Zement

Erfahrungen & Bewertungen zu Tobias Beuler

Ohne das Produkt Zement kann kein Beton hergestellt werden. Wir möchten hier aufzeigen, wie wichtig Zement ist und welche Geschichte sich dahinter verbirgt. Des Weiteren möchten wir auf die Rohmaterialien eingehen und wie das Produkt fachgerecht genutzt wird.  

Was ist Zement?

Beim Produkt Zement handelt es sich um ein mineralisches Pulver, welches feingemahlen und grau ist. Um Zement herzustellen, werden die folgenden Rohstoffe benötigt: Kalkstein, Ton und Mergel. Sobald Zement mit Wasser vermischt wird, kann er als Kleber eingesetzt  Sand, Kies und gebrochenen Hartgestein kleben. Die Rede ist dann von Beton, Zement kann sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärten und bleibt danach fest. Beim Vermischen mit Wasser müssen die Sicherheitshinweise beachtet werden, denn das Anmachwasser wird alkalisch mit einem ph-Wert von mehr als 12.

Das homogene Massengut Zement hat genormte Produktionseigenschaften. So kann die erforderliche Stabilität, die Verarbeitbarkeit bei den Anwendungen und die Zuverlässigkeit beim Baustoff Zement garantiert werden.

Je nach Zusammensetzung sowie Früh- und Endfestigkeit wird Zement unterschieden. Es gibt Zemente, die bestehen zu 100 % aus Klinker, aber auch solche, bei denen ein Teil des Klinkers durch alternative Rohstoffe (Flugasche, Kalkstein oder gemahlene Schlacke) ersetzt wurde. Die Rede ist dann von Komposit-Zement.

Geschichte des Zements

Opus caementicium ist die lateinische Bezeichnung für das deutsche Wort Zement. Den Römern war dieses Wort schon mehr als 2.000 Jahren bekannt. Damals handelte es sich jedoch um ein betonartiges Mauerwerk, welches durchaus als Vorläufer des heutigen Betons angesehen werden kann. Der Zement bestand damals aus gebranntem Kalk als Bindemittel sowie aus Sand, Steinen und Puzzolanen als Zuschlag. Der damalige Zement war widerstandsfähig gegen Wasser, weshalb er zum Bau von Hafenmolen und Wasserleitungen verwendet wurde. Ebenfalls eingesetzt wurde Zement zum Bau von Fundamenten sowie bekannte Bauwerke (Pantheon, Kolosseum).

Jahre später wurden mit dem Begriff cementum die Zuschlagstoffe Ziegelmehl, vulkanische Asche und Puzzolane bezeichnet. Diese wurden dem gebrannten Kalk zugesetzt, um ein hydraulisches Bindemittel zu bekommen.

Der Engländer John Smeaton hat die Bedeutung des Tongehaltes für die hydraulischen Eigenschaften des Zement (Romanzement) entdeckt. Zement ist seit damals nicht mehr Zuschlagstoff, sondern Bindemittel der Baustoffe.

Durch die Wiederentdeckung der römischen Zemente und der Erfindung des künstlichen hydraulischen Kalks hat der Franzose Louis-Joseph Vicat die Grundlagen für die Entwicklung von Zement und Kalkmörtel gelegt.

Der Engländer Joseph Aspdin gilt als eigentlicher Erfinder des Portlandzements, wofür er 1824 ein Patent erhielt. In der Patentschrift wurde der Ausdruck Portland cement verwendet. Dabei hat sich die Bezeichnung an den Portland-Stein, einen Kalkstein der Halbinsel Portland angelehnt. Dieser Kalkstein wurde als Werkstein abgebaut und war den Kunstprodukten, die aus Portland-Zement hergestellt wurden, farblich sehr ähnlich.

Aus heutiger Sicht war der Portland cement noch kein Zement, sondern vielmehr ein künstlicher Romanzement. Als Erster hat Issac Charles Johnson im Jahre 1844 dessen Bedeutung erkannt und später mit einem verbesserten Verfahren als echten überbrannten Portland-Zement in das Baugewerbe gebracht. Aufgrund seiner Härte hat er dort den Romanzement schnell verdrängt.

Das erste deutsche Zementwerk wurde in Ulm 1838 vom Apotheker Gustav Ernst Leube und seinem Bruder gegründet. In Uetersen wurde der erste deutsche Portlandzement nach englischem Vorbild hergestellt. Die Grundlage wurde dabei von Hermann Bleibtreu gelegt, der zwei Zementwerke in Stettin und in Oberkassel errichtete. Einen deutlichen Einfluss auf die weitere Entwicklung der Zemente hatte Wilhelm Michaelis. In seinem Buch, welches 1868 erschien, machte er genaue Angaben über die Zusammensetzung des Rohstoffgemisches der Zemente. Eines der ältesten bestehenden Bauwerke mit Portland-Zement ist die Alte Schmiede in Berlin, welche 1871 von der Berliner Cement AG erbaut wurde.

Alle 23 bestehenden deutschen Portlandzement-Fabrikanten haben sich 1877 zum Verein Deutscher Portland-Cement-Fabrikanten zusammengeschlossen, um alle wichtigen technischen und wissenschaftlichen Fragen zu klären. 1876 wurde in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Verein für Fabrikation von Ziegeln, Tonwaren, Kalk und Zement die Ausarbeitung eines einheitlichen Prüfverfahrens sowie die Aufstellung von Vorschriften für die Qualität des Zements in Angriff genommen. In Verbindung mit den Architektenvereinen, dem Berliner Baumarkt sowie der Ziegelindustrie wurden die ersten preußischen Normen zur Prüfung des Portlandzements im Jahre 1878 herausgegeben. Danach waren diese für alle staatlichen Bauten vorgeschrieben.

Herstellungsprozess

In modernen Zementwerken wird Zement aus überwiegend natürlichen Rohstoffen hergestellt. Die Anlagen für das Trockenverfahren schaffen dabei zwischen 3.000 bis 10.000 Tonnen pro Tag. Als Vorgänger dieses Verfahrens gilt das Nass- und Halbnassverfahren. Hierbei wird der Bruchstein im nassen Zustand vermahlen und gemischt. Da beim anschließenden Trocken sehr viel Energie aufgewendet werden muss, ist diese Verfahren heutzutage nicht mehr konkurrenzfähig.

Die Rohstoffe (Kalkstein, Sand und Ton) werden in Steinbrüchen abgebaut und in Brechern vor zerkleinert. Danach werden sie in das Zementwerk befördert. Das entstandene Rohmehl wird in einem Drehrohrofen bei ca. 1450 Grad zu Klinker gebrannt, der dann in einem Kühler auf unter 200 Grad heruntergekühlt wird. Die graubraunen Granalien, die dabei entstehen, werden danach in einer Kugelmühle mit Gips und Anhydrit zu Zement vermahlen.

Durch das zumahlen von verschiedenen Zusatzstoffen (Hüttensand, Flugasche, Puzzolan und Kalkstein) können verschiedene physikalische und chemischen Eigenschaften erreicht werden.

Zusammensetzung

Je nach Zusammensetzung entsteht Zement mit besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften.

Nach dem Calcinieren des Kalks zu Calciumoxid beim Brennprozess im Drehrohrofen wird CO2 freigesetzt. Durch Sintern entstehen aus den Hauptbestandteilen Mineralien, die durch ihre Eigenschaften für Zement von besonderer Bedeutung sind.

Portlandzementklinker

Zementklinker ist der einzige Hauptbestandteil von Portlandzement und war im 20. sowie im frühen 21. Jahrhundert das dominierende Bindemittel in Beton. Dies hat sich aufgrund der hohen Temperaturen (hoher Brennstoff-Energieeinsatz) und den prozessbedingten CO2-Emissionen bei der Entsäuerung des Kalksteins geändert. Bei Bindemitteln auf Basis von Portlandzementklinker spielen Ersatzstoffe eine immer größere Rolle.

Hüttensand

Hüttensand entsteht bei der Granulation der flüssigen Hochofenschlacke mit Wasser und/oder Luft. Der feinkörnige Hüttensand (< 5 mm) ist ein glasiges Nebenprodukt, das bei der Roheisenherstellung im Hochofen entsteht.

Zement mit einem Anteil von mehr als 36 % Hüttensand wird daher auch als Hochofenzement bezeichnet.

Natürliche Puzzolane

Bei den natürlichen Puzzolanen handelt es sich um kieselsäurehaltige oder kieselsäure- und tonerdehaltige natürliche bzw. künstliche Gesteine ohne eigenes Bindevermögen. Diese dürfen höchstens bei 150 Grad getrocknet werden.

Kieselsäurereiche Flugasche

Hierunter werden die kieselsäure- oder kalkreichen und staubartigen Verbrennungsrückstände von Kohlenstaub verstanden. Bei der Verbrennung von Steinkohle entsteht Flugasche.

Gebrannter Schiefer

Der gebrannte Schiefer entsteht beim Verbrennen von natürlichem Ölschiefer in einem speziellen Ofen. Die Temperaturen liegen bei ca. 800 Grad. Fein gemahlen wirkt der gebrannte Schiefer stark hydraulisch.

Eigenschaften

Im Vergleich mit Kalkmörtel handelt es sich bei Zement um ein hydraulisches Bindemittel. Stoffe, die sowohl an der Luft als auch unter Wasser erhärten und fest bleiben, werden als hydraulisch bezeichnet. Zement erfüllt diese Eigenschaften. Er wird nicht unter Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Luft hart, sondern er reagiert mit Wasser. Dabei bilden sich stabile und unlösbare Verbindungen, welche als Hydrate aus Calciumsilicaten bezeichnet werden. Es bilden sich aus den Calciumsilicaten feine nadelförmige Kristalle, die sich untereinander verzahnen und so zur hohen Festigkeit des Zements führen. Durch diese Eigenschaften wird Zement zu einem Bindemittel, welches den hohen Anforderungen im Baugewerbe gerecht wird.

Zement Arten

Neben dem Zement mit Klinker gibt es auch noch andere Zementarten. Ihr Anwendungsbereich ist allerdings deutlich beschränkt.

Portlandzement

Bei Portlandzement handelt es sich um ein feingemahlenes Pulver. Dieses besteht in erster Linie aus Calciumsilicaten und aus wenigen Calciumaluminaten. Diese Zementart lässt sich wiederum in verschiedene Unterarten aufteilen.

Portlandzement besteht aus rund 58 bis 66 % Calciumoxid, 18 bis 26 % Siliciumoxid, 4 bis 10 % Aluminiumoxid und ca. 2 bis 5 % Eisenoxid.

Sonder- und Kompositzemente

Beim Kompositzement wird der Anteil des Zementklinkers durch andere Stoffe ersetzt. Außer natürlichem Trassgestein können auch Nebenprodukte aus industriellen Brennprozessen verwendet werden. Zumeist wird Hüttensand oder Flugasche verwendet. In der Zukunft wird der gebrannte Ton, welcher beim Abriss von Altbauten durch die gebrannten Ziegel anfällt, eine große Rolle spielen.

Bei diesen Zementarten wird unterschieden in:

  • Trasszement

  • Tonerdezement

  • Schnellzement

  • Spritzzement

  • Faserzement

  • Weißzement

Spezialzemente

Hiermit sind gemeint:

  • Thurament – ein spezieller Zement aus der Hochofenschlacke bzw. Hüttensand mit einem Anteil Gips aus Thüringen.

  • Celitement – Im Gegensatz zu herkömmlichen Zement weist dieser eine günstigere Stoff-  und Energiebilanz auf. Er wird bei weniger als 300 Grad hergestellt, ist aber ähnlich robust und fest wie herkömmlicher Zement.

Zement und Umweltschutz

Zementwerke galten bis Ende der 60er Jahre als wahre Dreckschleudern, die große Mengen an Staub und Abgasen in die Umwelt leiteten. Mittlerweile hat sich der Umweltschutz bei der Zementherstellung deutlich verbessert, auch wenn Zementwerke nach wie vor 4-mal so viel Co2 freisetzen wie der komplette Flugverkehr auf der ganzen Welt. Dies liegt an den modernen Filteranlagen, die dafür sorgen, dass Staubemissionen drastisch reduziert werden.

Aufgrund des Treibhauseffektes ist der hohe Ausstoß von Kohlendioxid weiterhin ein großes Problem. Auch heute gehört die Zementindustrie zu den größten Produzenten von Treibhausgasen, welche sich auf die globale Erwärmung auswirken. Auf der ganzen Welt werden jährlich rund 4,1 Milliarden Tonnen Zement hergestellt. Im Schnitt enthalten diese rund 60 % CaO, das sind mindestens drei Milliarden Tonnen des CO 2-Ausstoßes. Damit die Vorgaben des Pariser Klimaabkommens erfüllt werden können, müssen bis zum Jahr 2030 die jährlichen Emissionen der Zementindustrie um wenigstens 16 % sinken. Daher wird über Möglichkeiten nachgedacht Zement mit umweltverträglicheren Methoden herzustellen.

Fazit zum Zement

Auch wenn Zement heute noch als Klimasünder gilt, kann gesagt werden, dass Zement immer besser wird. Mittlerweile gibt es rund 30 Arten und es werden immer mehr.

Die Lösung könnte Grüner Zement sein. Dazu soll kein Drehrohrofen mit mehr als 1.400 Grad mehr beheizt werden, sondern eher eine Art Dampfkochtopf mit gerade einmal 300 Grad. Dadurch soll die Herstellung von Zement umweltverträglicher werden. Es wird deutlich weniger Energie benötigt und dabei nur ca. halb so viel Kohlendioxid produziert. Die erste Pilotanlage ist bereits in Betrieb.

Autor Tobias Beuler

Aktualisiert: 05.06.2021

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Als Experte für den Fertighausbau widmet sich Tobias Beuler, der Gründer von Fertighausexperte, allen Fragen rund um Ihr Bauprojekt.

Technisch ausgebildet von der HWK, kaufmännisch ausgebildet von der IHK und weitergebildet im WBZ der Universität St. Gallen sowie vom Bundesverband deutscher Fertigbau, begleitet Tobias Beuler seit 2000 europaweit den Auf- und Ausbau von Fertighäusern. Nachdem er jahrelang selbst auf Baustellen tätig war, bietet er sein Insiderwissen über Fertighausexperte.com seit 2018 an, um Andere bei Ihren Fertigbauprojekten zu unterstützen und ist in TV und Print als Bauexperte bekannt.


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