Beton je spolu se dřevem, kamenem a železem důležitým stavebním materiálem, bez kterého se jen tak neobejdeme. Jeho základní složkou, která pojí všechny ostatní dohromady, je cement. Pojďme se podívat na ten nejznámější a nejpoužívanější druh: portlandský cement a prozkoumejme, jak teplota ovlivňuje jeho výrobu, vlastnosti a použití. Cement je stavební pojivový materiál, který slouží k namíchání betonu, omítky či malty.
Cement je tzv. hydraulické pojivo, což znamená, že je to jemně namletý prášek, který když smícháte s vodou, vytvoří kaši. Ta pak postupně tuhne a tvrdne díky chemickým reakcím s vodou (říká se tomu hydratace). Důležité je, že ztvrdlý cement zůstává pevný i pod vodou, a proto patří mezi hydraulická pojiva, která nepotřebují k tvrdnutí vzduch. Právě schopnost tvrdnout i ve vlhku dělá z cementu ideální materiál pro stavby. Hydraulická pojiva již byla známá před našim letopočtem.
Co je to portlandský cement?
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. 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, kdy patent na něj získal v roce 1824 zedník Joseph Aspdin.
Výroba portlandského slínku: Teploty, které tvoří základ
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. Vyrábí se v pecích v cementárnách, kde se směs vápence a jílu, základních ingrediencí cementu, nejprve rozdrtí na moučku, předehřeje v peci a zbaví se vody.
Poté se v obří rotační peci zahřívá na teplotu až 1 450 stupňů Celsia, kdy se spéká a vzniká tzv. slínek. K reakci mezi oxidy vápníků, křemíku a hliníku dochází při teplotě asi 1300 °C. Teprve při teplotě 1400 °C nastává slinování taveniny. Hlavním úkolem při výrobě cementu je vytvořit látky, které jsou schopny reagovat s vodou, jako jsou křemičitany vápenaté, ale i hlinitany a železitany vápenaté.
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 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.
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.
Druhy portlandského cementu a jejich vlastnosti
V dnešní době existuje více než jeden druh cementu, základně se rozlišuje 5 typů: portlandský, portlandský směsný, vysokopecní, pucolánový a směsný. Ty se liší různými příměsemi, které následně dodávají dané cementové směsi specifické vlastnosti. Evropská norma ČSN EN 197-1 ed. 2 specifikuje celou skupinu portlandských cementů směsných CEM II, které obsahují kromě portlandského slínku jedinou hlavní složku.
Portlandský cement (CEM I)
Tím nejpoužívanějším typem je portlandský cement s označením CEM I. Jeho hlavní složkou je portlandský slínek a sádrovec. Velmi rychle tuhne a je možné ho používat i při nižších teplotách do 5 stupňů Celsia, proto je zpravidla dražší než ostatní typy. Můžete narazit na klasický šedý, běžně používaný na stavbách domů a budov, nebo také bílý, který obsahuje příměs sádrovce pro lepší kvalitu povrchu a vyšší jas. Portlandský cement je vhodný pro běžné nosné konstrukce, jakož i pro betonování v zimě.
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. Ztvrdlý cement vytváří hustou hmotu, která chrání třeba kamínky v betonu nebo ocelovou výztuž a zajišťuje tak dlouhou životnost stavby. Jak už víme, 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.
Čtěte také: Vlastnosti bílého cementu
Portlandský směsný cement (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, jako například vápenec (L, LL), struska (S) nebo popílek (V). Tyto příměsi umí cíleně změnit vlastnosti cementu. Nejčastěji se díky nim zlepší zpracovatelnost cementu a nemusíte používat tolik vody k přípravě směsi.
Dále tyto složky obvykle zvyšují odolnost betonu proti agresivnímu prostředí, zejména proti síranové agresivitě. Struska s popílkem snižují naopak počáteční pevnosti, příznivě však ovlivňují plynulost nárůstu pevností a dosahování vyšších konečných pevností. Příměsi mohou ovlivnit cenu v závislosti na jejich druhu a množství. Cementy CEM II jsou tedy určitý kompromis. Možná pomaleji nabírají počáteční pevnost, ale zase mohou nabídnout lepší zpracovatelnost, vyšší odolnost v náročných podmínkách, nižší vývin tepla nebo jsou prostě zelenější. Výběr mezi CEM I a různými typy CEM II tak závisí na tom, co přesně stavíte - jak rychle to potřebujete, jak pevné to má být, v jakém prostředí to bude stát a jak moc myslíte na ekologii.
Ostatní typy cementu (CEM III, CEM IV, CEM V)
Dalšími druhy cementu jsou vysokopecní cement (CEM III), který je typický svým značným podílem vysokopecní strusky. Ta zvyšuje jeho odolnost vůči agresivnímu prostředí, například se tedy využije při betonování konstrukcí ve styku se zeminou. Je cenově dostupnější díky vysokému podílu strusky.
Pucolánový cement (CEM IV) obsahuje pucolán, což je velmi jemný sopečný popílek, který tento typ cementu činí vodotěsným a odolným proti agresivním mořským vodám. Své využití tedy najde při stavbách vodních konstrukcí nebo infrastruktury v blízkosti moře nebo jiné vodní plochy. Může být dražší kvůli specifickému použití sopečného popílku.
Posledním a nejlevnějším typem cementu je směsný pod označením CEM V, který se skládá z mnoha různých příměsí jako struska, popílek nebo pucolán. Je považován za nejméně kvalitní cement a jeho cena je nejnižší, jelikož nezaručuje vysokou pevnost betonu či malty. Doporučuje se na málo zatěžované konstrukce jako betonové podlahy nebo cementové potěry.
Čtěte také: Portlandský Směsný Cement: Kompletní Průvodce
Vliv teploty na betonování a vlastnosti betonu
Teplota je pro beton jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících jeho kvalitu. Optimální teploty pro betonování jsou v rozmezí +15 až 25 °C. Při vyšších teplotách se tuhnutí betonu výrazně zrychluje, zatímco při nižších teplotách se hydratace cementu zpomaluje a beton tuhne pomaleji.
Betonování v chladném počasí: Výzvy a řešení
Na konci podzimu se stroje na mnoha stavbách zastaví a vyčkává se, až zase přijde teplejší období. Někdy ale není času nazbyt, a tak je potřeba v pracích pokračovat i během zimy. Zejména práce s betonem je v chladných dnech problematická, protože teplota zásadním způsobem ovlivňuje vlastnosti materiálu.
Nízké teploty komplikují hydrataci betonu, který následně neschne a tvoří se praskliny. S klesajícími teplotami se hydratace zastavuje úplně. Příčinou tohoto jevu je teplota jednotlivých složek. Pokud beton dosáhne teploty nižší než +5 °C, proces tuhnutí se takřka zastaví. Jestliže se teplota sníží i pod tuto hranici, beton přestává schnout a tvoří se na něm praskliny.
Technologický proces betonování je pevně zakotven v normách, konkrétně např. v ČSN 73 2400. Podle ní nesmí teplota povrchu betonu klesnout pod 5 °C po dobu nejméně 72 hodin. V souladu s požadavky platné normy ČSN EN 206-1 změna Z3 kapitola 5.2.8. nesmí být teplota čerstvého betonu v době jeho dodávání menší než +5 °C. Práce s běžnými betony je vhodná do zhruba +5 až +7 °C. Při teplotách vzduchu pod -10°C nedoporučujeme provádět ukládání betonových směsí. Čerpání betonových směsí je možno do -5°C.
Opatření pro betonování v zimě:
- Pro zajištění správné teploty a výsledné kvality betonu můžeme dát přednost cementům s vyšším obsahem slínku (CEM I, CEM II/A-B) a použít cementy s rychlým náběhem počáteční pevnosti (tzv. R třída).
- V rámci dosažení požadovaných teplot betonové směsi je nutné ohřát záměsovou vodu a případně i použité kamenivo. Betonárny jsou na betonování v zimě technologicky vybavené. Při výrobě a dopravě betonu používají nejen teplou vodu, ale často i ohřáté kamenivo.
- Pro zlepšení hydratačních procesů lze do betonové směsi přidat přísady, které snižují množství záměsové vody a díky tomu urychlují tuhnutí a tvrdnutí betonu. Pro betonování v zimě se pak používají i speciální zimní přísady do betonáže.
- „Cement nesmí přijít do styku s teplejší vodou než 65 °C, ale kamenivu vyšší teplota nevadí. Pokud tedy kamenivo ochladí vodu pod teplotu 65 °C, lze použít i vodu teplejší. Voda má ze vstupních surovin největší měrné teplo, a proto je vliv teplé vody na teplotu betonové směsi velmi podstatný.“
- Ihned po uložení musíme beton odizolovat od okolního prostředí rohožemi, geotextiliemi, polystyrénovými deskami či jiným izolantem.
- Pokud by zakrytí konstrukce nestačilo, je nutné přijmout aktivní opatření proti promrzání betonu - to znamená ohřev konstrukce horkým vzduchem či parou pod zaplachtování čerstvé betonové konstrukce, případně elektroohřev betonu v bednění.
- Při nízkých teplotách je zakázáno čerstvý beton ošetřovat vodou.
- Je možné například zahřát pomocí parních nahřívačů i výztužnou ocelovou konstrukci, která následně předá teplo betonu.
Konstrukce by měla po dvou dnech tuhnutí získat pevnost vyšší než 4 MPa, čímž se stává mrazuvzdornou. Po této době (resp. ve chvíli, kdy bude pevnost betonu nad 4 MPa) se beton stane mrazuvzdorným.
Náklady na zimní betonování:
Mnohé betonárny navyšují v období od listopadu do března cenu betonu o 5 až 10 % kvůli potřebným zimním opatřením. Betonování při teplotě pod 5 °C se prodraží kvůli nutnému použití betonu vyšší pevnostní třídy nebo přidávání zimních přísad. A budete-li chtít betonovat při teplotách -5 až -10 °C, prodraží se realizace až o desítky procent. V takovém případě musí totiž betonárna výrazně upravit recepturu betonu a přidat do něj superplastifikátory, které výrazně urychlí tuhnutí.
Betonování v horkém počasí: Regulace teploty a prevence trhlin
V případě betonáže v létě, kdy teploty překračují tropických 30 °C, se betonáž rovněž řídí několika zásadami a doporučeními. Normativně není maximální teplota betonu omezena. Resortní předpisy TKP 18 MD požadují nepřekročit teplotu betonu +27 °C. Vyšší teplota betonu se připouští jen na základě průkazních zkoušek. Následně pak maximální teplota betonu v jádře nesmí překročit +70 °C. Teplotní gradient jádro - povrch nemá být větší než 20 °C, aby nevznikalo přílišné napětí uvnitř betonu.
Opatření pro betonování v létě:
- Pro vlastní betonáž v letním období je vhodné zajistit nízkou teplotu betonu (využívat kamenivo ze zakrytých skládek nebo zvnitřku skládky, nepoužívat cement rovnou z výroby).
- Doporučuje se betonovat večer před chladnou částí dne a použít neprodleně dočasné ochrany (vhodné jsou bílé nástřiky).
- Při extrémních podmínkách lze použít metodu přidávání ledu do betonu. To se většinou používá v teplých oblastech nebo při transportu betonu na dlouhou vzdálenost. Další metodou snížení teploty čerstvého betonu je použití tekutého dusíku.
- Metody snižování teploty čerstvého betonu jsou vhodné rovněž pro betonáž masivních konstrukcí, jelikož vývoj hydratačního tepla se rozloží do delšího časového úseku. Tím se snižuje maximální teplota betonu a omezuje se vznik trhlin.
Při betonáži za vyšších teplot (nad +25°C) je bezpodmínečně nutné maximálně zkrátit dobu transportu a zabudování směsi. Konstrukci je tedy potřeba chránit vůči dalším tepelným ziskům, např. slunečním zářením.
Ošetřování betonu po uložení
Beton v raném stáří se musí ošetřovat a chránit zejména proto, aby se minimalizovalo plastické smršťování a aby se zajistila dostatečná pevnost povrchu. Smršťování betonu je způsobeno zejména odpařováním vody z čerstvého betonu, vysycháním tvrdnoucího a ztvrdlého betonu a následně fyzikálněchemickým procesem, tzv. autogenním smrštěním, během kterého se z cementové pasty vytváří novotvary, tvořící konečnou pevnou strukturu.
Po ukončení zhutňování a konečné úpravě povrchu betonu se musí beton ošetřovat bez odkladu! Chceme-li zabránit trhlinám od plastického smršťování na volných površích, musíme před ukončením betonáže celé konstrukce povrch betonu dočasně ošetřovat. Nejjednodušší způsob ošetření, pokud je to možné, je ponechat konstrukci v bednění. Dále je vhodné pokrýt volné povrchy betonu parotěsnými plachtami či fóliemi, které jsou po obvodu a v místech přesahů zabezpečeny proti odkrytí.
Proti vysychání lze beton chránit i namočením (vhodné je mlžení nebo smáčení přes vrstvu tkaniny) a následně udržovat povrch betonu viditelně vlhký vhodnou vodou. Často se využívá i nástřik vhodných ošetřovacích hmot, které po čase sublimují. Při betonáži je tedy vždy důležité mít na paměti, že beton je třeba po jeho uložení do konstrukce pečlivě ošetřovat, aby bylo dosaženo jeho požadovaných parametrů. Náklady vynaložené na ošetřování betonu jsou objektivně mnohem nižší než náklady na následnou opravu vad z důvodu zanedbaného nebo žádného ošetřování betonu. V zimním období je ošetřování minimální, pokud je zajištěná ochrana betonu popsaná výše.
Kvalita a normativní požadavky na cement
Při výběru cementu si dejte pozor nejen na jeho druh, ale také na pevnostní třídu. Ta se udává v MPa (megapascal) a určuje pevnost betonu obsahující daný typ cementu po 28 dnech. Čím vyšší pevnostní třída, tím rychlejší proces tuhnutí a tvrdnutí. Vliv na to mají především příměsi, které tuhnutí cementu zpomalují.
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, třída s vysokými počátečními pevnostmi značená písmenem R a třída s nízkou počáteční pevností značená písmenem L.
Tuhnutí je chemický a fyzikální pochod, při němž kašovitá směs cementu a vody tuhne v pevnou hmotu. Každý druh cementu má normou stanovený čas pro počátek a konec tuhnutí. Běžné portlandské cementy mají počátek tuhnutí stanoven po 45 min. a nejpozději do 12 hod. Doba tuhnutí 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).
Měrná hmotnost čistých portlandských cementů je ρ=3050 až 3150 kg . m-3 (pro výpočty ρ=3100 kg . m-3). U směsných cementů měrná hmotnost klesá (struskoportlandský cement asi ρ=3000 kg . m-3). Sypná objemová hmotnost cementu je volně sypaný ρo = 900 až 1100 kg . m-3, v pytlích ρo = 1350 až 1500 kg . m-3.
Jemnost cementu se vyjadřuje měrným povrchem. Jednotka (m2/kg). Rozeznáváme hrubě mleté (Sc ≈ 180 m2/kg), středně mleté (Sc ≈ 300m2/kg), jemně mleté (Sc ≈ 400m2/kg), velmi jemně mleté (Sc ≈ 600m2/kg) a ultra jemně mleté (Sc ≈ 1000m2/kg).
tags: #maximální #teplota #portlandský #cement