Książeczka 2011.pdf

176

GRUPA GÓRAŻDŻE

5.1. Podstawowe właściwości cementu

5.1.1. Stałość objętości

Wszystkie produkowane cementy muszą wykazywać stałość objętości.
Warunek ten jest spełniony, jeżeli oznaczone metodą Le Chateliera zmiany
objętości są mniejsze niż 10 mm. Głównym czynnikiem wpływającym na
zmiany objętości (pęcznienie) jest zbyt duża zawartość w klinkierze nie-
związanego CaO i MgO.

5.1.2. Ciepło hydratacji

Reakcja składników cementu z wodą ma charakter egzotermiczny, a wydzie-
lone ciepło podnosi temperaturę formowanego elementu betonowego.
Cementy w zależności od składu mineralnego, ilości i rodzaju dodatku
mineralnego oraz klasy wytrzymałościowej charakteryzują się różnym cie-
płem hydratacji (twardnienia). Ilość wydzielającego się ciepła w trakcie wią-
zania i twardnienia cementu przekłada się na przyrost jego wytrzymałości,
zwłaszcza w okresie początkowym. Przeciętne wartości ciepła twardnienia
cementu w poszczególnych klasach wytrzymałościowych podano w tab. 5.1.
Na rys. 5.1 przedstawiono szybkość wydzielania ciepła w trakcie hydratacji
cementów portlandzkich CEM I i cementów z dodatkami mineralnymi (ce-
mentów portlandzkich wieloskładnikowych CEM II, cementów hutniczych
CEM III i cementu wieloskładnikowego CEM V) oferowanych przez Górażdże
Cement S.A.

Tab. 5.1. Ciepło hydratacji cementu

Klasa cementu

Szybkość wydziela-

nia ciepła i narasta-

nia wytrzymałości

Ciepło twardnienia cementu oznaczone przy

temperaturze 18–21°C w J/g po upływie dni

32,5N

powoli

60 – 175

125 – 250

150 – 300

200 – 375

32,5R; 42,5N

normalnie

125 – 200

200 – 335

275 – 375

300 – 425

42,5R;52,5N;

52,5R

szybko

200 – 275

300 – 350

325 – 375

375 – 425

177

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

Czas [dni]

Ciepło [J/g]

CEM I 52,5R

CEM I 42,5R

CEM II/A-LL 42,5R

CEM II/B-S 42,5N

CEM II/B-S 32,5R

CEM III/A 42,5N-
HSR/NA
CEM V/A (S-V)
32,5R-LH
CEM III/A 32,5N-
LH-HSR/NA

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Rys. 5.1. Ciepło hydratacji cementów z oferty handlowej Górażdże Ce-
ment S.A.

Nieznajomość ciepła hydratacji cementu może mieć negatywne skutki. Duże
różnice temperatur pomiędzy powierzchnią betonu a jego wnętrzem mogą
być powodem naprężeń termicznych. Jeśli naprężenia termiczne przekroczą
wartość graniczną wytrzymałości betonu, rozpoczyna się proces powstawa-
nia mikrospękań. Efektem końcowym jest obniżona trwałość betonu. To ne-
gatywne zjawisko jest zwłaszcza obserwowane przy wykonywaniu dużych
masywów betonowych (np. budownictwo hydrotechniczne, fundamenty,
podpory mostów, itp.) i obiektów o dużych powierzchniach (budowa oczysz-
czalni ścieków). W tab. 5.2 przedstawiono wymagania dla cementów o niskim
cieple hydratacji wg normy PN-EN 197-1 „Cement. Część 1. Skład, wymagania
i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku”.

178

GRUPA GÓRAŻDŻE

Tab. 5.2. Wymagania dotyczące cementu powszechnego użytku o niskim
cieple hydratacji LH

Rodzaj cementu LH

Wymagania

CEM I

CEM II

CEM III

CEM IV

CEM V

Ciepło hydratacji po 41 godzinach ≤ 270 J/g

(oznaczone metodą semiadiabatyczną wg PN-EN 196-9)

Ciepło hydratacji po 7 dniach ≤ 270 J/g

(oznaczone metodą ciepła rozpuszczania wg PN-EN 196-8)

Stosowanie cementów o niskim cieple hydratacji (LH) minimalizuje ryzyko
powstania rys termicznych w betonie nawet przy wykonywaniu masywnych
konstrukcji betonowych. Przykładem tego są wyniki pomiarów temperatu-
ry w płycie fundamentowej o grubości 1,80 m wykonanej z betonu klasy
C35/30, przedstawione na rys. 5.2. Monitoring temperatury w twardniejącym
betonie był prowadzony przez 7 dni za pomocą termopar umieszczonych
w rdzeniu fundamentu i przy jego powierzchni (betonowanie w warunkach
zimowych – miesiąc luty).

Zastosowanie cementu hutniczego CEM III/A 32,5N-LH/HSR/NA oraz od-
powiednia pielęgnacja termiczna pozwoliły zachować niewielką różnicę
temperatur między powierzchnią a warstwami wewnętrznymi płyty (różnica
temperatur w twardniejącym betonie wynosiła maksymalnie 9°C). W efekcie
gradient temperatury nie przekroczył maksymalnej wartości 20°C/m i zredu-
kowane zostały szkodliwe naprężenia termiczne, które mogłyby spowodo-
wać spękania betonu. Wykonany beton nie wykazał uszkodzeń termicznych
i osiągnął pożądaną wytrzymałość oraz wysoką szczelność.

179

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

12:0016:0020:0000:0004:0008:0012:0016:0020:0000:0004:0008:0012:0016:0020:0000:0004:0008:0012:0016:0020:0000:0004:00

Termopara 1 – powierzchnia betonu

Termopara 2 – rdzeń betonu

Godzina

emperatura [°C]

Rys. 5.2. Pomiar temperatury w płycie fundamentowej

5.1.3. Czas wiązania

Według normy PN-EN 197-1 cement powinien charakteryzować się określo-
nym początkiem wiązania. Jest to informacja ważna w praktyce budowlanej.
Zazwyczaj betony zawierające cementy o długim czasie wiązania są dłużej
urabialne, co jest istotne, kiedy musimy dostarczyć beton na dalekie odle-
głości, planować postój betonowozów w korkach ulicznych lub prowadzić
prace budowlane w podwyższonej temperaturze (latem).

Analizując początek czasu wiązania cementów pochodzących z poszczegól-
nych cementowni, można zauważyć pewne prawidłowości:

cementy z dodatkami mineralnymi (CEM II, CEM III, CEM V) mają dłuższe
czasy wiązania niż odpowiadające im cementy portlandzkie CEM I,
cementy wyższych klas wytrzymałościowych
mają krótsze czasy wiązania,
niższa temperatura zewnętrzna powoduje wydłużenie czasów wiązania,
przy czym wydłużenie to jest większe przy stosowaniu cementów
z dodatkami mineralnymi (należy mieć tego świadomość przy doborze
cementu do betonowania w obniżonych temperaturach). Wyższa
temperatura zewnętrzna powoduje skrócenie początku wiązania,
wyższy współczynnik woda/cement powoduje
wydłużenie czasów wiązania.

–

180

GRUPA GÓRAŻDŻE

Znajomość tych zależności, przedstawionych na rys. 5.3, można w praktyce
wykorzystać poprzez stosowanie latem cementów z dodatkami mineralnymi
w miejsce cementów portlandzkich tych samych klas wytrzymałościowych.
Jakość wyrobów betonowych nie ulegnie zmianie, poprawie ulegnie urabial-
ność mieszanki betonowej.

297

289

156

179

182

234

235

240

245

150

250

100

200

300

Czas [min]

CEM I 52,5R

CEM I 42,5R

CEM II/A-LL 42,5R

CEM II/B-S 42,5N

CEM II/B-S 32,5R

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

CEM III/A 42,5N-HSR/NA

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

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

Rys. 5.3. Początek wiązania cementów z oferty handlowej Górażdże Ce-
ment S.A.

5.1.4. Wytrzymałość i szybkość jej narastania w czasie

Większość użytkowników cementu interesuje szybkość narastania wytrzy-
małości w okresie początkowym (możliwość rozformowania elementów
prefabrykowanych, rotacja form, wytrzymałość transportowa) i wytrzymałość
normowa (po 28 dniach).
Najwyższą wytrzymałość wczesną na ściskanie, w określonej klasie wy-
trzymałościowej, posiadają cementy portlandzkie CEM I oraz cementy
portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/A – np. cement portlandzki wapienny
CEM II/A-LL (rys. 5.4). Z kolei cementy z dodatkami mineralnymi CEM II/B,
CEM III i CEM V charakteryzują się niższą wytrzymałością początkową, której
poziom zależy od ilości i rodzaju stosowanego dodatku mineralnego oraz
klasy wytrzymałościowej cementu. Stosunkowo najmniejsze spadki wy-
trzymałości na ściskanie w okresie początkowym, w stosunku do cementu

181

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

portlandzkiego CEM I tej samej klasy wytrzymałościowej, mają cementy
portlandzkie z dodatkiem granulowanego żużla wielkopiecowego – CEM
II/B-S lub CEM II/B-M(S-V).
W późniejszych okresach (28, 90 dni) wytrzymałość cementów z dodatkami
mineralnymi, a zwłaszcza żużla wielkopiecowego i popiołu lotnego jest po-
równywalna lub wyższa od wytrzymałości cementów portlandzkich CEM I,
co pokazano na rys. 5.4. Przyrost wytrzymałości na ściskanie w przypadku
cementów zawierających dodatki mineralne, a zwłaszcza cementów hutni-
czych CEM III i wieloskładnikowych CEM V, jest obserwowany nawet po wielu
latach eksploatacji budowli. Przykładem tego jest przyrost wytrzymałości
betonu z cementu hutniczego CEM III/A w typowych obiektach inżynierskich
przedstawiony w tab. 5.3.

54,6

51,9

26,9

37,7

53,9

50,6

26,3

37,2

53,8

47,3

32,3

30,4

17,3

31,5

46,8

55,3

17,1

29,7

45,3

54,9

15,2

14,6

22,7

46,5

57,3

9,8

66,5

57,2

Czas [dni]

ytrzymałość na ściskanie [MPa]

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

Rys. 5.4. Porównanie wytrzymałości na ściskanie zapraw cementowych

182

GRUPA GÓRAŻDŻE

Tab. 5.3. Wytrzymałość betonu wykonanego z cementu hutniczego CEM III/A

Budowla

Wiek

betonu

[dni]

Wytrzy-

małość na

ściskanie

[MPa]

Wiek

betonu

[lata]

Wytrzy-

małość na

ściskanie

[MPa]

Przyrost

wytrzymało-

ści [%]

Oczyszczalnia

Wieża

chłodnicza

Zapora wodna

100

Śluza

odwadniająca

5.1.5. Wpływ temperatury na szybkość
przyrostu wytrzymałości cementu

Wytrzymałość na ściskanie cementu jest jedną z najważniejszych jego cech
mechanicznych, od której w dużej mierze zależy wytrzymałość betonu na
ściskanie.

Twardnienie cementu jest procesem złożonym, składającym się z nakładają-
cych się i równolegle przebiegających procesów rozpuszczania, krystalizacji,
rozprzestrzeniania się fazy stałej ciekłej i gazowej, przepływu ciepła, dyfuzji
jonów itp.
Do podstawowych czynników wpływających na szybkość wiązania i tward-
nienia oraz przyrost wytrzymałości cementu należą: skład mineralny klin-
kieru, zawartość i rodzaj regulatora czasu wiązania cementu, rozdrobnienie
cementu, ilościowy i jakościowy skład dodatków mineralnych do cementu,
a także stosunek w/c oraz temperatura.

Laboratoryjne badania cech wytrzymałościowych cementów i betonów
przeprowadza się w kontrolowanej temperaturze 20°C. Jednak w praktyce
budowlanej zaprawy cementowe, jak i betony wykonywane są w znacznie
szerszym zakresie temperatur (różne warunki klimatyczne, różne pory roku
itp.). W konsekwencji wiedza o wpływie temperatur zewnętrznych na procesy
twardnienia cementu ma duże znaczenie. W praktyce należy więc kierować
się podstawowymi zależnościami:

183

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

podwyższona temperatura otoczenia: szybszy przyrost
wytrzymałości zapraw i betonów, krótki czas wiązania cementu
ale też szybkie odparowanie wody z powierzchni betonu,
obniżona temperatura: wolny przyrost wytrzymałości,
długi czas wiązania cementu, a w niskich temperaturach
zamarzanie wody zarobowej i niszczenie struktury betonu.

Oprócz odpowiedniego wyboru rodzaju cementu do wykonywania beto-
nu w określonych warunkach temperaturowych niezbędna jest właściwa
pielęgnacja betonu.

Na rys. 5.5–5.10 przedstawiono wytrzymałość na ściskanie zapraw normo-
wych wykonanych z wybranych cementów: CEM I, CEM II, CEM III i CEM V
z oferty Górażdże Cement S.A. w różnych temperaturach dojrzewania.

14,3

5,5

5,2

3,6

2,4

28,5

15,7

15,3

13,8

7,9

41,4

33,6

32,8

27,7

22,7

38°C

20°C

8°C

CEM I 52,5R

CEM I 42,5R

CEM II/A-LL 42,5R

CEM II/B-S 42,5N

CEM III/A 42,5N-

HSR/NA

Wytrzymałość [MPa]

Rys. 5.5. Wytrzymałość na ściskanie cementów klasy 42,5 i 52,5 po 1 dniu
twardnienia

–

184

GRUPA GÓRAŻDŻE

25,4

11,5

11,2

9,8

7,5

33,8

26,9

26,3

21,3

14,6

45,7

36,4

35,8

35,4

29,7

38°C

20°C

8°C

CEM I 52,5R

CEM I 42,5R

CEM II/A-LL 42,5R

CEM II/B-S 42,5N

CEM III/A 42,5N-

HSR/NA

Wytrzymałość [MPa]

Rys. 5.6. Wytrzymałość na ściskanie cementów klasy 42,5 i 52,5 po 2 dniach
twardnienia

39,8

35,6

34,5

26,8

21,6

44,8

37,7

37,2

34,6

30,4

52,9

44,9

44,6

45,2

41,2

38°C

20°C

8°C

CEM III/A 42,5N-

HSR/NA

CEM I 52,5R

CEM I 42,5R

CEM II/A-LL 42,5R

CEM II/B-S 42,5N

Wytrzymałość [MPa]

Rys. 5.7. Wytrzymałość na ściskanie cementów klasy 42,5 i 52,5 po 7 dniach
twardnienia

185

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

2,8

2,4

2,2

1,6

10,6

11,2

9,4

4,5

20,5

20,9

19,2

15,8

38°C

20°C

8°C

Wytrzymałość [MPa]

CEM II/B-S 32,5R

CEM II/B-M(S-V)

32,5R

CEM V/A(S-V)

32,5R-LH

CEM III/A 32,5N-

LH-HSR/NA

Rys. 5.8. Wytrzymałość na ściskanie cementów klasy 32,5 po 1 dniu
twardnienia

7,5

6,9

5,8

4,3

17,3

17,1

15,2

9,8

33,5

32,4

30,5

22,9

38°C

20°C

8°C

CEM II/B-S 32,5R

CEM II/B-M(S-V)

32,5R

CEM V/A(S-V)

32,5R-LH

CEM III/A 32,5N-

LH-HSR/NA

Wytrzymałość [MPa]

Rys. 5.9. Wytrzymałość na ściskanie cementów klasy 32,5 po 2 dniach
twardnienia

186

GRUPA GÓRAŻDŻE

21,8

20,4

18,8

12,8

32,3

31,5

29,7

22,7

43,4

43,8

41,6

34,2

38°C

20°C

8°C

CEM II/B-S 32,5R

CEM II/B-M(S-V)

32,5R

CEM V/A(S-V)

32,5R-LH

CEM III/A 32,5N-

LH-HSR/NA

Wytrzymałość [MPa]

Rys. 5.10. Wytrzymałość na ściskanie cementów klasy 32,5 po 7 dniach
twardnienia

5.1.6. Odporność cementu (betonu) na agresję chemiczną

Odporność cementu na agresję chemiczną zależy od jego składu chemicz-
nego i mineralnego.
Norma krajowa PN-B-19707 „Cement. Cement specjalny. Skład, wymagania
i kryteria zgodności” określa wymagania dla cementu odpornego na agre-
sywne oddziaływanie roztworów o wysokiej zawartości siarczanów (HSR).
Wymagania dla cementów o wysokiej odporności na siarczany HSR podano
w tab. 5.4.

Podkreślić należy, iż trwałość betonu w warunkach agresji chemicznej wy-
maga przeanalizowania czynników fizycznych i mechanicznych, zarówno od
strony betonu, jak i środowiska agresywnego.
W przypadku betonu szczególną uwagę należy zwracać na: gęstość, poro-
watość i jej strukturę, nasiąkliwość, przepuszczalność wody i gazów. Pod-
kreśleniem dużego znaczenia właściwości fizycznych dla trwałości betonu
jest fakt, że wielu autorów na pierwszym miejscu stawia jego nasiąkliwość
i przepuszczalność, stąd odporność chemiczna samego cementu przy

187

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

prawidłowo zaprojektowanym i dobrze wykonanym betonie może być
rozważana jako cecha o drugorzędnym znaczeniu.
Podwyższoną odpornością na agresję chemiczną charakteryzuje się beton
wykonany z cementu zawierającego dodatki mineralne (CEM II, CEM III,
CEM V). Na rys. 5.11 pokazano odporność cementów z dodatkami mineral-
nymi na agresję siarczanową.

Tab. 5.4. Wymagania dotyczące cementu specjalnego o wysokiej odporności
na siarczany HSR

Rodzaj cementu HSR

Wymagania

CEM I

A ≤ 3%

zawartość Al

≤ 5%,

wartość ekspansji w roztworze Na

po 1 roku ≤ 0,5%

CEM II/B-V

A w klinkierze ≤ 10%

udział popiołu krzemionkowego V

≥ 25%,

wartość ekspansji w roztworze Na

po 1 roku ≤ 0,5%

CEM III

udział granulowanego żużla, S ≥ 55%,

wartość ekspansji w roztworze Na

po 1 roku ≤ 0,5%

CEM IV

A w klinkierze ≤ 10%

udział sumy pyłu krzemionkowego D i popiołu lotnego

krzemionkowego V

≥ 25%,

wartość ekspansji w roztworze Na

po 1 roku ≤ 0,5%

Zawartość glinianu trójwapniowego obliczana jest w proc. masy z równania

A = 2,65 Al

– 1,65 Fe

Wyniki analizy chemicznej cementu przeliczone na substancje wyprażoną (bez strat prażenia) należy
korygować o zawartość CaCO

i CaSO

. Zawartość CO

oznaczana jest wg PN-EN 196-21.

Badanie sprawdzające wykonywane 2 razy w roku

Nie dopuszcza się składników innych niż klinkier i popiół lotny krzemionkowy (V).

Popiół lotny krzemionkowy (V) powinien spełniać wymagania:
– zawartość reaktywnego CaO mniejsza niż 5,0%,
– zawartość reaktywnego SiO

nie mniej niż 25,0%,

– zawartość strat prażenia poniżej 5,0%.

W cementach CEM IV nie dopuszcza się składników głównych innych niż klinkier, pył krzemionkowy

(D) i popiół lotny krzemionkowy (V).
Udział popiołu lotnego krzemionkowego (V) w cementach CEM II/B-V i CEM IV (V) lub udział sumy
pyłu krzemionkowego (D) i popiołu lotnego krzemionkowego (V) w cementach CEM IV (D-V) oblicza-
na jest w proc. masy z równania: V = NR × 1,28, gdzie NR stanowi zawartość pozostałości nierozpusz-
czalnej w cemencie oznaczanej wg PN-EN 196-2.

188

GRUPA GÓRAŻDŻE

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52

destrukcja

Czas [tygodnie]

łu

ie [

]

CEM I 42,5R

CEM II/B-S 32,5R

CEM III/A 42,5N-
HSR/NA

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

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

CEM III/B 32,5L-LH

Rys. 5.11. Odporność na korozję siarczanową wybranych cementów

Zwiększona odporność cementów z dodatkami mineralnymi w stosunku do
cementów CEM I związana jest z postacią i morfologią fazy CSH, powstającej
w wyniku reakcji aktywnych składników dodatku mineralnego (popiołu
lotnego, żużla wielkopiecowego, pyłu krzemionkowego

z Ca(OH)

z procesu

hydratacji minerałów cementowych), która dodatkowo wypełnia pustki
w zaczynie oraz strefie kontaktowej kruszywo–zaczyn. Efektem jest niższa
porowatość i zwiększona szczelność betonu. Zmniejszeniu ulega przede
wszystkim porowatość kapilarna zaczynu (rys. 5.12), co bardzo utrudnia dy-
fuzję jonów agresywnych w wewnętrzną strukturę zaprawy lub betonu.

0,5

1,5

2,5

3,5

Cement CEM I

Cement CEM III/A

(65% żużla)

Cement CEM III/A

(52% żużla)

Udział porów kapilarnych [%]

w/c = 0,50

w/c = 0,70

Rys. 5.12. Udział porów kapilarnych w 12-letnim betonie wykonanym z cementu
o różnej zawartości granulowanego żużla wielkopiecowego

189

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

Na rys. 5.13 przedstawiono współczynniki dyfuzji jonów chlorkowych w be-
tonach wykonanych z użyciem róznych rodzajów cementów. W porównaniu
z cementem portlandzkim CEM I, cementy zawierające dodatki mineralne
(zużel S, popiół lotny V i kamien wapienny LL) charakteryzują się niższą
przepuszczalnością chlorków.

Współczynnik dyfuzji D

Clw

, 10

-12

CEM III

CEM II-S

CEM II-M (S-LL)

CEM II-M (V-LL)

CEM II-LL

CEM I

Rys. 5.13. Współczynnik dyfuzji jonów chlorkowych w betonach wykonanych
z użyciem różnych cementów po 28 dniach twardnienia (w/c = 0,5; zawartość
cementu – 320kg/m

; dojrzewanie w wodzie)

Zastosowanie cementów z dodatkami mineralnymi i wynikająca z tego
wysoka szczelność betonu zapewnia trwałość konstrukcji eksploatowanych
w środowiskach siarczanowych, magnezjowych, chlorkowych, wodach
bogatych w agresywny CO

, soli amonowych, kwasów nieorganicznych

i organicznych, wodach morskich (rys. 5.14) i kopalnianych itp.

190

GRUPA GÓRAŻDŻE

100

200

250

300

350

400

Zawartość cementu [kg/m

]

e p

ró

i [

]

CEM III/A

CEM II/B - S

CEM I

Rys. 5.14. Wpływ rodzaju cementu na odporność betonu w środowisku
wody morskiej

5.1.7. Barwa cementu

Barwa cementu zależy przede wszystkim od: rodzaju użytych surowców w
produkcji klinkieru cementowego, technologii produkcji, zastosowanych
dodatków mineralnych i stopnia zmielenia cementu (powierzchni właściwej).
Cementy zawierające dodatek popiołu lotnego zazwyczaj posiadają barwę
ciemną (resztki niespalonego węgla w składzie popiołu), natomiast barwa
jasna jest charakterystyczna dla cementów z wysoką zawartością granulo-
wanego żużla wielkopiecowego (cement hutniczy CEM III/A).
Na rys. 5.15 pokazano stopień białości cementów „szarych” w porównaniu do
cementu białego. Regułą jest także, że cementy o wysokich powierzchniach
właściwych są jaśniejsze od cementów o niższej powierzchni właściwej
wykonanych z tego samego klinkieru portlandzkiego.

191

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

100

Stopień białości [%]

CEM V/A (S-V)

32,5R-LH

CEM I 42,5R

CEM II/A-LL 42,5R

CEM II/B-S 42,5N

CEM III/A 32,5 N-

LH-HSR/NA

CEM I 42,5N biały

Rys. 5.15. Porównanie stopnia białości wybranych cementów

5.1.8. Gęstość właściwa i ciężar nasypowy cementu

Gęstość właściwa cementu jest w głównej mierze uzależniona od jego składu,
mianowicie zawartości i rodzaju dodatków mineralnych. Cementy CEM II,
CEM III, CEM V zawierające dodatki popiołu lotnego i granulowanego żużla
wielkopiecowego charakteryzują się niższą gęstością właściwą niż cement
portlandzki CEM I. W efekcie zastosowanie w produkcji betonu, np. cementu
hutniczego CEM III w tej samej ilości w kilogramach co cementu portlandzkie-
go CEM I spowoduje wprowadzenie większej objętości cementu (zaczynu), co
poprawia urabialność i pompowalność mieszanki betonowej (tab. 5.5).
Znajomość ciężaru nasypowego cementu jest szczególnie istotna w przy-
padku transportu cementu (np. pojemność cementonaczepy) czy projekto-
wania wymiarów worków na cement lub wielkości silosów do składowania
cementu luzem.
Ciężar nasypowy jest przede wszystkim uzależniony od stopnia zagęszczenia
cementu, niemniej w poszczególnych rodzajach cementu obserwuje się po-
dobne zależności jak opisane dla gęstości właściwej. Zwykle jednak orienta-
cyjnie ciężar nasypowy cementu w stanie luźnym przyjmuje się na poziomie:
0,9–1,2 kg/dm

, a dla cementu w stanie zagęszczonym 1,4–1,9 kg/dm

192

GRUPA GÓRAŻDŻE

Tab. 5.5. Gęstość właściwa dodatków mineralnych i cementu

Materiał

Gęstość właściwa

[kg/dm

]

Objętość 100 kg

materiału [dm

]

Popiół lotny krzemionkowy

2,21

45,2

Mielony żużel wielkopiecowy

2,92

34,2

Mielony kamień wapienny

2,75

36,4

CEM I 42,5R

3,14

31,8

CEM II/B-S 32,5R

3,04

32,9

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

3,03

33,0

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

2,87

34,8

CEM III/A 42,5N-HSR/NA

2,97

33,7

5.1.9. Temperatura cementu

W okresie letnim oraz w pełni sezonu budowlanego odbierany z cementowni
cement może posiadać wyższą temperaturę. Wysoka temperatura nie ma
negatywnego wpływu na wytrzymałość na ściskanie i inne właściwości
mieszanki betonowej.

Podwyższona o 10°C temperatura cementu powoduje podniesienie tempe-
ratury świeżego betonu tylko ok. 1°C. W celu uniknięcia kłopotów związanych
z podwyższoną temperaturą cementu należy zgromadzić odpowiednią
jego ilość w silosach i nie stosować cementu dostarczonego bezpośrednio
z cementowni.

Należy zwrócić uwagę, że w okresie letnim również pozostałe składniki
mieszanki betonowej (zwłaszcza kruszywa) mają wysoką temperaturę, co
znacznie zwiększa temperaturę mieszanki. Szczególnie kruszywa w znacz-
nym stopniu podnoszą temperaturę mieszanki betonowej i z tego powodu
latem powinny być przechowywane pod zadaszeniem (rys. 5.16 – wg Port-
land Cement Association, Skokie, Illinois, USA).

193

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

100

120

Temperatura skladników betonu [°C]

i b

j [

°C

]

kruszywo

woda

cement

Rys. 5.16. Wpływ temperatury składników betonu na podwyższenie tempe-
ratury mieszanki betonowej

5.1.10. Cement z niską zawartością alkaliów – NA

Niektóre kruszywa mogą reagować z alkaliami pochodzącymi ze składu
cementu. W wyniku przebiegu tych reakcji mogą powstać pęczniejące
produkty, które w skrajnych przypadkach prowadzą do zniszczenia betonu.
Jednym ze sposobów uniknięcia tego negatywnego zjawiska jest stosowa-
nie niskoalkalicznego cementu (NA), który spełnia wymagania normy PN-B
19707 „Cement. Cement specjalny. Skład, wymagania i kryteria zgodności”
zawarte w tab. 5.6.

Mając na uwadze zagadnienie reakcji alkalia–kruszywo, należy pamiętać, że
alkalia w betonie pochodzą nie tylko z cementu, ale również z pozostałych
składników betonu. W reakcję z kruszywem wchodzą jony sodu i potasu
zawarte w fazie ciekłej, obecnej w porach betonu. Jony sodu Na

i potasu

w cieczy w porach mogą pochodzić z cementu, wody zarobowej, stoso-

wanych dodatków mineralnych i domieszek chemicznych oraz kruszywa
(rozpuszczalne alkalia).

194

GRUPA GÓRAŻDŻE

Tab. 5.6. Wymagania dotyczące cementu specjalnego niskoalkalicznego NA

Rodzaj cementu NA

Wymagania

CEM I

CEM II

CEM IV

CEM V

≤ 0,6% Na

CEM II/B-S

Udział granulowanego żużla wielkopiecowego,

S ≥ 21%

≤ 0,7% Na

CEM III/A

Udział granulowanego żużla wielkopiecowego,

S ≤ 49%

≤ 0,95% Na

Udział granulowanego żużla wielkopiecowego,

S ≥ 50%

≤ 1,10% Na

CEM III/B

Skład wg EN 197-1

≤ 2,0% Na

CEM III/C

Skład wg EN 197-1

≤ 2,0% Na

Z wyjątkiem CEM II/B-S,

=Na

O+0,658K

W wytycznych niektórych krajów europejskich (Wielka Brytania, Belgia, Ho-
landia) dopuszczalna zawartość w betonie rozpuszczalnych alkaliów powinna
spełniać wymaganie Na

≤ 3,0 kg na 1 m

betonu. Limit ten dotyczy

alkaliów pochodzących ze składu cementu – zależy od zawartości tlenków
alkalicznych w składzie cementu oraz ilości zastosowanego cementu.

Spełnienie powyższego wymagania dla sumarycznej zawartości rozpuszczal-
nych alkaliów, pochodzących ze wszystkich składników betonu, zapewnia
bezpieczeństwo betonu, nawet przy stosowaniu kruszyw o potencjalnej
reaktywności alkalicznej.

195

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

5.1.11. Skurcz

Skurcz, wg wymagań PN-EN 197-1, nie jest cechą normową cementu. Ozna-
czanie skurczu na zaprawie normowej nie oddaje także skurczu betonu.

Do podstawowych czynników wpływających na skurcz betonu należy
zaliczyć:

wielkość stosunku wodno-cementowego (w/c),
ilość cementu w składzie betonu,
skład ziarnowy kruszywa (zwłaszcza ilość
piasku i jego skład ziarnowy),
pielęgnację betonu.

Na rys. 5.17 przedstawiono skurcz zapraw wykonanych z wybranych cemen-
tów oferowanych przez Górażdże Cement S.A.. Najmniejszy skurcz wykazują
zaprawy wykonane z cementów z dodatkiem granulowanego żużla wielko-
piecowego (np. CEM III/A) i popiołu lotnego.(np. CEM V/A). Z kolei zaprawy
z cementów portlandzkich CEM I charakteryzują się wyższym skurczem.

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Czas [dni]

Skurcz [mm/m]

CEM I 52,5R

CEM I 42,5R

CEM II/A-LL 42,5R

CEM II/B-S 32,5R

CEM V/A(S-V)
32,5R-LH
CEM III/A 32,5N-
HSR/LH/NA

Rys. 5.17. Skurcz normowych zapraw cementowych

¡
¡
¡

196

GRUPA GÓRAŻDŻE

Na rys. 5.18 i 5.19 pokazano zależność skurczu betonu od ilości wprowadzo-
nego cementu i kruszywa oraz wartości wskaźnika w/c.

200

300

400

500

600

700

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2

1,4

w/c=0,7

w/c=0,6

w/c=0,5

w/c=0,4

w/c=0,3

Zawartość cementu [kg/m

]

Skurcz [mm/m]

Rys. 5.18. Wielkość skurczu betonu w zależności od zawartości cementu
i wartości wskaźnika w/c.

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

400

800

1200

1600

Wskaźnik w/c

Skurcz × 10

-6

Objętościowa
zawartość
kruszywa

80%
70%
60%

50%

Rys. 5.19. Wpływ wartości wskaźnika w/c i zawartości kruszywa na skurcz
betonu

197

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

5.2. Środki ostrożności przy pracy z cementem

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Zdrowia z dn. 11.07.2002 r. w sprawie
kryteriów i sposobu klasyfikacji substancji i preparatów chemicznych (DzU
nr 140, poz. 1172) cement jest klasyfikowany jako preparat stwarzający poten-
cjalne niebezpieczeństwo dla zdrowia, co wiąże się z drażniącym działaniem
pyłu cementowego na oczy, układ oddechowy i skórę.
Aby nie narazić się na podobne zagrożenia należy unikać wdychania pyłu
cementowego, chronić oczy oraz skórę przed bezpośrednim kontaktem
z cementem.
Szczególnie niebezpieczny jest kontakt cementu z oczami lub jego obecność
w drogach oddechowych. W przypadku przedostania się cementu do dróg
oddechowych należy zapewnić poszkodowanemu dostęp świeżego po-
wietrza. Jeżeli wystąpią trudności z oddychaniem konieczne jest wezwanie
pomocy lekarskiej. Przedostanie się pyłu cementowego do oczu wymaga
przemywania ich dużą ilością wody (unikać silnego strumienia wody, ze
względu na ryzyko uszkodzenia rogówki). Jeżeli objawy podrażnienia utrzy-
mują się, należy wezwać lekarza.
Według Rozporządzenia Ministra Zdrowia każda partia cementu luzem lub
każdy worek posiada etykietę zwierającą informację o zagrożeniach wynikają-
cych z kontaktu z cementem oraz warunkach jego bezpiecznego stosowania.
Etykieta zawiera również znak i symbol ostrzegawczy określający kategorię
niebezpieczeństwa, co pokazano poniżej.

Szczególną ostrożność należy także zachować przy kontakcie z mieszanka
betonową (zaczynem cementowym), ponieważ jednym z podstawowych
produktów reakcji cementu z wodą jest wodorotlenek wapnia Ca(OH)

198

GRUPA GÓRAŻDŻE

W efekcie zaczyn cementowy (świeża mieszanka betonowa) posiada silnie
zasadowe środowisko (pH 12–12,5), co przy kontakcie z oczami lub skórą
prowadzi do podrażnień. Niektóre osoby mogą być także uczulone na ten
związek. Dlatego też podczas pracy z cementem należy koniecznie unikać
kontaktu zaczynu ze skórą lub oczami. Indywidualne środki ostrożności,
jak noszenie rękawic czy okularów ochronnych, są nieodzowne przy pracy
z betonem.

5.3. Cement w produkcji betonu towarowego

W produkcji betonu towarowego o doborze rodzaju i klasy cementu decydu-
je zazwyczaj klasa betonu oraz warunki, w jakich beton będzie eksploatowa-
ny. Istotne jest również, aby decydując się na określony rodzaj cementu brać
pod uwagę czas transportu mieszanki betonowej oraz sposób jej zabudowy
i zagęszczania, a także możliwości pielęgnacji świeżego betonu

Wymagane właściwości stwardniałego betonu są określone przez projektan-
ta, natomiast właściwości mieszanki betonowej, zależą od rodzaju konstrukcji,
techniki układania i zagęszczania oraz warunków transportu. Przystępując do
projektowania składu mieszanki betonowej musimy pogodzić te wszystkie
czynniki i tak dobrać skład betonu, aby było to działanie optymalne z punktu
widzenia ekonomicznego i technicznego.

Kierując się projektowaną klasą betonu zwykle dla klas ≤ C25/30 stosowane
są cementy klasy 32,5, natomiast w przypadku klas ≥ C30/37 dobiera się
cementy klas 42,5 lub 52,5. Biorąc pod uwagę rodzaj cementu, z powo-
dzeniem w miejsce cementów portlandzkich CEM I stosowane są cementy
z dodatkami mineralnymi CEM II, CEM III, CEM V. Z punktu widzenia zasad
projektowania nie ma żadnych przeciwwskazań, aby zastosować cementy
z dodatkami mineralnymi, czego dowodzą wyniki badań wytrzymałości
betonów na ściskanie, przedstawione na rys. 5.20. W składzie poszczególnych
betonów zmianie ulegał jedynie rodzaj cementu, natomiast ilość wszystkich
składników oraz rodzaj kruszywa były niezmienne. Na podstawie przedsta-
wionych wyników badań można stwierdzić, że wytrzymałość betonów wy-
konanych przy użyciu cementów CEM II, CEM III i CEM V w okresie wczesnym
(po 2 dniach) jest niższa niż cementu CEM I. Natomiast po 28 dniach (a więc

199

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

w terminie, w którym najczęściej jest oznaczana klasa betonu) oraz po upły-
wie 90 dni wytrzymałość jest porównywalna lub wyższa od wytrzymałości
betonu wykonanego z cementu CEM I.

25,7

51,2

55,2

21,5

56,2

62,6

13,9

57,2

64,2

14,6

48,6

54,7

14,2

46,3

55,3

9,4

49,2

55,8

13,6

45,7

57,9

CEM I 42,5R

CEM II/B-S 42,5N

CEM III/A 42,5N-
HSR/NA

CEM II/B-S 32,5R

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

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

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

ytrzymałość na ściskanie [MPa]

2 dni

28 dni

90 dni

Rys. 5.20. Wytrzymałość na ściskanie betonów po 2, 28 i 90 dniach (w/c=0,5;
ilość cementu w 1m

betonu – 350 kg).

W przypadku betonu towarowego należy również mieć na uwadze utrzy-
manie w trakcie produkcji i układania mieszanki betonowej zaprojektowa-
nego wskaźnika woda-cement (w/c). Zwiększanie ilości wody w mieszance
betonowej, przy niezmiennej ilości cementu, powoduje bowiem znaczny
spadek wytrzymałości betonu. Jest to ważne, gdyż w praktyce często wystę-
pują przypadki nadmiernego, niekontrolowanego dozowania wody w celu
„poprawy” ciekłości mieszanki. Takie działanie może w konsekwencji obniżyć
klasę wykonanego betonu w stosunku do projektowanego i wpłynąć ne-
gatywnie na bezpieczeństwo i trwałość konstrukcji. Na rys. 5.21 pokazano
spadek wytrzymałości betonów w zależności od ilości wody w mieszance
betonowej.

200

GRUPA GÓRAŻDŻE

w/c = 0,45

w/c = 0,50

w/c = 0,65

CEM I 42,5R

CEM II/B-S 42,5N

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

CEM II/B-S 32,5R

ytrzymałość [MPa]

Rys. 5.21. Zależności pomiędzy wskaźnikiem w/c a wytrzymałością na ściskanie
betonu po 28 dniach dojrzewania (ilość cementu w 1m

betonu – 350 kg).

5.4. Cement w produkcji prefabrykatów

i galanterii betonowej

Cementy stosowane w produkcji prefabrykatów i galanterii betonowej
(kostka brukowa, produkcja krawężników) powinny charakteryzować się
wysoką wytrzymałością wczesną, która pozwala na szybką rotację form lub
podkładów oraz właściwe magazynowanie i paletyzowanie elementów
uformowanych (prefabrykacja drobnowymiarowa).

W literaturze technicznej dotyczącej produkcji elementów prefabrykowanych
wyróżnia się:

wytrzymałość umożliwiającą bezpieczne rozformowanie elementu
bez uszkodzeń i jego transport na miejsce dojrzewania;
wytrzymałość składowania umożliwiającą ustawienie
elementów w stosie (powinna ona wynosić około 0,5 R

);

wytrzymałość montażową umożliwiającą przewóz na miejsce
wbudowania i montaż konstrukcji (wynosi ona od 70 do 100% R

201

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

Jednym ze sposobów spełnienia wymagań technologicznych i jakościowych
przewidzianych dla elementów prefabrykowanych jest właściwe zaprojekto-
wanie mieszanki betonowej, a zwłaszcza właściwy dobór cementu.

Zazwyczaj wymagane właściwości prefabrykatów w okresie początkowym
osiąga się poprzez:

stosowanie cementu z wysoką wytrzymałością wczesną (R);
stosowanie cementu wysokich klas wytrzymałościowych (42,5; 52,5);
przyspieszanie procesu twardnienia cementu poprzez
stosowanie domieszek chemicznych (istotne zwłaszcza
przy obniżonych temperaturach dojrzewania betonu);
stosowanie obróbki cieplnej betonu (naparzanie
niskoprężne, nagrzewanie betonu itp.).

Cementy zalecanych klas wytrzymałościowych charakteryzują się szybkim
przyrostem wytrzymałości początkowej (zwłaszcza cementy o wysokim
poziomie wytrzymałości wczesnej R), wysoką wytrzymałością końcową oraz
wysokim ciepłem hydratacji. Nie bez znaczenia jest fakt, że w przypadku sto-
sowania cementu portlandzkiego wieloskładnikowego CEM II lub cementu
hutniczego CEM III uzyskuje się także podwyższoną trwałość elementów
prefabrykowanych oraz lepszą urabialność mieszanki betonowej. Cementy
zawierające w swoim składzie granulowany żużel wielkopiecowy charakte-
ryzują się także jaśniejszą barwą, co jest istotne zwłaszcza przy wykonywaniu
barwionych prefabrykatów betonowych.

Na rys. 5.22 pokazano szybkość narastania wytrzymałości wczesnej za-
praw wykonanych z cementów portlandzkich CEM I oraz cementów CEM II
i CEM III klasy wytrzymałościowej 42,5 i 52,5. Najniższą dynamikę przyrostu
wytrzymałości w okresie początkowym posiada cement hutniczy CEM III/A
42,5N-HSR/NA. Jednak przy właściwie prowadzonym procesie technolo-
gicznym, zwłaszcza kiedy stosowana jest obróbka cieplna, może on być
z powodzeniem stosowany w produkcji prefabrykatów. Przykładem może
być produkcja wibroprasowanej kostki brukowej z zastosowaniem procesu
VAPOR (przyspieszona karbonizacja i dojrzewanie). Betony wykonane z zasto-
sowaniem cementu hutniczego CEM III/A 42,5N – HSR/NA mają zmniejszoną
tendencję do powstawania wykwitów węglanowych.

¡
¡
¡

202

GRUPA GÓRAŻDŻE

7,9

14,6

19,8

25,2

30,4

13,8

21,3

27,3

31,5

34,6

37,2

36,6

31,4

26,3

15,3

37,7

37,2

32,9

26,9

15,7

28,5

33,8

39,6

43,6

44,8

CEM III/A 42,5N-HSR/NA

CEM IIB-S 42,5N

CEM II/A-LL 42,5R

CEM I 42,5R

CEM I 52,5R

Czas [dni]

ytrzymałość [MPa]

Rys. 5.22. Przyrost wczesnej wytrzymałości cementu na ściskanie

W przypadku obniżonej temperatury dojrzewania zapraw (8°C) przyrost
wytrzymałości wczesnej na ściskanie jest wolniejszy dla wszystkich cemen-
tów, co pokazano na rys. 5.23. Najwyższy poziom wytrzymałości w tych
warunkach dojrzewania osiągany jest na cemencie portlandzkim CEM I 52,5R
i CEM I 42,5R oraz cemencie portlandzkim wapiennym CEM II/A-LL 42,5R, co
jest wskazówką, że należy wymienione rodzaje cementu stosować w okresie
obniżonych temperatur.

Natomiast podwyższenie temperatury dojrzewania do 38°C znacznie przy-
spiesza proces twardnienia zapraw cementowych, zwłaszcza wykonanych
z cementów zawierających w swoim składzie granulowany żużel wielkopie-
cowy (rys. 5.24). W takich warunkach dojrzewania (okres od maja do końca
września) stosowanie cementu portlandzkiego żużlowego CEM II/B-S 42,5N
oraz cementu hutniczego CEM III/A 42,5N – HSR/NA jest uzasadnione tech-
nologicznie i ekonomicznie.

203

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

3,6

5,5

1,5

35,6

21,6

7,5

2,4

26,8

9,8

5,2

1,2

34,5

39,8

25,4

14,3

CEM III/A 42,5N-HSR/NA

CEM IIB-S 42,5N

CEM II/A-LL 42,5R

CEM I 42,5R

CEM I 52,5R

Czas [dni]

ytrzymałość [MPa]

Rys. 5.23. Wytrzymałość na ściskanie normowych zapraw cementowych
w temperaturze +8°C

41,2

29,7

22,7

27,7

45,2

35,4

44,6

35,8

32,8

33,6

36,4

44,9

52,9

45,7

41,4

CEM III/A 42,5N-HSR/NA
CEM IIB-S 42,5N
CEM II/A-LL 42,5R
CEM I 42,5R
CEM I 52,5R

Czas [dni]

ytrzymałość [MPa]

Rys. 5.24. Wytrzymałość wczesna na ściskanie zapraw normowych w tem-
peraturze +38°C

Wytrzymałość na ściskanie w okresie normowym (28 dni) cementów port-
landzkich żużlowych CEM II/B-S oraz cementu hutniczego CEM III/A 42,5N
– HSR/NA jest zbliżona lub wyższa w porównaniu z wytrzymałością cementu
portlandzkiego CEM I i cementu portlandzkiego wapiennego CEM II/A-LL
42,5R, natomiast w późniejszych okresach przyrost wytrzymałości cementów
żużlowych jest znacznie większy niż cementów CEM I i CEM II/A-LL 42,5R
(rys. 5.25).

204

GRUPA GÓRAŻDŻE

Przyrost wytrzymałości zapraw i betonów w długich okresach twardnienia
jest związany z tworzeniem się zwartej struktury betonu, co zapewnia wy-
soką trwałość obiektom budowlanym, nawet po wielu latach eksploatacji.
Efekty te są szczególnie widoczne przy stosowaniu cementu hutniczego
CEM III. Z tego powodu w przypadku prefabrykatów narażonych na agre-
sywne wpływy środowiska (np. elementy zbiorników w oczyszczalniach ście-
ków, elementy nabrzeży morskich, płyty chodnikowe, kostka brukowa itp.)
wskazane jest stosowanie cementu CEM II/B-S 42,5N, a zwłaszcza CEM III/A
42,5N-HSR/NA. Właściwie wykonane elementy prefabrykowane, przy użyciu
omawianych cementów, charakteryzują się niską przepuszczalnością, wy-
soką szczelnością oraz podwyższoną odpornością na agresywne działanie
czynników chemicznych.

180

360

58,9

56,5

53,2

50,6

61,3

58,3

55,2

51,2

68,4

66,5

62,6

56,2

72,1

68,6

64,2

57,2

CEM II/A-LL 42,5R

CEM I 42,5R

CEM II/B-S 42,5N

CEM III/A 42,5N-HSR/NA

Czas [dni]

ytrzymałość [MPa]

Rys. 5.25. Wytrzymałość cementu na ściskanie po 28 dniach i w dłuższych
okresach twardnienia w temperaturze +20°C

Dużym problemem producentów prefabrykatów betonowych są powsta-
jące na ich powierzchni wykwity. Zmniejszona tendencja do występowania
wykwitów obserwowana jest przy stosowaniu cementów z dodatkiem
granulowanego żużla wielkopiecowego (np. CEM II/B-S 42,5N, CEM III/A
42,5N-HSR/NA). Spowodowane to jest mniejszą zawartością faz krzemia-
nowych w składzie cementu oraz zmniejszoną porowatością i zwiększoną
szczelnością stwardniałego betonu. Zmiany w strukturze twardniejącego
betonu spowodowane są tym, że aktywne składniki granulowanego żużla

205

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

wielkopiecowego reagują z Ca(OH)

z hydratacji faz krzemianowych cementu.

Powstająca jako produkt reakcji faza CSH ma postać żelową i charakteryzuje
się niskim stosunkiem CaO do SiO

(C/S). Zmianie ulega struktura porów;

zwiększa się ilość bardzo drobnych porów żelowych (zamkniętych dla cieczy),
a zmniejszeniu ulega ilość porów kapilarnych odpowiedzialnych za transport
wody do wewnątrz i na zewnątrz betonu.

5.5. Cement w budownictwie

hydrotechnicznym i komunalnym

Cement stosowany w budownictwie hydrotechnicznym i komunalnym
powinien charakteryzować się:

niskim ciepłem hydratacji (duże masy betonowe, duże powierzchnie);
podwyższoną odpornością na działanie czynników korozyjnych;
wydłużonym początkiem wiązania (praca w terenie,
dalekie odległości, warunki zabudowy).

Cement taki można uzyskać na drodze modyfikacji składu mineralnego
klinkieru (ograniczona zawartość C

S i C

A) lub wprowadzić do jego składu

odpowiedniej jakości dodatki mineralne. Takimi cementami są cementy
hutnicze CEM III/A lub CEM III/B – idealne materiały wiążące na potrzeby
budownictwa hydrotechnicznego i ekologicznego. Szczególną uwagę przy
produkcji betonu hydrotechnicznego należy zwrócić na projektowanie,
wykonanie i zabudowę betonu w obiekcie. W celu uzyskania dobrego jakoś-
ciowo betonu niezbędne jest stosowanie domieszek chemicznych, zwłaszcza
redukujących zawartość wody w mieszance betonowej.

Bardzo ważna jest także właściwa pielęgnacja betonu hydrotechnicznego.
Istnieje kilka metod pielęgnacji: tradycyjne zraszanie wodą, pokrywanie folią
i matami oraz nanoszone powłok wodoszczelnych przez rozpylanie. Czas
pielęgnacji betonu powinien być wydłużony do 2 tygodni.

¡
¡
¡

206

GRUPA GÓRAŻDŻE

5.6. Cement w budowie dróg i mostów

Beton stosowany do budowy dróg i mostów musi charakteryzować się
wysoką jakością, ponieważ poddawany jest dużym obciążeniom mechanicz-
nym oraz działaniu zmiennych temperatur i środków odladzających. Beton
mostowy i drogowy powinien być zaprojektowany z odpowiedniej jakości
materiałów (cementu, kruszyw niereaktywnych), prawidłowo wykonany,
bardzo dobrze zagęszczony oraz odpowiednio pielęgnowany.
Wymagania dla betonu pracującego w określonych warunkach (klasa eks-
pozycji) zawarte są w normie PN-EN 206-1:2003 „Beton. Część 1. Wymagania,
właściwości, produkcja i zgodność”. Zgodnie zapisami normy konstrukcje
mostowe i nawierzchnie drogowe eksploatowane są w warunkach środo-
wiskowych (klasach ekspozycji) określonych w tab. 5.6 i 5.7.

Tab. 5.6. Opis klas ekspozycji wg PN-EN 206-1 dla betonu na obiektach
mostowych

Klasa ekspozycji

Opis środowiska

Przykłady występowania

klas ekspozycji

XC2

Mokre, sporadycznie suche

Powierzchnie betonu narażone na

długotrwały kontakt z wodą. Najczęś-

ciej fundamenty

XF2

Umiarkowanie nasycone

wodą ze środkami odla-

dzającymi

Pionowe powierzchnie betonowe

konstrukcji drogowych narażone

na zamarzanie i działanie środków

odladzających z powietrza

XF4

Silnie nasycone wodą ze
środkami odladzającymi

lub wodą morską

Jezdnie dróg i mostów narażone na

działanie środków odladzających.

Powierzchnie betonowe narażone

bezpośrednio na działanie aerozoli

zawierających środki odladzające

i zamarzanie. Strefy rozbryzgu

w budowlach morskich narażone na

zamarzanie

XA2

Środowisko chemicznie

średnio agresywne (zdefi-
niowane w normie PN-EN

206)

Wymaga stosowania cementu odpor-

nego na siarczany HSR

XA3

Środowisko chemicznie

silnie agresywne (zdefinio-

wane w normie PN-EN 206)

Wymaga stosowania cementu odpor-

nego na siarczany HSR

207

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

W tych klasach ekspozycji beton powinien charakteryzować się parametrami
odnośnie składu i właściwości, które przedstawiono w tab. 5.7.

Tab. 5.7. Wymagania dla betonu według PN-EN 206-1 w wybranych
klasach ekspozycji

Klasa

ekspozycji

w/c

max

Zawartość ce-

mentu min. [kg]

min. klasa

betonu

Napowietrzenie

min. [%]

XC2

0,60

280

C25/30

—

XF2

0,55

300

C25/30

—

XF4

0,45

340

C30/37

4,0

XA2

0,50

320

C 30/37

Cement HSR

XA3

0,45

360

C 35/45

Cement HSR

Kruszywo zgodne z EN 12620:2000 o odpowiedniej odporności na zamrażanie /rozmrażanie.

Gdy beton nie jest napowietrzony, jego użyteczność zaleca się badać odpowiednią metodą, porównując

z betonem, którego odporność na zamrażanie /rozmrażanie dla danej klasy ekspozycji jest potwierdzona.

Zgodnie z aktualnym stanem wiedzy cement do budowy dróg i mostów
należy dobierać z uwagi na:

rodzaj wykonywanego elementu lub konstrukcji (fundamenty podpór
mostowych, płyty pomostowe, pylony, nawierzchnie jezdni);
warunki pielęgnacji (np. obróbka cieplna elementów
prefabrykowanych);
wymiary konstrukcji (szczególną uwagę należy zwrócić na ciepło hydra-
tacji stosowanego cementu);
warunki środowiska, na które faktycznie będzie narażona konstrukcja (klasy
ekspozycji wg PN-EN 206-1);
potencjalną reaktywność kruszywa z alkaliami zawartymi w składnikach
mieszanki betonowej – przy budowie obiektów komunikacyjnych należy
unikać stosowania kruszyw reaktywnych.

208

GRUPA GÓRAŻDŻE

Przy doborze cementów należy kierować się:

wymaganiami normy PN-EN 197-1 „Cement. Część 1. Skład, wymagania
i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku”;
rozwiązaniami zawartymi w „Katalogu nawierzchni sztywnych” wydanym
przez Instytut Badawczy Dróg i Mostów, zgodnie z którym w budowni-
ctwie drogowym można stosować wszystkie rodzaje cementu zgodnego
z wymaganiami normy PN-EN 197-1. Ograniczenia dotyczą początku czasu
wiązania (powyżej 2 godzin), wodożądności (poniżej 28%) i poziomu wy-
trzymałości wczesnej (wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach ≤ 29,0 MPa)
oraz powierzchni właściwej cementu (≤ 3500 cm

/g);

wymaganiami dla cementów specjalnych zawartymi w normie PN-B-19707
„Cement. Cement specjalny. Skład, wymagania i kryteria zgodności”.

Korzystnym rozwiązaniem jest stosowanie w budownictwie drogowym
i mostowym cementów z dodatkami mineralnymi, np.:

cement portlandzki wapienny CEM II/A-LL 42,5R i cement portlandzki
żużlowy CEM II/B-S 42,5N – płyty pomostowe, podpory, pylony;
cement hutniczy CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA, CEM III/A 42,5N-HSR/NA –
pale, fundamenty podpór mostowych, przyczółki, nawierzchnie jezdni.

Zaletą takiego rozwiązania jest:

obniżone ciepło hydratacji (cementy CEM II/B-S lub CEM III/A), z czym
wiąże się ograniczenie ryzyka spękań związanych z wysoką termiką
cementu);
niższy skurcz betonu;
podwyższoną lub wysoką odporność betonu na czynniki agresywne
(wody gruntowe, zanieczyszczone rzeki, opady atmosferyczne, środki
odladzające itp.);
dobrą urabialność mieszanki betonowej.

W praktyce obserwuje się coraz szersze stosowanie cementów z dodatkami
(CEM II – CEM III) do różnych elementów konstrukcji mostowych, w miejsce
zwykle wybieranych cementów CEM I.

¡
¡

209

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

Przykładem tego są 22 obiekty mostowe na drugim odcinku oddanej do
użytku w 2007 roku drogi S1 (Bielsko-Biała–Jasienica). W realizacjach tych
mostów wykorzystano cement hutniczy CEM III/A 32,5N-LH-HSR/NA do wy-
konania pali oraz cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 42,5N do wykonania
pozostałych elementów.
W tab. 5.8 i 5.9 pokazano skład mieszanki betonowej przeznaczonej do
wykonania pali oraz średnie wartości uzyskanych parametrów jakościowych
betonu.

Tab. 5.8. Skład betonu przeznaczonego na pale – obiekty mostowe na od-
cinku drogi S1 (Bielsko-Biała – Jasienica)

Składnik

Ilość na 1m

betonu [kg]

Cement hutniczy

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

415

Kruszywo (piasek, żwir) 0/16 mm

1722

Plastyfikator

2,28 (0,55% m.c.)

Woda

197

Tab. 5.9. Właściwości mieszanki betonowej i betonu przeznaczonego
na pale, klasa betonu C25/30 – obiekty mostowe na odcinku drogi S1
(Bielsko-Biała–Jasienica)

Właściwość

Wynik badania

Konsystencja – opad stożka

160 mm

Wytrzymałość po 28 dniach, f

cm28, cube

42 MPa

W tab. 5.10 i 5.11 przedstawiono składy mieszanek betonowych i średnie war-
tości otrzymanych parametrów mieszanki betonowej i betonu do wykonania
konstrukcji podporowych (filary, podpory) i części nośnych mostów.

210

GRUPA GÓRAŻDŻE

Tab. 5.10. Skład mieszanek betonowych przeznaczonych na elementy kon-
strukcji mostowych

Składnik

C25/30

C30/37

C35/45

Ilość składnika na 1m

Kruszywo (piasek, grys bazaltowy)

0/16 mm

1941

1928

1877

1873

Cement portlandzki żużlowy

CEM II/B-S 42,5N

355

365

380

390

Woda

160

163

171

172

Superplastyfikator

4,26

4,38

4,56

4,68

Domieszka napowietrzająca

0,50

0,51

0,50

0,51

Tab. 5.11. Właściwości mieszanek betonowych i betonów mostowych

Parametr

C25/30

C30/37

C35/45

Wynik badania

Konsystencja – opad stożka [mm]

100

Zawartość powietrza [%]

4,4

4,3

4,5

4,6

Wytrzymałość na ściskanie po

7 dniach, f

cm7, cube

[MPa]

29,4

32,1

34,1

35,6

Wytrzymałość po 28 dniach,

cm7, cube

[MPa]

44,2

47,1

51,8

56,2

Wodoprzepuszczalność

Mrozoodporność

F150

Podobnie w budowie dróg, a zwłaszcza dróg rolniczych i lokalnych, z po-
wodzeniem wybiera się technologię betonową nawierzchni, do wykonania
której stosuje się np. cementy żużlowe. Przykładem tego jest zakończona
w maju 2006 r. ponadpięciokilometrowej długości droga lokalna w gminie
Ujazd w powiecie strzeleckim (woj. opolskie).

W tab. 5.12 przedstawiono zaprojektowany skład mieszanki betonowej,
a w tab. 5.13 uzyskane właściwości betonu.

211

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

Tab. 5.12. Skład mieszanki betonowej do wykonania nawierzchni drogi
lokalnej

Składnik

Ilość [kg/m

CEM II/B-S 42,5N

365

Kruszywo (piasek i grys bazaltowy) 0/16 mmm

1923

Woda

153

Plastyfikator

2,19

Środek napowietrzający

0,73

Tab. 5.13. Właściwości betonu użytego w budowie drogi lokalnej

Właściwość

Wynik badania

Zawartość powietrza

4,3%

Konsystencja mierzona opadem stożka (S1)

30 mm

Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach, f

cm28, cube

61,0 MPa

Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu po 28 dniach

5,6 MPa

Nasiąkliwość

3,2%

Głębokość penetracji wody

6,0 mm

5.7. Aplikacje

Cementy z Górażdże Cement S.A. od wielu lat są z powodzeniem stosowane
w różnych dziedzinach budownictwa. Wysoka jakość oferowanych spoiw
oraz ich właściwości użytkowe umożliwiają wykonanie zarówno typowych,
jak i specjalistycznych konstrukcji i elementów. Oto wybrane przykłady
zrealizowanych obiektów:

oczyszczalnie ścieków (Ostrów Wlkp., Zielona Góra, Bydgoszcz, Kraków,
Głogów, Głubczyce, Bielsko-Biała, Bogatynia, Zdzieszowice, Krapkowice)
– cement hutniczy CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
nawierzchnia betonowa odcinka autostrady A12 Golnice–Krzywa – ce-
ment portlandzki CEM I 32,5R
fabryka samochodów „Opel” w Gliwicach – cement hutniczy CEM III/A
32,5N-HSR/LH/NA
fundamenty pod turbozespoły (Elektrownia „Turów”, Elektrociepłow-
nia „Bydgoszcz”, Elektrownia „Pątnów”) – cement hutniczy CEM III/A
32,5N-HSR/LH/NA

212

GRUPA GÓRAŻDŻE

komin w Elektrowni „Łaziska” – cement hutniczy CEM III/A
32,5N-HSR/LH/NA
fundament Banku Śląskiego w Katowicach – cement hutniczy CEM III/A
32,5N-HSR/LH/NA
fundamenty i ściany Galerii Dominikańskiej we Wrocławiu – cement
hutniczy CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
fundament Centrum Biznesu w Katowicach – cement hutniczy
CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
zbiorniki w Browarach Wielkopolskich „Lech” w Poznaniu – cement
portlandzki CEM I 32,5R, cement hutniczy CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
fundament pod dzwonnicę Bazyliki w Licheniu – cement hutniczy
CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
pochylnia w stoczni Wulkan w Szczecinie (beton samozagęszczalny
SCC) – cement hutniczy CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
jaz na Kanale Ulgi w Opolu – cement hutniczy CEM III/A
32,5N-HSR/LH/NA
betonowe nawierzchnie dróg w gm. Skomlin i Kombinacie Rolnym
w Kietrzu – cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R i cement
hutniczy CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
wieża mąki surowcowej w Cementowni Górażdże – cement portlandzki
żużlowy CEM II/B-S 42,5N i cement hutniczy CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
silos klinkieru w Cementowni Górażdże – cement portlandzki żużlowy
CEM II/B-S 42,5N (ściany) i cement hutniczy CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
(fundamenty)
posadzki hal produkcyjnych w zakładzie CERSANIT Wałbrzych – cement
portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R
komin w Hucie Szkła „Guardian” w Częstochowie – cement portlandzki
żużlowy CEM II/B-S 32,5R
fundamenty podpór Mostu Siekierkowskiego w Warszawie – cement
hutniczy CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
Centrum „Mercedes-Benz” w Warszawie – cement hutniczy CEM III/A
42,5N
Most Milenijny we Wrocławiu – cement hutniczy CEM III/A 32,5N-
HSR/LH/NA (fundament), cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 42,5N
(pylony), cement portlandzki CEM I 42,5R (płyta pomostowa),
remont zapory wodnej w Porąbce – cement portlandzki żużlowy
CEM II/B-S 42,5N

213

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

kładki dla pieszych w Wieliczce – cement portlandzki żużlowy
CEM II/B-S 42,5N (beton samozagęszczalny SCC)
tunel „Hulanka” w Bielsku-Białej – cement portlandzki żużlowy
CEM II/B-S 42,5N, cement portlandzki CEM I 42,5R
budowa obiektów mostowych w ciągu drogi S1 Bielsko-Biała–Cieszyn
– cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 42,5N, cement portlandzki
CEM I 42,5R
remont zapory wodnej w Goczałkowicach – cement hutniczy
CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
budowa obiektu COS 3 dla Mittal Steel Polska – cement hutniczy
CEM III/A 32,5N-HSR/LH/NA
rozbudowa Elektrowni Łaziska – cement hutniczy CEM III/A
32,5N-HSR/LH/NA
budowa Szpitala Onkologicznego w Zielonej Górze oraz Brzozowej
– cement portlandzki CEM I 42,5R
rozbudowa Elektrowni Łagisza – cement hutniczy CEM III/A
32,5N-HSR/LH/NA
budowa Centrum Logistycznego TESCO w Gliwicach – cement port-
landzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R
rozbudowa Silesia City Center w Katowicach – cement hutniczy
CEM III/A 42,5N HSR/NA
budowa Dworca PKP w Katowicach wraz z Galerią Handlową – cement
portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R
budowa autostrady A1 na docinku Piekary Śląskie–Maciejów – cement
CEM III/A 32,5N LH/HSR/NA (betony palowe)
budowa Stadionu Miejskiego w Poznaniu – cement portlandzki żużlowy
CEM II/B-S 42,5N, cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R cement
portlandzki CEM I 42,5R
budowa elektrowni wiatrowych w Słupsku – cement hutniczy CEM III/A
42,5N HSR/NA
budowa Quattro Towers w Gdańsku – cement hutniczy CEM III/A 42,5N
HSR/NA
budowa węzła „Murckowska” w Katowicach – cement portlandzki
CEM I 42,5

214

GRUPA GÓRAŻDŻE

W tab. 5.14 przedstawiono przykładowe składy mieszanek betonowych
zastosowanych w obiektach budowlanych.

Rodzaj obiektu

Oczyszczalnia

ścieków

Nawierzchnia
drogi lokalnej

Płyta kładki (SCC)

Rodzaj cementu

CEM III/A 32,5N-

HSR/LH/NA

CEM II/B-S 42,5N

Cement [kg]

340

365

400

Woda [l]

170 l

153 l

174 l

Wskaźnik w/c

0,5

0,46

0,43

Piasek 0-2 mm [kg]

687

603

679

Żwir 2-8 mm [kg]

573

587

557

Żwir 8-16 mm [kg]

649

749

596

Żwir 16-31,5 mm [kg]

—

Popiół lotny [kg]

—

Superplastyfikator [kg]

4,8

2,19

4,0

Plastyfikator [kg]

2,4

—

Domieszka
napowietrzająca [kg]

—

0,73

—

Klasa betonu

B30

B40

B35

Stopień
wodoszczelności

W10

W12

Stopień
mrozoodporności

F150

Grys bazaltowy 2–8 mm

Grys bazaltowy 8–16 mm

Domieszka stabilizująca

Tab. 5.14. Przykładowe receptury betonu zastosowane w obiektach
budowlanych

215

CEMENT – WŁAŚCIWOŚCI I ZASTOSOWANIE

Płyta

fundamentowa

bloku energetycz-

nego

Mieszanka betonowa
do betonowania pod

wodą

Beton ciężki

Gęstość > 3,200

kg/dm

CEM III/A 32,5N-HSR/

LH/NA

CEM II/B-S 42,5N

CEM I 42,5 R

300

480

305

155 l

220 l

113 l

0,48

0,46

0,37

663

677

Baryt 0/0,1

520

427

501

Baryt 0/6

1000

358

477

Baryt 0/30

1620

409

—

2,4

5,76

3,05

1,95 l

—

5,00

—

B30

B40

B 30

—

W 10

—

F 150

—

Tab. 5.14. cd.