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ZementZoomA-Z

Fachgebiet - Anorganische Chemie

Zemente sind pulverförmige Baustoffe, die im Gegensatz zu den Luftmörteln nach Versetzen mit Wasser ohne Einwirkung kohlendioxidhaltiger Luft abbinden und erhärten (Wassermörtel). Es handelt sich typischerweise um Mischungen aus Tricalciumsilicat, 3 CaO · SiO2, Tricalciumaluminat, 3 CaO · Al2O3, und Dicalciumsilicat, 2 CaO · SiO2, in veränderlichen Anteilen, zusammen mit kleinen Mengen anderer Verbindungen, z.B. Oxiden des Eisens, Natriums, Kaliums, Magnesiums oder Phosphors. Oft wird Gips oder Anhydrit, CaSO4, beigefügt, um den Abbindeprozess zu verlangsamen.

Diese aktiven Verbindungen im Zement verändern ihr Gefüge, wenn Wasser dazugemischt wird. Hervorgerufen wird die Anfangsabbindung des Zements durch die Hydratation des Tricalciumsilicats zum 3 Couldn't accept input NUMBER ["2"]CaO.SiO_2.nH2O, später erfolgt eine hydrolytische Zersetzung unter Abscheidung von Ca(OH)2 und Bildung von Calciumsilicaten der ungefähren Zusammensetzung 3 CaO · 2SiO2 · nH2O. Diese Substanzen kristallisieren und binden die Sand- und Steinteilchen, die in einem Mörtel oder einer Betonmischung enthalten sind, zu einer festen Masse (Erhärten). Das Ca(OH)2 geht zusätzlich unter Aufnahme von CO2 aus der Luft in CaCO3 über. Das Tricalciumaluminat reagiert zunächst in gleicher Weise unter Bildung von Aluminat-Hydraten, trägt aber nicht zur endgültigen Abbindung der Mischung bei. Die Hydratation des Dicalciumsilicats läuft ähnlich, aber viel langsamer ab, sodass die Abbindung allmählich im Verlauf von Monaten bzw. Jahren vonstatten geht. Während der Hydratation und der Abbindung der Zementmischung (Aushärtung) wird Wärme freigesetzt. Hergestellt wird Zement aus kalkhaltigen Materialien, meist aus Kalkstein, CaCO3, unter Zusatz von Tonen, Tonschiefern oder Hochofenschlacke (Hauptbestandteile: Aluminiumoxid, Al2O3, und Siliciumdioxid, SiO2) in einer Zusammensetzung von ca. 60 % Kalk, 19 % Siliciumdioxid, 8 % Aluminiumoxid, 5 % Eisenoxid,Fe2O3, 5 % Magnesiumoxid, MgO, und 3 % Schwefeltrioxid, SO3. Einige Zementgesteine enthalten von Natur aus diese Elemente in annähernd geeigneten Anteilen und können ohne den Einsatz großer Mengen anderer Rohstoffe zu Zement verarbeitet werden. Im Allgemeinen arbeiten Zementfabriken jedoch auf der Basis von Rohstoffmischungen.

Zementwerk Deuna
B. Stolze, http://www.pixelio.de
Zement in der Verarbeitung
Michael Baudy, http://www.pixelio.de

Bei der Herstellung von Zement werden die Rohstoffe zusammen vermahlen. Die Mischung wird in einem Drehrohrofen erhitzt, bis sie zu einem Klinker verschmilzt, anschließend wird der Klinker zu feinem Pulver vermahlen: Die Öfen stehen waagerecht mit einer leichten Neigung, das Rohmaterial wird am oberen Ende eingefüllt, entweder in Form von trockenem Gesteinspulver oder als feuchter Brei, der aus vermahlenem Gestein und Wasser besteht. Während die Charge den Ofen nach unten durchläuft, wird sie mit heißen Gasen von einer Flamme am unteren Ende getrocknet und erhitzt. Wenn sie sich der Flamme nähert, entweicht das Kohlendioxid, CO2, (Zersetzungsprodukt des Kalksteins), und im Bereich der Flamme selbst wird die Charge bei einer Temperatur von etwa 1450 °C verschmolzen. Der Rohstoff braucht etwa sechs Stunden von einem Ende des Ofens zum anderen. Nach dem Verlassen des Ofens wird der Klinker abgekühlt und vermahlen. In einem modernen Ofen ergeben 45 kg Rohmaterial 27-30 kg Zement. Für den Gewichtsverlust sind vorrangig CO2 und Wasser verantwortlich.Durch Änderung der Zusammensetzung des Zements lassen sich verschiedene gewünschte Merkmale erzielen, z.B. schnelleres Abbinden, geringere Wärmefreisetzung während der Hydratation und Beständigkeit gegenüber alkalischen Stoffen: Schnellzemente, auch frühhochfeste Zemente genannt, werden z.B. durch feineres Vermahlen oder Erhöhung des Anteils des Tricalciumsilicats hergestellt. Einige dieser Zemente härten an einem Tag so stark aus wie gewöhnlicher Zement in einem Monat. Sie erzeugen jedoch sehr viel Wärme während der Hydratation, was sie für große Bauwerke, bei denen diese Wärme zu Rissen führen könnte, ungeeignet macht. Für massiven Verguss werden im Allgemeinen Zemente mit geringer Abbindewärme, die gewöhnlich einen großen Anteil an Dicalciumsilicat haben, verwendet. Wenn Betonerzeugnisse alkalischen Bedingungen ausgesetzt werden müssen, werden resistente Zemente mit geringem Aluminiumgehalt eingesetzt.

Der heute weit verbreitete Portlandzement (so genannt wegen der Ähnlichkeit zwischen dem aus diesem Zement hergestellten Beton und dem englischen Portlandstein) wurde erstmals 1845 in Großbritannien hergestellt. Zu jener Zeit wurden Zemente normalerweise noch in senkrechten Öfen produziert, in denen die Rohstoffe zwischen Schichten aus Koks, der dann verbrannt wurde, verteilt waren. Die ersten Drehrohröfen wurden um 1880 eingeführt.

Siehe auch: Kohlendioxid