V tomto článku je podrobně představena jedna ze základních složek pro výrobu betonu - cement. Pozornost je věnována jeho vlastnostem, environmentálním a ekonomickým aspektům jeho výroby a aktuální situaci v cementářském odvětví. Článek je součástí technické informační aktivity Svazu výrobců cementu ČR (SVC ČR) a jeho členů sloužící k podpoře využívání směsných cementů se sníženým obsahem slínku a s dalšími hlavními složkami - křemičitým popílkem, vysokopecní granulovanou struskou a vápencem.
Co je cement?
Podle definice je cement hydraulické pojivo, jemně mletý anorganický materiál, který po smíchání s vodou vytváří kaši, která v důsledku chemické hydraulické reakce tuhne a tvrdne. Cement je základní komponentou nejpoužívanějšího stavebního materiálu na světě: betonu. Při jeho nákupu většinou narazíte na vícero typů, cenových kategorií a složení. Každý druh cementu má totiž jiné vlastnosti a hodí se na jinou příležitost. Cement je anorganické pojivo, které na sebe váže ostatní látky (plniva) a posléze tuhne.
Klasifikace cementů podle EN 197-1
V současně platné evropské výrobkové harmonizované normě EN 197 - 1 z roku 2011 a její české verzi z roku 2012 (ed. 2) je uvedeno 27 jmenovitých druhů cementů pro obecné použití a kromě nich ještě charakteristiky pro cementy další - síranovzdorné, vysokopecní a s nízkými počátečními pevnostmi. Evropská cementářská norma EN 197 - 1 specifikuje dále také celou skupinu portlandských cementů CEM II. Tyto cementy obsahují kromě portlandského slínku ještě jedinou další hlavní složku.
Mezi ně patří například:
- Portlandské struskové cementy CEM II/A-S s 6 až 20 hm. % a CEM II/B-S s 21 až 35 hm. % granulované vysokopecní strusky.
- Portlandské cementy s vápencem CEM II/B-LL 32,5 R, vyráběné mletím portlandského slínku s vápencem, síranem vápenatým, doplňujícími složkami a přísadami.
- Portlandský směsný cement CEM II/C-M (V-LL) 32,5 R, který se vyrábí společným semletím portlandského slínku, popílku, vápence, síranu vápenatého.
- Portlandský cement s jemným betonovým recyklátem CEM II/B-F 32,5 R, hydraulické pojivo vyráběné mletím portlandského slínku, betonového recyklátu, síranu vápenatého, doplňujících složek a přísad.
Cementy mají na svém obalu normalizované značení podle normy EN 197 - 1.
Čtěte také: Portlandský cement – co to je?
Typy cementů a jejich použití
- Portlandský cement (CEM I): Jedinou hlavní složkou portlandského cementu je portlandský slínek, což z něj činí stavební materiál vhodný pro ty nejnáročnější projekty. Portlandský cement se skládá z křemičitého slinku a sádrovce. Díky tomu rychle tuhne už po jedné hodině a konečných hodnot tvrdosti dosahuje během dvanácti hodin. Hodí se proto pro betonování za nízkých teplot (do 5⁰C).
- Portlandský struskový cement (CEM II/B-S): V tomto případě půjde o portlandský cement, s obsahem příměsi 21-35 % vysokopecní strusky. Cement po 28 dnech vytvrdne na hodnotu 32,5 MPa. Vysokopecní struska způsobuje, že oproti obyčejnému portlandskému cementu má tento druh nižší počáteční pevnost a množství hydratačního tepla. Kvůli tomu se využívá pro základové konstrukce.
- Portlandský popílkový cement: Popílek v portlandském popílkovém cementu zajišťuje dobrou zpracovatelnost, plastičnost a hydroizolaci.
- Cement s kalcinovanou břidlicí: Kalcinovaná břidlice zajišťuje tomuto druhu portlandského cementu odolnost proti chemickým vlivům.
- Portlandský vápencový cement: Hlavní složkou je vápenec. Díky němu z něj namíchaný beton neplesniví.
- Vysokopecní cement: Obsahuje významný podíl vysokopecní strusky. Ta zajišťuje odolnost proti agresivnímu prostředí. Vysokopecní cement se proto využívá při betonáži základů, agresivně namáhaných konstrukcí, konstrukcí proti žáru, nebo při práci v parných létech.
- Pucolánový cement: Pucolán je jemný popel, který u pucolánového cementu zajišťuje odolnost vůči agresivním odpadním, uhličitanovým a slaným vodám. Podporuje i jeho vodotěsnost. Tento druh cementu se využívá především pro nouzové stavby a konstrukce.
- Směsný cement: Směsný cement je základní složkou betonu pro běžné použití. Jeho složení je vhodné pro betonování podlah, potěrů, dlažby a celkově pro všechny minimálně namáhavé konstrukce.
Pozice 32,5 označuje tvrdost v MPa, na kterou cement vytuhne po 28 dnech.
Ekonomické a environmentální aspekty výroby cementu
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. Ekonomické hledisko je navíc od 90. let 20. století doprovázeno i požadavky na ochranu životního prostředí. Evropský cementářský průmysl se společně s dalšími energeticky náročnými průmysly zavázal, že přispěje ke zlepšení ochrany našeho světového klimatu.
Z pohledu výrobce cementu hraje svou roli jak poměr nákladů na výrobu k tržní ceně cementu, tak i výše nákladů na výrobu cementu s ohledem na ochranu životního prostředí. 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. Výpal portlandského slínku a výroba cementů s jeho vysokým podílem jsou nejen environmentálně problematické, ale i stále více neekonomické. Je proto potřeba soustředit se na snížení výroby slínku snížením výroby cementů CEM I se současným snížením jejich podílu pro výrobu betonu pod 10 %. Kladně se dají hodnotit trendy u vápencových cementů.
Výroba cementu prošla v posledním čtvrtstoletí skokovými změnami a původní neekologické procesy z 20. století musí být zapomenuty. Zdokonalila se skladba surovinové směsi a v rámci cirkulární ekonomiky jsou využívány druhotné surovinové materiály až do výše cca 3,5 hm. %. Mnohem významnější proměnou však prošla palivová základna - od mletého uhlí přes zemní plyn a těžký topný olej až po alternativní paliva původem z odpadů zejména na plastové a papírové bázi. Existují u nás výrobní jednotky, které dosáhly palivové substituce až 90 %, nicméně obvyklý průměr je kolem 75 %.
Emise CO2 a cíle udržitelnosti
Sledování emisí skleníkových plynů se v počátcích odkazovalo na rok 1997, tedy na jeden z prvních dokumentů o jejich snižování - Kjótský protokol. V té době cementářský průmysl provedl první bilanční výpočty a zahájil procesy prokazatelně vedoucí ke snižování emisí skleníkových plynů. V první etapě se jednalo o úpravu procesních emisí, tedy např. náhradu vápenců v surovinové směsi již dekarbonizovanými odpady, např. popílky. V tomto snižování již nelze obecně více pokročit a procesní emise v současnosti tvoří cca 2/3 z celkových emisí při výpalu slínku. Druhou etapou je snižování emisí z vypalovacího procesu, tedy jednak záměna vysokouhlíkových paliv za nízkouhlíková, nejlépe biomasová, a jednak využívání alternativních paliv původem z odpadů. Využívání biomasových paliv jako zdroje energie při výpalu slínku představuje téměř 25 % z celkové spotřeby paliv a uhlík z biomasy přispívá k celkovým emisím CO2 cca 10 %.
Čtěte také: Vlastnosti bílého cementu
Nicméně současným požadavkům kladeným zejména Pařížskou dohodou z roku 2015 a později pak dokumentem Evropské unie s názvem Green Deal z roku 2020 to nepostačuje. Stále se snižující hodnota benchmarku, tj. Nejnovější úvahy Evropské komise (EK) vztahující se k období po roce 2025 předpokládají, že cementářský průmysl bude vyjmut ze stávajícího systému povolenek a bude zařazen do dosud nerozpracovaného Carbon Boarder Adjustment Mechanism.
Z uvedeného vyplývá, že pouze vlivem ceny emisní povolenky se cenová náročnost výroby cementu mezi roky 2015 a 2020 zvýšila cca 6× a tento rozdíl mezi směsným cementem CEM II/A‑M a portlandským cementem CEM I činí cca 50 %.
V rámci těchto environmentálních úvah je třeba vzít v potaz, že kvůli snižující se výrobě železa a oceli klesá dostupnost vysokopecní granulované strusky a tím se zvyšuje i její cena včetně připočtené parciální hodnoty za emise skleníkových plynů přináležející této výrobě. Dále je třeba mít na paměti sníženou užitkovou kvalitu popílku způsobenou zbytkovým obsahem amoniaku původem z procesu denitrifikace v elektrárnách. Je třeba navíc počítat s tím, že tyto komodity budou v dohledné době nedostatkové, v případě popílku i kvůli útlumu spalování uhlí v tepelných elektrárnách.
Charakteristika hlavních složek portlandských směsných cementů
Vysokopecní granulovaná struska
Granulovaná vysokopecní struska vzniká rychlým ochlazením vhodně složené struskové taveniny tvořící se při tavení železné rudy ve vysoké peci. Struska musí být nejméně ze dvou třetin hmotnosti sklovitá a při vhodné aktivaci musí vykazovat hydraulické vlastnosti. Se struskou se běžně vyrábí portlandský struskový cement CEM II (S) a ve směsi s popílkem a vápencem portlandský směsný cement (M). Kromě hlavní složky cementu představuje mletá struska materiál, který může výrobce betonu použít do betonové směsi, avšak bez možnosti zajistit její plynulou granulometrickou křivku. Použitím cementu s podílem strusky nebo mleté strusky pro výrobu betonu se dosahují některé pozitivní vlastnosti betonu. Tyto cementy mají nižší teplotu při hydrataci a beton z něj vyrobený vykazuje vysokou trvanlivost, která je výsledkem nízké kapilární mezerovitosti. Je odolný proti penetraci chloridů a agresivnímu působení síranů. Dobré vlastnosti se projevují také při alkalicko-křemičité reakci a beton vykazuje nízkou náchylnost ke vzniku trhlin vlivem změny teplot, vysokou elektrolytickou odolnost a konzistentní světlou barvu. Takový beton má také velmi dobrou zpracovatelnost. Výroba 1 t portlandského cementu způsobuje vznik v průměru 1,2 t CO2, zatímco výroba 1 t cementu obsahující 50 % mleté strusky dává vzniknout pouze 0,54 t CO2. Tato data zahrnují emise při procesu pálení cementu, spalování fosilních paliv a použití elektrické energie. Použití strusky je tak velmi efektivní a ekonomicky přínosná metoda při snižování spotřeby energie a emisí CO2 v porovnání s výrobou portlandského cementu do okamžiku, než započteme i CO2 unikající při výrobě železa a oceli. V případě přidávání mleté vysokopecní granulované strusky přímo do betonu platí doporučení stejná jako pro beton obsahující cement CEM I a CEM II/A, tedy EN 197 - 1, a pro mletou granulovanou vysokopecní strusku platí k-hodnota 0,6 podle EN 15167 - 1.
Křemičitý popílek
Popílek se získává elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic ze spalin při spalování jemného mletého černého nebo hnědého uhlí. Podle cementářské normy EN 197 - 1 je možné pro výrobu cementu použít pouze popílek získaný výše popsaným způsobem. Popílek může být svou podstatou křemičitý nebo vápenatý. První má pucolánové vlastnosti, druhý může mít navíc vlastnosti hydraulické. Vzhledem ke své pucolánové aktivitě jsou popílky přínosné i pro samotný beton. Popílek zlepšuje zpracovatelnost čerstvého betonu a díky kulovitým tvarům zrn částečně pomáhá redukovat potřebné množství záměsové vody. Pozitivně ovlivňuje také dlouhodobé pevnosti betonu, hloubku karbonatace a třeba i reverzibilní smrštění. Konečná úprava povrchu betonu s popílkem je snazší a jeho přítomnost v betonu omezuje míru odlučivosti vody z betonu v čerstvém stavu. Betony s příměsí popílku se projevují nižšími počátečními pevnostmi a pomalejším vývojem pevnosti plánované. Proto je třeba počítat s dosažením plánované pevnosti v horizontu pozdějším, než je 28 dní (zpravidla 56 až 90 dní). S tím souvisí také nízké hydratační teplo. Tyto betony jsou velmi odolné vůči trhlinám, a tím i agresivnímu prostředí či tvorbě výkvětů. Popílek používaný jako příměs do betonu obsahuje amorfní SiO2, ve směsi po smíchání s vodou reaguje s Ca(OH)2 za vzniku C‑S‑H gelů. Ty uzavírají kapiláry a zmenšují velikost pórů v betonu a tím příznivě ovlivňují jeho chemickou odolnost.
Čtěte také: Portlandský Směsný Cement: Kompletní Průvodce
Vápenec
Vápenec je materiál bez skutečné hydraulické reaktivity. Přesto se stal jednou z hlavních složek portlandských cementů s vápencem nebo portlandských směsných cementů s podílem vápence, kde je schopen nahradit určité množství slínku. Mineralogické složení vápence z různých lomů se může výrazně lišit, odlišné složení však může mít i vápenec v rámci jednoho lomu. Jeho hlavní složkou je kalcit s mnoha dalšími možnými složkami, jako je křemen, jílové minerály nebo dolomit. Výzkum v posledních letech ukázal, že malá množství kalcitu mohou chemicky reagovat s dostupným oxidem hlinitým ze slínku. Hlavní objem vápence v cementu však dominuje jako plnivo. Některé chemické a fyzikální standardní požadavky na vápenec, např. standardní požadavky na vápenec jako jedné z hlavních složek cementu (obsah CaCO3, jílové částice metodou methylenové modři, celkový organický uhlík - TOC) je pro posouzení vlivu vápence na vlastnosti cementu vhodné doplnit stanovením celkového měrného povrchu pomocí BET. Tento parametr poskytuje informace o vnitřní pórovitosti vápencových částic a tím i o kvalitě a vhodnosti vápence s ohledem na zpracovatelnost a pevnosti. Navíc existuje určitá korelace s obsahem jílu a velikostí krystalů kalcitových minerálů.
Vliv cementu na vlastnosti betonu
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. Přitom 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.
V cementářských výzkumných ústavech, zejména v Německu a Belgii, byly a jsou prováděny série zkoušek týkající se trvanlivosti betonů vyrobených z cementů CEM II (M). Škodlivé látky pronikají do konstrukce pórovým systémem a trvanlivost všech stavebních materiálů na bázi cementu je tedy významně ovlivněna pórovitostí a rozložením velikosti pórů. V grafu jsou uvedeny relativní hodnoty vztahující se k hodnotám charakterizujícím pórovitost cementového tmelu vyrobeného z portlandského cementu.
Jaké jsou konkrétní argumenty ve prospěch portlandských směsných cementů CEM II (M)? Z technického hlediska je třeba při vývoji nového cementu respektovat požadavky na vlastnosti vyráběného betonu, jako jsou dobrá zpracovatelnost, nárůst pevností, a zvláště pak trvanlivost. Z technického hlediska mají cementy CEM I, CEM II a CEM III různé vlastnosti. Žádný cement, ani ten portlandský není ideálním řešením pro všechny aplikace.
Cementy CEM II (M) umožňují vyvážit výhody a nevýhody jednotlivých hlavních složek jejich kombinováním.
Dávkování cementu a kvalita betonu
Obvyklá dávka cementu na 1 m3 betonu je v rozmezí 250 až 400 kg, záleží na zamýšleném použití. Určující je zde evropská norma EN 206 s řadou dodatků a národních norem, které umožňují přidávat do betonu stejné složky, jaké mohou být již v samotném cementu, např. mletou vysokopecní granulovanou strusku, křemičité popílky, mleté vápence aj. jako příměsi typu I a II, nicméně samostatným přidáváním těchto složek vzniká nebezpečí nehomogenit, které je v dodávaném směsném cementu zcela minimalizováno. Nebezpečí nehomogenit je do jisté míry eliminováno ustanovením ČSN EN 206+A1 o používání principu k-hodnoty, který omezuje možnost započítání těchto složek jako pojiva do výpočtu vodního součinitele. Množství použité nad limit je pak pouhým plnivem.
Podstatné je rovněž si uvědomit, že 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.
Tyto cementy lze zpracovávat běžnou betonářskou technologií (byly zkoušeny cementy i s nadnormovým obsahem vápence), poměr w/c je klíčovým parametrem pro cementy s vyšším obsahem vápence, neboť tím mohou být ovlivněny mechanické vlastnosti, fyzikální vlastnosti a chemické složení vápence mohou silně ovlivnit některé vlastnosti ztvrdlého betonu, zejména dotvarování nebo smršťování, dominantním parametrem trvanlivosti, zejména odolnosti betonu proti mrazu a rozmrazování, je obsah vápence v portlandském vápencovém cementu. Při obsahu vápence nad 25 hm. %.
Dostupnost a srovnání cen portlandského cementu
V Evropě v současné době činí podíl výroby portlandských směsných cementů CEM II (M) více než 35 % z celkové produkce. Tyto cementy, které odpovídají EN 197 - 1, nebývají bohužel v některých částech Evropy pro některé stupně vlivu prostředí používány.
Zde je přehled některých dostupných portlandských cementů a jejich typů, které lze najít na trhu:
| Typ cementu | Označení | Použití | Výrobce/Dostupnost |
|---|---|---|---|
| Portlandský cement s vápencem | CEM II/B-LL 32,5 R | Všestranné použití pro betony, potěry, malty a cementové směsi. | Holcim STANDARD PLUS, Cement Hranice UNICEMENT |
| Portlandský struskový cement | CEM II/A-S 42,5 R | Náročnější typy stavebních konstrukcí, rychlé odbednění, betonování za nízkých teplot. | Holcim Cement Special Plus |
| Portlandský směsný cement | CEM II/B-M(V-LL) 32,5 R | Univerzální cement pro betony, omítky i betonáže ve ztížených podmínkách. | CEMEX Cement Prachovice Univerzal |
| Portlandský cement s jemným betonovým recyklátem | CEM II/B-F 32,5 R | Všestranné použití pro přípravu betonů, potěrů, malt a dalších cementových směsí. | Holcim ECOPLANET STANDARD PLUS, SCHWENK |
| Portlandský směsný cement s vápencem | CEM II/A-LL 42,5 N | Hydraulické pojivo s vysokou čistotou, regulátorem tuhnutí. | Schwenk |
| Portlandský cement | CEM I 42,5 R | Základní komponenta nejpoužívanějšího stavebného materiálu. | Heidelberg Materials |
Ceny u jednotlivých druhů cementu se liší podle výrobce. Pokud jste se dočetli až sem, tak už rozumíte normovaným označením cementů a umíte vybrat ten správný. Rozhodovat by vždy měla povaha stavby a roční období. U dražších speciálních betonů se nenechte odradit vyšší cenou.
tags: #portlandsky #cement #nejlevnejsi #srovnání