Cement a jeho súčasné podoby

Výroba cementu zažíva zmeny a spoločnosti vyrábajúce cement hľadajú čo najekologickejšie riešenia. Aké sú súčasné trendy pri výrobe cementu?

Cementy sú práškové materiály, ktoré reakciou s vodou tuhnú a tvrdnú za vzniku vápenno-kremičitých hydrátov. Chemické zmeny spôsobené tzv. puzolánovou reakciou sú za bežných podmienok nezvratné a vzniknuté hydratačné produkty dávajú výslednému materiálu, ktorý sme zvyknutí nazývať maltou alebo betónom, charakteristické vlastnosti.

Výroba cementu
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. Po pridaní regulátora tuhnutia a vhodnom zabalení je cement pripravený na transport k spracovateľovi.

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. na viac než 1 400 °C.

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. Veľkou výhodou cementárskych pecí je extrémne vysoká teplota plameňa, ktorá umožňuje dokonale spáliť aj ekologicky problematické látky, pričom vznikajú bežné základné oxidy.

Existujú aj nové účinnejšie systémy chladenia slinku, ktoré ho dokážu takmer ihneď po výstupe z pece ochladiť na asi 200 °C. Po zomletí s regulátorom tuhnutia v cementových mlynoch sa zo slinku stáva portlandský cement.

Hlavné zložky cementov
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). Podľa množstva jednotlivých zložiek a ich pomeru k portlandskému slinku sa v európskej harmonizovanej norme EN 197-1 rozoznáva dokonca 27 druhov cementu na všeobecné použitie, ktoré sa ­líšia svojimi charakteristickými vlastnosťami.

Napríklad vysokopecná granulovaná troska dáva cementu, a tým aj výslednému betónu, pomalší nábeh pevnosti v tlaku a vyššiu chemickú odolnosť napríklad proti agresívnym síranom. Svojou latentnou hydraulicitou troska pozitívne ovplyvňuje dlhodobé pevnosti betónu, na druhej strane jej horšie rozomletie býva pri cementoch s vyšším obsahom trosky príčinou relatívne nízkych krátkodobých pevností.

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. Hlavný prínos vápenca je však v zlepšení reologických vlastností čerstvého betónu, ktorý sa stáva odolnejším proti oddeľovaniu vody, čo má priaznivý vplyv aj na kvalitu povrchu hotovej konštrukcie.

Voľba správneho druhu cementu, ktorý by čo najlepšie zodpovedal danému účelu použitia, je jedným z predpokladov dosiahnutia kvalitného a zároveň úsporne vyrobeného betónu.

Trendy pri výrobe cementu
Globálnym trendom pri výrobe cementu je snaha maximálne využiť neslinkové materiály a znižovať množstvo portlandského slinku na tonu cementu.

Cementy s vysokopecnou troskou (portlandský troskový cement CEM II/B-S a vysokopecný cement CEM III/A) sa už zaradili k tradičným, naopak, pomerne nové sú portlandské cementy s vápencom (CEM II/A-LL, CEM II/B-LL) a portlandské zmesové cementy (CEM II/A-M a CEM II/B-M).

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. Nevýhodou však je, že materiály ako vysokopecná granulovaná troska a popolček sú vedľajšími produktmi výrobného sektora nesúvisiaceho so stavebníctvom. Ich kvalita a sezónna dostupnosť sa riadi úplne inými požiadavkami, ako majú odberatelia cementu – teda čo najvyššou kvalitou cementu.

Tab.: Pevnostné triedy cementu

Špeciálne cementy
Modifikáciou bežných fyzikálno-mechanických, chemických, estetických a iných parametrov bežných cementov možno získať špeciálne produkty, ktorých účel použitia môže byť aj netradičný.

Z estetického hľadiska sa k špeciálnym cementom zaraďuje biely cement. Vyrába sa veľmi podobne ako cementy s bežnou farebnosťou, s dôrazom na minimálny obsah farbiacich oxidov v portlandskom slinku.
Rozpínavé cementy obsahujú okrem portlandského slinku ďalšie zložky, ktoré počas hydratácie zväčšujú svoj objem. Tento efekt sa využíva na elimináciu prirodzeného zmršťovania betónu, napríklad pri výrobe podláh, ako aj pri trhacích prácach, lebo účinok rozpínavých cementov môže byť veľmi deštruktívny.

Najnovším cementom zo skupiny špeciál­nych cementov je fotokatalytický cement, ktorý je zásluhou zložky − fotokatalyzátora, špeciálne pripravenej nanokryštalickej látky − a pôsobením svetla schopný rozkladať široké spektrum organických i anorganických látok, z ktorých väčšina sa považuje minimálne za zdraviu škodlivé.

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. Vo vlhkom prostredí totiž časom podľahnú nežiaducej premene hydratačných produktov spojenej s nárastom pórovitosti a značným poklesom pevnosti.

Ďalším zástupcom sú supersulfátové cementy tvorené vysokopecnou granulovanou troskou, síranom vápenatým a malým množstvom portlandského slinku ako aktivátora. Vyznačujú sa vysokou odolnosťou proti chemicky agresívnemu prostrediu.

Hydratácia cementu
V úvode sme spomenuli puzolánovú reakciu, základný princíp tvrdnutia hydraulických spojív. Pri reakcii hydroxidu vápenatého (skrátene C), oxidu kremičitého (S) a vody (H) vznikajú  vápenno-kremičité hydráty (CSH).

Hydratácia cementu, teda proces chemických reakcií bezprostredne nasledujúci po zmiešaní cementu s vodou, ktorý vedie k dosiahnutiu konečnej pevnosti materiálu, je zložitejším variantom puzolánovej reakcie. Vápenná i kremičitá zložka sú v cemente totiž prítomné vo forme niekoľkých základných slinkových minerálov:

• trikalciumsilikátu (C₃S, alitu),
• dikalciumsilikátu (C₂S, belitu),
• trikalciumaluminátu (C₃A),
• tetrakalciumaluminátferitu (C₄AF).

Tie sú hlavnými produktmi po ochladení roztavenej suroviny – portlandského slinku. Spoločne s regulátorom tuhnutia a s vodou dávajú vzniknúť aj už uvedeným CSH zlúčeninám, nositeľom konečnej pevnosti betónu.

Namiesto hlinitanových hydrátov prechodne vzniká etringit pôsobiaci ako regulátor tuhnutia, ktorý v prvej fáze hydratácie zabraňuje okamžitému tuhnutiu, takže čas spracovania čerstvého betónu sa predlžuje až na niekoľko hodín. Hydratácia cementu na báze portlandského slinku je natoľko zložitou záležitosťou, že dodnes v podstate neexistuje jednotná, komplexná a všeobecne uznávaná teória, ktorá by dokázala vysvetliť všetky pochody prebiehajúce pri tuhnutí a tvrdnutí cementu. S nástupom a masívnym rozvojom používania rôznych chemických prísad pri výrobe betónu, ktoré ešte rozšírili počet zlúčenín zúčastňujúcich sa hydratačného procesu, sa stupeň poznania v tejto oblasti príliš nezvýšil.

Kvalita a normalizácia
Základným dokumentom určovania kvality vyrobených cementov je európska harmonizovaná technická norma EN 197-1 prevzatá do sústavy slovenských technických noriem ako STN EN 197-1 : 2002, Cement. Časť 1: Zloženie, špecifikácie a kritériá na preukazovanie zhody cementov na všeobecné použitie. Uvádza aj tzv. kritériá zhody, teda predpoklady udelenia európskej značky zhody CE. Ak sa tieto kritériá nesplnia, značka CE sa k cementu nesmie pripojiť a cement sa na území Európskej únie nesmie na trhu uvádzať ako cement na všeobecné použitie. Pripojenie značky zhody CE je dôkazom o splnení všetkých technických požiadaviek na tento druh výrobku a nasleduje až po získaní ES vyhlásenia o zhode od príslušného notifikačného orgánu vykonávajúceho dohľad nad systémom riadenia výroby.

Norma ako hlavný kvalitatívny parameter uvádza pevnosť v tlaku (začiatočnú po 2 dňoch a normalizovanú po 28 dňoch), začiatok tuhnutia, objemovú stálosť, obsah síranov, obsah chloridov a pri niektorých druhoch cementov aj stratu žíhaním, nerozpustný zvyšok a obsah puzolánu. Pre cementy s nízkym hydratačným teplom (LH) predpisuje maximálnu charakteristickú hodnotu 270 J/g stanovenú po siedmich dňoch rozpúšťacou metódou, respektíve po 41. hodine semiadiabatickou metódou. Definuje tri pevnostné triedy vzhľadom na charakteristickú hodnotu normalizovanej pevnosti a dve triedy začiatočnej pevnosti.

Záver
Hlavným kritériom kvality je vždy spokojnosť odberateľov. Tú nemožno dosiahnuť iba splnením normatívnych požiadaviek, ale dlhodobou orientáciou výrobcu na potreby zákazníka a ich zohľadnenie vo výrobnom procese.

Ing. Ondřej Matějka
Foto: archív Českomoravský cement

Autor pracuje ako technický poradca vo firme Českomoravský cement, a. s., nástupnická společnost.

Článok bol uverejnený v čaopise Stavebné materiály.