Zement

Zement ist als Baustoff seit der Antike in Gebrauch: die zur Zeit KaiserHadrianszwischen 125 n. Chr. und 128 n. Chr. fertiggestellte Zementkuppel desPantheonsin Rom war mehr als 1700 Jahre lang dergrößte Kuppelbau der Welt

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

In Säcke abgefüllter Zement inTunesien

Zement(über älteresCementundcementumwohl gebildet auslateinischcaementum„Bruchstein “, „Stein “, „Baustein “, voncaedere„brechen “) ist einanorganischerundnichtmetallischerBaustoff.Er ist feingemahlen und zählt daher zu denSchüttgütern.Aufgrund seiner Eigenschaften wird er zum Anfertigen von Bauteilen und Bauwerken verwendet. Innerhalb der Baustoffe zählt Zement zu denBindemitteln.Er erhärtet durch diechemische Reaktionmit Wasser (Hydratation) und bleibt danach fest. Zur Herstellung von Baustoffen wieMörtelundBetonwerden dem Zementpulver sogenanntesZugabewasser(früher „Anmachwasser “) und andere Stoffe alsZuschlagstoffebeigemengt. Aufgrund der weltweiten Verfügbarkeit der Rohstoffe sowie der Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton ist Zement weltweit eines der wichtigsten Bindemittel. Mit einer Weltproduktion von 4,1 Milliarden Tonnen im Jahr 2017ist Zement der meistverwendeteWerkstoff.

Zement wird in Zementwerken produziert. Zu seiner Herstellung werden die natürlichen RohstoffeKalksteinundTonverwendet, die häufig als natürliches Gemisch vorliegen und dann alsMergelbezeichnet werden. Falls nötig, werden als Korrekturmaterialien auchQuarzsandundeisenoxidhaltigeStoffe für eine bessereSinterungbeigemischt. Die Rohstoffe werden zu Rohmehl gemahlen und anschließend auf etwa 1.450 °C erhitzt, bis sie an den Korngrenzen teilweise miteinander verschmelzen (Sintern) und der sogenannteZementklinkerentsteht. Das Material, mit nun kugelförmiger Struktur, wird abgekühlt und zum Endprodukt Zement gemahlen. Um Zementsorten mit bestimmten Eigenschaften zu erhalten, können vor dem MahlenHüttensand,Flugasche,Kalkstein undGipsin unterschiedlicher Dosierung und Mahlfeinheit zugegeben werden.

Als problematisch gilt mittlerweile der Einfluss der Zementproduktion auf das Klima. Die Zementindustrie gehört zu den Hauptverursachern vonKohlenstoffdioxid,das mit dieglobale Erwärmungbewirkt. Anhand der weltweiten jährlichen Produktion ergibt sich durch das Freisetzen des im Kalk (Calciumcarbonat) gebundenen Kohlenstoffdioxids ein Ausstoß von mindestens drei Milliarden Tonnen CO₂,oder etwa 6 bis 8 % des jährlichen CO₂-Ausstoßes, was dem Drei- bis Vierfachen der Größenordnung des gesamtenLuftverkehrsentspricht.

Geschichte

Das deutsche Wort Zement geht auf die lateinische Bezeichnungopus caementiciumzurück. Beimopus caementicium,das denRömernbereits 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 gebranntemKalksteinals Bindemittel sowieSteinen,SandundPuzzolanenals Zuschlag. Da dasopus caementitiumwiderstandsfähig gegen Wasser war, wurde es zum Bau von Wasserleitungen und Hafenmolenverwendet, aber auch für Fundamente und für Bauwerke wie dasKolosseumund dasPantheon.

Später wurden mitcementum,cimentum,cämentundcementZuschlagstoffe wie vulkanische Asche, Puzzolane und Ziegelmehl bezeichnet, 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 EngländerJohn Smeaton(1724–1792) entdeckt. Seit damals steht Zement nicht mehr für den Zuschlagstoff, sondern das Bindemittel.

Der FranzoseLouis-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 undKalkmörtel.

Als eigentlicher Erfinder des Portlandzements gilt der EngländerJoseph Aspdin(1778–1855). 1824 erhielt er das PatentAn Improvement in the Mode of Producing an Artificial Stone;in der Patentschrift benutzte er den Ausdruck „Portland cement “. Die Bezeichnung lehnte sich an denPortland-Steinan, einenKalkstein,der auf der HalbinselPortlandan 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 künstlicherRomanzement:Die Bedeutung desSinternshat anscheinend als ersterIsaac Charles Johnson(1811–1911) im Jahr 1844 erkannt und mit seinem verbesserten Verfahren den „echten “,überbranntenPortlandzement in das Baugewerbe eingeführt, wo er aufgrund seiner überlegenen Härte den Romanzement schnell verdrängte.

1838 wurde von dem UlmerApothekerGustav Ernst Leubeund seinen Brüdern inUlmdas erste deutsche Zementwerk gegründet. Der erste deutsche Portlandzement nach englischem Vorbild wurde inUetersenproduziert. Die Grundlage für die Herstellung des Portlandzements in Deutschland legteHermann Bleibtreu(1821–1881), der auch zwei Zementwerke inZüllchowbeiStettin(1855) und inOberkassel bei Bonnerrichtete. Entscheidenden Einfluss auf die weitere Entwicklung hatteWilhelm Michaëlis(1840–1911). In seinem 1868 erschienenen Buch mit dem TitelDie hydraulischen Mörtelmachte er als Erster genaue Angaben über die günstigste Zusammensetzung des Rohstoffgemischs. Zu den ältesten bestehenden Bauwerken, die in Portland-Zement ausgeführt wurden, zählt die ab 1871 durch die Berliner Cement AG errichtete Alte Schmiede in der Spittastraße 40 in Berlin-Lichtenberg.

1877 schlossen sich sämtliche 23 bestehenden deutschen Portlandzementfabrikanten zumVerein Deutscher Portland-Cement-Fabrikantenzusammen, um „alle für die Zementindustrie wichtigen technischen und wissenschaftlichen Fragen in gemeinschaftlicher Arbeit zu klären “.Zusammen mit der 1876 vomDeutschen Verein für Fabrikation von Ziegeln, Tonwaren, Kalk- und Zementin Angriff genommenen Ausarbeitung eines einheitlichen Prüfverfahrens und der Aufstellung von Vorschriften für die an die Qualität des Zements zu stellenden Anforderungen und in Verbindung mit den Architektenvereinen, dem Berliner Baumarkt und der Ziegelindustrie wurden 1878 die ersten preußischen Normen zur Prüfung von Portlandzement herausgegeben, die sogleich für alle staatlichen Bauten vorgeschrieben wurden.

1917 wurde derDeutsche Zement-Bundin Berlin gegründet.

Herstellungsprozess

Schema einesZementwerkes.

Der Ausgangsstoff für Zement wird aus überwiegend natürlichen Rohstoffen im Trockenverfahren gemahlen und gemischt, anschließend in einemkontinuierlichen ProzessinDrehrohröfengebrannt, gekühlt und erneut gemahlen. Typische Durchsätze der Drehrohröfen sind 3.000 bis 10.000 TonnenKlinkerpro Tag.

Vorgänger des Trockenverfahrens beim Mahlen der Rohstoffe 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.

Die Rohstoffe sindKalkstein(Calciumcarbonat als Quelle fürCalciumoxid),Ton(fürSiliciumdioxidundAluminiumoxid),Sand(für Siliciumdioxid) undEisenerz(Eisen(III)-oxid). Durch die Zumahlung von Zusatzstoffen wie z. B.Hüttensand,PuzzolanoderFlugaschekönnen Zemente mit verschiedenen chemischen und physikalischen Eigenschaften hergestellt werden.GipsoderAnhydritwird dem Endprodukt zugesetzt.

Die Rohstoffe werden inSteinbrüchenoderTagebauenabgebaut, inBrechernvorzerkleinert und in das Zementwerk befördert. In einerVertikalmühleoder Rohmühle werden alle Rohstoffe zusammen vermahlen und gleichzeitig getrocknet. Das dabei entstehende Rohmehl wird dann in einem Drehrohrofen bei Temperaturen von ca. 1.400–1.450 °C zu sogenanntemZementklinkergebrannt. Beim Brennen wird das im Kalk gebundene Kohlendioxid freigesetzt. Nach Kühlen auf eine Temperatur von unter 200 °C werden die graubraunen Granalien anschließend in einerKugelmühlezusammen mit Gips zum fertigen Produkt, dem Zement, vermahlen.

Siehe auch:Technischer Kalkkreislauf#Brennen des Kalks

Einteilung und Eigenschaften

Durch die Zumahlung von Stoffen wieHüttensand,Puzzolan,FlugascheoderKalksteinerhält man Zemente mit besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften. So beispielsweise:

• Zement mit niedriger Hydratationsgeschwindigkeit und niedriger Hydratationswärme:LH
• Zement mit hohem Sulfatwiderstand:SR,
• Zement mit niedrigem wirksamen Alkaligehalt:NA

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. Diespezifische Oberfläche(auch alsBlainebezeichnet) dient als Maß für die Feinheit und liegt normalerweise zwischen 2.500 und 5.000 cm²/g.

Die loseSchüttdichtevon pulverförmigem Zement liegt bei 0,9 bis 1,2 kg/dm³. Diese erhöht sich durch Einrütteln auf 1,6 bis 1,9 kg/dm³. Abgebundener Zement ist mit einerDichtevon rund 3 kg/dm³ deutlich kompakter.

Arten, Festigkeit und Verwendung nach EN 197 und DIN 1164

Zementfestigkeitsklassen nach EN 197und 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 – 52,5	hellbraun
32,5 N	–	≥ 16,0			schwarz
32,5 R	≥ 10,0	–			rot
42,5 L	–	≥ 16,0	42,5 – 62,5	grün
42,5 N	≥ 10,0	–			schwarz
42,5 R	≥ 20,0	–			rot
52,5 L	≥ 10,0	–	≥ 52,5	rot
52,5 N	≥ 20,0	–			schwarz
52,5 R	≥ 30,0	–			weiß

Die Festigkeit von Zementen wird inEuropadurch dieEuropäische NormEN 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 von der Anfangsfestigkeit eines Zements wird dieser zudem innerhalb einer Festigkeitsklasse als langsam- (L), normal- (N) oder schnellerhärtend (R, vonengl.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.

DieEN197-1 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

Zusätzlich werden im Allgemeinen 27Normalzementartenüber die prozentualen Gewichtsanteile der Ausgangsstoffe definiert. Sonstige Zemente werdenSonderzementegenannt. Eine Beschreibungsvorschrift regelt die Bezeichnung dieser Zemente, für die in der Norm keine genaue Zusammensetzung definiert wird.

Neben der EN 197-1 benennt in Deutschland dieDIN1164 die vorgesehenen Anwendungsbereiche der einzelnen Zementarten. Abhängig von den erwarteten Umwelteinflüssen und Einbausituationen definiert die DIN 1164 „Expositionsklassen “und benennt die jeweils geeigneten Zementarten (z. B. eignen sich hüttensandhaltige Zemente zur Herstellung von Unterwasserbeton).

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

Portlandzement

DieAlsensche Portland-ZementfabrikinItzehoeum 1895

Die erste deutsche Portlandzementfabrik inUetersen

Silhouette des ehemaligenDyckerhoff-Zementwerks inNeubeckummit Vorwärmerturm (Mitte), Silos und Förderbandbrücken

Ortseinfahrt vonHövermitHolcim-Zementwerk

Portlandzement wird hergestellt durch die Vermahlung vonZementklinkerundKalkbzw.Anhydrit.Er 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).

Ab einem Anteil von 36 %Hüttensandwird der Zement alsHochofenzementbezeichnet.

In der Zahnmedizin wird eine modifizierte Form des Portlandzements unter dem Namen Mineral Trioxid Aggregat (MTA) zumretrogradenVerschluss vonWurzelkanälenoder zur Perforationsdeckung verwendet.

Sonder- und Kompositzemente

Im Kompositzement wird ein Anteil des Zementklinkers durch Stoffe mitpuzzolanischenEigenschaften ersetzt. Neben dem natürlichenTrassgesteinwurden bislang vorwiegend Nebenprodukte aus industriellenBrenn-Prozessenverwendet, in erster LinieHüttensandundFlugasche.In Zukunft wird calcinierter Ton (gebrannter Ton) eine größere Rolle spielen, der unter anderem beim Abriss von Altbauten in Form von gebrannten Ziegeln anfällt.

Trasszement

Trasszementwird unter Beimischung des natürlichenPuzzolansTrasshergestellt und ergibt einen wasserdichteren Mörtel als Portlandzement. Er wird zum Vermauern vonNatursteinengenutzt, da er wenigerAusblühungenzeigt.

Tonerdezement

→Hauptartikel:Tonerdezement

Schnellzement

Schnell aushärtender Zement, meist Mischung aus Portland- und Tonerdezement

Spritzzement

SpritzzementeoderSpritzbindemittelsind schnell erstarrende Bindemittel, die auch ohne Zugabe von Erstarrungsbeschleunigern bei der Herstellung vonSpritzbetoneine rasche Festigkeitsentwicklung gewährleisten. Bei der Herstellung des Zements wird auf die Zumahlung von Rohgipszum Klinker verzichtet, der für die gemeinhin bei Zement erwünschte Abbindezeitverzögerung sorgt. Robert Keller aus Vils in Tirol setzte 1983 erstmals solchen Zement zur Herstellung von Spritzbeton ein, der inzwischen auch in Österreich und Deutschland imTunnelbaueingesetzt wird.

Faserzement

→Hauptartikel:Faserzement

Weißzement

→Hauptartikel:Weißzement

Zement ist meist ein graues Pulver. Daneben wird auch alsDyckerhoff-WeißbezeichneterWeißzementhergestellt, der ebenso wieWeißkalkhydratzugleich alsPigmentund alsBindemitteldient. Weißzemente werden aus sehr eisenarmen Rohstoffen hergestellt (Fe₂O₃-Gehalt < 0,1 %) und hauptsächlich fürTerrazzo,Sichtbetonund durchgefärbten(Edel-)Putzeingesetzt. Weißzement eignet sich nicht nur für hellfarbige Zubereitungen, sondern lässt sich mit Farbpigmenten leichter einfärben als gewöhnlicher grauer Portlandzement, so dass er zur Herstellung vonZementfliesenund Terrazzoplatten genutzt wird.

Spezialzemente

Thurament

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

Celitement

ist ein Spezialzement, der im Gegensatz zu herkömmlichem Zement eine wesentlich günstigere Stoff- und Energiebilanz aufweist.Ähnlich robust und fest wie herkömmlicher Zement wird Celitement bei unter 300 °C hergestellt; in einer Pilotanlage werden die Hauptkomponenten Calciumoxid und Siliziumdioxid bei etwa 200 °C und einem Absolutdruck von mindestens 10 barunter gespanntem Dampfim Autoklaven zu Calciumhydrosilikaten hydrolysiert (Hydrothermalsynthese).Im nachgelagerten Prozessschritt erfolgt während der Mahlung in z. B. einer Kugelschwingmühle die Trennung der SiOH-Wasserstoffbrückenbindungen, um das Calciumhydrosilikat wieder hydraulisch zu aktivieren. Celitement benötigt in seiner Herstellung weniger Kalk als herkömmlicher Zement: Das Verhältnis CaO/SiO₂ist mit 0,5–2 geringer als das von Portlandzement mit ca. 2,8. Dies bringt erhebliche ökologische und ökonomische Vorteile: Energieverbrauch und Kohlenstoffdioxidausstoß reduzieren sich gegenüber der Herstellung von Portlandzement um die Hälfte.

Zusammensetzung

Beim Brennprozess im Drehrohrofen bilden sich nach demCalcinierendesKalks(CaCO₃) zuCalciumoxid,bei dem CO₂freigesetzt wird, durch teilweisesSinternaus diesen HauptbestandteilenMineralien,die für die besonderen Eigenschaften von Zement von entscheidender Bedeutung sind. Die wichtigsten dieser Verbindungen sind:

• Tricalciumsilikat (Alit),bauchemisch kurzC₃S (allgemeine chemische Formel 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 von Zement mit Wasser (Hydratation) wachsen einerseitsCalciumsilicathydrat-Fasern, kurzCSHoder C₃S₂H₃(3 CaO · 2 SiO₂· 3 H₂O), und andererseits bildet sichPortlandit,kurz CH (Ca(OH)₂), der dem Endprodukt eine hoheAlkalitätmit einempH-Wertvon 12–14 verleiht.

Hydratation und Festigkeitsentwicklung

Zement ist, im Gegensatz zu (Luft-)Kalkmörtel,ein hydraulisches Bindemittel. Als hydraulisch werden Stoffe angesehen, die sowohl an derLuftals auch unter Wasser erhärten und auch beständig sind. Er erhärtet nicht wie Luftkalk unter Aufnahme vonKohlenstoffdioxidaus der Luft, sondern reagiert mitWasserunter 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.

Nebenreaktionen der Hydratation 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 unter Bildung von weiterem Calciumsilikathydrat sowie gegebenenfallsCalciumaluminathydraten,Hydrogranaten,Strätlingit oderEttringit-Phasen.
• Bildung vonWollastonit(Calciumsilicat).

Das Erstarren und Erhärten des Zements beruht auf der Bildung wasserhaltiger Verbindungen, die bei der Reaktion zwischen den Zementbestandteilen und dem Zugabewasser entstehen. Im Allgemeinen wird Zement in verhältnismäßig wasserarmen, plastischen Gemischen mitWasserzementwertenzwischen etwa 0,3 und 0,6 verwendet. Die Reaktion wird als Hydratation, die Reaktionsprodukte werden als Hydrate oder Hydratphasen bezeichnet. Eine Folge der unmittelbar einsetzenden Reaktionen ist einAnsteifendes 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 desErstarrens.Die zeitlich anschließende weitere Verfestigung des Zementleims gilt als Erstarren, die danach fortschreitende Verfestigung wirdErhärtengenannt.

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 densilicatischen Zementenin erster Linie Calciumsilicathydrate und beimTonerdezementCalciumaluminathydrate. Weitere Hydratationsprodukte sindCalciumhydroxid,Calciumferrithydrate,sulfathaltige Hydrate und verwandte Verbindungen wieHydrogranatundGehlenithydrat.

Silicatische Zemente bestehen zu über 70 % 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- undEisenoxidesowieSulfate,daher bilden sich auch Calciumaluminathydrate, Calciumferrithydrate und sulfathaltige Verbindungen sowie auch komplexere Hydratationsprodukte. DerpH-Wertder 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 säulenförmigeEttringitkristalle.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 als chemische Reaktionsgleichung darstellen:

• C3S:$\mathrm {\ 2\ (3\ CaO\cdot SiO_{2})+6\ H_{2}O\longrightarrow (3\ CaO\cdot 2\ SiO_{2}\cdot 3\ H_{2}O)+3\ Ca(OH)_{2}}$
• C2S:$\mathrm {\ 2\ (2\ CaO\cdot SiO_{2})+4\ H_{2}O\longrightarrow (3\ CaO\cdot 2\ SiO_{2}\cdot 3\ H_{2}O)+Ca(OH)_{2}}$
• C3A:$\mathrm {\ (3\ CaO\cdot Al_{2}O_{3})+12\ H_{2}O+Ca(OH)_{2}\longrightarrow (4\ CaO\cdot Al_{2}O_{3}\cdot 13\ H_{2}O)}$
• C4AF:$\mathrm {\ (4\ CaO\cdot Al_{2}O_{3}\cdot Fe_{2}O_{3})+13\ H_{2}O\longrightarrow (4\ CaO\cdot Al_{2}O_{3}\cdot Fe_{2}O_{3}\cdot 13\ H_{2}O)}$

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 “.

Umwelt- und Klimaschutz

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

Emissionen

Bis in die 1960er Jahre galten Zementwerke als „Dreckschleudern “, die eine große Menge anStaubundAbgasenin die Umwelt leiteten. Obwohl Zementwerke immer noch viermal so viel CO₂freisetzen wie der weltweite Flugverkehr zusammen,verbesserte sich der Umweltschutz bei der Zementherstellung danach deutlich, indem modernereFilteranlagendie Staubemissionebenso drastisch senkten wie die Weiterentwicklung der Drehrohröfen und der Feuerungstechnologie den Energieverbrauch und den Ausstoß schädlicher Abgase wieSchwefeldioxid(SO₂),Kohlenstoffdioxid(CO₂) undStickoxiden(NO_x). Letztere werden durch sogenannte „SNCR-Verfahren “(Selektive nichtkatalytische Reduktion) aus den Abgasen entfernt.

Ein sich mit zunehmendemTreibhauseffektverschärfendes Problem ist allerdings der hohe Ausstoß von Kohlendioxid. Die Zementindustrie gehört zu den Hauptemittenten vonTreibhausgasen,die dieglobale Erwärmungbewirken. Weltweit werden jährlich 4,1 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 drei Milliarden Tonnen CO₂oder etwa 6 bis 8 % des jährlichen CO₂-Ausstoßes.Wäre die globale Zementindustrie ein Land, so wäre sie der drittgrößte Emittent weltweit – nach der Volksrepublik China und den Vereinigten Staaten. Um die Vorgaben desPariser Klimaabkommenszu erfüllen, müssten die jährlichen Emissionen der Zementindustrie bis zum Jahr 2030 um mindestens 16 Prozent sinken. Dementsprechend werden Überlegungen angestellt, Zement mit umweltverträglicheren Methoden herzustellen.

Siehe auch:Beton#CO2-Emissionen

Es gibt Ansätze für neue Herstellungsprozesse, die deutlich weniger CO₂freisetzen.Zur Einsparung fossiler Brennstoffe wieKohle,ErdgasundErdölwerden zum Teil sogenannte Sekundär- oderErsatzbrennstoffeeingesetzt. Diese alternativen flüssigen und festen Brennstoffe wie Altöl oder Lösemittel, wie auch aufbereiteterHaus-und Gewerbemüll,Autoreifen,Klärschlamm,Tiermehl,Altholzoder andereBiomassenwerden im Drehrohrofen aufgrund der oxidierenden Bedingungen und extrem hohen Temperaturen (Flammentemperatur > 2.000 °C) ohne die Entstehung zusätzlicher schädlicher Abgase verbrannt. Die Emissionen unterliegen den Standards der EU-Mit-Verbrennungsrichtlinie 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 sogenannterSekundärbrennstoffeim 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 vorigesSchreddern) im Ofeneinlauf des Drehrohrofens thermisch und – wegen der Eisenkarkasse – stofflich genutzt.

Eine befürchtete Emission vonDioxinen oder Furanenkonnte bis heute wissenschaftlich nicht belegt werden, da der hohe basische Calciumanteil, die Abgasatmosphäre sowie die dafür ungünstigen Temperaturbedingungen im geschlossenen System die sogenannteDe-novo-Syntheseverhindern.

Energie- und Rohstoffverbrauch

Die Herstellung von Zementklinker erfordert einen großen Energieeinsatz. Ein gewisser Anteil des Zementklinkers lässt sich durch Zumahlstoffe mitpuzzolanischenEigenschaften ersetzen. Das Ergebnis sind sogenannteKompositzemente.Bislang wurden häufigHüttensandundFlugascheeingesetzt, bei denen es sich um Rest- und Abfallstoffe aus anderen Industriezweigen handelt, deren Verfügbarkeit aber rückläufig ist.

Kalzinierter Tonwird in Zukunft voraussichtlich zum wichtigstenKompositmaterial(auchSCM,supplementary cementitious material) zur Herstellung von Kompositzement.Tonmineralesind weltweit fast uneingeschränkt verfügbar. Die Verwendbarkeit hängt von den genauen Inhaltsstoffen und der Reinheit des Tons ab, der überwiegend ausKaolinit,IllitundMontmorillonitbesteht.

Die Wärmeenergiebilanz des Herstellungsprozesses von Zementklinker hat sich durch die Nutzung von Abwärme aus dem Drehrohrofen, beispielsweise zur Mahltrocknung und zum Vorwärmen des Rohmehls, verbessert.

Die Gewinnung der Rohstoffe für die Zementherstellung führte in manchen Regionen zur Vertreibung der indigenen Bevölkerung, zum Verlust ihrer Lebensgrundlage und zur Zerstörung der natürlichen Landschaften.

Schwermetall-Belastung

Besonderes Augenmerk wird auf die Emission von flüchtigenSpurenelementenundSchwermetallen,wieQuecksilber,CadmiumoderThalliumgelegt, während alle schwer- und nicht flüchtigen Spurenelemente durch den frisch entsäuertenKalksteinadsorptivgebunden werden (Prinzip derTrockensorption). In Zementen enthaltene löslicheChromatekönnen eine Allergie, die so genannteMaurerkrätzeauslösen, wobei der hohe basische pH-Wert der wässrigen Lösung die Reizung der Haut verstärkt.

Vorsichtsmaßnahmen bei der Verarbeitung

Sicherheitshinweise
Name	Zement
CAS-Nummer	65997-15-1
EG-Nummer	266-043-4
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr H- und P-Sätze H:315​‐​318​‐​335 P:280​‐​305+351+338+310​‐​302+352​‐​333+313​‐​261​‐​304+340+312

Unter Einfluss von Wasser entsteht im Zement eine Lauge mit hohempH-Wertvon bis zu 13, die zu schweren Verätzungen undNekrosenan Haut oder Augen führen kann (Zementbrand).Da die Symptome oft erst nach Stunden auftreten, wird die Gefahr oft zu spät erkannt. Daher sollten bei der Verarbeitung von Zement Brille und Handschuhe getragen werden.Sollten bei der Verarbeitung von Zement Kleidung oder Handschuhe durch dieZementlaugedurchnässt werden, sollten diese gewechselt werden.

Wirtschaftliche Aspekte

Zementindustrie in Deutschland

Die Zementindustrie in Deutschland gliedert sich in 22 Unternehmen, die zusammen 55 Zementwerke betreiben. Mit ca. 7.900 Mitarbeitern haben die deutschen Zementwerke im Jahr 2014 rund 32 Millionen Tonnen Zement hergestellt und dabei einen Umsatz von rund 2,5 Milliarden Euro erzielt. 1,2 Millionen Tonnen Zement wurden 2014, vorwiegend aus den europäischen Nachbarländern, importiert. Gleichzeitig exportierten die deutschen Hersteller rund 6,1 Millionen Tonnen Zement. Die Investitionsquote der Hersteller lag bei rund 6,5 Prozent.

Zementindustrie in der Schweiz

In derSchweizwerden jährlich rund 5 Millionen Tonnen Zement verbraucht. 2019 wurde der Bedarf zu 86 Prozent durch die sechs schweizerischen Zementwerke und zu 14 Prozent durch Importe gedeckt.

Verbraucher

Den größten Bedarf an Zement hat dieVolksrepublik China.

Der Jahresverbrauch an Zement ist eine wichtige Kenngröße zur Intensität wie auch der Art der Bautätigkeit in einer Region. In Ländern wieIndonesienwerden nur ca. 15 bis 20 kg pro Einwohner jährlich benötigt; in Ländern wieSingapuroder den arabischen Ländern kann der Verbrauch mehr als 2.000 kg pro Einwohner im Jahr betragen. Der Verbrauch inDeutschlandbeträgt etwa 350 kg pro Einwohner im Jahr, der derSchweizist etwa doppelt so hoch.

Produzenten

Die größten Zementhersteller weltweit (2017 bzw. * 2015)

Rang	Land	Produktion (in Mio.t)	Rang	Land	Produktion (in Mio. t)
1	China VolksrepublikVolksrepublik China	2.400,0	10	RusslandRussland	58,0
2	IndienIndien	280,0	11	IranIran	56,0
3	Vereinigte StaatenVereinigte Staaten	86,3	12	BrasilienBrasilien	54,0
4	VietnamVietnam	78,0	13	JapanJapan	53,0
5	TurkeiTürkei	77,0	14	MexikoMexiko*	35,0
6	IndonesienIndonesien	66,0	15	ThailandThailand*	35,0
7	Saudi-ArabienSaudi-Arabien	63,0	16	DeutschlandDeutschland*	32,0
8	Korea SudSüdkorea	59,0	17	PakistanPakistan*	32,0
9	AgyptenÄgypten	58,0	18	ItalienItalien*	23,0

Siehe auch

• Puzzolanische Reaktion
• Zementation (Geologie)

Literatur

• Lothar Müller:Portlandzement.In:Chemie in unserer Zeit.Band7,Nr.1,1973,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.
• Wilhelm Scholz, Wolfram 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.

Weblinks

Commons:Zement– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Zement– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Lucienne Hubler:Zement.In:Historisches Lexikon der Schweiz.
• Literatur von und über Zementim Katalog derDeutschen Nationalbibliothek
• Zementmerkblatt B1: Zemente und ihre Herstellung(PDF-Datei; 309 kB)
• Zement-Taschenbuch, 50. Auflage 2002(PDF-Datei; 7,3 MB)
• Initiative für Nachhaltigkeit in der deutschen Zementindustrie
• Virtuelle Zementfabrik
• Deutsches Zementmuseum in Hemmoor an der Oste
• Die Entwicklung des deutschen Cementes,Der Architekt,1895

Verbände

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