Přestože se beton ve stavebnictví používá ve větším měřítku teprve v posledních staletích, je známý už tisíce let. Cement, který lidé poprvé použili k přípravě betonu, "vynalezla" příroda. Lidé jej mohli pouze nalézt a následně v cementárnách napodobovat. V letošním roce si betonáři připomenou jednu mimořádnou a pro beton zásadní událost, ke které došlo 24. října 1824, a to udělení patentu BP 5022 „Zlepšení ve výrobě umělého kamene“ Josephu Aspdinovi. Jeho autor v přihlášce poprvé použil termín „portlandský cement“. Bez nadsázky je možné prohlásit, že toho dne se začala psát historie moderního betonu.
Počátky stavebních pojiv
Pravěkým předchůdcem stavebních hmot byl minerál anhydrit - bezvodý síran vápenatý, po jehož smísení s vodou vznikla rychle tuhnoucí hmota. Poprvé byl použit před osmi tisíci lety v mladší době kamenné (neolitu), v oblasti dnešní Palestiny. V zemích, kde není dostatek kamene ani dřeva, už celá tisíciletí lidé stavějí domy z hlíny, jediného dostupného stavebního materiálu. Kolébkou prvních maltovin je Mezopotámie (dnešní Irák), kde se již od čtvrtého tisíciletí před naším letopočtem v oblasti hlinitých naplavenin řek Eufratu a Tigridu staví z nepálených cihel. Bahno z naplavenin obsahuje vodou rozpustné sírany a chloridy vápníku, sodíku, hořčíku a jiných prvků. Nepálené cihly a omítky, které se z něj vyrobí, jsou na povrchu pevné a tvrdé, neboť se tyto minerály vzlínáním vody vynášejí na povrch a při vysychání vody vytvářejí krustu. Přibližně v téže době starověcí obyvatelé Mezopotámie a severní Sýrie objevili výrobu pálené sádry z přírodního sádrovce. K objevu pravděpodobně došlo náhodou při vypalování keramiky. Sádra se používala zejména na omítky, štukovou výplní na zpevnění podlah starověkých chrámů. V oblasti, kde je nízká vlhkost vzduchu, je sádra dodnes oblíbeným materiálem i na venkovním zdivu. Do tohoto období zapadá i objev páleného vápna. K jeho rozšíření však došlo mnohem později, neboť se při pálení vápence spotřebovalo daleko více dřeva, příprava malty byla komplikovanější a doba tuhnutí delší. V roce 1985 byla v Izraeli objevena vápencová betonová podlaha z nehaseného vápence - kameny a voda. Další použití vápenného cementu nebylo až do tisíciletí později, kdy starí Egypťané používali vápenný cement jako betonovou maltu na vázání bloků a vyplňte kamenné zdi. Odtud se vápenný cement rozšířil do ostatních oblastí Středozemního moře a kolem roku 500 př.nl to Řekové používali k vyplnění slunečních cihel.
Římský cement a pucolán
Přímým předchůdcem dnešního cementu byla přírodní hlinka, kterou koncem třetího století před naším letopočtem našli starověcí Římané u své osady Puteoli (část dnešní Neapole). Tato hlinka zvaná puzzolano (dnes pucolán) vznikla přírodní cestou vypálením slínu (vápnitého jílovce) žhavou lávou tekoucí z blízké sopky a jeho další přeměnou působením horkých roztoků. Obsahovala ve správných poměrech všechny složky, které má dnešní portlandský cement: silikáty, alumosilikáty a oxidy alkalických kovů a alkalických zemin schopné hydratace. Římané připravovali beton smísením puzzolana s trochou páleného vápna, písku a vody. Používali pucolánový cement z blízkosti italského města Pozzuoli nedaleko Vesuvu při budování známé Appiovy silnice, římských lázní, Kolosea a Pantheonu v Římě a akvaduktu Pont du Gard na jihu Francie. Jako cementový materiál se používalo vápno. Plinius píše o maltové směsi sestávající z 1 dílu vápna a 4 dílů písku. Vitruvius zmiňuje 2 díly pucolánu na jeden díl vápna. Jako přísady (látky přidávané do cementu pro zlepšení vlastností) sloužil živočišný tuk, mléko a krev. Římský architekt a inženýr Marcus Vitruvius Pollio popsal cement a beton v deseti knihách architektury v 1. století BCE. Mnoho římských cementových konstrukcí stále stojí, včetně Pantheonu a některých akvaduktů.
Znovuoživení a vynález portlandského cementu
Po zániku římské říše v pátém století našeho letopočtu výroba betonu z pucolana ustala. Kvalita spojovacích materiálů se zhoršila. Používání páleného vápna a pucolánu (přísada) bylo zapomenuto a znovu objeveno na počátku 14. století. Nutnost vedla k objevení cementu; cement vedl k moderní a civilizované společnosti; a pak nutnost znovu posunula technologii dopředu do současného stavu. V 17. a 18. století začali inženýři znovu experimentovat s cementovými kompozicemi. Toto experimentování vedlo k vytvoření prvního portlandského cementu Josephem Aspdinem. Technologie cementu byla dále rozšiřována kvůli potřebě stavět majáky v Británii, aby se zabránilo ztrátě lodí a nákladu. V roce 1759 bylo zjištěno, že směs vápna, jílu a drcené strusky z výroby železa vedla k maltě, která se vytvrdila pod vodou. Vzpomínku na vynikající stavivo oživil až roku 1756 Angličan John Smeaton (1724 -1792), když při stavbě majáku u Eddystonu použil směs drceného vápence s místním přírodním hydraulickým pojivem, které se podobalo pucolanu. Hloubaví angličtí Smeatonovi konkurenti se vzápětí pokusili toto pojivo vyrobit uměle. A podařilo se! John Smeaton zjistil, že kalcinací vápence s obsahem jílu vznikne vápno, které pod vodou tvrdne (hydraulické vápno). Hydraulické vápno použil při přestavbě majáku Eddystone v anglickém Cornwallu. Jeho stavba byla zahájena v roce 1756, musel však nejprve vynalézt materiál, který by neničila voda. Skot Joseph Aspdin upravil složení cementu Louise Vicata a v roce 1824 přihlásil patent na pomaleji tuhnoucí cement. V roce 1824 Aspdin patentoval tuto novou kompozici cementu a nazval ji Portlandský cement, protože látka vypadala jako Portlandský kámen, který byl v Anglii běžně používán. Cement byl vyroben z vypálené jemně mleté hlíny a kalcinovaného vápence. Vypálením portlandského slínovce a jeho následným rozemletím byl roku 1796 vynalezen portlandský cement. Nově objevený proces se dále zdokonaloval. Vlastní patent nepopisuje zcela jasně produkt známý dnes jako portlandský cement. Produkt byl cílen na trh se štukatérskými potřebami a také pro výrobu architektonických prvků (ostění, římsy, klenáky apod.), kde se hodil rychle tuhnoucí nízkopevnostní cement. Ten byl získáván vypalováním při nízkých teplotách (pod 1 250 °C), a proto neobsahoval žádný alit. Joseph Aspdin nikdy nebyl chemikem a při výrobě postupoval pouze na základě svých zkušeností. Angličan Joseph Aspdin vynalézá portlandský cement, když spaluje jemně mletou křídu s jemně rozdrobeným jílem ve vápenné peci s odtahem oxidu uhličitého. Název „Portlandský cement“ pravděpodobně vyplývá z toho, že výsledný cement svojí pevností a šedou barvou připomínal oblíbený portlandský vápenec. Je nutné poznamenat, že směr, který Joseph Aspdin svým patentem vytýčil a Isaac Charles Johnson završil, byl vpravdě geniální. V roce 1845 Isaac Johnson vyrobil první moderní formu portlandského cementu, když vypálil směs křídy a jílu při vyšších teplotách než Aspdin. Vyšší teploty (1400 ° -1500 ° C) způsobují "clinkering", což vede k tvorbě nerostů, které jsou reaktivní a silnější. Angličan J. Grant ukázal důležitost používání nejtvrdších a nejhustších částí slínku. Francouz Henri Le Chatelier stanovil poměry kyslíku pro přípravu správného množství vápna pro výrobu portlandského cementu. Složky nazval alit (trikalciumsilikát, belit (dikalciumsilikát) a celit (tetrakalciumaluminoferit). Louis Vicat byl první, kdo určil přesně, řízeně a opakovatelně podíl vápence a kysličníku křemičitého nutného pro získání směsi, která po spálení za určitých teplot a po rozdrcení vytvoří hydraulické pojivo pro průmyslové aplikace. Zásadní postup zavedl právě J. Aspdin vypalováním umělé směsi vápence a jílu, ne však až do slinutí. Šlo tedy vlastně o pojivo podobné románským cementům. Vzniklý produkt nazýval „Portlandským cementem”. Koncem 19. století byly objeveny latentní hydraulické vlastnosti vysokopecní strusky. Zjištěný poznatek vedl k zavedení výroby struskoportlandských cementů (do 30 % strusky) a vysokopecních cementů (více jak 70 % strusky). Zavedením strusky jako příměsi ke slínku byly položeny základy k pojivové složce lépe odolávající agresivnímu prostředí. Poznatky o vlivu obsahu trikalciumaluminátů na odolnost vůči síranovému iontu vedly k výrobě tzv. síranovzdorných cementů.
Moderní výroba a inovace
Rotační pec byla vynalezena v 20. století a rychle vyměnila vertikální šachtové pece, které byly zvyklé na výrobu vápna. Vylepšené pece používaly přenos radiačního tepla, který byl účinnější při vyšších teplotách. Také kolem začátku 20. století byla přidána sádra, která řídila nastavení cementu, a kulové mlýny na mletí slínku. Tyto novější vývoje vyústily v moderní portlandský cement, který teď většinou zná a používá. V americkém městě Bellefontaine ve státě Ohio provedl George Bartholomew betonáž první ulice. Ve Spojených státech bylo zavedeno přidávání sádry při mletí slínku jako zpomalovače tuhnutí betonu. Dr. Thomas Edison staví levné, útulné domy z betonu ve městě Union ve státě New Jersey. Byly vybudovány první velké přehrady, Hoover Dam a Grand Coulee Dam. V kanadském Torontu byla postavena CN Tower, nejvyšší hladká budova. Jako příměs do pucolánu se začíná používat křemičitý úlet.
Čtěte také: Portlandský cement – co to je?
Aalborg Portland Cement Fabrik A/S
Aalborg Portland Cement Fabrik A/S byla založena v roce 1889 obchodníky z Aalborgu a inženýrskou společností F.L. Smidth & Co. Továrna se stala technologickým lídrem na světové úrovni, protože ji F.L. Smidth & Co. používala k vývoji a testování nových technologií, které byly následně prodávány do zbytku světa. Křída je bílé zlato Limfjordu. Staroseverský název pro vápno (lim) dal jméno fjordu. Na několika místech podél fjordu se ložiska křídy nacházejí přímo pod zemským povrchem. Byl to místní obchodník s látkami Hans Holm (1838-1903), kdo v 80. letech 19. století přišel s myšlenkou cementárny u Limfjordu, a spolu s přítelem Frederikem Læssøem Smidthem (1850-1899) stáli za založením akciové společnosti Aalborg Portland Cement Fabrik A/S v roce 1889. Spolupráce byla rozhodující, neboť Frederik Læssøe Smidth krátce předtím s inženýry Poulem Larsenem (1859-1935) a Alexanderem Fossem (1858-1925) založil firmu F.L. Smidth & Co. Aalborg Portland se stal experimentálním zařízením i výkladní skříní nové technologie, která brzy udělala z kodaňské firmy světového lídra. Jako špička ve vývoji a testování nových technologií byl Aalborg Portland neustále mezi nejpokročilejšími na světě. Největší pokroky byly dosaženy zejména v oblastech, kde F.L. Smidth & Co. získala vynálezy jiných a využívala zařízení v Aalborgu k dalšímu vývoji a testování. Výsledkem byly patenty na řadu nových technik, které mohly být prodány světovým výrobcům cementu. Od 90. let 19. století se vývojová práce zaměřila na trubkový mlýn, který v roce 1892 vynalezl a ve Francii patentoval dánský inženýr Meyer Joseph Davidsen (1861-1926). Trubkový mlýn byl v podstatě vodorovná ocelová trubka, která obsahovala křemenné nebo ocelové kuličky, které drtily materiál pomalou rotací mlýna. F.L. Smidth & Co. okamžitě odkoupila Davidsenův patent. Následně byly na Aalborg Portland instalovány první trubkové mlýny a mohlo se začít s úpravami a dalším vývojem. Vývojová práce byla občas extrémně náročná na zdroje. Vývoj nových vysoce přesných převodovek pro pohon mlýnů trval více než dva roky, než bylo v roce 1923 nutné práci zrušit a začít úplně znovu. Na druhou stranu, F.L. Smidth & Co. Aalborg Portland Cementfabrik v Rørdalu zaměstnávala v roce 1935 přes 1 000 pracovníků a byla právě vybavena nejdelší rotační pecí na světě - s vysokým komínem zcela vpravo. Rozhodující průlom však přišel s montáží prvních rotačních pecí pro spalování cementu. Rotační pec byla patentována ve Velké Británii v roce 1877, kde se však nikdy nepodařilo ji uvést do provozu. To se však podařilo v USA, kde se experimentovalo s topením - nejprve surovou ropou a poté mletým uhelným prachem. Poté, co Poul Larsen viděl jeden exemplář v provozu v továrně v Pensylvánii, byla proto v roce 1898 zahájena iniciativa k nákupu dvou rotačních pecí pro Aalborg Portland. Následně se věci rychle rozběhly. Dvě rotační pece patřily mezi první, které byly uvedeny do provozu v Evropě, a získané zkušenosti daly F.L. Smidth & Co. obrovský prodejní úspěch. V roce 1950 odpovídala kapacita pecí, které F.L. Smidth & Co. prodala, více než polovině světové produkce cementu. V období od roku 1888 do roku 1913 se dánská produkce cementu zvýšila ze 17 000 tun ročně na 495 000 tun.
Současné cementy a jejich použití
Cement je jemný prášek vyrobený z vápence a dalších minerálů, který slouží jako pojivo ve stavebnictví. Když se smíchá s vodou, pískem a štěrkem, vytváří beton, pevný materiál používaný pro budovy, silnice a mosty. Cement je složka, která spojuje materiály, zatímco beton je směs cementu, vody, písku a štěrku. Beton se používá pro stavby a cement je to, co jej činí tvrdým a odolným. Cement je převážně vyroben z vápence, jílu a sádry. Tyto materiály se dohromady zahřívají v peci, aby vznikl prášek, který se stává cementem. Dnes rozeznáváme cementy jednosložkové a vícesložkové, které se podle použití dělí na cementy stavební, zubní, laboratorní, sochařské a další. Na stavbě může být podle technologických požadavků použit cement portlandský, struskový, trasový, síranový, sádrostruskový atd. Cement je hydraulické pojivo. Jejich tuhnutí a tvrdnutí je založeno na hydratačních reakcích hydraulických, latentně hydraulických a pucolánových složek cementu. Používají se nejčastěji pro výrobu betonů a betonových výrobků. Cementy vyhovují požadavkům normy ČSN EN 197-1 ed. 2. Požadavky na tyto cementy jsou stanoveny v normě ČSN EN 197-1, ed. 2.
Druhy portlandského cementu
- Označení CEM I: Používá se pro čistý portlandský cement.
- Označení CEM II: Pro portlandský směsný cement, jehož přísadou může být popílek, vápenec nebo struska.
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). 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. Cementy se rozdělují podle jejich složení na druhy a podle dosahovaných pevností na třídy.
Vlastnosti a složení portlandského směsného cementu
Portlandský směsný cement je vyroben semletím portlandského slínku, popílku, vápence, síranu vápenatého a případně některých dalších látek. 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.
Vliv přísad na vlastnosti cementu
- 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 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.
- Popílek: Zlepšuje vlastnosti čerstvého betonu, zejména čerpatelnost a homogenitu a ve ztvrdlém betonu zlepšuje jeho odolnost vůči působení vody.
Použití portlandského směsného cementu
Kvalitní cement pro běžné profesionální i domácí použití. Používají se nejčastěji pro výrobu betonů a betonových výrobků.
Čtěte také: Vlastnosti bílého cementu
Charakteristické vlastnosti CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R
- Optimální poměr portlandského slínku, popílku a vápence.
- Nižší celkové hydratačního teplo.
- Pozvolný nárůst pevnosti.
- Stálost fyzikálních a chemických vlastností.
Parametry CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R
| Parametr | Hodnota |
|---|---|
| Pevnost v tlaku po 2 dnech | 18 MPa až 22 MPa |
Super a hyper plastifikátory dokáží upravit reologii a dobu zpracovatelnosti čerstvého betonu na zákazníkem požadovanou hodnotu. Cementy portlandského typu, coby neodmyslitelná součást betonu, zastávají pozici nejpoužívanějšího anorganického pojiva. Portlandské cementy CEM I jsou proto postupně nahrazovány cementy s vyšší směsností, kdy se inovuje poměr namletého slínku a jednotlivých přísad např. přírodního vápence, strusky, popílku tak, aby byly zachovány požadované vlastnosti cementu. Čížkovická cementárna má ve svém produktovém portfoliu celou řadu směsných cementů.
Časová osa vývoje cementu
Následující tabulka shrnuje klíčové milníky ve vývoji cementu.
| Rok/Období | Událost |
|---|---|
| 12000 př. n. l. | Nejstarší známý výskyt cementu, přírodní spálení roponosné břidlice sousedící s vápencem (Izrael). |
| 7000 př. n. l. | První známé úmyslné použití cementu, vápencová betonová podlaha z nehašeného vápence (Izrael). |
| 3000 př. n. l. | Mezopotámie: Používání bahna smíchaného se slámou pro spojování sušených cihel. Egypt: Používání vápenného cementu jako malty. |
| 500 př. n. l. | Řekové používají vápenný cement k vyplnění slunečních cihel. |
| 300 př. n. l. - 476 n. l. | Římané: Používání pucolánového cementu z blízkosti italského města Pozzuoli při budování významných staveb (Appiova silnice, Koloseum, Pantheon, akvadukty). |
| 1. stol. př. n. l. | Marcus Vitruvius Pollio popisuje cement a beton v "Deseti knihách architektury". |
| Po zániku Římské říše | Kvalita spojovacích materiálů se zhoršila, použití páleného vápna a pucolánu zapomenuto. |
| Začátek 14. stol. | Znovuobjevení páleného vápna a pucolánu. |
| 16. stol. | Španělé představují stavební materiál "tabby" v Americe (vápno z ústřic, písek, celé ústřice). |
| 1756 | John Smeaton používá směs drceného vápence s přírodním hydraulickým pojivem (podobným pucolánu) při stavbě majáku Eddystone. Zjišťuje, že kalcinace vápence s jílem vytváří vápno tvrdnoucí pod vodou. |
| 1759 | Zjištění, že směs vápna, jílu a drcené strusky z výroby železa vede k maltě tvrdnoucí pod vodou. |
| 1796 | Vynalezen portlandský cement vypálením portlandského slínovce a jeho rozemletím (angličtí Smeatonovi konkurenti). |
| 1824 | Joseph Aspdin patentuje "Portlandský cement", nazvaný podle podobnosti s portlandským kamenem. Vypalování jemně mleté křídy s jemně rozdrobeným jílem. |
| 1845 | Isaac Johnson vyrábí moderní formu portlandského cementu vypalováním směsi křídy a jílu při vyšších teplotách (1400-1500 °C), což vede k "clinkeringu". |
| Konec 19. stol. | Objeveny latentní hydraulické vlastnosti vysokopecní strusky, což vede k výrobě struskoportlandských a vysokopecních cementů. |
| 20. stol. | Vynález rotační pece, která nahrazuje vertikální šachtové pece. |
| Začátek 20. stol. | Zavedení sádry při mletí slínku jako zpomalovače tuhnutí, používání kulových mlýnů. |
| 1908 | Jules Biede (Skupina Holcim) vyvíjí Ciment Fondu® (z vápence a bauxitu), odolný agresivním prostředím a vysokým teplotám. Objev bílého cementu (využívající kaolin místo jílu). |
| 1950 | Kapacita pecí prodaných F.L. Smidth & Co. odpovídala více než polovině světové produkce cementu. |
| 1960. a 70. léta 20. stol. | Izraelští geologové popisují přírodní ložiska cementových sloučenin vzniklých reakcí vápence a ropných břidlic. |
| Od 1986 | Aalborg Portland je jediným výrobcem cementu v Dánsku. |
| Současnost | Intenzivní výzkum nových technologií pro redukci klimatické stopy, cílem snížit CO2 emise o 30 % do roku 2030. |
Čtěte také: Portlandský Směsný Cement: Kompletní Průvodce
tags: #portlandsky #cement #historie