Zementherstellung

Zement ist ein hydraulisches Bindemittel, das hauptsächlich aus Kalkstein und Ton besteht, die bei Temperaturen von ca. 1450 °C zu Klinker gebrannt werden. Dieser wird anschließend fein gemahlen, um eine reaktive Substanz zu erhalten, die mit Wasser reagiert und nach dem Aushärten sowohl an der Luft als auch unter Wasser fest und beständig bleibt. Seine vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten als Schüttgut reichen von der Anwendung im Bauwesen für Beton und Mörtel bis hin zu speziellen Einsatzbereichen bei der Herstellung von Fertigteilen und Estrichen. Die chemische Zusammensetzung des Zements kann an unterschiedliche Anforderungen wie schnelle Erhärtung oder hohe Sulfatbeständigkeit angepasst werden.

Hauptbestandteile des Zements

Als Bindemittel wird Zement, ein wichtiger Bestandteil von Beton, gemeinsam mit Gesteinskörnungen und Wasser genutzt, um verschiedenste Betonarten wie zum Beispiel Transport-, Leicht- und Faserbeton herzustellen. Die natürlich vorkommenden Rohstoffe von Zement sind Calcium-, Silizium-, Aluminium-, Eisen- und Magnesiumoxid, die in Kalkstein, Kreide, Sand, Ton und Schiefer enthalten sind und durch die einsetzenden Reaktionen bei der Herstellung die spezifischen physikalischen Eigenschaften von Zement beeinflussen. Zudem zählen zu den wesentlichen Hauptbestandteilen die sieben folgenden Materialien:

1. Gebrannter Schiefer (T): Dieses Material wird durch das Brennen von Ölschiefer, einem weit verbreiteten Sedimentgestein, hergestellt und besitzt spezielle Eigenschaften, die zur hohen Festigkeit des Betons beitragen.
2. Kalkstein (L & LL): Kalkstein, in den Varianten L (leicht) und LL (Leicht und Leistungsfähig), wird vor allem wegen seiner chemischen Zusammensetzung, die hauptsächlich aus Calciumcarbonat besteht, geschätzt. Er trägt durch seine Reaktivität mit anderen Materialien zur Erhöhung der Anfangsfestigkeit des Betons bei und verbessert die Verarbeitbarkeit der Betonmischung.
3. Silikastaub (D): Silikastaub, ein feines Nebenprodukt aus der Quarz- oder Sandverarbeitung, wirkt als Mikrofüller und verbessert dadurch die Dichtigkeit des Betons. Seine hohe Reaktivität mit Calciumhydroxid führt zur Bildung zusätzlicher Calciumsilikathydrat-Phasen, die die Festigkeit und Langzeitbeständigkeit des Betons erheblich steigern.
4. Hüttensand (S): Als Nebenprodukt der Eisenverhüttung im Hochofen entsteht durch Wasserkühlung der Schlacke ein glasartiges, hydraulisch aktives Pulver, bekannt als Zement aus Hochofenschlacke.
5. Kieselsäurereiche Flugasche (V, W): Ein Nebenprodukt der Kohleverbrennung in Kraftwerken, das als feinkörniger, glasiger Staub abgeschieden wird und je nach Verbrennungsprozess unterschiedliche Qualitäten aufweist, fördert eine höhere Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton.
6. Natürliche Puzzolane (P): Diese vulkanischen Gesteinsmehle oder speziellen Sedimentgesteine können mit Calciumhydroxid chemische Reaktionen eingehen, die zur Erhärtung beitragen, insbesondere durch die Bildung wasserhaltiger Kristalle.
7. Portlandzementklinker (K): Aus Kalkstein gewonnenes Grundmaterial für die Produktion von Zement, das nach Zerkleinerung und Mischung mit Ton, Sand und Eisenerz bei hohen Temperaturen zu Klinker verarbeitet und anschließend mit Gips zu feinem Zement gemahlen wird.

Zementarten

Die Hauptbestandteile der 27 verschiedenen Zementarten sind neben dem Portlandzementklinker (K) in der untenstehenden Tabelle mit den folgenden Buchstaben abgekürzt:

• S: Hüttensand (granulierte Hochofenschlacke)
• P: natürliches Puzzolan
• Q: natürliches, getempertes Puzzolan
• V: Kieselsäurereiche Flugasche
• W: kalkreiche Flugasche
• T: gebrannter Schiefer
• LL: Kalkstein (TOC £ 0,20 M.-%)
• L: Kalkstein (TOC £ 0,50 M.-%)
• D: Silikastaub

Prozess der Zementherstellung

Die Zementherstellung beginnt mit der Gewinnung der Rohstoffe, hauptsächlich durch gebrannten Kalk und Ton, die dann durch Mahlen, Mischen und Erhitzen im Drehrohrofen zu Zementklinker verarbeitet werden. Nach dem Abkühlen wird der Klinker mit Gips vermischt und zu feinem Pulver gemahlen, um den fertigen Zement zu erhalten.

Trockenspritzverfahren

Beim Trockenspritzverfahren, dem energieeffizientesten Herstellungsverfahren, werden die Rohstoffe zunächst getrocknet und gemahlen, bevor sie in den Drehrohrofen gelangen. Durch dieses Verfahren wird der Wassergehalt des Gemenges erheblich reduziert, was zu einem geringeren Energieverbrauch beim Aufheizen führt. Das fein gemahlene Rohmehl wird dann in einem Vorwärmer vorgeheizt und anschließend im Drehrohrofen bei Temperaturen von bis zu 1450 °C zu Klinker gebrannt. Anwendung findet das Trockenspritzverfahren zum Beispiel für die Fugensanierung von Natursteinmauerwerken.

Nassspritzverfahren

Im Nassverfahren werden die Rohmaterialien zu einer wässrigen Schlamm-Mischung verarbeitet, bevor sie in den Drehrohrofen gelangen. Dieses Verfahren erfordert zusätzliche Energie, um das überschüssige enthaltene Wasser im Schlamm zu verdampfen, was es im Vergleich zum Trockenverfahren weniger energieeffizient macht. Die Homogenität der Schlamm-Mischung führt jedoch zu einer gleichmäßigeren chemischen Reaktion im Ofen.

Dichtstromverfahren

Das Dichtstromverfahren ist eine Methode des pneumatischen Transports, bei der Schüttgut mit relativ geringer Luftgeschwindigkeit, aber hoher Materialkonzentration durch Förderleitungen bewegt wird. Dieses Verfahren minimiert den Verschleiß an den Leitungen und den Energieverbrauch, da die geringere Geschwindigkeit zu weniger Reibung führt. Es eignet sich besonders für den Transport von abrasiven, feinkörnigen oder empfindlichen Materialien über lange Strecken, da es die Materialintegrität bewahrt und Staubentwicklung reduziert.

Dünnstromverfahren

Beim Dünnstromverfahren werden Materialien mit einer höheren Luftgeschwindigkeit und niedrigerer Materialkonzentration durch die Förderleitungen transportiert. Dadurch wird eine schnelle und effiziente Bewegung des Schüttguts über kürzere Distanzen erreicht, was jedoch zu einem höheren Verschleiß an den Leitungen und einem erhöhten Energiebedarf führt. Das Dünnstromverfahren wird häufig in Situationen eingesetzt, in denen die schnelle Entleerung des Förderguts aus dem System oder eine hohe Flexibilität der Förderwege erforderlich ist.

Weitere Zementarten

Neben den Hauptzementarten gibt es eine Vielzahl von Spezialzementen, die für besondere Anforderungen in der Bau- und Zementindustrie entwickelt wurden: Schnellzement, der eine schnelle Festigkeitsentwicklung aufweist und vor allem bei dringenden Reparaturarbeiten oder in kühleren Klimazonen eingesetzt wird. Sulfatbeständiger Zement ist ein spezieller Zement, der für Umgebungen mit hohem Sulfatgehalt im Boden oder Wasser entwickelt wurde, um die Dauerhaftigkeit und Stabilität von Betonkonstruktionen unter aggressiven Bedingungen zu erhöhen. Zu den Spezial- und Kompositzementen zählen auch die folgenden Zementarten:

• Celitement
• Faserzement
• Spritzfaserzement
• Thurament
• Trasszement
• Tonerdezement
• Weißzement

Häufig gestellte Fragen

 Welche Vorsichtsmaßnahmen sind bei der Herstellung von Zement zu beachten?

Zement hat einen hohen pH-Wert von bis zu 13, wenn Wasser hinzugefügt wird und eine Lauge entsteht. Daher sind Schutzbrille, Schutzhandschuhe und Schutzkleidung Pflicht, um Verätzungen durch einen Zementbrand zu vermeiden. Bei der Herstellung von Zement sollten auch Umweltaspekte berücksichtigt werden, da der hohe Ausstoß von CO2 durch den Einsatz fossiler Brennstoffe mehr elektrische Energie benötigt.

Welche Auswirkungen hat der Wasser-Zement-Wert auf die Betonqualität?

Der Wasser-Zement-Wert (w/z-Wert) beschreibt das Verhältnis von Wasser zu Zement in der Betonmischung und liegt bei bewehrten Beton zwischen 0,45 und 0,75 (bei Sonderzementen auch im Rahmen von 0,2 und 0,4. Ein niedriger w/z-Wert führt zu einem Beton mit höherer Festigkeit und geringerer Porosität, da weniger Wasser vorhanden ist, das beim Abbinden des Zements ungenutzte Hohlräume in Form von Kapillarporen hinterlässt. Unerwünschte Folgen sind Festigkeitsverlust, Bluten des Betons und Schwindverhalten.

Wie wirkt sich die Korngröße des Zements auf die Betoneigenschaften aus?

Die Korngrößenverteilung des Zements beeinflusst die rheologischen Eigenschaften und die Kinetik der Hydratation des Betons, wobei auch dessen Druckfestigkeit, Dichtigkeit und Dauerhaftigkeit festgelegt wird. Ein feiner gemahlener Zement weist eine größere Oberfläche für die Hydratationsreaktion mit Wasser auf und führt zu einer schnelleren Entwicklung der Anfangsfestigkeit sowie einer erhöhten Endfestigkeit des Betons. Zudem optimiert eine feinere Korngröße die Porenstruktur des erhärteten Betons und verbessert dessen Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen von schädlichen Substanzen.