Zementanwendung

Einbringen von Beton.

Als Bindemittel für Beton, Mörtel oder Estrich ist Zement vielseitig einsetzbar und zählt zu den meist verbauten Baustoffen überhaupt. Als hydraulisches Bindemittel erhärtet Zement – im Gegensatz zu Gips oder einigen Kalksorten – auch unter Wasser. In verschiedenen chemischen Reaktionen bilden der Zement und das beigemischte Wasser während der sogenannten Hydratation zunächst feine nadelförmige Kristalle, die mit der Zeit immer weiter wachsen, Zwischenräume zwischen den einzelnen Zementpartikeln und Gesteinskörnungen ausfüllen und sich verkanten und verzahnen. Infolge der Hydratation wird der Zementleim zunächst zähflüssiger, bis er schließlich erstarrt und dann erhärtet. Während der Reaktion entsteht Wärme. Die gewünschte und in den jeweiligen Normen beschriebene Festigkeit ist in der Regel spätestens nach 28 Tagen erreicht. Wasser und Zement reagieren aber auch danach noch miteinander, sodass die Festigkeit noch über Monate zunehmen kann.

Hydratation des Zementes

Hydratation des Zementes

Aus der Reaktion zwischen Zement und Anmachwasser entstehen wasserhaltige Verbindungen, die so genannten Hydratphasen, die das Erstarren und Erhärten des Zementleims zum Zementstein bewirken. Bei den deutschen Normzementen ist Portlandzementklinker der wichtigste hydraulisch reagierende Hauptbestandteil. Portlandzementklinker besteht im Wesentlichen aus den Klinkerphasen Tricalciumsilicat (C3S), Dicalciumsilicat (C2S), Tricalciumaluminat (C3A) und Calciumaluminatferriten (C2(A,F)). Die verschiedenen Klinkerphasen unterscheiden sich sowohl in ihrer Reaktionsgeschwindigkeit als auch in ihrem Beitrag zur Festigkeitsentwicklung des Zementsteins. C3A und C3S hydratisieren am schnellsten, während C2(A,F) und C2S deutlich langsamer reagieren. Für die Entwicklung der Frühfestigkeit des Portlandzements ist in erster Linie die Hydratation des C3S verantwortlich, während C2S zur Festigkeitsentwicklung im höheren Alter beiträgt. Zur Regelung des Erstarrungsverlaufs wird Zementen Calciumsulfat zugegeben.

Die wesentlichen wasserhaltigen Verbindungen, die bei der Hydratation aller Zemente (mit Ausnahme des Tonerdezements) entstehen und auf denen die Festigkeitsbildung beruht, sind die Calciumsilicathydrate (CSH). Sie entstehen aus den silicatischen Klinkerphasen C3S und C2S und können in ihrer Zusammensetzung variieren. Entscheidend für die Zusammensetzung der sich ausbildenden Hydrate ist die zugegebene Wassermenge im Verhältnis zur Zementmenge, der Wasserzementwert. Üblicherweise liegt dieser bei der Betonherstellung zwischen 0,40 und 0,70.

Das Gemisch aus Zement und Wasser wird als Zementleim bezeichnet. Zementleim besitzt anfangs eine plastische Konsistenz. Unmittelbar nach Wasserzugabe beginnen die Hydratationsreaktionen, die ein anfangs geringes, nach einiger Zeit verstärktes Ansteifen zur Folge haben. Das Erstarren des Zementleims beginnt nach etwa ein bis drei Stunden, wenn sich erste, noch sehr feine Calciumsilicathydratkristalle auf den Klinkerpartikeln bilden. Seine Normfestigkeit hat der Zement nach 28 Tagen erreicht. Die Hydratation des Zements ist ein exothermer Prozess. Die dabei frei werdende Reaktionsenergie wird Hydratationswärme genannt und ist abhängig von der Zusammensetzung des Zements. Für Portlandzement liegt die Hydratationswärme beispielsweise im Bereich von 375 bis 525 Joule pro Gramm.

Beton – modernes 5-Stoff-System

Ob Wohnhäuser oder Wolkenkratzer, kilometerlange Brücken oder Tunnel: ohne Beton wären unsere heutige Architektur und Bauweisen nicht möglich. Im einfachsten Fall besteht Beton aus nur wenigen Stoffen: Als Grundstoffe dienen Gesteinskörnungen wie Sand und Kies, die mit Zement und Wasser gemischt werden. Der Zement erhärtet und "verklebt" die Gesteinskörnungen miteinander und schafft so ein künstliches Gestein. Kontinuierliche Forschung und Entwicklung ermöglichen heute die Herstellung eines Baustoffes mit nahezu beliebigen Eigenschaften: Normal(fester) Beton, ultrahochfester Beton oder Leichtbeton ermöglichen Architekten immer wieder die Kreation von Bauwerken in neuen Formen und Dimensionen. 

Mischt man Zement und Wasser ausschließlich mit Sand – oder einem anderen Zuschlagstoff mit einer Korngröße kleiner vier Millimeter – spricht man von Mörtel. Mörtel wird vor allem zur Verbindung von Mauersteinen, aber auch zum Verputzen von Wänden und Decken oder im Brandschutz verwendet. Darüber hinaus wird Zement z. B. als Bindemittel in Estrichen eingesetzt, die beim Aufbau von Fußböden als Grundlage für Bodenbeläge genutzt werden.

Forschung erschließt neue Einsatzgebiete

Die Verminderung der CO2–Emissionen und des Energieeinsatzes in der Zementherstellung bei gleichzeitiger Anwendungssicherheit im Hinblick auf dauerhafte Betonbauwerke bilden ein Kernelement aktueller Forschung. Daneben erschließt sich der Baustoff Zement dank seiner Weiterentwicklung auch neue Einsatzgebiete. Moderne Injektionszemente können in Risse und Hohlräume gepresst und zur Instandhaltung historischer oder beschädigter Bauwerke genutzt werden. Latent-hydraulische und puzzolanische Zementbestandteile erhöhen die Beständigkeit gegenüber Säuren oder anderen aggressiven Chemikalien. Und Spezialzemente unterstützen sogar die Reinhaltung der Luft. Unter Sonneneinstrahlung können im Zement eingebrachte Zusatzstoffe – beispielsweise Titanoxid – Stickoxide aus der Luft aufnehmen und in unbedenkliche Stoffe umwandeln, die bei Regen ausgewaschen werden.

Kontakt

Dr. Christoph Müller

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Tel.: (0211) 45 78-351

Fax: (0211) 45 78-219

Zement-Taschenbuch

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Zement-Merkblätter behandeln die Themen Betontechnik, Hochbau, Landwirtschaftliches Bauen, Straßenbau, Tief- und Ingenieurbau.

Stahlbeton – kinderleicht erklärt

Beitrag der Sendung mit der Maus vom 31. August 2014 mit Beteiligung des VDZ zum Thema Stahlbeton.