Výroba cementu: Proces, typy a ekologické aspekty

Cement je nejrozšířenější pojivo dneška užívané ve všech oblastech stavitelství - je to typická stavební hmota soudobé civilizace. Jedná se o práškové hydraulické pojivo, jemně mletou anorganickou látku, která má po smíchání s vodou schopnost tuhnout a následně tvrdnout. Ve stavebnictví má nezastupitelné místo při výrobě betonových a maltových směsí. Cement jako hlavní složka betonu má rozhodující funkci při stanovování požadovaných vlastností jednotlivých druhů betonu.

Historie cementu

Prvními pojivy vyráběnými tepelným zpracováním byly sádra a vápno. Ukazují to zbytky staveb na území Sýrie postavených 7000 let př. n. l. Stejná pojiva používali i Egypťané při stavbě pyramid. Velký rozvoj využití pojiva na bázi cementu se datuje do období starověkého Říma (okolo roku 200 př. n. l.), kdy se začal používat sopečný produkt „pucolán“ jako přírodní pojivo pro stavbu hrází, mostů nebo akvaduktů. Mnohé z těchto významných staveb můžeme obdivovat ještě dnes. Za pucolány jsou dnes označovány přírodní materiály na bázi křemičité nebo křemičito-hlinité látky.

Znalost používání hydraulických pojiv byla pravděpodobně zapomenuta se zánikem římské říše a znovuobjevena až v souvislosti s novověkými pokusy ve stavebnictví. Již v roce 1756 však anglický inženýr J. A. Smeaton vystavěl maják v Eddystonu za použití hydraulické maltoviny. Patent na výrobu cementu byl udělen až v roce 1796 Angličanu J. Parkerovi, který jej nazývá cementem románským. Roku 1824 přihlásil J. Aspdin patent s názvem Zlepšení ve výrobě umělého kamene a v roce 1825 založil továrnu, v níž vyráběl pojivo pod obchodním názvem portlandský cement. Zatvrdlá maltovina se totiž barvou a vlastnostmi podobala stavebnímu kameni vyskytujícímu se v okolí města Portland. Větší průmyslová výroba cementu započala v roce 1840 ve Francii. V Čechách byl cement vyráběn až od roku 1860 v Bohosudově u Teplic.

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. K výrobě 1 tuny slínku je potřeba v průměru 1,52 tuny surovin.

Základní suroviny a jejich příprava

1. Základními surovinami pro výrobu cementu jsou vápenec a jíl. Těží se v lomech, kde se odstřelují výbušninou. Dalšími přísadami jsou vápenné slíny, hlinité břidlice, křemičitý písek, železité rudy, vysokopecní struska nebo popílek v závislosti na požadovaném druhu cementu.
2. Lomový kámen se dopraví do odrazového kladivového drtiče, ve kterém se drtí na frakce o velikosti kolem 4 cm.
3. 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.

Výpal na slínek

4. 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.

Mletí slínku a finální produkt

5. 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. Hotový slínek je uskladněn v silech. 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.

Vlastnosti cementu

Základní vlastností cementu je schopnost hydratace. Za hydrataci označujeme chemický a fyzikální proces, při němž kašovitá cementová směs přechází do tuhého a tvrdého stavu. Při chemické reakci cementu s vodou vzniká teplo, které nazýváme hydratační teplo. Závisí na chemickém složení cementu, množství minerálů a na jemnosti mletí. Čím je cement jemněji mletý, tím má větší povrch, který je smáčen vodou, a tím rychleji se vyvíjí hydratační teplo. Hydratace probíhá nerušené při optimální teplotě 15 až 25 °C.

Čtěte také: Proč jsou dřevěné hračky stále oblíbené?

Tuhnutí a tvrdnutí

• Tuhnutí: Je další chemický a fyzikální pochod, při němž kašovitá směs cementu a vody tuhne v pevnou hmotu. Začátek tuhnutí je pro cementy obecného použití stanoven s ohledem na pevnostní třídu. Počátek tuhnutí běžných cementů je podle pevnostní třídy přibližně 45 minut až 12 hodin po smíchání cementu s vodou. Začátek tuhnutí se oddaluje proto, aby se zajistila doba potřebná pro výrobu betonové směsi, její dopravu, uložení a zpracování.
• Tvrdnutí: Je další krok, při němž se tuhá směs přeměňuje v tvrdou hmotu, která nabývá pokračující hydratací větší pevnosti. Rychlost tvrdnutí je dána chemickým složením a jemností cementu.

Typy cementů

Výběrem, skladbou surovin a technologickým postupem výroby cementu lze ovlivnit jeho vlastnosti, a tím jej předurčit pro co nejširší použití nebo naopak pro užití speciální. Podle evropských norem se cementy rozlišují na základě několika parametrů. Cementy se liší podle složení na 5 základních typů.

Základní typy cementů podle složení (CEM I až CEM V)

• 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 směsný cement (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 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.
• Směsný cement (CEM V): Spadá do nejnižší pevnostní třídy a nemá jasně stanovený poměr jednotlivých surovin.

Speciální cementy

• Bílý cement: S využitím především na dekorativní prvky a pro povrchové úpravy. Přimíšením barevných pigmentů lze z něho vyrábět i barevný cement.
• Rozpínavý cement: Vyznačuje se hydratací s objemovou kontrakcí.
• Hlinitanový cement: Vyrábí se ze speciálního slínku z vápence a bauxitu. Vyznačuje se rychlým průběhem tuhnutí a tvrdnutí, vysokým hydratačním teplem a především zvýšenou odolností v agresivním prostředí. Používá se do žárobetonů nebo tam, kde se neočekává dlouhodobá stabilní pevnost, není tedy vhodný do konstrukčních betonů.
• Silniční cement: Pro betonové vozovky se používá tzv. silniční cement vyznačující se vysokou pevností v tahu ohybem, malými objemovými změnami, dlouhodobou trvanlivostí v agresivním prostředí a vysokými počátečními pevnostmi.
• Fotokatalytický cement: Nejnovějším přírůstkem do skupiny speciálních cementů je fotokatalytický cement schopný působením světla rozkládat široké spektrum organických i anorganických látek, z nichž většina je považována za přinejmenším zdraví škodlivé. To vše zvládá díky obsahu fotokatalyzátoru - speciálně připravené nanokrystalické látky.

Pevnostní třída cementu

Kromě zařazení do kategorie je důležitým parametrem také pevnostní třída cementu. Udává se v MPa a označuje pevnost po 28 dnech. Hodnoty 32,5; 42,5 a 52,5 znamenají pevnost v tlaku v MPa. Tyto hodnoty doprovází označení R nebo N, které značí cement s vysokými (R) nebo normálními (N) počátečními pevnostmi.

Složení cementu a jeho vliv na emise

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. Boj za snížení emisí CO2 a snížení tzv. "uhlíkové stopy" vede přes směsné cementy.

Vliv výroby cementu na životní prostředí a snižování emisí

S enormním objemem spotřeby cementu pro stavební průmysl je vliv jeho výroby na životní prostředí v popředí zájmu celé společnosti. Celosvětová produkce cementu v roce 2010 dosáhla 3,3 miliardy tun, přičemž na Evropu připadá zhruba 10 procent z tohoto množství. Celosvětová výroba cementu se neustále zvyšuje, ale technologie jsou stále stejné. Přitom jde o jeden z nejméně ekologických postupů vůbec. Konkrétně podle údajů Mezinárodní energetické agentury (IEA) tvořila v roce 2019 výroba cementu zhruba 7 % celkových světových emisí oxidu uhličitého. Už tehdy se také objevily informace o tom, že betonářská lobby neplní cíle Pařížské dohody. V návaznosti na to pak nadnárodní organizace rozhodly, že emisní požadavky zpřísní.

Ke vzniku emisí při výrobě cementu přispívají dva hlavní faktory. Tím hlavním je proces výroby slínku, hlavní složky cementu, která se vyrábí v pecích tepelným zpracováním vápence a hlíny. Zároveň je třeba zmínit, že i když u nás v Evropě razíme velmi tvrdá opatření, není to zdaleka dostačující.

Čtěte také: Návod na výrobu dřevěné kozy pro řezání palivového dřeva

Jak snížit emise při výrobě cementu?

1. Použití alternativních paliv: Namísto tradičních fosilních paliv, jako je uhlí, ropa nebo zemní plyn, mohou být použita alternativní paliva, například biomasa, odpadní materiály nebo pneumatiky, které obsahují méně uhlíku. Náklady na energii činí okolo 40 procent výrobních nákladů cementáren.
2. Efektivnější využití surovin: Výroba cementu vyžaduje velké množství surovin, jako je vápenec, křemičitan hlinitý a železný, které se musí těžit a dopravovat. Cementárny se například snaží přidávat do cementu další směsi, které snižují uhlíkovou stopu (například strusku). Dále se objevují nové možnosti takzvaného pěstování vápence pomocí biogenních struktur, kdy uhličitan vápenatý roste v blízkosti korálových útesů, ovšem řízeně, takže se vápenec nemusí nákladně těžit.
3. Vývoj nových technologií: Také vývoj nových technologií může přinést snížení emisí v tomto oboru. Po celém světě se také objevují snahy recyklovat beton. I u nás se v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT testují speciální betonové struktury obsahující recykláty.

Největší producenti cementu (2022)

Podle statistik Mezinárodní rady pro cement je největším producentem cementu na světě Čína.

Výroba betonu svépomocí

Plánujete stavbu nebo rekonstrukci a chcete si beton či maltu připravit sami ze základních surovin? V následujícím návodu popisujeme, jak svépomocí vyrobit beton.

• Cement - v betonu působí jako pojivo. Použít můžeme také speciální příměsi, které upravují vlastnosti betonové směsi.

Při míchání betonu dávejte do stavební míchačky vždy jako první vodu, následně 3-4 lopaty kameniva a po promísení přidávejte postupně celou vypočítanou dávku cementu. Po zamísení cementu postupně přidávejte štěrk, dokud nebude mít beton požadovanou konzistenci. Míchejte přibližně 3 - 5 minut. Vodu dávkujte přiměřeně; přebytečná voda snižuje pevnost betonu a jeho životnost. Vezměte v úvahu, že v kamenivu je běžně obsaženo asi 5 - 15 % vlhkosti. Obzvláště při výrobě vnitřních podkladových betonů a potěrů se vyvarujte předávkování vody.

Za předpokladu použití míchačky standardního objemu (tj. 120 litrů) budete pro výrobu metru krychlového betonu muset proces míchání zopakovat 8x. V případě potřeby většího množství betonu proto doporučujeme zakoupení již namíchaného betonu.

Skladování 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.

Čtěte také: Krok za krokem: Dřevěné srdce

tags: #výroba #cementu #proces #a #produkce #za

Oblíbené příspěvky:

• Zateplení stropu zevnitř pro vyšší tepelný komfort
• Kompletní průvodce porfyrem
• Vše o bitumenových krytinách
• Kompletní průvodce natavováním asfaltových pásů
• Minerální ionty pro zdraví