10 Zement

10.1 Geschichtliches

Das erste hydraulische, d.h. mit und unter Was-ser erhrtende Bindemittel wurde von denRmern erfunden (Opus caementitium) und ingroem Umfang fr ihre Wasserbauten genutzt.Es bestand aus gelschtem Kalk und Puzzola-nen. Im Mittelalter geriet dieses Bindemittel inVergessenheit. Mit Beginn des technischen Zeit-alters begannen Bemhungen zur Schaffungeines dringend bentigten hydraulischen Binde-mittels. 1756 beobachtete der Englnder J. SMEA-TON an Brennprodukten aus mergeligem Kalk-stein hydraulische Eigenschaften. 1824 erzeugteder Englnder J. ASPDIN durch Brennen einerknstlichen Mischung von Kalkstein und Tonunterhalb der Sintergrenze ein hydraulisch rea-gierendes Bindemittel. Dieses Bindemittel er-hielt den Namen Portlandcement, weil daraushergestellte Bauteile in der Farbe dem grausti-chig weien, auf der Insel Portland gewonnenenNaturstein hnlich waren. 1843 entwickelteSohn W. ASPDIN das Verfahren weiter und er-zeugte durch Sinterung Portlandzement im heu-tigen Sinne. Die Herstellung von Portlandze-ment in Deutschland begann um 1850 (A. BLEIB-TREU, W. MICHAELIS). 1862 entdeckte E. LANGENdie latent hydraulischen Eigenschaften vonHochofenschlacke, die zur Herstellung von Ei-senportland- und Hochofenzement fhrten.

10.2 Abgrenzung zu hydraulischemKalk

Unterschiede im RohstoffWhrend zur Herstellung von hydraulischenKalken (siehe Abschnitt 8.3) Kalkstein mittonigen Beimengungen (Mergel) nicht definier-ter Zusammensetzung geeignet ist, verlangt dieHerstellung von Portlandzement (alte Abkr-zung: PZ) ein abgestimmtes Verhltnis vonKalkstein zu Ton von etwa 3 : 1, die dem sog.Rohmehl zugrunde liegt.

Unterschiede beim BrennenHydraulischer Kalk wird bis zu Temperaturenvon 1200 C erbrannt. Die Umsetzung der Hy-draulefaktoren geschieht topochemisch durchReaktion an der Oberflche der Reaktionspart-ner, weshalb diese fein gemahlen sein mssen.Es tritt hierbei kein Sintern (beginnendes, ober-flchliches Anschmelzen, aber noch kein ganz-heitliches Schmelzen) auf. Das Brennen ge-schieht also unterhalb der Sintergrenze. Das Re-aktionsprodukt enthlt C2S, C3A und C4AF (hy-draulische, festigkeitsbildende Phasen) und imberschuss noch ungebundenes CaO. DieBrenntemperatur des Rohmehls liegt hingegenoberhalb der Sintergrenze, die bei 1300 C be-ginnt. Bei ca. 1450 C (Schmelzanteil 20...30%)bildet sich eine neue Mineralphase durch Bin-dung von weiterem CaO. Aus C2S (Dicalcium-silikat) wird C3S (Tricalciumsilikat):

2 CaO SiO2 + CaO 3 CaO SiO2 (C3S)

10.3 Herstellung von Zement

AufbereitenRohstoffe fr die Zementherstellung sind Kalk-stein und Ton, insbesondere ihr natrliches Ge-misch, der Mergel. Die Gewinnung geschieht imSteinbruch durch Sprengen. Das Material wirdetwa auf Faustgre zu Schotter zerkleinert, dervorhomogenisiert wird. Dazu wird in sog.Mischbetten Schicht fr Schicht aufgeschttetund quer dazu wieder abgetragen. Auf dieseWeise lsst sich eine gute Durchmischung desRohmaterials erreichen. Gegebenenfalls mussder Mischbettaufbau gendert werden und mit

!Tricalciumsilikat C3S ist die fr Portland-zement charakteristische Verbindungund der Grund seiner im Vergleich zumhydraulischem Kalk berlegenen Eigen-schaften.

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Kalkstein, tonhaltigem Kalkstein, Sand oderEisenerz korrigiert werden. Vom Mischbett ge-langt das Rohmaterial in die Mahltrocknungs-anlage. Dort wird das Material gemahlen undgleichzeitig durch Nutzung der Drehofenab-wrme getrocknet. Das so gewonnene Rohmehlwird zur weiteren Vergleichmigung in Misch-kammersilos zwischengelagert. Durch stndigeLaboranalysen (CaO, Al2O3, SiO2 und Fe2O3)wird die chemische Zusammensetzung ber-prft, bis der CaCO3-Anteil im Rohmehl 75 bis80% betrgt.

BrennenAus dem Rohmehl wurden frher unter Was-serzugabe Rohlinge geformt, die in Ringfenklingend hart gebrannt wurden daher derName Klinker. Heutzutage geschieht das Bren-nen in Drehrohrfen. Es handelt sich umschwach geneigt gelagerte, mit feuerfesten Stei-nen ausgekleidete Stahlrohre von 3,5...5 mDurchmesser und 50...80 m und mehr Lnge.Das in Vorwrmeranlagen auf 800 C auf-geheizte Rohmehl wird am hheren Ende auf-gegeben und wandert infolge der Drehung (2...3min1) allmhlich zum unteren Ende (1...2 h), woder Ofen mit einer l-, Kohlenstaub- oder Gas-flamme beheizt wird (Brenngastemperatur 2000C). Aus Grnden der Energieersparnis werdenauch Sekundrbrennstoffe, wie z.B. Altreifen,mit verfeuert. Das Brenngut sintert bei 1450 C.Der Brennvorgang ist ein kontinuierlicher Pro-zess. Stndig fliet Rohmehl nach. Walnuss-groe, harte kugelige Massen der sog. Ze-mentklinker verlassen abgekhlt (100...300C) den Ofen. Die Khlung muss rasch erfolgen,da sonst C3S unter Bildung von C2S und CaOwieder zerfllt. Der ungemahlene Klinker ver-hlt sich aufgrund seiner kleinen Oberflchesehr reaktionstrge und knnte im Freien auf-bewahrt werden. Aus konomischen (Bedarfs-schwankungen) und kologischen Grnden(Staub) wird er in Silos oder Hallen gelagert.

MahlenZur Entfaltung seiner Bindemitteleigenschaftenmuss der Zementklinker auf hohe Feinheit ge-mahlen werden (Mahlfeinheit mindestens 85%

Chemische Zusammensetzung 89

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gehalt des Zementes. Er ist von groer Bedeu-tung, da ein zu niedriger Kalkgehalt einen Ab-fall der Festigkeit, ein zu hoher Kalktreiben ver-ursacht.

Zur Berechnung des optimalen Kalkgehalteswerden folgende Kennwerte verwendet:

Hydraulischer Modul (HM)HM = CaO/SiO2 + Al2O3 + Fe2O3; Grenzwerte:1,7 bis 2,3. Geringere Werte erzeugen zu wenigFestigkeit, hhere keine Volumenbestndigkeit.Der HM wird in Deutschland nur noch selten an-gewendet.

Kalkstandard II (KSt II)KSt II = 100 CaO/2,8 SiO2 + 1,18 Al2O3 + 0,65Fe2O3; Grenzwerte fr technische Klinker: 90 bis102

Ein Portlandzementklinker mit KSt II = 100 ent-hlt den optimalen CaO-Gehalt, der unter tech-nischen Bedingungen an seine Hydraulefakto-ren gebunden werden kann. Ein Kalkstandardber 100 heit, dass nicht das gesamte CaO mitden Hydraulefaktoren reagieren kann, der CaO-Gehalt ist im berschuss. Normale Portlandze-mente werden auf einen KST II von 9097,schnell erhrtende hochfeste Portlandzementeauf einen KST II von 97102 eingestellt [41].

Eine Optimierung der Koeffizienten unterBercksichtigung des MgO-Gehaltes liefert dersog. Kalkstandard III.

Neben den Kalkkennwerten HM und KSt IIgibt es weitere Quotienten, die einen schnellenberblick ber die chemische Charakteristikeines Zementrohmehls gestatten:

Silikatmodul (SM)SM = SiO2/Al2O3 + Fe2O3, im Allgemeinen1,9...3,2

Tonerdemodul (TM)TM = Al2O3/Fe2O3, im Allgemeinen 1,5...2,5; beiHS-Klinker

C3A ist mit nur ca. 10% im Portlandzement ent-halten und zeichnet sich aus durch

schnelle Erstarrung, geringe Endfestigkeit, groe Hydratationswrme, groe Schwindneigung, Sulfatempfindlichkeit (Ettringitbildung bei

Sulfateinwirkung).

C4AF ist mit nur ca. 8% enthalten und zeichnetsich aus durch

langsame Erhrtungsgeschwindigkeit undniedrige Endfestigkeit,

geringe Hydratationswrme, geringe Schwindneigung, Sulfatunempfindlichkeit.

(Bild 10.2)

10.7 Reaktion mit Wasser(Hydratation)

Die Hydratation beginnt sofort bei Wasser-zugabe. Die Gelbildung, d.h. die Entstehungeiner gallertartigen wasserreichen Masse mitanschlieender Erstarrung, setzt an den Ze-mentkorngrenzen ein. Die Gelbildung endet mitder vollstndigen Umwandlung des Korns

vorausgesetzt, es ist gengend Wasser zur Hy-dratation vorhanden. Je nach Gre des Ze-mentkorns ist die Zeit bis zur vollstndigen Um-wandlung in Hydrat sehr verschieden. Aller-feinste Teilchen knnen schon nach Stundenhydratisiert sein, grbere erst nach Tagen, Wo-chen oder Jahren. Das bedeutet einen stetigenFestigkeitsanstieg whrend dieser Zeit.

Wesentliche Randbedingungen fr die Hy-dratation:

Teilchengre, Temperaturabhngigkeit (tiefe Temperatu-

ren verzgern, hohe beschleunigen), ausreichende Feuchte (Austrocknen unter-

bricht die Hydratation, Nachbehandlung!).

Vereinfacht knnen die Reaktionen der Klinker-phasen mit Wasser wie folgt angegeben werden.Die C4AF-Phase wird hier exakterweise mitC2(A,F) angegeben, da es sich um eine Misch-phase aus C2F und C2A handelt [41].

Calciumsilikate2 C3S + 6 H C3S2H3 + 3 CH2 C2S + 4 H C3S2H3 + CH

Tricalciumaluminat (in kalkgesttigterLsung ohne Sulfat)

C3A + CH + 18 H C4AH19

Calciumaluminatferrit (in kalkgesttigterLsung ohne Sulfat)

C2(A,F) + 2 CH + 17 H C4 (A,F)H19

Das bei der Hydratation der Calciumsilikate freiwerdende Ca(OH)2 ist fr die Festigkeit unwe-sentlich, hat aber hohe Bedeutung fr den Kor-rosionsschutz des Stahls. Es bewirkt, dass Ze-mentstein und damit Stahlbeton basisch rea-giert. Bei dem sich einstellenden pH-Wert um12,5 bildet Eisen eine Passivschicht aus, die denBewehrungsstahl vor Korrosion schtzt.

Da Ca(OH)2 zu einem gewissen Teil wasser-lslich ist, kann es auch an die Oberflche trans-portiert werden und dort nach Aufnahme vonLuftkohlensure einen fest haftenden Belag vonCaCO3 bilden (sog. Ausblhung). Die Hydrata-tion des C3A ist die am schnellsten ablaufendeHydratationsreaktion aller Klinkerphasen. Sie

Reaktion mit Wasser (Hydratation) 91

Erhrtungszeit in d28

60

50

40

30

20

Dru

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2

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C3A

C4AF

C2S

C3S

Bild 10.2 Druckfestigkeit der hydratisiertenKlinkermineralien [13]

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verluft bei Anwesenheit von Sulfat