Vzdušné pojivo cement: Komplexní přehled

Základním prvkem betonu a malty jsou látky mající schopnost spojovat pevné hmoty. Jedná se o tzv. pojiva. Pojivem nazýváme látky, které mají schopnost spojovat jiné sypké nebo kusové materiály v pevnou hmotu. Dochází-li při procesu tuhnutí a tvrdnutí ke změnám chemického složení, jde o pojivo chemické. Pojiva lze rozdělit podle chemické skladby na anorganická (minerální) a organická.

Betonové a maltové směsi nebo omítky jsou vyráběna především z anorganických pojiv, u nichž při tuhnutí a tvrdnutí dochází nejen k chemickým, ale i fyzikálním reakcím. V současném stavebnictví převažují pojiva založená na anorganické bázi. Naše členění se odvíjí od skutečnosti, že jedním ze základních pojiv současnosti je cement. Ten se využívá jak k výrobě betonu, tak mnohdy i pro malty a omítky.

Definice a základní vlastnosti pojiv

Pojivo je aktivní složkou malty, které po zatuhnutí spojuje neaktivní plnivo v pevnou hmotu, jejíž pevnost roste s časem během procesu tvrdnutí. Pro výrobu malt se používá všech výše uvedených pojiv. Plnivo je neaktivní složkou, které maltu vyztužuje a zmenšuje její objemové změny. Nejčastěji se jako plnivo používá drobné kamenivo frakce 0 - 4. Voda pro výrobu malt musí být nezávadná. V našich podmínkách se používá voda pitná. Přísady do malt se přidávají pro zlepšení jejich vlastností.

MALTOU nazýváme zatvrdlou směs pojiva, plniva, vody, případně dalších přísad. BETONEM se rozumí směs drobného a hrubého kameniva, pojiva, vody a případně přísad upravujících jeho vlastnosti. Pojiva pro jeho výrobu se používají opět různá. Rozlišujeme beton cementový, vápenný, sádrový, asfaltový, plastbeton (makromolekulární pojivo) apod. Vodu potřebujeme dvojího druhu. Tzv. záměsovou - k vytvoření dobře zpracovatelné směsi a potřebnou k hydrataci cementu a vodu ošetřovací ke kropení hotového betonu po dobu jeho tvrdnutí. Specifickými betony jsou betony lehké, obecně se jedné o betony jejichž hustota [ρ] < 2 000 kg/m³.

Historie a rozšíření cementu

Cement je v současnosti dominantním pojivem ve stavebnictví. Cement je hydraulické pojivo, tj. tuhne a tvrdne v důsledku hydratačních reakcí a procesů. Je to jemně mletý anorganický materiál, který po smíchání s vodou tvoří pastu, jež tuhne a tvrdne v důsledku hydratačních reakcí a procesů a po zatvrdnutí si zachovává svoji pevnost a stálost i pod vodou. Portlandský cementový slínek musí být v cementu CEM nejméně 50 % hmotnosti.

Čtěte také: Výroba cementu a vápna: Klíčové milníky

Používání hydraulického tuhnutí a tvrdnutí však bylo známo již ve starověku. Zprávy o používání hydraulických malt pocházejí již z roku 2000 př.n.l. z Řecka, Fénicie a Říma. Slovo "cement" má původ v latinském slově "caedere", tj. tlouci. Tento výraz se používal i pro označení lomového kamene. Maltovinový materiál pak označovali jako "caementa", resp. "caementicae".

Římané používali jako příměs do vápna přírodní pucolány, resp. pozzuoli, nebo pemzy, a vyráběli tak pevné a voděodolné malty. Tyto malty umožnily stavbu takových děl, jako jsou městské vodovody, mosty s akvadukty (např. v Nimes v jižní Francii) a přístavní mola (např. přístavu v Ostii okolo roku 45 n.l. za císaře Claudia). Po pádu Římské říše se udržovalo toto dědictví antiky, např. v byzantské architektuře.

V průběhu 18. století byly učiněny důležité objevy, které vedly k vývoji moderního cementu. John Smeaton při stavbě majáku v Eddystonu zjistil, že nejlépe tuhne vápno pálené z vápenců s příměsí jílovitých složek. V roce 1796 James Parker patentoval římský cement, pálený téměř do slinutí. Jméno dostal proto, že se svojí barvou podobal pojivu starých Římanů.

Na začátku 19. století byla L. J. Vicatem popsána výroba hydraulického vápna z přirozeně se vyskytujících surovin. Patent na výrobu portlandského cementu byl udělen v roce 1824 Johnu Aspdinovi, zedníkovi z Leedsu. Název "portlandský" zvolil kvůli podobnosti s přírodním kamenem z ostrova Portlandu. "Vynález" portlandského cementu "dokončil" I. Ch. Johnson v roce 1845, který objevil optimální teplotu výpalu a nutnost stálého sledování správného mísícího poměru surovin.

První cementárny v Čechách vznikly v 70. letech 19. stol. (Bárta 1961). V roce 1860 se v Králově Dvoře vyráběl hydraulický cement. V roce 1872 v Hranicích a Vítkovicích vyráběl vápeno-struskový cement. V tabulce 4 jsou uvedeny cementárny a jejich produkce v České republice.

Čtěte také: kvalitní stavební materiály z betonárny ve Vyškově

Výroba cementu

Při výrobě cementu se používají rotační pece (viz obr. 12). Rotační pec je ocelový válec o délce až 230 m s průměrem až 6 m, opatřený žárovzdornou vyzdívkou. Pec je skloněná pod úhlem 3 až 4 stupňů a otáčí se kolem osy s frekvencí 1 až 2 otáčky za minutu. Proces výpalu probíhá za zvýšené teploty, zhruba 1450 oC. Dochází ke zhutňování, tj. snížení pórovitosti. Částice jsou spojeny taveniny. Slinování je procesem fyzikálním, který není chemickými ději podmíněn. Při slinování vzniká 20 až 30 % taveniny. Po slinování je slínek ochlazen a dále zpracován sádrovcem a dalších příměsí.

Obecné schéma výroby cementu je zachyceno na obr. 6. Surovinová směs je tvořena novými sloučeninami (fázemi) požadovaného složení. Suroviny se míchají s odpovídajícími moduly a stupněm sycení vápnem. Cílem je, aby průběh reakcí v žáru a vznik taveniny podmiňující vytvoření slínku byly co nejrychlejší a nejúplnější. Suroviny jsou rozemlety v mlýnech. K rozdělení hrubších a jemnějších částic se používají vibrační třídiče. Vlhkost v surovinovém kalu se pohybuje mezi 33 až 40 %. Surovinový kal je dále zpracován (mechanicky, pneumaticky) a tím se homogenizuje.

Výroba cementu probíhá buď mokrým, nebo suchým způsobem. Mokrý způsob výroby je energeticky náročnější, proto většina moderních cementáren vyrábí cement pouze suchým způsobem. Výrobní postupy se liší podle způsobu zpracování suroviny (suchý, polomokrý, mokrý). U suchého způsobu výroby, jež je energeticky výhodnější, se suroviny před výpalem vysušeny. Mletí suchým způsobem může probíhat v tzv. sušících mlýnech. Mletí za mokra probíhá ve vodné suspenzi (tzv. kalu). Spotřeba energie pro výpal je zhruba 5500 - 6300 kJ na 1kg slínku při mokrém způsobu výroby.

Příprava surovin a mletí

Suroviny pro výrobu cementu se těží povrchovým způsobem v lomech (obr. 7). Natěžená surovina je dopravována (auty, pásovými dopravníky) na drtírnu. Jílové suroviny se těží povrchově např. v hliništích. Suroviny jsou dále upravovány, aby se dosáhlo optimální směsi pro výrobu surovinové moučky. Rozpojené horniny se nakládají kolovým nakladačem (obr. 8) a dále se drtí. Drcení je zpravidla dvoustupňové. Druhy drtičů závisí na vlastnostech zdrobňované suroviny a z následné technologie výroby. Pro drcení tvrdých a houževnatých surovin se používají čelisťové drtiče. Proces drcení probíhá v průběhu pohybu pohyblivé čelisti proti čelisti pevné.

Homogenizační a předhomogenizační skládky (obr. 9) slouží k zajištění dostatečné zásoby suroviny a k vyrovnání rozdílů v kvalitě vstupní surovinové směsi. Předhomogenizační skládka (obr. 9) je zakládána škrabákovým zakladačem. Skladování v zásobnících nebo na předhomogenizačních skládkách je klíčové pro stabilní provoz. Mletí je jedním z technologicky i energeticky nejnáročnějších procesů. Mletí surovin probíhá v mlýnech (obr. 10), které se dělí na mlýny s volnými mlecími tělesy - především tzv. kulové mlýny. Tyto mlýny jsou vyplněny volnými mlecími tělesy - železnými koulemi. Mlecí tělesa jsou vynášena vzhůru a po dosažení určité výšky opadají. Drcení probíhá nárazem, tlakem a roztíráním. Po mletí je surovina uskladněna v silech (obr. 11), kde probíhá další homogenizace.

Při výrobě cementu se používá řada přísad, které upravují vlastnosti surovinové směsi za syrova nebo v průběhu výpalu, popř. vlastnosti cementu. Mezi tyto přísady patří např. jílovité vápence, slínovce, krystalické vápence (mramory), tj. horniny sedimentárního, popř. metamorfního původu, jejichž dominantní minerál kalcit (trigonální modifikace CaCO₃). Nevhodné jsou dolomitické vápence, tj. s obsahem dolomitu CaCO₃ . MgCO₃, neboť volné MgO totiž způsobuje rozpínání cementu. Obsah CaCO₃ v surovinové směsi pro výrobu portlandského slínku je obvykle 75 až 80 hm. %, zbytek připadá na jílovité složky, křemen, sloučeniny železa apod.

Korekční přísady, jako jsou jílovce, jílovité břidlice, tj. materiály s vysokým obsahem hydraulických oxidů (fáze tvořené SiO₂, Al₂O₃, popř. Fe₂O₃ a dalšími oxidy), se používají v případě, že základní složkou směsi je vysokoprocentní vápenec, obsahující příliš mnoho CaCO₃. Mezi korekční přísady, které upravují obsah některého hydraulického oxidu, patří např. loužence, tzv. křemelina (korekce SiO₂).

Výpal slínku

Výpal slínku je nejdůležitější úsek technologického postupu při výrobě cementu. Slouží k přeměně surovinové směsi na slínek požadovaného složení. V procesu výpalu probíhají následující fáze:

1. Sušení: Tato fáze probíhá při teplotách do 200 oC a je charakterizována únikem volné vody.
2. Rozklad pevných látek: Dehydroxylace jílových minerálů probíhá mezi 450 až 600 oC. Rozklad CaCO₃ na volné vápno (CaO) a CO₂ začíná již od 600 oC a je téměř úplný při 850 - 1000 oC.
3. Reakce v pevném stavu: Při teplotách od 500 do 900 oC vznikají produkty reakcí v pevném stavu - vápenaté silikáty CaO . SiO₂ (CS), 2 CaO . SiO₂ (C2S), vápenaté hlinitany CaO . Al₂O₃ (CA) a 2 CaO . Al₂O₃ (C2A). Tyto reakce probíhají rychleji v případě, že je surovinová směs jemně mletá a dobře homogenizovaná. Při teplotách od 1000 do 1200 oC se začíná tvořit C2F a C4AF.
4. Tvorba taveniny a slinování: Nad 1280 oC dochází k tvorbě taveniny, která urychluje reakce a vznik nových minerálních fází. Při 1450 oC vznikají hlavní složky portlandského slínku: C3S (3 CaO . SiO₂), C2S (2 CaO . SiO₂), C3A (3 CaO . Al₂O₃) a C4AF (4 CaO . Al₂O₃ . Fe₂O₃).

Proces výpalu zachycují obr. 16 a obr. 17. Optimální složení slínku, tj. přítomnost a vzájemné zastoupení tzv. slínkových minerálů, je klíčové pro výsledné vlastnosti cementu. Hlavní složky portlandského slínku a jejich vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 5.

Vývoj hlavních složek slínku v závislosti na teplotě, resp. době a teplotě výpalu, zachycují obr. 16 a obr. 17. Výsledkem výpalu je slínek, který je tvořen různými minerálními fázemi, resp. jejich různých tuhých roztoků.

Druhy cementů a jejich složení

Vyráběných druhů cementů je celá řada. Rozlišují se podle složení, pevnostních tříd a dalších vlastností. Složení cementů je regulováno normou ČSN EN 197-1, platná od 1.4.2002. V tabulce 6 jsou uvedeny hlavní druhy cementů, které jsou v ČR vyráběny a používány.

Cementy se dělí do tří pevnostních tříd: 32,5; 42,5 a 52,5. Pevnost cementu se stanovuje podle ČSN EN 196-1. Cementy s vysokou počáteční pevností se označují písmenem R (tzv. rychletuhnoucí), zatímco cementy s normální počáteční pevností se označují písmenem N. Cementy s nízkým vývinem hydratačního tepla se označují písmenem L.

Kromě výše uvedených hlavních druhů existují i „meziprodukty“ - slínek a „jiné (ostatní) cementy“, např. hlinitanový cement, bílý cement, supersulfátový cement. Všechny tyto materiály mají specifické vlastnosti, které ovlivňují výsledný produkt - cement.

Hydratace cementu

Hydratace cementu je proces, při kterém cement po smíchání s vodou tuhne a nabývá na pevnosti. Během hydratace se minerály v cementu přeměňují na hydratační produkty, tzn. sloučeniny obsahující chemicky vázanou (krystalovou) vodu. Tyto hydratační produkty jsou nerozpustné a stálé.

Hydratace portlandského cementu je ve své podstatě hydrolýzou s následující hydratací. Hlavní hydratační reakce jsou:

• 3 CaO . SiO₂ + 6 H₂O → 3 Ca(OH)₂ + SiO₂ . 2 H₂O
• 2 (3 CaO . SiO₂) + 6 H₂O → 3 Ca(OH)₂ + 3 CaO . 2 SiO₂ . H₂O
• 3 CaO . Al₂O₃ + 6 H₂O → 3 CaO . Al₂O₃ . 6 H₂O (kubický)
• 4 CaO . Al₂O₃ . Fe₂O₃ + 2 Ca(OH)₂ + 12 H₂O → 4 CaO . Al₂O₃ . Fe₂O₃ . 14 H₂O

Konečným stabilním produktem dlouhodobé hydratace C3A je kubický 3 CaO . Al₂O₃ . 6 H₂O, který vzniká přes některé meziprodukty, např.: 4 CaO . Al₂O₃ . H₂O (hydrocalumit) a 2 CaO . Al₂O₃ . 8 H₂O. V přítomnosti síranů vznikají hydrát hlinitanu vápenatého se síranem vápenatým a vodou - ettringit 3 CaO . Al₂O₃ . 3 CaSO₄ . 32 H₂O a monosulfát 3 CaO . Al₂O₃ . CaSO₄ . 12 H₂O. Z tetrakalciumaluminoferritu C4AF (tzv. brownmilleritu) vzniká jako poměrně stálý meziprodukt 4 CaO . Fe₂O₃ . x H₂O a konečným stálým produktem jsou 3 CaO . Al₂O₃ . 6 H₂O a 3 CaO . Fe₂O₃ . 6 H₂O.

V ČR jsou předpisy pro nebezpečné látky obsažené v cementu důkladně sledovány. Cement obsahuje potenciální nebezpečné látky jako jsou radionuklidy, šestimocný chrom, těžké kovy, chloridy, sírany, arsen a jeho sloučeniny, baryum, kadmium a jeho sloučeniny, měď, olovo, vanad, zinek, PAH (antracen, benzo(a)anthracen, benzo(a)pyren, benzo(ghi)perylen, benzo(k)fluoranthen, chrysen, fluoranthen, indeno(1,2,3cd)pyren, naftalen, fenantren), PCB, akrylamid. Používají se různé materiály pro výrobu cementu, jako jsou portlandský cementový slínek, hlinitanový cement, vulkanický prach, pucolánové materiály, pálená břidlice, vápenec, popílek, granulovaná vysokopecní struska, křemičitý úlet, síran vápenatý a přísady.

tags: #vzdusne #pojivo #cement

Oblíbené příspěvky:

• Navařovací kotevní trny pro izolaci
• Pěstování dubu bahenního
• Jak Správně Cvičit Prkno?
• Dřevěné stěny a moderní trendy
• beton a lité potěry Litoměřice