Portlandský cement

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.

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 počas hodín tuhnúť a vytvrdne do štyroch týždňov. Počiatočné tuhnutie je spôsobené reakciou medzi vodou, sadrou a trikalcium aluminátom (Ca₃Al) vznikajúce kryštalické hydráty kalcium-alumino-hydrát (CaAlH), etringit (Aft) a monofosfát (Afm). Neskoršie vytvrdzovanie a vznik kohéznych síl je spôsobený reakciou vody s trikalcium silikátom (Ca₃S) za vzniku amorfného hydrátu nazývaného kalcium-silikátový-hydrát (CaSiH gel). Hydratácia dikalcium silikátu (Ca₂S) 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.

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 americká ASTM C150 a európska EN-197. Typy cementu I, II, III, IV a V podľa európskej normy EN-197 nezodpovedajú typom cementov podľa americkej normy ASTM C150 a ani nemôžu byť nahradené bez špeciálneho povolenia projektanta.

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. Navyše sa do cementu často pridáva puzolán 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 % (Ca3Si), 19 % (Ca2Si), 10 % (Ca3Al), 7 % (Ca4AlF), 2,8 % MgO, 2,9% (SiO3), 1,0 % tepelné straty a 1,0 % voľný CaO
Obmedzenie zmesi je, že (Ca3Al) 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 % (Ca3Si), 24 % (Ca2Si), 6 % (Ca3Al), 11 % (Ca4AlF), 2,9 % MgO, 2,5 % (SiO3), 0,8 % tepelné straty a 1,0 % voľný CaO.
Obmedzujúcim faktorom je obsah (Ca3Al), 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 (Ca3Si) + (Ca3Si), 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 % (Ca3Si), 19 % (Ca2Si), 10 % (Ca3Al), 7 % (Ca4AlF), 3,0 % MgO, 3,1 % (SiO3), 0,9 % tepelné straty a 1,3 % voľný CaO.
Tento cement sa vyrába z trosky, veľké kusy cementu s veľkým podielom (Ca3Al) a (Ca3Si). 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 (Ca3Si) do zmesi. Toto zvýšené množstvo (Ca3Si) 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 % (Ca3Si), 49 % (Ca2Si), 4 % (Ca3Al), 12 % (Ca4AlF), 1,8 % MgO, 1,9 % (SiO3), 0,9 % tepelné straty a 0,8 % voľný CaO.
Množstvo (Ca2Si) a (Ca4AlF) je relatívne vysoké a (Ca3Si) a (Ca3Al) 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 (Ca3Al) 7 % a (Ca3Si) 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 cementem typu II pri stavbách priehrad. To pomáha znížiť náklady na ich stavbu.
Pozn.: Typ IV sa priemyselne nepoužíva.
Type V
Je známy svoju odolnosťou proti sulfidom. Typické zloženie je:
38 % (Ca3Si), 43 % (Ca2Si), 4 % (Ca3Al), 9 % (Ca4AlF), 1,9 % MgO, 1,8 % (SiO3), 0,9 % tepelné straty a 0,8 % voľný CaO.
Tento cement má veľmi nízke zloženie (Ca3Al), čo má za následok jeho veľkú odolnosť proti sulfidom. Maximálne množstvo (Ca3Al) 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 (Ca3Al) nad 2 %. Často vyžaduje výhodnú objednávku a bežne je dostupný na západe Spojených štátov a Kanady. Ďalším obmedzením je obsah (Ca4AlF) + 2(Ca3Al), 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.