Zement ist mehr als nur graues Pulver – seine Festigkeit entsteht durch ein komplexes Zusammenspiel chemischer Phasen, die beim Brennen von Klinker entstehen. Bei der Sinterung der Rohstoffe Kalkstein, Ton, Sand und Eisenerz bei etwa 1.450 °C bilden sich vier Hauptphasen: Tricalciumsilikat (Alit) C₃S, Dicalciumsilikat (Belit) C₂S, Tricalciumaluminat C₃A und Tetracalciumaluminatferrit C₄AF. Die wichtigste Phase für die Aushärtung ist das Tricalciumsilikat, das die höchste Anfangshärte besitzt. Wer verstehen will, wie Beton nach dem Anmischen aushärtet, muss diese Klinkerphasen-Chemie kennen.
Portlandzementklinker ist der gebrannte Bestandteil des Zements, der für die Aushärtung unter Beimengung von Wasser zuständig ist. Die Bezeichnung Klinker stammt von der Ähnlichkeit zu hochgebrannten (gesinterten) Ziegeln. Als Ausgangsprodukte werden im Wesentlichen Tonminerale und Kalk eingesetzt, meist in Form ton- und kalkhaltiger Gesteine wie Kalkstein oder Mergel. Die Rohstoffe werden gemahlen und anschließend bei etwa 1.450 °C erhitzt, bis sie teilweise miteinander verschmelzen – ein Prozess, der als Sintern bezeichnet wird. Das nun kugelförmige Material wird abgekühlt und erneut gemahlen, um Zement zu erhalten. Vor dem Brennen können Quarzsand und eisenoxidhaltige Stoffe zugefügt werden, um die Sinterung zu verbessern. Um Zementsorten mit bestimmten Eigenschaften zu erhalten, können beispielsweise auch Hüttensand, Flugasche und Gips zugegeben werden.
Bei der Sinterung entstehen im Wesentlichen vier Klinkerphasen, die jeweils unterschiedliche Aufgaben beim Erhärten übernehmen: Tricalciumsilikat (Alit) C₃S ist die wichtigste Phase für die Aushärtung und besitzt die höchste Anfangshärte. Dicalciumsilikat (Belit) C₂S trägt zur Langzeitfestigkeit bei und härtet langsamer aus als Alit. Tricalciumaluminat C₃A ist verantwortlich für die Frühfestigkeit, reagiert aber sehr schnell mit Wasser – Gips wird zugegeben, um die Reaktion zu verzögern und ein zu schnelles Abbinden zu verhindern. Tetracalciumaluminatferrit C₄AF beeinflusst die Farbe des Zements und trägt zur Festigkeitsentwicklung bei. Zusätzlich kommt im Klinker freies CaO (Freikalk) vor, das bei unvollständiger Reaktion verbleibt.
Chemisch gesehen besteht Portlandzementklinker aus folgenden Hauptkomponenten: Calciumoxid (CaO) 60–67 Massen-%, Kieselsäure (SiO₂) 18–23 Massen-%, Aluminiumoxid (Al₂O₃ + TiO₂) 4–9 Massen-%, Eisenoxid (Fe₂O₃) 1–4 Massen-%, Magnesiumoxid (MgO) 0,5–5 Massen-%, Schwefeltrioxid (SO₃) 0,1–1,5 Massen-%, Alkalien 0,5–2 Massen-% und Glühverlust 0,1–1 Massen-%. Die Bestimmung der Klinkerphasen erfolgt entweder durch Röntgendiffraktometrie oder die klassische Berechnung nach Bogue aus dem Gehalt der Hauptkomponenten. Diese Analyseverfahren sind für die Qualitätskontrolle in Zementwerken unverzichtbar.
Für Sie als Verarbeiter bedeutet die Kenntnis der Klinkerphasen: Je höher der Alit-Gehalt (C₃S), desto schneller entwickelt Ihr Mörtel oder Beton Festigkeit. Das ist besonders wichtig, wenn Sie unter Zeitdruck arbeiten oder früh ausschalen müssen. Zemente mit höherem Belit-Anteil (C₂S) entwickeln die Festigkeit langsamer, sind aber für langfristig beanspruchte Bauteile vorteilhaft.
Die Zementklinkerproduktion ist Stand 2019 die drittgrößte Quelle für industrielle Treibhausgasemissionen in Deutschland, mit 20 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalent jährlich. Dies unterstreicht die Bedeutung einer kontrollierten Phasenzusammensetzung auch im Hinblick auf die Ressourceneffizienz der Zementproduktion.
