Portlandzement

Portlandzement entsteht, wenn Kalkstein und Ton bei etwa 1450 °C zu harten Knollen, dem Klinker, gebrannt und mit etwas Gips gemahlen werden. Mit Wasser erhärtet er durch eine chemische Reaktion, auch unter Wasser, und mit Sand und Kies gebunden ergibt er Beton, den meistverwendeten Baustoff der Welt.

Was es ist

Portlandzement ist ein graues Pulver: Kalkstein und Ton, gebrannt, bis sie teilweise zu harten Brocken schmelzen, dem Klinker, der dann mit etwas Gips gemahlen wird. Mit Wasser entsteht ein Leim, der in wenigen Stunden steif wird und wochenlang weiter erhärtet.

Er ist ein hydraulisches Bindemittel: Er erhärtet, indem er mit Wasser reagiert, in einer nassen Baugrube ebenso wie im Meer. Mörtel aus Luftkalk dagegen härtet langsam durch Karbonatisierung an der Luft. Römischer Beton widerstand dem Wasser dank Puzzolan, vulkanischer Asche, deren Kieselsäure mit dem Löschkalk reagiert. Im Portlandzement sind Kalk und die Kieselsäure des Tons schon im Ofen verbunden; das Pulver braucht nur noch Wasser und wird weit fester.

Mit Sand und Kies ergibt er Beton: Diese Gesteinskörnung füllt den größten Teil des Volumens, der Zement verklebt sie.

Wie es funktioniert

Klinker, wie er aus dem Ofen kommt; mit etwas Gips gemahlen, wird er zu Zement.

Brennen. Das Rohmehl besteht meist zu etwa vier Fünfteln aus Kalkstein, dazu Ton oder Schiefer, die Kieselsäure, Tonerde und Eisenoxid liefern. Im Ofen gibt der Kalkstein sein Kohlendioxid ab und wird zu Branntkalk, der sich dann mit den Mineralen des Tons verbindet. Bei etwa 1450 °C schmilzt ein Teil des Brennguts, der Rest sintert zu dunklen Knollen. Ein üblicher Klinker enthält rund 55 % Alit und 20 % Belit, zwei Calciumsilikate; Alit bildet sich nur bei scharfem Brand über etwa 1300 °C. Danach wird der Klinker rasch gekühlt.

Mahlen. Der Klinker wird mit etwa 5 % Gips sehr fein gemahlen. Der Gips verhindert, dass das Aluminat im Klinker den Leim schon wenige Minuten nach dem Anmachen versteifen lässt.

Abbinden. Im Wasser bilden Alit und Belit Calciumsilikathydrate, ein schlecht kristallisiertes Gel, das aus jedem Korn wächst und die Körner miteinander verbindet; dabei entstehen Calciumhydroxid und Wärme. Alit liefert die Frühfestigkeit, Belit den Zuwachs nach der ersten Woche.

Wasser und Festigkeit. Überschüssiges Wasser hinterlässt Poren, und Poren schwächen den Beton. 1918 zeigte Duff Abrams am Lewis Institute in Chicago, dass die Festigkeit vor allem vom Verhältnis von Wasser zu Zement abhängt; die meisten Mischungen liegen zwischen 0,4 und 0,6 (Masse). Beton, der zu früh austrocknet, reagiert nicht weiter; in manchen Versuchen erreichte er nur etwa die Hälfte der Festigkeit von feucht gehaltenem Beton.

Wie man es baut

Klinker braucht einen Industrieofen, aber Sackzement innerhalb seines Haltbarkeitsdatums lässt sich auf einem Brett von Hand mischen, etwa für ein Pfostenfundament oder eine kleine Gartenplatte. Alles, was ein Gebäude oder ein Fahrzeug trägt, braucht die Planung eines Ingenieurs.

Die Schalung. Für eine Platte bis auf festen Boden ausheben, eine Schotterschicht verdichten und ringsum Bretter hochkant setzen, außen mit Pflöcken gehalten, die Oberkante waagrecht, die Innenseite geölt. Beim Fundament ist das Loch selbst die Form.

Das Wasser kommt in eine Mulde im trockenen Gemisch und wird vom Rand her eingearbeitet.

Trocken mischen, dann sparsam wässern. Eine gängige Regel ist ein Eimer Zement auf zwei Eimer scharfen Sand und drei Eimer gewaschenen Kies bis 20 mm. Den trockenen Haufen umschaufeln, bis er gleichmäßig grau ist, dann Wasser in eine Mulde gießen und das trockene Gemisch vom Rand her nach und nach hineinschaufeln. Ein Wert von 0,5 bedeutet etwa 12,5 Liter für einen 25-kg-Sack, das Wasser im feuchten Sand mitgerechnet. Aufhören, sobald die Mischung überall nass und weich genug ist, um die Form zu füllen und verdichtet zu werden, aber auf der Schaufel noch ihre Form hält: Mehr Wasser macht sie leichter zu verarbeiten, den erhärteten Beton aber schwächer.

Einbringen, verdichten, feucht halten. Die Form lagenweise füllen, jede Lage mit einem Stab stochern und an die Bretter klopfen, damit die Luft entweicht; die Oberfläche mit einer Latte abziehen. Den frischen Beton schon während der Arbeit vor Sonne und Wind schützen. Sobald die Oberfläche keine Abdrücke mehr annimmt, mindestens 7 Tage unter Folie oder nassem Jutesack feucht halten, bei kühlem Wetter länger, und vor Frost schützen.

Einen Würfel prüfen. Eine oder zwei geölte Formen von 10 cm Innenmaß mit derselben Mischung füllen, in zwei Lagen, jede gestochert, und unter derselben nassen Abdeckung wie die Platte lagern. Ein Baustoffprüflabor drückt solche Würfel nach 7 und 28 Tagen in einer Presse und gibt ihre Festigkeit an; so wird Beton auf der Baustelle geprüft. Einen Würfel mit dem Hammer zu zerschlagen, sagt wenig aus und schleudert Splitter und Staub.

Sicherheit. Frischer Zement ist stark alkalisch. Eingeschlossen zwischen Haut und Handschuh oder Stiefel, kann er schwere Verätzungen verursachen. Wasserdichte Handschuhe, lange Ärmel, die Hose über den Stiefeln und eine Schutzbrille tragen. Zement auf der Haut sofort abwaschen; bei Spritzern ins Auge mindestens 15 Minuten mit reichlich klarem Wasser spülen und ärztliche Hilfe holen. Das Pulver reizt die Lunge: Säcke im Freien mit dem Wind im Rücken und mit FFP3-Maske ausleeren. Beim Schneiden von erhärtetem Beton entsteht Quarzstaub: eine Säge mit Wasserzufuhr und eine FFP3-Maske mit geprüftem Dichtsitz verwenden. Ein Sack wiegt 25 kg: aus den Knien heben oder zu zweit.

Geschichte und Entwicklung

Smeatons Turm auf dem Eddystone, 1759: verzahnte Steine in einem Mörtel, der im Meerwasser abbindet.

1756 sollte der englische Ingenieur John Smeaton den Leuchtturm auf den Eddystone-Felsen vor Plymouth neu bauen und prüfte Kalke für einen Mörtel, der zwischen zwei Gezeiten abbindet. Die besten stammten aus tonhaltigem Kalkstein; er mauerte den Turm mit hydraulischem Kalk und Puzzolan. In Frankreich zeigte Louis Vicat 1817–1818, wie Ton dem Kalk das Abbinden unter Wasser ermöglicht, und stellte aus Kreide und Ton einen künstlichen hydraulischen Kalk her, für eine Brücke in Souillac.

Am 21. Oktober 1824 erhielt Joseph Aspdin, Maurer in Leeds, ein Patent auf einen Kunststein, „den ich Portlandzement nenne“, nach dem hellen Stein der Halbinsel Portland in Dorset. Sein Produkt war wohl zu schwach gebrannt, um nach heutigem Maßstab als Portlandzement zu gelten. In den 1840er-Jahren brannten sein Sohn William und Isaac Charles Johnson, beide bei London, die Mischung bis zum Klinker, den frühere Hersteller als totgebrannt weggeworfen hatten; beide beanspruchten die Entdeckung. Diese Tafel nennt 1824, das Jahr des Namens.

Frederick Ransome ließ sich 1885 einen Drehrohrofen patentieren. Seine Versuche in England scheiterten, doch ein ölbeheizter Ofen dieser Art lief 1890 in Pennsylvania, und solche Öfen verdrängten bald die feststehenden Öfen.

2018 wurden nach Chatham House weltweit über 4 Milliarden Tonnen Zement im Jahr hergestellt, und diese Produktion verursachte etwa 8 % der weltweiten CO₂-Emissionen. Mehr als die Hälfte stammte aus dem Kalkstein selbst, der im Ofen sein Kohlendioxid abgibt. Hersteller ersetzen einen Teil des Klinkers durch Hüttensand, Flugasche, kalzinierten Ton oder Kalksteinmehl, um diesen Anteil zu senken.