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Portlandzement: Rohstoffe, Eigenschaften und Anwendung

Wieso heißt der Zement "Portland"? Aus welchen Rohstoffen besteht er? Welche speziellen Eigenschaften besitzt dieser Zement? Was ist beim Umgang mit und Verarbeiten von Portlandzement zu beachten?

Portlandzement ist eine Zementart aus Kalkstein/Kreide und Ton, die sich wiederum in mehrere Unterarten unterteilen lässt. Hauptbestandteil von Portlandzement ist Kalziumsilikat. Da der aus dem Portlandzement entstehende Beton anfänglich große Ähnlichkeit mit dem Portlandgestein, einem dauerhaften Kalkstein von der südenglischen Halbinsel Portland aufwies, wurde er entsprechend als Portlandzement benannt.

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Entwicklungsgeschichte: Vom „Portland Cement“ zum Portlandzement

Portlandzement ist eine spezielle Zementart mit einem überwiegenden Anteil an sogenanntem Portlandzementklinker. Die Typenbezeichnung Portlandzement lässt sich auf Joseph Aspdin zurückführen. Der englische Maurer und Bauunternehmer reichte im Jahr 1824 das Patent für ein Bindemittel ein, für das er Ton und Kalk gemischt und die Mischung anschließend bei Temperaturen unterhalb der Sinterung (einsetzende Schmelze bei etwa 1.450 Grad Celsius) erhitzt hatte. Dieser „Portland Cement“ war jedoch noch kein richtiger Zement nach unserem heutigen Verständnis, sondern künstlicher Romanzement.

Unter Zugabe von Wasser bildete sich aus dem Portlandzement Beton, der große Ähnlichkeit mit dem Portlandgestein, einem dauerhaften Kalkstein, der von der südenglischen Halbinsel Portland stammt, hatte. Daher auch der Name Portlandzement. Allerdings brannte erst Aspdins Sohn 1843 den vom Vater entwickelten Portlandzement bei höheren Temperaturen, so dass wegen der Sinterung der Portlandzement entstand, wie wir ihn heute verstehen.

Die Grundlage für die Herstellung des Portlandzements in Deutschland legte Hermann Bleibtreu (1821 - 1881), der auch zwei Zementwerke in Züllchow bei Stettin (1855) und in Oberkassel bei Bonn errichtete. Der erste deutsche Portlandzement nach englischem Vorbild wurde um 1850 in Uetersen produziert. Portlandzement ist unter der gleichen Bezeichnung seit 1878 in Deutschland genormt. Um die Jahrhundertwende folgte dann die Verwendung von Hüttensand und damit die Herstellung von Portlandhütten-(Eisenportland-) und Hochofenzement.

Expertenwissen: Der Begriff Zementklinker kam bereits vor 1900 auf, zu einer Zeit, als es üblich war, Zement noch in sogenannten Schacht- oder Ringöfen zu brennen. Da das Brenngut zum Brennen zu einer Art „Ziegeln“ geformt werden musste, die ähnlich wie Mauerziegel (sogenannte Klinker, die „klingend hart“ waren) aussahen, setzte sich der Begriff durch. Zementklinker, wie er heute aus modernen Drehöfen kommt, ist dagegen von unregelmäßiger, rundlicher Form in unterschiedlicher Größe bis zu drei Zentimeter Durchmesser. Drehöfen sind weniger als drei bis vier Prozent geneigt liegende, feuerfest ausgemauerte Stahlröhren, die sich langsam mit 1,3 bis 2 Umdrehungen in der Minute drehen.

Rohstoffe, Gemische und Klinkerphasen

Um Portlandzement bzw. den sogenannten Portlandzementklinker herzustellen, werden Kalkstein/Kreide und Ton oder deren natürliche Gemische vermengt, die hauptsächlich aus folgenden Rohstoffen in jeweils unterschiedlichen Anteilen bestehen.

  • 58 bis 66 Prozent Kalziumoxid (auch Calciumoxid) CaO
  • 18 bis 26 Prozent Siliziumdioxid (auch Siliciumdioxid) SiO2
  • 4 bis 10 Prozent Aluminiumoxid (Tonerde) Al2O3
  • 2 bis 5 Prozent Eisenoxid Fe2O3

Als Alternative zum Ton sind auch ähnlich zusammengesetzte Rohstoffe denkbar, zum Beispiel Flugasche oder Sand.

Der Holcim Pur 4 N Portlandzement (25 kg Sack) besteht zu 95 bis 100 % Portlandzementklinker mit einer Rohdichte von 3,10 kg/cdm. (Foto: energie-experten.org)
Der Holcim Pur 4 N Portlandzement (25 kg Sack) besteht zu 95 bis 100 % Portlandzementklinker mit einer Rohdichte von 3,10 kg/cdm. (Foto: energie-experten.org)

Das Rohstoffgemisch wird bis zum Sintern erhitzt, wobei neue Verbindungen gebildet werden: die sogenannten Klinkerphasen, darunter

  • Tricalciumsilicat (Alit),
  • Dicalciumsilicat (Belit),
  • Calciumaluminatferrit (Aluminatferrit),
  • Tricalciumaluminat (Aluminat),
  • freies Calciumoxid und
  • freies Magnesiumoxid (Periklas).

Sie machen die hydraulische Erhärtung des Portlandzements möglich.

Tabelle 2: Übersicht über Klinkerphasen (Quelle: Zement-Merkblatt Betontechnik B1 9.2017 / InformationsZentrum Beton GmbH)
Formel Bezeichnung Abkürzung Eigenschaften
3 CaO·SiO2 Tricalciumsilikat C3S schnelle Erhärtung, hohe Hydratationswärme
2 CaO·SiO2 Dicalciumsilikat C2S langsame, stetige Erhärtung, niedrige Hydratationswärme
3 CaO·Al2O3 Tricalciumaluminat C3A in größeren Mengen schnelles Erstarren, höhere Hydratationswärme, Empfindlichkeit gegen Sulfatwässer
2 CaO·)Al2O3, Fe2O3) Calciumaluminatferrit C2(A, F) langsame Erhärtung, widerstandsfähig gegen Sulfatwasser

Die Beschaffenheit der Rohstoffe gibt den Ausschlag für die Eigenschaften und damit die Güte des daraus gefertigten Portlandzements. Je gleichmäßiger dieser beschaffen ist, desto besser. Wegen der natürlichen Vorkommen sämtlicher Rohstoffe ergeben sich jedoch naturgemäß Qualitätsunterschiede.

Um diese auszugleichen, werden die Rohstoffe kontrolliert aufbereitet: Zu den trockenen Aufbereitungsmethoden zählen das Vermischen (Homogenisieren), Trocknen und Mahlen. Die Nassaufbereitung (Aufschlämmung) ist noch vergleichsweise selten im Einsatz.

Nach dem Brennen wird der Portlandzementklinker vorwiegend in Silos oder Hallen gelagert und dann erneut homogenisiert. Anschließend wird er allein oder unter Zugabe weiterer Hauptbestandteile fein gemahlen. Um das kontrollierte Erstarren des Zements zu gewährleisten, wird dazu dem Mahlgut Gipsstein oder ein Gemisch aus Gips und Anhydrit zugesetzt.

Einordnung Normalzemente nach DIN EN 197-1

Nach der europäischen Norm DIN EN 197-1 unterscheidet man Zemente in fünf Hauptkategorien:

  1. reiner Portlandzement (CEM I)
  2. Portland-Kompositzemente (CEM II),
  3. Hochofenzemente (CEM III),
  4. Puzzolanzemente (CEM IV) und
  5. Kompositzemente (CEM V).

Portlandzement (CEM I) enthält als Hauptbestandteil ausschließlich Portlandzementklinker und darf, wie auch die anderen Normzemente, höchstens 5 M.-% Nebenbestandteile enthalten.

Anders als reiner Portlandzement ist Portlandkompositzement (CEM II) nicht nur aus Portlandzementklinker gemacht: In dem Bindemittel stecken häufig Kalkstein, Hüttensand (Nebenprodukt der Stahlproduktion) oder Flugasche (Nebenprodukt der Steinkohleverstromung).

In Deutschland enthalten derzeit mehr als 90 % der CEM II-Zemente entweder Hüttensand oder Kalkstein als Hauptbestandteil. Der Anteil der CEM II-Zemente mit Hüttensand hat dabei in den letzten Jahren stark zugenommen.

Ebenso gelten natürliche Puzzolane, gebrannter Schiefer und Silicatstaub als gängige Zusatzstoffe für CEM-II-Zemente. Hochofenzement (CEM III) hat einen besonders hohen Anteil an Hüttensand.

Die Zemente CEM IV und CEM V spielen in der Praxis eine eher geringe Rolle. In Deutschland werden sie kaum produziert.

Tabelle 2: Normalzemente und ihre Zusammensetzung nach DIN EN 197-1 (Quelle: Zement-Merkblatt Betontechnik B1 9.2017 / InformationsZentrum Beton GmbH)
Hauptart Zementart Kurzzeichen Weiterer Bestandteil neben Portlandzementklinker Anteil
CEM I Portlandzement CEM I - 0%
CEM II Portlandhüttenzement CEM II/A-S Hüttensand (S) 6 - 20%
CEM II Portlandhüttenzement CEM II/B-S Hüttensand (S) 21 - 35%
CEM II Portlandsilikastaubzement CEM II/A-D Silikastaub (D) 6 - 10%
CEM II Portlandpuzzolanzement CEM II/A-P natürliches Puzzolan (P) 6 - 20%
CEM II Portlandpuzzolanzement CEM II/B-P natürliches Puzzolan (P) 21 - 35%
CEM II Portlandpuzzolanzement CEM II/A-Q natürlich getempertes Puzzolan (Q) 6 - 20%
CEM II Portlandpuzzolanzement CEM II/B-Q natürlich getempertes Puzzolan (Q) 21 - 35%
CEM II Portlandflugaschezement CEM II/A-V kieselsäurereiche Flugasche (V) 6 - 20%
CEM II Portlandflugaschezement CEM II/B-V kieselsäurereiche Flugasche (V) 21 - 35%
CEM II Portlandflugaschezement CEM II/A-W kalkreiche Flugasche (W) 6 - 20%
CEM II Portlandflugaschezement CEM II/B-W kalkreiche Flugasche (W) 21 - 35%
CEM II Portlandschieferzement CEM II/A-T gebrannter Schiefer (T) 6 - 20%
CEM II Portlandschieferzement CEM II/B-T gebrannter Schiefer (T) 21 - 35%
CEM II Portlandkalksteinzement CEM II/A-L Kalkstein (L) 6 - 20%
CEM II Portlandkalksteinzement CEM II/B-L Kalkstein (L) 21 - 35%
CEM II Portlandkalksteinzement CEM II/A-LL Kalkstein (LL) 6 - 20%
CEM II Portlandkalksteinzement CEM II/B-LL Kalkstein (LL) 21 - 35%
CEM II Portlandkompositzement CEM II/A-M Alle Hauptbestandteile sind möglich (S,D,P, Q, V, W, T, L, LL) 12 - 20%
CEM II Portlandkompositzement CEM II/B-M Alle Hauptbestandteile sind möglich (S,D,P, Q, V, W, T, L, LL) 21 - 35%
CEM III Hochofenzement CEM III/A Hüttensand (S) 36 - 65%
CEM III Hochofenzement CEM III/B Hüttensand (S) 66 - 80%
CEM III Hochofenzement CEM III/C Hüttensand (S) 81 - 95%
CEM IV Puzzolanzement CEM IV/A Silikastaub, Puzzolane und Flugasche (D, P, Q, V, W) 11 - 35%
CEM IV Puzzolanzement CEM IV/B Silikastaub, Puzzolane und Flugasche (D, P, Q, V, W) 36 - 55%
CEM V Kompositzement CEM V/A Hüttensand (S) 18 - 30%
CEM V Kompositzement CEM V/A Puzzolane (P, Q), Flugasche (V) 18 - 30%
CEM V Kompositzement CEM V/B Hüttensand (S) 31 - 49%
CEM V Kompositzement CEM V/B Puzzolane (P, Q), Flugasche (V) 31 - 49%

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Wichtige Eigenschaften im Überblick

Lagerung und Transport

Der so gefertigte Portlandzement ist hygroskopisch. Das bedeutet, dass er Feuchtigkeit – auch aus der Luft (Luftfeuchtigkeit) – schnell aufnimmt. Damit der Portlandzement dabei nicht schon vorzeitig erhärtet, muss er trocken gelagert werden. Das geschieht meist in Silos, von wo aus er dann zu den Packmaschinen gebracht wird, die ihn beispielsweise als Sackzement verpacken. Alternativ wird er lose verladen.

Für Transport und Lagerung von losem Portlandzement müssen Sie darauf achten, dass sowohl die Silowagen als auch die Baustellensilos frei von Resten früherer Füllungen (Gips, Kalk, Kunstdünger u.a.) sind. Andernfalls drohen unerwünschte Veränderungen der Eigenschaften des Portlandzements.

Auch für Sackzement gibt es Lagerungsregeln: Sackzement sollte bestenfalls auch trocken gelagert werden. Müssen Sie ihn vorübergehend im Freien lagern, ist eine belüftete Kantholzunterlage nötig. Die Folien zum Abdecken dürfen die Zementsäcke nicht berühren, andernfalls werden sie nach einiger Zeit vom sich bildenden Kondenswasser feucht.

Hier sehen Sie eine Palette Portlandzement Profi-Zement von BAU!ES, einer Eigenmarke der Bauking AG
BAU!ES Profi-Zement ist ein aus Portlandzementklinker und Kalksteinmehlen aufbereiteter Normzement, der sich speziell für die Herstellung von Estrichen empfiehlt. Der anteilige Austausch von Zementklinker reduziert den CO2-Ausstoß, das durch das Brennen des Kalksteins roh- und brennstoffbedingt ausgetrieben wird. (Foto: energie-experten.org)

Es gilt die Faustregel gilt, dass sachgemäß gelagerter Sackzement sowie Zement in Baustellensilos nach drei Monaten etwas über zehn Prozent an Festigkeit verlieren. Daraus resultieren Empfehlungen für die Lagerungszeit: Zement der Festigkeitsklasse 52,5 (Herstellerangabe) höchstens ein Monat Lagerungszeit, andere Zementarten höchstens zwei Monate Lagerungszeit.

Wichtig: Nach geltendem europäischen Chemikalienrecht ist Portlandzement ein Gefahrstoff. Lieferscheine und Verpackungen müssen dementsprechend zu kennzeichnen.

Zementfestigkeit

Eine maßgebliche Eigenschaft von Zement ist dessen Festigkeit. Diese wird gemäß der DIN EN 196 in sogenannten Festigkeitsklassen definiert.

Die Zementfestigkeit resultiert aus der Bindung der Calciumsilikathydrate nach der Zugabe von Wasser. Diese bilden feine nadelförmige Kristalle, die sich untereinander verzahnen und so zur hohen Festigkeit des Zements beitragen, die den hohen Anforderungen im Baubereich gerecht wird.

Die Zemente werden in den folgenden Festigkeitsklassen hergestellt:

  • 22,5
  • 32,5
  • 42,5
  • 52,5

Außer bei der Festigkeitsklasse 22,5, die nur für Sonderzemente nach der europäischen Norm DIN EN 14216 gilt, werden diese Festigkeitsklassen wiederum nach ihrer Anfangsfestigkeit unterschieden:

  • niedrige Anfangsfestigkeit (Kennbuchstabe L = Low), (nur für Hochofenzemente nach DIN EN 197-1)
  • normale, übliche Anfangsfestigkeit (Kennbuchstabe N = Normal) und
  • hohe Anfangsfestigkeit (Kennbuchstabe R = Rapid)

Welchen Einfluss die Zementfestigkeit auf die Betonfestigkeit hat, das kann man nur abschätzen, da hierfür auch der Wasserzementwert, die Verdichtung und die Nachbehandlung des Betons eine wesentliche Rolle spielen.

Erstarrzeit

Auch die Erstarrzeit des Portlandzements ist eine zementspezifische Eigenschaft, die insbesondere für die Anwendung von Bedeutung ist. Man unterscheidet prinzipiell:

  • Portlandzemente mit frühem Erstarren (sogenannte FE-Zemente): Bei kurzen Misch-, Transport- und Verarbeitungszeiten lässt sich daraus Beton nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 herstellen, aus dem zum Beispiel Betonfertigteile gemacht werden können.
  • Portlandzemente mit schnellem Erstarren (sogenannte SE-Zemente): Zemente, deren Erstarrung nach weniger als 45 Minuten beginnt, eignen sich nicht zur normalen Betonherstellung. Sie kommen daher bei speziellen Verfahren wie Trockenspritzbeton zur Anwendung.

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"Portlandzement: Rohstoffe, Eigenschaften & Anwendung" wurde am 27.09.2018 das letzte Mal aktualisiert.