Cement portlandzki jest w dniu dzisiejszym najczęściej używanym w budownictwie cementem. Jest więc podstawowym składnikiem betonu, zapraw murarskich i różnych popularnych materiałów konstrukcyjnych. Szary, sypki materiał budowlany został wynaleziony jeszcze na początku XIX wieku w Wielkiej Brytanii, a od tamtej pory na stałe zmienił oblicze budownictwa. Bez wątpienia dał podwaliny dla współczesnych betonowych konstrukcji.
Historia cementu portlandzkiego
Cement portlandzki zawdzięcza swoją nazwę ciekawemu podobieństwu do skał wydobywanych na wyspie Portland w Anglii. W 1824 roku brytyjski murarz, niejaki Joseph Aspdin uzyskał patent na proces produkcji cementu portlandzkiego, w odpowiedni sposób mieszając i wypalając glinę z wapieniem.
Po zmieleniu substancji, Aspdin uzyskiwał proszek, który dokładnie wymieszany z dodatkiem wody i związaniu twardniał, tworząc świetny produkt o bardzo dużej wytrzymałości. Pierwsze zastosowania cementu portlandzkiego obejmowały projekty mostów, kanalizacji i fundamentów budynków. W wykonywanych realizacjach od początku doceniano jego niezwykłą, jak na tamte czasy trwałość materiału i łatwość formowania dzięki niemu dowolnych kształtów obiektów.
Wczesna produkcja cementu portlandzkiego
Początkowo cement portlandzki produkowano przy użyciu metody pieców szybowych, w których wymieszany wapień i glinę wypalano w wysokich temperaturach, mniej więcej 1000–1300°C. Proces ten był jednak dość nieefektywny, a wyprodukowany cement charakteryzował się różnorodną, bardzo zmienną jakością.
Dopiero w drugiej połowie XIX wieku wprowadzono piece obrotowe, które umożliwiły bardziej precyzyjne kontrolowanie temperatury wypalania. Przemysłowy obrotowy piec po raz pierwszy został wykorzystany do wypalania klinkieru cementowego z gipsem w roku 1885. Powstał według patentu Anglika, Fryderyka Ransome’a. W ten sposób cement portlandzki osiągał znacznie lepszą jakość i wytrzymałość.
Współczesna produkcja cementu portlandzkiego
Obecnie masowa produkcja cementu portlandzkiego przebiega w nowoczesnych piecach obrotowych, gdzie mieszanka wapienia, gliny, marglu i piasku jest wypalana w ściśle określanej temperaturze, mającej około 1450°C.
Szczegółowy proces wytwarzania obejmuje kilka etapów:
Mieszanie i mielenie surowców
Specjalnie dobrane materiały (wapień, glina, piasek) są bardzo precyzyjnie mielone i mieszane, oczywiście w odpowiednich proporcjach.
Wypalanie
Powstała mieszanina jest wypalana w piecu obrotowym, co powoduje tworzenie się klinkieru, czyli drobnych, charakterystycznych granul.
Chłodzenie i mielenie
Otrzymany na poprzednim etapie klinkier jest właściwie chłodzony i mielony. Do gotowego surowca często dodaje się gips, aby sprawnie regulować dokładny czas wiązania cementu.
Pakowanie i transport
Gotowy do użycia cement portlandzki trafia do opakowań i jest dostarczany do punktów dystrybucyjnych oraz na place budowy.
Zastosowanie cementu portlandzkiego w budownictwie
Cement portlandzki jest wszechstronnie stosowany
Beton – stanowi podstawowy składnik betonu konstrukcyjnego, używanego do wznoszenia mostów, wieżowców, dróg, tam i innych obiektów budowlanych.
Zaprawy murarskie – cement portlandzki stosowany jest do łączenia cegieł i innych popularnych materiałów ściennych.
Prefabrykaty betonowe i żelbetowe – dzięki niemu prowadzona jest produkcja belek, płyt stropowych, paneli i innych prefabrykowanych elementów konstrukcyjnych.
Budownictwo infrastrukturalne – często znajdziemy go w konstrukcjach drogowych, tunelach, fundamentach oraz tamach.
Charakterystyka cementu portlandzkiego
Pamiętaj, że hydrauliczny materiał wiążący, jakim jest cement portlandzki różni się od cementu tradycyjnego, czyli produktów wiążących znanych już w czasach starożytności, takich jak wapno lub cement rzymski. Jak się jednak okazuje, w dniu dzisiejszym to niemal każdy cement na świecie określany jest jako cement portlandzki. Popularnym mianem Portlandu określa się więc wszelki sypki, szary materiał budowlany, otrzymujący swoją postać ze zmielenia klinkieru cementowego z gipsem.
Cement portlandzki uzyskał wyższą wytrzymałość na ściskanie, niż wcześniejsze mieszanki, więc jego użycie pozwala na budowanie bardziej masywnych i odpornych konstrukcji. Jest w pewnym stopniu odporny na czynniki środowiskowe, takie jak woda, mróz i substancje chemiczne, co czyni go w miarę trwałym materiałem budowlanym.
Ma również od innych mieszanek szybszy czas wiązania, co zdecydowanie skraca czas całej budowy. Jest ponadto uniwersalny w zastosowaniu, dzięki czemu jest podstawą współczesnego betonu zbrojonego i innowacyjnych prefabrykowanych elementów konstrukcyjnych.
Wyróżnia się trzy klasy cementu portlandzkiego ze względu na posiadaną przez nie wytrzymałość na ściskanie. Parametr ten prezentuje odporność charakteryzującą związany beton na zewnętrzne oddziaływania.
- Klasa 32,5, w której wytrzymałość materiału po 28 dniach wynosi 32,5–52,5 MPa
- Klasa 42,5, w której wytrzymałość materiału po 28 dniach wynosi 42,5–62,5 MPa
- Klasa 52,5, w której wytrzymałość materiału po 28 dniach jest >52,5 MPa
Biały cement portlandzki
Cement portlandzki biały, czyli White Portland Cement (WPC) powstaje z surowców mających bardzo niską zawartość żelaza oraz magnezu. Tak się składa, że oba te pierwiastki są odpowiedzialne za charakterystyczne, szare zabarwienie produktu. Ich brak, przy jednoczesnym dodaniu białych pigmentów tworzy jasną i czystą barwę cementu.
Alternatywy dla cementu portlandzkiego
Pomimo szerokiego i popularnego zastosowania cementu portlandzkiego, cały czas poszukuje się futurystycznych materiałów budowlanych, które mogą go zastąpić w przyszłości z uwagi na koszty produkcji i wpływ na środowisko, taki jak wysoka emisja CO₂ podczas produkcji surowca.
Opcjonalnie korzysta się obecnie z takich materiałów, jak:
Cementy geopolimerowe – charakteryzuje je niższa emisja CO₂, są produkowane z materiałów pochodzenia przemysłowego, jak chociażby popiół lotny.
Wapno hydrauliczne – stosowane jest popularnie w zabytkach lub obiektach wymagających renowacji. Okazuje się bardziej przepuszczalny dla pary wodnej niż cement portlandzki.
Kruszywa lekkie na bazie popiołów – w pewnym stopniu zmniejszają istniejący ciężar konstrukcji betonowych, skutecznie sprawdzają się jako domieszka w składzie betonu konstrukcyjnego.
Betony konopne i inne biobetony – innowacyjne materiały budowlane, które zawierają włókna organiczne. Mogą to być włókna konopne, których zastosowanie poprawia właściwości termiczne i akustyczne materiału. Są to biokompozyty, mieszanka paździerza konopnego, czyli drzewnego rdzenia rośliny z określonym dodatkiem wapna.
Zalety cementu portlandzkiego
Wysoka wytrzymałość i trwałość cementu portlandzkiego pozwala na tworzenie budynków o długiej żywotności. Dzięki swojej uniwersalności, materiał nadaje się praktycznie do niemal każdego rodzaju konstrukcji.
Specjaliści budowlani cenią jego szybkie wiązanie. Cecha ta pozwala na przechodzenie do kolejnych etapów budowy po bardzo krótkim czasie prac z cementem.
Wady cementu portlandzkiego
Chociaż wydaje się w miarę odporny i trwały, to jednak jest wrażliwy na reakcje z niektórymi czynnikami chemicznymi, takimi jak siarczany oraz na drastyczne zmiany temperatur. To wszystko może prowadzić do niepożądanych mikropęknięć w materiale.
Cement portlandzki jest produktem stosunkowo mało elastycznym i podatnym na pękanie pod wpływem obciążeń dynamicznych. Warto też pamiętać o wysokiej emisji CO₂ związanej z jego produkcją, co niewątpliwie wpływa negatywnie na nasze środowisko.
Popularny cement portlandzki
Dzięki swoim unikalnym, ciekawym właściwościom cement portlandzki stał się jednym z najważniejszych materiałów budowlanych w historii ostatnich dwustu lat naszej cywilizacji. Jego właściwości stale udaje się poprawić za sprawą nowoczesnych technologii i specjalistycznych dodatków. Modyfikują one produkt, czyniąc go doskonalszym i zmniejszają jego negatywny wpływ na środowisko. Może jednak okazać się, że zostanie on w przyszłości wyparty przez inne materiały budowlane o podobnych właściwościach.
