Hlinitanové betony: Vlastnosti a použití

V článku je podrobně představena jedna ze základních složek pro výrobu betonu - cement. Pozornost je věnována jeho vlastnostem, environmentálním a ekonomickým aspektům jeho výroby a aktuální situaci v cementářském odvětví. Článek je součástí technické informační aktivity Svazu výrobců cementu ČR (SVC ČR) a jeho členů sloužící k podpoře využívání směsných cementů se sníženým obsahem slínku a s dalšími hlavními složkami - křemičitým popílkem, vysokopecní granulovanou struskou a vápencem.

Cement jako hydraulické pojivo

Podle definice je cement hydraulické pojivo, jemně mletý anorganický materiál, který po smíchání s vodou vytváří kaši, která v důsledku chemické hydraulické reakce tuhne a tvrdne.

Druhy cementů

V současně platné evropské výrobkové harmonizované normě EN 197 - 1 z roku 2011 a její české verzi z roku 2012 (ed. 2) [1] je uvedeno 27 jmenovitých druhů cementů pro obecné použití a kromě nich ještě charakteristiky pro cementy další - síranovzdorné, vysokopecní a s nízkými počátečními pevnostmi. Evropská cementářská norma EN 197 - 1 specifikuje dále také celou skupinu portlandských cementů CEM II. Tyto cementy obsahují kromě portlandského slínku ještě jedinou další hlavní složku. Jsou to např. portlandské struskové cementy CEM II/A‑S s 6 až 20 hm. % a CEM II/B‑S s 21 až 35 hm. % granulované vysokopecní strusky.

Cementy mají na svém obalu normalizované značení podle normy EN 197 - 1.

Portlandský cement je ale jen jedním z mnoha druhů cementů vyráběných z portlandského slínku. Jako doplněk slínku lze totiž pro výrobu cementu použít i jiné suroviny. Nejznámější je asi vysokopecní granulovaná struska (ve smyslu normy EN 197-1 ji zkráceně značíme S), dále popílek (V, W), vápenec (L, LL), přírodní nebo kalcinované pucolány (P, Q), kalcinovaná břidlice (T) nebo křemičitý úlet (D). Podle množství jednotlivých složek a jejich poměru k portlandskému slínku rozeznává evropská harmonizovaná norma EN 197-1 dokonce 27 druhů cementu pro obecné použití.

Čtěte také: Recyklace hlinitanových betonů

Portlandské směsné cementy CEM II (M)

Díky možnosti kombinovat několik hlavních složek umožňuje portlandský směsný cement CEM II (M) využít výhody a naopak eliminovat nevýhody těchto jednotlivých hlavních složek. Takto lze přispět i k vytvoření robustnějších stavebních systémů.

V Evropě v současné době činí podíl výroby portlandských směsných cementů CEM II (M) více než 35 % z celkové produkce. Tyto cementy, které odpovídají EN 197 - 1, nebývají bohužel v některých částech Evropy pro některé stupně vlivu prostředí používány.

Cementy CEM II (M) umožňují vyvážit výhody a nevýhody jednotlivých hlavních složek jejich kombinováním.

Z technického hlediska je třeba při vývoji nového cementu respektovat požadavky na vlastnosti vyráběného betonu, jako jsou dobrá zpracovatelnost, nárůst pevností, a zvláště pak trvanlivost. Z technického hlediska mají cementy CEM I, CEM II a CEM III různé vlastnosti. Žádný cement, ani ten portlandský není ideálním řešením pro všechny aplikace.

Vliv cementu na vlastnosti betonu

Přitom je třeba komplexně pohlížet nejen na výrobu cementu, ale i na jeho vlastnosti. Jedná se především o vliv cementu na vlastnosti betonu, např. na zpracovatelnost, nárůst pevností a především na trvanlivost betonu, která úzce souvisí s jeho hutností, a tedy nepropustností (difuzním odporem), jež dokáže zpomalit karbonataci, omezit průnik chloridů.

Čtěte také: Hospodářství s odpady v Holešově

Kvalita vyrobeného betonu, tedy zejména jeho pevnost a odolnost, není závislá jen na dávce a druhu cementu, ale i na jeho dalších složkách. Kamenivo by mělo být čisté bez organických částic (vhodné je prané kamenivo či čisté drcené kamenivo). Křivka zrnitosti má být plynulá, a pokud to umožňuje tvar konstrukce a vyztužení, je vhodné využít kamenivo s maximálním zrnem, v ČR zpravidla Dmax 22 mm. Použitím vhodných přísad je možné redukovat obsah vody. Obecně lze konstatovat, že vhodné složení a kvalitní vstupní suroviny vedou ke kvalitnímu betonu. Kvalitní beton je však ještě třeba dokončit správným uložením a ošetřováním v raném stáří, kdy se rozhoduje o jeho konečných vlastnostech. Např. nedokonalé zhutnění vede ke zvýšení porozity betonu, a tím ke snížení jeho životnosti a pevnosti. K nešvarům při ukládání betonu patří rovněž i přidávání vody do čerstvého betonu, což má stejný efekt.

Vysokopecní granulovaná struska

Granulovaná vysokopecní struska vzniká rychlým ochlazením vhodně složené struskové taveniny tvořící se při tavení železné rudy ve vysoké peci. Struska musí být nejméně ze dvou třetin hmotnosti sklovitá a při vhodné aktivaci musí vykazovat hydraulické vlastnosti. Se struskou se běžně vyrábí portlandský struskový cement CEM II (S) a ve směsi s popílkem a vápencem portlandský směsný cement (M). Kromě hlavní složky cementu představuje mletá struska materiál, který může výrobce betonu použít do betonové směsi, avšak bez možnosti zajistit její plynulou granulometrickou křivku.

Použitím cementu s podílem strusky nebo mleté strusky pro výrobu betonu se dosahují některé pozitivní vlastnosti betonu. Tyto cementy mají nižší teplotu při hydrataci a beton z něj vyrobený vykazuje vysokou trvanlivost, která je výsledkem nízké kapilární mezerovitosti. Je odolný proti penetraci chloridů a agresivnímu působení síranů. Dobré vlastnosti se projevují také při alkalicko-křemičité reakci a beton vykazuje nízkou náchylnost ke vzniku trhlin vlivem změny teplot, vysokou elektrolytickou odolnost a konzistentní světlou barvu. Takový beton má také velmi dobrou zpracovatelnost.

V případě přidávání mleté vysokopecní granulované strusky přímo do betonu platí doporučení stejná jako pro beton obsahující cement CEM I a CEM II/A, tedy EN 197 - 1 [1], a pro mletou granulovanou vysokopecní strusku platí k-hodnota 0,6 podle EN 15167 - 1 [8].

Větší zastoupení uvedených materiálů na úkor slínku má jednoznačně pozitivní dopady na množství skleníkových plynů produkovaných přímo při výrobě cementu, což může jeho výrobcům přinést i finanční úspory za nákup emisních povolenek.

Čtěte také: Dětské papírové pleny: složení a likvidace

Popílek

Popílek se získává elektrostatickým nebo mechanickým odlučováním prachových částic ze spalin při spalování jemného mletého černého nebo hnědého uhlí. Podle cementářské normy EN 197 - 1 je možné pro výrobu cementu použít pouze popílek získaný výše popsaným způsobem. Popílek může být svou podstatou křemičitý nebo vápenatý. První má pucolánové vlastnosti, druhý může mít navíc vlastnosti hydraulické. Vzhledem ke své pucolánové aktivitě jsou popílky přínosné i pro samotný beton.

Popílek zlepšuje zpracovatelnost čerstvého betonu a díky kulovitým tvarům zrn částečně pomáhá redukovat potřebné množství záměsové vody. Pozitivně ovlivňuje také dlouhodobé pevnosti betonu, hloubku karbonatace a třeba i reverzibilní smrštění. Konečná úprava povrchu betonu s popílkem je snazší a jeho přítomnost v betonu omezuje míru odlučivosti vody z betonu v čerstvém stavu. Betony s příměsí popílku se projevují nižšími počátečními pevnostmi a pomalejším vývojem pevnosti plánované. Proto je třeba počítat s dosažením plánované pevnosti v horizontu pozdějším, než je 28 dní (zpravidla 56 až 90 dní). S tím souvisí také nízké hydratační teplo. Tyto betony jsou velmi odolné vůči trhlinám, a tím i agresivnímu prostředí či tvorbě výkvětů.

Popílek používaný jako příměs do betonu obsahuje amorfní SiO2, ve směsi po smíchání s vodou reaguje s Ca(OH)2 za vzniku C‑S‑H gelů. Ty uzavírají kapiláry a zmenšují velikost pórů v betonu a tím příznivě ovlivňují jeho chemickou odolnost.

Vápenec

Vápenec je materiál bez skutečné hydraulické reaktivity. Přesto se stal jednou z hlavních složek portlandských cementů s vápencem nebo portlandských směsných cementů s podílem vápence, kde je schopen nahradit určité množství slínku. Mineralogické složení vápence z různých lomů se může výrazně lišit, odlišné složení však může mít i vápenec v rámci jednoho lomu. Jeho hlavní složkou je kalcit s mnoha dalšími možnými složkami, jako je křemen, jílové minerály nebo dolomit. Výzkum v posledních letech ukázal, že malá množství kalcitu mohou chemicky reagovat s dostupným oxidem hlinitým ze slínku. Hlavní objem vápence v cementu však dominuje jako plnivo. Některé chemické a fyzikální standardní požadavky na vápenec, např. standardní požadavky na vápenec jako jedné z hlavních složek cementu (obsah CaCO3, jílové částice metodou methylenové modři, celkový organický uhlík - TOC) je pro posouzení vlivu vápence na vlastnosti cementu vhodné doplnit stanovením celkového měrného povrchu pomocí BET. Tento parametr poskytuje informace o vnitřní pórovitosti vápencových částic a tím i o kvalitě a vhodnosti vápence s ohledem na zpracovatelnost a pevnosti. Navíc existuje určitá korelace s obsahem jílu a velikostí krystalů kalcitových minerálů.

• Tyto cementy lze zpracovávat běžnou betonářskou technologií (byly zkoušeny cementy i s nadnormovým obsahem vápence).
• Poměr w/c je klíčovým parametrem pro cementy s vyšším obsahem vápence, neboť tím mohou být ovlivněny mechanické vlastnosti.
• Fyzikální vlastnosti a chemické složení vápence mohou silně ovlivnit některé vlastnosti ztvrdlého betonu, zejména dotvarování nebo smršťování.
• Dominantním parametrem trvanlivosti, zejména odolnosti betonu proti mrazu a rozmrazování, je obsah vápence v portlandském vápencovém cementu. Při obsahu vápence nad 25 hm.

Environmentální a ekonomické aspekty výroby cementu

Cementářský průmysl je jedním z energeticky nejnáročnějších průmyslových odvětví. Výrobní náklady cementu tvoří z větší části náklady na energie, a proto se z ekonomických důvodů vždy usiluje o snížení nákladů na palivo a elektřinu. Ekonomické hledisko je navíc od 90. let 20. století doprovázeno i požadavky na ochranu životního prostředí, např. Evropský cementářský průmysl se společně s dalšími energeticky náročnými průmysly zavázal, že přispěje ke zlepšení ochrany našeho světového klimatu. Z pohledu výrobce cementu hraje svou roli jak poměr nákladů na výrobu k tržní ceně cementu, tak i výše nákladů na výrobu cementu s ohledem na ochranu životního prostředí. Pokud jde o optimalizaci výrobních procesů v oblasti výpalu slínku a mletí cementu, je potenciál snižování emisí CO2 prakticky vyčerpán. Kromě možnosti využití druhotných paliv je proto nyní důležité zaměřit se na výrobu cementů s několika hlavními složkami (tj. nejen slínkem) - např. na portlandské cementy směsné. U nich se omezují měrné emise CO2 na tunu cementu tím, že se podíl energeticky náročného slínku sníží užitím dalších hlavních složek, jejichž výroba produkuje menší emise CO2.

Výpal portlandského slínku a výroba cementů s jeho vysokým podílem jsou nejen environmentálně problematické, ale i stále více neekonomické. Je proto potřeba soustředit se na snížení výroby slínku snížením výroby cementů CEM I se současným snížením jejich podílu pro výrobu betonu pod 10 %. Kladně se dají hodnotit trendy u vápencových cementů, popř.

Výroba cementu prošla v posledním čtvrtstoletí skokovými změnami a původní neekologické procesy z 20. století musí být zapomenuty. Zdokonalila se skladba surovinové směsi a v rámci cirkulární ekonomiky jsou využívány druhotné surovinové materiály až do výše cca 3,5 hm. %. Mnohem významnější proměnou však prošla palivová základna - od mletého uhlí přes zemní plyn a těžký topný olej až po alternativní paliva původem z odpadů zejména na plastové a papírové bázi. Existují u nás výrobní jednotky, které dosáhly palivové substituce až 90 %, nicméně obvyklý průměr je kolem 75 %.

Sledování emisí skleníkových plynů se v počátcích odkazovalo na rok 1997, tedy na jeden z prvních dokumentů o jejich snižování - Kjótský protokol. V té době cementářský průmysl provedl první bilanční výpočty a zahájil procesy prokazatelně vedoucí ke snižování emisí skleníkových plynů. V první etapě se jednalo o úpravu procesních emisí, tedy např. náhradu vápenců v surovinové směsi již dekarbonizovanými odpady, např. popílky. V tomto snižování již nelze obecně více pokročit a procesní emise v současnosti tvoří cca 2/3 z celkových emisí při výpalu slínku. Druhou etapou je snižování emisí z vypalovacího procesu, tedy jednak záměna vysokouhlíkových paliv za nízkouhlíková, nejlépe biomasová, a jednak využívání alternativních paliv původem z odpadů. Využívání biomasových paliv jako zdroje energie při výpalu slínku představuje téměř 25 % z celkové spotřeby paliv a uhlík z biomasy přispívá k celkový emisím CO2 cca 10 %.

Nicméně současným požadavkům kladeným zejména Pařížskou dohodou z roku 2015 a později pak dokumentem Evropské unie s názvem Green Deal z roku 2020 to nepostačuje. Stále se snižující hodnota benchmarku, tj. Nejnovější úvahy Evropské komise (EK) vztahující se k období po roce 2025 předpokládají, že cementářský průmysl bude vyjmut ze stávajícího systému povolenek a bude zařazen do dosud nerozpracovaného Carbon Boarder Adjustment Mechanism.

Výroba 1 t portlandského cementu způsobuje vznik v průměru 1,2 t CO2, zatímco výroba 1 t cementu obsahující 50 % mleté strusky dává vzniknout pouze 0,54 t CO2. Tato data zahrnují emise při procesu pálení cementu, spalování fosilních paliv a použití elektrické energie. Použití strusky je tak velmi efektivní a ekonomicky přínosná metoda při snižování spotřeby energie a emisí CO2 v porovnání s výrobou portlandského cementu do okamžiku, než započteme i CO2 unikající při výrobě železa a oceli.

Ekonomické a environmentální hodnocení výroby směsných cementů

Pro účely ekonomického a environmentálního hodnocení výroby směsných cementů je v tab. Tab. Z uvedeného vyplývá, že pouze vlivem ceny emisní povolenky se cenová náročnost výroby cementu mezi roky 2015 a 2020 zvýšila cca 6× a tento rozdíl mezi směsným cementem CEM II/A‑M a portlandským cementem CEM I činí cca 50 %.

V rámci těchto environmentálních úvah je třeba vzít v potaz, že kvůli snižující se výrobě železa a oceli klesá dostupnost vysokopecní granulované strusky a tím se zvyšuje i její cena včetně připočtené parciální hodnoty za emise skleníkových plynů přináležející této výrobě. Dále je třeba mít na paměti sníženou užitkovou kvalitu popílku způsobenou zbytkovým obsahem amoniaku původem z procesu denitrifikace v elektrárnách. Je třeba navíc počítat s tím, že tyto komodity budou v dohledné době nedostatkové, v případě popílku i kvůli útlumu spalování uhlí v tepelných elektrárnách.

Tabulka: Složení a vlastnosti cementů

Typ cementu	Složení	Vlastnosti	Použití
CEM I	Portlandský slínek	Vysoká pevnost, rychlý nárůst pevnosti	Univerzální použití
CEM II (M)	Portlandský slínek + další hlavní složky (struska, popílek, vápenec)	Vyvážené vlastnosti, nižší emise CO2	Různé aplikace dle složení
CEM II/A-S	Portlandský slínek + 6-20 % strusky	Odolnost proti síranům, nižší hydratační teplo	Konstrukce v agresivním prostředí
CEM II/B-S	Portlandský slínek + 21-35 % strusky	Vyšší odolnost proti síranům, pomalejší nárůst pevnosti	Masivní konstrukce

tags: #hlinitanové #betony #vlastnosti #a #použití

Oblíbené příspěvky:

• Jak se zbavit řas v jezírku
• Jak správně třídit odpad?
• Recyklace elektroniky
• Prodej kompostu na Vysočině
• Rozklad Organických Látek