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. Jedná se o jemně mletý anorganický materiál, který po smíchání s vodou vytváří kaši, která v důsledku chemické hydraulické reakce tuhne a tvrdne. Právě schopnost tvrdnout i ve vlhku dělá z cementu ideální materiál pro stavby. Během probíhajících chemických pochodů vznikají různé jemné krystaly, vzájemně prorůstající a mající vliv na pevnost. Vzniklý „cementový kámen“ si zachovává pevnost a objemovou stálost.
Cement podle EN 197 - 1, označovaný jako cement CEM, 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.
Historie a výroba cementu
Název cement má historický původ ve starém Římě, kde se budovala zdiva z lomového kamene a páleného vápna vyrobeného z vápenců, obsahujících jílové proplástky. Význam obsahu jílu na hydraulické vlastnosti byl objeven v 18. a 19. století (J. Smeaton, L. J. Vicat, J. F.). Zásadní postup zavedl J. Aspdin 1824 vypalováním umělé směsi vápence a jílu, ne však až do slinutí. Šlo tedy vlastně o pojivo podobné románským cementům. Joseph Aspdin získal patent na portlandský cement v roce 1824. Ztvrdlý cement mu prý připomínal tehdy oblíbený a drahý stavební kámen - vápenec z ostrova Portland. Ta podoba nebyla náhoda, byl to vlastně cíl: vytvořit umělý kámen s podobnou kvalitou.
Cement se vyrábí společným vypalováním vápence a jílu při teplotách okolo 1450 °C. Portlandský cement se vyrábí pálením nejméně do slinutí přesně připravené surovinové směsi (surovinové moučky, těsta nebo kalu) obsahující prvky, obvykle vyjádřené jako oxidy CaO, SiO2, Al2O3, Fe203 a malá množství jiných látek. Surovinová směs, těsto nebo kal musí být v důsledku jemného mletí a dobrého míchání homogenní. Vyrobený slínek se pak rozemílá, někdy i s příměsmi (vysokopecní struskou, trasem, popílkem). Vzniklý šedivý prášek - cement - smíchaný s vodou vytváří pojivovou (hydraulickou) složku betonu, která tvrdne na vzduchu i pod vodou.
Společným znakem výroby cementů v dobách počátku jeho moderní historie i těch dnešních je příprava suroviny požadovaného složení a vypálení suroviny v peci na tzv. portlandský slínek. Dále následuje chlazení slínku a jeho mletí. Jako surovina pro výpal slínku již neslouží jen čistě přírodní materiály, ale také nejrůznější vedlejší produkty či odpady, jako jsou železité odprašky, elektrárenský popílek nebo energosádrovec. Ty vhodně doplňují těžený vápenec a přispívají k optimální skladbě surovinové moučky. Namletá surovina putuje do pece, kde probíhá samotný výpal na mez slinutí, to je na více než 1 400 °C. Dříve používané šachtové pece vystřídaly moderní rotační pece s výměníky tepla a předkalcinátory. Spotřeba energie na jednotku vyrobeného slínku je tak několikanásobně nižší. Stále častěji jsou pro výpal používána vedle tradičních paliv také alternativní paliva, která by ještě před několika lety skončila nevyužita jako odpad. Přísná kvalitativní kritéria vymezující podmínky užití alternativních paliv jsou samozřejmostí. Existují i nové účinné systémy chlazení slínku, které jej dokážou téměř ihned po výstupu z pece ochladit přibližně na 200 °C.
Čtěte také: Vše, co potřebujete vědět o pomocných zednických pracích
Typy cementů a jejich složení
Portlandský cement (CEM I)
Základnímu, „čistému“ portlandskému cementu říká evropská norma ČSN EN 197 - 1 zkráceně CEM I. Jeho hlavní a nejdůležitější složkou (minimálně 95 %) je tzv. portlandský slínek.
- Portlandský slínek: Je hydraulická látka, která musí sestávat nejméně ze dvou třetin hmotnosti z křemičitanů vápenatých (3CaO · SiO2 a 2CaO · SiO2). Ve zbytku jsou pak obsaženy slínkové fáze obsahující hliník a železo a jiné sloučeniny. Hmotnostní podíl (CaO) / (SiO2) nesmí být menší než 2,0.
- Sádrovec: Samotný slínek by po smíchání s vodou reagoval moc rychle, skoro okamžitě by ztuhnul. Proto se při finálním mletí slínku na jemný prášek přidává trocha sádrovce (většinou 2 - 6 %). Ten funguje jako brzda - zpomalí počáteční reakce a dá nám tak čas na zpracování betonu nebo malty. Bez sádrovce by byl cement prakticky nepoužitelný. Síran vápenatý se přidává k ostatním složkám cementu v průběhu jeho výroby za účelem úpravy tuhnutí. Síran vápenatý může být přidáván ve formě sádrovce (dihydrát síranu vápenatého, CaSO4 · 2H2O), hemihydrátu síranu vápenatého (CaSO4 · 1/2H2O) nebo anhydritu (bezvodý síran vápenatý CaSO4) popřípadě jejich směsi. Sádrovec a anhydrit jsou přírodního původu.
Směsné cementy (CEM II)
Na stavbách se mnohem častěji setkáte s portlandskými směsnými cementy, značenými jako CEM II. Ty obsahují kromě slínku (kterého je tam 65 - 94 %) ještě další přidané složky. Doplňující složky jsou zvlášť vybrané anorganické přírodní látky, anorganické látky pocházející z procesu výroby slínku nebo složky uvedené výše, pokud nejsou v cementu použity jako složky hlavní. Doplňující složky po vhodné úpravě nebo v důsledku jejich zrnitosti zlepšují fyzikální vlastnosti cementu (jako je zpracovatelnost nebo retence vody). Mohou být inertní nebo mohou mít slabě hydraulické, latentně hydraulické nebo pucolánové vlastnosti. V tom směru však na ně nejsou kladeny požadavky. Nesmí výrazněji zvyšovat spotřebu vody pro zpracování cementu, nesmí v žádném případě snižovat odolnost betonu nebo malty vůči poškození a nesmí snižovat ochranu výztuže vůči korozi.
Důvody pro výrobu směsných cementů:
- Vylepšení vlastností: Příměsi umí cíleně změnit vlastnosti cementu. Některé zlepší zpracovatelnost, jiné zvýší odolnost vůči chemikáliím (třeba síranům) nebo sníží vývin tepla. Každá příměs funguje trochu jinak.
- Ekologie a ekonomika: Výroba slínku je energeticky náročná a produkuje CO2. Když část slínku nahradíme jiným materiálem (často průmyslovým odpadem jako struska z výroby železa nebo popílek z elektráren), snížíme tím ekologickou zátěž i spotřebu energie. To se může projevit i na ceně.
Nejznámější přísady do směsných cementů:
- Granulovaná vysokopecní struska (S): Vzniká rychlým ochlazením vhodné složené struskové taveniny vznikající při tavení železné rudy ve vysoké peci. Struska musí být nejméně ze dvou třetin hmotnosti sklovitá a při vhodné aktivaci musí vykazovat hydraulické vlastnosti. Sestává nejméně ze dvou třetin hmotnosti z oxidu vápenatého (CaO), oxidu hořečnatého (MgO) a oxidu křemičitého (SiO2). Zbytek obsahuje oxid hlinitý (Al2O3) a malá množství jiných sloučenin. Vysokopecní granulovaná struska dává cementu, a tím i výslednému betonu, pozvolnější náběh pevnosti v tlaku a vyšší chemickou odolnost například proti agresivním síranům.
- Popílek (V, W): Získává se elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic z kouřových plynů topenišť otápěných práškovým uhlím. Popílek může být svou podstatou křemičitý nebo vápenatý. Křemičitý popílek je jemný prášek převážně sestávající z kulových částic s pucolánovými vlastnostmi. Sestává zejména z aktivního oxidu křemičitého (SiO2) a oxidu hlinitého (Al203). Ve zbytku je pak obsažen oxid železitý (Fe203) a jiné sloučeniny. Vápenatý popílek je jemný prášek, který má hydraulické a/nebo pucolánové vlastnosti. Sestává zejména z aktivního oxidu vápenatého (CaO), aktivního oxidu křemičitého (SiO2) a oxidu hlinitého (Al203). Ve zbytku je pak obsažen oxid železitý (Fe2O3) a jiné sloučeniny. Popílek zlepšuje vlastnosti čerstvého betonu, zejména čerpatelnost a homogenitu a ve ztvrdlém betonu zlepšuje jeho odolnost vůči působené vody.
- Vápenec (L, LL): Jemně mletý vápenec má přímý vliv na zlepšení zpracovatelnosti, snížení nebo odstranění odlučivosti vody a stabilizaci barevnosti betonu, na druhé straně může snižovat konečné pevnosti. Použití vápence jako hlavní složky cementu má obvykle zcela opačný vliv na pevnost v tlaku. Její nárůst je zpočátku mnohem rychlejší, konečných pevností pak bývá dosaženo o něco dříve.
- Pucolány (P, Q): Jsou přírodní látky křemičité nebo křemičito-hlinité, popřípadě kombinace obou. Pucolány po smíchání s vodou samy netvrdnou, avšak jsou-li jemně semlety, reagují v přítomnosti vody za normální teploty s rozpuštěným hydroxidem vápenatým (Ca(OH)2) a tvoří sloučeniny křemičitanů vápenatých a hlinitanů vápenatých, které jsou nositeli narůstající pevnosti. Tyto sloučeniny jsou podobné těm, které vznikají při tvrdnutí hydraulických látek.
- Kalcinovaná břidlice (T): Zejména kalcinovaná olejnatá břidlice, se vyrábí ve speciální peci při teplotě přibližně 800 °C. Podle složení přírodního materiálu a výrobního postupu obsahuje kalcinovaná břidlice slínkové fáze, zvláště dikalciumsilikát a monokalciumaluminát. Obsahuje rovněž malá množství volného oxidu vápenatého a síranu vápenatého i značný podíl pucolanicky reagujících oxidů, zejména oxidu křemičitého.
- Křemičitý úlet (D): Vzniká při redukci křemene vysoké čistoty uhlím v elektrické obloukové peci při výrobě křemičitých nebo ferrokřemičitých slitin a sestává z velmi jemných, kulovitých částic obsahujících nejméně 85 % hmotnosti amorfního oxidu křemičitého.
Písmeno A nebo B v označení (třeba CEM II/A‑S vs. CEM II/B‑S) pak říká, jestli je příměsi méně (A) nebo více (B).
Čtěte také: Vše o hydroizolaci: Fólie FATRAFOL, geotextilie FATRATEX a další prvky
Další speciální cementy
- Hlinitanový cement: Na rozdíl od předchozích druhů cementů neobsahuje portlandský slínek. Jeho tvrdnutí je založeno na hydrataci kalciumaluminátů. Hlinitanový cement se pro svou odolnost vysokým teplotám používá pro výrobu žáruvzdorných materiálů. Je charakteristický rychlým dosažením konečných pevností, vysokou tepelnou odolností, ale také svou chemickou nestabilitou.
- Nadsíranové (supersulfátové) cementy: Jsou složené z vysokopecní granulované strusky, síranu vápenatého a malého množství portlandského slínku coby aktivátoru. Místo hlinitanových hydrátů přechodně vzniká etringit působící jako regulátor tuhnutí, který v první fázi hydratace zabraňuje okamžitému tuhnutí, takže se prodlužuje doba zpracování čerstvého betonu až na několik hodin.
- Bílý cement: Řadí se mezi speciální cementy z pohledu estetických kvalit.
- Rozpínavé cementy: Obsahují kromě portlandského slínku další složky, které v průběhu hydratace zvětšují svůj objem.
- Fotokatalytický cement: Nejnovější přírůstek do rodiny speciálních cementů, schopný působením světla rozkládat široké spektrum organických i anorganických látek, z nichž většina je považována za přinejmenším zdraví škodlivé.
Vlastnosti a požadavky na cement
Normalizovaná pevnost cementu je pevnost v tlaku, stanovená podle EN 196-1 po 28 dnech, která musí odpovídat požadavkům v tabulce. 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. Rozeznávají se tři třídy počáteční pevnosti pro každou třídu normalizované pevnosti: třída s normálními počátečními pevnostmi značená písmenem N a třída s vysokými počátečními pevnostmi značená písmenem R a třída s nízkou počáteční pevností značená písmenem L. Počátek tuhnutí musí odpovídat údajům v tabulce. Objemová stálost (rozepnutí) musí odpovídat údajům v tabulce.
Cement s vyšší hodnotou hydratačního tepla je pro některá použití vhodný. Cementy pro předpínané prvky mohou být vyráběny s nižší požadovanou hodnotou hydratačního tepla. Cementy pro obecné použití s nízkou počáteční pevností mají nižší počáteční pevnosti ve srovnání s ostatními cementy pro obecné použití stejné třídy normalizované pevnosti a mohou být požadovány dodatková opatření při jejich použití, jako je prodloužení doby bednění a ochrana při škodlivém počasí. Síranovzdorné cementy pro obecné použití musí odpovídat dodatkovým požadavkům.
Zvýšení množství cementu zlepšuje pevnosti, vodotěsnost, přídržnost a zlepšuje odolnost výztuže proti korozi, i modul pružnosti, ovšem za cenu zvýšení smrštění (možnost trhlinek) a vývoje zvýšeného hydratačního tepla. Převýší-li množství cementu potřebu, klesá pevnost („nakypření”), vzniklá napětí způsobují trhlinky. Tvrdnutí a teplo: Cement tvrdne reakcí s vodou. Při tom se uvolňuje teplo (hydratační teplo). U CEM I je ho poměrně hodně a uvolňuje se rychle. To se hodí v zimě (teplo pomáhá tvrdnutí), ale u velkých betonových konstrukcí to může vadit - velké rozdíly teplot uvnitř a na povrchu mohou způsobit trhliny. Doba tuhnutí: To je doba, za kterou se z cementové kaše stane pevná hmota. Normy hlídají, aby byl dostatek času na zpracování (např. minimálně 60 minut pro běžnou třídu 42,5). Pevnost: Po ztuhnutí cement postupně nabírá na síle. CEM I je známý rychlým nárůstem počáteční pevnosti (už po 2 dnech) a vysokou konečnou pevností (měří se standardně po 28 dnech). Rychlost je fajn třeba pro výrobu prefabrikátů nebo když potřebujete rychle sundat bednění. Cementy se dělí do tříd (32,5, 42,5, 52,5) podle pevnosti po 28 dnech. Písmeno R značí rychlý nárůst počátečních pevností. Ale pozor, cement tvrdne a získává pevnost i dlouho po 28 dnech. Trvanlivost: Ztvrdlý cement vytváří hustou hmotu, která chrání třeba kamínky v betonu nebo ocelovou výztuž a zajišťuje tak dlouhou životnost stavby.
Normalizace a legislativa
Základním kamenem určování kvality vyrobených cementů je evropská harmonizovaná technická norma EN 197-1 přejatá do soustavy českých technických norem jako ČSN EN 197-1. Předepisuje přípustné složení, kvalitu, označování a názvosloví cementů pro obecné použití. Také uvádí tzv. kritéria shody, tedy předpoklady udělení evropského označení shody CE. Pokud nejsou tato kritéria splněna, k cementu nesmí být připojena značka CE a cement nelze na území Evropské unie uvádět na trh jako cement pro obecné použití. Norma jako hlavní kvalitativní parametry uvádí pevnost v tlaku (počáteční po dvou dnech a normalizovaná po 28 dnech), počátek tuhnutí, objemovou stálost, obsah síranů, obsah chloridů a pro některé druhy cementů také ztrátu žíháním, nerozpustný zbytek pucolanitu. Anotace: Účelem pomůcky je stanovit složení, požadavky a kritéria shody cementů pro obecné použití.
Proces evropské integrace v oblasti technické normalizace je zaměřen na zavádění jednotných evropských norem, které by odstranily překážky volného obchodu mezi zeměmi Evropské unie, resp. přidruženými státy, a dále zajistily bezpečnost pracovníků ve stavebnictví a odběratelů, ochranu životního prostředí a další požadavky vycházející z evropských předpisů. V oblasti stavebnictví jde zejména o NAŘÍZENÍ EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY (EU) č. 305/2011 ze dne 9. března 2011, kterým se stanoví harmonizované podmínky pro uvádění stavebních výrobků na trh a kterým se zrušuje směrnice Rady 89/106/EHS (CPR), a dále požaduje, že pro stavbu mohou být použity pouze takové výrobky, které základní požadavky na vlastnosti staveb zaručí. Evropská komise prostřednictvím svých rozhodnutí uděluje mandáty Evropskému výboru pro normalizaci (CEN) pro vypracování harmonizovaných evropských norem (EN). Harmonizované normy jsou mandátové normy, na něž byly uvedeny odkazy v řadě C Úředního věstníku EU (OJEU).
Čtěte také: Na co si dát pozor při osazování oken a tepelné izolaci
U výrobků, které jsou vyráběny v souladu s harmonizovanou normou, se předpokládá shoda se základními požadavky směrnice. Harmonizované normy musí být doplněny přílohou ZA, která uvádí odkazy na ustanovení normy, odpovídající požadavkům směrnice. Adaptace nařízení CPR do českého právního řádu byla provedena zákonem č. 100/2013 Sb., kterým se mění zákon č.
Norma definuje a určuje specifikace pro 27 jmenovitých cementů pro obecné použití, 7 síranovzdorných cementů pro obecné použití, jakož i pro 3 jmenovité vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností a 2 síranovzdorné vysokopecní cementy s nízkou počáteční pevností a pro jejich složky. Definice každého cementu zahrnuje poměry složek, jejichž kombinací je možno vyrobit určitou skupinu výrobků v rozsahu devíti pevnostních tříd. Definice zahrnuje rovněž požadavky na složky, které musí být splněny, a mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti. Norma určuje rovněž kritéria shody a postupy pro jejich stanovení.
Použití portlandského cementu
Díky své schopnosti spojit vodu, písek a štěrk v pevný materiál se portlandský cement (jak CEM I, tak CEM II) používá skoro všude:
- Výroba betonu: To je jasně hlavní využití. Z betonu jsou základy, nosné zdi, sloupy, stropy, mosty, výškové budovy, průmyslové podlahy, ale i dlažba nebo střešní tašky. Používá se i pro speciální účely, třeba v železobetonu (kde chrání ocelovou výztuž) nebo pro výrobu prefabrikátů (panelů, schodů).
- Výroba malt: Cement je základem zdicích malt (pro spojování cihel a tvárnic) a omítek (pro úpravu povrchů stěn).
- Potěry a stěrky: Pro vyrovnání podlah před položením finální krytiny.
- Injektážní malty (grout): Pro vyplňování dutin, spár nebo zpevňování podloží.
- Suché směsi: Cement je základem pytlovaných směsí na beton a maltu, které stačí smíchat s vodou.
I když se CEM I často bere jako univerzál, specifické požadavky (třeba odolnost vůči agresivní vodě nebo naopak potřeba rychlého tvrdnutí) často vedou k volbě některého z cementů CEM II (nebo i speciálních cementů CEM III, IV, V).
Vliv přísad na vlastnosti cementu
Při výrobě betonu je dnes běžné a neodmyslitelné používání přísad stavební chemie. Super a hyper plastifikátory dokáží upravit reologii a dobu zpracovatelnosti čerstvého betonu na zákazníkem požadovanou hodnotu. Přísady pro účely této normy jsou látky, které nejsou uvedeny výše. Jsou přidávány pro usnadnění výroby nebo pro úpravu vlastností cementu. Celkové množství přísad nesmí překročit 1,0 % hmotnosti cementu (s výjimkou pigmentů). Množství organických přísad v přepočtu na suchý stav nesmí překročit 0,5 % hmotnosti cementu. Přísady nesmějí vyvolávat korozi výztuže nebo zhoršovat vlastnosti cementu či betonu nebo malty z něj vyrobených.
Kvalitní a trvale dostupné vápence s minimálním obsahem jiných doprovodných látek umožňují vyrábět pro zákazníka cementy s trvale stabilními vlastnostmi. Každá z hlavních složek má jiný vliv na vlastnosti cementu a jejich optimální kombinace dovoluje vyrobit cement právě požadovaných vlastností. Jemně mletý vápenec má přímý vliv na zlepšení zpracovatelnosti, snížení nebo odstranění odlučivosti vody a stabilizaci barevnosti betonu, na druhé straně může snižovat konečné pevnosti. Struska s popílkem snižují naopak počáteční pevnosti, příznivě však ovlivňují plynulost nárůstu pevností a dosahování vyšších konečných pevností. Dále tyto složky obvykle zvyšují odolnost betonu proti agresivnímu prostředí, zejména proti síranové agresivitě.
Tabulka: Pevnostní třídy cementů
| Třída normalizované pevnosti | Pevnost po 28 dnech (MPa) | Počáteční pevnost po 2 dnech (MPa) | Počáteční pevnost po 7 dnech (MPa) |
|---|---|---|---|
| 32,5 N | ≥ 32,5 a ≤ 52,5 | ≥ 16 | |
| 32,5 R | ≥ 32,5 a ≤ 52,5 | ≥ 10 | |
| 42,5 N | ≥ 42,5 a ≤ 62,5 | ≥ 16 | |
| 42,5 R | ≥ 42,5 a ≤ 62,5 | ≥ 20 | |
| 52,5 N | ≥ 52,5 | ≥ 20 | |
| 52,5 R | ≥ 52,5 | ≥ 30 |
Poznámka: Hodnoty jsou orientační a vychází z normy EN 197-1.
tags: #konfekcni #lepivost #a #pomocne #materialy #cementy