Určení druhu cementu podle obsahu manganu a chemického složení

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. Výroba cementu doznává změn a společnosti vyrábějící cement hledají co nejekologičtější řešení.

Výroba cementu

Společným znakem výroby cementů v dobách počátku jeho moderní historie i těch dnešních je příprava suroviny požadovaného složení a vypálení suroviny v peci na tzv. portlandský slínek. Dále následuje chlazení slínku a jeho mletí.

Jako surovina pro výpal slínku již neslouží jen čistě přírodní materiály, ale také nejrůznější vedlejší produkty či odpady, jako jsou železité odprašky, elektrárenský popílek nebo energosádrovec. Ty vhodně doplňují těžený vápenec a přispívají k optimální skladbě surovinové moučky. Namletá surovina putuje do pece, kde probíhá samotný výpal na mez slinutí, to je na více než 1 400 °C.

Dříve používané šachtové pece vystřídaly moderní rotační pece s výměníky tepla a předkalcinátory. Spotřeba energie na jednotku vyrobeného slínku je tak několikanásobně nižší. Stále častěji jsou pro výpal používána vedle tradičních paliv také alternativní paliva, která by ještě před několika lety skončila nevyužita jako odpad. Přísná kvalitativní kritéria vymezující podmínky užití alternativních paliv jsou samozřejmostí. Existují i nové účinné systémy chlazení slínku, které jej dokážou téměř ihned po výstupu z pece ochladit přibližně na 200 °C.

Hlavním kritériem kvality je ale vždy spokojenost odběratelů.

Čtěte také: Dřevo a jeho vlastnosti

Složení cementu

Cementy CEM jsou složeny z různých látek a ve svém složení jsou statisticky homogenní. Portlandský slínek se vyrábí 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.

Jako doplněk slínku lze totiž pro výrobu cementu použít i jiné suroviny. Nejznámější je asi vysokopecní granulovaná struska (ve smyslu normy EN 197-1 ji zkráceně značíme S), dále popílek (V, W), vápenec (L, LL), přírodní nebo kalcinované pucolány (P, Q), kalcinovaná břidlice (T) nebo křemičitý úlet (D).

Hlavní složky cementu

• 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. Sestávat musí 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. 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 (Al2O3).
• 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.

Další složky cementu

• 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. Nesmí výrazněji zvyšovat spotřebu vody pro zpracování cementu, nesmí v žádném případě snižovat odolnost betonu nebo malty vůči poškození a nesmí snižovat ochranu výztuže vůči korozi.
• Síran vápenatý: Přidává se 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.

Druhy cementu a jejich vlastnosti

Podle množství jednotlivých složek a jejich poměru k portlandskému slínku rozeznává evropská harmonizovaná norma EN 197-1 dokonce 27 druhů cementu pro obecné použití. 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). Portlandské cementy s vápencem obsahují kromě slínku, jakou jedinou hlavní složku vápenec (L, LL). Kvalitní a trvale dostupné vápence s minimálním obsahem jiných doprovodných látek umožňují vyrábět pro zákazníka cementy s trvale stabilními vlastnostmi.

Čtěte také: Kreativní průvodce betonových hub

Vliv složek na vlastnosti cementu

• Například vysokopecní granulovaná struska dává cementu, a tím i výslednému betonu, pozvolnější náběh pevnosti v tlaku a vyšší chemickou odolnost například proti agresivním síranům.
• Použití vápence jako hlavní složky cemen­tu má obvykle zcela opačný vliv na pevnost v tlaku. Její nárůst je zpočátku mnohem rych­lejší, konečných pevností pak bývá dosaženo o něco dříve.
• 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.

Větší zastoupení uvedených materiálů na úkor slínku má jednoznačně pozitivní dopady na množství skleníkových plynů produkovaných přímo při výrobě cementu, což může jeho výrobcům přinést i finanční úspory za nákup emisních povolenek. Stinnou stránkou věci je skutečnost, že materiály jako vysokopecní granulovaná struska a popílek jsou vedlejšími produkty zcela nezávislého výrobního sektoru.

Speciální cementy

• Z pohledu estetických kvalit se mezi speciální cementy řadí bílý cement.
• Rozpínavé cementy obsahují kromě port­landského slínku další složky, které v průběhu hydratace zvětšují svůj objem.
• Nejnovějším přírůstkem do rodiny spe­ciálních cementů je fotokatalytický cement schopný působením světla rozkládat široké spektrum organických i anorganických látek, z nichž většina je považována za přinejmenším zdraví škodlivé.

Cementy bez portlandského slínku

Zvláštní skupinu tvoří cementy, při jejichž výrobě není použit portlandský slínek vůbec či pouze v minimálním množství.

• Patří sem například hlinitanové cementy, vyráběné z vápence a bauxitu, charakteristické rychlým dosažením konečných pevností, vysokou tepelnou odolností, ale také svou chemickou nestabilitou.
• Dalším zástupcem jsou nadsíranové (supersulfátové) cementy složené z vysokopecní granulované strusky, síranu vápenatého a malého množství portlandského slínku coby aktivátoru. Ty jsou hlavními produkty po ochlazení roztavené suroviny - portlandského slínku. Místo hlinitanových hydrátů přechodně vzniká etringit působící jako regulátor tuhnutí, který v první fázi hydratace zabraňuje okamžitému tuhnutí, takže se prodlužuje doba zpracování čerstvého betonu až na několik hodin.

Kvalita cementu a normy

Základním kamenem určování kvality vyrobených cementů je evropská harmonizovaná technická norma EN 197-1 přejatá do soustavy českých technických norem jako ČSN EN 197-1. Předepisuje přípustné složení, kvalitu, označování a názvosloví cementů pro obecné použití. Také uvádí tzv. kritéria shody, tedy předpoklady udělení evropského označení shody CE. Pokud nejsou tato kritéria splněna, k cementu nesmí být připojena značka CE a cement nelze na území Evropské unie uvádět na trh jako cement pro obecné použití.

Normalizovaná pevnost cementu je pevnost v tlaku, stanovená podle EN 196-1 po 28 dnech, která musí odpovídat požadavkům v tabulce. 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.

Kvalitativní parametry dle normy EN 197-1

Norma jako hlavní kvalitativní parametry uvádí:

Čtěte také: komplexní přehled o transportu cementu

• pevnost v tlaku (počáteční po dvou dnech a normalizovaná po 28 dnech),
• počátek tuhnutí,
• objemovou stálost,
• obsah síranů,
• obsah chloridů,
• a pro některé druhy cementů také ztrátu žíháním,
• nerozpustný zbytek pucolanitu.

Síranovzdorné cementy

Síranovzdorné cementy pro obecné použití musí odpovídat dodatkovým požadavkům uvedeným v tabulce.

^a Požadavky jsou uvedeny jako procenta hmotnosti v hotovém cementu nebo slínku, jak je určeno v tabulce.
^b 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.
^c Zkušební metoda pro stanovení C3A v hotovém cementu je vyvíjena v CEN/TC 51.
^d 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.

Chemický rozbor cementu pro určení druhu

Chemickým rozborom cementu sa stanovuje obsah hlavných a vedľajších zložiek, ktoré sa vyjadrujú v hmotnostných percentách oxidov. V závislosti od chemického zloženia cementu (resp. slinku) sa tento zaraduje buď k portlandskému, bielemu portlandskému, resp. hlinitanovému cementu. Z chemického zloženia sa potom môžu vyjadriť jednotlivé moduly.

Čiastkový kvantitatívny chemický rozbor cementu zahŕňa stanovenie straty žíhaním, kyselinou nerozložiteľného podielu, síranovej síry a oxidu horečnatého. Z hľadiska analytickej chémie ide pri chemickom rozbore cementu o kremičitany, ktoré sú zväčša rozpustné v kyseline chlorovodíkovej. Obsah nerozložiteľného podielu je limitovaný normou (max. 5 %). Ak treba zistiť aj chemické zloženie nerozložiteľného podielu, prevedie sa tento do roztoku vytavením s uhličitanom sodným.

Pri chemickom rozbore cementov sa ako osobitná položka stanovuje „voľné“ nezreagované CaO (zahŕňa CaO aj Ca(OH)2). Princíp stanovenia je v tom, že voľný oxid alebo hydroxid vápenatý sa rozpúšťa v etylénglykole. Za neprítomnosti vody sa CaO zo silikátov neuvoľní. Nerozpustný zvyšok sa odfiltruje a obsah CaO sa stanoví titráciou s HCl.

Metody chemické analýzy

1. Stanovení ztráty žíháním: Do vyžíhaného a odváženého platinového, resp. porcelánového téglika se odváží na analytických váhách asi 1 g vzorky (obvykle vysušené). Nejlépe je vzorku žíhat v elektrické peci při teplotě asi 1100 °C. Vzorka se vkládá do studené pece, aby nevznikaly straty úletem pri rychlom zohriatí vzorky a uvoľňovaní, napr. CO2. Pri tejto teplote sa potom vzorka žíha do konštantnej hmotnosti.
2. Stanovení oxidů amoniakální skupiny (R2O3): Do 250 ml kadičky se naváží 1 g vzorky a 1 g chloridu amónneho, zmes sa dôkladne premieša, kadička sa prikryje hodinovým sklíčkom a pipetou sa opatrne - po stene kadičky - pridá 10 ml konc. kyseliny chlorovodíkovej. Po ukončení reakcie (rozpúšťania) sa obsah kadičky premieša sklenou tyčinkou a za občasného premiešania sa 30 min zahrieva na vodnom kúpeli (teplota nesmie byť vyššia ako 100 °C, preto sa nemôže použiť pieskový kúpeľ). Sirupovitý zvyšok sa zriedi 50 ml horúcej vody a po usadení sa filtruje filtrom strednej hustoty. Zrazenina sa trikrát premyje 5 % horúcim roztokom kyseliny chloro­vodíkovej a ďalej malými množstvami horúcej vody až do vymiznutia reakcie na chloridy. Filtrát se kvantitativně přenese do odměrné baňky s objemem 500 ml. Filter s kyselinou kremičitou a nerozložiteľným podielom sa vloží do vyžíhaného a odváženého platinového téglika.
3. Stanovení oxidu vápenatého titračně s chelatónem 3: Ze zásobního roztoku po odfiltrování hydroxidů kovů tzv. amoniakálnej skupiny se odpipetuje alikvotní podíl (50 ml) do vysoké kadičky objemu 400 ml, zředí se vodou na objem 200 až 250 ml a za miešania sa roztok rýchlo zalkalizuje 20 ml 20 % roztoku KOH.
4. Stanovení oxidu hořečnatého titrační metodou s chelatónem 3: Ze zásobního roztoku po odfiltrování zrazeniny hydroxidů kovů amoniakální skupiny se do 400 ml kadičky odpipetuje alikvotní podíl (50 ml), zředí se vodou na objem asi 200 ml, pH se upraví na hodnotu 10 přídavkem 25 ml tlumivého roztoku a z byrety se přidá tolik ml roztoku chelatónu 3, kolik se spotřebovalo na stanovení CaO (při titraci na fluorexon). Až potom se přidá indikátor eriochromová čerň T a titruje se odměrným roztokem chelatónu 3 (c = 0,05 mol.dm-3) z vínovočerveného zafarbenia do modra.

Tyto analytické metody, ačkoliv složité, jsou klíčové pro přesné určení chemického složení cementu, což umožňuje jeho správnou klasifikaci a zajištění kvality pro konkrétní stavební aplikace. Hydratace cementu na bázi portlandského slínku je natolik složitou záležitostí, že dodnes v podstatě neexistuje jednotná, komplexní a obecně uznávaná teorie, která by dokázala vysvětlit veškeré pochody probíhající při tuhnutí a tvrdnutí cementu.

tags: #urceni #druhu #cementu #podle #obsahu #manganu

Oblíbené příspěvky:

• Jak vybrat stavební materiál? Recenze HELUZ cihel
• Jak vybrat náhradní polystyreny do autosedačky
• Objevte dlažbu DAREA od PRESBETON
• výběr a aplikace produktů Loctite
• Správné osazení otvorových výplní do cihel