Chemické rovnice a procesy při výrobě cementu

Cement je klíčovou součástí betonů a malt, kde funguje jako pojivo. Řadí se k tradičním materiálům, které se ve stavebnictví využívají již od starověkého Říma. Dnes moderní technologie umožňují výrobu mnoha typů cementů s požadovanými vlastnostmi pro různé stavební činnosti.

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.

Suroviny pro výrobu cementu

Základními surovinami pro výrobu cementu jsou vápenec a jíl. Kromě těchto hlavních druhů surovin se používají různé přísady pro zlepšení vlastností. Hlavními materiály používanými při výrobě cementu jsou minerály obsahující oxid vápenatý, oxid křemičitý, oxid hlinitý a oxid železa. Pro výrobu cementu se používají jílové a uhličitanové horniny a také různé druhy průmyslových odpadů. Nejčastěji se těží hlavní surovinové složky pro výrobu slínku portlandského cementu přímo z útrob země.

Jílové materiály zahrnují jíl, břidlice, vysokopecní struska a popel. Surové směsi se mohou skládat ze dvou nebo více složek. Vápenec a jíl jsou nezměněné složky pro jakoukoli značku cementu a pro jakoukoli metodu jeho výroby. Vápenec je vždy třikrát více než jíl. Nejoblíbenější portlandský cement se skládá z:

• 60% vápno;
• 25% oxidu křemičitého;
• 10% oxidů železa a sádry;
• 5% hliníku (alumina).

Fáze výroby cementu

1. Těžba a drcení surovin

   Základní suroviny - vápenec a jíl - se těží v lomech, kde se odstřelují výbušninou. Lomový kámen se následně dopraví do odrazového kladivového drtiče, ve kterém se drtí na frakce o velikosti kolem 4 cm.

   Čtěte také: komplexní průvodce vápenným mlékem

2. 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.

3. Výpal na slínek (kalcinace)

   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.

   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. Chemická rovnice pro kalcinaci vápence je:

   CaCO₃ (vápenec) + teplo → CaO (oxid vápenatý) + CO₂ (oxid uhličitý)

   Čtěte také: od suroviny až po hotový cement

4. Chlazení a mletí slínku

   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. Rozemletý prášek ze slínku a dalších přísad je finálním produktem - cementem.

   Cement se poté vyrobí namletím slínku spolu s dalšími složkami, jako je sádra. Množství sádry je určeno stanovenou dobou vytvrzování. Aditiva umožňují zvýšit specifické vlastnosti.

Tuhnutí cementu a hydratace

Cement je hydraulické pojivo, tj. jemně mletá anorganická látka, která po smíchání s vodou vytváří kaši, která tuhne a tvrdne v důsledku hydratačních reakcí a procesů. Po zatvrdnutí zachovává svoji pevnost a stálost také ve vodě.

Proces interakce mezi oběma složkami (cementem a vodou) končí tvorbou pevného masivu, podobného tvrdosti přírodního kamene. Tyto hydratační produkty jsou ve vodě nerozpustné a velmi pevné.

Tuhnutí betonu je jiný, a v jistém smyslu složitější proces - nezpůsobuje jej reakce se vzduchem, ale reakce s vodou, při které vznikají tzv. hydratační produkty, tedy sloučeniny obsahující chemicky vázanou krystalovou vodu - proto je možné pracovat s betonem i pod vodou.

Čtěte také: Jak materiály ovlivňují energii budov

K velmi slabému vázání CO2 ze vzduchu dochází až při zvětrávání betonu, kdy působením vody a oxidu uhličitého vzniká zejména na povrchu betonu vápenec.

Typy cementů a jejich vlastnosti

Cementy se liší podle složení na 5 základních typů, přičemž nejznámější je portlandský cement. Různé typy cementů:

• Portlandský cement (CEM I): Skládá se především ze slínku. Vyznačuje se rychlým hydratačním procesem a uvolňuje velké množství hydratačního tepla, což umožňuje práci i při nižších teplotách (do 5 °C). Vyrábí se buď jako šedý (pro stavby rodinných domů a obytných budov, průmyslovou výstavbu i veřejnou infrastrukturu), nebo bílý, který obsahuje příměs sádrovce. Bílý portlandský cement se vyznačuje jemným broušením, obsahuje slinky s nízkým obsahem železa, sádry a dolomitů. Odolává vysoké odolnosti a odolnosti vůči atmosférickým srážkám. Používá se při výrobě samonivelačních podlah, dekorativních prvků i při výstavbě silnic.
• Portlandský cement s doplňkovými materiály (CEM II): Zahrnuje cementy s různými typy přísad, jako je vápenec, popílek, kalcinovaná břidlice či pucolán. Tyto přísady zlepšují vlastnosti cementu.
• Vysokopecní struskový cement (CEM III): Vyznačuje se velkým podílem vysokopecní strusky, která zvyšuje odolnost vůči agresivnímu prostředí. Využívá se například při betonáži 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.
• Kompozitní cement (CEM V): Spadá do nejnižší pevnostní třídy a nemá jasně stanovený poměr jednotlivých surovin.
• Hlinitanový cement
• Rozšiřující cementy: Během nastavení se nesrážejí, ale naopak expandují.

Kromě zařazení do kategorie je důležitým parametrem také pevnostní třída cementu. Udává se v MPa a označuje pevnost po 28 dnech. Pro domácí použití jsou vhodné třídy cementu 300 - 600.

Dopad na životní prostředí a dekarbonizace výroby cementu

Výroba cementu patří mezi průmyslové procesy s významnými emisemi CO2. Kdyby byl cementárenský průmysl státem, byly by jeho emise třetí největší na světě, hned po Číně a USA. V roce 2015 způsobila výroba cementu přibližně 2,8 miliard tun CO2, tedy asi 8 % světových emisí. To je zhruba čtyřikrát více než letecká doprava.

Výroba jedné tuny cementu vytvoří v průměru 0,6 tuny CO2. Oxid uhličitý přitom vzniká dvěma způsoby: jednak jako produkt chemické reakce (kalcinace), a jednak při spalování uhlí nebo plynu při zahřívání. Zatímco zahřívání je možné provádět i s mnohem nižšími emisemi, například spalováním vodíku, oxid uhličitý z chemické reakce není prakticky možné snížit.

Pro naplnění Pařížské dohody a omezení oteplování na 2 °C musejí emise z výroby cementu klesnout do roku 2050 asi o čtvrtinu. Možnosti snížení emisí při výrobě cementu zahrnují:

• Použití alternativních paliv: Vzhledem k vysoké teplotě nelze k zahřívání použít elektřinu, přichází v úvahu vodík nebo syntetická paliva z biomasy.
• Snížení množství CaO v cementu a jeho nahrazení jinými sloučeninami: I tento přístup je oblastí vývoje a experimentování. 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.
• Zachycování uhlíku (CCS, carbon capture and storage) při výrobě cementu: Do technologie zachycování uhlíku se vkládají velké naděje a už existují testovací projekty. 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.
• 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 nebo využití menších modulárních jednotek, které byly předvyrobeny v továrnách, což by přineslo větší efektivitu. Ke snížení emisí může přispět i probíhající digitalizace stavebnictví (BIM).

tags: #chemické #rovnice #při #výrobě #cementu

Oblíbené příspěvky:

• Význam technické památky ve Vendryni
• Jak správně namontovat sádrokarton
• Special train travel and CD reservation system
• Přečtěte si o atikových žlabech
• Složení a poměry lehkého betonu