Portlandský cement

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). Výsledný prášok po zmiešaní s vodou začne hydratovať a tým tuhne.

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. Patent na tento cement získal britský murár Joseph Aspdin v roku 1824.

Značky

V súvislosti s cementom sa používajú špeciálne cementárenské skratky chemických látok (napr. C, S, A, F a iné) - pozri napr. v tabuľke nižšie. To znamená, že napr. S neznamená síru, ale ide o skratku pre SiO₂.

Výroba

Výroba portlandského cementu je rozdelená do troch hlavných etáp:

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

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"). 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 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. Dlhodobé vystavenie vodným účinkom však znižuje reaktivitu vyrobeného cementu.

Potrebná energia na výrobu polotovaru je približne 1 700 J/g. Výsledná spotreba energie však môže vzrásť vďaka tepelným stratám. Výroba cementu je spojená s vysokou spotrebou energie a produkuje veľa skleníkového plynu CO₂.

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

Typické zloženie portlandského cementu (slinok plus sadrovec):

Delenie 1	hmotnostný podiel (%)	Delenie 2	hmotnostný podiel (%)
kremičitan trojvápenatý (trikalciumsilikát, alit) 3 CaO · SiO2 (skr. C3S)	45 – 65 %	oxid vápenatý CaO (skr. C)	62 – 67 %
kremičitan dvojvápenatý (dikalciumsilikát, belit) 2 CaO · SiO2 (skr. C2S)	15 – 30 %	oxid kremičitý SiO2 (skr. S)	20 – 25 %
hlinitan trojvápenatý (trikalciumaluminát) 3 CaO · Al2O3 (skr. C3A)	1 – 8 %	oxid hlinitý Al2O3 (skr. A)	3 – 7 %
železohlinitan štvorvápenatý (tetrakalciumaluminoferit, brownmillerit) 4 CaO · Al2O3 · Fe2O3 (skr. C4AF)	8 – 15 %	oxid železitý Fe2O3 (skr. F)	2 – 5 %
sadrovec CaSO4 · 2 H2O	1 – 3 %	oxid sírový SO3	1 – 2 %

Použitie

Najväčšie použitie portlandského cementu je pri výrobe betónu. Betón je zložkový (kompozitový) materiál obsahujúci 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 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. 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

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.“

„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.“

Typy portlandského cementu

Existuje mnoho rozdielnych noriem pre klasifikáciu portlandského cementu. Dve hlavné normy sú európska EN-197 a americká ASTM C150. Delenia podľa EN-197 a ASTM C150 sú úplne rozdielne a nie sú teda vzájomne prevoditeľné.

EN 197

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 (porov. článok cement (stavebníctvo)).

I	Portlandský cement	Obsahuje portlandský slinok a max. 5 % ďalších prímesí
II	Portlandský zmesový cement	Portlandský slinok a max. 35 % ďalších jednoduchých prímesí
III	Vysokopecný cement	Portlandský slinok a väčšie množstvo vysokopecnej trosky
IV	Puzolánový cement	Obsahuje portlandský slinok a väčšie množstvo puzolánu
V	Zmesový cement	Obsahuje portlandský slinok a väčšie množstvo vysokopecnej trosky a puzolánu alebo popolčeka

ASTM C150

V norme ASTM je stanovených päť typov portlandského cementu. Normy ASTM (American Society for Testing and Materials) sú základom pre opis všetkých materiálov a ich vlastností a ich správne použitie. Navyše sa do cementu často pridáva puzolán na zlepšenie jeho vlastností a zníženie ceny.

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 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 %.

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. 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.

Typ 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 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. Často je používaný pre núdzové konštrukcie a opravy a konštrukcie základov strojov.

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

28 % (C3S), 49 % (C2S), 4 % (C3A), 12 % (CaAF), 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 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. To pomáha znížiť náklady na ich stavbu.

Pozn.: Typ IV sa priemyselne nepoužíva.

Typ 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.

Farebnosť cementov

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