Dr inż. Marzena Kurpińska

CEMENTY W BUDOWNICTWIE

WSTĘP

Współczesne budownictwo stawia coraz wyższe wymagania materiałom budowlanym. Wznoszone budowle muszą być bezpieczne, trwałe, przyjazne dla środowiska, a jednocześnie muszą spełniać odpowiednie kryteria ekonomiczne. Te wymagania spełnia beton dobrze zaprojektowany i wykonany. Bardzo często beton traktuje się jako nieskomplikowany materiał budowlany, którego technologia jest bardzo prosta. Takie podejście w praktyce prowadzi do wielu błędów technicznych. Beton jak każdy produkt wysokiej klasy powinien być wykonany z odpowiednio wyselekcjonowanych składników z zachowaniem ustalonych zasad technologicznych.

Podstawowe składniki betonu to: kruszywo (drobne, grube), cement, woda (oraz dodatki i domieszki chemiczne)

I CEMENT

PN-EN 197-1 Część i. Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku.

Polskie Normy opublikowane

Data publikacji	Nr normy	Tytuł
28.01.2005	PN-EN 197-1:2002 /A1;2005	Cement - Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku
28.01.2005	PN-EN 413-1:2005	Cement murarski - Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności
11.02.2005	PN-EN 196-8:2005	Metody badania cementu - Część 8: Ciepło hydratacji - Metoda rozpuszczania
11.02.2005	PN-EN 196-9:2005	Metody badania cementu - Część 9: Ciepło hydratacji - Metoda semiadiabatyczna
11.02.2005	PN-EN 14216:2005	Cement - Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów specjalnych o bardzo niskim cieple hydratacji
22.02.2005	PN-EN 197-4:2005	Cement - Część 4: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów hutniczych o niskiej wytrzymałości wczesnej
30.03.2005	PN-EN 206-1:2003/A1:2005	Beton - Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność (Zmiana A1)

Cement jest to spoiwo hydrauliczne, tj. drobno zmielony materiał nieorganiczny, który po zmieszaniu z wodą daje zaczyn, wiążący i twardniejący w wyniku reakcji i procesów hydratacji, który po stwardnieniu pozostaje wytrzymały i trwały także pod wodą.

Cement zgodny z PN-EN 197-1, nazwany cementem CEM, odpowiednio odmierzony i zmieszany z kruszywem i wodą, powinien tworzyć beton lub zaprawę, które wystarczająco długo zachowują urabialność i po określonym czasie powinny uzyskać ustalony poziom wytrzymałości, jak również powinny zachować długotrwałą stałość objętości (skurcz,pęcznienie).

Hydrauliczne twardnienie cementu następuje głównie przez hydratację krzemianów wapnia, a także innych związków chemicznych, które mogą brać udział w procesie twardnienia, np. glinianów.

Suma udziałów reaktywnego tlenku wapnia (CaO) i reaktywnego dwutlenku krzemu (SiO₂) w cemencie powinna wynosić co najmniej 50 % masy, gdy udziały te są oznaczane zgodnie z PN-EN 196-2.

Cementy składają się z różnych materiałów, lecz pod względem składu są statystycznie jednorodne poprzez zapewnienie jakości w procesach produkcji i postępowania z materiałem. Związek pomiędzy tymi procesami produkcji i postępowania z materiałem a zgodnością cementu z PN-EN 197-1 jest szczegółowo opisany w PN-EN 197-2.

UWAGA: Występują również cementy, których twardnienie jest powodowane głównie przez inne związki, np. przez glinian wapnia w cemencie glinowo-wapniowym.

W zależności od użytych surowców oraz zastosowanych dodatków, zgodnie z normą PN-EN 197-1 wyróżnia się następujące rodzaje cementów

W tablicy 1 normy podano 27 wyrobów stanowiących grupę cementów powszechnego użytku objętych przez PN-EN 197-1 oraz ich nazwy. Są one podzielone na pięć następujących głównych rodzajów:

- CEM l Cement portlandzki

- CEM II Cement portlandzki wieloskładnikowy

- CEM III Cement hutniczy

- CEM IV Cement pucolanowy

- CEM V Cement wieloskładnikowy

UWAGA:

Wymagania dotyczące składu odnoszą się do sumy wszystkich składników głównych i drugorzędnych. Gotowy cement jest rozumiany jako składniki główne i składniki drugorzędne oraz niezbędny siarczan wapnia i wszystkie dodatki.

Składniki główne

specjalnie wybrany materiał nieorganiczny, którego udział w stosunku do sumy masy wszystkich składników głównych i składników drugorzędnych przekracza 5 % masy.

1. Klinkier cementu portlandzkiego (K)

Klinkier cementu portlandzkiego jest wytwarzany przez spiekanie dokładnie zestawionej mieszaniny surowców (mąka surowcowa, zaczyn lub szlam) zawierających elementy przedstawiane zwykle jako tlenki CaO, SiO₂ , AI₂O₃, Fe₂O₃ i niewielkie ilości innych materiałów. Mąka surowcowa, zaczyn lub szlam są, drobno zmielone, dokładnie wymieszane i przez to ujednorodnione.

Klinkier cementu portlandzkiego jest to materiał hydrauliczny, który powinien składać się w co najmniej dwóch trzecich masy z krzemianów wapnia (3CaO • SiO₂ i 2CaO • SiO₂) i pozostałości zawierającej glin i żelazo związane w fazach klinkierowych i z innych związków. Stosunek masy (CaO)/( SiO₂) powinien wynosić nie mniej niż 2. Zawartość tlenku magnezu (MgO) nie powinna przekraczać 5 % masy.

2. Granulowany żużel wielkopiecowy (S)

Granulowany żużel wielkopiecowy jest wytwarzany przez gwałtowne chłodzenie płynnego żużla o odpowiednim składzie, otrzymywanego przy wytapianiu rudy żelaza w wielkim piecu i który zawiera co najmniej dwie trzecie masy żużla zeszklonego oraz wykazuje właściwości hydrauliczne przy odpowiedniej aktywacji.

Granulowany żużel wielkopiecowy powinien składać się co najmniej w dwóch trzecich masy z sumy tlenku wapnia (CaO), tlenku magnezu (MgO) i dwutlenku krzemu (SiO₂). Pozostałość zawiera tlenek glinu (Al^) razem z niewielkimi ilościami innych związków. Stosunek masy (CaO + MgO)/(SiOa) powinien przekraczać 1.

3 Pucolany (P, Q)

Pucolany są to naturalne materiały krzemionkowe lub glino-krzemianowe lub kombinacja obydwu. Pucolany same nie twardnieją po zmieszaniu z wodą, lecz drobno zmielone i w obecności wody reagują w normalnej temperaturze otoczenia z rozpuszczonym wodorotlenkiem wapnia (Ca(OH)²), tworzące związki krzemianów wapnia i glinianów wapnia o rosnącej wytrzymałości. Związki te są podobne do związków, które tworzą się podczas twardnienia materiałów hydraulicznych, Pucolany zawierają, zasadniczo, reaktywny dwutlenek krzemu (SiO₂) i tlenek glinu (Al₂ O₃). Pozostałość zawiera tlenek żelaza (Fe₂O₃) i inne tlenki. Udział reaktywnego tlenku wapnia nie jest istotny dla twardnienia. Zawartość reaktywnego dwutlenku krzemu nie powinna być mniejsza niz.25,0 % masy. Pucolany powinny być prawidłowo przygotowane, tj. wyselekcjonowane, ujednorodnione, wysuszone lub poddane obróbce termicznej i rozdrobnione, w zależności od stanu, w jakim są produkowane lub dostarczane .

3.1 Pucolana naturalna (P)

Pucolany naturalne są to zwykle materiały pochodzenia wulkanicznego lub skały osadowe o odpowiednim składzie chemiczno-mineralogicznym i które powinny być zgodne z 5.2.3.1.

3.2 Pucolana naturalna wypalana (Q)

Pucolany naturalne wypalane są to materiały pochodzenia wulkanicznego, gliny, łupki lub skały osadowe, aktywowane przez obróbkę termiczną.

4 Popiół lotny (V, W)

Popiół lotny jest otrzymywany przez elektrostatyczne lub mechaniczne osadzanie pylistych cząstek spalin z palenisk opalanych pyłem węglowym. Popiół otrzymywany innymi metodami nie powinien być stosowany w cemencie zgodnym z niniejszą normą.

Popiół lotny może być z natury krzemionkowy lub wapienny. Pierwszy wykazuje właściwości pucolanowe, drugi może wykazywać dodatkowo właściwości hydrauliczne. Strata prażenia popiołu lotnego, oznaczana

zgodnie z EN 196-2, lecz przy czasie prażenia wynoszącym 1 h, nie powinna przekraczać 5,0 % masy.

4.1 Popiół lotny krzemionkowy (V)

Popiół lotny krzemionkowy jest to bardzo drobny pył, złożony głównie z kulistych cząstek, mający właściwości pucolanowe. Składa się głównie z reaktywnego dwutlenku krzemu (SiO₂) i tlenku glinu (AI₂O₂). Pozostałość zawiera tlenek żelaza (Fe₂O₃) i inne związki. Udział reaktywnego CaO powinien być mniejszy niż 10 % masy a zawartość wolnego CaO, oznaczana metodą opisaną w EN 451-1, nie powinna przekraczać 1 % masy. Dopuszcza się popiół lotny, w którym zawartość wolnego CaO jest wyższa niż 1,0 % masy, lecz niższa niż 2,5 % masy, pod warunkiem że spełnia on wymaganie dotyczące rozszerzalności (stałości objętości), która, badana zgodnie z EN 196-3 z użyciem mieszaniny 30 % masy popiołu lotnego krzemionkowego i 70 % masy cementu CEM l zgodnego z niniejszą normą nie przekracza 10 mm.

Zawartość reaktywnego dwutlenku krzemu powinna wynosić nie mniej niż 25 % masy.

4.2 Popiół lotny wapienny (W)

Popiół lotny wapienny jest to bardzo drobny pył, mający właściwości hydrauliczne i/lub pucolanowe. Składa się zasadniczo z reaktywnego tlenku wapnia (CaO), reaktywnego dwutlenku krzemu (SiO₂) i tlenku glinu (Al₂O₃). Pozostałość zawiera tlenek żelaza (Fe₂O₃) i inne związki. Udział reaktywnego tlenku wapnia nie powinien być mniejszy niż 10,0 % masy. Popiół lotny wapienny zawierający między 10,0 % a 15,0 % masy reaktywnego tlenku wapnia powinien zawierać nie mniej niż 25% masy reaktywnego dwutlenku krzemu (SiO₂).

Odpowiednio zmielony popiół lotny wapienny, zawierający więcej niż 15 % masy reaktywnego tlenku wapnia, powinien osiągać wytrzymałość na ściskanie co najmniej 10 MPa po 28 dniach, badaną zgodnie z EN 196-1.

5. Łupek palony (T)

Łupek palony, w szczególności łupek palony bitumiczny, wytwarzany jest w specjalnym piecu w temperaturze około 800 ºC. Ze względu na skład materiału naturalnego i procesu wytwarzania, łupek palony zawiera fazy klinkierowe, głównie krzemian dwuwapniowy oraz glinian jednowapniowy. Zawiera również, oprócz niewielkich ilości wolnego tlenku wapnia i siarczanu wapnia większe ilości tlenków o reaktywności pucolanowej, szczególnie dwutlenek krzemu. W konsekwencji, w drobno zmielonym stanie, łupek palony wykazuje wyraźne właściwości hydrauliczne podobnie jak cement portlandzki oraz, dodatkowo, właściwości pucolanowe.

Odpowiednio zmielony łupek palony powinien osiągnąć co najmniej 25 MPa wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach, badanej zgodnie z EN 196-1.

6. Wapień (L, LL)

Wapień powinien spełniać następujące wymagania:

a) Zawartość węglanu wapnia (CaO₃), obliczona z zawartości tlenku wapnia, powinna wynosić co najmniej 75 % masy.

b) Zawartość gliny, zgodnie z EN 196-6.

c) Całkowita zawartość węgla organicznego (TOC), badana zgodnie z EN 13639:1999, powinna spełniać jedno z następujących kryteriów:

- LL: nie powinna przekraczać 0,2 % masy;

- L: nie powinna przekraczać 0.5 % masy.

7 Pył krzemionkowy (D)

Pył krzemionkowy powstaje podczas redukcji kwarcu wysokiej czystości za pomocą węgla w elektrycznych piecach łukowych przy produkcji krzemu lub stopów żelazokrzemu i składa się z bardzo drobnych kulistych cząstek zawierających co najmniej 85 % masy bezpostaciowego dwutlenku krzemu.

Pył krzemionkowy powinien odpowiadać następującym wymaganiom:

a) Strata prażenia, oznaczana zgodnie z EN.196-2, lecz przy czasie prażenia 1 h, nie powinna przekraczać 4.0 % masy.

b) Powierzchnia właściwa (BET) niespreparowanego pyłu krzemionkowego, oznaczana zgodnie z ISO 9277, powinna wynosić co najmniej 15,0 m²/g.

Do wspólnego mielenia z klinkierem i siarczanem wapnia pył krzemionkowy może być zastosowany w swoim pierwotnym stanie lub ubity, lub zbrylony (z wodą).

Składniki drugorzędne

składnik drugorzędny: specjalnie wybrany materiał nieorganiczny, którego udział w stosunku do sumy masy wszystkich składników głównych i składników drugorzędnych nie przekracza 5 % masy

Składniki drugorzędne są to specjalnie wyselekcjonowane naturalne mineralne materiały nieorganiczne, mineralne materiały nieorganiczne pochodzące z procesu produkcji klinkieru lub inne składniki jeżeli nie są one głównymi składnikami cementu.

Składniki drugorzędne, po odpowiednim przygotowaniu oraz uwzględnieniu rozkładu wymiarów ziaren, ulepszają fizyczne właściwości cementu (takie jak urabialność lub wodożądność). Mogą, one być obojętne lub nie mieć znaczących właściwości hydraulicznych, mogą posiadać utajone właściwości hydrauliczne lub pucolanowe.

Składniki drugorzędne powinny być odpowiednio przygotowane, czyli wyselekcjonowane, ujednorodnione, wysuszone i rozdrobnione w zależności od postaci, w jakiej są uzyskiwane lub dostarczane. Nie powinny one zwiększać wodożądności cementu, osłabiać w żaden sposób trwałości betonu lub zaprawy lub obniżać odporności na korozję zbrojenia.

Siarczan wapnia

Siarczan wapnia jest dodawany do innych składników cementu podczas jego wytwarzania w celu regulacji czasu wiązania.

Siarczan wapnia może występować jako gips (dwuwodny siarczan wapnia. (CaSO₄- 2H₂O), półhydrat (CaSO₄ 1/2 H₂O) lub anhydryt (bezwodny siarczan wapnia, CaSO₄), lub jako ich mieszanina. Gips i anhydryt występują, jako materiały naturalne. Siarczan wapnia jest również dostępny jako produkt uboczny pewnych procesów przemysłowych.

Dodatki

Dodatki, w rozumieniu EN 197-1, są to składniki, dodawane w celu poprawy wytwarzania bądź właściwości cementu.

Całkowita ilość dodatków nie powinna przekraczać 1,0 % masy cementu (z wyjątkiem pigmentów). Ilość dodatków organicznych w przeliczeniu na stan suchy nie powinna przekraczać 0.5 % masy cementu. Dodatki takie nie powinny powodować korozji zbrojenia lub pogarszać właściwości cementu lub betonu czy zaprawy wykonanej z cementu. Gdy do cementu dodaje się domieszki stosowane do betonu, zaprawy lub zaczynów zgodne z serią norm EN 934, na workach lub w dokumencie dostawy należy podać znormalizowaną nazwę domieszki.

Tablica 1 - 27 wyrobów grupy cementów powszechnego użytku

II Wymagania mechaniczne, fizyczne, chemiczne i dotyczące trwałości

1 Wymagania mechaniczne

1.1 Wytrzymałość normowa

Wytrzymałość normowa cementu Jest to wytrzymałość na ściskanie oznaczana po 28 dniach zgodnie z EN 196-1 i powinna odpowiadać wymaganiom według tablicy 2.

Rozróżnia się trzy klasy wytrzymałości normowej: klasa 32,5, klasa 42,5 i klasa 52,5 (tablica 2).

1.2 Wytrzymałość wczesna

Wytrzymałość wczesna cementu Jest to wytrzymałość na ściskanie albo oznaczana po 2, albo po 7 dniach zgodnie z EN 196-1 i powinna spełniać wymagania podane w tablicy 2.

Dla każdej klasy wytrzymałości normowej rozróżnia się dwie klasy wytrzymałości wczesnej, klasę o normalnej wytrzymałości wczesnej oznaczona, przez N, oraz klasę o wysokiej wytrzymałości wczesnej oznaczoną przez R (tablica 2).

Tablica 2 - Wymagania mechaniczne i fizyczne podane jako wartości charakterystyczne

Cement specjalny.

Komitet Techniczny nr196 ds. Cementu i Wapna opracował normę PN-B-19707:2003. Norma ta stanowi rozszerzenie wymagań dla cementów wg PN-EN 197-1:2002 o wymagania dotyczace szczególnych cech użytkowych na podstawie których można cement zaklasyfikować jako cement specjalny. Przy opracowaniu tej normy wykorzystano założenia do projektów norm europejskich dotyczacych cementów specjalnych, . Rodzaje cementu oraz klasy wytrzymałości przedstawiają się podobnie jak w normie 197-1. W zależności od właściwości wyróznia się:

Cement o niskim cieple hydratacji - LH

Cement o wysokiej odporności na siarczany - HSR

Cement niskoalkaliczny - NA

2. Wymagania fizyczne

2.1 Początek czasu wiązania

Początek czasu wiązania, oznaczany zgodnie z EN 196-3, powinien spełniać wymagania według tablicy 2.

2.2 Stałość objętości

Rozszerzalność, oznaczana zgodnie z EN 196-3, powinna spełniać wymagania według tablicy 2.

3. Wymagania chemiczne

Właściwości cementów w zależności od rodzaju i klasy wytrzymałości cementu, podane w tablicy 3, odpowiednio, w kolumnach 3 i 4, badane zgodnie z normą powołaną w kolumnie 2, powinny spełniać wymagania wymienione w kolumnie 5 tej tablicy.

UWAGA Niektóre kraje europejskie maja, dodatkowe wymagania dotyczące zawartości chromu sześciowartościowego rozpuszczalnego w wodzie (patrz załącznik informacyjny A).

Tablica 3 - Wymagania chemiczne podane jako wartości charakterystyczne

4. Wymagania dotyczące trwałości

W wielu zastosowaniach, szczególnie w surowych warunkach środowiskowych, wybór cementu ma wpływ na trwałość betonu, zaprawy i zaczynów, tj. mrozoodporność, odporność chemiczną i ochronę zbrojenia.

Wybór cementu z EN 197-1, szczególnie pod względem rodzaju i klasy wytrzymałości dla różnych zastosowań i klas ekspozycji, powinien uwzględniać odpowiednie normy i/lub przepisy dotyczące betonu lub zaprawy przyjęte w miejscu stosowania.

III Oznaczenie normowe

Cementy CEM powinny być identyfikowane przez, co najmniej, nazwę rodzaju cementu według tablicy 1 oraz liczby 32,5, 42,5 lub 52,5 wskazujące klasę wytrzymałości. W celu wskazania klasy wytrzymałości wczesnej powinna być dodana, odpowiednio, litera N lub litera R.

PRZYKŁAD 1

Cement portlandzki odpowiadający EN 197-1, o klasie wytrzymałości 42,5 i wysokiej wytrzymałości wczesnej

jest identyfikowany przez:

Cement portlandzki EN 197-1 - CEM I 42,5 R

PRZYKŁAD 2

Cement portlandzki wapienny, zawierający między 6 % a 20 % masy wapienia, o zawartości TOĆ? nie przekraczającej 0,50 % masy (L), o klasie wytrzymałości 32,5 i normalnej wytrzymałości wczesnej jest identyfikowany przez:

Cement portlandzki wapienny EN 197-1 - CEM ll/A-L 32,5 N

PRZYKŁAD 3

Cement portlandzki wieloskładnikowy zawierający granulowany żużel wielkopiecowy (S), popiół lotny krze-

mionkowy (V) i wapień (L) w łącznej ilości między 6 % a 20 % masy—o klasie wytrzymałości 32,5 i o wysokiej

wytrzymałości wczesnej jest identyfikowany przez:

Cement portlandzki wieloskładnikowy EN 197-1 - CEM ll/A-M (S-V-L) 32,5 R

PRZYKŁAD 4

Cement wieloskładnikowy zawierający między 18 % a 30 % masy granulowanego żużla wielkopiecowego (S) i między 18 % a 30 % masy popiołu lotnego krzemionkowego (V), o klasie wytrzymałości 32,5 i normalnej wytrzymałości wczesnej jest identyfikowany przez:

Cement wieloskładnikowy EN 197-1 - CEM V/A (S-V) 32,5 N

---