Výroba cementu a vápna: Od pravěku po dekarbonizaci

Přestože se beton ve stavebnictví používá ve větším měřítku teprve v posledních staletích, je známý už tisíce let. Cement, který lidé poprvé použili k přípravě betonu, "vynalezla" příroda. Lidé jej mohli pouze nalézt a následně v cementárnách napodobovat.

Historie a vývoj pojivových materiálů

Pravěkým předchůdcem stavebních hmot byl minerál anhydrit - bezvodý síran vápenatý, po jehož smísení s vodou vznikla rychle tuhnoucí hmota. Poprvé byl použit před osmi tisíci lety v mladší době kamenné (neolitu), v oblasti dnešní Palestiny.

V kolébce prvních maltovin, Mezopotámii (dnešní Irák), se již od čtvrtého tisíciletí před naším letopočtem v oblasti hlinitých naplavenin řek Eufratu a Tigridu staví z nepálených cihel. Bahno z naplavenin obsahuje vodou rozpustné sírany a chloridy vápníku, sodíku, hořčíku a jiných prvků. Nepálené cihly a omítky, které se z něj vyrobí, jsou na povrchu pevné a tvrdé, neboť se tyto minerály vzlínáním vody vynášejí na povrch a při vysychání vody vytvářejí krustu.

Přibližně v téže době starověcí obyvatelé Mezopotámie a severní Sýrie objevili výrobu pálené sádry z přírodního sádrovce. Sádra se používala zejména na omítky a štukovou výplní na zpevnění podlah starověkých chrámů.

Do tohoto období zapadá i objev páleného vápna. K jeho rozšíření však došlo mnohem později, neboť se při pálení vápence spotřebovalo daleko více dřeva, příprava malty byla komplikovanější a doba tuhnutí delší.

Čtěte také: kvalitní stavební materiály z betonárny ve Vyškově

Přímým předchůdcem dnešního cementu byla přírodní hlinka, kterou koncem třetího století před naším letopočtem našli starověcí Římané u své osady Puteoli (část dnešní Neapole). Tato hlinka zvaná puzzolano vznikla přírodní cestou vypálením slínu (vápnitého jílovce) žhavou lávou tekoucí z blízké sopky a jeho další přeměnou působením horkých roztoků. Římané připravovali beton smísením puzzolana s trochou páleného vápna, písku a vody.

Po zániku římské říše v pátém století našeho letopočtu výroba betonu z puzzolana ustala. Vzpomínku na vynikající stavivo oživil až roku 1756 Angličan John Smeaton, když při stavbě majáku u Eddystonu použil směs drceného vápence s místním přírodním hydraulickým pojivem, které se podobalo puzzolanu. Hloubaví angličtí Smeatonovi konkurenti se vzápětí pokusili toto pojivo vyrobit uměle. Vypálením portlandského slínovce a jeho následným rozemletím byl roku 1796 vynalezen portlandský cement.

Výroba vápna

Výroba vápna tvoří přibližně 1 % světových emisí CO2. Vápno nachází uplatnění v řadě průmyslů, stavebnictví, zemědělství, papírnictví, potravinářství nebo při čištění pitné vody. Největší množství se pak využívá v ocelářském průmyslu, kde slouží při zpracování surového železa na ocel. Dvě třetiny emisí vznikají u výroby vápna procesem kalcinace, stejně jako u cementu. Tento proces přeměny v současnosti není možné přímo nahradit jiným, emisně méně náročným.

Historické metody výroby vápna

Nejstarším způsobem výroby vápna bylo pálení vápence v otevřených zemních pecích. V oblasti Železných hor se zbytky podobné pece zachovaly západně od obce v údolí potoku Dehetník. Tvar pece byl většinou šachtový. Pec byla stavěna z kamene, později byla uvnitř používána i žáruvzdorná vyzdívka.

Před samotným pálením bylo nutno kámen připravit, čemuž se říkalo "tluče pec". Kámen se palicemi rozbíjel na větší a menší ploché kusy, které se následně "rovnaly". Rovnání provádělo nejčastěji dvo lidí, lépe se však dělalo ve třech. Ti stáli v peci a tak, aby měli obě ruce volné, zarovnávali je kolem dokola na pelíšku. Směrem nahoru se pec zúžovala. Vrch pece byl pak zasypán drobným vápencem, aby nedocházelo k zbytečnému úniku tepla a žár působil rovnoměrně v celém prostoru. Důležitá byla i volba ročního období.

Čtěte také: Cement: Podrobný průvodce

Po naplnění se topeniště vytvořilo z vhodně zvolených do klenby poskládaných kusů suroviny. Zbylý prostor se pak volně doplnil. Jako palivo bylo používáno dřevo, později také uhlí. Po ukončení vypalování se pec nechala vychladnout, vybralo se vápno, poskládala nová vsázka a znovu se pálilo. Zůstávaly dlouho temně červené. To bylo znamení, že je vápno vypáleno. Poté se musela pec nechat vychladnout a vápno se začalo odshora rozebírat.

Moderní výroba vápna: Kruhové a šachtové pece

V roce 1858 si nechal berlínský stavitel Bedřich Hoffmann patentovat kruhovou pec. Technologie kruhového výpalu znamenala velký převrat ve vápenickém a cihlářském průmyslu. Původně měla kruhová pec skutečně kruhový půdorys. Teprve později získala přidáváním dalších komor tvar oválný. Vápno se v kruhové peci vyrábělo poprvé až v roce 1864 po jejím zdokonalení. U nás byla první kruhová vápenná pec postavena v roce 1868 v Přerově.

Peciště tvořil souvislý kanál, který umožňoval nepřetržitý postup ohně. Zdivo pece mělo v určitých vzdálenostech vyvážecí a zavážecí otvory, které rozdělovaly pec na několik komor. Ty byly za provozu zazděny dvojitou zídkou. Vnitřní zídka byla provedena ze žáruvzdorných cihel. Každá komora byla opatřena odtahovým otvorem, který byl veden kanálem pod podlahou komory do centrálního sběrače spalin, do kterého také ústil komín pece. Ve sběrači spalin byly zvonové uzávěry, kterými se dal přívod spalin z komory regulovat nebo případně uzavřít. Palivo se do pece přikládalo otvory v klenbě, sypáky, které se uzavíraly litinovými poklopy. Pod sypáky byly z lámaného vápence vystavěny topné šachtice, ve kterých se vsypávané palivo spalovalo.

Šachtové pece byly používány asi od roku 1870. Jejich zažitý název "pacoldovky" připomíná profesora české techniky J. Pacolda. Šachtové pece byly schopny pracovat nepřetržitě, nahoře se sypal vápenec, dole přikládalo a vyhrabovalo vápno. Vypalovaný vápenec postupoval od horní násypky svislým pohybem od vrchní části ke spodku. Průměr pece byl z důvodu dobrého vypalování při kruhovém průřezu topeniště maximálně 2.5 m. Pro dosažení většího výkonu se stavěly pece s topeništěm oválným. Pec byla asi v 1/3 její výšky, která zpravidla nepřesahovala 14 m, opatřena topeništi s většinou vodorovnými rošty na spalování paliva. Jako palivo se používalo dřevo i uhlí.

Samostatně stojící pec měla nejčastěji tři topeniště. Často se stavěly také jako dvojité - dvě vedle sebe - a každá z nich pak měla topeniště čtyři. Vzduch, potřebný ke spalování, byl nasáván přes popelníky topenišť. Otvory pro vyhrabování vypáleného vápna, umístěné o něco níže než topeniště, byly správně utěsněny železnými dvířky. Vyhrabávané vápno bylo značně horké.

Šachtové pece jsou pro výrobu vápna používány i dnes. Používají se ve dvou provedeních. První variantou je pec s vnějším topením, kdy je jako palivo použit plyn a jeho spalování probíhá v několika řadách hořáků v různé výšce. Druhou je pak pec s vnitřním vytápěním, kdy se plní směsí vápence a paliva. Některé moderní vápenky pracují tak, že přivádějí do pece jen plyn, který se vhání do styku s horkým vzduchem.

Historické vápenky ukončily provoz v 60. letech 20. století.

Výroba cementu

Cement (respektive běžný portlandský cement) obsahuje kromě oxidu vápenatého (CaO) i další oxidy, například oxid křemičitý (SiO2), hlinitý (Al2O3) nebo železitý (Fe2O3). Při tuhnutí portlandského cementu se uplatňuje reakce oxidů s vodou (hydratace). Smícháním cementu, vody a kameniva (písku, štěrku) vzniká beton (respektive cementový beton), který je ideální pro stavbu základů, stěn, sloupů a dalších struktur.

Nově objevený proces výroby cementu se dále zdokonaloval. Dnes rozeznáváme cementy jednosložkové a vícesložkové, které se podle použití dělí na cementy stavební, zubní, laboratorní, sochařské a další. Na stavbě může být podle technologických požadavků použit cement portlandský, struskový, trasový, síranový, sádrostruskový atd.

Slínek je hlavní složka cementu a získává se vypálením vápencového slínu při teplotách vyšších než 1450 °C v rotační peci. Cement se poté vyrobí namletím slínku spolu s dalšími složkami. Složky cementu mohou snižovat emise skleníkových plynů. Například při výrobě cementu s 30procentním podílem jiné složky než je slínek vznikne až o 27 % emisí CO2 méně. Hlavními složkami mohou být např. přírodní vápenec, vysokopecní struska, nebo popílek, což jsou vedlejší produkty výroby železa a elektrické energie. Za určitých podmínek tyto složky mohou mít pozitivní vliv na konečné vlastnosti cementu.

Požadovaná směs základní suroviny a korekčních přísad je v surovinové mlýnici rozemleta na jemnou surovinovou moučku. Hotový slínek je uskladněn v silech. Cement se poté vyrobí namletím slínku spolu s dalšími složkami.

Cement byl patentován v Československé republice 1. 6. inženýrem M. Wogel-Jörgensenem z Dánska.

Dekarbonizace minerálního průmyslu

Cement, vápno a sklo jsou tři hlavní produkty emisně náročného sektoru - tzv. minerálního průmyslu. Jeho dekarbonizace nebude snadná, protože nestačí pouze nahradit fosilní paliva při spalování, velká část emisí vzniká také při chemických reakcích během výroby, zejména u cementu a vápna. Bez cementu, vápna a skla se společnost neobejde a světová poptávka po těchto produktech bude v následujících letech nejspíše růst.

Dekarbonizace výroby vápna

Podobně jako u cementu nelze ani u vápna do budoucna očekávat pokles spotřeby, především pak kvůli zmíněné oceli, na jejíž výrobě se vápno podílí a jejíž využití má do budoucna stále růst. Stejně jako u cementu představuje i zde CCS (Carbon Capture and Storage) nejvýznamnější způsob snížení emisí. Lze využít vodík jako palivo, které by znamenalo snížení emisí CO2 až o třetinu. Dosažení minimálního znečištění ze spalování je ale podmíněno fungováním pecí výhradně na vodík a také dostupností nízkoemisního vodíku.

Dekarbonizace výroby cementu

Při produkci cementu vzniká 60 % emisí CO2 při chemické reakci, která se nazývá kalcinace. Působením tepla se vápenec rozkládá na oxid vápenatý a oxid uhličitý. Vzhledem k postupující urbanizaci a s ní související výstavbě není výrazné snížení poptávky po cementu do budoucna pravděpodobné.

U dekarbonizace výroby cementu hraje zachytávání CO2 pomocí technologie CCS a jeho následné uložení či využití hlavní roli. Zařízení na CCS dovede zachytit 90-95 procent emisí dané cementárny a jedná se tak o hlavní technologii dekarbonizace cementu, bez které se uhlíkové neutralitě nelze přiblížit. Většina zachyceného CO2 by byla uložena v podzemních geologických formacích, ale část lze uložit i v samotném betonu, např. formou přimíchání nebo v rámci procesu vytvrzování. Takto přidaný oxid uhličitý mineralizuje do podoby stabilních uhličitanů a je díky tomu zadržen na dlouhou dobu. V roce 2050 může technologie CCS či beton vytvrzený uhlíkem představovat přibližně polovinu snížení emisí ve srovnání s emisemi z cementu, který se vyrábí dnes.

Z ekonomických důvodů CCS nebude tvořit jediné řešení a ke snížení emisí dojde i jinými způsoby:

• Recyklace betonu: V současné době není recyklace betonu příliš běžná. Jejímu širšímu využití by napomohly změny některých principů při stavbě i navrhování staveb, které by zároveň vedly k nižší spotřebě zdrojů.
• Nahrazení betonu: Lze méně stavět z betonu a místo toho používat například dřevo.
• Alternativní úsporná řešení: Hovoří se například o 3D tisku budov, které zatím nelze aplikovat ve velkém měřítku. Jako schůdnější cesta se jeví využití menších modulárních jednotek, které byly předvyrobeny v továrnách. Ty by do stavebnictví přinesly větší efektivitu, a tedy opět ušetřily emise i finance.
• Digitalizace stavebnictví (BIM): Díky lepšímu přehledu o celé stavbě bude vznikat méně odpadu a pravděpodobně bude potřeba i méně betonu.

Výzkum a inovace v dekarbonizaci cementu

Cementářský průmysl vytváří až 8 % celosvětové produkce CO2. Odborníci z Fakulty chemické a Fakulty strojního inženýrství VUT proto testují způsob, jak snížit emisní zátěž provázející výrobu cementu. Jako příměs k portlandskému slínku použili upravený separát diatomitu. Laboratorní zkoušky ukázaly, že nový materiál má vlastnosti srovnatelné s tradičními cementy.

Výroba cementu je energeticky náročný proces. Výzkumníci proto hledají způsoby, jak jeho produkci udělat efektivnější a ekologičtější. Nejrozšířenějším typem cementu je aktuálně portlandský cement. Vyrábí se zpravidla pálením vápence společně s dalšími příměsmi. Vzniká tak portlandský slínek, ke kterému se následně v procesu mletí přidává sádrovec. Při tomto procesu vzniká oxid uhličitý hned dvěma způsoby. Poprvé je to při samotném pálení vápence, kdy se při zpracování 100 kg vápence uvolní až 44 kg CO2. Výsledná emisní zátěž je pak mnohem vyšší - jedna malá cementářská pec vyrobí okolo 1 000-1 200 tun portlandského slínku denně.

Výzkumníci z FCH VUT ve spolupráci s FSI VUT začali zkoumat a testovat možnosti, jak připravit příměs vhodnou k portlandskému slínku. Křemelina je sypká přírodní hornina tvořená schránkami rozsivek - jednobuněčných řas. Jedno z nalezišť křemeliny se nachází v Borovanech na jihu Čech. Odpadní křemelinu je možné upravit výpalem na přibližně 400 až 600 °C v peci. Vznikne kalcinovaný diatomitový separát, který se při mletí přidá k portlandskému slínku.

V roce 2021 se v Česku vyrobilo více než 4 700 kilotun cementu, přičemž se vyprodukovalo přibližně 3 100 kilotun oxidu uhličitého. Laboratorní zkoušky v rotační peci FSI VUT potvrdily, že diatomitový separát lze zpracovávat i ve větším množství. Výzkumný tým společně s doktorandkou Valerií Iliushchenko surovinu použil k testování experimentálních cementů, které by v budoucnu mohly mít nižší enviromentální zátěž. Zjistili, že cement s kalcinovaným diatomitovým separátem splňuje normami požadované nároky na pevnost materiálu. Materiál je navíc velmi stabilní i chemickým složením.

Tabulka: Přehled emisí a možností dekarbonizace v minerálním průmyslu

tags: #výroba #cementu #pálení #vápence

Oblíbené příspěvky:

• Vlastnosti a využití mléčných barev
• OSB desky na schodiště
• Využití březového dřeva
• Pexeso z dřevěných kolíků
• Kvalitní řezivo pro stavbu