Zement (Baustoff)
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 großindustiellen 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.
Table of contents |
2 Hydraulische Eigenschaften 3 Zusammensetzung und Eigenschaften 4 Spezialzemente 5 Umweltschutzaspekte |
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 196, unterscheidet zwischen drei verschiedenen Festigkeitsklassen, welche wiederum in langsam- und schnellerhärtende Zemente unterteilt ist.
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.
Außer normalen grauen Zementen gibt es auch Weißzemente. Diese werden aus sehr eisenarmen Rohstoffen hergestellt (Fe2O3-Gehalt < 0,1 %) und hauptsächlich für Sichtbeton und Putz eingesetzt.
Die Wärmeenergiebilanz hat sich durch die intensive Nutzung von Abwärme aus dem Drehrohrofen, z.B. zur Mahltrocknung und zum Vorwärmen des Rohmehls, enorm verbessert. Vor dem Hintergrund des internationalen CO2-Emissionshandels und zur Einsparung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Erdgas und Erdöl, werden seit einigen Jahren immer häufiger 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 können. Durch diese Sekundärbrennstoffe werden heute schon vereinzelt bis zu 50 % der gesamten Wärmeenergie eines Zementwerkes gedeckt.
Dadurch, dass 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 wie z.B. beim Hüttensand und der Flugasche um Abfallstoffe aus anderen Industriezweigen, welche ansonsten deponiert werden müssten.
All diese Faktoren führen dazu, dass ein modernes Zementwerk heute den gängigen Umweltschutzrichtlinien entspricht und die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte einhält.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.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 stark verändert. Durch modernere Filteranlagen ist die Staubemmission drastisch gesenkt worden. In der Umgebung eines Zementwerkes liegen die Staubbelastungen der Luft nur unwesentlich über denen in nicht industrialisierten Gebieten. Ebenso sind duch die Weiterentwicklung der Drehrohröfen und der Feuerungstechnologie der Ausstoß von schädlichen Abgasen wie Schwefeldioxid (SO2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Stickoxiden (NOx gesenkt worden. Letztere werden zum Teil durch sogenannte DENOX-Verfahren vollständig aus den Abgasen entfernt.