Portlandský cement je najviac používaný druh cementu pri výrobe betónu a malty. Obsahuje zmes oxidov kovov alkalických zemín vápnika, ďalej oxidy kremíka a hliníka. Portlandský cement a podobné materiály sú vyrábané pálením vápenca (ako zdroja vápnika) s ílom alebo s pieskom (zdroj kremíka), čím vzniká spečenina so zdrojom sulfidov (najčastejšie sadra). Portlandský cement bol prvýkrát vyrobený v Spojenom kráľovstve na začiatku 19. storočia a jeho názov je odvodený od podobnosti s portlandským kameňom (stavebný kameň), ktorý sa ťaží v Dorsete na ostrove Isle of Portland, ktorý leží v kanáli La Manche.
V súvislosti s cementom sa používajú špeciálne cementárenské skratky chemických látok (napr. C, S, A, F a iné). Suroviny na výrobu portlandského cementu sú zmesou CaO (skratka C), SiO2 (skratka S), Al2O3 (skratka A), Fe2O3 (skratka F) a MgO (skratka M) (vo forme jemného prášku "suchý proces" alebo vo forme blata "mokrý proces").
Výrobný proces
Surová zmes sa páli vo veľkej rotačnej peci, čo je pomaly sa otáčajúci, ľahko naklonený valec, dlhý zhruba 100 m. V ňom teplota vzrastá s jeho dĺžkou až na približne 1 480 °C. Teplota je regulovaná a zmes sa tak speká do hrudiek. Nízka teplota spôsobuje vytvorenie veľkých spečených kusov a naopak vysoká teplota vytvára kusy taveniny alebo tekutého skla. V časti pece s nízkou teplotou sa CaCO3 (vápenec) rozkladá na CaO (pálené vápno) a CO2 (oxid uhličitý). V časti pece s vysokou teplotou spolu reagujú oxidy vápnika a kremíka a vytvárajú dikalciumsilikáty a trikalciumsilikáty (C2S, C3S). Vytvára sa aj menšie množstvo trikalciumaluminát (C3A) a tetrakalciumaluminoferit (C4AF).
Výsledný materiál je spečenina, ktorá môže byť pred ďalším spracovaním skladovaná niekoľko rokov. Potrebná energia na výrobu polotovaru je približne 1 700 J/g. Výsledná spotreba energie však môže vzrásť vďaka tepelným stratám. Na dosiahnutie požadovaných kvalitatívnych vlastností vyrábaného produktu sa do polotovaru pridávajú 2 % sadrovca a zmes je veľmi jemne rozomletá v guľôčkových mlynoch.
Zloženie portlandského cementu
Hlavné zložky portlandského cementu sú:
- kremičitan trojvápenatý (trikalciumsilikát, alit) 3 CaO · SiO2 (skr. C3S) - 45 - 65 %
- kremičitan dvojvápenatý (dikalciumsilikát, belit) 2 CaO · SiO2 (skr. C2S) - 15 - 30 %
- hlinitan trojvápenatý (trikalciumaluminát) 3 CaO · Al2O3 (skr. C3A) - 1 - 8 %
- železohlinitan štvorvápenatý (tetrakalciumaluminoferit, brownmillerit) 4 CaO · Al2O3 · Fe2O3 (skr. C4AF) - 8 - 15 %
Použitie a vlastnosti
Najväčšie použitie portlandského cementu je pri výrobe betónu. Betón je zložkový (kompozitový) materiál obsahujúci zmes štrkopiesku, cementu a vody. Hneď ako sa portlandský cement zmieša s vodou, začne v priebehu hodín tuhnúť a vytvrdne do štyroch týždňov.
Počiatočné tuhnutie je spôsobené reakciou medzi vodou, sadrovcom a hlinitanom trojvápenatým (trikalciumaluminát, skr. C3A), čím vzniknú kryštalické hydráty: hydrát hlinitanu vápenatého (kalciumaluminohydrát, skr. CAH alebo C-A-H), etringit (ettringit; skr. AFt) a monosulfát (skr. AFm). Neskoršie vytvrdzovanie a vznik kohéznych síl je spôsobený reakciou vody s kremičitanom trojvápenatým (trikalciumsilikát, skr. C3S) za vzniku amorfného hydrátu nazývaného hydrát kremičitanu vápenatého (kalciumsilikáthydrát, skr. CSH alebo C-S-H). Hydratácia kremičitanu dvojvápenatého (dikalciumsilikát, skr. C2S) prebieha podstatne pomalšie než vyššie uvedené reakcie a postupne zvyšuje stálu pevnosť. Ako posledná prebieha reakcia pravdepodobne s SiO2.
Plastický cement je druh portlandského cementu s prídavkom plastifikačného materiálu (vápenec alebo hydraulické vápno), rovnako ako ostatné materiály predlžuje dobu tuhnutia a uľahčuje spracovateľnosť (pozri. superplastifikátor). Plastický cement je používaný najmä na múry k vytvoreniu externej omietky, zatiaľ čo Portlandský cement (primárne použitie do betónu) by mal zlú konzistenciu. V tomto zmysle neznamená termín „plastický“ prídavok organických polymérov.
Štandardizácia a typy
Existuje mnoho rozdielnych noriem pre klasifikáciu portlandského cementu. Dve hlavné normy sú európska EN-197 a americká ASTM C150. Európska norma EN 197-1 klasifikuje (normálny) cement do 5 skupín, ktoré sa líšia od delenia podľa ASTM. Prvá, resp. prvé dve, z týchto piatich skupín predstavujú portlandský cement, zvyšok je portlandký cement iba v najširšom ponímaní tohto pojmu.
Norma ASTM
V norme ASTM je stanovených päť typov portlandského cementu:
- Typ I je známy ako bežný cement. Je to predpokladaný bežný cement, pokiaľ nie je určený iný typ. Bežne je používaný pre základné konštrukcie, zvlášť pre liaty a predpätý betón, ktorý nebude v kontakte so zemou a spodnou vodou.
- Typ II je známy svojou miernou odolnosťou voči sulfidom s miernym zahrievaním alebo bez pri hydratácii. Tento typ cementu stojí takmer rovnako ako typ I. Obmedzujúcim faktorom je obsah (C3A), ktorý nesmie presiahnuť 9 %, čo znižuje náchylnosť k sulfidácii. Tento typ cementu je určený pre základné konštrukcie, ktoré sú vystavené miernemu pôsobeniu sulfidov. To je myslené pre použitie betónu, ktorý je v styku so zemou, ktorá obsahuje väčšie množstvo solí a vody. Ďalším obmedzením je množstvo (C3S) + (C3S), ktoré nesmie prekročiť 58 %. Dva obmedzujúce faktory sú myslené k minimalizácii praskania spôsobeného teplotnými rozdielmi.
- Typ III je známy svojim rýchlym tuhnutím. Tento cement je podobný typu I ale jemnejšie zomletý. O trochu môže byť tiež zvýšené množstvo sadrovca. Použitím tohoto cementu sa vytvára betón, ktorý má pevnosť v tlaku po troch dňoch takú veľkú, ako štandardný betón typu I alebo II po siedmich dňoch tvrdnutia. Sedemdenná pevnosť v tlaku je taká, akú má štandardný betón s cementom typu I alebo II po 28 dňoch. Nevýhodou je, že pevnosť sa po 6 mesiacoch vyrovná pevnosti betónu s cementom typu I a II. Ďalej sa tiež trochu zníži dlhotrvajúca pevnosť. Vysoká počiatočná pevnosť je spôsobená pridaním trikalciumsilikátu (C3S) do zmesi. Toto zvýšené množstvo (C3S) prináša nebezpečenstvo vzniku voľného vápenca v cemente a veľké zmeny objemu po vytvrdnutí. Typ III môže byť tiež použitý v betóne, ktorý prichádza do kontaktu so zemou a spodnou vodou.
- Typ IV je všeobecne známy pre jeho malé zahrievanie pri hydratácii. Množstvo (C2S) a (C4AF) je relatívne vysoké a (C3S) a (C3A) je relatívne nízke. To spôsobuje nízku teplotu pri hydratácii a spomaľuje ju. Rovnako tak sa pomaly vyvíja pevnosť betónu. Po jednom alebo dvoch rokoch je väčšia než u ostatných typov po plnom vytvrdnutí. Tento cement je používaný pre veľmi veľké betónové konštrukcie ako sú napr. priehrady, ktoré majú veľký pomer povrchu k objemu. Obvykle nie je na trhu dostupný a v prípade potreby sa musí špeciálne vyrobiť na objednávku vo veľkých množstvách. Obmedzujúcim faktorom je množstvo (C3A) 7 % a (C3S) 35 %. Ďalšou nevýhodou tohoto typu je jeho vysoká cena. V dnešných návrhoch zmesí je obsiahnutý puzolán a prímesi znižujúce spotrebu vody z dôvodu zníženia obsahu cementu, čo dovoľuje nahradiť cement typu IV cementom typu II pri stavbách priehrad.
- Typ V je známy svoju odolnosťou proti sulfidom. Tento cement má veľmi nízke zloženie (C3A), čo má za následok jeho veľkú odolnosť proti sulfidom. Maximálne množstvo (C3A) je 5 %. Tento typ je používaný v betóne, ktorý je vystavovaný vplyvu alkalických zemín a vodných sulfidov. Bežne nie je určený na použitie pri morskej vode, ale môže byť použitý tak dlho, pokiaľ je obsah (C3A) nad 2 %. Často vyžaduje výhodnú objednávku a bežne je dostupný na západe Spojených štátov a Kanady. Ďalším obmedzením je obsah (C4AF) + 2(C3A), ktorý nesmie prekročiť 20 %. Tento typ cementu je určený pre konštrukciu kanálových priepustí, kanálových vedení a výpustí, pretože sú v stálom kontakte so zemou, ktorá obsahuje sulfidy. To je požadované, pretože sulfidy spôsobujú vážne zhoršenie a deformácie u ostatných typov cementu.
Na bežné stavebné účely sa používa cement sivej farby, na špárovanie obkladačiek v kúpeľniach a iných dekoračných požiadavkách sa používa biely cement.
JAK se VYRÁBÍ CEMENT ve FABRIKÁCH 🏭 | PROCES VÝROBY
História
Betón používali starí Rimania už v 4. storočí pred Kristom. Spočiatku používali techniku, pri ktorej sa medzi dve steny vkladala sutina a sypká malta. Asi po sto rokoch tento proces zdokonalili a vytvorili zmesi, ktoré sa podobajú betónu, ako ho poznáme dnes. Rimania pripravovali cement pomocou vápennej malty a sopečného popola. Táto druhá zložka bola široko prítomná v Stredomorí, kde Gréci boli priekopníkmi jej používania. Vďaka popolu, ktorý prevážali zo základne Vezuvu, prežili staroveké stavby dodnes - sopečný popol urobil betón vodotesným. Najznámejšou starodávnou betónovou stavbou je Panteón - rímsky chrám v tvare rotundy, krytý kupolou. Bol postavený v rokoch 118 až 125 nášho letopočtu. Odhaduje sa, že samotná kupola s priemerom 43,3 m váži asi 5 tisíc ton.
Od čias starovekého Ríma bolo zaznamenaných málo udalostí spojených s rozvojom stavebných prác. Až v 19. storočí nastal významný zlom, pretože betón sa začal vo veľkom využívať ako stavebný materiál. To bolo spôsobené vynálezom a patentovaním portlandského cementu v roku 1824. Vynálezcom je údajne Angličan Thomas Aspdin, ktorý vo svojej práci s názvom „Zlepšenie režimov“ podal správu o svojich mnohoročných experimentoch s tvorbou cementu. výroby umelého kameňa“. V tomto texte autor prvýkrát používa názov „portlandský cement“ ako obdobu kameňa z Portlandu - jedného z najlepších a najdrahších stavebných materiálov vo Veľkej Británii tej doby.
Poľsko bolo jednou z prvých krajín, ktoré začali s priemyselnou výrobou cementu. Cementáreň otvorená v roku 1857 v Grodziec bola v tom čase piatym takýmto miestom na svete. Produktivita továrne bola tesne pod hranicou 500 ton ročne. Výrobný proces spočíval v pálení slinku v šachtových peciach a následnom mletí v kamenných mlynoch. Až v roku 1911 došlo k zmene technológie výroby a zavedeniu rotačných pecných spaľovní. Ukázalo sa, že sú oveľa efektívnejšie a mohli zvýšiť produkciu na 150 ton denne.
Súčasnosť a trendy
V súčasnosti v Poľsku betón prináša málo inšpirácie. V 20. storočí ho používali stavebné firmy na výrobu železobetónových prefabrikátov a stavanie škaredých a chybných panelákov a stal sa synonymom priemernosti a beznádeje charakteristickej pre tú dobu. Betón je stále najpoužívanejším stavebným materiálom. Vďaka pokrokovej technológii a inovatívnym prísadám sa vlastnosti betónu neustále zdokonaľujú a rozširuje sa rozsah jeho použitia.
Pri výrobe betónu zohrávajú dôležitú úlohu rôzne spracovateľské prísady. Použitie chemických prísad je nevyhnutné pri výrobe transportbetónu a v priemysle betónových prefabrikátov, ako aj pri výrobe sád alebo iných drobných betónových prvkov. Navyše čoraz častejšie počujeme o vysokohodnotnom betóne, samostužujúcom betóne, polymércementovom betóne alebo vláknobetóne, teda betóne vystuženom vláknami rôzneho druhu. Vďaka novým technológiám pri výrobe betónu, s použitím prísad do betónu a malty, je jeho rozsah použitia v stavebníctve takmer neobmedzený.
Výrobcovia zohrávajú dôležitú úlohu pri vývoji betónu - ponúkajú prísady a prímesi, vytvárajú inovatívne produkty používané na úpravu zmesí a mált a zlepšujú trvanlivosť a bezpečnosť hotových betónových výrobkov. Portfólio PCC Group má čo ponúknuť stavebnému priemyslu, vrátane emulgátorov, dispergačných činidiel, zmäkčovadiel, superplastifikátorov a zmáčadiel a fluidizačných činidiel. Špeciálna ponuka produktov pre toto odvetvie sa neustále vyvíja a nové produkty sú oslovené tak u výrobcov stavebných materiálov, ako aj u stavebných firiem, ktoré poskytujú široké spektrum služieb.
Výroba cementu zažíva zmeny a spoločnosti vyrábajúce cement hľadajú čo najekologickejšie riešenia. Cementy sú práškové materiály, ktoré reakciou s vodou tuhnú a tvrdnú za vzniku vápenno-kremičitých hydrátov. Spoločným znakom výroby cementov je príprava suroviny požadovaného zloženia a vypálenie suroviny v peci na tzv. portlandský slinok. Ďalej nasleduje chladenie slinku a jeho mletie. Ako surovina na výpal slinku už neslúžia len čisto prírodné materiály, ale aj rôzne vedľajšie produkty a odpady - železitý prach, elektrárenský popolček alebo energosadrovec. Tie vhodne dopĺňajú vyťažený vápenec a prispievajú k optimálnej skladbe surovinovej múčky. Namletá surovina putuje do pece, kde sa vypaľuje na medzu spekania, t. j. kedysi používané šachtové pece vystriedali moderné rotačné pece s výmenníkmi tepla a predkalcinátormi. Spotreba energie na jednotku vyrobeného slinku je tak niekoľkonásobne nižšia. Čoraz častejšie sa na výpal okrem tradičných používajú aj alternatívne palivá, ktoré by ešte pred niekoľkými rokmi skončili nevyužité ako odpad. Dodržiavanie prísnych kvalitatívnych kritérií vymedzujúcich podmienky použitia alternatívnych palív je samozrejmosťou. Existujú aj nové účinnejšie systémy chladenia slinku, ktoré ho dokážu takmer ihneď po výstupe z pece ochladiť na asi 200 °C.
Portlandský cement je však iba jedným z mnohých druhov cementov vyrábaných z portlandského slinku. Ako doplnok slinku možno totiž pri výrobe cementu použiť aj iné suroviny. Najznámejšia je vysokopecná granulovaná škvara (podľa normy EN 197-1 ju značíme skratkou S), ďalej popolček (V, W), vápenec (L, LL), prírodné alebo kalcinované puzolány (P, Q), kalcinovaná bridlica (T) a kremičitý úlet (D). Napríklad vysokopecná granulovaná troska dáva cementu, a tým aj výslednému betónu, pomalší nábeh pevnosti v tlaku a vyššiu chemickú odolnosť napríklad proti agresívnym síranom. Použitie vápenca ako hlavnej zložky cementu má zvyčajne úplne opačný vplyv na pevnosť v tlaku. Jej nárast je spočiatku oveľa rýchlejší, konečné pevnosti sa potom dosiahnu o niečo skôr. Väčšie uplatnenie v posledných rokoch ponúka aj popolček, napríklad ako súčasť spomínaných portlandských zmesových cementov. Väčšie zastúpenie uvedených materiálov na úkor slinku má jednoznačne pozitívny vplyv na množstvo skleníkových plynov produkovaných priamo pri výrobe cementu, čo môže jeho výrobcom priniesť finančnú úsporu za nákup emisných kvót.
Z estetického hľadiska sa k špeciálnym cementom zaraďuje biely cement. Rozpínavé cementy obsahujú okrem portlandského slinku ďalšie zložky, ktoré počas hydratácie zväčšujú svoj objem. Zvláštnu skupinu tvoria cementy, pri výrobe ktorých sa vôbec nepoužíva portlandský slinok alebo iba v minimálnom množstve. Patria sem napríklad hlinitanové cementy vyrábané z vápenca a bauxitu, charakteristické rýchlym dosiahnutím konečných pevností, s vysokou tepelnou odolnosťou, ale aj chemickou nestabilitou. Ďalším zástupcom sú supersulfátové cementy tvorené vysokopecnou granulovanou troskou, síranom vápenatým a malým množstvom portlandského slinku ako aktivátora.
