Cement je zrnitý materiál anorganického, přírodního nebo umělého původu, určený pro stavební účely. Slouží jako důležitá složka betonů i malt, kde působí jako pojivo. Moderní technologie umožňují výrobu mnoha typů cementů s požadovanými vlastnostmi, které se hodí pro různé stavební činnosti.
Výroba cementu
Proces výroby cementu je složitý a skládá se z řady dílčích kroků, během nichž se směs vápence a jílů promění ve slínek, který se namele na jemný prášek.
- Základní suroviny: Základními surovinami pro výrobu cementu jsou vápenec a jíl. Těží se v lomech, kde se odstřelují výbušninou.
- Drcení lomového kamene: Lomový kámen se dopraví do odrazového kladivového drtiče, ve kterém se drtí na frakce o velikosti kolem 4 cm.
- Mletí na moučku: Rozdrcené a smíchané suroviny se společně rozemelou na moučku.
- Výpal na slínek: Nejdůležitější částí výrobního procesu cementu je výpal na slínek. Surovinová moučka se nejprve předehřívá a poté putuje do obří rotační pece. Ta je uložená ve sklonu a pomalu se otáčí, a tak se moučka postupně posunuje k hořáku a ohřívá se až do teploty cca 1450 °C.
- Chlazení a mletí slínku: Vyrobený slínek vypadává z pece do chladiče se studeným vzduchem. Po ochlazení se materiál rozdrtí na kusy o velikost kolem 4 cm a dávkuje se do cementových mlýnů. Zde se rozemílá (buď samostatně, nebo s dalšími přísadami) pomocí ocelových koulí různých velikostí. Rozemletý prášek ze slínku a dalších přísad je finálním produktem - cementem. Před uskladněním v krytých halách dochází k předrcení slinku na částice o velikosti 5 až 10 mm v kuželovém nebo odrazovém drtiči. Následné odložení trvá okolo tří týdnů.
Kamenivo: Zrnitost a vlastnosti
Kamenivo je zrnitý materiál anorganického, přírodního nebo umělého původu, určený pro stavební účely. Může být umělé (získáváno z průmyslového nebo stavebního odpadu), těžené (vzniklé přirozeným rozpadem horniny), těžené předrcené (získané drcením zrn na požadovanou velikost) nebo vysívka (odpad bez zaručené velikosti zrna a jakosti kamene). Zrnitost kameniva vyjadřuje jeho skladbu s ohledem na zastoupení zrn různé velikosti.
Fyzikální a mechanické vlastnosti kameniva
- Měrná hmotnost ρ: Průměrná hodnota ρ je přibližně 3 000 kg/m3.
- Objemová hmotnost ρ: Průměrná hodnota ρ se pohybuje mezi 2500 až 3000 kg/m3.
- Sypná hmotnost: Sypná hmotnost je závislá na vlhkosti kameniva.
- Mezerovitost: Určuje se jako objemový poměr mezer ve směsi kameniva k jednotce objemu směsi. Mezerovitost volně sypaného písku se pohybuje kolem 35 %, štěrku kolem 45 %.
- Vlhkost: Je způsobena nasáknutím, případně ulpíváním vody na povrchu jednotlivých zrn. Je přímo úměrná pórovitosti a vyjadřuje se poměrným množstvím vody vniknuté do pórů kameniva. Stanovuje se u vysušeného kameniva při 105 až 110°C.
- Pevnost kameniva: U konstrukčních betonů by měla být pevnost kameniva 2,0 násobkem pevnosti betonu v tlaku (avšak nejméně 50 MPa). Pevnost se stanovuje na celistvých horninách (na krychlích o hraně 50 až 55 mm). Značně závisí na pórovitosti horniny a klesá se stoupajícím napětím.
- Obsah jílovitých látek: Jemných, odplavitelných jílových minerálů (max. 5 %).
Typy a vlastnosti cementů
Cementy se liší podle složení na 5 základních typů, které jsou definovány normou ČSN EN 197-1 ed. 2. Tato norma specifikuje složení, požadavky a kritéria shody cementů pro obecné použití, zahrnující 27 jmenovitých cementů pro obecné použití, 7 síranovzdorných cementů a 3 jmenovité vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností a 2 síranovzdorné vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností.
Cement je hydraulické pojivo, tj. jemně mletá anorganická látka, která po smíchání s vodou vytváří kaši, která tuhne a tvrdne v důsledku hydratačních reakcí a procesů. Po zatvrdnutí zachovává svoji pevnost a stálost také ve vodě. Cement podle EN 197-1 musí při odpovídajícím dávkování a smíchání s kamenivem a vodou umožnit výrobu betonu nebo malty zachovávající po dostatečnou dobu vhodnou zpracovatelnost. Cementy CEM jsou složeny z různých látek a ve svém složení jsou statisticky homogenní.
Čtěte také: Použití bílého cementu v praxi
Hlavní složky cementu
- Portlandský slínek: Vyrábí se pálením surovinové směsi obsahující prvky, obvykle vyjádřené jako oxidy CaO, SiO2, Al2O3, Fe203. Musí sestávat nejméně ze dvou třetin hmotnosti z křemičitanů vápenatých.
- Granulovaná vysokopecní struska: Vzniká rychlým ochlazením struskové taveniny z vysoké pece. Musí být nejméně ze dvou třetin hmotnosti sklovitá a vykazovat hydraulické vlastnosti.
- Pucolány: Přírodní látky křemičité nebo křemičito-hlinité. Jemně semleté reagují v přítomnosti vody s hydroxidem vápenatým a tvoří sloučeniny nosné pro narůstající pevnost.
- Popílek: Získává se odlučováním prachových částic z kouřových plynů topenišť otápěných práškovým uhlím. Může být křemičitý (převážně kulové částice s pucolánovými vlastnostmi) nebo vápenatý (s hydraulickými a/nebo pucolánovými vlastnostmi).
- Kalcinovaná břidlice: Vyrábí se ve speciální peci při teplotě přibližně 800 °C. Obsahuje slínkové fáze, volný oxid vápenatý a síran vápenatý a významný podíl pucolanicky reagujících oxidů.
- Křemičitý úlet: Vzniká při redukci křemene v elektrické obloukové peci a sestává z velmi jemných, kulovitých částic obsahujících nejméně 85 % hmotnosti amorfního oxidu křemičitého.
- Doplňující složky: Zvlášť vybrané anorganické přírodní látky, které zlepšují fyzikální vlastnosti cementu (zpracovatelnost, retence vody).
- Síran vápenatý: Přidává se k ostatním složkám cementu za účelem úpravy tuhnutí.
- Přísady: Látky přidávané pro usnadnění výroby nebo pro úpravu vlastností cementu. Jejich celkové množství nesmí překročit 1,0 % hmotnosti cementu (s výjimkou pigmentů).
Pevnostní třídy cementu
Kromě zařazení do kategorie je důležitým parametrem také pevnostní třída cementu. Udává se v MPa a označuje pevnost po 28 dnech. Rozeznávají se tři třídy normalizované pevnosti: třída 32,5, třída 42,5 a třída 52,5. Počáteční pevností se rozumí pevnost v tlaku buď po 2 dnech, nebo po 7 dnech. Pro každou třídu normalizované pevnosti se rozeznávají tři třídy počáteční pevnosti: třída s normálními počátečními pevnostmi značená písmenem N, třída s vysokými počátečními pevnostmi značená písmenem R a třída s nízkou počáteční pevností značená písmenem L.
Následující tabulka shrnuje požadavky na normalizovanou a počáteční pevnost cementu dle ČSN EN 197-1 ed. 2:
| Třída normalizované pevnosti (MPa) | Počáteční pevnost - 2 dny (MPa) | Počáteční pevnost - 7 dní (MPa) |
|---|---|---|
| 32,5 N | ≥ 2,0 | - |
| 32,5 R | ≥ 10,0 | - |
| 32,5 L | - | ≥ 10,0 |
| 42,5 N | ≥ 10,0 | - |
| 42,5 R | ≥ 20,0 | - |
| 52,5 N | ≥ 20,0 | - |
| 52,5 R | ≥ 30,0 | - |
Vliv mletí na vlastnosti cementu
Jedním z klíčových kroků ve výrobním procesu cementu je mletí. Tradiční mletí v trojkomorovém mlýně je časově a energeticky náročné. Alternativním způsobem mletí je vysokorychlostní mletí, jehož cílem je redukce mlecího času a energie.
Vliv velikosti zrna
Nejvhodnější velikost částic je 5-35 μm. S rostoucí jemností meliva se zvyšuje množství spotřebované energie a výkon mlýna značně klesá. Tato skutečnost je způsobena vzrůstajícím odporem meliva při pokračujícím rozpojování částic.
Mechanochemická aktivace
Mechano-chemická aktivace se zabývá fyzikálně-chemickými změnami v látkách ve všech stavech agregace vlivem mechanické energie. Využití vysokorychlostního dezintegrátoru je jednou z možností, jak snížit energetickou náročnost mletí. Výsledky ukazují, že se zkrácenou dobou mletí, potřebnou k dosažení stejného měrného povrchu, dochází ke snížení spotřeby elektrické energie. Efekt mechanochemické aktivace má však malý vliv na hydrataci cementu.
Čtěte také: Bílý cement: Přehled
Experimentální výsledky
Při porovnání mletí v kulovém mlýně a vysokorychlostním dezintegrátoru byly zjištěny následující poznatky:
- Morfologie zrn: Částice mleté v dezintegrátoru i v kulovém mlýně mají krychlový až kulovitý tvar. Pomocí elektronového mikroskopu bylo patrné, že při domletí došlo ke značnému zmenšení zrn.
- Granulometrie: Křivka zrnitosti stanovená pomocí laserového granulometru ukázala, že průběh granulometrie je u kulového mlýnu i u dezintegrátoru prakticky stejný. REM analýza prokázala, že použitím dezintegrátoru bylo dosaženo prakticky shodné granulometrie jako u vzorku mletého na kulovém mlýně.
- Hydratační proces: Pomocí RTG analýzy bylo sledováno, že hydratační proces probíhá u obou vzorků identicky. U vzorků z 28denního zrání je na detail píku viditelný větší podíl portlanditu u vzorku mletém na vysokorychlostním dezintegrátoru. Po provedení RTG analýzy je zřejmé, že hydratační proces probíhá u obou vzorků identicky. Pouze u vzorku mletého na dezintegrátoru byly po 28 dnech zrání pozorovány vyšší bazální linie portlanditu.
- Obsah CaO: Z DTA analýzy bylo vypočteno množství CaO. Nejnižší hodnota CaO při 28denním zrání byla zjištěna u vzorku mletém na kulovém mlýně. Po 7 dnech byl u vzorku mletého na kulovém mlýně pozorován nižší obsah CaO ve srovnání se vzorkem připraveným pomocí dezintegrátoru, což může být způsobeno nižší reaktivitou vzorku. Při 28denním zrání byl obsah CaO takřka srovnatelný, avšak vzorek mletý v dezintegrátoru měl celkově vyšší obsah CaO.
- Fyzikálně-mechanické vlastnosti: Druh mletí neměl zásadní vliv na vývoj pevností. Z naměřených hodnot je patrné, že technologie mletí má minimální vliv na pevnosti v tlaku.
- Energetická náročnost: Největší rozdíl byl v mlecím čase a spotřebované energii. Při mletí na srovnatelný povrch vykazuje vysokorychlostní dezintegrátor výhody vůči kulovému mlýnu, a to z časového i energetického hlediska.
Závěr k mletí
Z výsledků provedených zkoušek plyne, že použitím dezintegrátoru lze vyrobit cement, který má stejné vlastnosti jako komerčně vyráběný. Předpokladem perspektivního využití je výroba směsných cementů. Použití této metody je však potřeba hlouběji prozkoumat.
Čtěte také: Portlandský cement – co to je?
tags: #cement #velikost #zrna #vlastnosti