Portlandský cement 32,5 R: Charakteristika a vliv doby zrání na betonové konstrukce

Cement je nenápadný šedý prášek, který funguje jako klíčové pojivo ve stavebních materiálech, jako jsou beton a malta. Tyto materiály vidíme doslova na každém kroku - od základů domů až po obrovské mosty - a spoléháme na jejich pevnost a odolnost. Pojďme se podívat na ten nejznámější a nejpoužívanější druh: portlandský cement.

Co je vlastně cement?

Cement je tzv. hydraulické pojivo. To znamená, že je to jemně namletý prášek, který když smícháte s vodou, vytvoří kaši. Ta pak postupně tuhne a tvrdne díky chemickým reakcím s vodou (říká se tomu hydratace). Důležité je, že ztvrdlý cement zůstává pevný i pod vodou. Tím se liší třeba od vápna, které ke ztvrdnutí potřebuje vzduch. Právě schopnost tvrdnout i ve vlhku dělá z cementu ideální materiál pro stavby.

Název „portlandský“ má kořeny v Anglii na začátku 19. století. Patent na něj získal v roce 1824 zedník Joseph Aspdin. Ztvrdlý cement mu prý připomínal tehdy oblíbený a drahý stavební kámen - vápenec z ostrova Portland. Ta podoba nebyla náhoda, byl to vlastně cíl: vytvořit umělý kámen s podobnou kvalitou.

Z čeho se skládá „čistý“ portlandský cement (CEM I)?

Základnímu, „čistému“ portlandskému cementu říká evropská norma ČSN EN 197 - 1 zkráceně CEM I. Jeho hlavní a nejdůležitější složkou (minimálně 95 %) je tzv. portlandský slínek.

Slínek je vlastně meziprodukt. Vyrábí se tak, že se přesně namíchaná směs surovin (hlavně vápenec a jíly nebo břidlice) pálí v obrovské rotační peci při teplotách kolem 1450 °C. Při tomhle žáru vznikají nové chemické sloučeniny, tzv. slínkové minerály, které pak dávají cementu jeho pevnost.

Čtěte také: Použití portlandského cementu

Samotný slínek by ale po smíchání s vodou reagoval moc rychle, skoro okamžitě by ztuhnul. Proto se při finálním mletí slínku na jemný prášek přidává trocha sádrovce (většinou 2 - 6 %). Ten funguje jako brzda - zpomalí počáteční reakce a dá nám tak čas na zpracování betonu nebo malty. Bez sádrovce by byl cement prakticky nepoužitelný.

Celý proces výroby slínku je energeticky hodně náročný, hlavně kvůli vysokým teplotám v peci. Taky se při něm uvolňuje dost CO2. To je jeden z hlavních důvodů, proč se dnes stále víc používají tzv. směsné cementy.

Co umí portlandský cement CEM I?

• Tvrdnutí a teplo: Jak už víme, cement tvrdne reakcí s vodou. Při tom se uvolňuje teplo (hydratační teplo). U CEM I je ho poměrně hodně a uvolňuje se rychle. To se hodí v zimě (teplo pomáhá tvrdnutí), ale u velkých betonových konstrukcí to může vadit - velké rozdíly teplot uvnitř a na povrchu mohou způsobit trhliny.
• Doba tuhnutí: To je doba, za kterou se z cementové kaše stane pevná hmota. Normy hlídají, aby byl dostatek času na zpracování (např. minimálně 60 minut pro běžnou třídu 42,5).
• Pevnost: Po ztuhnutí cement postupně nabírá na síle. CEM I je známý rychlým nárůstem počáteční pevnosti (už po 2 dnech) a vysokou konečnou pevností (měří se standardně po 28 dnech). Rychlost je fajn třeba pro výrobu prefabrikátů nebo když potřebujete rychle sundat bednění. Cementy se dělí do tříd (32,5, 42,5, 52,5) podle pevnosti po 28 dnech. Písmeno R značí rychlý nárůst počátečních pevností. Ale pozor, cement tvrdne a získává pevnost i dlouho po 28 dnech.
• Trvanlivost: Ztvrdlý cement vytváří hustou hmotu, která chrání třeba kamínky v betonu nebo ocelovou výztuž a zajišťuje tak dlouhou životnost stavby.

Díky normám (jako ČSN EN 197 - 1) mají cementy na trhu zaručenou kvalitu a vlastnosti, což je klíčové pro spolehlivé stavění.

Nejen CEM I: Seznamte se se směsnými cementy (CEM II)

I když je CEM I základ, na stavbách se mnohem častěji setkáte s portlandskými směsnými cementy, značenými jako CEM II. Ty obsahují kromě slínku (kterého je tam 65 - 94 %) ještě další přidané složky. Portlandský struskový cement CEM II/B-S 32,5 R je hydraulické pojivo, které se vyrábí mletím portlandského slínku se struskou, síranem vápenatým, doplňujícími složkami a přísadami.

Proč se vyrábějí?

Čtěte také: Složení a použití portlandského směsného cementu

1. Vylepšení vlastností: Příměsi umí cíleně změnit vlastnosti cementu. Některé zlepší zpracovatelnost, jiné zvýší odolnost vůči chemikáliím (třeba síranům) nebo sníží vývin tepla. Každá příměs funguje trochu jinak.
2. Ekologie a ekonomika: Jak jsme řekli, výroba slínku je energeticky náročná a produkuje CO2. Když část slínku nahradíme jiným materiálem (často průmyslovým odpadem jako struska z výroby železa nebo popílek z elektráren), snížíme tím ekologickou zátěž i spotřebu energie. To se může projevit i na ceně.

Nejběžnější typy CEM II podle normy jsou:

• CEM II/S: Se struskou. Často odolnější vůči chemii, méně hřeje.
• CEM II/V nebo W: S elektrárenským popílkem. Může zlepšit zpracovatelnost a dlouhodobou odolnost.
• CEM II/L nebo LL: S jemně mletým vápencem. Zlepšuje zpracovatelnost, ale ve větším množství může mírně snížit pevnost.
• CEM II/P nebo Q: S pucolány (přírodními nebo umělými). Pomáhají dlouhodobé pevnosti a odolnosti.
• CEM II/M: Směs více různých příměsí.

Písmeno A nebo B v označení (třeba CEM II/A‑S vs. CEM II/B‑S) pak říká, jestli je příměsi méně (A) nebo více (B).

Cementy CEM II jsou tedy určitý kompromis. Možná pomaleji nabírají počáteční pevnost, ale zase mohou nabídnout lepší zpracovatelnost, vyšší odolnost v náročných podmínkách, nižší vývin tepla nebo jsou prostě zelenější. Výběr mezi CEM I a různými typy CEM II tak závisí na tom, co přesně stavíte - jak rychle to potřebujete, jak pevné to má být, v jakém prostředí to bude stát a jak moc myslíte na ekologii. Žádný cement není ideální na všechno. A tlak na snižování CO2 vede k vývoji cementů s ještě menším podílem slínku. Při výběru CEM II je proto klíčové dívat se nejen na číslo (pevnost), ale hlavně na písmenko (typ příměsi), protože právě to určuje jeho specifické vlastnosti.

Kde všude se portlandský cement používá?

Díky své schopnosti spojit vodu, písek a štěrk v pevný materiál se portlandský cement (jak CEM I, tak CEM II) používá skoro všude:

• Výroba betonu: To je jasně hlavní využití. Z betonu jsou základy, nosné zdi, sloupy, stropy, mosty, výškové budovy, průmyslové podlahy, ale i dlažba nebo střešní tašky. Používá se i pro speciální účely, třeba v železobetonu (kde chrání ocelovou výztuž) nebo pro výrobu prefabrikátů (panelů, schodů). Portlandský cement CEM II 32,5 R 25 kg je univerzální stavební pojivo vhodné pro široké spektrum prací - od betonování základů až po zdění a potěry. Cement je vhodný pro betonování základů, desek, chodníků, zdění i potěry.
• Výroba malt: Cement je základem zdicích malt (pro spojování cihel a tvárnic) a omítek (pro úpravu povrchů stěn).
• Potěry a stěrky: Pro vyrovnání podlah před položením finální krytiny.
• Injektážní malty (grout): Pro vyplňování dutin, spár nebo zpevňování podloží.
• Suché směsi: Cement je základem pytlovaných směsí na beton a maltu, které stačí smíchat s vodou.

Ta obrovská všestrannost pramení z toho, že cement umí spolehlivě spojit běžně dostupné materiály a že vlastnosti výsledného produktu můžeme ladit výběrem typu cementu, použitím přísad a úpravou receptury. I když se CEM I často bere jako univerzál, specifické požadavky (třeba odolnost vůči agresivní vodě nebo naopak potřeba rychlého tvrdnutí) často vedou k volbě některého z cementů CEM II (nebo i speciálních cementů CEM III, IV, V).

Čtěte také: Klinické využití kalciumsilikátových cementů

Problematika smršťování betonu v době zrání

Cílem článku je poukázat na závažnost problematiky smršťování betonu. Pojem smršťování betonu se obvykle používá ve spojitosti s vlhkostními objemovými změnami, případně s objemovými změnami hydratačními.

Vlhkostní objemové změny

Vlhkostní objemové změny - nabývání při dotaci vlhkosti, respektive smršťování při vysychání - se rozdělují podle doby, kdy je beton vystaven změně vlhkosti. V případě vyzrálého betonu jsou vlhkostní objemové změny vratné a velmi malé. V naprosté většině případů (na rozdíl například od dřeva) nepředstavují pro konstrukci žádné riziko.

Zcela opačná však je situace v případě zrání betonu, protože v tomto případě se jedná o objemovou změnu nevratnou a současně relativně velkou. U obvyklých betonových směsí se při standardních podmínkách (v tzv. normálním laboratorním prostředí) smršťování pohybuje na úrovni přibližně 0,7 mm/m. V případě jemnozrnných nebo nevhodně složených směsí však nejsou zcela výjimečné ani hodnoty okolo 2,5 mm/m.

Hydratační objemové změny a autogenní smrštění

Hydratační objemové změny jsou vyvolány chemickou reakcí cementu s vodou, protože hydratační produkty v systému portlandský cement a voda mají objem významně menší, než je objem nezhydratovaného portlandského cementu a vody vstupující do reakce. Toto tzv. chemické smrštění dosahuje značných hodnot. Uvádí se, že pro úplnou hydrataci 1 kg portlandského cementu je potřeba zhruba 250 g vody. Výsledný hydratační produkt pak je menší o přibližně 60 ml (tj. přibližně o krychli o hraně 40 mm) [1].

Změna vnějších rozměrů prvku, způsobená chemickým smrštěním, se nazývá autogenní smrštění. Přímý vztah mezi velikostí chemického smrštění a velikostí autogenního smrštění bohužel neexistuje a je závislý na konkrétním typu cementu a na složení betonové směsi (například vodním součiniteli). Autogenní smrštění může být významné zejména u betonů s velmi nízkým vodním součinitelem, které vykazují relativně malé smrštění v důsledku ztráty vlhkosti. Například pro vysokopevnostní beton s vodním součinitelem nižším než 0,3 se uvádí autogenní smrštění na úrovni přibližně 0,2 až 0,4 mm/m [2].

Rizika smršťování betonu v podlahových konstrukcích

Z hlediska převážné většiny podlahových konstrukcí v průmyslových objektech, které jsou tvořeny železobetonovými deskami, a rovněž cementových potěrů v občanské a bytové výstavbě, představuje smršťování betonu (respektive cementového potěru) v době jeho zrání jedno z hlavních rizik vzniku závažných poruch. Typickými projevy jsou zejména vznik trhlin a tzv. zkroucení desek (curling), při kterém se nadzdvihnou rohy a hrany smršťovacích polí.

Normativní požadavky a smršťování betonu

Eurokód 2 a smršťování

Eurokód 2 je normou pro navrhování betonových konstrukcí určenou primárně pro práci projektantů. V normě se uvádí, že smršťování betonu závisí na okolní vlhkosti, na rozměrech prvku a na složení betonu. Celkové smrštění betonu pak počítá jako součet smršťování od vysychání a smršťování autogenního.

Pro betony vyrobené z cementu třídy N je velikost smrštění od vysychání tabelována a příslušnou hodnotu lze zjistit na základě znalosti pevnostní třídy betonu a relativní vlhkosti prostředí, ve kterém bude beton umístěn. Pomocí součinitele je dále zahrnut vliv "masivnosti" konstrukce. Variantně lze smrštění od vysychání spočítat pomocí vztahu, kde je navíc zahrnut vliv třídy cementu S, N nebo R. Například pro beton pevnostní třídy C20/25 z cementu třídy N jsou tabelované hodnoty konečného smrštění od vysychání v rozmezí 0,62 ‰ (při 20procentní relativní vlhkosti vzduchu) až po 0 (při 100procentní relativní vlhkosti vzduchu). Autogenní smrštění stejného betonu pak vychází 0,025 ‰. Tedy při 20procentní relativní vlhkosti vzduchu vychází celkové smrštění betonu 0,645 ‰, tj. 0,645 mm/m.

Ve výpočtu smršťování podle eurokódu 2 tedy nejsou zahrnuty vlivy odrážející konkrétní složení betonové směsi, které však mají na smršťování betonu zásadní vliv. Zejména se jedná o skutečnost, že jemnozrnné betony a betony s vyšším množstvím cementu mají výrazně větší smrštění než betony hrubozrnné, a to při stejné pevnosti v tlaku. Vliv použitých přísad a sklonu použitého cementu ke smršťování rovněž není zahrnutý.

Ošetřování a ochrana betonu podle norem

V normě se pro provádění betonových konstrukcí v kapitole Ošetřování a ochrana uvádí, že "beton se musí v raném stáří ošetřovat a chránit, aby se minimalizovalo plastické smršťování, aby se zajistila dostatečná pevnost povrchu, aby se zajistila dostatečná trvanlivost povrchové vrstvy, musí se chránit před mrazem a před škodlivými otřesy, nárazy nebo před poškozením". V závislosti na rychlosti nárůstu pevnosti betonu a na teplotě povrchu betonu jsou předepsány minimální doby ošetřování betonu.

Norma tedy po dodavateli betonové konstrukce nepožaduje, aby ošetřováním betonu omezoval smrštění betonu od vysychání. Požaduje pouze, aby zabránil vzniku trhlin od plastického smršťování, což je pouze část smrštění od vysychání, která probíhá na samém počátku zrání betonu.

ČSN EN 206-1 a specifikace smršťování

Základní norma pro výrobu betonu se věnuje problematice smršťování pouze okrajově. V normě se nacházejí pouze dvě zmínky o smršťování betonu, obě ve změně Z3 z dubna 2008. První je v národní příloze v článku 5.2.9, který platí pouze v České republice a věnuje se obsahu jemné moučky v betonu. Článek patří do kapitoly Základní požadavky na složení betonu. Druhá zmínka je významnější a nachází se v národní příloze v článku 6.2.3, který vyjmenovává doplňující požadavky pro specifikaci betonu. Smrštění betonu je právě jedním z těchto doplňujících požadavků.

Ve všeobecných požadavcích na specifikaci betonu norma požaduje, aby specifikátor betonu (kterým je v našich podmínkách obvykle projektant) zajistil, že všechny příslušné požadavky na vlastnosti betonu budou zahrnuty ve specifikaci, která se předkládá výrobci betonu. Specifikace typového betonu musí obsahovat vždy všechny základní požadavky a podle potřeby požadavky doplňující. S ohledem na problematiku smršťování betonu lze tedy vyvodit, že norma ČSN EN 206-1 požaduje po specifikátorovi betonu, aby doplňující požadavek na velikost smršťování betonu ve specifikaci typového betonu uvedl vždy, kdy to konkrétní situace konstrukce vyžaduje. Vzhledem k tomu, že smršťování betonu je jednou z hlavních a nejčastějších příčin vzniku poruch betonových podlah, měl by, podle našeho názoru, tento požadavek být součástí specifikace betonu pro podlahy vždy.

ČSN EN 197-1 a smršťování cementu

Základní norma pro výrobu cementu pro stavební použití se problematice smršťování cementu vůbec nevěnuje a smršťování tedy vůbec není parametrem, který by se pro cement deklaroval. Někdy bývá smršťování cementu zaměňováno s tzv. objemovou stálostí cementu, která se zkouší pomocí Le Chatellierových objímek. Konstrukce Le Chatellierových objímek však umožňuje zjistit pouze sklon cementu k nabývání, kdy je registrováno rozevření objímky. Zkouška probíhá ve vodní lázni, která se po dobu cca 3 hodin vaří. Tato zkouška je určena pro sledování množství volného vápna ve slínku, které v minulosti představovalo významný problém.

Smršťovací spáry podle ČSN 74 4505

V základní normě pro navrhování a provádění podlahových konstrukcí se problematika smršťování betonu řeší zavedením pojmu smršťovací spára. Tato spára je vytvořena tak, aby umožnila kontrolovaný vznik smršťovacích trhlin, a tedy proběhnutí objemových změn betonu bez vzniku nežádoucích, tzv. divokých trhlin či jiných nepříznivých dopadů smršťování. V normě se dále požaduje, aby v návrhu podlahy (jak průmyslové, tak občanské a bytové výstavbě) bylo definováno rozmístění smršťovacích spár v podlaze a jejich následná úprava. Pro průmyslové podlahy, které jsou prakticky vždy tvořeny monolitickou železobetonovou deskou, jsou uvedeny požadavky na maximální vzdálenost smršťovacích spár (maximálně třicetinásobek tloušťky desky, maximálně 6 m) s tím, že větší vzdálenosti smršťovacích spár musí být podloženy statickým výpočtem. Výjimkou jsou specifické případy speciálních syntetických povrchových úprav podlah. Pro cementové potěry často používané v občanské a bytové výstavbě se podobná konkrétní doporučení v normě neuvádějí.

Odpovědnost za opatření proti smršťování

Z uvedeného přehledu normativních ustanovení je zřejmé, že stávající normová úprava klade hlavní odpovědnost za opatření bránící vzniku poruch způsobených smršťováním betonu na projektanty. ČSN 74 4505 požaduje, aby autor návrhu podlahy (obvykle projektant) předepsal rozmístění smršťovacích spár po podlaze. To je, spolu s vyztužením betonové desky, hlavním konstrukčním opatřením bránícím vzniku nežádoucích smršťovacích poruch.

ČSN EN 206-1 zároveň po specifikátorovi betonu (obvykle projektantovi) požaduje, aby specifikoval veškeré relevantní parametry betonu, v případě podlahových konstrukcí by tedy neměl zapomenout na doplňkový parametr smrštění betonu. Pro formulaci tohoto požadavku nedává norma žádné vodítko, a je tedy třeba ho s dodavatelem betonu dohodnout tak, aby parametry betonu odpovídaly parametrům uvažovaným v projektu, respektive návrhu podlahy (viz ČSN EN 1992-1-1). Úkol dodavatele betonové směsi vyrobit specifikovaný beton rovněž není jednoduchý, protože pracuje s materiály s variabilními vlastnostmi. Mezi ně je, vedle kameniva a příměsí, třeba zahrnout i cement. Zmíněná cementářská norma ČSN EN 197-1 nezahrnuje smršťování cementu mezi jeho parametry a výrobci cementu ho tedy nemusejí vůbec sledovat, a tedy ani garantovat míru smršťování u jednotlivých typů cementů, ani to, že smršťování cementu během jeho zrání je u různých dodávek stále stejné.

Úkolem prováděcí firmy pak je beton do podlahy správně uložit, včas nařezat smršťovací spáry a ošetřovat tak, aby v počáteční fázi zrání nevznikly trhliny od plastického smršťování. V současnosti tedy výrobci betonu neznají hodnoty smršťování vyráběných betonů a současně nemají srovnatelné informace k používaným cementům.

Použití a spotřeba cementu 32,5 R

Portlandský struskový cement je vyráběn v souladu s harmonizovanou normou ČSN EN 197-1 ed. 2 Cement - Část 1: Složení, specifikace a kritéria shody cementů pro obecné použití. Spotřeba cementu se liší podle typu směsi a požadované pevnosti. Při práci dodržujte správný poměr vody a směsi. Příliš řídký beton může výrazně snížit výslednou pevnost. Pro dosažení optimální pevnosti dodržujte správný poměr vody a směsi.

Zdroje

• [1] Hošek, J.: Měření počátečních objemových změn betonu v pryžové vlnovcové formě. In: Stavební výzkum, roč. 3, 1986, s.
• [2] Tazawa, E.: Committee Report. Proceedings of the International Workshop organized by JCI (Japan Concrete Institute) - Autogenous Schrinkage of concrete (Hiroshima, June 13.-14. 1998) - p. 1-68.

tags: #doba #zrání #portlandského #cementu #32,5

Oblíbené příspěvky:

• Komplexní průvodce montáží lišt na hlaveň brokovnice
• Průvodce betonováním podkladního betonu
• Vše o utěsnění garáže
• Vše o šedé zámkové dlažbě
• Aplikace předizolovaného potrubí v praxi