Cement

Je hydraulické práškové pojivo, které po smíchání s vodou tuhne a tvrdne.

Cement tuhne a tvrdne i pod vodou, a proto patří mezi hydraulická pojiva, která nepotřebují k tvrdnutí vzduch, jako např. vzdušné vápno.

Hydraulická pojiva již byla známá před našim letopočtem. Staří Féničané betonovali ze směsi vápna a cihelné moučky.

Velký rozvoj výroby vápenného betonu nastal v 18 stol.

Kolem roku 1860 započal výrobu cementu v Čechách Ferdinand Bárta v Hlubočepích.

Třídy cementu:

Cementy dělíme do pěti hlavních tříd:

CEM I Portlandský cement
CEM II Portlandský cement směsný
CEM III Vysokopecní cement
CEM IV Pucolánový cement
CEM V Směsný cement

Portlandský cement CEM I

Hlavním úkolem při výrobě cementu je vytvořit látky, které jsou schopny reagovat s vodou. Tyto vlastnosti mají zejména některé křemičitany vápenaté, ale i hlinitany i železitany vápenaté. Proto základní surovinou pro výrobu cementu jsou přírodní vápence, zdroj oxidu vápenatého, vápenné síry, hlinité břidlice a hlína, které obsahují oxidy: křemičitý, hlinitý, vápenatý, železitý a hořečnatý.

Surovinu nejdříve rozdrtíme v drtičích a uložíme na skládku. Ze skládky surovinu postupně odebíráme a v kulových mlýnech rozemíláme na surovinovou moučku, kterou shromažďujeme v zásobnících. Po naplnění sila se vše promíchá stlačený vzduchem (homogenizace materiálu). Vypalování homogenizované suroviny probíhá v rotačních pecích.

Nejdříve se ze suroviny vypařuje voda. Z vápenců neuvolňuje oxid uhličitý a jílovité nerosty slínů a břidlic se rozkládají.

K reakci mezi oxidy vápníků, křemíku a hliníku dochází při teplotě asi 1300 °C. Vytváří se trikalciumsilikát, dikalciumsilikát a trikalciumaluminát. Reakce však probíhají pouze na povrchu. Teprve při teplotě 1400 °C nastává slinování taveniny. Hmota se ze 30 % roztaví vytváří se slínek.

Slínky odvážíme na skládku, kde je ponecháváme delší dobu odležet. Uvolňuje se oxid vápenatý, který se navázal na jiné oxidy. Potom slínky semeleme se sádrovcem a dalšími přísadami na velmi jemný prášek CEMENT.

Portlandský cement se vyrábí v jakostních třídách 32,5, 32,5R, 42,5, 42,5R, 52,5.
Portlandský cement je vhodný pro běžné nosné konstrukce, jakož i pro betonování v zimě. Není vhodný pro masivní konstrukce, ani do agresivního prostředí.

Směsné cementy:

Jsou vyráběny na bázi portlandského cementu. Patří zde:

Pucolánový cement – obsahuje 50 až 70 % portlandského slinku a ve zbytku pucolán a sádrovec,
Trasový cement – obsahuje 55 až 65 % portlandského slinku a ve zbytku tras a sádrovec,
Popelkový cement – obsahuje až 30 % létavého popílku a ve zbytku sádrovec,
Hořečnatý cement – obsahuje více než 6 % MgO.
Struskoportlandský cement – obsahuje křemičitý slínek, sádrovec, granulovanou vysokopecní strusku (40 % hmotnosti cementu). Tento druh cementu je odolný proti agresivním vodám, hlavně síranovým a uhličitanovým.

Směsné cementy snižují hydratační teplo a můžeme je využít při budování objemových konstrukcí, avšak zvětšuje se citlivost k nižším teplotám. Je možno je využít pro budování masivních základových konstrukcí, železobetonových prvků atd.

Vysokopecní cement

Vyrábí se semletím křemičitanového slinku s hlavní přísadou a vedlejší přísadou (vysokopecní granulovanou struskou v množství 40-80 % z hmotnosti cementu).

Začátek tuhnutí je min. po 60 min, konec tuhnutí max. 12 hod.

Uvedený cement je vhodný pro masivní konstrukce, základy a konstrukce vystavené agresivním účinků, a pro konstrukce, které budou zatěžovány až po době 1 roku.

Zvláštní cementy:

Vyrábí se pro speciální účely. U nás jsou to jsou například:

Hlinitanový cement (bauxitový)

vyrábí se z hlinitanového slínku (bauxit + vápenec, popřípadě hutnické struska). Rychle hydratuje, počáteční i konečné pevnosti jsou větší než u portlandského cementu. Bouřlivě se uvolňuje hydratační teplo. Hodí se pro zimní betonáž a pro konstrukce v agresivních síranových vodách.

Rozpínavé cementy

zvětšují při tuhnutí objem a jsou dvojího druhu: cement bez smršťování (rozpíná se o 2 až 3 mm/m) a cement rozpínavý (rozpíná se o 5 až 11 mm/m). Oba jsou založeny na vzniku síranu hlinitovápenatého při hydrataci. Používají se pro opravy betonových konstrukcí, k utěsňování trhlin, k uzavírání styků různých konstrukcí, na vodotěsné nádrže.

Vodotěsný nesmršťující cement

vzniká smíšením hlinitanového cementu , rychletuhnoucí stavební sádry, vápenného hydrátu a max. 1 % přísady zpomalující tuhnutí. Je vhodný pro prostředí s vlhkostí větší než 75 %, k těsnění prosakujících trhlin a spár v základech, tunelech a k nanášení vodotěsných torkrétovaných omítek.

Přehradový cement

hlavní vlastností je nízký vývin hydratačního tepla.

Cement vzdorující žáru

odolný vysokým teplotám, při nichž nemá měknout, aby nedošlo k deformaci konstrukce. Vyrábí se pálením bauxitu smíšeného s křídou a sádrovcem. Speciální žáruvzdorné cementy jsou schopny odolávat teplotám až 1600 °C.

Technické požadavky na cementy:

Měrná hmotnost

Největší měrnou hmotnost mají čisté portlandské cementy (ρ=3050 až 3150 kg . m^-3 , pro výpočty ρ=3100 kg . m^-3) u směsných cementů měrná hmotnost klesá (struskoportlandský cement asi ρ=3000 kg . m^-3). Tento údaj je nezbytný pro navrhování složek betonu.

Objemová hmotnost

Závisí na jemnosti mletí, na setřesení při dopravě a skladování a proto hodnota kolísá: u volně loženého cementuρ_o=900 až 1100 kg . m^-3, v pytlíchρ_o=1350 až 1500 kg . m^-3. při objemovém dávkování se počítá s objemovou hmotností cementu ρ_o=1200 kg . m^-3.

Jemnost mletí

Vyjadřuje se měrným povrchem. Jednotka (m² . kg^-1) . Stanovení jemnosti mletí se provádí dle ČSN EN 196 – 6 – Metody zkoušení cementu-Část 6: Stanovení jemnosti mletí.

Podle jemnosti mletí, můžeme rozdělit cementy na:

hrubě mleté (S_c ≈ 180 m² . kg^-1),
středně mleté S_c ≈ 300m² . kg^-1),
jemně mleté (S_c ≈ 400m² . kg^-1),
velmi jemně mleté (S_c ≈ 600m² . kg^-1),
ultra jemně mleté (S_c ≈ 1000m² . kg^-1).

Tuhnutí cementu

Tuhnutí je chemický a fyzikální pochod, při němž kašovitá směs cementu a vody tuhne v pevnou hmotu. Počátek tuhnutí je stanoven pro každý druh cementu normou. (Běžné portlandské cementy mají počátek tuhnutí stanoven po 45 min. a nejpozději do 12 hod. Speciální cementy mají určen počátek tuhnutí dříve, za 30 min i méně a konec tuhnutí za 6 hod dokonce za 8 min).

Zkouška tuhnutí se zjišťuje pomocí Vicatovy jehly, dle EN 196-3 Metody zkoušení cementu – Část 3: Stanovení dob tuhnutí a objemové stálosti

Tvrdnutí cementu

Tvrdnutí je chemický a fyzikální pochod při němž se tuhá směs přeměňuje v tvrdou hmotu. Rychlost tvrdnutí je dána chemickým složením a jemností cementu. Největší přírůstek pevnosti nastává do 28 dnů.

Pevnost cementu

Pevnost cementu se zkouší dle EN 196-1 Metody zkoušení cementu – Část 1: Stanovení pevnosti.

Zkouší se pevnost v ohybu lámáním trámečků o rozměrech 40x40x160 mm.

Zkoušení pevnosti v tlaku se provádí na zlomcích trámečků. (Podle těchto výsledků se cement zařazuje do jakostních tříd).

Tab. 1 Požadavky na mech. a fyz. vlastnosti cementů

Pevnostní třída	Pevnost v tlaku (MPa)				Počátek tuhnutí (min)	Objemová stálost (rozepnutí) mm
	Počáteční pevnost		Normalizovaná pevnost
	2 dny	7 dnů	28 dnů
32,5	-	≥16,0	≥32,5	≤52,2	≥75	≥10
32,5 R	≥10,0	-
42,5	≥10,0	-	≥42,5	≤62,5	≥60
42,5 R	≥20,0	-
52,5	≥20,0	-	≥52,2	-	≥45
52,5 R	≥30,0	-

Hydratační teplo

Hydratace je exotermický proces – množství tepla vybavené jednotkou hmotnosti se nazývá hydratační teplo.

Závisí na:

mineralogickém složení cementu,
jemnosti mletí,
na množství volného vápna a alkálií.

Z celkového hydratačního tepla se vybaví za první 3 dny asi 50 %, za 7 dnů tvrdnutí 65 až 80 % a za 6 měsíců 85 až 90 %.

Hydratace

Je chemický a fyzikální proces, při němž kašovitá cementová směs přechází do tuhého a tvrdého stavu.

Tvorba struktury cementového tmele má tři stádia:

labilní struktura po zamíchání cementu s vodou (do 1 hod.),
tuhnutí: tvorba základní struktury (do 1 dne),
tvrdnutí: tvorba stabilní struktury (po 1 dni).

Průběh hydratace cementu je ovlivněn následujícími okolnostmi:

mineralogické složení cementu: regulátorem tuhnutí je sádrovec,přidaný ke slínku,
jemnost mletí,
množství záměsové vody: konečné množství vázané vody závisí na vodním součiniteli

- cementový součinitel.
Optimální hodnota vodního součinitele k hydrataci cementu je:
w=0,22 až 0,25.

hydratační dilatace: cement podléhá při tvrdnutí objemovým změnám a to tak, že při tvrdnutí na suchu se smršťuje, při tvrdnutí ve vodě cement nabývá,
chemické přísady: jejich použití může prodloužit nebo zkrátit rychlost hydratace.