PergolyCement, Vápno a Beton: Od historie po moderní výzvy
Jméno práškového pojiva, používaného spolu s vodou a dalšími přísadami do malt, omítek a betonů, se k nám dostalo z latinského caementum. Předpokládáme, že toto slovo vzniklo z caedimentum - lámavý kámen, a to od caedere - tesat, lámat. Naše lidová forma ciment pochází ze středohornoněmeckého Ziment, přičemž -i- se tam dostalo asi z vulgárního latinského cimentum.
Cement je důležitou složkou betonů i malt, kde slouží jako pojivo. Řadí se k tradičním materiálům, které se ve stavebnictví začaly využívat už v období starověkého Říma. Jedná se o hydraulické pojivo, které se vyrábí smísením vápna, hlíny, písku a vody. Po zaschnutí ztvrdne a vytváří pevnou a trvanlivou strukturu.
Nerozlučným souputníkem cementu je vápno - k obojímu je potřeba stejná hornina. Všeslovanské slovo vápno pochází zřejmě ze staroslověnského wapy - barva, je však patrná souvislost s řeckým baptó - nořím do vody nebo i barvím. Být bílý jako kbelík od vápna upomíná na barvu tohoto materiálu. Vápno se používá jako pojivo při stavbě cihlových a kamenných zdí a k omítnutí stěn.
Výroba 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. Základními surovinami pro výrobu cementu jsou vápenec a jíl. Tyto suroviny se těží v lomech, kde se odstřelují výbušninou.
Lomový kámen se dopraví do odrazového kladivového drtiče, ve kterém se drtí na frakce o velikosti kolem 4 cm. Rozdrcené a smíchané suroviny se společně rozemelou na moučku. 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.
Čtěte také: Využití jedlového dřeva ve stavebnictví
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.
Složení a Typy Cementu
Cement, respektive běžný portlandský cement, obsahuje kromě oxidu vápenatého (\mathrm{CaO}) i další oxidy, například oxid křemičitý (\mathrm{SiO_2}), hlinitý (\mathrm{Al_2O_3}) nebo železitý (\mathrm{Fe_2O_3}). Při tuhnutí portlandského cementu se uplatňuje reakce oxidů s vodou (hydratace).
Základním typem cementů je portlandský cement, 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.
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.
Cementy se liší podle složení na 5 základních typů, které nabízejí různé vlastnosti. Některé se vyznačují velkým podílem vysokopecní strusky, která zvyšuje odolnost vůči agresivnímu prostředí. Tyto typy cementů se využívají například při betonáži namáhaných konstrukcí, kde dochází ke styku se zeminou, a díky malému přírůstku hydratačního tepla se hodí pro betonování v parných dnech. Jiné typy, díky pucolánu, velmi jemného popílku, jsou vodotěsné a vyznačují se výraznou odolností vůči agresivním odpadním vodám, přičemž se využívají pro méně namáhané konstrukce. Některé cementy spadají do nejnižší pevnostní třídy a nemají jasně stanovený poměr jednotlivých surovin.
Čtěte také: JetSurf: Zkušenosti a dojmy
Kromě zařazení do kategorie je důležitým parametrem také pevnostní třída cementu. 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.
Výroba a Využití Vápna
Zásadní pro výrobu stavebních hmot je těžba vápence. Vápno se vyrábí spalováním vápencové horniny, konkrétně se výpalem rozloží vápenec \mathrm{CaCO_3} na \mathrm{CaO} a \mathrm{CO_2}. Tímto procesem se získává pálené vápno, neboli oxid vápenatý (\mathrm{CaO}).
Wapnem nazýwáme netoliko syrový kámen wápenný neb wápennau zem, ale i hmotu pálenjm oněch nabytau, kteráž tjm činem ztratiwši swau wodu a kyselinu uhljkowau slowe kysličnjk wápničitý, wůbec wápno pálené. Vápno má vynikající vlastnosti pro omítnutí stěn, protože se snadno aplikuje a lze jej tvarovat do různých tvarů. Přispívá k udržování vlhkosti uvnitř budovy a reguluje teplotu.
Smícháním páleného vápna, vody a písku vzniká vápenná malta, tu lze použít ke spojování cihel či tvárnic nebo vytváření omítek. Při míchání vápna je také důležité dodržovat správnou technologii, aby se dosáhlo požadované konzistence směsi.
Beton a jeho Vlastnosti
Smícháním cementu, vody a kameniva (písku, štěrku) vzniká beton, respektive cementový beton. Beton se používá hlavně k výrobě konstrukcí, jako jsou základy, stěny, sloupy a další struktury. Beton se snadno tvaruje a lze jej použít pro různé účely, jako jsou chodníky, schodiště, terasy a další. Ať už stavíte dům, rekonstruujete nebo třeba budujete venkovní terasu, bez betonu se neobejdete.
Čtěte také: Přehled ubytování Dobrá Voda
Příprava betonové směsi, která bude pevná, stálá a odolná, je pro úspěšnou realizaci zásadní, bohužel se však často podceňuje. Špatně připravený beton se pak začne projevovat třeba až po několika měsících nebo letech, a tak bude oprava náročná, nebo nemožná. Při smíchávání se používají různé poměry, v závislosti na požadovaném výsledku a aplikaci.
Výroba Betonu
Nejjednodušší cestou za kvalitním betonem s jasně danými vlastnostmi je použití předpřipravené betonové směsi. Směsi betonů se vyrábí v různých třídách, přičemž platí, že čím vyšší třída, tím vyšší konečná pevnost. Výrobky se označují kombinací písmene C a různých číslic: první číslo za písmenem udává pevnost v tlaku v MPa, druhé číslo hodnotu pevnosti měřenou na metru krychlovém.
Pro betonování větších ploch se vyplatí připravit si betonovou směs ze základních vstupních surovin, tedy z cementu, křemičitého „ostrého“ písku a vody. Určení vhodného poměru vstupních surovin však vyžaduje zkušenosti, jinak hrozí, že připravíte beton nedostatečné kvality, špatné konzistence a malé pevnosti. Častou chybou laiků je přidávání přílišného množství vody, kvůli které se snižuje jeho hustota.
Dbát byste měli i na správnou okolní teplotu v průběhu betonování. Běžné druhy betonových směsí používejte nad 5 °C. V mrazech může voda v betonu zmrznout a narušit jeho strukturu. Pokud se do přípravy betonu pouštíte sami, je nutné vzít v potaz také druh písku, který do betonu přidáte. Pro přípravu betonové směsi doporučujeme používat pitnou vodu z vodovodu.
Pokud potřebujete připravit menší množství betonu, můžete jej namíchat v kolečkách nebo kýblu pomocí elektrického míchadla. Při častějším betonování doporučujeme investovat do stavební míchačky, která vám práci usnadní a zajistí spolehlivé promísení všech složek. Ať už budete míchat hotovou betonovou směs s vodou, nebo vytvářet beton ze vstupních surovin, proces míchání nepodceňujte. Je důležité, aby se v cementové kaši obalilo každé zrnko písku. V opačném případě by se mohl beton drolit a neměl by dostatečnou pevnost.
Nemá cenu připravovat velké množství betonu s předstihem, protože brzy začne tuhnout a bude se s ním špatně pracovat. Při ručním míchání bude navíc obtížné důkladně promísit všechny složky. Při použití cementu je důležité dodržovat správnou tloušťku vrstvy, aby se dosáhlo správné pevnosti a trvanlivosti. Pokud je vrstva příliš tenká, konstrukce bude křehká a pravděpodobně se bude snadno praskat.
Typy Betonových Směsí
Než se pustíte do výběru konkrétní betonové směsi, zamyslete se, jaké vlastnosti od materiálu vyžadujete a k jaké práci jej budete využívat. Běžnou betonovou směs můžete snadno zaměnit s jiným typem stavebního materiálu.
- Beton pro vysoké pevnosti je vhodný pro vyztužené konstrukce i potěry, jako jsou pilíře, podpěry, balkonové desky, podlahy a další.
- Potěry či „potěrový“ beton, jemný, méně pevnostní a nekonstrukční je vhodný pro hrubé betony, vytváření betonových mazanin podlah pod dlažbu, koberce a jiné povrchy. V různých třídách jsou určené i do betonových základů pro staticky namáhané konstrukce.
- Rychleschnoucí betony využijete tam, kde potřebujete pokračovat ve stavebních pracích bez delších technologických přestávek, ale nemůžete nechat materiál pořádně vyzrát.
Betonové směsi se prodávají v různě velkých baleních, zpravidla 25 kg a více.
Tuhnutí a Tvrdnutí Betonu
U výběru správného typu betonu a jeho umíchání vaše práce nekončí. Je nutné znát, jak dlouho tuhne a tvrdne, než povrch můžete maximálně zatížit. Beton ztuhne zhruba hodinu od smíchání směsi, poté začíná tvrdnout. Po týdnu dosáhne 70 % své pevnosti. Dostatečná doba vytvrdnutí betonu je zhruba měsíc, takže je potřeba na to při plánování myslet.
Výslednou stabilitu konstrukce ovlivňuje i teplota. V tropickém létě doporučujeme betonovat večer, nebo povrch pravidelně kropit, aby nevyschl. Utvořily by se v něm trhliny, které snižují stabilitu konstrukce. Voda by měla mít zhruba stejnou teplotu jako okolní vzduch, aby nedošlo k teplotnímu šoku a prasklinám.
Historický Příklad: Římský Beton
Starověcí Římané vynikali v inženýrství, což dokládá nesčetné množství pozoruhodných staveb, které po nich zůstaly. Je mezi nimi i slavný Pantheon v Římě s největší kupolí světa z nezpevněného betonu postavenou v roce 128 našeho letopočtu, která stále stojí, římské přístavy, které stále omývají vlny Středozemního moře nebo římské akvadukty, z nichž některé stále, tedy po 2 tisících letech, dodávají do Říma vodu.
Když se zhroutila Římská říše, tak ve svých ruinách pohřbila i mnoho tehdejších vědomostí. Zmizelo i tajemství výroby římského betonu. Materiáloví vědci strávili celé kariéry na tom, aby rozluštili jeho tajemství. Mezinárodní tým odborníku, který vedl Admir Masic z amerického institutu MIT, podle všeho objevil zásadní technologický postup, který zřejmě těsně souvisí s ohromujícími mechanickými vlastnostmi římského betonu.
Všichni si totiž až doposud mysleli, že klíčem k mysteriózní trvanlivosti římského betonu, která se vysmívá našim často uboze křehkým betonovým konstrukcím, je pucolán, jemný sopečný křemičitý popel, který pocházel z Pozzuoli v Neapolském zálivu. Masic si již dávno všiml, že antický římský beton obsahuje milimetrové jasně bílé úlomky, vápnité klastické částice (lime clasts). V moderních betonech ale nejsou. Prakticky všichni je považovali za vedlejší produkt chyb při míchání betonu nebo nekvalitních surovin.
Masicův tým ale zjistil, že hrají klíčovou roli v samoopravné schopnosti římského betonu. Odborníci doposud předpokládali, že když se do římského betonu přidávalo vápno v roli pojiva, bylo nejprve smícháno s vodou, čímž by vzniklo hašené vápno. Masic s kolegy jsou přesvědčeni, že Římané používali pálené vápno. To je velmi reaktivní a při jeho smíchání se zbytkem betonové směsi by probíhala velmi exotermická reakce, která by zahřála směs na vysokou teplotu. Právě tohle míchání za horka, „hot mixing“, jak říká Masic, by mělo být tím dlouho hledaným klíčem k tajemství římského betonu.
Podle Masice přináší antické míchání za horka dvě zásadní výhody. V betonu vznikají látky a struktury, které by za nižších teplot nevznikly. Tyto objevy nabízejí cenné poznatky pro moderní stavebnictví.
Dekarbonizace Výroby Cementu a Vápna
Cement a vápno jsou 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.
Dekarbonizace Výroby Cementu
Při produkci cementu vzniká 60 % emisí \mathrm{CO_2} při chemické reakci, která se nazývá kalcinace. Působením tepla se vápenec rozkládá na oxid vápenatý a oxid uhličitý. Vzhledem k postupující urbanizaci a s ní související výstavbě není výrazné snížení poptávky po cementu do budoucna pravděpodobné.
U dekarbonizace výroby cementu hraje zachytávání \mathrm{CO_2} pomocí technologie CCS (Carbon Capture and Storage) 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 \mathrm{CO_2} 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.
Kromě toho lze recyklovat i hotový beton, ačkoliv tomu zatím často bránila nejistota v kvalitě a vlastnostech recyklovaného materiálu. 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.
Dekarbonizace Výroby Vápna
Výroba vápna tvoří přibližně 1 % světových emisí \mathrm{CO_2}. Vápno nachází uplatnění v řadě průmyslů, včetně stavebnictví, zemědělství, papírnictví, potravinářství nebo při čištění pitné vody. Největší množství (co se týče jednotlivého účelu) 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. Vodík lze využít jako palivo, které by znamenalo snížení emisí \mathrm{CO_2} až o třetinu při výrobě vápna. Dosažení minimálního znečištění ze spalování je ale podmíněno fungováním pecí výhradně na vodík a také dostupností nízkoemisního vodíku.
tags: #voda #vapno #cement #informace
