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. V 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.
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.
Snižování emisí CO2
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.
Portlandské směsné cementy
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.
Čtěte také: Výpočet spotřeby cementu
Vlastnosti a druhy cementů
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. 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. Dalšími druhy cementů CEM II jsou uvedeny v tabulce níže.
Cementy mají na svém obalu normalizované značení podle normy EN 197 - 1, které může vypadat např. CEM II (M).
Současné trendy a výzvy
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.
Čtěte také: Metody zkoušení cementu v tlaku
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.
Složení betonu a jeho kvalita
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.
Výroba cementu a ochrana životního prostředí
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 %.
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.
Čtěte také: Správný poměr cementu pro beton
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 %.
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.
Pro účely ekonomického a environmentálního hodnocení výroby směsných cementů je v tab. 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.
Alternativní složky cementu
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 [1], a pro mletou granulovanou vysokopecní strusku platí k-hodnota 0,6 podle EN 15167 - 1 [8].
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.
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,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.
Výhody 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.
Škodlivé látky pronikají do konstrukce pórovým systémem a trvanlivost všech stavebních materiálů na bázi cementu je tedy významně ovlivněna pórovitostí a rozložením velikosti pórů.
Ekologické aktivity cementáren v ČR
Rychlá privatizace českých cementáren, která byla založena na vstupu zahraničního kapitálu s přenosem vysokého know-how moderní výroby cementu, zajistila nezbytné finanční prostředky k rychlé modernizaci výrobní základny. Modernizace, rekonstrukce a nové investiční akce přímo či nepřímo směřovaly i do ochrany životního prostředí. Důsledky cílevědomě orientovaných aktivit se intenzivně projevily v dramatickém snížení prašných i plynných emisí. Cementárny v posledním desetiletí snížily své prašné emise o 95 %, emise oxidů síry o 75 % a oxidů dusíku o 50 %. Málokterý výrobní obor se může prokázat takovými ekologickými výsledky.
Trvale udržitelný rozvoj je rozvoj uspokojující potřeby současné doby, aniž by byla ohrožena schopnost budoucích generací uspokojovat jejich vlastní potřeby. Motto environmentálních organizací si výrobci cementu vzali za své jako jedni z prvních a zahájili přípravu na nejožehavější problém budoucnosti, tj. snižování emisí oxidu uhličitého. Navázali tak na aktivity Světové rady pro trvale udržitelný rozvoj a Prohlášení světových cementářských uspolečností z července 2002 v rámci přípravy na světové setkání v Johannesburgu. Vlastní ekologický program vycházející z mezinárodního programu integrované prevence a omezování znečištění (IPPC) přijatého v roce 2002 je průběžně realizován.
Řada spotřebitelů cementu si vůbec neuvědomuje, že výroba cementu je výsostně chemickou vysokoteplotní výrobou. Technologické principy výroby cementářského slínku umožňují zpracovat značná množství druhotných paliv a dalších alternativních materiálů při dodržování veškerých přísných kriterií ochrany přírody. Spoluspalování alternativních paliv, veškerých upotřebených a použitých olejů, které jinde dosloužily a nelze je obvykle recyklovat, využijí vícecestné cementářské hořáky, konstruované na vysoké teploty, pro výrobu slínku. V poslední době tímto způsobem využívají i tuhá alternativní paliva na bázi vytříděného průmyslového odpadu a z něj složeného paliva.
Přesná receptura, kontrola složení, dokonalé řízení procesu výpalu při teplotách cca 1 500 °C a nezpochybnitelný emisní monitoring dovolují využívat výrobek - palivo s dvojí certifikací, tj. výrobkovou i emisní, a tím naprosto odstraňují pochybnosti o spalování odpadů. Stejně tak lze využít jako paliva i masokostní moučky.
Neméně významnou oblastí vlivu výrobního procesu na životní prostředí je vliv těžby. Moderní postupy umožňují snížit obtěžování okolí např. otřesy a vytvářejí podmínky proto, aby po skončení těžby mohlo být příslušné území vráceno zemědělské produkci nebo přírodě a rekreačním účelům.
Pečlivě dodržované zásady komplexní těžby zároveň zabezpečují, aby všechny čisté frakce vysokoprocentních vápenců, pokud se vůbec na cementářských ložiscích vyskytují, byly použity pro náročné účely průmyslu, potravinářství a ekologie a naopak méně čisté frakce a nebo méně čisté partie ložisek byly jednoznačně využity pro výrobu cementu.
Pozitivní úloha cementu a betonu v životě a životním prostředí
Pozitivní úloha výrobků z cementu pro život a životní prostředí je základním důvodem, proč od nepaměti dochází k výrobě tohoto druhu. Cementový beton je základem všech staveb vodohospodářských, ekologických, dopravních, vytváří infrastrukturu ochranných konstrukcí proti škodám a nebezpečím všeho druhu.
Betonové mosty jsou v nadsázce společenským pojítkem mezi lidmi. Význam bezpečné kvality cementu a betonu jen podtrhuje skutečnost, že pro tyto dva stavební materiály byly v České republice jako vůbec první přijaty moderní evropské normy, tj. ČSN EN 197 - Cement pro obecná použití a ČSN EN 206 - Beton.
Ve stavebnictví v příštím desetiletí začne platit moderní normový systém Eurokódů, který jen zvýrazní význam, efektivnost, bezpečnost a environmentální pozitiva betonových staveb. Beton sám není zase tak jednoduchým materiálem. Vždyť jako studijní předmět na vysokých školách stavebního typu bývá jedním z nejobávanějších. Proto cementářští odborníci spolupracují s vysokoškolskou i středoškolskou obcí a vysvětlují moderní trendy a možnosti cementu a betonu. Samozřejmostí je i finanční podpora v tomto směru.
Moderní vzdušné obytné soustavy, plné balkonů a lodžií, pohledové zdi, navíc zlidštěné obarveným betonem s pigmentovými barvami, náměstí plná květinových zákoutí a vodních fontán mohou být z betonu. Mnoho betonových staveb však zůstává v běžném každodenním životě utajeno.
A nezapomeňme zejména na systémy betonových přehrad, které zachránily statisíce životů při nedávných záplavách. V letech 2002 a 2003 byl Svaz výrobců cementu spolupořadatelem architektonické soutěže Betonový dům, která měla vynikající ohlas mezi architekty a projektanty a v letošním roce je organizátorem sochařského sympozia Sochy v betonu.
Beton slouží však i tam, kde bychom jej nečekali. Když v ekologii selžou jiné stabilizační materiály, pro moderní prvky solidifikace nastoupí opět cement v betonu. Solidifikace znamená vytvoření speciální betonové směsi z cementu, škodlivých odpadů a inertních materiálů tak, aby výsledkem po zatuhnutí byla pevná hmota, jejíž složení, vodonepropustnost a vyluhovatelnost jsou pečlivě kontrolovány. Takto připravené stabilizáty mají životnost několik stovek let. Není proto divu, že beton našel své místo i při meziukládání vyhořelého jaderného paliva.
Nakonec nezapomeňme, že jsme celou dobu hovořili o téměř přírodním materiálu, který po doběhu svého životního poslání a cyklu, jenž je odhadován na více než sto let, se opět bezpečně vrací do přírody. Jeho estetické použití, krása a podoba je vždy v lidských rukou.
Proto se Svaz výrobců cementu ČR oprávněně domnívá, že výroba cementu a uplatnění v betonu je navýsost ekologický proces výroby materiálu, který je k dispozici všem stavbařům, projektantům a architektům.
Aktuální zprávy z oboru
Akciová společnost Cement Hranice v roce 2024 zvýšila čistý zisk meziročně o 4,7 procenta na rekordních 958,7 milionu korun. Tržby vzrostly meziročně o 10,2 procenta na 2,731 miliardy korun, hlavní část tržeb tvoří tuzemský trh, tržby z exportu klesly. Cement Hranice v roce 2024 hlavní část tržeb získal na domácím trhu, kde inkasoval 2,311 miliardy korun. Předloni to bylo 2,028 miliardy korun. Tržby z exportu loni naopak klesly na 380,5 milionu korun z 415,5 milionu korun v roce 2023. Společnost Cement Hranice loni investovala bezmála 250 milionů korun. Předloni společnost Cement Hranice zvýšila čistý zisk o 29 procent na 916,2 milionu korun. Tržby Cementu Hranice v roce 2023 vzrostly o 5,5 procenta na 2,478 miliardy. Firma snížila prodej cementu, avšak její tržby díky vyšším cenám výrobků vzrostly.
Spotřeba cementu loni v Česku podle údajů Svazu výrobců cementu zůstala zhruba stejná jako v roce 2023, kdy klesla meziročně o 20 procent. Domácí spotřeba cementu se v posledních letech různě měnila, pohybovala se kolem 3,3 milionu tuny. Podle dat Cenové soustavy ÚRS cement loni meziročně zdražil o 2,5 procenta.
Cement je důležitou složkou betonů nebo malty, které slouží jako pojivo na stavbách. Podle dat Českého statistického úřadu stavební výroba v Česku loni meziročně klesla o 2,4 procenta, tedy stejně jako v roce 2023. Stavebnictví tak kleslo druhý rok po sobě. Loni k tomu přispělo zejména pozemní stavitelství, tedy stavby budov. V loňském prosinci se stavební produkci dařilo a její meziroční růst zrychlil na 9,7 procenta z listopadových 2,5 procenta. Jediným vlastníkem společnosti Cement Hranice je německá firma Dyckerhoff AG.
tags: #svaz #výrobců #cementu #aktivity