Der lange Weg zum heutigen Portlandzement

Diplom-Ingenieur Rainer Nobis ist Verfasser des Buches "Illustrierte Geschichte des Zements und Betons". Für die ABZ blickte er tief in die spannende Vergangenheit des auch heute noch unentbehrlichen Baustoffs.Heidelberg. – Die Geschichte unseres heutigen, so universell und effizient einsetzbaren Zements und Betons beginnt in der Frühzeit mit der Entdeckung, dass sich durch das Erhitzen von Kalkstein Produkte herstellen lassen, mit denen Behausungen weiß getüncht und Böden verfestigt werden können.Diese Geschichte beginnt bereits vor nahezu 12.000 Jahren in der Region des heutigen Anatoliens in der Türkei, wo vor nicht langer Zeit fest gestampfte Böden aus einer Mischung aus Lehm und gebranntem Kalk entdeckt wurden.Erst viele Jahrtausende später, so genau weiß man es nicht, entdeckte man vermutlich in der Region des heutigen Syriens und Iraks, dass sich aus gebranntem Kalkstein Kalk produzieren lässt, mit dem Luftmörtel zubereiten werden kann. Mit ihm konnten nun Steine oder Tonziegel vermauert werden. Wieder einige Jahrtausende später, man vermutet um 800 v. Chr., besiedelten Phönizier die Ägäischen Inseln und brachten das Wissen mit, dass aus einem Gemisch aus gebranntem Kalk und vulkanischen Aschen, dem Puzzolan, hydraulischer Kalk produzieren lässt, der nicht nur stärker als alles Bisherige war, sondern auch unter Wasser erhärtet. Man nennt ihn deshalb Wassermörtel.Als die Griechen die Regionen um das Mittelmeer und insbesondere den Süden des heutigen Italiens besiedelten, brachten sie nicht nur ihre Kultur und Bautechnik mit, sondern vermutlich auch das Wissen des Wassermörtels. Große griechische Siedlungen entstanden besonders in rund um den Golf von Neapel. Es ist eine Region mit intensiven vulkanischen Aktivitäten und großen Puzzolan-Lagerstätten. Die zunächst griechische Kolonie Dicaearchia, später Puzzuoli, gab den dort lagernden Aschen den Namen Puzzolan.

Römer nutzten das Wissen

Die Römer lernten schnell und verstanden, das neue Wissen nicht nur zu nutzen, sondern ganz erheblich zu perfektionieren. Sie entwickelten neue Mauertechniken, mit denen sie nun schwere Fundamente und großartige Bauten errichten konnten. Eine besondere Entwicklung war der sogenannte Opus caementitium. Dabei handelte es sich um einen römischen Beton aus Kalk mit Zuschlägen aus Sand und gebrochenem Gestein. Äußerlich unterscheidet er sich kaum von unserem heutigen Beton. Eingesetzt wurde er meist als "Massen-beton" zwischen gemauerten Steinen oder Ziegeln, die als Schalung dienten. Für Hafenanlagen benutzten sie hydraulische Massen, einem Gemisch aus Kalk und Puzzolan. Da Puzzolan wegen des beschwerlichen Transports teuer war, kamen auch zerschlagene und gemahlene Tonziegel oder gebrannte Tonabfälle zum Einsatz. Sie hatten die gleiche Wirkung wie Puzzolan und transformierten den Luft- zum Wassermörtel.Mit Niedergang des Römischen Reichs begann die "dunkle Zeit". Wissen, auch Bauwissen, gingen verloren. Gebaut wurde wieder in Holz und Lehm. Nur vereinzelte, außergewöhnliche Prachtbauten entstanden. Dann, etwa ab dem 11. Jahrhundert n. Chr. begann in Mitteleuropa eine intensive Bautätigkeit. In großer Zahl entstanden Burgen, Klöster und Städte, gebaut aus Stein. Ritter, Bürger, Äbte und Bischöfe übten sich als "Architekti". Erfahrene Baumeister übernahmen die bautechnische Seite der Planung und Ausführung.

Die Chemiker übernehmen

Alchemisten erforschten die Eigenschafen von Stoffen und deren Reaktionen. Oft bedienten sie sich verschlüsselten Fachsprachen. Ab etwa Mitte des 18. Jahrhundert übernahmen jedoch Chemiker langsam ihre Arbeit und erste Veröffentlichungen über Mörtelkunde waren erhältlich. Allerdings waren die Möglichkeiten der analytischen Chemie des ausgehenden 18. Jahrhunderts noch sehr limitiert. Vorherrschende Meinung war, wie dies bereits bei den Griechen und Römern der Fall war, dass der weißeste und härteste Kalkstein den besten Mörtel ergibt. Diese Meinung kam ins Wanken, als der englische Ingenieur John Smeaton 1756 den Auftrag erhielt, den Eddystone Leuchtturm im Englischen Kanal neu zu errichten. Seine Vorgänger wurden durch die harschen Verhältnisse immer wieder zerstört und viele Seeleute verloren auf den Kliffen ihr Leben.Smeaton war sich der Aufgabe bewusst und wollte nun einen Leuchtturm errichten, der über lange Zeiträume dem Meer widerstand. Der Turm sollte aus vorbereiteten Granitblöcken, die im Schwalbenschwanz-Verfahren ineinander verkeilt und mit einem Mörtel aus Kalk, Puzzolan und Sand verklebt werden. Da Puzzolan oder Trass aus Italien oder Deutschland teuer waren, versuchte er aus einheimischen Kalken einen besseren Mörtel zu produzieren.Umfangreiche Versuche überraschten. Denn nicht der weißeste und härteste Kalkstein produzierte den besten Kalk für Mörtel, sondern bräunlicher Kalk, der tonige Bestandteile enthielt. Es sollte der Wendepunkt in der Kalk-, Zement und Mörtelkunde sein. Seine Erkenntnisse veröffentlichte Smeaton jedoch nicht vor 1791. Nun begann besonders in England das Rennen, einen Kalk oder Zement zu entwickeln, mit dem "künstlicher Stein" produziert werden konnte. James Parker, englischer Geistlicher und später Zement- und Mörtelproduzent war der erste. 1796 meldete er ein Patent an. In ihm beschrieb er die Produktion von hydraulischem Zement aus sogenannten Septarien, Brocken aus einer Mischung aus Kalk und Ton, wie sie in großen Mengen an der südenglischen Küste zu finden sind. Man konnte sie an den Küsten auflesen, zerkleinern, bei erhöhten Temperaturen berennen und erhielt einen recht guten hydraulischen Zement. Er nannte ihn Parker-, später Roman-Cement.

In Frankreich erhielt etwa zur gleichen Zeit der Ingenieur Lous-Joseph Vicat den Auftrag, eine Brücke über die Dordogne zu bauen. Die Zeit während der Napoleonischen Kriege waren schwer und Geld Mangelware. So versuchte Vicat die Kosten zu reduzieren. Seine Intention war, hydraulischen Mörtel aus lokalen Rohmaterialien zu produzieren. Denn auch hier war importiertes Puzzolan oder Trass teuer. So machte er unzählige Versuche mit Mischungen aus lokalem Kalkstein und Ton und kam zu verblüffend guten Ergebnissen. Mit dem gemeinsamen Brennen konnte er vorzüglichen hydraulischen Kalk produzieren. Die Brücke steht noch heute sicher auf ihren Fundamenten.

Zement wird geboren

Das Eis war gebrochen. Denn parallel fanden sich auch in Deutschland und Russland Wissenschaftler und Baufachleute, die die fundamentalen Zusammenhänge langsam begannen zu verstehen. Die Erkenntnis, dass nur die Mischung aus Kalk und Silikaten, wie sie im Ton vorkommen, gebrannt bei hohen Temperaturen, hydraulischen Kalk und später Zement ergibt, war geboren.Dann im Jahr 1824 meldete der Maurer Joseph Aspdin in Leeds, England ein Patent an, in dem er grob die Produktion eines neuen, nach seiner Aussage, besseren Zements beschrieb. Er nennt ihn "Portland Cement". Den Namen wählt er, da Stein von der Insel Portland von höchstem Ansehen in England war, an vielen berühmten Gebäuden Einsatz fand und als sehr langlebig galt. Es war praktisch ein Marketingname, um dem neuen Zement jene Qualität zuzuschreiben, wie der Portland Stein ihn schon hatte.Um einen Portlandzement wie wir ihn heute kennen, handelte es sich allerdings bei weitem noch nicht. Auch waren die Produktionsmethoden außerordentlich primitiv und die Qualität schwankte dramatisch. Auch brachte das Patent nicht viel Neues. Trotzdem gilt Aspdin für viele als Erfinder des Portlandzements. Denn er schrieb: ". . . und den ich Portland-Cement nenne". Die Anfänge waren schwer. Bauunternehmer waren konservativ. So wurden Mörtel aber auch erste Betone noch lange aus einer Mischung aus Kalk und Puzzolan oder Trass gemischt. Erst langsam entwickelte sich ein Markt für Portland Zement, zunächst in England und zeitverzögert auch in Kontinentaleuropa. Erste zaghafte Versuche einen hydraulischen Kalk, dem Vorprodukt es Portlandzements in Deutschland zu produzieren, begannen dann in den 1830er-Jahren. Man nannte ihn noch "Romanzement" nach dem Vorbild Parkers.

Intensive Forschung

Dann um 1850 begann man sich langsam auf den neuen Portlandzement zu fokussieren. Man wusste zwar noch nicht viel über ihn, war aber technisch in der Lage, die hohen notwendigen Brenntemperaturen zu erreichen. Das erste deutsche Portlandzementwerk entstand 1855 in Züllchow in der Nähe von Stettin. Danach nahm die Verwendung von Portlandzement langsam zu. Man verwendete ihn für Rohre, Skulpturen, Blöcken, Fundamenten oder sogar ersten kleinen Brücken.Ab 1870 begann auch eine intensive Zementforschung. Der Franzose Henry Le Chatelier oder der Deutsche Wilhelm Michaelis traten dabei besonders hervor. Der eine setzte auf die Forschung auf dem Gebiet der Mineralbildung, der andere auf dem Gebiet der Materialprüfung und Eigenschaften.Die erste Zement-Norm für Portlandzement überhaupt wurde 1878 in Deutschland zugelassen. Sie definierte erste Prüfverfahren und Mindesteigenschaften. Viele andere Länder folgten in den Jahren bis zur Jahrhundertwende mit eigenen Normen. Endlich war der Wirrwarr um Prüfmethoden und Mindestanforderungen geregelt. Das Geschäft mit Zement wurde deutlich einfacher.Während die Produktionsmengen in Deutschland um 1880 lediglich bei etwa 500.000 Tonnen lag, erreichte sie zu Beginn des Ersten Weltkriegs bereits 7 Millionen Tonnen. Die Zahl der Portland-zement produzierenden Werke stieg im gleichen Zeitraum von 16 auf etwa 117.Die beiden Weltkriege brachten dann dramatische Rückschläge in Produktion und Verwendung. Trotzdem, die Nachfrage stieg nach großen Einbrüchen schnell und überall auf der Erde entstanden neue Produktionsstätten und vor allem Infrastrukturprojekte, die große Mengen Portlandzement benötigten.In Europa sind mittlerweile nationale Normen durch europäische Normen ersetzt worden. Die EN 197-1 Norm definiert 27 Zemente. Sie ermöglicht je nach lokalen Bedingungen Zemente verschiedener Festigkeitskassen und Kompositionen. Mit ihnen lassen sich jegliche Art Hochleistungsbetone produzieren, wie sie die moderne Bauwirtschaft verlangt.

Ein Blick nach vorn

Während die eigentliche Forschung zum Thema Portlandzement als nahezu abgeschlossen gelten kann, fokussiert sich die baustoffproduzierende Industrie auf neue Herausforderungen. Die Öffentlichkeit verlangt berechtigter Weise Baustoffe, die einen geringeren ökologischen Fußabdruck hinterlassen. Das heißt weniger natürliche Rohstoffe verbrauchen und weniger klimaverändernde Gase emittieren.Da sich die Baustoffindustrie der Herausforderung bewusst ist und enorme Forschungs- und Finanzkapazitäten einsetzt, dieses zu erreichen, ist in den kommenden Jahren mit grundlegenden Änderungen zu rechnen. Die Notwendigkeit Beton zu verarbeiten bleibt dabei unbestritten. Es kann sogar angenommen werden, dass die Verarbeitung von Beton zunehmen wird, da die Verstädterung und damit einhergehenden höhere Betonintensität voraussichtlich weiter steigen wird. Portlandzement wird dabei weiterhin eine unverzichtbare Rolle spielen.