Směsi pro sádrové betony, obsahující sádru a portlandský nebo směsný cement, jsou známy a existuje mnoho návrhů, jak zamezit jejich objemové nestálosti. Nejčastěji se vyskytují návrhy na rozšíření těchto směsí přídavky přírodních nebo umělých pucolánů, zejména pokud se týká popílků, přídavky přírodních aktivních hydraulických přísad jako je vermikulit apod. s přídavky zbytků či odpadů z průmyslových vyluhovacích a podobných procesů, které jsou bohaté na aktivní kysličník křemičitý.
Nedostatky známých směsí a řešení
Nedostatkem známých směsí pro výrobu objemově stálých sádrových betonů o zvýšené odolnosti proti vodě a vlhkosti se zvýšenými mechanickými vlastnostmi ve srovnání s výrobky jen z výchozího sádrového pojiva je, že uváděné látky o ověřených vlastnostech jsou jen místně a omezeně dostupné, nebo že jsou ekonomicky nevýhodné.
Tento nedostatek se odstraní směsí pro sádrový beton podle vynálezu, sestávající ze sádry, portlandského nebo směsného cementu, přírodních nebo umělých pucolánů, jako popílku, vermikulitu, strusky, škváry, vodního roztoku melamin-formaldehydové pryskyřice, jehož podstata spočívá v tom, že sádra obsahuje 10 až 35 % hmot.
Výhodou směsi podle vynálezu je to, že obsahuje sádru vyrobenou ze sádrovce, obsahujícího jílovou příměs, tedy z druhořadého sádrovce. Bylo zjištěno, že jílová příměs zpracovávaná již při výpalu sádry příznivě ovlivňuje složení směsi pro sádrový beton a že zajišťuje při daném poměru měření komponent dlouhodobou objemovou stálost a pevnost zatuhlého sádrového betonu i velkorozměrových výrobků z něho.
Přídavek elektrárenského popílku ve stanoveném poměru vytváří směs bez podstatného úbytku pevnosti a podporuje objemovou stálost výsledného výrobku. Přídavek vodního roztoku melamin-formaldehydové pryskyřice se v této směsi uplatňuje nejen jako plastifikátor, ale i jako chemická příměs, podporující stálost a voděvzdornost betonového výrobku, částečná, nebo úplná náhrada cementu cementovými odprášky zvýhodňuje směs ekonomicky za cenu její nižší pevnosti.
Čtěte také: Výpočet spotřeby cementu
Příklady složení směsí pro sádrový beton
Jako příklad se uvádí směs pro sádrový beton, která sestává ze:
- 66 váhových dílů sádrového pojiva o obsahu 70 až 75 % hmot. sádry a 25 až 30 % hmot. příměsí jílu,
- 9 váhových dílů portlandského cementu PC 400,
- 25 váhových dílů elektrárenského popílku,
- 40 váhových dílů vody a
- 3 váhových dílů vodního roztoku melamin-formaldehydové pryskyřice.
Směsi pro specifické aplikace:
- Pro velkorozměrové tenkostěnné dílce sestává směs podle vynálezu ze 66 váhových dílů sádrového pojiva, obsahující 30 % hmot. příměsi jílu, dále ze 34 váhových dílů portlandského cementu PC 400, 60 váhových dílů jemné frakce o zrnitosti max.
- Směs podle vynálezu pro tvárnice sestává z 20 váhových dílů sádrového pojiva s 25 % hmot. příměsí jílu, dále z 10 váhových dílů portlandského cementu PC 400, 50 váhových dílů elektrárenského popílku ze spalování kamenného uhlí, 60 váhových dílů vysokopecní strusky frakce o zrnitosti max.
- Pro potěry podlah sestává směs podle vynálezu ze 40 váhových dílů sádrového pojiva s 20 % hmot. příměsí jílu, dále z 20 váhových dílů portlandského cementu PC 400, 40 váhových dílů elektrárenského popílku, 50 váhových dílů jemné frakce agloporitu o zrnitosti max.
Směs pro sádrový beton, obsahující sádru, portlandský nebo směsný cement, přírodní nebo umělé pucolány, jako popílky, vermikulit, strusku, škváru, vodní roztok melamin-formaldehydové pryskyřice, vyznačená tím, že sádra z tepelného zpracování druhořadého sádrovce obsahuje 10 až 35 % hmot.
Cement a jeho uhlíková stopa
Cement je jedním z nejrozšířenějších stavebních materiálů na světě a hraje klíčovou roli ve stavebnictví díky své odolnosti a všestrannosti. Jeho výroba je však energeticky náročná a uvolňuje velké množství oxidu uhličitého (CO₂). Proto odborníci v současnosti provádějí rozsáhlý výzkum zaměřený na způsoby, jak stavění s betonem učinit udržitelnějším a šetrnějším k životnímu prostředí.
Výroba cementu způsobuje přibližně pět až osm procent celosvětových emisí CO2. Kdyby byl cementářský průmysl zemí, byl by podle Světového ekonomického fóra čtvrtým největším emitentem oxidu uhličitého na světě. V roce 2015 způsobila výroba cementu přibližně 2,8 miliard tun CO2, tedy asi 8 % světových emisí. To je zhruba čtyřikrát více než letecká doprava.
Faktory ovlivňující uhlíkovou stopu betonu:
- Chemická reakce: Slínek je výsledkem tepelného rozkladu vápence a jílu při teplotě přibližně 1450 °C v cementářské peci. Tento proces se nazývá kalcinace a vede ke vzniku oxidu vápenatého a CO2. Kalcinace je nevyhnutelná chemická reakce a způsobuje přibližně 50 až 60 % celkových emisí CO2 spojených s výrobou cementu. Tyto emise z procesu je obzvláště obtížné snížit, protože je nelze odstranit změnou paliva nebo zvýšením účinnosti.
- Spotřeba energie při výrobě: Přibližně 40 % celkových emisí pochází ze spalování fosilních paliv za účelem dosažení vysokých teplot potřebných pro výrobu cementu. Tuto spotřebu energie lze snížit využíváním obnovitelných zdrojů energie a účinnějších technologií.
Výroba jedné tuny cementu vytvoří v průměru 0,6 tuny CO2. Oxid uhličitý přitom vzniká dvěma způsoby: jednak jako produkt chemické reakce, a jednak při spalování uhlí nebo plynu při zahřívání. Zatímco zahřívání je možné provádět i s mnohem nižšími emisemi, například spalováním vodíku, oxid uhličitý z chemické reakce není prakticky možné snížit.
Čtěte také: Metody zkoušení cementu v tlaku
Cement vs. Beton:
Beton je směs písku, vody a cementu, který při tuhnutí písková zrna slepí. Představa, že se při tuhnutí váže CO2 zpět do betonu, je častý omyl. Pro vysvětlení je potřeba rozlišovat mezi maltou a betonem, jejichž tuhnutí jsou velmi odlišné procesy. Malta je směs hašeného vápna Ca(OH)2 s vodou a pískem a tuhnutí malty spočívá ve vázání CO2 ze vzduchu a přeměně hašeného vápna na vápenec. Tuhnutí betonu je ale jiný, a v jistém smyslu složitější proces - nezpůsobuje jej reakce se vzduchem, ale reakce s vodou, při které vznikají tzv. hydratační produkty, tedy sloučeniny obsahující chemicky vázanou krystalovou vodu - proto je možné pracovat s betonem i pod vodou. Tyto hydratační produkty jsou ve vodě nerozpustné a velmi pevné. K velmi slabému vázání CO2 ze vzduchu dochází až při zvětrávání betonu, kdy působením vody a oxidu uhličitého vzniká zejména na povrchu betonu vápenec.
V současné době je zdaleka největším producentem cementu Čína, kde se vyrábí přibližně 60 % světové produkce. V roce 2018 vzniklo v České republice kvůli produkci cementu celkem asi 3,8 miliónů tun CO2, což je přibližně 2,7 % celkových emisí skleníkových plynů v ČR. To je srovnatelné s ročními emisemi středně velké uhelné elektrárny, a skoro třikrát víc než emise z letecké dopravy.
Cesty k cementu šetrnějšímu ke klimatu
Podle Svazu rakouského cementářského průmyslu již průmysl úspěšně zavádí četná opatření pro větší udržitelnost:
- Snížení množství slínku: Část slínku lze nahradit jinými materiály, které jsou šetrnější k životnímu prostředí nebo se již vyrábějí jako vedlejší průmyslové produkty. Slínek z portlandského cementu se například nahrazuje popílkem, granulovanou vysokopecní struskou (GGBS), kalcinovaným jílem nebo sádrou.
- Moderní výrobní postupy: Pokud se cementový slín vyrábí v rotačních pecích s cyklónovými předehřívacími systémy, lze odpadní teplo vznikající při výrobě využít ve vlastním výrobním procesu k předehřevu paliva a surovin. Tím se snižuje celková spotřeba energie na výrobu cementu. Kromě toho lze zbývající odpadní teplo dodávat do okolních sítí dálkového vytápění a přispívat tak k regionálnímu zásobování energií.
- Alternativní paliva: Namísto fosilních paliv, jako je uhlí, ropa nebo zemní plyn, se cementářský průmysl stále více spoléhá na alternativní paliva, jako je plastový odpad, staré pneumatiky nebo zbytky papírových vláken.
Inovativní možnosti podle Světového ekonomického fóra:
- Nové cementy: Vývoj cementů bez obsahu slínku by mohl výrazně snížit emise. Probíhá výzkum alternativ k vápenci, jako je získávání cementu z bezuhlíkové horniny křemičitanu vápenatého, minerálů křemičitanu vápenatého nebo výroba cementu pomocí elektrochemického procesu namísto tepla.
- Recyklovaný cement: Výzkumnému týmu z Cambridge se poprvé podařilo recyklovat cementový slín. Jedná se o využití elektrických obloukových pecí k výrobě oceli, kterou lze znovu použít. K odstranění nežádoucích látek se obvykle přidává vápenec, který se odděluje jako struska. Pokud se místo toho přidá recyklovaná cementová slínková pasta, vznikne vysoce kvalitní cementový slín bez potřeby další energie. Recyklovaný cement se pak používá jako obvykle pro výrobu nového betonu. Tímto způsobem lze výrazně snížit emise.
- Zachycování a využívání/ukládání uhlíku (CCS): Tato metoda zachycuje, využívá nebo ukládá CO2 z velkých zdrojů, jako jsou elektrárny a průmyslová zařízení, za účelem snížení emisí. Zachycování a využívání uhlíku při výrobě cementu je obzvláště atraktivní, protože CO2 vzniká ve velmi vysokých koncentracích a mohlo by snížit emise z cementářského průmyslu až o 36 %.
Inovativní postupy a nové technologie:
- Hybridní technologie míchání společnosti Bton umožňuje snížit potřebu slínku až o 75 % tím, že se před přidáním písku a štěrku nejprve smíchá cement s vodou.
- Německé společnosti Sonocrete se podařilo pomocí ultrazvuku snížit množství potřebného cementu o 30 %.
Směsné cementy jako účinný nástroj snižování emisí CO₂
Směsné cementy představují v České republice perspektivní možnost snížení ekologické stopy cementářského průmyslu a významný přínos k jeho dekarbonizaci. Tyto cementy obsahují nižší podíl energeticky náročného slínku, který je nahrazován dalšími hlavními složkami, jako jsou vysokopecní granulovaná struska, křemičitý popílek, kalcinované jíly, popř. Používání směsných cementů přitom není v ČR zcela novým jevem - byly běžné i v minulosti, než je téměř vytlačil portlandský cement. Dnes se ale na ně upřela pozornost jak z ekologických důvodů, tak kvůli rostoucím cenám slínku a jeho omezené dostupnosti.
Normativní prostředí a implementace nových druhů směsných cementů v ČR se dynamicky vyvíjí. Probíhá aktualizace norem (např. ČSN P 73 2404), která umožní výrobci cementů deklarovat obecnou použitelnost směsných cementů v betonech pro různé stupně vlivu prostředí, čímž se výrazně usnadní jejich praktické uplatnění a stabilizace složení směsí. Výrazně se tak přibližuje propojení cementářských a betonářských norem s výhledem na širší využití těchto materiálů v konstrukční praxi.
Čtěte také: Správný poměr cementu pro beton
Výhody směsných cementů:
- Snížení emisí CO2 a ekologická šetrnost: Směsné cementy obsahují menší podíl energeticky náročného portlandského slínku, jehož výroba patří k hlavním zdrojům emisí CO2 v cementářském průmyslu.
- Úspora přírodních surovin a energetická efektivita: Nahrazení části slínku odpadními a sekundárními materiály snižuje spotřebu přírodních zdrojů a energie potřebné k výrobě cementu.
- Technická flexibilita a kvalita betonu: Směsné cementy umožňují optimalizovat vlastnosti betonu, např. jeho zpracovatelnost, nárůst pevností, trvanlivost i odolnost vůči agresivním prostředím (karbonatace, chloridy, mrazové cykly).
Příkladem nového druhu nízkoemisního cementu může být LC³ cement (z anglického Limestone Calcined Clay Cement, tedy „cement z vápence a kalcinovaného jílu“) o složení cca 50 % slínku, cca 30 % kalcinovaného jílu, 15 % vápence a sádrovce. Uvedený cement snižuje emise CO2 až o 40 % oproti CEM I. Kalcinovaný jíl má pucolánové vlastnosti, váže portlandit a společně s vápencem, který může reagovat s Al-složkami, zlepšuje jemnou mikrostrukturu.
Evropská cementářská norma EN 197 - 1 specifikuje celou skupinu portlandských cementů CEM II. Tyto cementy obsahují kromě portlandského slínku ještě jedinou další hlavní složku. Jsou to např. 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. Cementy mají na svém obalu normalizované značení podle normy EN 197 - 1.
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, popř. 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.
Obvyklá dávka cementu na 1 m3 betonu je v rozmezí 250 až 400 kg, záleží na zamýšleném použití. Kamenivo by mělo být čisté bez organických částic. Křivka zrnitosti má být plynulá, a pokud to umožňuje tvar konstrukce a vyztužení, je vhodné využít kamenivo s maximálním zrnem. Použitím vhodných přísad je možné redukovat obsah vody. 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.
Využití druhotných surovin a alternativních paliv
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 %.
V první etapě snižování emisí 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 celkový emisím CO2 cca 10 %.
Ekonomické a environmentální hodnocení
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 %.
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. 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.
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).
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.
Popílek se získává elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic ze spalin při spalování jemného mletého černého nebo hnědého uhlí. 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.
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. 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.
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.
Trvanlivost a pórovitost betonu
V cementářských výzkumných ústavech 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.
tags: #smíchání #cementu #a #sádry #důsledky