Cement je jednou ze základních složek pro výrobu betonu. V článku jsou věnovány jeho vlastnostem, environmentálním a ekonomickým aspektům jeho výroby a aktuální situaci v cementářském odvětví.
Definice a složení cementu
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 podle EN 197-1, označovaný jako cement CEM, musí při odpovídajícím dávkování a smíchání s kamenivem a vodou umožnit výrobu betonu nebo malty zachovávající po dostatečnou dobu vhodnou zpracovatelnost. Cementy CEM jsou složeny z různých látek a ve svém složení jsou statisticky homogenní.
Portlandský slínek
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. Portlandský slínek je hydraulická látka, která musí sestávat nejméně ze dvou třetin hmotnosti z křemičitanů vápenatých (3CaO · SiO2 a 2CaO · SiO2).
Granulovaná vysokopecní 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. Granulovaná vysokopecní struska musí sestávat nejméně ze dvou třetin hmotnosti z oxidu vápenatého (CaO), oxidu hořečnatého (MgO) a oxidu křemičitého (SiO2).
Popílek
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. Křemičitý popílek je jemný prášek převážně sestávající z kulových částic s pucolánovými vlastnostmi. Vápenatý popílek je jemný prášek, který má hydraulické a/nebo pucolánové vlastnosti.
Čtěte také: Cement – křížovka
Vápenec
Vápenec je materiál bez skutečné hydraulické reaktivity. Jeho hlavní složkou je kalcit s mnoha dalšími možnými složkami, jako je křemen, jílové minerály nebo dolomit.
Druhy cementů
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. 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.
V souboru cementů je podle ČSN EN 197-1 ed. 2 27 výrobků pro obecné použití. Evropská norma ČSN EN 197-1 ed. 2 specifikuje celou skupinu portlandských cementů směsných CEM II, které obsahují kromě portlandského slínku jedinou hlavní složku (viz tab. 4). Portlandské směsné cementy další skupiny obsahují kromě slínku více než jednu hlavní složku (viz tab. 4). V českých podmínkách jde hlavně o strusku (S), vápenec (L, LL) a popílek (V).
Cementy mají na svém obalu normalizované značení podle normy EN 197 - 1, které může vypadat např. Cementy CEM II (M) umožňují vyvážit výhody a nevýhody jednotlivých hlavních složek jejich kombinováním. 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.
Portlandské cementy s vápencem obsahují kromě slínku, jakou jedinou hlavní složku vápenec (L, LL). 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. 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.
Čtěte také: Složení cementu: Klíčové aspekty
Struska s popílkem snižují naopak 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 působené vody.
Cementy pro obecné použití s nízkou počáteční pevností mají nižší počáteční pevnosti ve srovnání s ostatními cementy pro obecné použití stejné třídy normalizované pevnosti a mohou být požadovány dodatková opatření při jejich použití, jako je prodloužení doby bednění a ochrana při škodlivém počasí.
Ekonomické a environmentální aspekty výroby cementu
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. 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, popř. V Evropě v současné době činí podíl výroby portlandských směsných cementů CEM II (M) více než 35 % z celkové produkce.
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 %. 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.
Čtěte také: Cement: Klíčová složka ve stavebnictví
Tabulka s emisemi CO2 při výrobě cementu:
| Cement | Emise CO2 (t/t cementu) |
|---|---|
| Portlandský cement (CEM I) | 1.2 |
| Cement s 50 % mleté strusky | 0.54 |
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.
Vliv cementu na vlastnosti betonu
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 (např. Obvyklá dávka cementu na 1 m3 betonu je v rozmezí 250 až 400 kg, záleží na zamýšleném použití.
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. Kvalitní beton je však ještě třeba dokončit správným uložením a ošetřováním v raném stáří, kdy se rozhoduje o jeho konečných vlastnostech.
Vlastnosti betonu s příměsí strusky a popílku
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.
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. Konečná úprava povrchu betonu s popílkem je snazší a jeho přítomnost v betonu omezuje míru odlučivosti vody z betonu v čerstvém stavu.
Závěr
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.
tags: #součásti #portlandského #cementu