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:
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.
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.
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)).
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.