

Die Rohstoffe (in der Regel Kalkstein, Ton, Sand und Eisenerz) 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. 1450 °C zu sogenanntem Klinker gebrannt, welcher dann in einem Kühler auf eine Temperatur von unter 200 °C heruntergekühlt wird. Die entstehenden graubraunen Granalien werden anschließend in einer Kugelmühle zusammen mit Gips oder Anhydrit zum fertigen Produkt, dem Zement, vermahlen. Diese Zementsorte nannte der Engländer Joseph Aspdin in seinem Patent von 1824 Portland-Cement. Die Bezeichnung lehnte sich an den Portlandstein an, ein Kalkstein, der auf der Halbinsel (Portland) an der englischen Kanalküste als Werkstein abgebaut wurde und den aus Portlandzement gefertigten Kunstprodukten farblich ähnlich war.

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

Hydraulische Eigenschaften

Zement ist, im Gegensatz zu 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 Kalk 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 Zementes führen. Diese Eigenschaften machen Zement zu einem Bindemittel, das den hohen Anforderungen im Baubereich entspricht.

Zusammensetzung und Eigenschaften

Festigkeitsklassen und Kennfarben nach DIN 1164
Festigkeits- klasse	Druckfestigkeit [N/mm²]		Kennfarbe
	nach 2 d	nach 28 d	Sack	Sack- aufdruck
32,5	-	≥32,5	hellbraun	schwarz
32,5 R	≥10	≥32,5	hellbraun	rot
42,5	≥10	≥42,5	grün	schwarz
42,5 R	≥20	≥42,5	grün	rot
52,5	≥20	≥52,5	rot	schwarz
52,5 R	≥30	≥52,5	rot	weiß

Portlandzement, hergestellt durch die Vermahlung von Klinker und Gips bzw. Anhydrit, besteht chemisch gesehen aus cirka 58 bis 66 % Calciumoxid (CaO), 18 bis 26 % Siliciumdioxid (SiO₂), 4 bis 10 % Aluminiumoxid (Al₂O₃) und 2 bis 5 % Eisenoxid (Fe₂O₃). Beim Brennprozess im Drehrohrofen bilden sich aus diesen Hauptbestandteilen Mineralien, die für die besonderen Eigenschaften von Zement von entscheidender Bedeutung sind. Die wichtigsten dieser Verbindungen sind das Tricalciumsilikat (3 CaO × SiO₂), das Dicalciumsilikat (2 CaO × SiO₂), das Tricalciumaluminat (3 CaO × Al₂O₃) und das Tetracalciumaluminatferrit (4 CaO × Al₂O₃ × Fe₂O₃).

Außer der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung ist auch die Feinheit eines Zementes ausschlaggebend für seine Eigenschaften. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass ein Zement mit höherer Feinheit auch eine höhere Festigkeit entwickelt. Die spezifische Oberfläche (auch als Blaine bezeichnet) dient als Maß für die Feinheit und liegt normalerweise zwischen 2500 und 5000 cm²/g. Die in Europa gültige Norm für Zemente, die EN 197, unterscheidet zwischen drei verschiedenen Festigkeitsklassen (32,5, 42,5 und 52,5 N/mm²), welche wiederum in langsam- und schnellerhärtende (r = rapid) Zemente unterteilt ist, und fünf verschiedene Arten (CEM I = Portlandzement, CEM II = Portlandkompositzement, CEM III = Hochofenzement, CEM IV = Puzzolanzement, CEM V = Kompositzement).

Um Verwechselungen insbesondere auf der Baustelle vorzubeugen, sind den Zementen in Deutschland Kennfarben beim Papier der Zementsäcke und dem Aufdruck zugeordnet.

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

Spezialzemente

Die hohen Anforderungen der Bauindustrie an den Baustoff Beton - und somit auch an das Bindemittel Zement - machen es notwendig, Zemente mit speziellen chemischen und physikalischen Eigenschaften herzustellen. Dies geschieht durch die Zumahlung verschiedener Stoffe wie Hüttensand, Puzzolan, Flugasche oder Kalkstein in unterschiedlich großen Mengen. Diese Zemente mit besonderen Eigenschaften beeinflussen die Hydratationsgeschwindigkeit (Zement mit niedriger Hydratationswärme (NW)), die Beständigkeit gegen chemische Stoffe (Zement mit hohem Sulfatwiderstand (HS)) 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.

Umweltschutzaspekte

Bis in die 1960er Jahre galten Zementwerke als "Dreckschleudern", die eine große Menge an Staub und Abgasen in die Umwelt leiteten. Heute hat sich dieses Bild zu Gunsten der Umwelt verbessert. Durch modernere Filteranlagen ist die Staubemission drastisch gesenkt worden. Ebenso sind durch die Weiterentwicklung der Drehrohröfen und der Feuerungstechnologie der Ausstoß von schädlichen Abgasen wie Schwefeldioxid (SO₂), Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Stickoxiden (NO_x) gesenkt worden. Letztere werden durch sogenannte DENOX-Verfahren aus den Abgasen entfernt. Zur Einsparung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl werden zum Teil sogenannte Sekundärbrennstoffe eingesetzt. Dies sind Abfallstoffe wie Hausmüll, Autoreifen oder Altöl, welche im Zementwerk aufgrund der extrem hohen Temperaturen im Ofen (Flammentemperatur > 2000°C) ohne die Entstehung schädlicher Abgase verbrannt werden. Da ein Großteil der heute produzierten Zemente sogenannte Kompositzemente sind, in denen Klinker durch andere Zumahlstoffe ersetzt ist, werden die natürlichen Rohstoffe geschont. Außerdem handelt es sich bei diesen Zumahlstoffen beispielsweise beim Hüttensand und der Flugasche, um 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 1,4 Milliarden Tonnen Zement hergestellt, der im Mittel etwa 60% CaO enthält. Damit ergibt sich selbst bei optimaler Prozessführung ein Ausstoß von mindestens einer Milliarde Tonne CO₂ oder 4 % des jährlichen CO₂-Ausstoßes.

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 und Jahr betragen. Der Verbrauch in Deutschland hat Werte um etwa 350 kg pro Einwohner und Jahr. Der Jahresverbrauch an Zement ist so eine wichtige Kenngröße zur Intensität der Bautätigkeit in einer Region.

Liste der größten Zementproduzenten

In der folgenden Tabelle sind die größten Produzenten von Zement aufgeführt (in Millionen Tonnen).

Rang	Land	1970	1980	1990	2000	2002
1.	VR China	10,000	79,860	209,712	583,404	725,000
2.	Indien	14,000	17,700	45,720	102,084	108,144
3.	USA	67,700	67,884	70,944	87,846	91,266
4.	Japan	57,200	87,957	84,444	81,070	72,012
5.	Südkorea	8,200	15,636	33,912	51,420	56,820
6.	Spanien	16,700	28,008	28,092	38,115	42,336
7.	Brasilien	9,000	27,192	25,848	39,564	42,192
8.	Italien	33,100	41,333	40,548	39,588	42,048
9.	Russland	29,600	38,745	42,640	32,389	39,672
10.	Mexiko	7,300	16,260	24,504	33,876	33,348
11.	Türkei	6,400	12,876	24,636	35,796	32,508
12.	Thailand	5,300	6,732	25,500	32,004	32,244
13.	Indonesien	6,200	7,800	14,748	22,789	31,200
14.	Deutschland	46,300	46,991	37,632	36,635	30,972
15.	Frankreich	29,000	29,100	26,508	20,191	20,004
16.	Taiwan	2,900	3,700	21,800	17,572	19,363
17.	Ägypten	3,700	3,012	13,284	15,600	16,500
18.	Griechenland	4,800	12,672	13,944	14,500	15,500
19.	Malaysia	3,100	3,900	7,400	11,445	14,328
20.	Kanada	7,300	10,349	11,808	12,612	13,200
...	Welt	569,800	867,700	1.140,000	1.660,000	1.800,000

Weblinks