Beton a malta jsou stavební materiály, které vidíme doslova na každém kroku. Od základů domů až po obrovské mosty - spoléháme na jejich pevnost a odolnost. Cement, nenápadný šedý prášek, funguje jako klíčové pojivo, které spojuje písek, štěrk a vodu do tak pevného celku. Pojďme se podívat na ten nejznámější a nejpoužívanější druh: portlandský cement.
Co je vlastně cement?
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. Tím se liší třeba od vápna, které ke ztvrdnutí potřebuje vzduch. Právě schopnost tvrdnout i ve vlhku dělá z cementu ideální materiál pro stavby. Tuhnutí a tvrdnutí cementů je založeno na hydratačních reakcích hydraulických, latentně hydraulických a pucolánových složek cementu. Cementy CEM jsou složeny z různých látek a ve svém složení jsou statisticky homogenní.
Historie a název "portlandský"
Název „Portlandský cement“ pravděpodobně vyplývá z toho, že výsledný cement svojí pevností a šedou barvou připomínal oblíbený portlandský vápenec. Tenhle název má kořeny v Anglii na začátku 19. století. Patent na něj získal v roce 1824 zedník Joseph Aspdin. 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.
Typy portlandského cementu a jejich složení
Evropská cementářská norma EN 197-1 a její česká verze ČSN EN 197-1 ed. 2 specifikuje celou skupinu portlandských cementů. Tato 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. Cementy se rozdělují podle jejich složení na druhy a podle dosahovaných pevností na třídy.
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 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. 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.
Čtěte také: Portlandský cement – co to je?
Samotný slínek by ale po smíchání s vodou reagoval moc rychle, skoro okamžitě by ztuhnul. Proto se při finálním mletí slínku na jemný prášek přidává trocha síranu vápenatého, který funguje jako brzda - zpomalí počáteční reakce a dá nám tak čas na zpracování betonu nebo malty. 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. Bez sádrovce by byl cement prakticky nepoužitelný.
Směsné portlandské cementy CEM II
I když je CEM I základ, 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. Evropská norma ČSN EN 197-1 ed. 2 specifikuje celou skupinu portlandských cementů směsných CEM II, které obsahují kromě portlandského slínku jedinou hlavní složku. Portlandské směsné cementy další skupiny obsahují kromě slínku více než jednu hlavní složku. V českých podmínkách jde hlavně o strusku (S), vápenec (L, LL) a popílek (V). Každá z hlavních složek má jiný vliv na vlastnosti cementu a jejich optimální kombinace dovoluje vyrobit cement právě požadovaných vlastností.
Nejběžnější přísady do směsných cementů a jejich vliv:
- Granulovaná vysokopecní struska (S): Vzniká rychlým ochlazením vhodně 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. Granulovaná vysokopecní struska musí sestávat 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. Struska s popílkem snižují 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.
- 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.
- Popílek (V, W): Získává se elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic z kouřových plynů topenišť otápěných práškovým uhlím. Popílek získaný jiným způsobem nesmí být v cementech podle ČSN EN 197-1 ed. 2 použit. 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). 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). Popílek zlepšuje vlastnosti čerstvého betonu, zejména čerpatelnost a homogenitu a ve ztvrdlém betonu zlepšuje jeho odolnost vůči působené vody.
- Vápenec (L, LL): Portlandské cementy s vápencem obsahují kromě slínku, jakou jedinou hlavní složku vápenec. Kvalitní a trvale dostupné vápence s minimálním obsahem jiných doprovodných látek umožňují vyrábět pro zákazníka cementy s trvale stabilními vlastnostmi. 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.
- Kalcinovaná břidlice: 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: 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.
- 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.
- 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.
Pevnostní třídy cementů
Cementy se dělí do tříd podle pevnosti v tlaku po 28 dnech. Rozeznávají se tři třídy normalizované pevnosti:
- třída 32,5
- třída 42,5
- třída 52,5
Kromě normalizované pevnosti se sleduje i počáteční pevnost, což je 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
- třída s vysokými počátečními pevnostmi značená písmenem R
- třída s nízkou počáteční pevností značená písmenem L
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.
Čtěte také: Vlastnosti bílého cementu
Tabulka níže uvádí přehled požadavků na normalizované a počáteční pevnosti:
| Třída normalizované pevnosti | Počáteční pevnost (2 dny) | Počáteční pevnost (7 dnů) | Normalizovaná pevnost (28 dnů) |
|---|---|---|---|
| 32,5 L | - | ≥ 10 MPa | 32,5 až 52,5 MPa |
| 32,5 N | - | ≥ 16 MPa | 32,5 až 52,5 MPa |
| 32,5 R | ≥ 10 MPa | - | 32,5 až 52,5 MPa |
| 42,5 L | - | ≥ 10 MPa | 42,5 až 62,5 MPa |
| 42,5 N | ≥ 10 MPa | - | 42,5 až 62,5 MPa |
| 42,5 R | ≥ 20 MPa | - | 42,5 až 62,5 MPa |
| 52,5 N | ≥ 20 MPa | - | ≥ 52,5 MPa |
| 52,5 R | ≥ 30 MPa | - | ≥ 52,5 MPa |
Další důležité vlastnosti cementů
- Hydratační teplo: Při tuhnutí cementu se uvolňuje 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. Cementy s nižší hodnotou hydratačního tepla jsou pro některá použití vhodnější.
- 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).
- Objemová stálost (rozepnutí): Musí odpovídat údajům v tab.
- Trvanlivost: Ztvrdlý cement vytváří hustou hmotu, která chrání třeba kamínky v betonu nebo ocelovou výztuž a zajišťuje tak dlouhou životnost stavby.
- Síranovzdornost: Síranovzdorné cementy pro obecné použití musí odpovídat dodatkovým požadavkům.
Ekonomické a environmentální aspekty výroby cementu
Celý proces výroby slínku je energeticky hodně náročný, hlavně kvůli vysokým teplotám v peci. Taky se při něm uvolňuje dost CO2. To je jeden z hlavních důvodů, proč se dnes stále víc používají tzv. směsné cementy. Cementářský průmysl je jedním z energeticky nejnáročnějších průmyslových odvětví. Výrobní náklady cementu tvoří z větší části náklady na energie, a proto se z ekonomických důvodů vždy usiluje o snížení nákladů na palivo a elektřinu. Pokud jde o optimalizaci výrobních procesů v oblasti výpalu slínku a mletí cementu, je potenciál snižování emisí CO2 prakticky vyčerpán.
Kromě možnosti využití druhotných paliv je proto nyní důležité zaměřit se na výrobu cementů s několika hlavními složkami (tj. nejen slínkem) - např. na portlandské cementy směsné. U nich se omezují měrné emise CO2 na tunu cementu tím, že se podíl energeticky náročného slínku sníží užitím dalších hlavních složek, jejichž výroba produkuje menší emise CO2. Dlouhodobý výzkum v posledních více než deseti letech je zaměřen hlavně na porovnání vlastností betonů z portlandského cementu a betonů s cementy obsahujícími vápenec, popílek nebo vysokopecní granulovanou strusku.
Díky možnosti kombinovat několik hlavních složek umožňuje portlandský směsný cement CEM II (M) využít výhody a naopak eliminovat nevýhody těchto jednotlivých hlavních složek. Takto lze přispět i k vytvoření robustnějších stavebních systémů. Při tom je třeba komplexně pohlížet nejen na výrobu cementu, ale i na jeho vlastnosti. Jedná se především o vliv cementu na vlastnosti betonu, např. na zpracovatelnost, nárůst pevností a především na trvanlivost betonu, která úzce souvisí s jeho hutností, a tedy nepropustností (difuzním odporem), jež dokáže zpomalit karbonataci, omezit průnik chloridů (např. ze rozmrazovacích solí) a obecně zvýšit odolnost betonu proti agresivnímu prostředí.
Použití portlandského cementu ve stavebnictví
Díky své schopnosti spojit vodu, písek a štěrk v pevný materiál se portlandský cement (jak CEM I, tak CEM II) používá skoro všude:
Čtěte také: Portlandský Směsný Cement: Kompletní Průvodce
- 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). Obvyklá dávka cementu na 1 m3 betonu je v rozmezí 250 až 400 kg, záleží na zamýšleném použití.
- 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.
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. Vzhledem k široké variabilitě různých vlivů prostředí lze velmi obtížně obecně definovat vhodnost použití konkrétního druhu portlandského směsného cementu pro konkrétní situaci. Z tohoto důvodu je v normě na beton EN 206+A1 zaveden obecný popis prostředí a jsou klasifikovány různé stupně vlivu prostředí, které jsou informativně doplněny konkrétními příklady.
Kvalita vyrobeného betonu, tedy zejména jeho pevnost a odolnost, není závislá jen na dávce a druhu cementu, ale i na jeho dalších složkách. Kamenivo by mělo být čisté bez organických částic (vhodné je prané kamenivo či čisté drcené kamenivo). Křivka zrnitosti má být plynulá, a pokud to umožňuje tvar konstrukce a vyztužení, je vhodné využít kamenivo s maximálním zrnem, v ČR zpravidla Dmax 22 mm. Použitím vhodných přísad je možné redukovat obsah vody. Obecně lze konstatovat, že vhodné složení a kvalitní vstupní suroviny vedou ke kvalitnímu betonu. Kvalitní beton je však ještě třeba dokončit správným uložením a ošetřováním v raném stáří, kdy se rozhoduje o jeho konečných vlastnostech. Např. nedokonalé zhutnění vede ke zvýšení porozity betonu, a tím ke snížení jeho životnosti a pevnosti. K nešvarům při ukládání betonu patří rovněž i přidávání vody do čerstvého betonu, což má stejný efekt.
tags: #portlandsky #cement #definice