Cement: Historie, inovace a budoucnost stavebního materiálu

Cement představuje všudypřítomný stavební materiál, jehož současnou podobu máme tendenci považovat za samozřejmost. Jeho využití ve stavebnictví má však tisíciletou historii, během ní prošel celou řadou změn a vylepšení. V současné době se cement stále vyvíjí a testují se jeho nové formy.

Počátky moderního cementu

Cement byl pro stavební účely vyráběn již ve starověku za použití místně dostupných zdrojů. Sledujeme-li historický vývoj materiálu na bázi hydraulických pojiv (pojiv, která tuhnou a tvrdnou pod vodou), nalézáme první stopy již ve starověku. Kolem roku 1000 př.n.l. stavěli Féničané v Jeruzalémě velké vodní cisterny a vodovodní přivaděče, a to s použitím částečně hydraulických malt získaných smísením vápna a rozdrcených cihel. Egypťané využívali při jeho výrobě sádru, zatímco Řekové a Římané mísili vápenec s pískem.

Na tyto znalosti navazovali Řekové, kteří ve 2. století př.n.l. načali používat novou zdicí techniku. Masivní zeď byla tvořena dvěma lícovými stěnami z tesaného kamene, různě široká mezera mezi nimi byla pak vyplňovaná litou maltou, prokládanou lomovým kamenem. Byli to právě Římané, kteří zjistili, že přidáním dalších materiálů změní vlastnosti výsledného cementu. Jeden z těchto přídavných materiálů, jenž zlepšoval vlastnosti cementu, byl sopečný popel známý jako pucolán. Díky němu se cement stal voděodolný a proto vhodný pro budování přístavů. Ve skutečnosti je beton vyrobený z cementu s aditivem sopečného popele daleko odolnější vůči slané vodě než beton používaný dnes.

Používání hydraulických malt mimořádně propracovali a rozvinuli Římané. Od Řeků převzali emplekton, který nazývali „opus caementum“. Tento termín v dalším vývoji změnil mnohokrát významový smysl, až se názvem cement začala označovat novodobá hydraulická pojiva. Římské lité zdivo obsahovalo drcený kámen nebo štěrk s maximálním zrnem obvykle do 70 mm, který byl důkladně promíchán s maltou skládající se z hydraulického pojiva, které bylo tvořeno směsí vápna a cihelné moučky, nebo sopečného tufu. I když římský beton nebyl srovnatelný s dnešním betonem, byl to materiál, který Římanům umožnil realizovat řadu velkolepých staveb.

Rozvoj průmyslové výroby a portlandský cement

Rozvoj průmyslové výroby v Západní Evropě během 17. a 18. století a z něj vyplývající vzrůst stavebních činností oživil zájem o přírodní hydraulická pojiva. Do Nizozemska, které budovalo mořské hráze, byl dovážen tras (mletá tufová hornina sopečného původu) z pohoří Eifel. Vytěžené tufové horniny byly loděmi po Rýně dopravovány do Holandska, kde byly ve speciálních větrných mlýnech drceny a v sudech pak dodávány na trh. Poptávka po tomto částečně hydraulickém pojivu však neustále stoupala. V současnosti nejběžněji využívaný cement, tzv. portlandský cement, se k nám však dostal z úplně jiného zdroje. Vyvinul se z cementů, jenž se používaly ve Velké Británii v první polovině 19. století.

Čtěte také: Xiaomi Air Fryer 6.5L – test

Zlom v hledání tajemství umělé hydraulicity přináší činnost J. Smeatona (1724 - 1792). Teprve však v roce 1791 vydává o této stavbě knihu, ve které odhaluje výsledky svých prací. Prvním dogmatem, které popřel, bylo tehdejší tvrzení, že kvalita páleného vápna souvisí s tvrdostí vápence. Došel k závěru, že „pevnost zatvrdlého vápna musí záviset na jiných vlastnostech vápence, než je jeho tvrdost“. Tím Smeaton nalezl klíč k poznání základních tajemství hydraulicity.

V roce 1796 přihlašuje J. Parker, inspirovaný pravděpodobně Smeatonovou knihou z roku 1791, anglický patent, v němž popisuje postup drcení a pálení vhodné vápencové suroviny s přiměřenou příměsí hliněných součástí. Výsledek byl nazván románským cementem. Tento typ materiálu se stal na více než půl století převažujícím typem komerčně dostupného hydraulického pojiva. Pojivo bylo oblíbené mimo jiné i při zdění, protože je nebylo třeba hasit. Velmi rychle tuhlo (za 10 až 20 minut) a mělo také velmi dobré hydraulické vlastnosti.

Na počátku 19. století přinesly shrnutí tehdejších teoretických vědomostí práce Vicatovy (1786 - 1861). V roce 1818 Vicat přihlašuje anglický patent. Podle něj se k výrobě umělého hydraulického vápna použije směs jednoho až dvaceti dílů hlinitých složek a sto dílů vápence, křídy nebo vápna. Pokrok v každé lidské činnosti je však výslednicí úsilí desítek a stovek lidí. Dodnes se nám dochovaly především ty myšlenky a realizace, které představovaly ve své době komerční úspěch. To se týká i dalšího jména J. Apsdina (1778 - 1855), uváděného často jako vývojový mezník. Roku 1824 přihlašuje patent s názvem „Zlepšení ve výrobě umělého kamene“. Sám patent nepřináší principiálně nové poznatky a vyráběný cement měl velmi nerovnoměrnou kvalitu, i když v průměru pravděpodobně převyšoval cementy románské. V tomto období činilo výrobcům velkou potíž zajistit stabilně správné složení výchozí suroviny, a to především s ohledem na obsah CaO, SiO2 a Al2O3. Proto se často stávalo, že po vypálení musela být celá vsázka vyhozena. V roce 1825 založil Apsdin továrnu, v níž vyráběl pojivo pod obchodním názvem „portlandský cement“.

Teprve I. CH. Johnson (1811 - 1911) dovršuje úsilí mnoha generací a v roce 1844 dochází k poznatkům o nutnosti pálení suroviny až na mez slinutí. Na přelomu první a druhé poloviny 19. století tak nastává situace, kdy teoreticky je výroba cementu, rámcově již srovnatelného s cementy dnešními, zvládnuta. Výroba je však pochopitelně poplatná tehdejšímu strojnímu vybavení. Pálilo se v šachtových pecích (rotační pece vynalezené Ransomem roku 1885 byly průmyslově zavedeny až ve 20. století). V 50. letech 19. století se rozbíhá výroba portlandského cementu v Německu i v Rakousku, na trhu se však objevují pojiva nejrůznější kvality.

Základní poznatky a principy související s výrobou cementu shrnul ve své práci V. Michaelis. 110 let po dokončení Eddystonského majáku jsou obecně k dispozici přesné znalosti o způsobu výroby cementu, z něhož lze vyrobit beton s minimální pevnosti po 28 dnech vyšší než 10 MPa, jehož pevnost v čase dále významně narůstala. Práce Michaelisovy jasně ukázaly nejen na nezbytnost správného sestavení suroviny, ale i na nutnost pravidelného zkoušení vyrobeného cementu. Výsledkem těchto snah bylo 24. ledna 1877 založení Spolku německých výrobců cementu, který sdružoval 24 firem. V jeho rámci vznikla pak první norma, formulující ustanovení týkající se vlastností a kvality dodávaného portlandského cementu. Tato první norma definuje pojem normové malty, z níž se zhotovovala zkušební tělesa. Skládala se z jednoho dílu cementu a tří dílů tzv. normového písku s poměrem vody k cementu 0,4. Tělesa se zkoušela po 28 dnech, z toho jeden den uložení na vzduchu, dále pak ve vodě. Teprve norma z roku 1887 předepisuje i zkoušení pevnosti v tlaku.

Čtěte také: Výroba cementu a vápna: Klíčové milníky

Vývoj železobetonu

Paralelně s vývojem a výrobou cementu šla ruku v ruce i výroba a teorie betonu a jeho vyztužování. Mezi průkopníky betonových staveb patří Francouz F. Coigniet (1814 - 1888). Ve svém patentu z roku 1855 formuluje řadu zásad, jejichž realizace má umožnit, aby se z betonu stal konkurenčně schopný konstrukční materiál. Zdůrazňuje potřebu důkladného hutnění čerstvého betonu, požaduje, aby do betonové směsi bylo přidáváno minimální množství vody, navrhuje využití strojů pro drcení kameniva i míchání betonové směsi, považuje za nezbytné používání vícenásobně použitelného bednění. Ve smyslu dnešních patentových zvyklostí nešlo o technologické novinky, ale spíše o shrnutí nejdůležitějších zásad uceleného systému, který umožňoval zprůmyslnění výroby betonu. Na Světové výstavě v Paříži roku 1855 chtěl Coigniet vystavovat celobetonový dům, nakonec vystavuje pouze některé betonové konstrukční prvky. V témže roce buduje v Paříži soukromý obytný dům s plochou betonovou střechou - terasou. V případě střešní terasy, která sestává z betonových desek tloušťky 27 cm musí řešit i otázku její dostatečné únosnosti. Proto navrhuje do desky výztuž z 12 cm vysokých I nosníků vzdálených od sebe 1 metr. Únosnost této konstrukce byla v roce 1862 stanovena na 1500 kg/m2. V roce 1861 zakládá Coigniet v Paříži podnik, který provádí betonové kanalizační stavby, stavby opěrných zdí, základy, sklepy. V roce 1867 staví Coigniet šestipodlažní, dodnes zachovaný betonový dům a 1,5 km dlouhý betonový akvadukt. Podobně jako ve Francii se i v Anglii v průběhu celé první poloviny 19. století pokračuje ve výzkumu.

Častá interpretace dějin vývoje železobetonu podle naší odborné literatury považuje za klíčovou osobu Francouze J. Moniera (1823 - 1906). Jak vyplývá z tohoto textu, byl však ve své době jedním z mnoha, kteří usilovali o řešení tradičních stavebních úkolů netradičními prostředky. Nevynalezl železobeton, ale osobní energií a podnikavostí přispěl k jeho popularizaci a rozšíření. Výjimečný byl jeho význam při pronikání železobetonu do Německa a Rakouska - Uherska, Ruska i Skandinávie. Jeho komerčně úspěšné patenty ovlivnily vývoj železobetonu v těchto oblastech na dlouhá desetiletí. Dodnes je i v našem odborném názvosloví dochováno jeho jméno označující tenkou železobetonovou příčku (monierka). Jeho základní patent pochází z roku 1867. Následně přihlašuje řadu dalších patentů, např. patenty na železniční pražce (1877). Je zřejmé, že Monier neuvažoval o statickém spolupůsobení betonu a oceli. Výztuž umísťoval do osy vyztužovaných průřezů, a i když v 80. letech 19. století bylo již toto spolupůsobení teoreticky objasňováno.

V roce 1885 především zásluhou M. Koenena (1849 - 1924) se vytváří první teorie interpretující působení vnitřních sil v železobetonovém průřezu. Již v roce 1886 ověřuje svou teorii pokusy s deskami o rozpětí 1 m, šířce 0,6 m a tloušťce 5 cm. Celková průřezová plocha výztuže byla 3 cm2. Jedním z nejznámějších dovršitelů aplikačních možností železobetonu je Francouz F. Hennebique (1842 - 1921).

Hennebique se usídlil v Bruselu, kde vedl stavební firmu, která využívala Monierův patent. V 80. letech konal Hennebique pokusy, protože ho dosavadní Monierův systém, založený na kombinaci ocelových sloupů a železobetonové desky, neuspokojoval. Navíc chtěl být bezpochyby patentově nezávislý. Později Hennebique vynaložil velké úsilí, aby dokázal, že nebyl ovlivněn paralelním úsilím Hyatta, Coigneta, Weysse, Koenena a dalších. V roce 1892 přihlašuje Hennebique svůj první patent. Typickým znakem Hennebiqova systému je důsledná monolitičnost celé konstrukce, což z hlediska statiky mimořádně zvyšuje její tuhost a únosnost. Tato tuhost byla zvláště výhodná pro tovární objekty, v nichž rozvoj hnací energie byl realizován transmisemi upevněnými na stropní konstrukci. Zároveň se rok 1900 považoval za významný předěl ve vztahu odborníků, podnikatelů i veřejnosti k železobetonu. Nedůvěra a pochyby definitivně ustupují a dochází k prudkému rozvoji železobetonu v oblasti praktických aplikací i v oblasti teoretické.

Současné inovace a ekologičtější beton

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. 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.

Čtěte také: kvalitní stavební materiály z betonárny ve Vyškově

Vědci z massachusettského technologické institutu (MIT) objevili způsob, jako učinit portlandský cement odolnější a zároveň šetrnější k životnímu prostředí. Konvenční vzorec cementu zahrnuje něco mezi 1,2 až 2,2 dílu vápníku na každý 1 hmotnostní díl oxidu křemičitého, přičemž 1,7 dílu vápníku představuje standard. Výzkumníci z MIT ovšem zjistili, že snížením obsahu vápníku na 1,5 dílu dvojnásobně zvýší odolnost výsledného betonu vůči trhlinám. Snížení poměru vápníku ke křemičitanu by nejen vytvořilo silnější a lepší beton, ale také by to mělo za následek snížení emise oxidu uhličitého až o 60%. Vzhledem k tomu, že je výroba cementu zodpovědná za 5 až 10% světové produkce oxidu uhličitého, představuje jeho nová forma značnou úlevu pro životní prostředí.

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 Fakulty chemické VUT v Brně (FCH VUT) proto ve spolupráci s tamější Fakultou strojního inženýrství (FSI VUT) začali zkoumat a testovat možnosti, jak připravit příměs vhodnou k portlandskému slínku. Výsledný cement totiž musí vyhovovat stanoveným normám. 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, při čemž 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 jsme, že cement s kalcinovaným diatomitovým separátem splňuje normami požadované nároky na pevnost materiálu. Otestovali jsme to na větších tělesech a výsledky byly výborné. Materiál je navíc velmi stabilní i chemickým složením.

Praktické rady mistra zedníka Jana Kučery

Ing. Mistr zednického řemesla Jan Kučera strávil na stavbách přes čtyřicet let. Během své kariéry vedl party chlapů na těch nejsložitějších projektech, od obrovských průmyslových hal až po precizní rekonstrukce historických budov. Za svůj život namíchal a uložil tisíce kubíků betonu a zjistil, že dokonalý výsledek není o štěstí, ale o pochopení toho, jak tento materiál funguje.

Hydratace betonu

Základním kamenem jeho praxe je pochopení samotného procesu tvrdnutí. Většina laických stavebníků si myslí, že beton zkrátka uschne. To je ale podle pana Kučery základní omyl. Beton totiž neschne, ale chemicky krystalizuje prostřednictvím reakce zvané hydratace. Voda se v něm neodpařuje, ale stává se pevnou součástí jeho nové struktury. Pokud necháte čerstvě vylitý beton na prudkém slunci vyschnout, reakce se zastaví a celá deska se začne drolit. „Voda je pro beton jako sůl v polévce. Málo je špatně, ale když jí dáte moc, nedá se to jíst a celou práci můžete vylít do kanálu,“ vysvětluje pan Kučera. Přelévání betonu vodou je totiž nejčastější chyba. Řidší směs se sice zedníkům lépe tahá, ale přebytečná voda po čase vytvoří v materiálu mikroskopické póry, které drasticky sníží jeho pevnost a vedou k prasklinám.

Souhra betonu a oceli

Dalším obrovským poznatkem z jeho praxe je souhra betonu a oceli, kterou je potřeba brát v potaz. Zatímco beton snese obrovský tlak, v tahu je křehký.

Typy směsí pro různé konstrukce

  • Masivní konstrukce (základy, hrubé podkladní desky): Při přípravě masivních konstrukcí, jako jsou základy domů nebo hrubé podkladní desky, jde především o hrubou sílu a únosnost. Zde radí nepodceňovat kvalitu kameniva. Ideální směs pro tuto situaci se míchá z jednoho dílu čerstvého cementu, dvou dílů písku a tří dílů hrubšího štěrku o frakci osm až šestnáct milimetrů. Vody by měla být zhruba polovina hmotnosti cementu. Směs musí být plastická, ale nesmí téct. U velkých objemů nad dva kubíky Kučera varuje před mícháním na koleně.
  • Jemné plochy (finální podlahy a potěry): Zcela jiná pravidla platí pro jemné plochy, jakými jsou finální podlahy a potěry. Tady je naprosto zásadní vyhnout se jakémukoliv hrubému štěrku, který by zhatil snahu o dokonale hladkou rovinu. Ideální směs se zde připravuje pouze z jemného písku o frakci nula až čtyři milimetry a cementu. Nejdůležitější je zde ale konzistence. Zde pan Kučera přidává další cennou radu a zdůrazňuje, že potěrák musí v ruce držet tvar jako sněhová koule, nesmí z něj kapat voda.
  • Složité tvary a tenké stěny: Když přijdou na řadu složité tvary, tenké stěny nebo plnění ztraceného bednění, čelí zedníci opačnému problému. Beton musí dokonale zatéct mezi ocelovou výztuž a nevynechat žádná hluchá místa. Ideální směs v tomto případě vyžaduje drobnější štěrk o frakci čtyři až osm milimetrů, aby se větší kameny nezasekly o roxory. Přestože hmota musí být poddajnější, pan Kučera striktně nedoporučuje ředit ji další vodou.
  • Drobné opravy a kotvení: U drobných oprav a kotvení sloupků na zahradě pak mistr doporučuje zahodit hrdost a netrápit se s mícháním vlastního písku a cementu.

Sdružení a organizace v cementářském průmyslu

Cementářský průmysl v České republice je reprezentován několika klíčovými hráči a organizacemi. Zde je přehled některých z nich:

Členské organizace svazu

  • Cement Hranice, akciová společnost
    • Předseda představenstva akciové společnosti: Ing. Pavel Baroš
    • Počet závodů: 1
  • Cemex Czech Republic, s.r.o.
    • Představitel člena svazu: Ing. Petr Čechlovský
    • Počet závodů: 1
  • Heidelberg Materials CZ, a.s.
    • Předseda představenstva a.s.: Ing. Karel Chuděj
    • Počet závodů: 2
  • Holcim (Česko) a.s.
    • Předsedkyně představenstva, a.s.: Angela Claudia Bachmann
    • Počet závodů: 1

Majetkové podíly v organizacích

  • Výzkumný ústav maltovin Praha, s.r.o.

Předsednictvo svazu

  • Předseda svazu: Ing. Karel Chuděj
  • Místopředseda svazu: Ing. Petr Čechlovský
  • Výkonný ředitel: Ing. Jan Gemrich

Odborné pracovní komise

  • Komunikační pro dekarbonizaci
  • Pro technologii a kvalitu cementu a betonu
  • Environmentální
  • BOZP
  • Pro těžbu

Členství svazu v zahraničních organizacích

  • Cement Europe

Členství svazu v tuzemských organizacích

  • Svaz průmyslu a dopravy
  • Svaz podnikatelů ve stavebnictví
  • CO2 Czech Solution Group

Spolupracující organizace

  • Výzkumný ústav maltovin Praha, s.r.o.
    • Sekce normalizační
    • Sekce informačně-marketingová
    • Sekce technologická
    • Ing. Lukáš Peřka, jednatel a ředitel

Lubomír Dostál a umění

Lubomír Dostál (*1950) je český sochař, malíř a keramik, který jako nekonformní výtvarník nesměl do roku 1989 oficiálně vystavovat a svoji tvorbu prezentoval na neveřejných místech. Lubomír Dostál pracuje především v médiu malby a keramiky. Pro jeho tvorbu je důležité hledání kontinuity s minulostí či snaha o nalezení současného výrazu odvěkých témat. V jeho obrazech se před námi objevují ostrou trávou prorostlé magické prakrajiny. Naturální geomorfní objekty z keramické hlíny nás svojí syrovostí a bytostnou původností přivádí až k halštatské kultuře rané fáze doby železné.

tags: #lubomir #dostal #cement #informace

Oblíbené příspěvky: