Cement

Z Multimediaexpo.cz

Aktuální verze z 14. 8. 2022, 14:51

Tento článek potřebuje úpravy. Můžete Multimediaexpo.cz pomoci tím, že ho vylepšíte. Jak by měly články vypadat, popisují stránky Vzhled a styl a Encyklopedický styl.

Cementárna

Pytle naplněné cementem

Čížkovická cementárna

Cement je v nejobecnějím smyslu slova pojivem, látkou, která má schopnost tuhnout a vázat další materiály dohromady. Kořeny slova "cement" sahají ke starověkým Římanům, kteří výraz "opus caementicium" používali pro zdivo podobné betonu, vyrobené ze směsi obsahující jako pojivo pálené vápno. Sopečný popel pucolan ve směsi páleným vápnem vytvářel hydraulické pojivo nazývané Římany "cementum", "cimentum", "cäment" a nakonec "cement". V dnešním, užším smyslu slova je cement práškové hydraulické pojivo, které po smíchání s vodou tuhne a tvrdne. Jeho schopnosti pojit jiné sypké látky v pevnou hmotu se využívá ve stavebnictví při výrobě betonových nebo maltových směsí. Pojiva používaná ve stavebnictví se rozlišují na hydraulická a ne-hydraulická.

Historie

Starověk a středověk

První použití pojiv na bázi přírodního nebo vyráběného cementu se datuje do republikánského období starověkého Říma (okolo roku 200 př. n.l.)^[1], kdy se jako materiál na výrobu pojiva začal používat sopečný produkt pucolan - přírodní hydraulický cement s vynikajícími vlastnostmi. Tento druh pojiv umožnil vybudování významných inženýrských staveb, přístavních hrází, akvaduktů a mostů v celé oblasti Středomoří.^[2] Mnoho vynikajících příkladů těchto staveb ještě stojí. Technologickým zázrakem je například obrovská monolitická kopule na Pantheonu v Římě. Má průměr 43,3 m byla vytvořena technologií litého betonu za sedm let (118-125 n.l.). Kopule srovnatelné velikosti byly ještě o jeden a půl tisíce let později stavěny technologií kamenné klenby po desítky let.^[3] Podle všeobecně přijímaného názoru byla znalost používání hydraulických pojiv ztracena se zánikem římské říše a znovuobjevena až v souvislosti s novověkými pokusy Smeatona.^[4]. V této souvislosti jsou proto překvapivé analýzy původního zdiva Karlova mostu z roku 2008, které prokázaly unikátní příklad pokračování antické tradice použití vysoce kvalitních malt/betonů s hydraulickým pojivem na této středověké stavbě.^[5]

Novodobá historie výroby

V roce 1824 obdržel patent na výrobu cementu John Aspdin. Měl minimální vědecké znalosti, proto s ním spolupracoval jeho syn William Aspdin. Byl zakladatelem průmyslové výroby cementu v North West Kent v Anglii, kde působil i Joseph Aspdin V roce 1840 založena ve Francii u Boulogne sur Meer průmyslová výrobna cementu. Od roku 1850 vyráběla firma Brunkhorst & Westfalen v Buxtehude u Hamburku první portlandský cement v Německu. V roce 1860 několik německých šlechticů v Čechách založilo výrobu cementu v Bohosudově u Teplic V roce 1870 z českého kapitálu založil Ferdinand Barta (1838-1892) cementárnu v Radotíně a za dva roky cementárnu v Podolí. Ve Spojených státech začala výroba portlandského cementu na přelomu šedesátých a sedmdesátých let 19. století. V roce 1889 zahájena výroba cementu v Kanadě.

Výroba

Při výrobě cementů je základní surovinou vápenec. Dalšími přísadami jsou slíny a slinité vápence, křemičitý písek, kazivec nebo železná ruda. Při výrobě suchým způsobem se postupuje tak, že se surovina nejprve rozdrtí v drtičích a uloží na skládku, ze které se postupně odebírá. Potom se rozemílá na moučku v kulových mlýnech a ukládá do zásobníků. Dále se zjišťuje její přesné chemické složení a podle výsledků se přidávají další přísady. Po přidání přísad je uložena do homogenizačních sil, kde se vše promíchá stlačeným vzduchem. Ze sil jde surovina do předehřívače, ve kterém se z ní vypařuje voda a z vápenců se uvolňuje oxid uhličitý. Z předehřívače surovina putuje do rotačních vypalovacích pecí (o průměru cca 3 m a délky cca 20 m) s podélným sklonem. Při dosažení teploty 1300° C dochází k reakci mezi oxidy vápníku, křemíku a hliníku. Vytvoří se trikalciumsilikát, dikalciumsilikát a trikalciumaluminát. Tato reakce probíhá pouze na povrchu. Teprve při dosažení 1400° C začne reakce probíhat do hloubky a začne se vytvářet slínek. Slínek se po opuštění pece zchlazuje a nastává krystalizace. Utvářejí se hlinitany, železohlinitany a tetrakalciumaluminátferrit. Slínky se odváží na skládku, kde se nechají uležet, aby se uvolnil oxid vápenatý. Pak se slínky semelou se sádrovcem a dalšími přísadami na jemný prášek, který se ukládá do pytlů nebo zásobníků.

Vlastnosti cementu

Chemické složení

Čtyři hlavní složky:

• trikalciumsilikát - alit - podílí se nejvyšší mírou na vzrůstu pevnosti do 28 dnů a to tím, že se rychle slučuje s vodou a uvolňuje větší hydratační teplo. Běžně je ho v cementu obsaženo < 60%. Cementy obsahující > 60% alitu mají vysokou počáteční pevnost.
• dikalciumsilikát - belit - uvolňuje polovinu hydratačního tepla než alit, pomalu hydratuje, ale konečná pevnost cementu je jen o málo menší, než u cementů obsahujících alit. Běžně je ho v cementu obsaženo mezi 25% a 40%. Belitové cementy tuhnou a tvrdnou pomaleji. U portlandských cementů se množství alitu a belitu pohybuje okolo 75 - 86 %.
• tetrakalciumaluminátferrit - celit - je důležitý pro objemovou stálost. Přispívá ke vzrůstu pevnosti i po 28 dnech, ale pouze na suchu. Pod vodou netuhne. Běžně je ho cca 10 %.
• trikalciumaluminát - prudce hydratuje, čímž vyvíjí velké hydratační teplo (asi 2x větší než alit). Hydratuje okamžitě po přidání vody za vzniku kalciumalumináthydrátů. Proto se ke slínku přidává ještě sádrovec, který mění chemickou podstatu hydratace trikalciumaluminátu a oddaluje tak tuhnutí. Trikalciumaluminátu bývá max. 10%, u cementů s velkou počáteční pevností max. 15% a pro masivní konstrukce max. 8%.

Technologické vlastnosti

• Hydratace – je fyzikální a chemický proces, při kterém do sloučeniny vstupuje voda a sloučenina přechází z kašovitého stavu do stavu tuhé a pevné hmoty.
• Hydratační teplo - je teplo, které provází proces hydratace. Závisí na chemickém složení a na jemnosti mletí cementu. Čím je cement jemněji mletý, tím dochází během hydratace k intenzivnějšímu vývinu hydratačního tepla. Hydratace probíhá nerušeně při 15 - 20° C. Nad 20° C probíhá intenzivněji, pod 15° C se hydratace zpomaluje a při teplotě menší než 5° C se zastavuje. U cementů s nízkým hydratačním teplem se může zastavit již při 10° C.
• Tuhnutí - je chemický proces, při kterém kašovitá směs cementu a vody přechází v tuhou hmotu. Tuhnutí nastává nejdříve u cementů s vysokou pevností a to za cca 45 minut. U běžných cementů nastává za cca 60 minut. Nejpozději však cementy tuhnou po 12 hodinách. Tuhnutí se dá oddálit přidáním sádrovce a to v max. množštví 5% hmotnosti cementu, jinak by cement začal hydratovat okamžitě od přidání vody, protože obsahuje trikalciumaluminát. Speciální cementy pro injektáž, nástřik, nebo urychlení betonáže tuhnou za 30 i méně minut, některé například za 8 minut.
• Tvrdnutí – je fyzikální a chemický proces, při kterém tuhá hmota přechází v pevnou. Tato pevná hmota pak postupem času nabývá větší pevnosti. Tvrdnutí probíhá zpočátku intenzivně, pak se zpomaluje a zpomaluje, až se nakonec zastaví. Velikost přírůstku pevnosti ovlivňuje prostředí a množství trikalciumaluminátferritu. Za konečnou pevnost cementu se považuje pevnost po 28 dnech.
• Objemové změny – zde se řeší smršťování a nabývání.
  • Smršťování – nastává, hydratuje-li cement na vzduchu a je zapříčiněno odpařující se vodou. Smršťování je tím větší, čím více záměsové vody bylo použito a čím je okolní prostředí sušší.
  • Nabývání – je přirozeným jevem hydratace cementů na bázi portlandského slínku, neboť krystaly hydratačních produktů mají větší objem než původní zrna cementu. Nabývání je několikanásobně menší, než smršťování.
• Jemnost mletí – na ní závisí reaktivnost cementu. Čím je cement jemněji mletý, tím větší reakční povrch je k dispozici hydratačním procesům a proto pak cement dosahuje vyšší počáteční pevnosti. Cement se mele na velikosti 2 – 200 mikrometrů. Největší zastoupení mají velikosti 10 – 15 mikrometrů.
• Objemová stálost – je vlastnost, při které se cement nesmršťuje ani nenabývá nad přípustnou míru. Takovéto objemové změny mohou nastat, pokud má cement nesprávné složení. Projeví se to vznikem trhlin. Nejčastější příčinou objemové nestálosti je opožděné vyhašení vápna (aby se vápno dostatečně vyhasilo, nechává se slínek odležet), nebo jestliže nebyla dodržena správná teplota při vypalování, popř. pokud byly použity suroviny s větším obsahem oxidu vápenatého či hořečnatého.
• Vaznost – je to schopnost cementu stmelit jednotlivá zrna kameniva v pevnou hmotu. Závisí na chemickém složení cementu, jeho jemnosti mletí (čím jemněji mletý, tím větší vaznost), na prostředí (čím je vlhčí, tím větší vaznost) a na teplotě. Při tuhnutí a tvrdnutí minerály obsažené v cementu krystalizují, obepínají kamenivo sítí krystalů a tím zajišťují pevnost hmoty.
• Modul - vyjadřuje vzájemné poměry oxidů. Dělení:
  • hydraulický modul: \(H_m = \frac{CaO \cdot MgO}{Al_2O_3 \cdot Fe_2O_3 \cdot SiO_2}\)
  • Dosahuje hodnoty 1,3 - 2,1. Cementy s nízkým hydratačním teplem mají hydraulický modul 1,1 - 1,3, cementy s vysokou počáteční pevností 2,1 - 2,4.
  • silikátový modul: \(S_m = \frac{SiO_2}{Fe_2O_3}\)
  • Dosahuje hodnoty 1,5 - 3. Čím je větší, tím pomaleji cementy tvrdnou.
  • aluminátový modul: \(A_m = \frac{Al_2O_3}{Fe_2O_3}\)
  • Dosahuje hodnoty 1 - 3,5. Čím je větší, tím větší hydratační teplo cementy vyvíjí.
• Třídy cementu - třída udává zaručenou pevnost v tlaku v MPa po 28 dnech. Třídy:
  • 32,5; 42,5; 52,5
  • U silničních cementů se udává pevnost v tahu za ohybu po 28 dnech. Třídy:
    • 6,5; 7,0; 7,5

Vlastnosti z hlediska ochrany zdraví a životního prostředí

Cement může působit na zdraví nepříznivě těmito účinky^[6]:

• mechanickým drážděním pokožky (iritační dermatitida),
• vlivem přítomných sloučenin šestimocného chromu na pokožku (alergická dermatitida - citlivost byla zjištěna u 5 až 10 % stavebních dělníků),
• popálením - směs cementu s vodou je silně zásaditá - zejména je nutno zabránit vniknutí do očí,
• vdechnutím prachu.

K omezení účinků šestimocného chromu se cement v baleních, u kterých se předpokládá ruční zpracování (pytlovaný), mísí se specifickými redukčními činidly^[7]. Volně ložený cement (vagónový, z automobilních přepravníků) určený pro uzavřené procesy, kde nepřijde do styku s pokožkou, limity obsahu chromu nemusí splňovat^[8] a zpracovávat jej ručně je nežádoucí. Nebezpečnost hotového cementu pro životní prostředí se neočekává^[9].

Druhy cementů

Cementy jsou podle technické normy ČSN EN 197-1 rozděleny do pěti základních skupin. Podle množství portlandského slínku a jiných hlavních složek je stanoveno 27 druhů cementů.

Pět základních skupin

• Portlandský cement - vyrábí se mletím portlandského slínku a sádrovce. Má šedozelenou barvu a pytle s ním jsou opatřeny černým potiskem.
• Portlandské směsné cementy - vyrábí se mletím portlandského slínku, sádrovce a dalších složek (struska, popílek, vápenec atd.). Tyto cementy jsou opatřeny zeleným potiskem.
  • PORTLANDSKÝ STRUSKOVÝ CEMENT - obsahuje 6-35% strusky, která snižuje hydratační teplo. Obvykle se vyrábí v pevnostních třídách 32,5 a 42,5. Odolává agresivním vodám.
  • PORTLANDSKÝ CEMENT S KŘEMIČITÝM ÚLETEM - obsahuje 6-10% křemičitého úletu. Má velkou pevnost v tahu.
  • PORTLANDSKÝ PUCOLÁNOVÝ CEMENT - obsahuje 6-35% přírodního pucolánu.
  • PORTLANDSKÝ POPÍLKOVÝ CEMENT - obsahuje 6-35% popílku.
  • PORTLANDSKÝ CEMENT S KALCINOVANOU BŘIDLICÍ - obsahuje 6-35% kalcinované břidlice.
  • PORTLANDSKÝ S VÁPENCEM - obsahuje 6-35% vápence.
  • PORTLANDSKÝ SMĚSNÝ CEMENT - obsahuje 6-35% několika předcházejících složek.
• Vysokopecní cement - vyrábí se mletím portlandského slínku, sádrovce a strusky (36-95%). Odolává agresivním vodám, proto se používá pro výrobu silážních jam nebo čističky odpadních vod.(Vysokopecní struska dodá do cementu síru a fosfor.Agresivní vody je obsahují také. Cement jim vzdoruje, neboť sám už tyto prvky obsahuje).
• Pucolánový cement - vyrábí se mletím portlandského slínku, sádrovce a pucolánu (11-55%).
• Směsný cement - vyrábí se mletím portlandského slínku, sádrovce a dalších příměsí (18-50%).

Cementy se speciálními vlastnostmi

• SILNIČNÍ CEMENTY - mají malou smrštitelnost, velký modul pružnosti a velkou pevnost v tahu za ohybu. Jsou mrazuvzdorné a odolné proti oděru. Příkladem je silniční portlandský cement, který má začátek tuhnutí za 1,5 hodiny a silniční struskoportlandský cement, který má začátek tuhnutí za 2 hodiny.
• HLINITANOVÝ CEMENT - má velkou počáteční pevnost. Nesmí se používat nad 30 °C a na masivní konstrukce, ale smí se používat do -10 °C. Nesmí se používat na nosné konstrukce, protože vlivem vlhkosti a teploty časem ztrácí na pevnosti a konstrukce se rozpadají. Tragickou událostí, která v ČSSR na tento problém upozornila, byla Havárie v národním podniku MESIT. V současnosti se používá smíchán s portlandským cementem na těsnění trhlin v izolaci proti podzemní vodě. Rychle tvrdne, ale pevnost je podstatně menší. U nás se nevyrábí, ale dováží se.

Zvláštní cementy

• PORTLANDSKÝ CEMENT SÍRANOVZDORNÝ - podle české technické normy ČSN 72 2103 je to portlandský cement s obsahem trikalciumaluminátu v cementu menším než 3,5 %. Je odolným proti sulfátové korozi vyvolané působením síranových iontů. Síranové ionty mohou pocházet z podzemní vody, základové půdy nebo odpadních vod. V ČR se nevyrábí.
• VYSOKOPECNÍ CEMENT SÍRANOVZDORNÝ - podle české technické normy ČSN 72 2103 je to vysokopecní cement odolný proti sulfátové korozi vyvolané působením síranových iontů. Síranové ionty mohou pocházet z podzemní vody, základové půdy nebo odpadních vod.
• HYDROFOBIZOVANÉ CEMENTY - tyto cementy obsahují hydrofobní látku, proto mnohem méně adsorbují vzdušnou vlhkost. Míchají se 2x déle, aby se odstranil ochranný film z částeček cementu a cement začal normálně hydratovat. Hydrofobizovat se mohou všechny cementy kromě síranovzdorného portlandského. V ČR se nevyrábí.
• FUNGICIDNÍ A BAKTERIOCIDNÍ CEMENTY - obsahují látky, které ničí mikroorganismy a plísně. Používají se do skladů a zásobníků v zemědělství a potravinářství kvůli hygienickým požadavkům. V ČR se nevyrábí.
• BÍLÝ CEMENT - vyrábí se ze suroviny s výrazně nižším obsahem barvících oxidů. Obsahuje max. 0,5 % oxidů železa. Používá se na výrobu bílých a barvených omítek, dlažebních bloků, fasádních panelů, pohledových betonů. V ČR se nevyrábí, dováží se ze Slovenska, Dánska a Belgie.Zkušení obkladači ho ke spárování nepoužívají,je totiž barevně labilní a různě reaguje s lepidly.Malá úspora oproti dražším originálním spárovačkám nestojí za riziko zničeného drahého obkladu.
• BAREVNÉ CEMENTY - vyrábějí se z bílých cementů, ke kterým se přidávají pigmenty. Používají se k výrobě barevných betonů. V ČR se nevyrábí.
• BARNATÉ A STRONTNATÉ CEMENTY - u těchto cementů je vápník nahrazen baryem nebo stronciem. Mají velkou odolnost proti mořské a síranové vodě. Betony z těchto cementů nepropouštějí paprsky jaderného záření, proto se používají na kryty reaktorů. Dováží se z Ruska a Francie. V ČR se nevyrábí.
• RYCHLOVAZNÉ CEMENTY - tyto cementy dosahují vysokých počátečních pevností. Používají se ke zkrácení technologické přestávky, kdy je potřeba rychle získat pevnost konstrukce, aby mohla být odbedněna nebo zatížena jinou konstrukcí.
• RYCHLETUHNOUCÍ CEMENTY - jsou to takové cementy, u kterých je doba tuhnutí kratší, než jak předepisuje norma. Začátek tuhnutí je za 30 min a méně. Vyrábí se s menším obsahem sádrovce.

Z historie:(zednická tradice-slang) ciment=pivo, - saprciment=výčepní lihovina (nejlevnější kořalka)

Reference

1. ↑ KINDERSLEY, Dorling. 1001 otázka a odpověd. 1. vyd. Bratislava : TIMY spol. s.r.o., 1996. ISBN 80-88799-24-4. S. 32 a 60.  
2. ↑ Oleson J. P., Brandon C., Cramer S. M., Cucitore R., Gotti E., Hohlfelder R. L. The ROMACONS Project: a Contribution to the Historical and Engineering Analysis of Hydraulic Concrete in Roman Maritime Structures. The International Journal of Nautical Archaeology 33 (2): 199-229, 2004
3. ↑ Česká rozvojová agentura o.p.s. . CLAY Polymers [online]. 2008 [cit. 2010-05-05]. Dostupné z WWW: <http://www.claypolymers.com/cz/clay-polymer/historie.html>.
4. ↑ Charola A. E., Henriques M. A.: Hydraulicity in lirne rnortars revisited. International RlLEM workshop on histroic mortars: characteristics and tests. Paisley, Scotland, 12-14 May, 1999, s. 95-104., 2000
5. ↑ Přikryl R., Novotná M., Weishauptová Z., Šťastná A., Materiály původního zdiva Karlova mostu a jejich skladba, Průzkumy památek XVI, 1/2009, dostupné online
6. ↑ Portland Cement Dust – Hazard assessment document EH75/7, UK Health and Safety Executive, 2006. Dostupné on-line
7. ↑ např. Technický list: Portlandský cement CEM I 52,5 R, Lafarge Cement a. s. Dostupný on-line
8. ↑ Nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1907/2006 ze dne 18. prosince 2006 Dostupné on-line
9. ↑ Bezpečnostní list - Cement podle ČSN EN 197-1, cement pro obecné použití. Lafarge Cement, a. s. Dostupné on-line