Cement

Ovo je članak o građevinskom materijalu. Za članak o delu zuba, pogledajte Cement (zub)

Cement je hidrauličko mineralno vezivo koje se dobija mlevenjem tzv. portland cementnog klinkera - veštačkog kamenog materijala koji se stvara pečenjem krečnjaka i gline, temperatura pečenja je 1350-1450°C. Engleski inženjer Joseph Aspdin patentirao je Portland cement 1824, a nazvan je po krečnjačkoj steni Ostrva Portland u Engleskoj zbog sličnosti boje. Pored portland cementnog klinkera, za čije se dobijanje koristi mešavina krečnjaka i gline u odnosu 3:1 (odnos masa), u cementu je redovno prisutna i manja količina gipsa (do 5%) koji se dodaje radi regulisanja vremena vezivanja cementa. Portland cement karakteriše srazmerno konstantan hemijski sastav i to: CaO (vezan) 62-67%, SiO₂ 19-25%, Al₂O₃ 2-8%, Fe₂O₃ 1-5%, SO₃ najviše 3-4.5%, CaO (nevezan) najviše 2%, MgO najviše 5%, alkalije (Na₂O i K₂O) 0.5-1.3%. Cementi se u opštem slučaju mogu podeliti na vrste i klase. Vrste predstavljaju kategorije cemenata s obzirom na sastav i tehnologiju proizvodnje, dok klase cemenata označavaju njihove mehaničke karakteristike. Dele se u dve osnovne grupe: na cemente na bazi portland cementnog klinkera i na ostale - specijalne vrste cemenata.

Blue Circle Southern fabrika cementa u blizini Berima, Novi Južni Vels, Australija

Cementni prah, ovde kondicioniran u kesi, spreman za mešanje sa agregatima i vodom. Treba izbegavati raspršivanje suve cementne prašine u vazduhu kako bi se izbegli zdravstveni problemi.

Svetska proizvodnja iznosi oko četiri milijarde tona godišnje, od čega se oko polovine proizvodi u Kini. Da je cementna industrija zemlja, to bi bio treći po veličini emiter ugljen dioksida na svetu sa do 2,8 milijardi tona, nadmašili bi ga samo Kina i Sjedinjene Države. Početna reakcija kalcinacije u proizvodnji cementa odgovorna je za oko 4% globalnih emisija ${\ce {CO2}}$. Celokupan proces odgovoran je za oko 8% globalnih emisija ${\ce {CO2}}$, jer se cementna peć u kojoj dolazi do reakcije obično loži ugljem ili naftnim koksom usled svetlećeg plamena potrebnog za zagrevanje peći zračenjem toplote. Kao rezultat, proizvodnja cementa je vodeći faktor koji doprinosi klimatskim promenama.

Hemija

Cementni materijali mogu se klasifikovati u dve različite kategorije: nehidraulični cementi i hidraulični cementi u skladu sa njihovim mehanizmima pripeme i očvršćavanja. Postavljanje i otvrdnjavanje hidrauličkih cementa uključuju reakcije hidratacije i zato zahtevaju vodu, dok nehidraulični cementi reaguju samo sa gasom i mogu se direktno stvrdnuti pod vazduhom.

Hidraulični cement

Grumeni klinkera proizvedeni sinterovanjem na 1450 °C.

Daleko najčešća vrsta cementa je hidraulični cement, koji se stvrdnjava hidratacijom minerala klinkera kada se doda voda. Hidraulični cementi (poput portlandskog cementa) izrađeni su od mešavine silikata i oksida, a četiri glavne mineralne faze klinkera, skraćeno u notaciji cementne hemije, su:

C₃S: Alit (3CaO·SiO₂);

C₂S: Belit (2CaO·SiO₂);

C₃A: Trikalcijum aluminat (3CaO·Al₂O₃) (istorijski, i još uvek povremeno, zvani silajt);

C₄AF: Braunmilerit (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃).

Silikati su odgovorni za mehanička svojstva cementa - trikalcijum aluminat i braunmilerit su neophodni za stvaranje tečne faze tokom procesa sinterovanja (pečenja) klinkera na visokoj temperaturi u peći. Hemija ovih reakcija nije potpuno jasna i još uvek je predmet istraživanja.

Prvo se krečnjak (kalcijum-karbonat) sagoreva da bi se uklonio njegov ugljenik, proizvodeći kreč (kalcijum oksid) u onome što je poznato kao reakcija kalcinacije. Ova pojedinačna hemijska reakcija je glavni emiter globalnih emisija ugljen-dioksida.

CaCO₃ → CaO + CO₂

Kreč reaguje sa silicijum dioksidom dajući dikalcijum silikat i trikalcijum silikat..

2CaO + SiO₂ → 2CaO·SiO₂

3CaO + SiO₂ → 3CaO·SiO₂

Kreč takođe reaguje sa aluminijum oksidom dajući trikalcijum aluminat.

3CaO + Al₂O₃ → 3CaO·Al₂O₃

U poslednjem koraku kalcijum oksid, aluminijum oksid i gvožđe oksid reaguju zajedno i formiraju cement.

4CaO + Al₂O₃ + Fe₂O₃ → 4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃

Nehidraulični cement

Kalcijum oksid dobijen termičkim razlaganjem kalcijum-karbonata na visokoj temperaturi (iznad 825 °C).

Manje uobičajeni oblik cementa je nehidraulični cement, kao što je gašeni kreč (kalcijum oksid pomešan sa vodom), koji se stvrdnjava karbonacijom u dodiru sa ugljen dioksidom, koji je prisutan u vazduhu (~ 412 vol. ppm ≃ 0,04 vol. %). Prvo se kalcijum oksid (kreč) proizvodi iz kalcijum karbonata (krečnjak ili kreda) kalcinacijom na temperaturama iznad 825 °C (1.517 °F) oko 10 sati pri atmosferskom pritisku:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Kalcijum-oksid se zatim troši (gasi) mešanjem sa vodom da bi se dobio gašeni kreč (kalcijum hidroksid):

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Kada se višak vode potpuno ispari (ovaj proces se tehnički naziva podešavanje), započinje karbonizacija:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Ova reakcija je spora, jer je parcijalni pritisak ugljen dioksida u vazduhu nizak (~ 0,4 milibara). Reakcija karbonizacije zahteva da suvi cement bude izložen vazduhu, te je gašeni kreč nehidraulički cement i ne može se koristiti pod vodom. Ovaj proces se naziva ciklus kreča.

Cementi na bazi portland cementnog klinkera

To su svi cementi koji se proizvode mlevenjem portland cementnog klinkera. U tu grupu spadaju cementi koji pored portland cementnog klinkera sadrže i druge različite dodake koji menjaju svojstva portland cementa u zavisnosti od sadržaja. Povećavanjem ovih dodataka jasno će se jače ispoljiti razlike između ovih cemenata i čistog portland cementa. Iako čvrstoće ovih cemenata u početku su manje od čvrstoća čistog portland cementa oni uglavnom pri većim starostima od 28 dana, nadmašuju te čvrstoće. Zbog toga imaju iste klase kao i čist portland cement. Takođe u zavisnosti od sadržaja ovih dodataka, menjaju se i zahtevi za količinom vode, naročito ako se kao dodatak pojavljuju pucolani.

Portland cement

Ovaj cement nema drugih sastojaka osim onih koji ulaze u sastav portland cementnog klinkera, izuzev dodataka gipsa koji je neophodan radi regulisanja vremena vezivanja. Ovo je nesumnjivo najznačajnija vrsta cementa, pošto ona predstavlja osnov za dobijanje većine drugih vrsta cementa. U svetskim okvirima od ukupne proizvodnje svih cemenata na portland cement otpada oko 70%. Međutim kod nas ovaj cement učestvuje sa sveka 5%. Kod nas je najveća proizvodnja cemenata sa dodacima zgure i/ili pucolana. Specifična masa portland cementa je najmanje 3000 kg/m³, dok mu je specifična površina najmanje 2400 cm²/g.

Portland cement sa dodatkom zgure

Ovaj cement se dobija mlevenjem portland cementnog klinkera, gipsa i najviše 30% granulisane zgure visokih peći. Karakteriše se nešto smanjenim relativnim čvrstoćama, ali i porastom kasnijih čvrstoća. To znači da ovaj cement ima nešto sporiju hidrataciju u odnosu na čist portland cement. Specifična masa mu je po pravilu nešto manja od 3000 kg/m³, dok mu je specifična površina veća od 2400 cm²/g.

Portland cement sa dodatkom pucolana

U ovom cementu pored samlevenog portland cementnog klinkera i gipsa, prisutan je i izvestan dodatak pucolana koji po našim standardima ne prelazi granicu od 30%. Ovaj cement karakteriše sporije očvršćavanje. Međutim krajnje čvrstoće posle dugog vremenskog perioda su veće nego kod čistog portland cementa. Jedna od bitnih karakteristika je njegova srazmerno niska toplota hidratacije.

Portland cement sa mešanim dodatkom

U sastav ovog cementa pored portland cementa i gipsa ulazi i mešani dodatak koji se sastoji od granulisane zgure i prirodnog ili veštačkog pucolana.

Metalurški cement

Ovaj cement je u suštini portland cement sa dodatkom zgure kod koga sadržaj zgure iznosi preko 30%, ovaj sadržaj obično ne prelazi granicu od 85%. Kod metarluškog cementa su još jače izražene osobine sporije hidratacije i manje specifične mase. Ovaj cement je otporniji od portland cementa na različita agresivna dejstva. On je postojan u vodama koje sadrže hloride, sulfate, alkalije, a takođe pokazuje i veliku postojanost u morskoj vodi.

Pucolanski cement

Portland cement sa sadržajem pucolana od preko 30%, pa je time kod ovog cementa još sporiji proces hidratacije, kao i očvršćavanja. Pucolanski cement je otporan na agresivno dejstvo morske vode.

Metalurški cement sa dodatkom pucolana

U njemu je prisutno iznad 30% granulisane zgure, dok se sadržaj prirodnog ili veštačkog pucolana kreće u granicama od 5 do 40%.

Sulfatnootporni cementi

Običan portland cemet nije otporan prema delovanju sulfata jer sadrži značajan postotak minerala C₃A (ponekad i do 15%). Da bi se dobio cement otporan prema sulfatima, sadržaj C₃A u njemu treba da je mali (do 5%) ili da ga uopšte nema. Ovo se uglavnom postže korekcijom sirovine u smislu smanjivanja sadržaja Al₃O₃, a povećanja sadržaja Fe₂O₃.

Specijalne vrste cementa

Aluminatni cement

To je cement koji se dobija žarenjem mešavine krečnjaka i boksita uz dodatak silicijumdioksida i oksida gvožđa. Žarenje se vrši u specijalnim elektropećima na temperaturi 1500-1550°C. Posle fine meljive ovako dobijenog aluminatnog klinkera dobijeni cement se može odmah upotrebiti. Osovni minerali koji ulaze u sastav aluminatnog cementa su:

• monokalcijumaluminat CA(CaO Al₂O₃) i C₂S. Sadržaj Al₂O₃ ne sme da bude manji od 35%, pri čemu odnos Al₂O₃ prema CaO mora da se kreće u granicama 0.90 do 1.15. Aluminatni cement ima crnkastu boju, ima vrlo brz prirast čvrstoće u toku vremena, tako da se posle jednog dana ostvaruje oko 80% čvrstoće koja odgovara starosti od 28 dana. To znači da ima vrlo brzu hidrataciju. Međutim, produkti hidratacije ovog cementa nisu stabilni, već tokom vremena dolazi do njihove postepene prekristalizacije koja ima za posledicu pad čvrstoće. Aluminatni cement je otporan u morskoj vodi, u „mekoj“ vodi, kao i u sulfatnim vodama. Međutim on je neotporan u vodama koje sadrže alkalije. Ne sme se mešati sa krečom, kao ni sa portland cementom, jer u takvoj mešavini dolazi do ubrzanog vezivanja i do značajnog pada čvrstoće u odnosu na čvrstoću čistog aluminatnog cementa.

Supersulfatni cement

Ovaj cement se dobija finim mlevenjem granulisane zgure (80-85%), anhidrata (10-15%) i izvesne količine portland cementnog klinkera (do 5%). Odlikuje se velikom finoćom mliva (specifična površina je preko 4000 cm²/g) i vrlo niskom toplotom hidratacije. I ovaj cement traži znatno veću količinu vode za hidrataciju. Otporan je prema delovanju sulfata, kao i prema delovanju morske vode, sone kiseline, lanenog ulja, fenola, razblaženih rastvora organskih kiselina idr. Ovaj cement u Srbiji nije standardizovan i proizvodi se prema porudžbini.

Ekspanzivni cement

Ovo je cement u čijem sastavu su sadržane supstance koje tokom hidratacije dovode do stvaranja određenih ekspanzija, pa se u prvih 10-15 dana, ispoljava značajno širenje cementnog kamena. Ova ekspanzija može da iznosi i do 25mm/m. Cementi ovoga tipa se ne proizvode u Srbiji.

Oznake za cement

U sledećoj tabeli date su oznake za cement po evropskim standardima.

Naziv	Oznaka
Portland cement	CEM I
Portland cement sa dodatkom zgure	CEM II/A-S
	CEM II/B-S
Portland cement sa dodatkom pucolana	CEM II/A-P
	CEM II/A-Q
	CEM II/B-P
	CEM II/B-Q
Portland kompozitni cement	CEM II/A-M
	CEM II/B-M
Metalurški cement	CEM III/A
	CEM III/B
	CEM III/C
Pucolanski cement	CEM IV/A
	CEM IV/B
Kompozitni cement	CEM V/A
	CEM V/B

Legenda uz tabelu:

• A - učešće dodataka od 6-20%
• B - učešće dodataka 21-35%
• C - učešće dodataka zgure 81-95%
• L - krečnjak
• M - mešani dodatak pucolana i zgure
• P - prirodni pucolan
• Q - aktivirani pucolani
• S - zgura visokih peći
• V - silikatni leteći pepeo
• W - karbonatni leteći pepeo

Fabrike cementa u Srbiji

Na teritoriji Srbije postoje četiri fabrike cementa:

Cementara Lafarge Beočin

Proizvodi sledeće vrste cementa:

• PC 42.5R
• PC 20M (S-L) 42.5R
• PC 20M (V-L) 42.5R
• PC 35M (V-L) 42.5N
• PC 35M (S-V-L) 32.5R

Cementara Titan Kosjerić

Proizvodi sledeće vrste cementa:

• PC 20S 42.5N
• PC 20M (V-L) 42.5N
• PC 35M (V-L) 32.5R

Cementara Moravacem CRH Popovac

Proizvodi sledeće vrste cementa:

• PC 42.5R
• PC 35M (V-L-S) 42.5N
• PC 35M (S-L) 42.5R

Cementara Sharr Beteilgungs GmbH Đeneral Janković Kosovo

• PC 52.5N
• PC 35M (P-W) 42.5N
• P55 30(P-W) 42.5N

Literatura

• Građevinski materijali, Dr Mihailo Muravljov, dipl. inž.
• Osnovi teorije i tehnologije betona, Dr Mihailo Muravljov, dipl. inž.
• Aitcin, Pierre-Claude (2000). „Cements of yesterday and today: Concrete of tomorrow”. Cement and Concrete Research. 30 (9): 1349—1359. doi:10.1016/S0008-8846(00)00365-3. 
• van Oss, Hendrik G.; Padovani, Amy C. (2002). „Cement manufacture and the environment, Part I: Chemistry and Technology”. Journal of Industrial Ecology. 6 (1): 89—105. doi:10.1162/108819802320971650. 
• van Oss, Hendrik G.; Padovani, Amy C. (2003). „Cement manufacture and the environment, Part II: Environmental challenges and opportunities” (PDF). Journal of Industrial Ecology. 7 (1): 93—126. CiteSeerX 10.1.1.469.2404 . doi:10.1162/108819803766729212. Arhivirano iz originala (PDF) 22. 09. 2017. g. Pristupljeno 28. 12. 2020. 
• Deolalkar, S. P. (2016). Designing green cement plants. Amsterdam: Butterworth-Heinemann. ISBN 9780128034354. OCLC 919920182. 
• Friedrich W. Locher: Cement: Principles of production and use, Düsseldorf, Germany: Verlag Bau + Technik GmbH. 2006. ISBN 3-7640-0420-7.
• Javed I. Bhatty, F. MacGregor Miller, Steven H. Kosmatka; editors: Innovations in Portland Cement Manufacturing, SP400, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, U.S. 2004. ISBN 0-89312-234-3.
• "Why cement emissions matter for climate change" Carbon Brief 2018
• Neville, A.M. (1996). Properties of concrete. Fourth and final edition standards. Pearson, Prentice Hall. ISBN 978-0-582-23070-5. OCLC 33837400. 
• Taylor, H.F.W. (1990). Cement chemistry. Academic Press. str. 475. ISBN 978-0-12-683900-5. 
• Ulm, Franz-Josef; Roland J.-M. Pellenq; Kushima, Akihiro; Shahsavari, Rouzbeh; Krystyn J. Van Vliet; Markus J. Buehler; Sidney Yip (2009). „A realistic molecular model of cement hydrates”. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (38): 16102—16107. Bibcode:2009PNAS..10616102P. PMC 2739865 . PMID 19805265. doi:10.1073/pnas.0902180106. 

Spoljašnje veze

• InfoBETON, građevniski portal
• „Cement”. Encyclopædia Britannica (na jeziku: engleski). 5 (11 izd.). 1911.