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.

Herstellungsprozess

Zement wird heute in modernen Zementwerken in einem kontinuierlichen Prozess aus überwiegend natürlichen Rohstoffen hergestellt. Dabei erreichen die Anlagen eine Leistung von 3000 bis 10000 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. Die so entstandene Zementsorte nennt man Portlandzement, benannt nach dem Ort der Erfindung (Portland, England).

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 Kalk, 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 Bindmittel, das den hohen Anforderungen im Baubereich entspricht.

Zusammensetzung und Eigenschaften

Portlandzement, hergestellt durch die Vermahlung von Klinker und Gips bzw. Anhydrit, besteht chemisch gesehen aus ca. 58 - 66 % Calciumoxid (CaO), 18 - 26 % Siliciumdioxid (SiO₂), 4 - 10 % Aluminiumoxid (Al₂O₃) und 2 - 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 x SiO₂), das Dicalciumsilikat (2 CaO x SiO₂), das Tricalciumaluminat (3 CaO x Al₂O₃) und das Tetracalciumaluminatferrit (4 CaO x Al₂O₃ x 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 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 - 52,5 [N/mm²]), welche wiederum in langsam- und schnellerhärtende(r=rapit) Zemente unterteilt ist und 5 verschiedene Arten (CEM I = Portlandzement, CEM II = Portlandhüttenzement, CEM III = Hochofenzement, CEM IV = Puzzolanzement, CEM V Kompositzement).

Die Qualität und Zusammensetzung eines Zementes wird heute ständig im Labor überwacht. Dazu werden in regelmäßigen Abständen 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. Sie beeinflussen z.B. die Verarbeitbarkeit, die Hydratationsgeschwindigkeit (Zement mit niedriger Hydratationswärme; NW), die Beständigkeit gegen chemische Stoffe (z.B. hoher Sulfatwiderstand; HS) oder auch die 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 60er 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 Staubemmission drastisch gesenkt worden. Ebenso sind duch 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 zunehmenden 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 CO₂Ausstoßes.