Portlandský cement

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie
Prejsť na: navigácia, hľadanie

Portlandský cement je najviac používaným druhom 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). Výsledný prášok po zmiešaní s vodou začne hydratovať a tým tuhne.

Portlandský cement bol prvýkrát vyrobený vo Veľkej Británii na počiatku 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. Patent na tento cement získal britský murár Joseph Aspdin v roku 1824.

Výroba[upraviť | upraviť zdroj]

Výroba portlandského cementu je rozdelená do troch hlavných etáp:

  1. Príprava surovinovej zmesi
  2. Príprava spečeniny (slinku)
  3. Príprava cementu

Suroviny pre výrobu portlandského cementu sú zmesou CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 a MgO (vo forme jemného prášku "suchý proces" alebo vo forme blata "mokrý proces"). Suroviny sa väčšinou ťažia priamo z miestnych kameňolomov, ktoré mnohokrát majú najvhodnejšie zloženie všetkých oxidov, niekde je potrebné pridávať íl a vápenec alebo aj železnú rudu, bauxit a recyklovateľné materiály.

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 dikalcium a trikalcium silikáty (Ca2S, Ca3S). Vytvára sa aj menšie množstvo trikalcium hlinitanu (Ca3Al) a tetrakalcium aluminoferit (Ca4AlF). Výsledný materiál je spečenina, ktorá môže byť pred ďalším spracovaním skladovaná niekoľko rokov. Dlhodobé vystavenie vodným účinkom však znižuje reaktivitu vyrobeného cementu.

Potrebná energie k výrobe polotovaru je približne 1700 J/g. Výsledná spotreba energie však môže vzrásť vďaka tepelným stratám. Vysoká spotreba energie a tiež veľké množstvo produkovaného skleníkového plynu CO2 robí z výroby cementu veľkého prispievateľa k globálnemu otepľovaniu Zeme.

K dosiahnutiu požadovaných kvalitatívnych vlastností vyrábaného produktu sa do polotovaru pridávajú 2 % sadry a zmes je veľmi jemne rozomletá v guľôčkových mlynoch. Prášok je tak pripravený na použitie a bude reagovať s pridanou vodou.

Typické zloženie strusky pre výrobu portlandského cementu:
Struska Hmotnostný podiel % Cement Hmotnostný podiel %
Trikalcium silikát Ca3S 45-65% C - Oxid vápnika, CaO 62-67%
Dikalcium silikát Ca2S 15-30% S - Oxide kremíka, SiO2 20-25%
Trikalcium aluminát Ca3A 1-8% A - Oxid hliníka, Al2O3 3-7%
Tetrakalcium aluminoferit Ca4AF 8-15% F - Oxid železa, Fe2O3 2-5%
Sadra 1-3% Sulfát

Použitie[upraviť | upraviť zdroj]

Najväčšie použitie portlandského cementu je pri výrobe betónu. Betón je zložkový (kompozitový) materiál obsahujúcí zmes štrkopiesku, cementu a vody. Ako stavebný materiál môže byť liaty do akéhokoľvek tvaru a po vytvrdnutí sa stáva konštrukčným nosným prvkom.

Hneď ako sa Portlandský cement zmieša s vodou, začne počas hodín tuhnúť a vytvrdne do štyroch týždnov. Počiatočné tuhnutie je spôsobené reakciou medzi vodou, sadrou a trikalcium aluminátom (Ca3Al) vznikajúce kryštalické hydráty kalcium-alumino-hydrát (CaAlH), etringit (Aft) a monofosfát (Afm). Neskoršie vytvrdzovanie a vznik kohéznych síl je spôsobený reakciou vody s trikalcium silikátom (Ca3S) za vzniku amorfného hydrátu nazývaného kalcium-silikátový-hydrát (CaSiH gel). Hydratácia dikalcium silikátu (Ca2S) prebieha podstatne pomalšie než vyššie uvedené a postupne zvyšuje stálu pevnosť. Ako posledná prebieha reakcia pravdepodobne s SiO2. Všetky tri zmienené reakcie uvoľňujú teplo.

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. Označuje sa tak prídavok materiálov, ktoré predlžujú spracovateľnosť zmesi.

Obchod s cementom[upraviť | upraviť zdroj]

Vrecovaný portlandský cement uskladnený na palete

V roku 2002 bola svetová produkcia hydraulického cementu 1800 miliónov ton. Tromi najväčšími výrobcami bola Čína (704 mil. t), India (100 mil. t) a Spojené štáty (91 mil. t), čo tvorí takmer polovicu celosvetovej produkcie.

„Za posledných 18 rokov Čína vyrobila priebežne viac cementu než ktorákoľvek iná krajina na svete. Čínsky export dosiahol vrchol v roku 1994 s 11 miliónmi ton vyvezeného cementu a od tej doby stále klesá. V roku 2002 Čína vyviezla len 5,18 milióna ton. Ponúknutá cena $ 34 za tonu robí z čínskeho cementu drahý stavebný materiál, pretože Thajsko má dopyt na cement za $ 20 za tonu rovnako kvalitného cementu.“ [1]

„Dopyt po cemente v Číne predpokladá zvýšenie na 5,4 % ročne a v roku 2008 prekročí miliardu ton, čo spôsobujú spomaľujúce, ale napriek tomu stále rastúce výdaje na stavebníctvo. Množstvo cementu spotrebovaného v Číne bude tvoriť 44 % celosvetového dopytu a Čína naďalej zostane najväčším svetovým národným spotrebiteľom cementu s veľkým náskokom.“ [2]

Typy Portlandského cementu[upraviť | upraviť zdroj]

Existuje mnoho rozdielnych noriem pre klasifikáciu portlandského cementu. Dve hlavné normy sú americká ASTM C150 a európska EN-197. Typy cementu I, II, III, IV a V podľa európskej normy EN-197 nezodpovedajú typom cementov podľa americkej normy ASTM C150 a ani nemôžu byť nahradené bez špeciálneho povolenia projektanta.

ASTCM C150[upraviť | upraviť zdroj]

V norme ASTM je stanovených päť typov Portlandského cementu s kombináciou prvých troch. ASTM normy (American Society of Testing Materials, v preklade americká spoločnosť pre testovanie materiálov) sú základom pre popis všetkých materiálov a ich vlastností a ich správne použitie. Navyše sa do cementu často pridáva pucolán k zlepšeniu jeho vlastností a zníženiu ceny.

Type I portlandský cement 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 kontaktu so zemou a spodnou vodou. Bežné zloženie tohoto typu je:

55%(Ca3Si), 19%(Ca2Si), 10%(Ca3Al), 7%(Ca4AlF), 2.8% MgO, 2.9%(SiO3), 1.0% tepelné straty a 1.0% voľný CaO

Obmedzenie zmesi je, že (Ca3Al) nesmie prekročiť 15%.

Type II je známy svojou miernou odolnosťou voči sulfidom s miernym zahrievaním alebo bez pri hydratácii. Tento typ cementu stojí takmer rovnako ako typ I. Zloženie je:

51%(Ca3Si), 24%(Ca2Si), 6%(Ca3Al), 11%(Ca4AlF), 2.9% MgO, 2.5%(SiO3), 0.8% tepelné straty a 1.0% voľný CaO.

Obmedzujúcim faktorom je obsah (Ca3Al), 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 (Ca3Si) + (Ca3Si), ktoré nesmie prekročiť 58 %. Dva obmedzujúce faktory sú myslené k minimalizácii praskania spôsobeného teplotnými rozdielmi. Na svetovom trhu sa zvyšuje predaj cementu typu I/II, ktorý je zmesou cementu jednotlivých typov.

Type III je známy svojim rýchlym tuhnutím. Jeho typické zloženie je:

57% (Ca3Si), 19%(Ca2Si), 10%(Ca3Al), 7%(Ca4AlF), 3.0% MgO, 3.1%(SiO3), 0.9% tepelné straty a 1.3% voľný CaO.

Tento cement sa vyrába zo strusky, veľké kusy cementu s veľkým podielom (Ca3Al) a (Ca3Si). O trochu je tiež zvýšené množstvo sadry. 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 trikalcia silikátu (Ca3Si) do zmesi. Toto zvýšené množstvo (Ca3Si) 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. Často je používaný pre núdzové konštrukcie a opravy a konštrukcie základov strojov.

Type IV je všeobecne známy pre jeho malé zahrievanie pri hydratácii. Typické zloženie je:

28%(Ca3Si), 49%(Ca2Si), 4%(Ca3Al), 12%(Ca4AlF), 1.8% MgO, 1.9%(SiO3), 0.9% tepelné straty a 0.8% voľný CaO.

Množstvo (Ca2Si) a (Ca4AlF) je relatívne vysoké a (Ca3Si) a (Ca3Al) 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 ostatních 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 (Ca3Al) 7 % a (Ca3Si) 35 %. Ďalšou nevýhodou tohoto typu je jeho vysoká cena. V dnešných návrhoch zmesí je obsiahnutý pucolán a prímesi znižujúce spotrebu vody z dôvodu zníženia obsahu cementu, čo dovoľuje nahradiť cement typu IV cementem typu II pri stavbách priehrad. To pomáhá znížiť náklady na ich stavbu.

Pozn.: Typ IV sa priemyselne nepoužíva.

Type V Je známy svoju odolnosťou proti sulfidom. Typické zloženie je:

38% (Ca3Si), 43% (Ca2Si), 4% (Ca3Al), 9% (Ca4AlF), 1.9% MgO, 1.8% (SiO3), 0.9% tepelné straty a 0.8% voľný CaO.

Tento cement má veľmi nízke zloženie (Ca3Al), čo má za následok jeho veľkú odolnosť proti sulfidom. Maximálne množstvo (Ca3Al) 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 (Ca3Al) nad 2 %. Často vyžaduje výhodnú objednávku a bežne je dostupný na západe Spojených štátov a Kanady. Ďalším obmedzením je obsah (Ca4AlF) + 2(Ca3Al), 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. Typ V sa v bežnej konštrukcii používa len veľmi zriedka, ale bežne sa používa v krutých podmienkach prostredia prístavov.

EN 197[upraviť | upraviť zdroj]

Európska norma EN 197-1 klasifikuje portlandský cement do 5 skupín, ktoré sa líšia od ASTM.

I Portlandský cement Obsahuje portlandský cement a max. 5 % ďalších prímesí
II Portlandský zložkový cement Portlandský cement a max. 35 % ďalších jednoduchých prímesí
III Struskový cement Portlandský cement a väčšie množstvo vysokopecnej strusky
IV Pucolánový cement Obsahuje portlandský cement a väčšie množstvo pucolánu
V Zložkový cement Obsahuje portlandský cement a väčšie množstvo vysokopecnej strusky a pucolánu alebo popolčeka

Farebnosť cementov[upraviť | upraviť zdroj]

Na bežné stavebné účely sa používa cement šedej farby, na špárovanie obkladačiek v kúpeľniach a iných dekoračných požiadavkách sa používa biely cement. Biely cement zmiešaný s farbivami môže mať ľubovoľný farebný odtieň.

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]