Cement je základním stavebním prvkem a pojivem, které je součástí nejen betonu, ale i mnoha dalších stavebních materiálů. Jedná se o hydraulickou pojivovou složku betonu, jemně mletou anorganickou látku, která po smíchání s vodou vytváří kaši. Tato kaše tuhne a tvrdne v důsledku hydratačních reakcí a procesů, přičemž po zatvrdnutí zachovává svou pevnost a stálost také ve vodě. Cement tak funguje jako lepidlo pro anorganické složky betonu, jako je písek a štěrk.
Existuje velké množství druhů cementu, které se liší příměsmi, jež upravují jeho vlastnosti a souběžně i vlastnosti následného výrobku, například betonu.
Výroba cementu
Výroba cementu se provádí v cementárnách v pecích. Rozděluje se na mokrý či suchý postup, kdy vstupní složky jsou buď v suchém stavu, nebo ve vlhké kašovité formě. Vstupními složkami je vápenec a jíl, někdy křída a břidlice. Společným znakem výroby cementů je příprava suroviny požadovaného složení a vypálení suroviny v peci na takzvaný portlandský slínek. Dále následuje chlazení slínku a jeho mletí.
V peci se nejdříve směs předehřeje a vyloučí se z ní voda. Následně se zvýší teplota, díky které se vylučuje uhlík. Poté se teplota zvedá až ke 1450 °C, při níž se jednotlivé částice spékají a vznikají hroudy takzvaného slínku. Ten se následně vychlazuje a mele na prášek. Bohužel, tento proces znamená, že cementárny patří k největším znečišťovatelům ovzduší.
Jako surovina pro výpal slínku již neslouží jen čistě přírodní materiály, ale také nejrůznější vedlejší produkty či odpady, jako jsou železité odprašky, elektrárenský popílek nebo energosádrovec. Tyto materiály vhodně doplňují těžený vápenec a přispívají k optimální skladbě surovinové moučky. Dříve používané šachtové pece vystřídaly moderní rotační pece s výměníky tepla a předkalcinátory, čímž se spotřeba energie na jednotku vyrobeného slínku snížila. Stále častěji jsou pro výpal používána vedle tradičních paliv také alternativní paliva, která by ještě před několika lety skončila nevyužita jako odpad. Existují i nové účinné systémy chlazení slínku, které jej dokážou téměř ihned po výstupu z pece ochladit přibližně na 200 °C.
Čtěte také: síranovzdorný cement
Druhy cementu a jejich složky
Cementy lze snadno určit podle norem, které jsou uvedeny u produktu, a tím vybrat ten nejvhodnější typ pro danou práci a stavbu. Evropská harmonizovaná norma EN 197-1 (přejatá do soustavy českých technických norem jako ČSN EN 197-1) předepisuje přípustné složení, kvalitu, označování a názvosloví cementů pro obecné použití. Dále uvádí tzv. kritéria shody, tedy předpoklady udělení evropského označení shody CE. Pokud nejsou tato kritéria splněna, k cementu nesmí být připojena značka CE a cement nelze na území Evropské unie uvádět na trh jako cement pro obecné použití. 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)
Portlandský cement je nejpoužívanější cement pro výrobu malty a betonu. Jeho výroba probíhá výhradně v cementárenských pecích. Jedná se o jakýsi „nejčistší“ cement, i když se někdy přidávají železité rudy nebo bauxit. Portlandský cement se skládá z křemičitého slínku 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). V některých verzích se přidávají plastifikátory, které zpomalují tuhnutí a prodlužují zpracovatelnost, což je potřeba například u omítkových směsí.
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, Fe2O3 a malá množství jiných látek. Surovinová směs, těsto nebo kal musí být v důsledku jemného mletí a dobrého míchání homogenní. Portlandský slínek je hydraulická látka, která musí sestávat nejméně ze dvou třetin hmotnosti z křemičitanů vápenatých (3CaO · SiO2 a 2CaO · SiO2). Ve zbytku jsou pak obsaženy slínkové fáze obsahující hliník a železo a jiné sloučeniny. Hmotnostní podíl (CaO) / (SiO2) nesmí být menší než 2,0.
Portlandský směsný cement (CEM II)
Portlandský směsný cement obsahuje kromě portlandského slínku i různé příměsi, jako například strusku, popílek nebo vápenec. Evropská norma ČSN EN 197-1 ed. 2 specifikuje celou skupinu portlandských cementů směsných CEM II, které obsahují kromě portlandského slínku jedinou hlavní složku. Portlandské směsné cementy další skupiny obsahují kromě slínku více než jednu hlavní složku. V českých podmínkách jde hlavně o strusku (S), vápenec (L, LL) a popílek (V).
- Portlandský cement s vysokopecní struskou: V tomto případě půjde o portlandský cement s obsahem příměsi 21-35 % vysokopecní strusky. Vysokopecní struska způsobuje, že oproti obyčejnému portlandskému cementu má tento druh nižší počáteční pevnost a množství hydratačního tepla. Granulovaná struska svou latentní hydraulicitou pozitivně ovlivňuje dlouhodobou pevnost betonu. Tyto cementy se využívají pro základové konstrukce.
- Portlandský cement s popílkem: Popílek v portlandském popílkovém cementu zajišťuje dobrou zpracovatelnost, plastičnost a hydroizolaci. Popílek zlepšuje vlastnosti čerstvého betonu, zejména čerpatelnost a homogenitu, a ve ztvrdlém betonu zlepšuje jeho odolnost vůči působení vody.
- Portlandský cement s vápencem: Kalcinovaná břidlice zajišťuje tomuto druhu portlandského cementu odolnost proti chemickým vlivům. Portlandské cementy s vápencem obsahují kromě slínku jako 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. 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.
Vysokopecní cement (CEM III)
Vysokopecní cement (CEM III) má větší podíl vysokopecní strusky, díky čemuž se snižuje hydratační teplo, prodlužuje se doba nárůstu pevnosti a zvyšuje se odolnost vůči agresivním prostředím. Je určený pro betonové a železobetonové stavební konstrukce, kde není požadována vysoká počáteční pevnost a rychlý nárůst pevnosti. Tento cement je vhodný pro betony vyšších a běžných pevnostních tříd. Ideální je pro betonáže masivních objektů a rovněž i pro betonování v letním nebo teplém období, což je dáno nižším vývinem hydratačního tepla. Betony s vysokopecním cementem mají zvýšenou odolnost proti agresivnímu prostředí a jsou méně náchylné na vznik různých výkvětů. CEM III není vhodný na konstrukce, kde je požadovaný rychlý nárůst pevnosti a nutná odolnost proti mrazu. Obsahuje významný podíl vysokopecní strusky, která 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.
Čtěte také: Charakteristika umělého kameniva
Pucolánový cement (CEM IV)
Pucolánový cement (CEM IV) se v České republice nevyrábí. Jde o cement s příměsí pucolánu, což je jemný písečný sopečný popel. Pucolánový cement je vhodný do mokrého prostředí, především pak do agresivní mořské vody. 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 (CEM VI)
Často si také můžete koupit směsi betonu, které využívají nejlevnější směsný cement (CEM IV), využívající velké množství přísad. Tento cement nezaručuje vysokou pevnost, ale je levný, takže se hodí do nezatěžovaných konstrukcí. 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.
Další složky cementu
- Pucolány: Jsou přírodní látky křemičité nebo křemičito-hlinité, popřípadě kombinace obou. Pucolány po smíchání s vodou samy netvrdnou, avšak jsou-li jemně semlety, reagují v přítomnosti vody za normální teploty s rozpuštěným hydroxidem vápenatým (Ca(OH)2) a tvoří sloučeniny křemičitanů vápenatých a hlinitanů vápenatých, které jsou nositeli narůstající pevnosti. Tyto sloučeniny jsou podobné těm, které vznikají při tvrdnutí hydraulických látek.
- Popílek: Získává se elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic z kouřových plynů topenišť otápěných práškovým uhlím. Popílek získaný jiným způsobem nesmí být v cementech podle ČSN EN 197-1 ed. 2 použit. Popílek může být svou podstatou křemičitý nebo vápenatý. Křemičitý popílek je jemný prášek převážně sestávající z kulových částic s pucolánovými vlastnostmi. Sestává zejména z aktivního oxidu křemičitého (SiO2) a oxidu hlinitého (Al2O3). Vápenatý popílek je jemný prášek, který má hydraulické a/nebo pucolánové vlastnosti. Sestává zejména z aktivního oxidu vápenatého (CaO), aktivního oxidu křemičitého (SiO2) a oxidu hlinitého (Al2O3).
- Kalcinovaná břidlice: Zejména kalcinovaná olejnatá břidlice, se vyrábí ve speciální peci při teplotě přibližně 800 °C. Podle složení přírodního materiálu a výrobního postupu obsahuje kalcinovaná břidlice slínkové fáze, zvláště dikalciumsilikát a monokalciumaluminát. Obsahuje rovněž malá množství volného oxidu vápenatého a síranu vápenatého i značný podíl pucolanicky reagujících oxidů, zejména oxidu křemičitého.
- Křemičitý úlet: Vzniká při redukci křemene vysoké čistoty uhlím v elektrické obloukové peci při výrobě křemičitých nebo ferrokřemičitých slitin a sestává z velmi jemných, kulovitých částic obsahujících nejméně 85 % hmotnosti amorfního oxidu křemičitého.
- Doplňující složky: Jsou zvlášť vybrané anorganické přírodní látky, anorganické látky pocházející z procesu výroby slínku nebo složky uvedené výše, pokud nejsou v cementu použity jako složky hlavní. Doplňující složky po vhodné úpravě nebo v důsledku jejich zrnitosti zlepšují fyzikální vlastnosti cementu (jako je zpracovatelnost nebo retence vody). Mohou být inertní nebo mohou mít slabě hydraulické, latentně hydraulické nebo pucolánové vlastnosti.
- Síran vápenatý: Se přidává k ostatním složkám cementu v průběhu jeho výroby za účelem úpravy tuhnutí. Může být přidáván ve formě sádrovce (dihydrát síranu vápenatého, CaSO4 · 2H2O), hemihydrátu síranu vápenatého (CaSO4 · 1/2H2O) nebo anhydritu (bezvodý síran vápenatý CaSO4), popřípadě jejich směsi. Sádrovec a anhydrit jsou přírodního původu.
- Přísady: Jsou látky, které nejsou uvedeny výše. Jsou přidávány pro usnadnění výroby nebo pro úpravu vlastností cementu. Celkové množství přísad nesmí překročit 1,0 % hmotnosti cementu (s výjimkou pigmentů). Množství organických přísad v přepočtu na suchý stav nesmí překročit 0,5 % hmotnosti cementu. Přísady nesmějí vyvolávat korozi výztuže nebo zhoršovat vlastnosti cementu či betonu nebo malty z něj vyrobených.
Vysokopecní struska a její využití
Pod pojmem struska si můžeme představit celou řadu různých materiálů. Strusky jako vedlejší produkty hutní výroby patří k významným alternativním zdrojům nahrazujícím přírodní suroviny. Menším zdrojem strusek mohou být i jiné termické nebo spalovací procesy.
Typy strusky
V první části článku je stručně popsána struska včetně základního dělení na vysokopecní a ocelářskou.
- Vysokopecní struska: Vzniká z odpadové taveniny při výrobě železa ve vysokých pecích.
- Pokud tato struska chladne pomalu na vzduchu, vznikne hydraulicky neaktivní materiál nadále objemově stálý, který se po drcení a třídění používá jako běžný zásypový materiál na stavbách pozemních komunikací.
- Pokud se žhavá vysokopecní tavenina prudce zchladí proudem tlakové vody, vznikne granulovaná struska se zrny o velikosti cca 5 mm s hlubokými otevřenými póry. V minulosti byla někdy využívána jako lehčené plnivo do betonu. Obvykle se ale granulovaná struska jemně mele a uplatňuje se jako žádaná latentně hydraulická příměs buď samostatně dávkovaná při výrobě betonu, nebo častěji jako hlavní složka směsných cementů. Její hydraulická aktivita stanovená po třech měsících a později, jež je vyjádřena indexem účinnosti, bývá > 100 % ve srovnání s cementem bez strusky.
- Ocelářská struska: Pod pojmem ocelářská struska je myšleno více různých produktů vznikajících při výrobě a zušlechťování oceli. Používání ocelářské strusky jako zásypového materiálu provází obavy z její objemové nestability, a je tedy velmi opatrné. Jako kamenivo do betonu se nepoužívá vůbec. Důvodem jsou především obavy z pomalého a dlouhodobého rozpadu a objemových změn. K těmto změnám přispívá hydratace volného vápna (CaO), hydratace perikasu (MgO), karbonatace vápenatých a hořečnatých hydroxidů, polymorfní přeměna dikalcium silikátů a reakce aluminátů. Ocelárenské strusky z moderních provozů obsahují obecně méně MgO. Snižování expanzního potenciálu ocelárenské strusky lze provádět v průběhu výroby oceli vháněním kyslíku a suchého písku do tekuté strusky, což výrazně snižuje obsah volného vápna a již zmiňovaného MgO. Zkouška objemové stálosti strusek se u nás provádí dle TP 138 přílohy A.
Vysokopecní granulovaná struska vzniká rychlým ochlazením vhodně složené struskové taveniny vznikající 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). Zbytek obsahuje oxid hlinitý (Al2O3) a malá množství jiných sloučenin.
Čtěte také: Použití bílého cementu v praxi
Vysokopecní granulovaná struska dává cementu, a tím i výslednému betonu, pozvolnější náběh pevnosti v tlaku a vyšší chemickou odolnost například proti agresivním síranům. Větší zastoupení uvedených materiálů na úkor slínku má jednoznačně pozitivní dopady na množství skleníkových plynů produkovaných přímo při výrobě cementu, což může jeho výrobcům přinést i finanční úspory za nákup emisních povolenek. Stinnou stránkou věci je skutečnost, že materiály jako vysokopecní granulovaná struska a popílek jsou vedlejšími produkty zcela nezávislého výrobního sektoru.
Příklady použití ocelářské strusky
Ve snaze najít vhodné uplatnění vedlejších produktů hutní výroby byla ve spolupráci Třineckých železáren, Hornicko-geologické fakulty VŠB-TU Ostrava a zkušební laboratoře společnosti Betotech provedena řada zkoušek ocelářské strusky z Třince. Zkoušky vzorků této ocelářské strusky byly v posledních šesti letech prováděny opakovaně. Na základě výsledků pak byly navrženy receptury betonu s 60% náhradou přírodního kameniva touto ocelářskou struskou. Při dávce portlandského cementu 400 kg bylo ve směsi kromě přírodního kameniva téměř 1 000 kg ocelářské strusky frakce 0-8 mm. Čerstvý beton měl konzistenci sednutím S4 a obsah vzduchu 6,6 %. Jednalo se o jemnější beton, který byl dobře zpracovatelný a schopný čerpání. Vzorky ztvrdlého betonu měly pevnost v tlaku po 28 dnech 44 MPa, po 90 dnech 48 MPa. Nejvíce překvapily odolností proti CHRL (chloridovému zatížení), kdy odpady po 28 dnech zrání činily po 150 zmrazovacích cyklech průměrně 150 g/m2.
Podle požadavku Třineckých železáren byla vyrobena řada silničních panelů a několik svodidel, která byla umístěna na frekventovaném úseku v areálu Třineckých železáren. Betonové prvky byly zhotoveny v prefa závodě společnosti Eurovia, beton dodávala společnost Českomoravský beton. Po roce prefabrikáty vizuálně nejevily žádné vážné známky porušení. Pro podrobnější zhodnocení byly z jednoho silničního panelu odebrány zkušební vzorky. Tlakové pevnosti na vývrtech dosáhly až 58 MPa a při zkoušce na odolnost proti CHRL odpady po 100 cyklech nepřesáhly 500 g/m2. Jedná se o první prototypy vyrobené z unikátního betonu, které jsou testovány ve venkovních podmínkách. Jsou zhotoveny z nového těžkého betonu s objemovou hmotností vyšší než 2 900 kg/m3, který je tvořen vhodnou kombinací poměru ocelářské strusky a vedlejších produktů hutní výroby. Díky své vysoké objemové hmotnosti může být tento těžký beton použit i pro stínicí konstrukce proti ionizujícímu záření v nemocnicích, laboratořích či jaderných elektrárnách. Může také sloužit jako výplň sudů pro uložení radioaktivního odpadu, neboť podle dosavadních zkoušek má až 1,86× lepší stínicí vlastnosti v porovnání s běžným betonem, který se v současnosti používá. Ocelářská struska nemusí být vždy materiálem vhodným jen na nenáročné zásypy, popř. odpadem, který se ukládá na nekonečné skládky. Ba právě naopak - ocelářská struska použitá v betonu může přispět k rozumnějšímu hospodaření s přírodními zdroji, a tedy k udržitelnému rozvoji průmyslu. Pokud známe její vlastnosti a rozsah jejich kolísání, lze alespoň některé strusky použít pro výrobu betonů pro různá prostředí.
Označení a vlastnosti cementu
Normalizované značení cementu obsahuje informace o množství a druhu příměsí, pevnosti cementu v MPa a rychlosti nástupu počáteční pevnosti. Takzvanou vaznost cementu po 28 dnech definuje poslední číslo v označení na pytli - může být 32,5 MPa, 42,5 MPa nebo 52,5 MPa. Pozice 32,5 označuje tvrdost v MPa, na kterou cement vytuhne po 28 dnech.
U cementů je také důležité na označení sledovat poslední písmeno:
- K - slínek
- S - vysokopecní struska
- D - křemičitý úlet
- P - přírodní pucolány
- V - křemičité popílky
- W - vápenaté popílky
- T - kalcinovaná břidlice
- L - vápence (LL je kvalitnější varianta)
Normalizovaná pevnost cementu je pevnost v tlaku, stanovená podle EN 196-1 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. Rozeznávají se tři třídy počáteční pevnosti pro každou třídu normalizované pevnosti: třída s normálními počátečními pevnostmi značená písmenem N, třída s vysokými počátečními pevnostmi značená písmenem R a třída s nízkou počáteční pevností značená písmenem L. Počátek tuhnutí a objemová stálost (rozepnutí) musí odpovídat příslušným tabulkovým údajům.
Vliv složek cementu na jeho vlastnosti
Každá z hlavních složek má jiný vliv na vlastnosti cementu a jejich optimální kombinace dovoluje vyrobit cement právě požadovaných vlastností. Struska s popílkem snižují 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.
Důležité je také poznamenat, že cement s vyšší hodnotou hydratačního tepla je pro některá použití vhodný. 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 požadována dodatková opatření při jejich použití, jako je prodloužení doby bednění a ochrana při škodlivém počasí. Síranovzdorné cementy pro obecné použití musí odpovídat dodatkovým požadavkům uvedeným v tabulce.
Při výrobě betonu je dnes běžné a neodmyslitelné používání přísad stavební chemie. Super a hyper plastifikátory dokáží upravit reologii a dobu zpracovatelnosti čerstvého betonu na zákazníkem požadovanou hodnotu. Vzhledem k široké variabilitě různých vlivů prostředí lze velmi obtížně obecně definovat vhodnost použití konkrétního druhu portlandského směsného cementu pro konkrétní situaci. Z tohoto důvodu je v normě na beton EN 206+A1 zaveden obecný popis prostředí a jsou klasifikovány různé stupně vlivu prostředí, které jsou informativně doplněny konkrétními příklady.
Cena cementu
Ceny u jednotlivých druhů cementu se liší podle výrobce. Orientační cena vychází z ceníkových cen řemeslníků a nezohledňuje různé faktory, které mají na cenu vliv. U dražších speciálních betonů se nenechte odradit vyšší cenou. Důležité je vždy zohlednit povahu stavby a roční období.
Tabulka: Příklady cementů a jejich označení dle ČSN EN 197-1 ed. 2
| Označení cementu | Složení (přibližný podíl hlavních složek) | Minimální pevnost v tlaku po 28 dnech (MPa) | Minimální počáteční pevnost (po 2 dnech) (MPa) | Charakteristické vlastnosti |
|---|---|---|---|---|
| CEM III/A 42,5 N | Portlandský slínek (35-64%), Granulovaná vysokopecní struska (36-65%) | 42,5 | N (normální) | Nižší hydratační teplo, prodloužený nárůst pevnosti, zvýšená odolnost proti agresivnímu prostředí. Vhodný pro masivní objekty a teplé období. |
| CEM II/A-S 42,5 R | Portlandský slínek + Struska (21-35%) | 42,5 | 20 | Dobře zpracovatelný, vhodný pro běžné betonové a železobetonové konstrukce. |
| CEM II/B-S 32,5 R | Portlandský slínek + Struska (36-65%) | 32,5 | 10 | Nižší počáteční pevnost, dobrá dlouhodobá pevnost, zvýšená odolnost proti síranům. |
| CEM II B-M (S-V-LL) 32,5 R | Portlandský slínek + Struska, Popílek, Vápenec (36-65%) | 32,5 | 10 | Směsné složení pro specifické vlastnosti, např. kombinace odolnosti proti síranům (struska), zpracovatelnosti (popílek) a stálosti (vápenec). |
tags: #vysokopecni #struska #cement #informace