Cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/B-M (V-LL) 32,5R i CEM II/B-M (S-V) 32,5R właściwości i zastosowanie

(1)

Cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/B-M (V-LL) 32,5R i CEM II/B-M (S-V) 32,5R

– właściwości i zastosowanie

MULTI-COMPONENT PORTLAND CEMENT CEM II/B-M (V-LL) 32,5R AND CEM II/B-M (S-V) 32,5R – PROPERTIES AND USE

Streszczenie

Produkcja cementów z dodatkami mineralnymi nabiera coraz większego problemu gospodarczego ze względu na wprowadzenie opłat za emisję CO₂ do atmosfery z pro- cesów produkcyjnych. Wielkość produkcji klinkieru cementowego musi być realizowa- na z uwzględnieniem przyznanych limitów i dlatego zwiększenie udziału dodatków mineralnych w składzie cementu i zmniejszenie udziału klinkieru jest podstawowym rozwiązaniem stwarzającym możliwości znacznego obniżenia emisji dwutlenku węgla przez przemysł cementowy.

W krajowej praktyce budowlanej coraz szersze zastosowanie znajdują cementy z dodatkami mineralnymi (CEM II; CEM III; CEM IV; CEM V). Produkcja tych cementów, oprócz efektywnego obniżenia kosztów produkcji przez zastąpienie części klinkieru portlandzkiego dodatkami mineralnymi, prowadzi do uzyskania spoiw o podwyższo- nej i wysokiej odporności na korozyjne działanie mediów agresywnych. W niniejszym artykule przedstawiono właściwości wybranych cementów wieloskładnikowych:

CEM II/B-M (V-LL) 32,5R i CEM II/B-M (S-V) 32,5R, ze szczególnym uwzględnieniem właściwości betonów wykonanych z użyciem tych cementów. Całość uzupełnią wybrane przykłady aplikacji.

Zbigniew Giergiczny Albin Garbacik

Tomasz Pużak Marcin Sokołowski

dr hab. inż. Zbigniew Giergiczny prof. ndzw w Pol. Śl. – Politechnika Śląska; Górażdże Cement S.A.

dr inż. Albin Garbacik – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział Szkła i Materiałów Budowlanych w Krakowie

mgr inż. Tomasz Pużak – Górażdże Cement S.A.

mgr inż. Marcin Sokołowski – Górażdże Cement S.A.

(2)

The production of cements with mineral additives has lately acquired greater significance due to the implementation of CO₂ emission fees into atmosphere. The volume of cement clinker production ought to be executed considering granted limits. Thus, the increase of mineral additives share in cement content and the decrease of clinker ratio is the fun- damental solution creating new ways of diminishing carbon dioxide emission by cement industry. Domestic industrial experience prove wider used of cements with mineral additives (CEM II; CEM III; CEM IV; CEM V). The production of such cements, despite significant reduction of production costs owing to the substitution of some Portland clinker part with mineral additives, gives binders with higher resistance to aggressive media actions.

Hereby article presents the properties of specified cements with mineral additives:

CEM II/B-M (V-LL) 32,5R and CEM II/B-M (S-V) 32,5R with special attention put on the properties of concrete made with their addition. Selected examples of applications complete the whole paper.

(3)

Cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/B-M (V-LL) 32,5R ...

DNI BETONU 2010 3

Wprowadzenie 1.

W ostatnim dziesięcioleciu obserwuje się gwałtowny wzrost produkcji cementów wielo- składnikowych zawierających jeden lub więcej dodatków mineralnych. W krajach Unii Europejskiej wielkość produkcji takich cementów osiąga poziom 70%. Dużą dynamikę rozwoju cementów wieloskładnikowych w Polsce obrazują dane zestawione w tabeli 1.

Są to cementy produkowane z normą cementową PN-EN 197-1:2002 „Cement. Część 1:

Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku”, która obejmuje szeroką grupę cementów wieloskładnikowych zawierających obok klinkieru portlandzkiego jeden lub więcej dodatków mineralnych. Do najczęściej stosowanych dodatków mineralnych w składzie cementów powszechnego użytku w Polsce należą popiół lotny, granulowany żużel wielkopiecowy oraz kamień wapienny. Ilość tych dodatków w cemencie może wahać się w zależności od odmiany cementu w bardzo szerokich granicach.

Cementy z dodatkami mineralnymi wykazują szereg korzystniejszych od cementu portlandzkiego CEM I właściwości kształtujących cechy użytkowe i trwałość betonu [1-4].

Dodatkowo, szeroka dostępność cementów CEM II, CEM III, CEM V powoduje, że są to coraz częściej stosowane spoiwa w konstrukcjach mostowych, budowie dróg, produkcji prefabrykatów mało- i wielkogabarytowych oraz w produkcji betonów nowej generacji (betony samozagęszczające się SCC, betony wysokowartościowe BWW, fibrobetony)].

Tabela 1. Struktura asortymentowa sprzedaży cementu w latach 2006-2009

Rodzaj cementu Udział rodzaju cementu w strukturze sprzedaży, [%]

2005 r. 2006 r. 2007 r. 2008 r. 2009 r.

Cement portlandzki CEM I 45,3 44,7 38,1 32,3 33,2

Cement portlandzki wieloskład-

nikowy CEM II 46,2 46,6 53,1 59,6 57,9

Cement hutniczy CEM III 7,7 8,5 7,9 7,6 8,8

Inne cementy 0,0 0,0 0,9 0,5 0,1

2. Właściwości cementów portlandzkich

wieloskładnikowych CEM II/B-M (S-V) 32,5R i CEM II/B-M(V-LL) 32,5R

Deficyt żużla granulowanego S do produkcji cementu oraz trudności w pozyskiwaniu dobrych jakościowo popiołów lotnych krzemionkowych V skłania producentów cementu do wykorzystania w procesie produkcji, jako składnika głównego również kamienia wapiennego LL. Każdy z wymienionych dodatków mineralnych, tj. żużel granulowany S, popiół krzemionkowy V oraz wapień LL, stanowiące składnik główny cementów wielo- składnikowych, kształtują odmiennie procesy wiązania i twardnienia cementów wpływając jednocześnie zarówno na właściwości cementów, jak i betonów z nich wykonanych.

(4)

2.1. Ciepło hydratacji

Cementy zawierające w swoim składzie dodatek granulowanego żużla wielkopiecowego S, popiołu lotnego V i/lub wapienia charakteryzują się niższym ciepłem hydratacji niż cementy portlandzkie tej samej klasy wytrzymałościowej, a dynamika wydzielania ciepła jest uzależniona od ilości i proporcji dodatków mineralnych w składzie cementu. Ciepło hydratacji wybranych cementów przedstawia rys. 1.

Rys. 1. Ciepło hydratacji cementów wieloskładnikowych

3.2. Czas wiązania

Cechą charakterystyczną cementów portlandzkich wieloskładnikowych (CEM II/B-M) jest wydłużony czas wiązania w stosunku do cementów portlandzkich CEM I. Wydłu- żenie czasu wiązania zależy od ilości i rodzaju dodatków mineralnych i jest szczególnie wyraźne w cementach wieloskładnikowych z udziałem popiołu lotnego. Czas wiązania cementów; CEM II/B-M (V-LL), CEM II/B-M (S-LL) ulega wydłużeniu zwłaszcza w wa- runkach obniżonych temperatur, co przedstawia rys. 2, zwłaszcza popiołu lotnego. Warto podkreślić, że czas wiązania cementów portlandzkich CEM II/A,B (LL) w niewielkim stopniu różni się od cementów CEM I.

Rys. 2. Początek wiązania cementu w różnych temperaturach 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450

0 1 2 3 4 5 6 7

Czas, dni

Ciepło, J/g

CEM I 42,5R CEM II/B-M (S-V) 32,5R CEM V/A (S-V)32,5R - LH CEM II/B-M (V-LL) 32,5R

145175180190210

170

267 250

415 300

465 240

365420 235

0 100 200 300 400 500

8 stopni C 20 stopni C 30 stopni C

Czas, minuty

CEM II/B-S 32,5R CEM II/B-M (S-V) 32,5R

CEM V/A (S-V) 32,5R - LH CEM II/B-M (V-LL) 32,5R

CEM I 42,5R

(5)

DNI BETONU 2010 5

2.3. Wytrzymałość na ściskanie

Cementy wieloskładnikowe zawierające w swoim składzie popiół lotny krzemionkowy i granulowany żużel wielkopiecowy wykazują stosunkowo niską wytrzymałość na ści- skanie po 2 dniach twardnienia. Jest to związane ze stosunkowo wolnym przebiegiem reakcji w początkowym okresie hydratacji, co podkreślają przedstawione wcześniej wyniki badań ciepła hydratacji. Najniższą wytrzymałością charakteryzują się cementy wieloskładnikowe CEM V z najwyższą zawartością żużla i popiołu.

Cechą charakterystyczną cementów wieloskładnikowych żużlowo-popiołwych jest bardzo duży przyrost wytrzymałości w późnym okresie twardnienia. Wytrzymałość cementu CEM II/B-M (S-V) 32,5R po 28 dniach twardnienia jest zbliżona do wytrzyma- łości cementu portlandzkiego CEM I tej samej klasy wytrzymałościowej, a po 90 dniach dojrzewania wyraźnie wyższa.

Dodatek popiołu w cemencie CEM II/B-M (V-LL) 32,5R wpływa na przyrost wytrzy- małości w długich okresach twardnienia podobnie jak w przypadku mieszaniny żużla i popiołu. Jest to szczególnie widoczne, gdy w składzie cementu zawarta jest większa ilość popiołu w stosunku do kamienia wapiennego. Opisane zależności przyrostu zależ- ności cementów wieloskładnikowych żużlowo-popiołowych i popiołowo-wapiennych pokazano na rys. 3 i 4.

Rys. 3. Wytrzymałość na ściskanie cementów wieloskładnikowych żużlowo-popiołowych

59,1

57,9

46,1

31,9

16,5 56,3

48,1

32,3

16,2 53,5

45,1

26,8

14,9 47,8

9 26

0 10 20 30 40 50 60 70

2 dni 7 dni 28 dni 90 dni

Czas dojrzewania, dni

Wytrzymałość, MPa

CEM II/B-M (S-V)32,5R

CEM II/B-S 32,5R

CEM V/A (S-V) 32,5R-LH

CEM III/A 32,5N- LH/HSR/NA

(6)

Rys. 4. Wytrzymałość na ściskanie cementów portlandzkich wieloskładnikowych popiołowo-wapiennych zawierających różne proporcje kamienia wapiennego LL i popiołu lotnego V

2.4. Odporność na agresję chemiczną

Ogólnie jest znanym faktem jest, że podstawowe znaczenie w przebiegu procesów koro- zyjnych ma przepuszczalność zaczynu i zdolność do zapełniania powstałych mikrospękań produktami hydratacji (potencjał hydratacyjny zaczynu poddanego procesom korozyj- nym). Przepuszczalność matrycy cementowej betonu zwiększa się ze wzrostem porowa- tości, a głównie objętości porów kapilarnych. Betony wykonane z cementu z dodatkiem kamienia wapiennego, popiołu lotnego, i/lub granulowanego żużla wielkopiecowego posiadają zmniejszoną przepuszczalność, wynikającą z modyfikacji rozkładu wielkości porów [2, 3, 6, 8].

Stwierdzono, że w cementach z dodatkiem wapienia LL ze względu na znacznie lepszą mielność wapienia od klinkieru cementowego, składnik LL lokuje się w drobnych frakcjach cementu i spełnia rolę mikrowypełniacza doszczelniającego strukturę (mikro- strukturę) stwardniałego zaczynu cementowego.

Strukturę rozkładu porów kształtują również reakcja pucolanowa w cementach popiołowo-żużlowych, których produkty czynią mikrostrukturę stwardniałego zaczynu bardziej zwartą, co znacznie utrudnia proces dyfuzyjnego oddziaływania jonów agresywnych ze środowiska na beton.

20,2 45,3 53,3

18,4 44,2 53,7 43,1

38,5

14,0 46,5

36,8

12,9

0 10 20 30 40 50 60

2 dni 28 dni 90 dni

Czas dojrzewania

Wytrzymałość, MPa

CEM II/A-M(V-LL) (kam.wap. 10%, popiół 10%)

CEM II/A-M(V-LL) (kam.wap. 5%, popiół 15%)

CEM II/B-M(V-LL) (kam.wap. 17,5%, popiół 17,5%)

CEM II/B-M(V-LL) (kam.wap. 10%, popiół 25%)

(7)

DNI BETONU 2010 7

Ograniczony strumień dyfuzji czynnika korozyjnego środowiska dla cementów popiołowo-żużlowych CEM II/B-M (S-V) potwierdzają wyniki badań odporności ce- mentów na siarczany. Cementy wieloskładnikowe popiołowo-żużlowe, w porównaniu do cementów wieloskładnikowych z udziałem wapienia charakteryzują się zwiększoną odpornością na oddziaływanie jonów siarczanowych [1, 3, 4, 6]. Szczególnie duży wpływ na odporność cementów na korozję chlorkową ma udział popiołu lotnego krzemionko- wego V, co pokazano na rys. 5.

3. Wpływ cementów portlandzkich wieloskładnikowych CEM II/B-M (S-V) 32,5R i CEM II/B-M (V-LL) 32,5R na wybrane właściwości betonu

Korzystny wpływ cementów wieloskładnikowych na właściwości betonów jest potwierdzo- ny w wielu publikacjach [2,5-10]. Cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/B-M w zależności od rodzaju dodatku mineralnego, proporcji dodatków oraz stopnia ich rozdrob- nienia mogą osiągać wytrzymałość zbliżoną do cementu portlandzkiego CEM I, poprawiać urabialność mieszanki betonowej oraz korzystnie kształtować trwałość betonu.

Wpływ kamienia wapiennego na ograniczenie zjawiska „bleedingu” (wypływu mlecz- ka cementowego na powierzchnię betonu) w świeżo zabudowanym betonie pokazano na rys. 6. Drobno zmielony kamień wapienny uzupełnia najdrobniejsze frakcje kruszywa, co umożliwia utrzymanie wody w betonie. Jest to szczególnie widoczne w przypadku kruszyw (piasków) o niewielkiej zawartości frakcji ≤ 0,125 mm.

Rys. 6. Porównanie zjawiska „bleedingu” w betonie wykonanym z użyciem cementu CEM I i cementu portlandzkiego wieloskładnikowego CEM II/B-M (V-LL), w zależności od zawartości frakcji ≤ 0,125 mm w kruszywie

Literatura przedmiotu oraz praktyka stosowania wykazały szczególna przydatność cementów wieloskładnikowych popiołowo-żużlowych CEM II/B-M (S-V) do projektowania i wykonawstwa betonów narażonych na klasy ekspozycji związanych z korozją betonu, szczególnie XA.

Zwiększenie szczelności betonu wiąże się również z oddziaływaniem chemicznym kamienia wapiennego w matrycy cementowej. Przy dużej dyspersji kamienia wapienne-

0 1 2 3 4 5 6 7

0 10 20 30 40 50

Zawartość frakcji < 0,125 mm w kruszywie, kg Ilość wydzielonej wody, kg na 1m3 betonu

CEM I

CEM II/B-M(

V-LL) 32,5R

(8)

go stwierdza się reaktywność węglanu wapnia CaCO₃ w stosunku do faz glinianowych klinkieru portlandzkiego. Produktem reakcji jest uwodniony węglanoglinian wapniowy C₃A⋅CaCO₃⋅11H₂O. Związek ten uszczelnia strukturę zaczynu, co ogranicza porowatość kapilarną i korzystnie wpływa na strukturę strefy kontaktowej kruszywo-zaczyn.

Proces tworzenia szczelnej struktury betonu jest bardziej skuteczny jeżeli w składzie cementu oprócz kamienia wapiennego jest zawarty również popiół lotny lub żużel wielkopiecowy (cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/A,B-M)

Analizują odporność betonu na klasy ekspozycji XC i XF uważa się, że z cementów z dodatkami mineralnymi trudniej jest wykonać beton odporny na karbonatyzację i dzia- łanie mrozu z oddziaływaniem środków odladzających. Jednakże, jak wykazują prace badawcze i praktyka przemysłowa, przy prawidłowym zaprojektowaniu betonu; niskim w/c, odpowiednim napowietrzeniu i pielęgnacji, uzyskuje się beton o dużej trwałości [5-10].

4. Aplikacje

Budowa Stacji Wentylatorów i Stacji Klimaty- zacji na terenie Szybów SG-1 i SG-2 – KGHM Polska Miedź S.A.:

CEM II/B-M (S-V) 32,5R

Farma wiatrowa w miejscowości Margonin CEM II/B-M (S-V) 32,5R

5. Podsumowanie

Cementy portlandzkie wieloskładnikowy CEM II/B-M (S-V) 32,5R i CEM II/B-M (V-LL) 32,5R to pełnowartościowe spoiwa o szerokich możliwościach zastosowania w budownictwie. Efekt synergii dodatków mineralnych w składzie cementów wieloskładnikowych jest szczególnie wyraźnie obserwowany dla cementów wieloskładnikowych popiołowo- żużlowych.

Stosując cementy portlandzkie wieloskładnikowe w produkcji betonu należy kierować się znanymi z technologii betonu zasadami projektowania i przygotowania mieszanek betonowych z cementów o umiarkowanej egzotermii twardnienia. Szczególną uwagę

(9)

DNI BETONU 2010 9

zwrócić należy na pielęgnację betonu oraz na możliwość oceny właściwości stwardniałego betonu po dłuższym terminie twardnienia, np. po 56 lub 90 dniach.

Literatura

Chłądzyński S., Garbacik A.: Cementy wieloskładnikowe w budownictwie. Stowarzyszenie Produ- [1]

centów Cementu, Kraków, 2008.

Giergiczny Z., Małolepszy J., Szwabowski J., Śliwiński J.: Cement z dodatkami mineralnymi składni- [2]

kiem betonów nowej generacji. Opole, 2002.

Muller Ch.: Performance of Portland-composite cements. Cement International, No 2, 2006, pp112- [3]

119.Owsiak Z.: Wewnętrzna korozja siarczanowa betonu – Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, [4]

Kielce 2008.

Calleja J.; Durability. VII ICCC , Vol. I, pp. VII-2/1-48, Paris 1980.

[5]

Kurdowski W.; Dodatki mineralne do cementu a trwałość betonu. Monografia 106. Politechnika [6] Krakowska, 1990, s. 109 - 120.

Bapat J. D.; Performance of cement concrete with mineral admixtures. Advances in Cement Research.

[7] 2001, Vol. 13, No 4, pp. 139-155.

Fang Y., Roy Della M., Malek R.E. I.A. Pore structure and chloride diffusion in slag pasts. 3 rd Beijing [8] In. Symp. Cem. Cons., vol 2, 1993, Int. Acad. Pub. China, pp. 554-559.

Geiseler J., Kollo H., Lang E.; Influence of blast furnace cements on durability of concrete structure.

[9] ACI Mat. J., 1995, vol.92, No 3, 252 – 257.

Torii K., Sasatani T., Kawamura M.; Chloride penetration into concrete incorporating mineral admixtures [10]

in marine environment. 6^th CANMET/ACI Int. Conf. Fly ash, silica fume, slag and natural pozzolans in Concrete. Bangkok, Thailand, 1998, vol. 2, pp. 701-716.