Cement je důležitou složkou betonů i malt, kde slouží jako pojivo. Řadí se k tradičním materiálům, které se ve stavebnictví začaly využívat už v období starověkého Říma. V dnešní době se portlandský cement stal také základem pro moderní materiály v zubním lékařství, známé jako kalciumsilikátové cementy.
Historie a Využití Portlandského Cementu
Název „Portlandský cement“ pravděpodobně vyplývá z toho, že výsledný cement svojí pevností a šedou barvou připomínal oblíbený portlandský vápenec. Patent na něj získal v roce 1824 zedník Joseph Aspdin. Historie využití portlandského cementu sahá ale mnohem hlouběji. Poprvé se zmiňuje jeho využití pro plnění kořenových kanálků a přímé překrytí zubní dřeně již v 70. letech 19. století, ale i přes údajnou vysokou úspěšnost se cement nedočkal širšího uplatnění.
Výroba Portlandského Cementu
Proces výroby cementu je složitější, než by se mohlo na první pohled zdát. Skládá se z řady dílčích kroků, během nichž se směs vápence a jílů promění ve slínek, který se namele na jemný prášek.
- Základními surovinami pro výrobu cementu jsou vápenec a jíl.
- Lomový kámen se dopraví do odrazového kladivového drtiče, ve kterém se drtí na frakce o velikosti kolem 4 cm.
- Rozdrcené a smíchané suroviny se společně rozemelou na moučku.
- 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.
- 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.
Složení a Typy Cementů dle Normy ČSN EN 197-1 ed. 2
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. 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.
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. Vyznačuje se rychlým hydratačním procesem a uvolňuje velké množství hydratačního tepla, a tak umožňuje práci i při nižších teplotách (do 5 °C). Vyrábí se buď jako šedý, nebo bílý, který obsahuje příměs sádrovce. Šedý portlandský cement se využívá při stavbách rodinných domů a obytných budov, průmyslové výstavby i oblasti veřejné infrastruktury. Portlandský slínek se vyrábí pálením nejméně do slinutí přesně připravené surovinové směsi obsahující prvky, obvykle vyjádřené jako oxidy CaO, SiO2, Al2O3, Fe203 a malá množství jiných látek.
Čtěte také: Portlandský cement – co to je?
Portlandský směsný cement (CEM II)
Pokud portlandský cement obsahuje doplňkové materiály se zlepšujícími vlastnostmi, řadí se do kategorie CEM II. Ta je poměrně obsáhlá, protože zahrnuje cementy s různými typy přísad. 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.
Vysokopecní cement (CEM III)
Vyznačuje se velkým podílem vysokopecní strusky, která zvyšuje odolnost vůči agresivnímu prostředí. Tento typ cementů se využívá například při betonáži namáhaných konstrukcí, kde dochází ke styku se zeminou. Protože je přírůstek hydratačního tepla malý, využívá se při betonování v parných dnech.
Pucolánový cement (CEM IV)
Díky pucolánu, velmi jemného popílku, je cement vodotěsný a vyznačuje se výraznou odolností vůči agresivním odpadním vodám. Využívá se pro méně namáhané konstrukce.
Směsný cement (CEM V)
Spadá do nejnižší pevnostní třídy a nemá jasně stanovený poměr jednotlivých surovin. 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.
Další složky cementu
- Granulovaná vysokopecní struska: Vzniká rychlým ochlazením struskové taveniny z vysoké pece.
- Pucolány: Přírodní látky, které reagují s hydroxidem vápenatým v přítomnosti vody a tvoří pevné sloučeniny.
- Popílek: Získává se odlučováním prachových částic z kouřových plynů topenišť otápěných práškovým uhlím.
- Kalcinovaná břidlice: Vyrábí se ve speciální peci a obsahuje slínkové fáze a pucolanicky reagující oxidy.
- Křemičitý úlet: Vzniká při redukci křemene v elektrické obloukové peci a obsahuje amorfní oxid křemičitý.
- Doplňující složky: Zlepšují fyzikální vlastnosti cementu.
- Síran vápenatý: Přidává se k ostatním složkám cementu za účelem úpravy tuhnutí.
- Přísady: Látky přidávané pro usnadnění výroby nebo úpravu vlastností cementu, jejich celkové množství nesmí překročit 1,0 % hmotnosti cementu (s výjimkou pigmentů).
Pevnostní Třídy Cementů
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.
Čtěte také: Vlastnosti bílého cementu
| Třída normalizované pevnosti | Třída počáteční pevnosti | Normalizovaná pevnost (MPa) po 28 dnech | Počáteční pevnost (MPa) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Minimální | Maximální | Po 2 dnech (Minimální) | Po 7 dnech (Minimální) | ||
| 32,5 | L | 32,5 | 52,5 | - | 10,0 |
| 32,5 | N | 32,5 | 52,5 | - | 16,0 |
| 32,5 | R | 32,5 | 52,5 | 10,0 | - |
| 42,5 | L | 42,5 | 62,5 | - | 16,0 |
| 42,5 | N | 42,5 | 62,5 | 10,0 | - |
| 42,5 | R | 42,5 | 62,5 | 20,0 | - |
| 52,5 | N | 52,5 | - | 20,0 | - |
| 52,5 | R | 52,5 | - | 30,0 | - |
Kalciumsilikátové Cementy v Endodoncii
Kalciumsilikátové cementy tvoří nezbytnou součást vybavení každého praktického zubního lékaře, který se hlouběji zajímá o endodoncii a konzervační zubní lékařství. Od roku 1997, kdy byl uveden na trh první materiál této skupiny - ProRoot MTA (Dentsply, Tulsa, USA), se objevilo velké množství materiálů patřících do této skupiny. Základem materiálu MTA a potažmo i kalciumsilikátových cementů je portlandský cement, což bylo zmíněno i v původním patentu, kde obsahoval zhruba 75 % hmotnosti materiálu MTA. Od roku 1993, kdy byl poprvé popsán materiál MTA (angl. mineral trioxide aggregate) jako materiál vhodný na překrytí perforací vzniklých při endodontickém ošetření, se rozšířilo indikační spektrum využití kalciumsilikátových cementů na retrográdní plnění při chirurgické endodoncii, přímé překrytí zubní dřeně, pulpotomii, plnění kořenových kanálků u zubů s neukončeným vývojem, léčbu dentálních anomálií nebo zaplnění kavit vzniklých vnější resorpcí.
Složení Kalciumsilikátových Cementů (MTA)
Jako hlavní složka původního materiálu MTA se udává portlandský cement, který zaujímá zhruba 75 % hmotnosti MTA. Dále je přítomen oxid bizmutitý (20 %), přidávaný pro zvýšení radiopacity, a sádra (5 %), která účinkuje jako regulátor tuhnutí. U nových generací kalciumsilikátových cementů došlo nahrazením některých sloučenin či jiných příměsí ke zlepšení mechanických vlastností a omezení dyskolorací.
- Trikalciumsilikát (alit)/dikalciumsilikát (belit): Jedná se o hlavní složky, které dávají i jméno této skupině cementů. Tyto dvě sloučeniny tvoří zhruba 75-80 % původního portlandského cementu.
- Trikalciumaluminát: Vyznačuje se zvýšenou reaktivitou s vodou, rychlým tuhnutím a tvrdnutím.
- Tetrakalciumaluminoferit (celit): Jeho procentuální zastoupení v původním portlandském cementu je podobné jako u trikalciumaluminátu.
- Oxid bizmutitý: V původním materiálu ProRoot MTA zaujímal téměř 20 %. Jeho hlavním účelem je dostatečná rentgenkontrastnost materiálu. Může se ale rozpouštět v kyselém prostředí a uvolnit se při aplikaci materiálu MTA do blízkosti zánětlivé tkáně, což může snížit biokompatibilitu.
- Sádra: V původním materiálu ProRoot je přítomna zhruba v 5 % hmotnosti a její množství je tím oproti původnímu portlandskému cementu zhruba poloviční.
- Uhličitan vápenatý: Jde o významnou příměs u Biodentinu. Funguje jako nukleační místo a mění mikrostrukturu cementu.
- Oxid zirkoničitý: Sloučenina, která je u Biodentinu zodpovědná za rentgenkontrastnost a mechanické vlastnosti. Na rozdíl od oxidu bizmutitého se považuje za biokompatibilní sloučeninu odolnou vůči korozi.
- Hydrogenfosforečnan vápenatý: Je to významná složka u nejmodernější generace kalciumsilikátových cementů. V prvním týdnu umocňuje vznik apatitových precipitátů na povrchu materiálu.
Vlastnosti Kalciumsilikátových Cementů
Hydratace a pH
U všech současných materiálů probíhá hlavní reakce, kdy reaguje trikalciumsilikát s vodou a vzniká hydratovaný kalciumsilikát v gelové fázi. Prostředí, které takto vzniká, je zásadité a liší se mezi jednotlivými materiály zanedbatelně. Doba tuhnutí se liší, u Biodentinu díky příměsi katalyzátoru chloridu vápenatého dochází k výraznému urychlení reakce.
Utěsnění a Vazba na Dentin
Od počátku využívání kalciumsilikátových cementů byla zmiňována vynikající schopnost utěsnění oproti ostatním materiálům v podobných indikacích. Pokud je kalciumsilikátový cement uchováván ve fosfátovém pufru, vytváří se na něm precipitáty. Jedná se o apatitové struktury velmi podobné hydroxyapatitu. Navíc byla zjištěna specifická mezivrstva, která se tvoří mezi kalciumsilikátovým cementem a dentinem. Tato vrstva je důsledkem chemické reakce vápenatých kationtů z hydroxidu vápenatého a fosforečnatých aniontů.
Rozpustnost
Žádanou vlastností kořenové výplně je, aby nebyla rozpustná a naopak byla prostorově stabilní. Většina studií ukazuje minimální nebo téměř žádnou rozpustnost materiálu MTA.
Čtěte také: Portlandský Směsný Cement: Kompletní Průvodce
Rentgenkontrastnost
Mezi různými materiály existují velké rozdíly v radioopacitě, které se odvíjejí od využitého rentgenkontrastního materiálu. Mezi materiály jsou poměrně velké rozdíly. Velmi dobře rentgenkontrastní materiály jsou 1. a 3. generace. Poměrně málo rentgenkontrastním materiálem je Biodentin.
Obr. 2: Různá rentgenkontrastnost kalciumsilikátových cementů - ProRoot MTA (vlevo), Biodentin (uprostřed), Totalfill RRM putty (vpravo).
Expanze při Tuhnutí
Kromě výše zmíněného vzniku mezivrstvy mezi kalciumsilikátovým cementem a dentinem se na velmi dobré těsnosti podílí i expanze materiálu při tuhnutí. Zdá se, že původní šedá varianta ProRoot MTA má vyšší jak lineární, tak volumetrickou expanzi při tuhnutí.
Tvrdost
Tvrdost materiálu je vlastnost vztažená k odporu proti pronikání cizího tělesa a u kalciumsilikátových cementů může být ovlivněna různými faktory. Mezi tyto faktory patří vlastnosti okolního prostředí jako pH, teplota, vlhkost nebo tloušťka materiálu, kvalita kondenzace, přítomnost chelatačního prostředku a leptání povrchu materiálu kyselinou fosforečnou. Podstatné je, že je tvrdost materiálu brána jako udavatel kvality hydratačních procesů a proběhlého tuhnutí kalciumsilikátových cementů.
Dyskolorace
Jednou z hlavních nevýhod některých starších kalciumsilikátových cementů (zvláště materiálů MTA) je jejich potenciál k dyskoloracím zubů. Nejpravděpodobnějším zdrojem těchto dyskolorací se zdá být oxid bismutitý. Tyto dyskolorace jsou výraznější, pokud je materiál v kontaktu s chlornanem sodným nebo krví.
Antimikrobiální a Antimykotické Působení
I přes větší množství protichůdných studií lze vyvodit závěr, že MTA má antimikrobiální a antimykotické působení.
Biokompatibilita a Regenerační Potenciál
Bezpočet in vitro studií prokázalo, že kalciumsilikátové cementy jsou biokompatibilními materiály. Velmi dobře biokompatibilním materiálem je MTA a podobně se chovají i materiály novějších generací jako Biodentin nebo zástupci 3. generace. Za určitých podmínek mohou nediferencované mezenchymální kmenové buňky opustit svoji perivaskulární niku a následně diferencovat v buňky podobné odontoblastům, které mohou produkovat osteodentin.
Obr. 1: Specifická mezivrstva (angl. interfacial layer) mezi dentinem a materiálem MTA. 1 - materiál ProRoot MTA, 2 - specifická apatitová mezivrstva, 3 - sprašná vrstva (angl. smear layer), 4 - predentin, 5 - dentin.
Ekologické Aspekty Portlandského Cementu s Vápencem (PLC)
Kanadský Institut pro výzkum udržitelných materiálů Athena (ASMI) uveřejnil studii zaměřenou na životní cyklus a ekologické dopady užívaných stavebních materiálů, především portlandského cementu s vápencem (portland limestone cement, PLC), ve srovnání s klasickým portlandským cementem a jeho dalšími tradičními variantami. Aplikovaným výzkumem, a také s využitím nástroje „calulatelca“ doložili, že PLC využívaný v betonových směsích, zlepšuje celkovou ekologickou bilanci výsledné stavby až o 12 %.
Proč by měl být vlastně PLC cement ekologičtější? Vyšší zastoupení vápence ve směsi jednoduše vede k redukcím množství slínku. Ten je považován za složku, která je odpovědná za nejvyšší podíl emisí oxidu uhličitého při výrobě a také za vysokou spotřebu energie během výroby. Portlandský cement s vápencem je chápan jako materiál s nižším obsahem uhlíku, než běžně užívaný portlandský cement (OPC).
Inženýři z ASMI kvantifikovali potenciální dopady na životní prostředí u obou zmíněných typů materiálu a dospěli k závěru, že materiály s výchozím PLC vykazují výsledky, které lépe odpovídají principům „cradle-to cradle“ (celková eko-bilance materiálu od výroby, přes užití až po ukončení funkčnosti).
Měřené Indikátory
V osmi indikátorových kategoriích narazíme na globální oteplování (v ekvivalentních kilogramech oxidu uhličitého na množství cementu), acidifikaci (v ekvivalentních kilogramech oxidu siřičitého na množství cementu), eutrofizaci (totéž s dusíkem), narušení ozonu (vyčíslená přidružená produkce chlor-fluorovaných uhlovodíků), uvolňování jemných prachových částic v průběhu celého životního cyklu (PM 2,5), produkce smogu (v kilogramech ozonu O3 na množství cementu) a celková primární energie (Total primary energy), tedy spotřeba veškeré energie z neobnovitelných zdrojů, měřeno v MJ.
Zhodnocením životního cyklu potvrzuje významný potenciál PLC ke snižování emisí oxidu uhličitého v užívaných betonových směsích (v jednotlivých kategoriích vychází PLC lépe o 10-12 %, v hrubém součtu produkovaných skleníkových plynů - oxidů dusíku, síry a uhlíku - o 9,6 %). Mimo jiné výsledky také vypovídají o dalších environmentálních výhodách cementů s vyšším podílem vápence než u ostatních cementů.
tags: #portlandsky #cement #mta #informace