Zement
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Zement(über älteresCementundcementumwohl gebildet auslateinischcaementum„Bruchstein “, „Stein “, „Baustein “, voncaedere„brechen “[1]) 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 2017[2]ist 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 1450 °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 zusammen mit der CO2-Freisetzung durch die eingesetzte Prozess-Energie ein Ausstoß von ca. 2,7 Milliarden Tonnen CO2oder rund 8 % des jährlichen CO2-Ausstoßes,[3]was dem Vierfachen des gesamtenLuftverkehrsentspricht.[4]
Bezogen auf alle Treibhausgasemissionen weltweit entspricht der Anteil der Zementproduktion 3 % (Stand 2020).[5]
Geschichte
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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.[6]
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.[7]
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 “.[8]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.[9]
1917 wurde derDeutsche Zement-Bundin Berlin gegründet.
Herstellungsprozess
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b2/Zementwerk.jpg/220px-Zementwerk.jpg)
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.
Einteilung und Eigenschaften
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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.[10]
Arten, Festigkeit und Verwendung nach EN 197 und DIN 1164
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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 |
Anforderungen an Zemente (wie z. B. die Druckfestigkeit, chemische Zusammensetzung) werden inEuropadurch dieEuropäische NormEN 197-1 geregelt. Es wird zwischen drei verschiedenen Festigkeitsklassen unterschieden, mit Normfestigkeiten von 32,5, 42,5 und 52,5 MPa 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 Baustellen 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 in EN 197-1 27Normalzementartenüber die prozentualen Gewichtsanteile der Ausgangsstoffe definiert.
Die Überarbeitung der europäischen Zementnorm EN 197-1 zur Aufnahme neuer, klinkerärmerer und damit klimafreundlicherer Zemente („CEM II/C “, „CEM VI “…)[12]verzögerte sich in der Vergangenheit aus legistischen Problemen immer wieder.[13]Daher wurde 2021 mit derEuropäischen NormEN 197-5 ein eigenes Dokument veröffentlicht.[14]Da diese Norm nicht imAmtsblatt der Europäischen Unionverlautbart wurde, handelt es sich um keineharmonisierte Normim Sinne derBauproduktenverordnung.
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).
In Österreich werden Zusatzanforderungen an Zemente für besondere Verwendungen inÖNORMB 3327-1 näher definiert.[15]
Portlandzement
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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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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.[16]
- Trasszement
- Trasszementwird unter Beimischung des natürlichenPuzzolansTrasshergestellt und ergibt einen wasserdichteren Mörtel als Portlandzement. Er wird zum Vermauern vonNatursteinengenutzt, da er wenigerAusblühungenzeigt.
- 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
- 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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- 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.[17]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)[18][19].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.[20][21]
Zusammensetzung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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:
- C2S:
- C3A:
- C4AF:
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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/76/Weltweite-co2-produktion-durch-zementherstellung.png/220px-Weltweite-co2-produktion-durch-zementherstellung.png)
Emissionen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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,[22]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(NOx). 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.[23][24]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.
Es gibt Ansätze für neue Herstellungsprozesse, die deutlich weniger CO2freisetzen.[22][25][26][27][28]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 %.[29]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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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.[16]
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.[16]
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.[30][31]
Schwermetall-Belastung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Sicherheitshinweise | ||||||||
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Name |
Zement | |||||||
CAS-Nummer | ||||||||
EG-Nummer |
266-043-4 | |||||||
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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).[33]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.[34]Sollten bei der Verarbeitung von Zement Kleidung oder Handschuhe durch dieZementlaugedurchnässt werden, sollten diese gewechselt werden.
Wirtschaftliche Aspekte
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Zementindustrie in Deutschland
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Die Zementindustrie in Deutschland gliedert sich in 21 Unternehmen, die zusammen 53 Zementwerke betreiben. Mit ca. 7.900 Mitarbeitern haben die deutschen Zementwerke im Jahr 2022 rund 32 Millionen Tonnen Zement und 23 Millionen Tonnen Klinker hergestellt und dabei einen Umsatz von rund 3,4 Milliarden Euro erzielt. 1,0 Millionen Tonnen Zement wurden 2022, vorwiegend aus den europäischen Nachbarländern, importiert. Gleichzeitig exportierten die deutschen Hersteller rund 6,2 Millionen Tonnen Zement. Die Investitionsquote der Hersteller lag 2021 bei rund 8,5 Prozent.[35]
Zementindustrie in Österreich
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]In Österreich sind Zementwerke vorwiegend im Bereich der Kalkalpen angesiedelt. An acht Standorten (Stand 2024) stehen Anlagen zum Brennen von Zementklinker zur Verfügung.[36]In Österreich werden jährlich rund 4,4 Millionen Tonnen Zement und 3,1 Millionen Tonnen Zementklinker hergestellt (Stand 2023).[37]
Zementindustrie in der Schweiz
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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.[38]
Verbraucher
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Rang | Land | Produktion (in Mio.t) |
Rang | Land | Produktion (in Mio. t) |
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1 | ![]() |
2.400,0 | 10 | ![]() |
58,0 |
2 | ![]() |
280,0 | 11 | ![]() |
56,0 |
3 | ![]() |
86,3 | 12 | ![]() |
54,0 |
4 | ![]() |
78,0 | 13 | ![]() |
53,0 |
5 | ![]() |
77,0 | 14 | ![]() |
35,0 |
6 | ![]() |
66,0 | 15 | ![]() |
35,0 |
7 | ![]() |
63,0 | 16 | ![]() |
32,0 |
8 | ![]() |
59,0 | 17 | ![]() |
32,0 |
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58,0 | 18 | ![]() |
23,0 |
Siehe auch
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Literatur
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- 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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- 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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Verein Deutscher Zementwerke e. V.
- Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie
- Verband der Schweizerischen Cementindustrie
- VDZ – Darstellung der Geschichte
Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑Udo Benzenhöfer:Johannes’ de Rupescissa„Liber de consideratione quintae essentiae omnium rerum “deutsch. Studien zur Alchemia medica des 15. bis 17. Jahrhunderts mit kritischer Edition des Textes(Heidelberger Studien zur Naturkunde der frühen Neuzeit.Band 1). Steiner, Wiesbaden/Stuttgart 1989,ISBN 3-515-05388-3(Zugleich Philosophische Dissertation, Universität Heidelberg, 1988), S. 180(Cement).
- ↑Statista: Produktion von Zement nach den wichtigsten Ländern weltweit im Jahr 2017
- ↑Kohlendioxidausstoß bei Zementproduktion kann langfristig drastisch reduziert werden.Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 9. November 2021,abgerufen am 20. August 2024.
- ↑"Klimakiller Zement".Heinrich-Böll-Stiftung, 4. Mai 2021,abgerufen am 20. August 2024.
- ↑Hannah Ritchie:“Sector by sector: where do global greenhouse gas emissions come from?”In:Our World In Data.Global Change Data Lab, 18. Dezember 2020,abgerufen am 6. August 2024(englisch).
- ↑Florian Riepl:Die wirtschaftliche und technologische Entwicklung der Zementindustrie unter besonderer Berücksichtigung der Verdienste von Hans Hauenschild.Wien Juni 2008, Die Geschichte der Zemententwicklung von den frühen Anfängen bis zur Erfindung des Portlandzements – 3.6 Die Entwicklung des Portlandzements,S.23ff.(pdf,othes.univie.ac.at – Diplomarbeit).
- ↑stadtentwicklung.berlin.de
- ↑Fritz Becker:Die Industrialisierung im Eisenbetonbau.Dissertation.TH Karlsruhe,Karlsruhe 1930, S. 9.
- ↑Karl-Eugen Kurrer:100 Jahre Normen im Stahlbetonbau.In:Beton- und Stahlbetonbau.Band 98, H. 12, 2003, S. 794–808, S. 795.
- ↑Dichte und Schüttdichte,Heidelberger Zement.Abgerufen im November 2021. In: Betontechnische-Daten.de
- ↑Zementeigenschaften – Druckfestigkeit.HeidelbergCement, archiviert vom (nicht mehr online verfügbar) am8. August 2013;abgerufen am 15. Juli 2018.
- ↑Christoph Müller:Schritte zur weiteren Reduzierung des Klinker/Zement-Faktors: Klinkereffiziente Zemente – ein wichtiger Baustein auf dem Weg zur Dekarbonisierung von Zement und Beton.In:Beton.Band72,Nr.9,2022,S.302–307.
- ↑Construction Products Regulation.In:Cembureau.Cembureau,abgerufen am 20. August 2024(englisch).
- ↑X. Guillot, F. Van Rickstal, M. Schneider:Recent advances on European cement standards prepared by CEN TC51 for more sustainable products.In:The 16th International Congress on the Chemistry of Cement 2023 (ICCC2023).Bangkok September 2023 (englisch).
- ↑Austrian Standards International (Hrsg.):ÖNORM B 3327-1: Zemente gemäß ÖNORM EN 197-1 für besondere Verwendungen - Teil 1: Zusätzliche Anforderungen.1. Juli 2005.
- ↑abcAndré Trümer:Calcinierte Tone als Puzzolane der Zukunft ‒ Von den Rohstoffen bis zu den Eigenschaften im Beton,Fakultät Bauingenieurwesen der Bauhaus-Universität Weimar.
- ↑Celitement: Energieeffiziente Baumaterialien – Bindendes Versprechen an die Umwelt(vom 20. Oktober 2012 imInternet Archive)
- ↑Deutscher entwickelt „Grünen Beton “,rp-online, 30. August 2012.
- ↑Carolin Lutz:Ein neues Konzept zur online-Spektroskopie-basierten Optimierung der Produktqualität des Hochleistungszementes Celitement.Karlsruher Institut für Technologie - Institut für Angewandte Informatik, Eggenstein-Leopoldshafen 16. Dezember 2016,DNB1123146152,S.12.
- ↑Neuer Zement schont Klima und Ressourcen: Partner unterzeichnen Gründungsvertrag für die Celitement GmbH.auf:chemie.de,23. Februar 2009.
- ↑Grüner Zement,KIT Presseinformation 143/2009
- ↑abDietmar Hipp:Kurzer Prozess.Der Spiegel,2. August 2010,abgerufen am 11. Oktober 2013.
- ↑Chatham House Report: Making Concrete Change: Innovation in Low-carbon Cement and Concrete.Chatham House,13. Juni 2018,abgerufen am 19. Mai 2019(englisch).
- ↑Treibhausgasemissionen des Industriesektors in Deutschland nach Branchen im Jahr 2019,Statista.Die Zementklinkerproduktion ist Stand 2019 die drittgrößte Quelle für industrielle Treibhausgasemissionen in Deutschland, mit 20 Millionen TonnenCO2-Äquivalentjährlich.Abgerufen am 12. Januar 2021.
- ↑Mineral Commodities Summary.(PDF) USGS,abgerufen am 12. Juni 2018(englisch).
- ↑Lucy Rodgers:Climate change: The massive CO2 emitter you may not know about.BBC News, 17. Dezember 2018,abgerufen am 19. Mai 2019(englisch).
- ↑n-tv.de
- ↑cleanthinking.de
- ↑Daniel Bütler:Schweizer Zementwerke: Amtlich bewilligte Giftschleudern.In:beobachter.ch.4. Juli 2019,abgerufen am 1. August 2019.
- ↑Indigene Gemeinschaft Sedulur Sikep und ihr Kampf gegen HeidelbergCement mit Menschenrechtspreis geehrt.Abgerufen am 15. November 2019.
- ↑Anett Keller:Umweltzerstörung in Indonesien: Bauern gegen Zementwerke.In:Die Tageszeitung: taz.17. Dezember 2012 (taz.de[abgerufen am 15. November 2019]).
- ↑abEintrag zuZementin derGESTIS-StoffdatenbankdesIFA,abgerufen am 28. März 2019.(JavaScript erforderlich)
- ↑Zementbrand: Nach dem Estrich in die Hautklinik.In:Ärzte-Zeitungonline.28. August 2012,abgerufen am 19. April 2015.
- ↑Gesundheitsrisiken für Heimwerker.ERGO-Versicherungsgruppe,20. März 2013, archiviert vom (nicht mehr online verfügbar) am4. Februar 2015;abgerufen am 15. Juli 2018.
- ↑Verein Deutscher Zementwerke e. V. (Hrsg.):Zahlen und Daten 2023 – Zementindustrie in Deutschland.2023,ISBN 978-3-926509-45-1.
- ↑Zementerzeugung.Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie (VÖZ),abgerufen am 6. August 2024.
- ↑Kennzahlen der Zementindustrie 2023.Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie (VÖZ),abgerufen am 6. August 2024.
- ↑Zementherstellung – Bericht zu Rohstoffbedarf und Versorgungssituation in der Schweiz.Bundesamt für Landestopografie swisstopo,18. Dezember 2020,abgerufen am 2. Februar 2021.
- ↑Global cement production top countries 2017 | Statistic.Abgerufen am 2. Juli 2018(englisch).