Portlandský cement
Z Wikipédie
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.
Obsah |
[upraviť] Výroba
Výroba portlandského cementu je rozdelená do troch hlavných etáp:
- Príprava surovinovej zmesi
- Príprava spečeniny (slinku)
- 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 1480 °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 (C2S, C3S). Vytvára sa aj menšie množstvo trikalcium hlinitanu (C3A) a tetrakalcium aluminoferit (C4AF). 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.
| Struska | Hmotnostný podiel % | Cement | Hmotnostný podiel % |
| Trikalcium silikát C3S | 45-65% | C - Oxid vápnika, CaO | 62-67% |
| Dikalcium silikát C2S | 15-30% | S - Oxide kremíka, SiO2 | 20-25% |
| Trikalcium aluminát C3A | 1-8% | A - Oxid hliníka, Al2O3 | 3-7% |
| Tetrakalcium aluminoferit C4AF | 8-15% | F - Oxid železa, Fe2O3 | 2-5% |
| Sadra | 1-3% | Sulfid |
[upraviť] Použitie
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.
Akonáhle 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 (C3A) vznikajúce kryštalické hydráty kalcium-alumino-hydrát (CAH), etringit (Aft) a monofosfát (Afm). Neskoršie vytvrdzovanie a vznik kohéznych síl je spôsobený reakciou vody s trikalcium silikátom (C3S) za vzniku amorfného hydrátu nazývaného kalcium-silikátový-hydrát (CSH gel). Hydratácia dikalcium silikátu (C2S) 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.
[upraviť] Obchod s cementom
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.“ 7.1.2004
„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.“ 1.11.2004
[upraviť] Typy Portlandského cementu
[upraviť] Základné
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 podla americkej normy ASTM C150 a ani nemôžu byť nahradené bez špeciálneho povolenia projektanta.
[upraviť] ASTCM C150
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. Naviac 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%(C3S), 19%(C2S), 10%(C3A), 7%(C4AF), 2.8% MgO, 2.9%(SO3), 1.0% tepelné straty a 1.0% voľný CaO
Obmedzenie zmesi je, že (C3A) 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%(C3S), 24%(C2S), 6%(C3A), 11%(C4AF), 2.9% MgO, 2.5%(SO3), 0.8% tepelné straty a 1.0% voľný CaO.
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. 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% (C3S), 19%(C2S), 10%(C3A), 7%(C4AF), 3.0% MgO, 3.1%(SO3), 0.9% tepelné straty a 1.3% voľný CaO.
Tento cement sa vyrába zo strusky, veľké kusy cementu s veľkým podielom (C3A) a (C3S). 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 (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. 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%(C3S), 49%(C2S), 4%(C3A), 12%(C4AF), 1.8% MgO, 1.9%(SO3), 0.9% tepelné straty a 0.8% voľný CaO.
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 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 (C3A) 7 % a (C3S) 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% (C3S), 43% (C2S), 4% (C3A), 9% (C4AF), 1.9% MgO, 1.8% (SO3), 0.9% tepelné straty a 0.8% voľný CaO.
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. Typ V sa v bežnej konštrukcii používa len veľmi zriedka, ale bežne sa používa v krutých podmienkach prostredia prístavov.
[upraviť] Farebnosť cementov
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.
[upraviť] EN 197
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 |
