Zement

Grundbegriff und Herstellung

Zement ist ein anorganischer, nichtmetallischer Baustoff und ein hydraulisches Bindemittel. Als feingemahlenes Schüttgut erhärtet er durch die chemische Reaktion mit Wasser, die Hydratation, und bleibt danach fest. Zusammen mit Zugabewasser und Zuschlagstoffen wie Sand, Kies oder Kalk wird Zement zur Herstellung von Mörtel und Beton verwendet. Wegen der weltweit verfügbaren Rohstoffe sowie der Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton ist Zement eines der wichtigsten Bindemittel. 2017 wurden weltweit 4,1 Milliarden Tonnen Zement produziert; damit war Zement der meistverwendete Werkstoff.

Die Herstellung erfolgt überwiegend im Trockenverfahren. Kalkstein, Ton, Sand und eisenhaltige Stoffe werden in Steinbrüchen oder Tagebauen gewonnen, vorzerkleinert und im Zementwerk gemeinsam gemahlen und getrocknet. Kalkstein liefert Calciumoxid, Ton und Sand vor allem Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, Eisenerz Eisen(III)-oxid. Das entstehende Rohmehl wird im Drehrohrofen bei etwa 1.400–1.450 °C, meist ungefähr 1.450 °C, gebrannt. Beim Sintern verschmelzen die Körner teilweise miteinander und es entsteht Zementklinker.

Nach dem Brennen wird der Klinker auf unter 200 °C gekühlt und in einer Kugelmühle zusammen mit Gips zum fertigen Zement vermahlen. Je nach gewünschter Eigenschaft können außerdem Hüttensand, Puzzolane, Flugasche oder Kalkstein zugemahlen werden. Moderne Drehrohröfen verarbeiten typischerweise 3.000 bis 10.000 Tonnen Klinker pro Tag. Nass- und Halbnassverfahren sind wegen des hohen Energieaufwands für die anschließende Trocknung heute in der Regel nicht mehr konkurrenzfähig.

Zusammensetzung, Einteilung und Zementarten

Beim Brennen und Sintern entstehen die für die Eigenschaften des Zements entscheidenden Klinkermineralien:

• Tricalciumsilikat (Alit), C₃S: 3 CaO · SiO₂
• Dicalciumsilikat (Belit), C₂S: 2 CaO · SiO₂
• Tricalciumaluminat, C₃A: 3 CaO · Al₂O₃
• Tetracalciumaluminatferrit, C₄AF beziehungsweise C₄(A,F): 4 CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃; außerdem wird C₂(A,F) genannt.

Portlandzement wird aus Zementklinker und Kalk beziehungsweise Anhydrit hergestellt. Er enthält etwa 58 bis 66 % Calciumoxid (CaO), 18 bis 26 % Siliciumdioxid (SiO₂), 4 bis 10 % Aluminiumoxid (Al₂O₃) und 2 bis 5 % Eisenoxid (Fe₂O₃). Ab einem Hüttensandanteil von 36 % wird ein Zement als Hochofenzement bezeichnet.

Nach EN 197-1 werden fünf Hauptarten unterschieden: CEM I Portlandzement, CEM II Portlandkompositzement, CEM III Hochofenzement, CEM IV Puzzolanzement und CEM V Kompositzement. Zusätzlich definiert die Norm 27 Normalzementarten anhand der prozentualen Gewichtsanteile der Ausgangsstoffe. Klinker kann durch puzzolanisch wirksame Stoffe ersetzt werden. Dazu zählen natürlicher Trass, Hüttensand, Flugasche und künftig voraussichtlich stärker calcinierter Ton.

Die Festigkeitsklassen nach EN 197-1 sind 32,5, 42,5 und 52,5 MPa nach 28 Tagen. L bedeutet langsame, N normale und R schnelle Erhärtung. In Deutschland legt DIN 1164 zusätzlich Kennfarben für Zementsäcke und Aufdrucke sowie geeignete Anwendungen fest. Sie berücksichtigt dabei Expositionsklassen, also erwartete Umwelteinflüsse und Einbausituationen. Die europäische Norm verwendet diese Kennfarben nicht. Die geplante Aufnahme weiterer klinkerärmerer Zemente verzögerte sich; deshalb wurde 2021 EN 197-5 veröffentlicht, die jedoch nicht als harmonisierte Norm im Sinne der Bauproduktenverordnung gilt.

Die Feinheit beeinflusst die Festigkeit: Feinerer Zement entwickelt grundsätzlich eine höhere Festigkeit. Als Maß dient die spezifische Oberfläche, die sogenannte Blaine-Oberfläche; sie liegt normalerweise zwischen 2.500 und 5.000 cm²/g. Die lose Schüttdichte beträgt 0,9 bis 1,2 kg/dm³, durch Einrütteln 1,6 bis 1,9 kg/dm³; abgebundener Zement hat eine Dichte von rund 3 kg/dm³.

Hydratation und Festigkeitsentwicklung

Zement ist hydraulisch: Er erhärtet sowohl an der Luft als auch unter Wasser und bleibt dort beständig. Anders als Luftkalk erhärtet er nicht durch Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Luft, sondern durch Reaktionen mit Wasser. Dabei entstehen unlösliche und stabile Hydrate. Besonders wichtig sind Calciumsilicathydrate, deren feine nadelförmige Kristalle sich ineinander verzahnen und die Festigkeit von Zementmörtel und Beton erzeugen.

Die wichtigsten Hydratationsprodukte sind Calciumsilicathydrate, kurz CSH oder C₃S₂H₃: 3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O, sowie Portlandit, kurz CH: Ca(OH)₂. Portlandit verleiht dem erhärteten Zement eine hohe Alkalität mit einem pH-Wert von 12–14. Weitere Produkte sind Calciumaluminathydrate, Calciumferrithydrate, sulfathaltige Hydrate, Hydrogranat und Gehlenithydrat.

Zement wird meist in plastischen, verhältnismäßig wasserarmen Gemischen mit Wasserzementwerten zwischen etwa 0,3 und 0,6 verwendet. Zunächst steift der Zementleim an. Mit dem Beginn des Erstarrens wird ein bestimmtes Maß der Verfestigung erreicht; die anschließende weitere Verfestigung wird als Erhärten bezeichnet. Der zeitliche Verlauf hängt stark vom Wasserzementwert ab, weil dieser die Größe des Zwischenraums zwischen den Feststoffpartikeln bestimmt.

Kurz nach dem Wasserkontakt beginnt die Prä-Induktionsperiode. Calciumsulfate und Alkalisulfate gehen in Lösung, und es bilden sich erste Ettringitkristalle sowie kolloidale CSH-Phasen. In der anschließenden Ruhe- oder Induktionsperiode ist die Hydratation fast unterbrochen. Das Erstarren beginnt nach etwa ein bis drei Stunden. Nach ungefähr vier Stunden setzt die Beschleunigungsperiode ein und endet nach 12 bis 24 Stunden. CSH-Faserbüschel, Calciumhydroxid und Ettringit überbrücken die Zwischenräume zwischen den Partikeln. Danach verdichtet sich das Gefüge weiter, die Poren werden zunehmend ausgefüllt und die Festigkeit nimmt stetig zu.

Beispielhafte Reaktionsgleichungen sind:

• C₃S: 2 (3 CaO · SiO₂) + 6 H₂O → (3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O) + 3 Ca(OH)₂
• C₂S: 2 (2 CaO · SiO₂) + 4 H₂O → (3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O) + Ca(OH)₂
• C₃A: (3 CaO · Al₂O₃) + 12 H₂O + Ca(OH)₂ → (4 CaO · Al₂O₃ · 13 H₂O)

Nebenreaktionen können die Eigenschaften beeinflussen. Die Alkali-Kieselsäure-Reaktion kann durch Volumenzunahme Beton aufbrechen. Die puzzolanische Reaktion kann über mehrere Monate zusätzliche Festigkeit durch weitere Calciumsilikathydrate und andere Hydratphasen erzeugen.

Sonder- und Spezialzemente

Sonderzemente sind Zemente, deren genaue Zusammensetzung nicht durch die Norm festgelegt ist, für die aber eine Beschreibungsvorschrift gilt. Trasszement enthält das natürliche Puzzolan Trass. Der daraus hergestellte Mörtel ist weniger wasserdurchlässig als Portlandzement und zeigt weniger Ausblühungen; deshalb wird er zum Vermauern von Natursteinen verwendet.

Schnellzement erhärtet schnell und ist meist eine Mischung aus Portland- und Tonerdezement. Spritzzemente oder Spritzbindemittel erstarren schnell und ermöglichen bei der Herstellung von Spritzbeton eine rasche Festigkeitsentwicklung, ohne dass Erstarrungsbeschleuniger zugesetzt werden müssen. Dafür wird bei ihrer Herstellung auf Rohgips verzichtet, der bei gewöhnlichem Zement die Abbindezeit verzögert. Robert Keller aus Vils in Tirol setzte 1983 erstmals einen solchen Zement für Spritzbeton ein; inzwischen wird er auch in Österreich und Deutschland im Tunnelbau eingesetzt.

Weißzement wird aus sehr eisenarmen Rohstoffen mit einem Fe₂O₃-Gehalt von < 0,1 % hergestellt. Er dient unter anderem für Terrazzo, Sichtbeton, durchgefärbten Edelputz, Zementfliesen und Terrazzoplatten. Im Vergleich zu grauem Portlandzement lässt er sich leichter mit Farbpigmenten einfärben.

Thurament ist ein Spezialzement aus Hochofenschlacke beziehungsweise Hüttensand mit einem Anteil Gips. Celitement wird bei unter 300 °C hergestellt. In einer Pilotanlage werden Calciumoxid und Siliciumdioxid bei etwa 200 °C und einem Absolutdruck von mindestens 10 bar unter gespanntem Dampf im Autoklaven zu Calciumhydrosilikaten hydrolysiert. Das Verhältnis CaO/SiO₂ beträgt 0,5–2 gegenüber etwa 2,8 bei Portlandzement. Dadurch sollen sich Energieverbrauch und Kohlenstoffdioxidausstoß gegenüber Portlandzement um die Hälfte verringern.

Umwelt, Klima und Arbeitsschutz

Die Zementherstellung belastet das Klima vor allem durch die Freisetzung des im Kalkstein gebundenen Kohlenstoffdioxids und durch die Prozessenergie. Bei einer weltweiten Produktion von 4,1 Milliarden Tonnen Zement und einem mittleren CaO-Gehalt von etwa 60 % entstehen mindestens drei Milliarden Tonnen CO₂ pro Jahr beziehungsweise etwa 6 bis 8 % des jährlichen menschengemachten CO₂-Ausstoßes. An anderer Stelle wird der Ausstoß mit etwa 2,7 Milliarden Tonnen CO₂ beziehungsweise rund 8 % angegeben; diese unterschiedlichen Angaben beruhen auf verschiedenen Berechnungen. Bis 2030 müssten die Emissionen der Zementindustrie zur Erfüllung des Pariser Klimaabkommens um mindestens 16 Prozent sinken.

Die lokale Luftverschmutzung wurde seit den 1960er Jahren durch moderne Filter, bessere Drehrohröfen und verbesserte Feuerungstechnik deutlich vermindert. Schwefeldioxid und Stickoxide werden reduziert; Stickoxide können durch SNCR-Verfahren, also selektive nichtkatalytische Reduktion, aus den Abgasen entfernt werden. Als Ersatz für fossile Brennstoffe werden unter anderem Altöl, Lösemittel, aufbereiteter Haus- und Gewerbemüll, Autoreifen, Klärschlamm, Tiermehl, Altholz und Biomasse eingesetzt. Im Drehrohrofen herrschen Flammentemperaturen von über 2.000 °C. In der Schweiz beträgt der Anteil alternativer Brennstoffe mehr als 50 %, in Westeuropa wird ein Anteil von etwa 70 % angestrebt. Eine befürchtete Bildung von Dioxinen oder Furanen konnte bislang wissenschaftlich nicht belegt werden.

Klinker kann durch Kompositmaterialien ersetzt werden. Hüttensand und Flugasche sind jedoch nur begrenzt verfügbar. Kalzinierter Ton gilt wegen seiner weltweiten Verfügbarkeit als künftig wichtiges Zusatzmaterial. Die Nutzung von Abwärme verbessert die Wärmeenergiebilanz. Der Rohstoffabbau kann regional Landschaften zerstören sowie zur Vertreibung indigener Bevölkerungen und zum Verlust ihrer Lebensgrundlage führen. Bei flüchtigen Spurenelementen und Schwermetallen wie Quecksilber, Cadmium und Thallium wird die Emission besonders überwacht. Lösliche Chromate können die Hautallergie Maurerkrätze auslösen.

Bei Kontakt mit Wasser entsteht eine stark alkalische Lauge mit einem pH-Wert von bis zu 13. Sie kann schwere Verätzungen und Nekrosen an Haut und Augen verursachen. Die Beschwerden treten teilweise erst nach Stunden auf. Bei der Verarbeitung müssen deshalb Schutzbrille und Handschuhe getragen und durchnässte Kleidung oder Handschuhe gewechselt werden.

Geschichte und wirtschaftliche Bedeutung

Ein Vorläufer des Betons war das römische opus caementicium, ein wasserbeständiges, betonartiges Mauerwerk aus gebranntem Kalkstein, Steinen, Sand und Puzzolanen. Es wurde unter anderem für Wasserleitungen, Hafenmolen, Fundamente, das Kolosseum und das Pantheon verwendet. John Smeaton erkannte die Bedeutung des Tongehalts für hydraulische Eigenschaften. Louis-Joseph Vicat legte mit der Entwicklung künstlichen hydraulischen Kalks wichtige Grundlagen.

Als Erfinder des Portlandzements gilt Joseph Aspdin, der 1824 das Patent „An Improvement in the Mode of Producing an Artificial Stone“ erhielt. Isaac Charles Johnson erkannte 1844 die Bedeutung des Sinterns und führte den überbrannten Portlandzement ein. Das erste deutsche Zementwerk wurde 1838 in Ulm gegründet; 1871 entstand die erste Portlandzementfabrik der Schweiz. 1878 wurden in Preußen erste Normen zur Prüfung von Portlandzement veröffentlicht.

Deutschland hatte 2022 21 Unternehmen mit insgesamt 53 Zementwerken. Mit etwa 7.900 Beschäftigten wurden rund 32 Millionen Tonnen Zement und 23 Millionen Tonnen Klinker hergestellt; der Umsatz betrug rund 3,4 Milliarden Euro. Zusätzlich wurden 1,0 Millionen Tonnen Zement importiert und 6,2 Millionen Tonnen exportiert. Die Investitionsquote lag 2021 bei rund 8,5 Prozent.

In Österreich standen 2024 an acht Standorten Anlagen zum Brennen von Zementklinker. 2023 wurden dort rund 4,4 Millionen Tonnen Zement und 3,1 Millionen Tonnen Klinker hergestellt. In der Schweiz wurden 2019 rund 5 Millionen Tonnen Zement verbraucht; 86 Prozent stammten aus den sechs schweizerischen Zementwerken und 14 Prozent aus Importen.

China hat den größten Zementbedarf und war 2017 mit 2.400,0 Millionen Tonnen der mit Abstand größte Produzent. Es folgten Indien mit 280,0, die Vereinigten Staaten mit 86,3, Vietnam mit 78,0 und die Türkei mit 77,0 Millionen Tonnen. Deutschland produzierte 32,0 Millionen Tonnen und lag damit gemeinsam mit Pakistan auf Rang 16 beziehungsweise 17 der aufgeführten Länder. Der Verbrauch pro Einwohner reicht von etwa 15 bis 20 kg jährlich in Indonesien bis zu mehr als 2.000 kg in Singapur oder arabischen Ländern. Deutschland verbraucht etwa 350 kg pro Einwohner und Jahr, die Schweiz etwa doppelt so viel.