Cement, sádra – teoretická část

Cement patří mezi tzv. hydraulické maltoviny. Proces tvrdnutí probíhá i pod vodou a po zatvrdnutí je cementový kámen prakticky nerozpustný ve vodě. Pevnosti zatvrdlého materiálu dosahují podle kvality cementu a při použití vhodného druhu a granulometrii plniva hodnot 35 MPa až 50 MPa a ve výjimečných případech dokonce 80 MPa. Nejčastěji používaný je portlandský cement, ale existují ještě i jiné typy cementů jako hlinitanové, bílé, atp.(viz literatura)
Obecně lze říci, že portlandský cement se vyrábí semletím portlandského cementového slínku na jemný prášek zpravidla se sádrovcem jako regulátorem rychlosti tuhnutí. Slínek se získává výpalem cementářské suroviny do slinutí. Předpokladem pro vznik dobrého slínku je jeho rychlé ochlazení po výpalu.
Mezi základní suroviny pro výrobu cementu patří hydraulické vápence a jílové nerosty. Chemické složení cementářské suroviny je charakterizováno tzv. moduly (viz literatura). Surovina musí mít kromě vhodného složení také dostatečnou jemnost a musí být dokonale homogenní.
Cementový slínek není jedinou chemickou sloučeninou a nelze jeho chemické složení vyjádřit jediným chemickým vzorcem. Je to směs více sloučenin, z nichž téměř žádná není v pravém slova smyslu čistou látkou. Abychom si mohli složení slínku charakterizovat chemicky, vyjadřujeme jeho složení obsahem oxidů, které se na jeho tvorbě zúčastňují. Z celkového počtu oxidů tvoří čtyři hlavní a to SiO₂ , Al₂O₃, Fe₂O₃ a CaO téměř 96 % celkového obsahu jeho složek. Tyto oxidy za vysokých teplot výpalu cementářské suroviny tvoří krystalické křemičitany, hlinitany a železitany vápenaté. Z velkého počtu těchto sloučenin tzv. slínkových minerálů jsou nejdůležitější tri- a dikalciumsilikát, trikalciumaluminát a tetrakalciumferoaluminát. Tyto hlavní slínkové minerály se podílejí na tvorbě slínku přibližně z 90 %. Každý z nich je nositelem charakteristické vlastnosti a konečné vlastnosti cementu jsou dány jejich vzájemným poměrem.

Při zkoušení cementu se výrobek posuzuje

v původním stavu - provádí se chemický rozbor, fázové složení a jemnost mletí,
na cementové pastě v plastickém stavu se stanovuje vodní součinitel (poměr množství vody a množství cementu) a průběh tuhnutí, který je důležitý z hlediska zpracovatelnosti,
na zatvrdlém cementovém kameni (maltě nebo betonu) se měří pevnosti v tlaku a v tahu za ohybu.
Všechny tyto zkoušky s přesným popisem jejich provádění jsou uvedeny v příslušných státních normách (viz http://www.csni.cz/).

Tuhnutí a tvrdnutí cementu
Cement jako hydraulická maltovina potřebuje na rozdíl od vzdušných maltovin k tuhnutí a tvrdnutí vodu. Poměrně složitým procesem vznikají z bezvodých sloučenin hydratační produkty, které jsou ve vodě prakticky nerozpustné a tím zaručují stálost zatvrdlého cementu v trvale vlhkém prostředí. Proces je složitý tím, že jednotlivé pochody neprobíhají nezávisle jeden na druhém a po sobě, ale vzájemně se překrývají a tím se ovlivňují. Tento proces je dále ovlivňován vlastnostmi cementu - fázovým složením slínku a jemností cementu, podmínkami hydratace a do určité míry i množstvím rozdělávací vody.(viz literatura)

Pod pojem sádra zahrnujeme technologicky podobná vzdušná pojiva, která se připravují odvodněním sádrovce. Podle stupně dehydratace vznikají sádry s různou rychlostí tuhnutí:

rychle tuhnoucí sádry - hemihydrátové, které se připravují tepelným zpracováním, kdy z dihydrátu vznikne půlhydrát síranu vápenatého,
pomalu tuhnoucí sádry – anhydritové, které se připravují úplnou dehydratací sádrovce za vzniku anhydritu.

Základní surovinou pro výrobu je sádrovec - CaSO₄.2H₂O, který se v přírodě vyskytuje jako jednoklonný minerál (mariánské sklo - velké průhledné čiré nebo slabě zbarvené krystaly nebo alabastr - jemně krystalický čirý nebo zbarvený). Pro výrobu sádry lze využít také upravený (rekrystalizovaný) vedlejší produkt z chemických a energetických provozů (sádrovec, anhydrit).
Pro výrobu pomalu tuhnoucí sádry se využívá také anhydrit, který je většinou jemně krystalický s různým barevným nádechem.
Z krystalografického hlediska byly rentgenograficky identifikovány fáze uvedené v tabulce 1.

Tabulka 1

dihydrát	sádrovec	CaSO₄.2H₂O	termodynamický stabilní
hemihydrát	rychle tuhnoucí sádra	CaSO₄.0,5H₂O
anhydrit III	rozpustný anhydrit	CaSO₄
anhydrit II	přírodní nerozpustný anhydrit	alfa CaSO₄	termodynamický stabilní
anhydrit I	vysokoteplotní anhydrit	beta CaSO₄

Pálení sádry
Provozní teploty přeměny jednotlivých fází při dehydrataci sádrovce jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2

sádrovec -> hemihydrát	t = 95 až 130°C
hemihydrát -> anhydrit AIII	t = 150 až 230°C
anhydrit AIII -> anhydrit AII	t = 400 až 700°C
anhydrit AII -> anhydrit AI	t = 800°C

Pro zvláštní účely - sádrové omítky - se sádra pálí nadvakrát. Nejprve se poměrně hrubý sádrovec vypálí na hemihydrát a ještě teplý se zvlhčuje roztokem solí kamence (dodekahydrát síranu draselno-hlinitého) nebo boraxu (dekahydrát tetraboritanu disodného). Potom se pálí při teplotách kolem 900°C do úplného odvodnění. Vzniká produkt, který má po zatuhnutí lesklý povrch a vysoké pevnosti.

Tuhnutí sádry
Stejně jako dehydratace sádrovce je i zpětná hydratace sádry z chemického hlediska velmi jednoduchou reakcí. Hemihydráty či anhydrity přecházejí zpět na dihydrát jako konečný produkt hydratace. Ve skutečnosti se jedná o složitý krystalizační proces s přímými důsledky na vlastnosti zatuhlého produktu. (viz literatura)
Vlastnosti jednotlivých druhů sádry
Charakter struktury vzniklé sádrové hmoty je rozhodujícím faktorem mechanické pevnosti sádry. Vlastnosti sáder jsou závislé na morfologii jednotlivých typů.
Struktura zatvrdlé sádry se vytváří spojováním a prorůstáním velmi jemných krystalků dihydrátu a je tedy pórézní. A právě charakter vzniklé pórézní hmoty tedy počet, velikost a tvar pórů má rozhodující vliv na mechanické vlastnosti zatvrdlé sádry. Při rozdělávání sádry se vždy sype sádra do vody a aby měla sádrová kaše při zpracování určitou plasticitu, mísí se vždy s větším množstvím vody než je množství teoreticky potřebné k hydrataci. Přebytečná voda po zatuhnutí vyschne a vytváří v zatuhlém tělese póry.
Beta hemihydrát má velmi malé pseudomorfózní krystalky s četnými póry a trhlinkami vyvolanými objemovými změnami při přeměně sádrovce na hemihydrát. Krystalky jsou neuspořádané s velkou povrchovou energií a poměrně velkým měrným povrchem. Z těchto důvodů potřebuje při přípravě kaše beta hemihydrát větší množství rozdělávací vody. To vede k větší porozitě zatuhlé sádry a tím ke snížení pevnosti. Ve srovnání s alfa sádrou má beta větší rozpustnost a uvolňuje větší hydratační teplo.
Při mokré dehydrataci vznikající alfa sádra má drobné, dobře vyvinuté, dokonale prismatické až jehličkovité krystalky. Ty jsou bez poruch a pórů a tedy při zpracování této sádry není třeba takové množství rozdělávací vody, jako tomu bylo v případě beta sádry a proto zatuhlá má mnohem vyšší pevnosti.
Pomalu tuhnoucí sádra začíná tuhnout za 2 až 5 a končí za 6 až 8 hodin. Přestože tuhnutí je pomalejší, pevnosti dosahují po 28 dnech hodnot až 60 MPa. Pro docílení maximální pevnosti je třeba udržovat zatuhlou sádru alespoň do jednoho měsíce ve vlhkém prostředí. Tento typ sádry nezvětšuje svůj objem.
Rychle tuhnoucí sádra uvolňuje při tuhnutí značné množství tepla a hmota zvětšuje až o 1% svůj objem. Tuhnutí probíhá řádově v minutách a lze ho ovlivnit mimo vlastního způsobu přípravy a zpracování kaše - teplotou, množstvím rozdělávací vody a způsobem míchání i vhodnými přísadami. Zpomalení tuhnutí sádrové kaše lze dosáhnout makromolekulárními látkami, které mají charakter ochranných koloidů, jako jsou na příklad klíh, želatina, sulfitové louhy a pod., nebo vodorozpusnými sloučeninami, které snižují rozpustnost sádry, jako je ethanol, aceton, kyselina citronová, octová, boritá a pod. Tuhnutí lze nejsnadněji urychlit přídavkem dihydrátu, tj. CaSO₄ . 2 H₂O. Pevnost sáder po 7 dnech se pohybuje podle typu v rozmezí 20 až 45 MPa. Při zvlhnutí dochází k poklesu pevností až o 45 %.
Na porozitu a tím i pevnost má vliv i velikost krystalů dihydrátu. Snížení anizometrie podobně jako zvětšení krystalků dihydrátu má za následek snížení pevnosti. V neposlední řadě má na celkovou pevnost vliv i pevnost samotných krystalků dihydrátu, neboť poruchy v krystalové mřížce v důsledku nečistot snižují pevnost těchto základních stavebních jednotek produktu tvrdnutí sádry. Zlepšení mechanických vlastností sáder se dosáhne jejich jemnějším semletím.
Množství záměsové vody potřebné pro rozdělání alfa nebo beta sádry na kaši požadované konzistence lze snížit přídavkem ztekucovadel. Nejčastěji se k tomuto účelu používají ztekucovadla (tzv. superplastifikátory) na bázi sodné soli sulfonované melaminoformaldehydové pryskyřice. Obvyklé dávkování bývá 1 - 2 % hm. vztaženo na sádru. Snížení obsahu záměsové vody vede, jak již bylo uvedeno, ke snížení porozity a výraznému zvýšení pevnosti zatuhlé sádry. Při zachování původního množství záměsové vody způsobuje přídavek ztekucovadla výrazné zvýšení tekutosti sádrové kaše, což je žádoucí při výrobě komplikovaných odlitků.

Literatura
Stavební materiály historických objektů – P. Kotlík a kol., VŠCHT, Praha, 1999.