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Zemẹnt

 

[mittelhochdeutsch zimente, über altfranzösisch ciment und spätlateinisch cimentum von lateinisch caementum »Bruchstein«, zu caedere »(mit dem Meißel) schlagen«] der, -(e)s, -e,

 

 1) Anatomie: der Zahnzement.

 

 2) Baustoffe: fein gemahlenes hydraulisches Bindemittel, das bei Zugabe von Wasser und unter Wasser erhärtet. Zement bestehen im Wesentlichen aus Verbindungen von Calciumoxid (CaO, Kalk) mit Siliciumdioxid (SiO₂, Kieselsäure), Aluminiumoxid (Al₂O₃, Tonerde) und Eisenoxid (Fe₂O₃). Zement wird v. a. zur Herstellung von Beton, Mörtel, Betonsteinen und Fertigteilen verwendet.

 

Herstellung, Eigenschaften, Verarbeitung:

 

Die Hauptbestandteile des Zements werden aus kalk- und tonmineralhaltigen Rohstoffen (Kalkstein, Kreide und Ton) oder bevorzugt aus Mergel gewonnen, dessen chemische Zusammensetzung schon weitgehend der gewünschten Zusammensetzung des Zementrohmehls entspricht. Je nach Zementart werden noch eisenoxidhaltige Rohstoffe (Kiesabbrand, Rotschlamm) und Quarzsand zugegeben. Die Rohstoffe werden getrocknet, fein gemahlen und vermischt (Trockenverfahren) oder im nassen Zustand gemahlen und als Dickschlamm gemischt (Nassverfahren). Danach werden Rohmehl oder Dickschlamm in einem Schacht- oder Drehrohrofen bei Temperaturen von 1 400-1 500 ºC gebrannt. Der dabei durch Sintern entstehende Zementklinker (walnussgroße, »klingend« hart gebrannte Körner) enthält Verbindungen (Klinkerphasen), die je nach Mengenverhältnis der Ausgangsprodukte in wechselnden Mengen vorliegen und dem Zement charakteristische Eigenschaften verleihen. Dies sind 40-80 % Tricalciumsilicat (3 CaO · SiO₂; schnelle Erhärtung, hohe Hydratationswärme), bis 30 % Dicalciumsilicat (2 CaO · SiO₂; langsame Erhärtung, niedrige Hydratationswärme), 7-15 % Tricalciumaluminat (3 CaO · Al₂O₃; schnelle Anfangserhärtung, höhere Hydratationswärme, anfällig gegen sulfathaltige Wässer) und 4-15 % Tetracalciumaluminatferrit (4 CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃; langsame Erhärtung, widerstandsfähig gegen sulfathaltige Wässer, färbt den Zement grau). Neben diesen Verbindungen liegen im Zementklinker meist noch bis zu 5 % Fremdoxide, v. a. Calciumoxid (»freier Kalk«, CaO) und Magnesiumoxid (»freie Magnesia«, MgO) vor. Beide sind in geringen Mengen (bis etwa 3 %) unschädlich, können aber in höheren Mengen zu einem zu raschen Abbinden (»Schnellbinden«) und/oder zu Störungen im Zementgefüge durch eine Volumenvergrößerung bei der Hydratation (Kalk- beziehungsweise Magnesiatreiben) führen. Durch Veränderung der Mengenverhältnisse von Kalk (CaO) zu Kieselsäure (SiO₂) und von Tonerde (Al₂O₃) zu Eisenoxid (Fe₂O₃) können die Zusammensetzung des Zementklinkers und damit die Eigenschaften des Zements beeinflusst werden. So kann man z. B. durch ein hohes CaO/SiO₂-Verhältnis den Anteil des Tricalciumsilicats im Zementklinker erhöhen und damit eine hohe Anfangsfestigkeit erreichen oder durch ein hohes Fe₂O₃/Al₂O₃-Verhältnis den Anteil des Tetracalciumaluminatferrits auf Kosten des Tricalciumaluminats erhöhen, wodurch ein Zement mit niedriger Hydratationswärme und großer Widerstandsfähigkeit gegen sulfathaltige Wässer entsteht. Die chemische Zusammensetzung des Zementrohmehls muss stets genau eingestellt werden, um einen Zement mit gleich bleibenden Eigenschaften zu erhalten. Nach dem Brennen wird der Klinker schnell gekühlt, um die bei der Sintertemperatur entstandenen Verbindungen zu stabilisieren.

 

Die abgekühlten, steinharten Klinkerkörner werden gebrochen und in Kugel- und Walzenmühlen fein gemahlen. Damit der fertige Zement beim Anmachen mit Wasser beziehungsweise bei der Betonherstellung nicht zu schnell erhärtet, werden dem Klinker vor dem Mahlen 3-5 % Calciumsulfat in Form von Gips oder Anhydrit zugesetzt. Das Sulfat geht sofort eine Verbindung mit den Aluminaten des Klinkers ein; es bildet sich das Trisulfat Ettringit (3 CaO · Al₂O₃ · 3 CaSO₄ · 32 H₂O), das keine Festigkeit hat und die Verarbeitung des Frischbetons über eine gewisse Zeit zulässt. Beim Anmachen des Zements mit Wasser beginnt der Zement zu hydratisieren, d. h., das Wasser wird chemisch gebunden. Es bildet sich (neben dem Ettringit) zunächst Calciumhydroxid Ca(OH)₂, ebenfalls noch ohne merklicher Verfestigung des Zements. Nach einer bis mehreren Stunden gehen die Klinkerphasen in Hydratationsprodukte (Calciumsilicathydrate, Calciumaluminathydrate und eisenhaltige Calciumaluminathydrate) über. Diese besitzen eine sehr geringe Wasserlöslichkeit und eine große innere Oberfläche, die bei vollständig erhärtetem Zement etwa 200 m² pro Gramm beträgt (entspricht einem mittleren Teilchendurchmesser von etwa 10^-4 cm). Die zwischen den kleinen Teilchen wirkenden Oberflächen- und Adsorptionskräfte ergeben in ihrer Gesamtheit die Festigkeit des erhärteten Zements. Der Erstarrungsbeginn kann durch größeren Wasserzusatz und niedrige Temperaturen verzögert werden, da die miteinander reagierenden Zementkörner durch stärkere Wasserschichten getrennt werden beziehungsweise die chemischen Reaktionen langsamer ablaufen. Bis zu 28 Tagen nach dem Anmachen wächst die Zementfestigkeit stark, danach sehr langsam und über Jahre hinaus an. Ein wiederholtes Nässen in den ersten Tagen oder Aufsprühen eines Verdunstungsschutzes ist von Vorteil. Stärkere Wasserzugabe zum Mörtel setzt die Festigkeit herab und fördert das Schwinden (Verdunstung überflüssigen Wassers hinterlässt viele Poren).

 

Zementarten:

 

Die wichtigste Zementart ist der Portlandzement. Weitere Zementarten entstehen, wenn andere Stoffe als Hauptbestandteile (Massenanteil über 5 %) zugegeben werden. Diese Normzemente (DIN 1164) werden um bauaufsichtlich zugelassene Zemente ergänzt, die aus den gleichen Bestandteilen, jedoch in anderer Mischung, entstehen. Die Vielfalt dieser Zementarten erlaubt eine gezielte Anpassung an alle Anforderungen, die an Beton und Betonbauwerke gestellt werden. Tonerdezement wird durch Schmelzen von Kalkstein und Bauxit hergestellt und besteht v. a. aus Calciumaluminat; er ist nicht für tragende Bauelemente aus Beton und Stahlbeton zugelassen, sondern dient v. a. zur Herstellung von feuerfestem Beton.

 

Wirtschaft:

 

Die Weltproduktion an Zement betrug 1997 1 480 Mio. t; Haupterzeugerländer: China (488,6 Mio. t; 32,5 % der Weltproduktion), Japan (95,8; 6,3), die USA (84,1; 5,5), Indien (82,6; 5,4), Süd-Korea (60,4; 4,0), Thailand (42,5; 2,8), Brasilien (38,1; 2,5), die Türkei (37,2; 2,5), Italien (34,4; 2,3), Deutschland (31,3; 2,1). - In Deutschland sind die Betriebe der Zementindustrie im Bundesverband der Deutschen Zementindustrie e. V. (BDZ, Sitz: Köln) zusammengeschlossen.

 

Geschichtliches:

 

Vitruv berichtete 23 v. Chr. über die Bereitung eines Betons für Wasserbauten aus Steinschlag sowie eines Zements aus Kalk und Puzzolanerde; daneben diente der Trass der Eifel als Zementbestandteil für die Zubereitung eines Betons. Beim Bau des Eddystone-Leuchtturms (1756-59) erkannte J. Smeaton die Bedeutung der Tonbeimischung zum Kalk für das Abbinden des Zements unter Wasser. J. Parker stellte 1796 ein aus Kalkmergeln mit hohem Tongehalt gebranntes hydraulisches Bindemittel her, den »Roman-Z.«, der bald zur Bereitung von Beton viel verwendet wurde. Nachdem L. J. Vicat 1817 einen künstlichen hydraulischen Kalk vorgeschlagen hatte, bereitete Joseph Aspdin 1824 einen brauchbaren künstlichen Zement durch Brennen einer Mischung von Ton mit Kalkstein; er nannte ihn »Portland-Zement«. Diesem verhalf Isaac Charles Johnson 1844 zum Durchbruch. Das erste deutsche Portlandzementwerk wurde 1855 in Stettin-Züllchow gegründet. 1878 führten Deutschland und Österreich die ersten Zementnormen ein, die international verbindlich wurden. Die Herstellung von Zement ist heute stark automatisiert. An erster Stelle steht in Deutschland die Herstellung von Portland-Zement, gefolgt von der von Hochofenzement.

 

Literatur:

 

F. Keil: Z. Herstellung u. Eigenschaften (1971);

 W. Czernin: Z.-Chemie für Bauingenieure (³1977);

 

Ratgeber für Z.-Ingenieure, begr. v. O. Labahn, neu bearb. v. B. Kohlhaas u. a. (⁶1982).

 

 3) Petrographie: das Bindemittel.