Leeds ni preveč lepo mesto. Pravzaprav je precej grdo. Dokaj očarljivo staro mestno jedro je majhno. No, saj je že leta 1968 v BBC-jevem TV filmu A Poet Goes North (Pesnik gre na sever) pesnik, pisatelj in soustvarjalec več oddaj sir John Betjeman dejal, da je v Leedsu nenehen hrup zaradi rušenja viktorijanske arhitekture. Arhitekturni kritik časopisa Guardian Owen Hatherley pa je o razvoju Leedsa po letu 2000 dejal, da v tem mestu najdemo precej "na videz osupljivo cenene arhitekture". Drži pa, da je Leeds eno redkih britanskih mest poleg Londona, v katerih so zgradili kar nekaj res visokih nebotičnikov, tudi več kot sto metrov.

Gradnja le-teh ne bi bila mogoča brez betona in ravno beton oziroma njegova bistvena sestavina cement je razlog, zakaj sploh govorimo o Leedsu.

V tem kraju je bil namreč leta 1778 rojen Joseph Aspdin, izučeni zidar in gipsar ter tudi izumitelj in poslovnež. Nekega dne je v kuhinji eksperimentiral z glino in apnencem ter ugotovil, da če sestavini segreje do zelo visoke temperature, zmes ohladi, zdrobi in zmeša z vodo, dobi izredno močen cement. Poimenoval ga je portlandski cement, kar je izpeljal iz poimenovanja portlandski kamen za apnenec, ki so ga pridobivali na otoku Portland v Dorsetu na jugu Anglije. Mimogrede, portlandski kamen v Leedsu najdemo na stavbi univerze in sedežu mestne uprave mesta Leeds (Civic Town Hall). Aspdin je cement patentiral in patent je bil potrjen 21. oktobra pred natančno 200 leti.

Ob tej priložnosti oziroma sredi septembra je Zavod za gradbeništvo Slovenije priredil akademijo. Cement si takšen dogodek zasluži, saj je to gradbeni material, ki je bistveno spremenil način gradnje in ima ključno vlogo v sodobnem življenju.

Da bi o tem materialu, ki je civilizacijskega pomena, izvedeli več, smo se z vprašanji obrnili na Zavod za gradbeništvo Slovenije. Tam deluje Laboratorij za cemente, malte in keramiko, "edini tovrstni laboratorij v Sloveniji, namenjen proučevanju cementov, razvoju novih mineralnih veziv in testiranju le-teh. Laboratorij je v 75-letni zgodovini ZAG med drugim razvil ekspanzijski cement za slovenske hidroelektrarne in dodatek za neskrčljivost zalivnih mas za kable za prednapenjanje, dobro poznan Ikaton."

Čas za naša vprašanja sta si vzeli raziskovalka iz tega laboratorija doc. dr. Sabina Dolenec, univerzitetna diplomirana inženirka geologije, in raziskovalka Laboratorija za beton magistra gradbenega inženirstva Ana Brunčič.

Zakaj je bil izum portlandskega cementa pomemben za razvoj gradbeništva? Kaj je omogočil?
Letos mineva 200 let od patenta portlandskega cementa – gradbenega materiala, ki je bistveno spremenil način gradnje in ima ključno vlogo v sodobnem življenju. Običajni portlandski cement (OPC) je najpogostejša vrsta cementa, ki ga uporabljamo po vsem svetu kot glavno komponento betona ter tudi nekaterih drugih gradbenih proizvodov, kot so malte in injekcijske mase. To je hidravlično vezivo, kar pomeni, da ob reakciji z vodo veže in se strjuje.

Cement je vsestranski, zelo dostopen in zanesljiv gradbeni material, enostaven za uporabo, hkrati pa velja za enega najbolj kompleksnih gradbenih materialov. Z njim gradimo mostove, predore, tvori konstrukcijo večine infrastrukturnih objektov in visokih gradenj, z njim tlakujemo trge, gradimo avtoceste in se tudi umetniško izražamo. Brez njega ni sodobne družbe.

Glede na porabo beton danes prekaša samo še voda. Letno ga proizvedemo več kot 30 milijard ton, kar na posameznega Zemljana znese približno 3,75 tone oziroma 1,5 kubičnega metra. Brez njega si ne predstavljamo infrastrukture sodobnega življenja. Prav to je omogočil portlandski cement: široko dostopen material, narejen iz sestavin "z domačega dvorišča", ki po mešanju z vodo in agregatom (npr. peskom) postane tekoča kaša in se sčasoma strdi v umetni kamen. Poleg visoke tlačne trdnosti in nizke cene je ta njegova transformacija iz kaše v kamen razlog za njegovo priljubljenost.

Lahko ga namreč poljubno oblikujemo, kar je omogočilo razvoj gradbeništva, ki je prej temeljilo na mnoštvu zahtevnih spojev jeklenih in lesenih konstrukcijskih elementov. Vplival pa je tudi na razvoj teorije konstrukcij. Kmalu po patentu se je razvil t. i. armirani beton, to je beton, okrepljen z jeklenimi armaturnimi palicami, ki povečujejo njegovo natezno trdnost in čas trajanja loma. Temu je sledil še t. i. prednapeti beton, s katerim odpravljamo razpoke in povečujemo nosilnost. Beton je odigral ključno vlogo pri obnovi Evrope po drugi svetovni vojni in je danes nepogrešljiv material za gradnjo infrastrukturnih objektov.

Kako so ga pravzaprav izumili in v čem se je ta cement razlikoval od cementa, ki so ga uporabljali prej?
Izumili so ga postopoma. Veziva s hidravličnimi lastnostmi so uporabljali že v antiki. Pravimo, da se material strjuje in veže ob stiku z vodo. Grki in Rimljani so apno mešali z materiali, ki imajo t. i. pucolanske lastnosti, na primer z vulkanskim pepelom in drobljeno opeko. S tem so pridobili material, ki je imel v primerjavi z apnenim vezivom višjo trdnost in je bil obstojen tudi v vlažnem okolju in vodi. T. i. pucolani so namreč materiali, ki sami po sebi ne reagirajo z vodo, vendar pa ob prisotnosti apna steče pucolanska reakcija, pri čemer nastajajo hidratacijski produkti, podobno kot pri hidrataciji cementa.

Po razpadu rimskega imperija se je znanje izgubilo. Pri rimskem betonu se pravzaprav mešajo apno in mineralni dodatki. V današnjem času bi temu apnu s hidravličnimi lastnostmi lahko rekli tudi formulirano apno. Rimljani so največ uporabljali drobljeno keramiko, najpogosteje stare strešnike ali opeko. S tem so tudi reciklirali.

V povezavi z rimskim časom velja omeniti, da rimske betone najdemo tudi na številnih rimskih arheoloških najdiščih v Sloveniji, na primer v rimski Emoni in tudi v drugih rimskih mestih po Sloveniji.

Kot primer uporabe starorimskega betona se pogosto navaja kupola rimskega panteona. Katera je naslednja pomembna postaja na časovnici razvoja cementa oziroma betona?
Dodajanje drobljene opeke apnu so vnovič odkrili v srednjem veku. Ključni trenutek je sledil v 18. stoletju, ko so odkrili, da z žganjem apnenca, ki vsebuje določen delež gline, pridobijo hidravlični material oziroma vezivo s hidravličnimi lastnostmi, to pa je vodilo do razvoja portlandskega cementa in modernega betona. Torej, prej cementa kot takega sploh niso poznali, temveč so mešali apno, ki ga pridobimo z žganjem apnenca, in pucolane, ki jim danes pravimo tudi mineralni dodatki.

Kar zadeva izum Josepha Aspdina, je treba reči, da je bil to "protocement", saj žganje surovinske moke še ni potekalo pri zadostni temperaturi za pridobitev mineralnih faz s hidravličnimi lastnostmi. Prvotno sestavo portlandskega cementa je v današnjo spremenil Aspdinov sin William.

Aspdin je pravzaprav nadaljeval delo inženirja Johna Smeatona, znanega tudi pod vzdevkom oče gradbeništva, ki je med pripravami na gradnjo svetilnika Eddystone blizu angleškega pristanišča Plymouth, enega najbolj znanih svetilnikov na svetu in prvega, ki so ga zgradili na odprtem morju, leta 1756 razvil najverjetneje prvo hidravlično vezivo s kalciniranjem apnenca, ki je vseboval glino. To je bilo t. i. naravno hidravlično apno. Za doseganje večje trdnosti je dodal še italijansko pucolansko zemljo.

Leta 1796 je Britanec James Parker patentiral proizvod, imenovan rimski cement ali naravni cement. Pridobivajo ga z žganjem glinenih laporovcev ali mešanice apnenca in gline. Ta surovinska moka ima v primerjavi s hidravličnim apnom večjo vsebnost gline in posledično več hidravličnih faz, kar omogoča tudi pridobitev višjih tlačnih trdnosti. Naravni cement običajno vsebuje tudi večje količine aluminija in v primerjavi z običajnim cementom veže in pridobiva trdnost počasneje. Tudi žgan je pri nižji temperaturi kot OPC, zato še nima razvite klinkerjeve mineralne faze, ki ji pravimo alit. Ta nastane z žganjem pri 1450 °C in je najbolj reaktivna faza OPC-ja.

Leta 1917 je Francoz Luis Vicat odkril umetni cement, vendar ga ni patentiral. Opravil je pionirsko delo pri proučevanju hidravličnih lastnosti mineralnih veziv, njegovi izsledki so se nanašali na pravilna razmerja med glino in apnencem za doseganje želenih lastnosti cementa.

Kako hitro so portlandski cement začeli uporabljati drugje po svetu, ne samo na britanskem otoku?
Aspdin je 1825 v Kirkgatu odprl prvo cementarno, proizvodnja portlandskega cementa pa se je že leta 1852 razširila v Nemčijo. Leta 1876 se je s cementarno v Trbovljah pojavila tudi v Sloveniji, kar je med prvimi v Evropi in skoraj sočasno s prvo cementarno v ZDA (1871). Na Slovenskem je v preteklosti obratovala tudi cementarna na Dovjem oziroma v Mojstrani, ki je proizvodnjo cementa začela leta 1893. V letu 1921 se jima je pridružila še cementarna v Anhovem.

Portlandski cement ni postal najbolj razširjeni material na Zemlji po naključju. Cementi so v osnovi sestavljeni iz oksidov silicija, aluminija, železa, kalcija, natrija, kalija in magnezija, ki imajo možnost tvorbe hidratov s cementnimi lastnostmi. Teh osem elementov – kisik, silicij, aluminij, železo, kalcij, natrij, kalij in magnezij – pa predstavlja več kot 98 odstotkov Zemljine skorje. To nam omogoča proizvodnjo cementa iz lokalno dostopnih surovin skorajda povsod po svetu. Minerali, ki vsebujejo druge elemente, namreč niso na voljo v količinah, potrebnih za zadovoljevanje svetovnega povpraševanja po cementnih materialih.

Morda lahko omenite nekaj gradbenih projektov, pri katerih je bil Aspdinov cement najprej uporabljen oziroma ki jih je ta cement pravzaprav omogočil.
Prva večja uporaba Aspdinovega cementa naj bi se izvedla med gradnjo Brunelovega predora pod Temzo (1825–1843), ki je v uporabi še danes, sicer pa se je novi material uporabljal predvsem za manjše mostove in betonske cevi. Kmalu so ga začeli uporabljati pri gradnji obsežnih kanalizacijskih sistemov (npr. London in Pariz), podzemnih železnic in metrojev. Konec 19. stoletja so votli betonski bloki postali standard pri gradnji stanovanjskih objektov, ob prelomu stoletja pa se je beton uveljavil tudi v mostogradnji.

Z uvedbo armiranega betona v štiridesetih letih 19. stoletja se je začelo obdobje inovacij in prevlada betona nad drugimi gradbenimi materiali z betonskimi viadukti in stolpnicami. Burdž Kalifa v Dubaju, najvišja stavba na svetu, je betonska, poleg te pa med najznamenitejše betonske objekte spadajo še Hooverjev jez, Panamski prekop, Sydneyjska opera, kip Kristusa Odrešenika v Riu de Janeiru idr. Znana "betonska" arhitekta sta Le Corbusier in Calatrava.

Razmah cementnih materialov oziroma betona v slovenskem prostoru je zaznati po potresu v Ljubljani, ko se leta 1886 pojavi nova obrt, in sicer izdelovanje umetnega kamna in betonskih proizvodov, ki so bili znatno cenejši od naravnega kamna. Prelomnica v vrednotenju betona kot vizualne kakovosti naj bi bil Zmajski most, zgrajen leta 1901. V ljubljanskem prostoru se je beton kot enakovredno gradivo uveljavil šele med obema vojnama, predvsem pri mostovih, ki jih je načrtoval arhitekt Jože Plečnik. Plečnikova dela (npr. Zapornice iz betona na Ljubljanici) so bila leta 2021 vpisana tudi na UNESCOV seznam svetovne naravne in kulturne dediščine. Znane so tudi secesijske fasade iz betona v Ljubljani, na primer poslovno-stanovanjska palača na Beethovnovi ulici 7.

Kolikor vem, so pozneje cement še izboljšali. V čem se cement, ki je v uporabi danes, razlikuje od portlandskega cementa iz leta 1824?
Razvoj običajnega cementa se nenehno nadaljuje in cement se izboljšuje. Cementarne nenehno težijo k izboljšavam lastnosti cementov, pri katerih nadzirajo sestavo cementnega klinkerja in samih cementov. Trenutno poznamo kar 27 različnih vrst običajnega portlandskega cementa. Razlikujejo se predvsem po deležu in vrsti mineralnih dodatkov, ki jih dodajajo samemu klinkerju. S tem spreminjajo lastnosti cementov in betona, ohranjajo pa tudi naravne vire in zmanjšujejo porabo energije in izpuste CO2.

Aspdinov cement je bil po sestavi bolj podoben naravnemu hidravličnemu apnu kot pa modernemu cementu, predvsem zaradi nižje temperature takratnega žganja. To pomeni, da ni vseboval veliko tistih zelo reaktivnih cementnih faz, ki jih ima OPC.

V primerjavi s cementi v preteklosti je cement danes bolj fin, se pravi, da v klinker dobijo bolj fine delce, s čimer pridobijo večjo reaktivnost, kar pomeni, da hitreje veže in se strjuje ter posledično pridobiva trdnost.