Cement: Složení, výroba a použití v souladu s normami

Cement je hydraulické pojivo, tj. jemně mletá anorganická látka, která po smíchání s vodou vytváří kaši, jež tuhne a tvrdne v důsledku hydratačních reakcí a procesů. Po zatvrdnutí zachovává svoji pevnost a stálost také ve vodě. Cementy pro obecné použití jsou vyráběny podle přísných norem - ČSN EN 197-1. Cement lze snadno určit podle norem, které jsou uvedeny u produktu, a tím vybrat ten nejvhodnější typ pro danou práci a stavbu.

Historie a definice portlandského cementu

Název portlandský cement byl odvozen od vzhledu betonu, který se podobal pískovci, jenž se nacházel u anglického města Portland. V roce 1824 byl Johnu Aspdinovi udělen patent na výrobu portlandského cementu.

Portlandský směsný cement je vyroben semletím portlandského slínku, popílku, vápence, síranu vápenatého a případně některých dalších látek. Charakteristické vlastnosti zahrnují kvalitní cement pro běžné profesionální i domácí použití, optimální poměr portlandského slínku, popílku a vápence, nižší celkové hydratační teplo, pozvolný nárůst pevnosti a stálost fyzikálních a chemických vlastností.

Normalizované značení a typy cementů

Účelem této pomůcky je stanovit složení, požadavky a kritéria shody cementů pro obecné použití. Zahrnuje všechny cementy pro obecné použití, které byly příslušnými národními normalizačními orgány v rámci CEN označeny jako tradiční a dobře osvědčené.

Normalizované značení obsahuje dále informace o množství a druhu příměsí, pevnosti cementu v MPa a rychlosti nástupu počáteční pevnosti. 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, která musí vyhovět požadavkům. 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.

Čtěte také: Výroba cementu a vápna: Klíčové milníky

Byly zavedeny druhy, vycházející ze složení a třídění založeného na pevnosti, s cílem zařadit různé cementy. 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. Definice každého cementu zahrnuje poměry složek, jejichž kombinací je možno vyrobit určitou skupinu výrobků v rozsahu devíti pevnostních tříd. Definice zahrnuje rovněž požadavky na složky, které musí být splněny, a mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti. Norma určuje rovněž kritéria shody a postupy pro jejich stanovení.

Příklady typů cementů:

  • Balený portlandský směsný cement CEM II/B-M (V-LL) 32,5 R: Kvalitní cement pro běžné profesionální i domácí použití, příprava běžných betonů a malt. Pevnost v tlaku po 2 dnech: 18 MPa až 22 MPa. Pevnost v tlaku po 28 dnech: 42,5 MPa až 47,5 MPa.
  • Cementy pro obecné použití s nízkým hydratačním teplem (LH).
  • CEM III - vysokopecní cement: Není vhodný na konstrukce, kde je požadovaný rychlý nárůst pevnosti a nutná odolnost proti mrazu.

Počátek tuhnutí a objemová stálost (rozepnutí) musí odpovídat údajům v tabulkách.

Tabulka 1: Třídy normalizované a počáteční pevnosti cementu

Třída normalizované pevnosti Označení Minimální pevnost v tlaku po 28 dnech (MPa) Třída počáteční pevnosti Minimální pevnost v tlaku po 2 dnech (MPa) Minimální pevnost v tlaku po 7 dnech (MPa)
32,5 32,5 L 32,5 L (nízká) - 10
32,5 32,5 N 32,5 N (normální) - 16
32,5 32,5 R 32,5 R (vysoká) 10 -
42,5 42,5 L 42,5 L (nízká) - 10
42,5 42,5 N 42,5 N (normální) 10 -
42,5 42,5 R 42,5 R (vysoká) 20 -
52,5 52,5 L 52,5 L (nízká) - 20
52,5 52,5 N 52,5 N (normální) 20 -
52,5 52,5 R 52,5 R (vysoká) 30 -

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 dodatečná opatření při jejich použití, jako je prodloužení doby bednění a ochrana při škodlivém počasí. Cement s vyšší hodnotou hydratačního tepla je pro některá použití vhodný. Cementy pro předpínané prvky mohou být vyráběny s nižší požadovanou hodnotou hydratačního tepla.

Síranovzdorné cementy pro obecné použití musí odpovídat dodatkovým požadavkům. Tyto požadavky jsou uvedeny jako procenta hmotnosti v hotovém cementu nebo slínku. Pro určené aplikace mohou být cementy CEM I-SR 5 vyrobeny s požadavkem na vyšší obsah síranů. V tomto případě musí být uvedena číselná hodnota tohoto požadavku na vyšší obsah síranů v průvodní informaci. Zkušební metoda pro stanovení C3A v hotovém cementu je vyvíjena v CEN/TC 51. Pouze v případě cementu CEM I je povoleno vypočítat obsah C3A ve slínku z chemického rozboru tohoto cementu. Obsah C3A musí být vypočítán podle vztahu: C3A = 2,65A - 1,69F.

Čtěte také: kvalitní stavební materiály z betonárny ve Vyškově

Složky cementu a jejich vliv na vlastnosti

Cementy CEM jsou složeny z různých látek a ve svém složení jsou statisticky homogenní. 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. 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).

Hlavní složky cementu:

  • Portlandský slínek: Vyrábí se 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. 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.
  • Granulovaná vysokopecní 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.
  • 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 (viz také definice podle ČSN EN 450-1). 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 (Al203). Ve zbytku je pak obsažen oxid železitý (Fe203) a jiné sloučeniny.
    • 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 (Al203). Ve zbytku je pak obsažen oxid železitý (Fe2O3) a jiné sloučeniny.
  • 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.

Doplňkové složky a přísady:

  • 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. Síran vápenatý 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: Pro účely této normy 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.

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. 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.

Výrobní proces a mletí cementu

Jedním z klíčových kroků ve výrobním procesu cementu je mletí. Tradiční mletí v trojkomorovém mlýně je časově a energeticky náročné. Příspěvek je věnován alternativnímu způsobu mletí, kterým je vysokorychlostní mletí s cílem redukce mlecího času a energie. Před uskladněním v krytých halách dochází k předrcení slinku na částice o velikosti 5 až 10 mm. Drcení probíhá v kuželovém nebo odrazovém drtiči. Následné odložení trvá okolo tří týdnů.

Mlýn pro mletí slinku je většinou komorový kulový mlýn. Důležité je správné plnění mlecími tělesy a surovinou. Dále se používají mlýny oběhové, ve kterých se mele na uzavřený okruh a výmel je tříděn ve větrném třídiči a nedomleté částice se vracejí zpět do mlýna, kde se dále melou. Mletí je energeticky náročný proces. Na 1 tunu cementu je potřeba 20-30 kWh. Pro snížení spotřeby energie se do cementu přidávají aktivátory mletí. Tyto látky spoří energii až o 35 %. Na mletí slinku se sádrovcem se spotřebuje přibližně 1 % energie, zbytek se přemění na teplo. Účinnost mletí se udává v desetinách procenta. Dochází k výraznému ohřevu cementu, a to až na 180 °C. Cement v mlýnici je chlazen proudem vzduchu, který zároveň odvádí páry vzniklé rozpadem sádrovce. Nejvhodnější velikost částic je 5-35 μm. S rostoucí jemností meliva se zvyšuje množství spotřebované energie a výkon mlýna značně klesá.

Výzkum a optimalizace mletí

Jako výchozí suroviny pro přípravu portlandského cementu byly zvoleny slinek z cementárny Mokrá a chemosádrovec z Prechezy a.s. Přerov, jenž se vyznačuje vysokou čistotou a bílou barvou. Jako referenční vzorek byl zvolen cement CEM I 42.5 R z produkce cementárny Mokrá. Následně byly základní suroviny dostatečně homogenizovány po dobu 24 hod. Po homogenizaci byly uloženy do laboratorního kulového mlýna (BRIO OM 20), kde se předemlely na výchozí měrný povrch 300 m2/kg.

Čtěte také: Cement: Podrobný průvodce

Takto připravený vzorek byl rozdělen do dvou šarží. První šarže byla pomleta vysokorychlostním kolíkovým mlýnem - desintegrátorem DESI osazeném rotory SR PV. Následně byla zjištěna hodnota měrného povrchu. Druhá šarže byla pomleta na odpovídající měrný povrch, tj. 380 kg/m2, pomocí kulového mlýna. Morfologie zrn byla stanovena pomocí skenovací elektronové mikroskopie SEM. Distribuce částic byla určena pomocí laserového granulometru Malvern Mastersizer 2000 ve vzdušném disperzním prostředí. Mineralogické složení po 7 a 28 dnech hydratace bylo určeno rentgenové difrakce REM. Pomocí diferenčně termické analýzy DTA analýzy bylo určeno množství CaO.

Z mikroskopických snímků je patrné, že při domletí došlo ke značnému zmenšení zrn. Částice mleté v dezintegrátoru i v kulovém mlýně mají krychlový až kulovitý tvar. Křivka zrnitosti byla stanovena pomocí laserového granulometru. Z grafů je patrné, že průběh granulometrie je u kulového mlýnu i u dezintegrátoru prakticky stejný. Pomocí RTG analýzy byl sledován hydratační proces u vzorků mletých na kulovém mlýně a dezintegrátoru ve stáří 7 a 28 dní. Z rentgenogramu při 7denním zrání jsou patrné shodné velikosti píku jednotlivých minerálů. U vzorků z 28denního zrání je na detail píku viditelný větší podíl portlanditu u vzorku mletém na vysokorychlostním dezintegrátoru. Z DTA analýzy bylo vypočteno množství CaO. Z vypočtených hodnot je patrné, že nejvyšší obsah CaO při 28denním zrání má komerčně vyráběný cement. Nejnižší hodnota byla zjištěna u vzorku mletém na kulovém mlýně.

Z naměřených hodnot je patrné, že druh mletí neměl zásadní vliv na vývoj pevností. Nicméně, největší rozdíl byl v mlecím čase a spotřebované energii. Při mletí na srovnatelný povrch, vysokorychlostní dezintegrátor ukazuje výhody vůči kulovému mlýnu, a to z časového i energetického hlediska. Jednou z možností, jak snížit energetickou náročnost mletí je využití mechano-chemické aktivace pomocí vysokorychlostního dezintegrátoru. Důvodem, proč nebylo této technologie hojně využíváno v minulosti, je složitá konstrukce mlýnů a nesnadná údržba. Z výsledků provedených zkoušek plyne, že použitím dezintegrátoru lze vyrobit cement, který má stejné vlastnosti jako komerčně vyráběný. Předpokladem perspektivního využití je výroba směsných cementů. Použití této metody je však potřeba hlouběji prozkoumat.

Použití cementu v praxi

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. K dopravě betonových směsí používáme autodomíchávače značek MAN, IVECO, MERCEDES aj. o objemu 6-8m3. Berte na vědomí, že dopravu pro suché/zavlhlé směsi (např. potěry/mazaniny) nenabízíme, ale na vyžádání můžeme doporučit naše partnery. Pokud potřebujete uložit beton na větší vzdálenost, popř. do výšky, zvolte možnost čerpání betonu. Do pole „Specifikace betonu“ uveďte vzdálenost, na kterou chcete beton čerpat.

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. Specifikace (pevnost) betonu najdete v projektové dokumentaci.

Kvalitní cement pro běžné profesionální i domácí použití je určen pro přípravu běžných betonů a malt. Specifikace betonů (C25/30 apod.) nelze brát jako doporučení bez konzultace s projektovou dokumentací.

tags: #co #je #cement #počet #stran

Oblíbené příspěvky: