Princip výroby cementu: Od historie po moderní výzvy

Cement je jednou z hlavních složek betonů i malt, kde slouží jako pojivo. Řadí se k tradičním materiálům, které se ve stavebnictví začaly využívat už v období starověkého Říma. Moderní technologie umožňují výrobu mnoha typů cementů s požadovanými vlastnostmi, které se hodí pro různé stavební činnosti. Bez cementu se společnost neobejde a světová poptávka po těchto produktech bude v následujících letech nejspíše růst. Mosty, silnice, tunely ani obytné budovy si bez něj dnes nelze představit a poptávka po něm stále roste. Jedná se o nejvíce používaný uměle vyráběný materiál na světě, který se bez cementu neobejde. „Dnešní společnost by nemohla bez betonu existovat,“ tvrdí Robert Courland, jenž napsal knihu Concrete Planet.

Historie cementu

• 12000 př. n. l. - 476 n. l.: Reakce mezi vápencem a ropnými břidlicemi během samovznícení vytvořily na území dnešního Izraele přírodní ložiska cementových sloučenin. Ložiska byla popsána izraelskými geology v 60. a 70. letech 20. století.
• 3000 př. n. l.: Pro spojování sušených cihel se používá bláto smíchané se slámou.
• 300 př. n. l. - 476 n. l.: Římané používají pucolánový cement z blízkosti italského města Pozzuoli nedaleko Vesuvu při budování známé Appiovy silnice, římských lázní, Kolosea a Pantheonu v Římě a akvaduktu Pont du Gard na jihu Francie. Jako cementový materiál se používá vápno. Plinius píše o maltové směsi sestávající z 1 dílu vápna a 4 dílů písku. Vitruvius zmiňuje 2 díly pucolánu na jeden díl vápna. Jako přísady slouží živočišný tuk, mléko a krev.
• Od 476 n. l.: Kvalita spojovacích materiálů se zhoršila. Používání páleného vápna a pucolánu bylo zapomenuto a znovu objeveno na počátku 14. století.
• 1756: John Smeaton zjistil, že kalcinací vápence s obsahem jílu vznikne vápno, které pod vodou tvrdne (hydraulické vápno). Hydraulické vápno použil při přestavbě majáku Eddystone v anglickém Cornwallu.
• 1796: Maurice St. Leger získává patenty na hydraulický cement.
• 1810: Ve Spojených státech se produkuje přírodní cement.
• 1824: Angličan Joseph Aspdin vynalézá portlandský cement, když spaluje jemně mletou křídu s jemně rozdrobeným jílem ve vápenné peci s odtahem oxidu uhličitého.
• 1828: První inženýrská aplikace portlandského cementu se připisuje I. K. Brunelovi.
• 1871: Společnost J. M. Mauder, Son & Co. ve městě Coplay v Pensylvánii je první, která vyrábí portlandský cement v USA.
• 1875: David Saylor získává první americký patent na portlandský cement.
• 1884: Angličan J. Grant ukázal důležitost používání nejtvrdších a nejhustších částí slínku.
• 1887: Francouz Henri Le Chatelier stanovil poměry kyslíku pro přípravu správného množství vápna pro výrobu portlandského cementu. Složky nazval alit (trikalciumsilikát), belit (dikalciumsilikát) a celit (tetrakalciumaluminoferit).
• 1890: Ve Spojených státech bylo zavedeno přidávání sádry při mletí slínku jako zpomalovače tuhnutí betonu.
• 1891: V americkém městě Bellefontaine ve státě Ohio provedl George Bartholomew betonáž první ulice.
• 1909: Ve městě Union ve státě New Jersey staví Thomas Edison levné, útulné domy z betonu.
• 1929: Dr. Thaddeus Klein objevil proces výroby velmi pevného portlandského cementu.
• 1931-1936: Byly vybudovány první velké přehrady, Hoover Dam a Grand Coulee Dam.
• 1976: V kanadském Torontu byla postavena CN Tower, nejvyšší hladká budova.
• 1980: Jako příměs do pucolánu se začíná používat křemičitý úlet.

Proces výroby cementu

Proces výroby cementu je složitější, než by se mohlo na první pohled zdát. Skládá se z řady dílčích kroků, během nichž se směs vápence a jílů promění ve slínek, který se namele na jemný prášek. Portlandský cement obsahuje směs oxidů kovů alkalických zemin vápníku, dále pak oxidy křemíku a hliníku. Portlandský cement a podobné materiály jsou vyráběny pálením vápence (jako zdroje vápníku) s jílem nebo s pískem (zdroj křemíku), čímž vzniká slínek, ke kterému se v procesu mletí přidá sádrovec jako regulátor tuhnutí.

1. Těžba surovin: Základními surovinami pro výrobu cementu jsou vápenec a jíl. Těží se v lomech, kde se odstřelují výbušninou. V Holcim jsme si dobře vědomi toho, že těžba potřebných surovin pro výrobu cementu znamená nemalý zásah do okolní krajiny. Rekultivace těžebních oblastí je jedním z hlavních aspektů naší dlouhodobé strategie.
2. Drcení: Lomový kámen se dopraví do odrazového kladivového drtiče, ve kterém se drtí na frakce o velikosti kolem 4 cm.
3. Mletí surovinové moučky: Rozdrcené a smíchané suroviny se společně rozemelou na moučku. Požadovaná směs základní suroviny a korekčních přísad je v surovinové mlýnici rozemleta na jemnou surovinovou moučku.
4. Výpal na slínek: Nejdůležitější částí výrobního procesu cementu je výpal na slínek. Surovinová moučka se nejprve předehřívá a poté putuje do obří rotační pece. Ta je uložená ve sklonu a pomalu se otáčí, a tak se moučka postupně posunuje k hořáku a ohřívá se až do teploty cca 1450 °C. Slínek je hlavní složka cementu a získává se vypálením vápencového slínu při teplotách vyšších než 1450 °C v rotační peci.
5. Chlazení a mletí cementu: Vyrobený slínek vypadává z pece do chladiče se studeným vzduchem. Po ochlazení se materiál rozdrtí na kusy o velikost kolem 4 cm a dávkuje se do cementových mlýnů. Zde se rozemílá (buď samostatně, nebo s dalšími přísadami) pomocí ocelových koulí různých velikostí. Hotový slínek je uskladněn v silech. Cement se poté vyrobí namletím slínku spolu s dalšími složkami. Rozemletý prášek ze slínku a dalších přísad je finálním produktem - cementem.

Typy a vlastnosti cementu

Cementy se liší podle složení na 5 základních typů.

• Portlandský cement (CEM I): Základním typem cementů je portlandský, který se skládá především ze slínku. Vyznačuje se rychlým hydratačním procesem a uvolňuje velké množství hydratačního tepla, a tak umožňuje práci i při nižších teplotách (do 5 °C). Vyrábí se buď jako šedý, nebo bílý, který obsahuje příměs sádrovce. Šedý portlandský cement se využívá při stavbách rodinných domů a obytných budov, průmyslové výstavby i oblasti veřejné infrastruktury.
• Portlandský cement se složenými přísadami (CEM II): Pokud portlandský cement obsahuje doplňkové materiály se zlepšujícími vlastnostmi, řadí se do kategorie CEM II. Ta je poměrně obsáhlá, protože zahrnuje cementy s různými typy přísad. Nejčastěji na trhu narazíte na portlandský cement s vápencem, existují však i typy s popílkem, kalcinovanou břidlicí či pucolánem.
• Vysokopecní cement (CEM III): Vyznačuje se velkým podílem vysokopecní strusky, která zvyšuje odolnost vůči agresivnímu prostředí. Tento typ cementů se využívá například při betonáží namáhaných konstrukcí, kde dochází ke styku se zeminou. Protože je přírůstek hydratačního tepla malý, využívá se při betonování v parných dnech.
• Pucolánový cement (CEM IV): Díky pucolánu, velmi jemného popílku, je cement vodotěsný a vyznačuje se výraznou odolností vůči agresivním odpadním vodám. Využívá se pro méně namáhané konstrukce.
• Směsný cement (CEM V): Spadá do nejnižší pevnostní třídy a nemá jasně stanovený poměr jednotlivých surovin.

Kromě zařazení do kategorie je důležitým parametrem také pevnostní třída cementu. Udává se v MPa a označuje pevnost po 28 dnech. Ať už si pro výrobu betonu nebo malty pořídíte jakýkoliv typ cementu, zaměřte se na jeho správné skladování. Pytle s cementem chraňte před působením vody a vysoké vlhkosti vzduchu. Různé typy cementů z renomovaných tuzemských i zahraničních cementáren pořídíte ve všech stavebninách Izomat, které jsou vám k dispozici v mnoha koutech Česka.

Dekarbonizace výroby cementu

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. V roce 2015 výroba cementu produkovala globálně osm procent oxidu uhličitého. Sektor se tak umístil na třetím místě za Čínou a Spojenými státy. Vzhledem k postupující urbanizaci a s ní související výstavbě není výrazné snížení poptávky po cementu do budoucna pravděpodobné.

Čtěte také: Komplexní průvodce pěnovou izolací

Zachytávání a ukládání CO2 (CCS)

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. 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, například 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. Společnost CO2Concrete, jež je spin-offem Kalifornské univerzity, vyvinula technologii odebírající oxid uhličitý z tepelných elektráren. Technologie Solidia Technologies, kterou vyvinuli odborníci už v roce 2008 na Rutgers University v New Jersey, má být jednou z nejslibnějších. Podobné řešení jako firma z New Jersey má i kanadská společnost CarbonCure z Halifaxu v Novém Skotsku. Pumpuje kapalný CO2 přímo do tekutého betonu. Pokud by se jejich produkt používal celosvětově, došlo by ke snížení produkce oxidu uhličitého o 550 milionů tun. To je stejné množství CO2, jako vyprodukuje 150 milionů automobilů.

Další řešení dekarbonizace

• 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. Kromě toho lze recyklovat i hotový beton, zatím tomu ale často bránila nejistota v kvalitě a vlastnostech recyklovaného materiálu.
• 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. Ke snížení emisí může přispět i probíhající digitalizace stavebnictví (BIM) - díky lepšímu přehledu o celé stavbě bude vznikat méně odpadu a pravděpodobně bude potřeba i méně betonu.
• Směsné cementy: Boj za snížení emisí CO2 a snížení tzv. "uhlíkové stopy" vede přes směsné cementy. 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.

Dekarbonizace výroby 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. 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 nejvýznamnější způsob snížení emisí. Lze také 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 skla

Výroba skla tvoří přibližně 0,3 % světových emisí CO2. Se sklem se lze nejčastěji setkat ve formě obalů či oken a jedná se o materiál, který lidstvo vyrábí již tisíce let. U skla je hlavním zdrojem emisí spalování, které produkuje 75-85 % emisí CO2. Zbylých 15-25 % připadá na chemické reakce, především ty spojené se sklářskými surovinami. U skla nelze do budoucna očekávat úspory ve využití či jeho větší substituci. Zároveň představuje důležitý materiál v rámci transformace a dekarbonizace jiných oblastí. Izolační dvojskla a trojskla v oknech, stejně jako izolující skelná vata pomáhají se snížením tepelných ztrát budov. Sklo je také součástí solárních panelů, kde tvoří významnou část hmotnosti panelu, ale i spotřeby energie, která je k jeho výrobě potřeba.

Podle scénáře od společnosti British Glass by celkové emise snížila nejvíce (zhruba o polovinu) částečná elektrifikace výroby, která by zmenšila podíl jiných paliv. Částečná proto, že menší pece je sice už dnes možné stavět jako plně elektrifikované, ale kromě omezené produkce má jejich konstrukce další výrazné limity (např. v maximální dosažené teplotě). Nezanedbatelnou roli hrají i náklady na elektřinu, které by u větších provozů byly neúnosné. V současných vysokokapacitních sklářských pecích se elektřina využívá jen v omezené míře. Teprve v budoucnu - díky novým designům hybridních pecí, které kombinují elektrifikaci a jiné palivo - by se mohl podíl elektřiny na celkové energii potřebné k tavení zvýšit na 20-80 %.

Čtěte také: od suroviny až po hotový cement

U skla bude důležitý také přechod na vodík, který nahradí zemní plyn jako palivo tam, kde elektrifikace nebude možná. V EU se už v současnosti recykluje 76 % obalového skla. Stejně tak se už dnes při výrobě přidávají střepy ze sběrného skla, což podstatně redukuje současnou energetickou i emisní náročnost produkce. S výrazně vyšší cirkularitou se proto ve sklářství počítat nedá. Zachytávání oxidu uhličitého (CCS) se z ekonomických a technologických důvodů považuje za vhodné řešení pouze pro relativně velké pece, které navíc pracují s nižšími podíly střepů.

Shrnutí dekarbonizačních technologií v minerálním průmyslu

Čtěte také: Jak materiály ovlivňují energii budov

tags: #princip #vyroby #cementu

Oblíbené příspěvky:

• Přečtěte si o pohledových betonových tvárnicích
• moderní osvětlení v podhledech
• Ochrana proti přepětí Hakel
• Stavba venkovní vany krok za krokem
• Rozvod sil v překližce