DROGI i MOSTY 43
Nr 3 2006
CHRISTOPH M躄LER1)
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY
STOSOWANIA CEMENT脫W MIESZANYCH
W BETONACH2)
STRESZCZENIE. Artyku艂 opracowano w wyniku wsp贸艂pracy instytucji i przedsi臋biorstw z
kilkunastu kraj贸w europejskich realizowanej ramach Sieci Tematycznej ECOserve. Techniczne
i Srodowiskowe uwarunkowania produkcji i stosowania cement贸w mieszanych w budownictwie
przedstawiono w perspektywie europejskiej. Na podstawie danych niemieckich om贸wiono
efektywnoS膰 redukcji emisji CO2 do atmosfery i zu偶ycia energii przy produkcji cement贸w
mieszanych. Przeanalizowano wp艂yw surowc贸w odpadowych, takich jak popi贸艂 lotny, 偶u偶el
wielkopiecowy i kamie艅 wapienny na w艂aSciwoSci cement贸w oraz na w艂aSciwoSci betonu.
Om贸wiono korzySci ze stosowania cement贸w mieszanych oraz zagadnienia oddzia艂ywania
Srodowiskowego materia艂贸w cementowych na grunt i wod臋 gruntow膮.
1. WST臉P
1.1. PODSTAWOWE INFORMACJE
Proces produkcji cementu wymaga zu偶ycia zar贸wno du偶ych iloSci energii, jak i surow-
c贸w. W europejskim przemySle cementowym osi膮gni臋to ju偶 praktycznie maksymalne
mo偶liwoSci obni偶enia negatywnego wp艂ywu produkcji cementu na Srodowisko
1)
Dr. Ing. Verein Deutscher Zementwerke (VDZ), D黶seldorf, Niemcy
2)
praca powsta艂a w wyniku wsp贸艂pracy w ramach Europejskiej Sieci Tematycznej ECOserve
(ang. the paper was prepared as a result of the work done in ECOserve Thematic Network)
44 Christoph M黮ler
naturalne. Dalsze zmniejszanie tego negatywnego oddzia艂ywania jest mo偶liwe pod
warunkiem obni偶enia zawartoSci klinkieru w cemencie tj. poprzez produkcj臋 i stoso-
wanie cement贸w mieszanych. Do sk艂adnik贸w g艂贸wnych cementu mog膮 nale偶e膰: gra-
nulowany 偶u偶el wielkopiecowy, popio艂y lotne z elektrowni/elektrociep艂owni,
naturalne i przemys艂owe pucolany oraz wapienie. Produkcja cement贸w mieszanych
skutkuje ni偶sz膮 emisj膮 szkodliwych gaz贸w i mniejszym zu偶yciem energii elektrycz-
nej, poniewa偶 zapotrzebowanie na klinkier w tym energoch艂onnym procesie jest
mniejsze.
Krajowe i europejskie normy cementowe (np. EN 197-1) pozwalaj膮 na cz臋Sciowe
zast膮pienie klinkieru cementowego przez inne sk艂adniki. Szczeg贸lne znaczenie w
ca艂ej Europie maj膮 granulowane 偶u偶le wielkopiecowe, popio艂y lotne i niewypra偶ony
kamie艅 wapienny. Regionalnie s膮 te偶 dost臋pne inne surowce mineralne, kt贸re mog膮
by膰 stosowane jako sk艂adniki cementu. Z uwagi na rozmaitoS膰 tych sk艂adnik贸w warto
przeanalizowa膰 w艂aSciwoSci wytwarzanych cement贸w oraz mo偶liwoSci ich stosowa-
nia. Do okreSlenia udzia艂u klinkieru w cemencie stosuje si臋 poj臋cie wskaxnika klin-
kierowo-cementowego. W Niemczech, na przyk艂ad, Sredni wsp贸艂czynnik
klinkierowo-cementowy wynosi obecnie 0,78 [1]. Na rysunku 1 przedstawiono efekty
redukcji emisji CO2 w wyniku zast膮pienia klinkieru przez granulowany 偶u偶el wielko-
piecowy (cement CEM II/B-S 32,5 z 35-cio procentowym udzia艂em 偶u偶la). Oblicze-
nia przeprowadzono przy za艂o偶eniu Sredniego zu偶ycia paliwa 3500 MJ/t klinkieru,
u偶ycia w臋gla kamiennego jako paliwa i wsp贸艂czynnika emisji CO2 dla wytworzenia
energii 0,67 t CO2/MWh, (dane charakterystyczne dane dla Niemiec). W tych warun-
kach produkcja jednej tony cementu portlandzkiego z u偶yciem 5 % siarczan贸w i 5 %
drugorz臋dnych sk艂adnik贸w dodatkowych jest zwi膮zana z ca艂kowit膮 emisj膮 CO2 wy-
nosz膮c膮 0,842 t CO2/t cementu (wliczaj膮c emisj臋 zwi膮zan膮 z produkcj膮 energii ele-
ktrycznej). W wyniku zast膮pienia 35 % klinkieru granulowanym 偶u偶lem
wielkopiecowym, mo偶na osi膮gn膮膰 obni偶enie emisji CO2 pochodz膮cej ze spalania pa-
liwa o oko艂o 0,09 t CO2/t. Dodatkowa energia cieplna jest jednak potrzebna do susze-
nia granulowanego 偶u偶la (oko艂o 0,02 t CO2/t cementu) i ewentualnie do transportu
偶u偶la z huty do cementowni (tutaj pomini臋ta). Obni偶enie emisji CO2 zwi膮zanej z wy-
tworzeniem elektrycznoSci wskutek zast膮pienia cz臋Sci klinkieru odpowiada wzrosto-
wi emisji na skutek zwi臋kszonego zapotrzebowania na pob贸r mocy z powodu
drobniejszego mielenia cementu.
Zdecydowanie najwi臋ksze oszcz臋dnoSci uzyskuje si臋 przy stosowaniu kamienia wa-
piennego redukcja emisji CO2 na skutek zast膮pienia klinkieru o oko艂o 0,15 t CO2/t
cementu; ca艂kowite zmniejszenie emisji wynosi ok. 26 % lub 0,22 t CO2/t cementu.
Na rysunku 2 zilustrowano schematycznie wielkoS膰 emisji CO2 zwi膮zanej z produkcj膮
cement贸w mieszanych, w zale偶noSci od rodzaju surowc贸w i rodzaj贸w zu偶ywanej ener-
gii, w funkcji zawartoSci innych sk艂adnik贸w cementu. Obliczenia przeprowadzono
przy takich samych za艂o偶eniach jak poprzednio. Wykres dotyczy cement贸w o klasie
wytrzyma艂oSci na Sciskanie 32,5 N/mm2. Z rysunku wynika, 偶e emisja CO2 obni偶a si臋
prawie liniowo wraz z zawartoSci膮 pozosta艂ych g艂贸wnych sk艂adnik贸w cementu. Por贸w-
nuj膮c emisj臋 CO2 zwi膮zan膮 z energi膮 stwierdza si臋 mo偶liwoS膰 ok. 54 % oszcz臋dnoSci
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 45
przy zast膮pieniu 80% klinkieru przez granulowany 偶u偶el wielkopiecowy. G艂贸wnym
tego powodem jest koniecznoS膰 suszenia 偶u偶la oraz potrzeba drobniejszego mielenia
cementu CEM III. Uwzgl臋dniaj膮c w bilansie emisj臋 CO2 zwi膮zan膮 z surowcami mo偶li-
we oszcz臋dnoSci wynosz膮 72%.
Rys. 1. Obni偶enie emisji CO2 do atmosfery w wyniku produkcji cement贸w mieszanych
w Niemczech [1]
Fig.1. CO2 reduction from the production of blended cements in Germany [1]
Rys.2. Emisja CO2 przy produkcji cement贸w mieszanych w Niemczech w funkcji zawartoSci
sk艂adnik贸w cementu poza klinkierem [1]
Fig.2. CO2 emissions from the production of blended cements in Germany in function
of main constituents content apart from clinker [1]
Emisja CO2 przy produkcji cementu pochodzi z trzech niezale偶nych xr贸de艂: z dekar-
bonizacji wapienia w piecach (oko艂o 525 kg CO2 na ton臋 klinkieru), ze spalania w臋gla
w piecach (oko艂o 335 kg CO2 na ton臋 cementu) oraz ze zu偶ycia elektrycznoSci (oko艂o
46 Christoph M黮ler
50 kg CO2 na ton臋 cementu). Nale偶y zauwa偶y膰, 偶e emisja CO2 z ostatniego wymienio-
nego xr贸d艂a nie pokrywa si臋 z Dyrektyw膮 Europejk膮 dotycz膮c膮 handlu emisjami, kt贸-
ra to w zamierzeniu ma zmniejszy膰 bezpoSredni膮 emisj臋 CO2 [2]. W 2003 roku
przemys艂 cementowy w Unii Europejskiej wyprodukowa艂 oko艂o 194 milion贸w ton ce-
mentu i wyemitowa艂 oko艂o 0,75 tony CO2 na ton臋 cementu poprzez bezpoSredni膮 emi-
sj臋 (spalanie paliwa i dekarbonizacja surowc贸w) oraz 0,05 tony CO2 na ton臋 cementu
przez poSredni膮 emisj膮 (wykorzystanie elektrycznoSci pochodz膮cej z elektrowni/ele-
ktrociep艂owni). Zsumowana poSrednia i bezpoSrednia emisja CO2 wynosi oko艂o 0,8
tony CO2 na ton臋 cementu [2].
W przemySle cementowym znane s膮 trzy sposoby mo偶liwego zmniejszenia bezpo-
Sredniej emisji CO2 w najbli偶szej przysz艂oSci [2]:
" poprawa efektywnoSci wykorzystania energii (mo偶liwy wzrost wydajnoSci wy-
nosi maksymalnie 2%),
" zmniejszenie wsp贸艂czynnika klinkierowo-cementowego (przez wprowadzenie
przemys艂owych produkt贸w ubocznych),
" wzrost zu偶ycia paliw alternatywnych.
Udzia艂 przemys艂u cementowego w Unii Europejskiej w ca艂kowitej emisji CO2 wynosi
oko艂o 3%.
1.2. PRODUKCJA CEMENT脫W MIESZANYCH W EUROPIE
W krajach cz艂onkowskich Unii Europejskiej zauwa偶a si臋 du偶膮 r贸偶norodnoS膰 produ-
kcji cement贸w powszechnego u偶ytku, r贸偶ne s膮 bowiem warunki produkcji, szcze-
g贸艂owe wymagania klimatyczne czy inne miejscowe warunki, w艂膮czaj膮c w to
r贸wnie偶 praktyk臋 budowlan膮. Wyr贸偶nia si臋 27 rodzaj贸w cementu powszechnego
u偶ytku, kt贸re s膮 zdefiniowane w europejskiej normie cementowej EN 197-1, okre-
Slaj膮cej ich sk艂ad, wymagania i kryteria zgodnoSci. Na podstawie zawartoSci innych
sk艂adnik贸w ni偶 klinkier, cementy s膮 podzielone na pi臋膰 grup. Od kwietnia 2002 r.
wszystkie cementy powszechnego u偶ytku zosta艂y oznakowane znakiem CE zgodnie z
norm膮 EN 197-2. Poza cementem portlandzkim CEM I wszystkie pozosta艂e cementy
to cementy mieszane.
Z powod贸w ekologicznych i ekonomicznych w ca艂ej Europie nast臋puj膮 zmiany w
asortymencie produkowanych cement贸w. Cementy typu CEM I s膮 coraz cz臋Sciej za-
st臋powane przez cementy typu CEM II zawieraj膮ce inne sk艂adniki opr贸cz klinkieru
portlandzkiego. Na rysunku 3 zestawiono wyniki sprzeda偶y r贸偶nych typ贸w cementu
na podstawie danych stowarzyszenia producent贸w cementu CEMBUREAU. W kla-
sie wytrzyma艂oSci na Sciskanie 52,5 cement portlandzki ci膮gle znajduje si臋 na wyso-
kiej pozycji, ale ju偶 w klasie 32,5 i 42,5 udzia艂 cement贸w CEM II znacznie przerasta
inne rodzaje cementu. Og贸lnie udzia艂 cementu portlandzkiego w krajach europejskich
stowarzyszonych w CEMBUREAU stanowi艂 w 2003 roku 32% rynku, natomiast
udzia艂 cement贸w mieszanych wynosi艂 oko艂o 64% (rys. 3a). W klasie wytrzyma艂oSci
32,5 udzia艂 w rynku cementu portlandzkiego wynosi艂 jedynie 10%, podczas gdy
udzia艂 cement贸w mieszanych wynosi艂 oko艂o 90% (rys. 3b).
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 47
WSr贸d cement贸w mieszanych CEM II najcz臋Sciej produkowane s膮 cementy portlandz-
kie wapienne oraz cementy CEM II-M z wi臋cej ni偶 z dwoma sk艂adnikami (rys. 3c).
a)
b)
c)
Rys.3. Procentowy udzia艂 r贸偶nych rodzaj贸w cementu w rynku kraj贸w europejskich
stowarzyszonych w CEMBUREAU w 2003 roku (oznaczenia S, P, V, T, LL i M
wed艂ug normy EN 197-1)
a) dotyczy wszystkich klas cement贸w, b) dotyczy klasy wytrzyma艂oSci na Sciskanie 32,5
c) dotyczy cementu CEM II klasy 32,5
Fig.3. Domestic market share of cement in CEMBUREAU countries in % (2003) - Source:
CEMBUREAU (a: reference to all strength classes; b: reference to strength class 32.5;
c: reference to CEM II of the strength class 32.5)
Du偶y wzrost udzia艂u cementu CEM II-M zaobserwowano w ostatnich latach. W po-
szczeg贸lnych krajach europejskich obserwuje si臋 wszak偶e pewne r贸偶nice, wyni-
kaj膮ce nie tylko z miejscowych warunk贸w sprzeda偶y, ale tak偶e z ogranicze艅
stosowania niekt贸rych cement贸w. Przyk艂ad dotycz膮cy niemieckiego rynku cementu
48 Christoph M黮ler
pokazano na rysunku 4 na podstawie danych Niemieckiego Stowarzyszenia Cemen-
towego (BDZ) w roku 2003 i 2004. W 2003 roku udzia艂 cementu portlandzkiego w
rynku wynosi艂 58%, podczas gdy udzia艂 pozosta艂ych cement贸w, tj. cement贸w miesza-
nych, oko艂o 42% (rys. 4a). W klasie wytrzyma艂oSci 32,5 w 2003 roku udzia艂 cementu
portlandzkiego w rynku stanowi艂 42%, natomiast cement贸w mieszanych ok. 58%
(rys. 4b). W 2004 roku w grupie cement贸w mieszanych CEM II najpowszechniej sto-
sowane by艂y cementy wapienne , a tak偶e cementy 偶u偶lowe CEM II-S (rys. 4c).
a)
b)
c)
Rys.4 Procentowy udzia艂 r贸偶nych rodzaj贸w cementu w rynku niemieckim w 2003 i 2004 roku
a) dotyczy wszystkich klas cement贸w, b) dotyczy klasy wytrzyma艂oSci na Sciskanie 32,5
c) dotyczy cementu CEM II klasy 32,5
Fig.4. Domestic market share of cement in Germany in 2003/2004 in % (a: reference to all
strength classes; b: reference to strength class 32.5; c: reference to CEM II of the strength
class 32.5)
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 49
1.3. WYTYCZNE STOSOWANIA CEMENT脫W MIESZANYCH
Poniewa偶 wi臋kszoS膰 cement贸w wytwarzanych czy u偶ywanych w Europie (rys. 3) sta-
nowi膮 cementy mieszane, doSwiadczenia w ich produkcji i stosowaniu s膮 ju偶 znaczne.
Czasami, pomimo spe艂nienia wymaga艅 normy EN 197-1, zastosowania niekt贸rych
cement贸w mieszanych nie s膮 dopuszczone w niekt贸rych klasach ekspozycji z powodu
braku odpowiednich praktycznych doSwiadcze艅, udokumentowanych w odpowied-
nich krajowych aneksach do normy EN 206-1 lub z powodu braku danych doSwia-
dczalnych. W tablicy 1 zestawiono zakres mo偶liwych zastosowa艅 cement贸w
spe艂niaj膮cych wymogi normy EN 197-1 w przypadku typowych zewn臋trznych ele-
ment贸w w konstrukcjach betonowych nie nara偶onych na bezpoSrednie dzia艂anie
chlork贸w. R贸偶nice w normach krajowych s膮 wyraxnie widoczne, co Swiadczy to nie
tylko o tradycyjnie r贸偶nej praktyce budowlanej, lecz r贸wnie偶 o r贸偶nym podejSciu do
krajowej regulacji normowej. Na przyk艂ad, w niemieckiej normie DIN 1045-2 znaj-
duj膮 si臋 wytyczne stosowania wszystkich 27 podstawowych rodzaj贸w cement贸w, w
tym r贸wnie偶 cement贸w CEM II-M, lecz inny krajowy za艂膮cznik do normy EN 206-1
ogranicza zastosowania tylko do kilku rodzaj贸w tych cement贸w tych, kt贸re maj膮
najwi臋kszy udzia艂 w rynku.
2. W艁ARCIWORCI CEMENT脫W MIESZANYCH
2.1. WIADOMORCI PODSTAWOWE
Sk艂ad cementu ma wp艂yw na wi臋kszoS膰 jego w艂aSciwoSci, mi臋dzy innymi na:
rozk艂ad wymiar贸w ziaren/powierzchni臋 w艂aSciw膮,
czas wi膮zania,
wodo偶膮dnoS膰,
przyrost wytrzyma艂oSci,
ciep艂o hydratacji,
zawartoS膰 alkali贸w,
jasnoS膰.
Poni偶ej przedstawiony jest wp艂yw r贸偶nych sk艂adnik贸w cementu (poza klinkierem
portlandzkim na wymienione w艂aSciwoSci.
2.2. ROZK艁AD WYMIAR脫W ZIAREN
ORAZ POWIERZCHNIA W艁ARCIWA
Cementy mieszane produkuje si臋 na og贸艂 z dw贸ch lub trzech sk艂adnik贸w g艂贸wnych i
ich uziarnienie jest parametrem decyduj膮cym o jakoSci; maj膮 wi臋ksz膮 powierzchni臋
w艂aSciw膮 ni偶 cement CEM I tej samej klasy, rys. 5i 6. Dzi臋ki temu mo偶na uzyska膰 po-
praw臋 urabialnoSci mieszanki betonowej, szczeg贸lnie przy niskiej zawartoSci drob-
nych frakcji. Wi臋ksza powierzchnia w艂aSciwa cement贸w mieszanych nie wp艂ywa
niekorzystnie na w艂aSciwoSci betonu.
Tablica 1.Zakres zastosowa艅 cement贸w spe艂niaj膮cych wymagania normy EN 197-1 w betonie zgodnym z EN 206-1
i krajowymi arkuszami uzupe艂niajacymi. Przyk艂ad: Pionowe elementy Scian zewn臋trznych
nie nara偶onych na bezpoSrednie oddzia艂ywanie chlork贸w
Table 1. Areas of application of cements conforming to EN 197-1 in concrete conforming to EN 206-1 and varois national
annexs Example: Exposed vertical surface of inland concrete with no significant levels of external chlorides1)
50
DROGI i MOSTY 3/2006
Christoph M黮ler
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 51
52 Christoph M黮ler
Na rys. 5 przedstawiono typowe wielkoSci powierzchni w艂aSciwej wg Blaina w przy-
padku greckich cement贸w CEM I i CEM II, natomiast rys. 6 ilustruje r贸偶ny rozk艂ad
wielkoSci cz膮stek cement贸w CEM I, CEM II i CEM IV. Krzywe cement贸w miesza-
nych s膮 przesuni臋te wzgl臋dem krzywej CEM I w kierunku drobniejszych cz膮stek.
Rys.5. Por贸wnanie powierzchni w艂aSciwej wg Blaina w cm2/g cement贸w CEM I i CEM II
produkowanych w Grecji
Fig.5. Typical fineness (Blaine values in cm2/g) for CEM I and CEM II produced in Greece
(source: Titan cement)
Rys.6. R贸偶nicowy rozk艂ad wielkoSci ziaren greckich cement贸w mieszanych
w klasie wytrzyma艂oSci na Sciskanie 32,5
Fig.6. Differential particle size distribution for different blended cements
of strength class 32.5 in Greece (source: Titan cement)
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 53
2.3. CZAS WI膭ZANIA
Im wi臋cej sk艂adnik贸w g艂贸wnych poza klinkierem portlandzkim w cementach miesza-
nych, tym bardziej wyd艂u偶a si臋 ich czas wi膮zania. Na rys. 7 zestawiono czas pocz膮tku
wi膮zania cement贸w mieszanych klasy 32,5 na przyk艂adzie cement贸w produkowa-
nych w Grecji. Zmiana czasu wi膮zania nie jest problemem, poniewa偶 regulowana jest
dodatkiem gipsu. Og贸lnie, cementy mieszane maj膮 t臋 przewag臋, 偶e przy ich produkcji
potrzeba mniej dodatku op贸xniaj膮cego wi膮zanie ni偶 w przypadku cement贸w CEM I.
Rys.7. Czas pocz膮tku wi膮zania r贸偶nych greckich cement贸w w klasie wytrzyma艂oSci 32,5
Fig.7. Initial setting time of different cements of strength class 32.5 produced in Greece
(source: Titan cement)
2.4. WODO呕膭DNOR膯
Wodo偶膮dnoS膰 (okreSlana zgodnie z EN 196-3) cement贸w mieszanych zawieraj膮cych
granulowany 偶u偶el wielkopiecowy mo偶e by膰 nieco wy偶sza ni偶 wodo偶膮dnoS膰 cemen-
t贸w portlandzkich. Nie ma bezpoSredniej korelacji mi臋dzy wodo偶膮dnoSci膮 cementu
wg EN 196-3 i urabialnoSci膮 mieszanki betonowej, poniewa偶 z uwagi na znacz膮cy
wp艂yw innych sk艂adnik贸w mieszanki betonowej kruszywa i domieszek. W przypad-
ku cementu portlandzkiego wapiennego uziarnienie kamienia wapiennego korzystnie
wp艂ywa na wodo偶膮dnoS膰 cementu [3 - 4]. Na rysunku 8 przedstawiono wodo偶膮dnoS膰
w funkcji zawartoSci wapienia w cementach o jednakowej 28-dniowej wytrzyma艂oSci
na Sciskanie (ok. 52 N/mm2).
Wodo偶膮dnoS膰 obni偶a si臋 wraz ze wzrostem zawartoSci wapienia w cemencie. Nale偶y
zauwa偶y膰, 偶e w przypadku omawianych cement贸w portlandzkich wapiennych
rozk艂ad ich uziarnienia sp艂aszcza si臋 wraz z rosn膮c膮 zawartoSci膮 wapienia, tj. k膮t na-
chylenia n funkcji RRSB zmniejsza si臋. Funkcja RRSB jest cz臋sto u偶ywan膮 funkcj膮
dystrybucji, kt贸ra umo偶liwia aproksymacj臋 rozk艂adu wielkoSci ziaren o kszta艂cie S w
prostej formie logarytmicznego uk艂adu wsp贸艂rz臋dnych. WartoS膰 funkcja RRSB okre-
2 2
Sla po艂o偶enie parametru x i k膮t nachylenia n (rys. 9). Parametr x jest tym mniejszy im
54 Christoph M黮ler
wi臋ksze jest rozdrobnienie cementu. K膮t nachylenia n opisuje szerokoS膰 rozk艂adu
wielkoSci ziaren; jest wi臋kszy przy w臋偶szym rozk艂adzie wielkoSci ziaren.
Rys.8. Wodo偶膮dnoS膰 w funkcji
nachylenia krzywej RRSB
i zawartoSci wapienia w cemencie
portlandzkim wapiennym [5]
Fig.8. Water demand as a function
of the RRSB slope
and the limestone content
in Portland limestone cement [5]
Rys.9. Graficzne przedstawienie funkcji RRSB
Fig.9. Illustration of the RRSB function
W wyniku zmniejszenia k膮ta nachylenia n, zmniejsza si臋 obj臋toS膰 por贸w wype艂nio-
nych wod膮, znajduj膮cych si臋 mi臋dzy cz膮stkami zmielonego klinkieru a drobnymi
cz膮stkami wapienia w zaczynie cementowym. To mo偶e sprzyja膰 lepszej urabialnoSci
mieszanki betonowej.
2.5. PRZYROST WYTRZYMA艁ORCI
Przyjmuj膮c t臋 sam膮 wymagan膮 28-dniow膮 wytrzyma艂oS膰 na Sciskanie, wczesna wy-
trzyma艂oS膰 cement贸w z 偶u偶lem wielkopiecowym, popio艂em lotnym czy naturalnymi
pucolanami jest nieco ni偶sza od wytrzyma艂oSci CEM I i obni偶a si臋 wraz ze wzrostem
zawartoSci ww. sk艂adnik贸w cementu. KorzySci膮 wynikaj膮ca z obecnoSci 偶u偶la wiel-
kopiecowego czy popio艂u lotnego jest wyraxnie zaznaczone d艂ugotrwa艂e narastanie
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 55
wytrzyma艂oSci. Cementy wapienne charakteryzuj膮 si臋 wi臋kszym rozdrobnieniem zia-
ren i w艂aSnie to jest g艂贸wn膮 przyczyn膮 wczesnego narastania wytrzyma艂oSci [6].
2.6. CIEP艁O HYDRATACJI
IloS膰 wytwarzanego ciep艂a jest zale偶na od chemicznego sk艂adu cementu, gdzie C3Ai
C3S w g艂贸wnej mierze odpowiadaj膮 za szybkie tempo przyrostu ciep艂a. Udzia艂 偶u偶la w
cieple hydratacji zosta艂 w przybli偶eniu okreSlony od 250 do 335 J/g, co stanowi oko艂o
po艂ow臋 ciep艂a wytwarzanego przez C3S i oko艂o 30% przez C3A. Zalet膮 cement贸w
mieszanych zawieraj膮cych granulowany 偶u偶el wielkopiecowy jest obni偶one ciep艂o
hydratacji efekt ten przynosi znaczne korzySci np. w przypadku betonowania masy-
wnych blok贸w betonowych. Jak wida膰 z rysunku 10, zauwa偶alna jest wyraxna korela-
cja mi臋dzy narastaniem ciep艂a hydratacji a rozwojem wytrzyma艂oSci na Sciskanie.
Rys.10. Narastanie wytrzyma艂oSci na Sciskanie i wzrost temperatury betonu na cemencie
portlandzkim CEMI i nacemencie 偶u偶lowym CEM III/A (c=330 kg/m3; w/c=0,50; Tc=Te=20 癈)
Fig.10. Compressive strength development and heat of hydration of concrete using Portland
cement CEM I and blastfurnace cement CEM III/A (c=330 kg/m3; w/c=0.50; Tc=Te=20 癈),
source: VDZ
R贸wnie偶 cementy mieszane zawieraj膮ce popi贸艂 lotny maj膮 ni偶sze ciep艂o hydratacji.
Na rysunku 11 przedstawiono przyk艂adowe wyniki pomiaru ciep艂a hydratacji grec-
kich cement贸w o klasie wytrzyma艂oSci na Sciskanie 32,5. Niedawno cementy po-
wszechnego u偶ytku o niskim cieple hydratacji zosta艂y znormalizowane w
uzupe艂nieniu A1 do europejskiej normy cementowej. Cementy 偶u偶lowe o niskiej
wczesnej wytrzyma艂oSci zosta艂y osobno uj臋te w EN 197-4. Cementy specjalne o bar-
dzo niskim cieple hydratacji, np. na masywy betonowe, zosta艂y znormalizowane w
EN 14216. Cementy o sk艂adzie takim jak CEM III/B, CEM III/C, CEM IV/A+B i
CEM V/A+B s膮 okreSlone jako cementy o bardzo ma艂ym cieple hydratacji VLH (ang.
Very Low Heat), o klasie wytrzyma艂oSci na Sciskanie r贸wnej 22,5 i narastaniu ciep艂a
mniejszym ni偶 220 J/g.
56 Christoph M黮ler
Rys.11. Por贸wnanie ciep艂a hydratacji cement贸w klasy wytrzyma艂oSci na Sciskanie 32,5
produkowanych w Grecji
Fig.11. Heat of hydration of different cements of strength class 32.5 produced in Greece
(source: Titan cement)
Dodatek wype艂niacza wapiennego poprawia upakowanie ziaren w cemencie [7] i po-
woduje przyspieszenie hydratacji C3S we wczesnym okresie dojrzewania [8]. Mo偶li-
wym mechanizmem przyspieszenia hydratacji jest kszta艂towanie nowych miejsc
nukleacji dla wodorotlenku wapnia [9]. Dodatek w臋glanu wapnia r贸wnie偶 wp艂ywa na
hydratacj臋 C3S poprzez wbudowanie w struktur臋 C-S-H [10].
2.7. ZAWARTOR膯 ALKALI脫W
Efektywna zawartoS膰 alkali贸w w cementach portlandzkich wzrasta liniowo wraz z
podwy偶szeniem ca艂kowitej zawartoSci alkali贸w, natomiast w cementach zawie-
raj膮cych inne sk艂adniki efektywna zawartoS膰 alkali贸w mo偶e w r贸偶nym stopniu odbie-
ga膰 od ca艂kowitej zawartoSci. Wynika to z jednej strony ze zr贸偶nicowania
rozpuszczalnoSci alkali贸w zawartych w sk艂adnikach cementu, a ponadto z r贸偶nego
stopnia absorpcji alkali贸w przez produkty reakcji. Tak wi臋c niskoalkaliczne cementy
z 偶u偶lem wielkopiecowym np. w Niemczech mog膮 mie膰 wy偶sz膮 ca艂kowit膮 zawartoS膰
alkali贸w w zale偶noSci od zawartoSci 偶u偶la wielkopiecowego w por贸wnaniu do nisko-
alkalicznych cement贸w CEM I.
Bez wzgl臋du na rodzaj zastosowanego g艂贸wnego sk艂adnika cementu, zast膮pienie
klinkieru powoduje obni偶enie alkalicznoSci roztworu porowego. Jednak stosowane
sk艂adniki cementu r贸偶ni膮 si臋 znacz膮co pod wzgl臋dem ich skutecznoSci. St臋偶enie jo-
n贸w alkalicznych w twardniej膮cym zaczynie cementowym zawieraj膮cym 偶u偶el wiel-
kopiecowy nie powoduje proporcjonalnego obni偶enia alkalicznoSci w stosunku do
iloSci zast膮pionego klinkieru, lecz zmniejszenie nast臋puje mniej wyraxnie. Cz臋S膰 al-
kali贸w pochodz膮cych z 偶u偶la wielkopiecowego jest zawarta w roztworze porowym,
jednak ich udzia艂 jest bardzo niewielki w por贸wnaniu do alkali贸w pochodz膮cych z
klinkieru. Z tego powodu wyraxne zmniejszenie st臋偶enia jon贸w alkalicznych nie jest
zauwa偶alne dop贸ki zawartoS膰 偶u偶la wielkopiecowego nie przekroczy 20% wagowo
(rys. 12).
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 57
Rys.12. Zmiana st臋偶enia jon贸w alkalicznych w roztworze porowym stwardnia艂ego
zaczynu cementowego spowodowana obecnoSci膮 偶u偶la wielkopiecowego,
popio艂u lotnego z w臋gla kamiennego i py艂贸w krzemionkowych w cemencie
w r贸偶nych okresach hydratacji [11]
Fig.12. Change in the alkali ion concentration of the pore solution caused by blastfurnace
slag, hard coal fly ash and silica fume after different hydration periods [11]
W ci膮gu 28 dni hydratacji, popi贸艂 lotny zawarty w cemencie wp艂ywa na alkalicznoS膰
roztworu porowego w por贸wnywalnym stopniu do 偶u偶la wielkopiecowego. Jednak
mi臋dzy 28 i 365 dniem procesu hydratacji st臋偶enie jon贸w alkalicznych jest znacznie
zmniejszone. AlkalicznoS膰 roztoru porowego po 365 dniach jest ni偶sza ni偶 mo偶na by
oczekiwa膰 z uwagi na obni偶enie iloSci samego klinkieru. Niewsp贸艂miernie du偶y spa-
dek st臋偶enia jon贸w alkalicznych zachodzi przy zastosowaniu py艂贸w krzemionko-
wych. Zast膮pienie 15 % (wagowo) klinkieru przez py艂y krzemionkowe powoduje
zmniejszenie st臋偶enia jon贸w alkalicznych do oko艂o 1/3 wyjSciowego st臋偶enia w
stwardnia艂ym zaczynie cementowym. Jednak偶e stwierdzono, 偶e w miar臋 post臋pu hy-
dratacji st臋偶enie jon贸w alkalicznych w roztworze porowym wzrasta we wszystkich
stwardnia艂ych zaczynach cementowych zawieraj膮cych py艂y krzemionkowe [11].
3. W艁ARCIWORCI BETONU Z CEMENTEM MIESZANYM
3.1. URABIALNOR膯 MIESZANKI
Wp艂yw m膮czki wapiennej na urabialnoS膰 mieszanki betonowej jest przyk艂adowo
przedstawiony na rys. 13. Jak wida膰, pocz膮tkowa Srednica rozp艂ywu mieszanki wzra-
sta oraz t臋偶enie mieszanki w tym przyk艂adzie jest op贸xnione w przypadku zastosowa-
nia cementu z dodatkiem wapienia. Przy za艂o偶onej sta艂ej iloSci cementu i wody, beton
z cementem mieszanym ma wi臋ksz膮 obj臋toS膰 zaczynu z powodu ni偶szej g臋stoSci ce-
mentu. Fakt ten korzystnie wp艂ywa na urabialnoS膰 mieszanki betonowej.
58 Christoph M黮ler
Rys.13. Rrednica rozp艂ywu
mieszanki betonowej
z domieszk膮 napowietrzaj膮c膮
jako funkcja czasu
i rodzaju cementu [5]
Fig.13. Flow diameter of fresh
concrete as a function of time
and the cement type [5]
3.2. POROWATOR膯 I ROZK艁AD WIELKORCI POR脫W
PorowatoS膰 i rozk艂ad wielkoSci por贸w w zaczynie cementowym maj膮 istotne znacze-
nie z uwagi na wszystkie w艂aSciwoSci betonu w szczeg贸lnoSci z uwagi na trwa艂oS膰.
Na powy偶sze parametry wp艂ywaj膮 poszczeg贸lne sk艂adniki cementu i ich r贸偶ne zacho-
wanie si臋 w betonie (rys. 14).
Rys.14. Wp艂yw rodzaju cementu na ca艂kowit膮 porowatoS膰 i na rozk艂ad wielkoSci por贸w
w zaczynie cementowym w por贸wnaniu do zaczynu cementowego na czystym cemencie
portlandzkim, wg [12 - 13] (oznaczenia: cement zawieraj膮cy wapie艅 - LL, popi贸艂 lotny - V,
py艂y krzemionkowe - D, granulowany 偶u偶el wielkopiecowy - S)
Fig.14. Influence of cements containing limestone (LL), fly ash (V), silica fume (D)
and ground granulated blastfurnce slag (S) on the total porosity and the pore size
distribution of cement paste compared to cement paste with Portland cement [12 - 13]
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 59
Wysoka zawartoS膰 m膮czki wapiennej mo偶e prowadzi膰 do wi臋kszej porowatoSci i
r贸wnie偶 do zwi臋kszonej iloSci por贸w kapilarnych powy偶ej 0,1 祄. Zastosowanie
py艂贸w krzemionkowych, du偶ych iloSci popio艂贸w lotnych czy granulowanego 偶u偶la
wielkopiecowego powoduje zwi臋kszenie iloSci drobniejszych por贸w i obni偶enie ilo-
Sci por贸w kapilarnych, skutkuj膮c wi臋ksz膮 g臋stoSci膮 beton贸w zawieraj膮cych powy-
偶sze cementy mieszane.
3.3. KARBONATYZACJA BETONU
Karbonatyzacja betonu jest procesem, w kt贸rym dwutlenek w臋gla z powietrza przeni-
ka do betonu i reaguje z wodorotlenkami, np. wodorotlenkiem wapnia, tworz膮c w臋-
glany. W reakcji z wodorotlenkiem wapnia, tworzy si臋 w臋glan wapnia. W wyniku
takiej reakcji odczyn pH roztworu porowego, kt贸ra jest na og贸艂 wy偶szy ni偶 12,5 z po-
wodu rozpuszczonego Ca(OH)2 i alkali贸w, mo偶e obni偶y膰 si臋 poni偶ej 9 i wtedy nast臋-
puje proces depasywacji zbrojenia. W warunkach wilgotnych i w obecnoSci tlenu
proces korozji mo偶e nast膮pi膰 w wyniku depasywacji spowodowanej nisk膮 wielkoSci膮
odczynu pH. JakoS膰 otuliny betonowej decyduje o ochronie przed korozj膮 zbrojenia,
przy czym o jakoSci otuliny decyduje jej gruboS膰 oraz odpornoS膰 na przenikanie CO2,
kt贸ra jest w g艂贸wnej mierze zale偶na od wskaxnika wodno-cementowego, od rodzaju
cementu i zastosowanych dodatk贸w. Szczeg贸lne znaczenie ma okres dojrzewania be-
tonu i warunki piel臋gnacji. Pomimo zaobserwowanych r贸偶nic g艂臋bokoSci karbonaty-
zacji betonu (rys. 15), stopie艅 karbonatyzacji w betonach dobrej jakoSci, w艂aSciwie
piel臋gnowanych, przeznaczonych do zastosowa艅 zewn臋trznych ma praktycznie nie-
wielkie znaczenie z powodu dyfuzji CO2 i znacz膮cym spowolnieniem karbonatyzacji
ze wzrostem wilgotnoSci (rys. 16). Wewn膮trz budynk贸w, g艂臋bokoS膰 karbonatyzacji
mo偶e by膰 znacznie wi臋ksza ni偶 w przypadku powierzchni betonowych nara偶onych na
dzia艂anie wody. Nawet przy wi臋kszej g艂臋bokoSci karbonatyzacji w tym przypadku ry-
zyko korozji jest mniejsze z uwagi na nisk膮 wilgotnoS膰.
3.4. WNIKANIE CHLORK脫W
Chlorki wnikaj膮ce w beton mog膮 pochodzi膰 z soli stosowanych do odladzania nawie-
rzchni, z wody morskiej b膮dx z powietrza. W obecnoSci wilgoci i tlenu proces korozji
nast膮pi膰 na skutek osi膮gni臋cia krytycznej zawartoSci wolnych chlork贸w na powierz-
chni zbrojenia. Tak, jak w przypadku karbonatyzacji, jakoS膰 otuliny betonowej istot-
nie wp艂ywa na ochron臋 zbrojenia.
Zastosowanie cement贸w zawieraj膮cych 偶u偶el wielkopiecowy lub popi贸艂 lotny mo偶e
powodowa膰 znacz膮cy wzrost odpornoSci na wnikanie chlork贸w (rys. 17 i 18). Fakt
ten mo偶na przypisa膰 zmniejszeniu iloSci por贸w kapilarnych i wi臋kszej iloSci drob-
nych por贸w w zaczynie cementowym w przypadku cement贸w mieszanych (z 偶u偶lem
wielkopiecowym lub popio艂em lotnym, por. rys.14). Opr贸cz wi臋kszej g臋stoSci za-
praw i beton贸w na cementach zawieraj膮cych 偶u偶el wielkopiecowy, cementy te mog膮
chemicznie zwi膮za膰 wi臋cej chlork贸w wewn膮trz fazy C-S-H ni偶 w przypadku cemen-
t贸w portlandzkich [19].
60 Christoph M黮ler
a) b)
Rys.15. Wzrost g艂臋bokoSci karbonatyzacji w betonach na cementach portlandzkich,
na cementach z dodatkiem wapienia (a) i na r贸偶nych mieszanych cementach (b) w funkcji
czasu [12]
Fig.15. Development with time of the depth of carbonation in concretes made using Portland
cement and Portland-limestone cements (a) and various Portland-composite cements (b) [12];
(storage: 1 day in the mould, 6 days under water, climatic chamber at 20 癈 / 65 % r.h. from
7th day)
Rys.16. Wp艂yw warunk贸w ekspozycji
i czasu na g艂臋bokoS膰 karbonatyzacji
betonu [16]
Fig.16. Influence of exposure conditions
and time on carbonation depth [16]
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 61
Rys.17. Wp艂yw granulowanego 偶u偶la
wielkopiecowego na wsp贸艂czynnik
dyfuzji chlork贸w [17]
Fig.17. Influence of ggbs
on the diffusion coefficient
for chloride [17]
Rys.18. Wp艂yw popio艂u lotnego (FA) na
wsp贸艂czynnik migracji chlork贸w [18]
Fig.18. Influence of fly ash (FA) on the
migration coefficient for chloride [18]
Na rysunkach 18 i 19 przedstawiono doSwiadczalne wyniki badania wsp贸艂czynnika
migracji chlork贸w, okreSlonego w przyspieszonym badaniu, kt贸ry r贸wnie偶 jest miara
odpornoSci betonu na wnikanie chlork贸w. Przy okreSlonym sk艂adzie betonu przy sto-
sowaniu cementu portlandzkiego wsp贸艂czynnik migracji chlork贸w przewa偶nie za-
wiera si臋 w przedziale od 10 do 18 "10-12 m2/s. W przypadku cement贸w z dodatkiem
wapienia, wsp贸艂czynnik migracji chlork贸w zale偶y od zawartoSci tego sk艂adnika, ale
mniej wi臋cej plasuje si臋 w tym samym przedziale jak cementy portlandzkie, nato-
miast w przypadku cement贸w mieszanych zawieraj膮cych wapie艅 i granulowany 偶u偶el
wielkopiecowy mieSci si臋 pomi臋dzy wartoSciami wsp贸艂czynnika okreSlonego w
przypadku cementu portlandzkiego i cement贸w 偶u偶lowych [20].
62 Christoph M黮ler
Rys.19. Wsp贸艂czynnik migracji chlork贸w DCI,M w betonie o w/c=0,50 i zawartoSci cementu
c=320 kg/m3 przy przechowywaniu w wodzie [20]
Fig.19. Chloride migration coefficient DCl,M of concretes with w/c = 0.50 and c = 320 kg/m3
water storage [20]
OdpornoS膰 betonu z cement贸w portlandzkich pucolanowych jest podobna jak w przy-
padku cement贸w z popio艂em lotnym. Wydaje si臋, 偶e naturalne pucolany s膮 w stanie
zwi膮za膰 chlorki nawet, jakoS膰 pucolan jest niska (jak w przypadku betonu na cemen-
tach CEM II/B-M 32,5 (P-W-LL)).
3.5. MROZOODPORNOR膯 BETONU
Beton stosowany do konstrukcji in偶ynierskich i nawierzchni z za艂o偶enia powinien
charakteryzowa膰 si臋 odpowiedni膮 trwa艂oSci膮, aby przeciwstawi膰 si臋 agresji Srodowi-
ska. Jednym z najbardziej destrukcyjnych czynnik贸w pogodowych w wielu krajach
europejskich jest cykliczne zamra偶anie i odmra偶anie wilgotnego betonu, szczeg贸lnie
w obecnoSci soli stosowanych do odladzania nawierzchni. G艂贸wnym czynnikiem
wp艂ywaj膮cym na mrozoodpornoS膰 betonu jest porowatoS膰, kt贸ra z kolei jest uzale偶-
niona od wsp贸艂czynnika wodno-cementowego (rys. 20).
Znana jest zale偶noS膰 mi臋dzy wsp贸艂czynnikiem wodno-cementowym a wytrzy-
ma艂oSci膮 na Sciskanie i r贸wnie偶 mi臋dzy wytrzyma艂oSci膮 na Sciskanie a odpornoSci膮 na
powierzchniowe 艂uszczenie niezale偶nie od sk艂adu cementu (rys. 21). Na podstawie
normy EN 206-1 i krajowych norm uzupe艂niaj膮cych w wielu krajach europejskich
mo偶liwe jest stosowanie cement贸w mieszanych do beton贸w o wysokiej odpornoSci
na zamra偶anie i odmra偶anie.
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 63
Rys.20. Powierzchniowe 艂uszczenie beton贸w badane wg metody CF zgodnie
z prEN 12390-9 zale偶nie od wsp贸艂czynnika w/c [21]
Fig.20. Scaling of concrete measured with CF test according to
prEN 12390-9 dependent on the water to cement ratio [21]
Rys.21. Zale偶noS膰 mi臋dzy powierzchniowym 艂uszczeniem (badanie wg cube test)
a 28-dniow膮 wytrzyma艂oSci膮 na Sciskanie
Fig.21. Relationship between scaling (cube test) and the concrete compressive strength
at 28 days [12]
64 Christoph M黮ler
G艂贸wnym czynnikiem wp艂ywaj膮cym na odpornoS膰 betonu na agresj臋 mrozu i Srod-
k贸w odladzaj膮cych jest w艂aSciwa mikrostruktura por贸w powietrznych w zaczynie ce-
mentowym, uzyskiwana w wyniku stosowanie domieszki napowietrzaj膮cej (rys. 22).
OdpornoS膰 beton贸w wykonanych z cement贸w z du偶膮 zawartoSci膮 偶u偶la wielkopie-
cowego jest ni偶sza ni偶 odpornoS膰 betonu z CEM I lub innych cement贸w mieszanych
(rys. 23). Skutkiem tego jest wprowadzenie w niemieckiej normie uzupe艂niaj膮cej EN
206-1 ograniczenia u偶ycia cement贸w 偶u偶lowych w klasie ekspozycji XF4 do klasy
wytrzyma艂oSci e" 42,5 lub 32,5 R, jeSli zawartoS膰 granulowanego 偶u偶la wielkopie-
cowego jest d" 50%.
Rys.22. Ubytek masy betonu
w funkcji liczby cykli
zamra偶ania-odmra偶ania
w 3% roztworze NaCl zgodnie
z prEN 12390-9 (metoda kostkowa)
Fig.22. Scaling of concrete
measured with cube test in 3% NaCl
according to prEN 12390-9
(source: VDZ)
Rys.23. Ubytek masy betonu
napowietrzonego w funkcji liczby cykli
zamra偶ania-odmra偶ania zgodnie
z prEN 12390-9 (metoda CDF) [22]
Fig.23. Scaling of air-entrained
concrete measured with CDF test
according to prEN 12390-9 [22]
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 65
Wysoka jakoS膰 warstwy przypowierzchniowej betonu (zaprawy) decyduj膮cy wp艂yw
na wysok膮 odpornoS膰 na powierzchniowe 艂uszczenie. Istotne znaczenie ma niski
wsp贸艂czynnik wodno-cementowy, w艂aSciwe napowietrzenie oraz dok艂adna i d艂ugo-
trwa艂a piel臋gnacja betonu. Na rysunku 24 przedstawiono wyniki badania powierzch-
niowego 艂uszczenia r贸偶nych beton贸w napowietrzonych przy w/c=0,50. Beton z
cementu portlandzkiego wapiennego oraz beton z cementu portlandzkiego wielosk艂ad-
nikowego o zawartoSci 偶u偶la do 35% i wapienia wykazuje ubytek masy por贸wnywalny
do betonu wykonanego z cementu portlandzkiego.
a)
b)
Rys.24. Wyniki badania powierzchniowego 艂uszczenia betonu napowietrzonego
na cemencie portlandzkim, na cemencie z dodatkiem wapienia (a)
i na r贸偶nych cementach mieszanych (b), badanie metod膮 CDF [12]
Fig.24. Scaling of air-entrained concrete made using Portland cement and Portland-limestone
cements (a) or various Portland-composite cements (b), CDF-Test [12]
4. KORZYRCI ZE STOSOWANIA CEMENT脫W MIESZANYCH
Stosowanie cement贸w mieszanych daje wiele korzySci zar贸wno wytw贸rcom cemen-
t贸w jak r贸wnie偶 producentom i odbiorcom betonu. KorzySci膮 dla Srodowiska jest
ograniczenie okreSlonych emisji CO2 pochodz膮cych z produkcji cementu i betonu.
Cementy mieszane s膮 r贸wnie偶 alternatyw膮 do cement贸w portlandzkich z techniczne-
go punktu widzenia. Wp艂yw jaki maj膮 poszczeg贸lne podstawowe sk艂adniki cementu
na w艂aSciwoSci betonu zosta艂 om贸wiony w poprzednich rozdzia艂ach na podstawie po-
r贸wnania betonu na cemencie portlandzkim i beton贸w na cementach mieszanych, za-
wieraj膮cych m.in. wapie艅 czy 偶u偶el wielkopiecowy. 呕aden cement w tym nawet
cement portlandzki - nie zapewnia rozwi膮zania uniwersalnego. Por贸wnanie pokazuje,
偶e dodatnie i mniej korzystne cechy poszczeg贸lnych sk艂adnik贸w cementu
wp艂ywaj膮ce na w艂aSciwoSci betonu (od urabialnoSci przez przyrost wytrzyma艂oSci do
66 Christoph M黮ler
trwa艂oSci) s膮 dosy膰 r贸wnomiernie roz艂o偶one. Mo偶liwoS膰 艂膮czenia kilku podstawowa-
ych sk艂adnik贸w cementu umo偶liwia optymalizacj臋 w艂aSciwoSci i umo偶liwia spe艂nie-
nie wysokich wymaga艅 technicznych, obejmuj膮cych zar贸wno rozw贸j wytrzyma艂oSci
betonu, jak r贸wnie偶 w艂aSciw膮 urabialnoS膰 mieszanki oraz trwa艂oS膰 betonu.
Wytw贸rcy beton贸w na cementch mieszanych otrzymuj膮 zoptymalizowany i dobrej
jakoSci cement z jednego xr贸d艂a. Producenci cementu dysponuj膮 wiedz膮 na temat wy-
twarzania cement贸w mieszanych ju偶 od ponad dekady. Za przyk艂ad mo偶e s艂u偶y膰 sto-
sowanie cement贸w 偶u偶lowych w Niemczech. Dzi臋ki wsp贸艂pracy wytw贸rc贸w
cementu i producent贸w granulowanego 偶u偶la wielkopiecowego kontrola jakoSci che-
micznego i mineralogicznego sk艂adu granulowanego 偶u偶la jest wykonywana przez
cementownie i w razie potrzeby wprowadza si臋 odpowiednie korekty. Przy produkcji
cementu z dodatkiem 偶u偶la wytw贸rcy mog膮 wykorzysta膰 nast臋puj膮ce sposoby mody-
fikacji w艂aSciwoSci cementu:
" zmiana stopnia rozdrobnienia klinkieru i granulowanego 偶u偶la wielkopiecowe-
go poprzez 艂膮czny przemia艂 lub b膮dx osobny i nast臋pne mieszanie,
" zmiana proporcji sk艂adnik贸w (zwi臋kszenie b膮dx zmniejszenie zawartoSci 偶u偶la),
" zmiana iloSci i sk艂adu siarczanu wapnia.
G艂贸wne sk艂adniki cementu s膮 dodaje si臋 wi臋c uwzgl臋dniaj膮c rozk艂ad wielkoSci ich
ziaren i zawartoS膰 siarczan贸w, dzi臋ki czemu mo偶na starannie kontrolowa膰 czas
wi膮zania.
5. INNE ASPEKTY RRODOWISKOWE
Zalety cement贸w mieszanych z uwagi na ograniczenie emisji CO2 zosta艂y ju偶 wczeS-
niej om贸wione. Kwesti膮 cz臋sto podnoszon膮, jest pytanie, jak zastosowanie innych
sk艂adnik贸w cementu poza klinkierem wp艂ywa na zachowanie betonu w kontakcie z
gruntem, wod膮 gruntow膮 czy wod膮 pitn膮. Powy偶sze kwestie nale偶y uwzgl臋dni膰 anali-
zuj膮c zjawisko wymywania (艂ugowania) betonu.
Wyp艂ukiwanie metali ci臋偶kich zawartych w betonie od dawna by艂o przedmiotem ba-
da艅 doSwiadczalnych, prowadzonych w r贸偶nych oSrodkach naukowych w Europie i
Ameryce P贸艂nocnej. Nawet w przypadku, gdy beton sztucznie naszpikowano meta-
lami ci臋偶kimi (zawartoS膰 a偶 ponad 1000 razy wi臋ksza), wyp艂ukiwanie zawsze by艂o
albo niemo偶liwe do zmierzenia albo okazywa艂o si臋 znacznie mniejsze, ni偶 poziom
dopuszczalny w przypadku wody pitnej. Tak wi臋c wykazano, w niezale偶nych oSrod-
kach, 偶e beton spe艂nia najbardziej rygorystyczne wymagania zdrowotne [2].
Problem Srodowiskowego oddzia艂ywania materia艂贸w cementowych na grunt i wod臋
gruntow膮 ujmuj膮 podstawowe wymagania nr 3 Dyrektywy dotycz膮cej wyrob贸w bu-
dowlanych (ang. construction product directive, CPD). Ca艂kowita zawartoS膰 substan-
cji chemicznych w cemencie nie jest w艂aSciwoSci膮 nadaj膮c膮 si臋 do oceny
oddzia艂ywania na Srodowisko, z powodu istnienia du偶ych r贸偶nic w uwalnianiu sub-
stancji z zapraw cementowych z tych samych sk艂adnik贸w chemicznych. OkreSlenie
DROGI i MOSTY 3/2006
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 67
Srodowiskowego oddzia艂ywania na grunt i wod臋 gruntow膮 s膮 przeprowadza si臋 po-
przez badanie wymywania ko艅cowego produktu, tj. nie na cemencie, lecz na pr贸b-
kach zaprawy cementowej.
Przy ocenie stosowanych metod badawczych stwierdzono koniecznoS膰 zasadniczo
innego podejScia do przypadku materia艂贸w ziarnistych i monolitycznych , [23 - 25].
W przypadku materia艂贸w ziarnistych dominuj膮cym mechanizmem uwalniania jest
perkolacja, a dla monolitycznych materia艂贸w procesy powierzchniowe i dyfuzja.
Aby okreSli膰 zmiany w uwalnianiu zwi膮zk贸w metali wynikaj膮cych z zewn臋trznych
oddzia艂ywa艅 (np. karbonatyzacja, utlenianie) opracowano metod臋 badania wymywa-
nia w funkcji odczynu pH. Na rysunku 25 przedstawiono por贸wnanie wynik贸w wy-
mywania cementu CEM I i cement贸w mieszanych. Zasadnicza r贸偶nica dotyczy
wyp艂ukiwania chromu Cr VI, kt贸re z powodu redukcyjnych w艂aSciwoSci 偶u偶la w
przypadku cement贸w mieszanych z 偶u偶lem wielkopiecowym jest o wiele mniejsze
ni偶 w przypadku CEM I, a nawet mniejsze ni偶 w cementach poddanych redukcji chro-
mu poprzez zastosowanie dodatk贸w. Na rysunku 26 przedstawiono wyniki badania
odczynu pH i zdolnoSci neutralizacji kwas贸w (ang. Acid Neutralization Capacity,
ANC) przeprowadzone na tych samych zaprawach cementowych. Na podstawie wy-
nik贸w przedstawionych na obu rysunkach mo偶na stwierdzi膰, 偶e:
" Wymywanie g艂贸wnych, mniejszych i Sladowych sk艂adnik贸w ze cement贸w
CEM I, CEM II, CEM III i CEM IV przebiega ca艂kowicie systematycznie. Me-
toda badawcza, opis modelowy i spos贸b oceny wynik贸w jest jednakowo s艂uszny
w przypadku zapraw na cemencie portlandzkim i na cementach mieszanych.
" Cementy mieszane zawieraj膮ce 偶u偶el wielkopiecowy charakteryzuj膮 si臋 niskim
poziomem wymywania chromu Cr VI, co wynika z redukcyjnych w艂aSciwoSci
偶u偶la wielkopiecowego, kt贸ry przyczynia si臋 do przemiany Cr VI wytworzone-
go w piecu cementowym w chrom Cr III.
" ZdolnoS膰 neutralizacji kwas贸w ANC w zaprawach na cemencie mieszanym z
偶u偶lem wielkopiecowym jest przewa偶nie ni偶sza ni偶 ta na cementach portlandz-
kich.
68 Christoph M黮ler
DROGI i MOSTY 3/2006
Rys.25. Por贸wnanie wymywania cynku, chromu, molibdenu i potasu z cementu CEM I i wybranych cement贸w mieszanych
w funkcji odczynu pH
Fig.25. Comparison of leachability Zn, Cr, Mo, K from CEM I and a selection of blended cements
as a function of pH
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH
69
a) b)
Rys.26. Odczyn pH w funkcji czasu (a) oraz zdolnoS膰 neutralizacji kwas贸w ANC w funkcji pH (b)
w cemencie CEMI i wcementach mieszanych
Fig.26. Change of pH in time (a) and Acid Neutralization Capacity (ANC) as a function of pH (b)
for CEM I and blended cements
DROGI i MOSTY 3/2006
70
Christoph M黮ler
RRODOWISKOWE I TECHNICZNE ASPEKTY CEMENT脫W MIESZANYCH 71
BIBLIOGRAFIA
[1] Hoenig V. , Schneider M.: CO2 Reduction in the Cement Industry. Process Technology
of Cement Manufacturing / VDZ Congress 2002 / Verein Deutscher Zementwerke,
VDZ (Hrsg.). - D黶seldorf : Verl. Bau Technik, 2003, 499-505
[2] www.cembureau.be
[3] Opoczky L.: Verlauf der Korngr鲞enverteilung bei der gemeinsamen Mahlung einer
Klinker-Kalkstein-Mischung. Zement-Kalk-Gips, 45, 12, 1992, 648- 651
[4] Tsivilis S., Tsimas S., Montsatsou A.: Contribution to the problems arising from the
grinding of multicomponent cements. Cement and Concrete Research, 22, 1992,
95-102
[5] Ludwig H.M.: Influence of process technology on the manufacture of market-oriented
cements. Process Technology of Cement Manufacturing / VDZ Congress 2002 / Ve-
rein Deutscher Zementwerke, VDZ (Hrsg.). - D黶seldorf : Verl. Bau Technik, 2003,
2-24
[6] Baron J., Douvre C.: Technical and economical aspects of the use of limestone filler
additions in cement.World Cement, April 1987
[7] Ellerbrock H.G., Spung S., Kuhlmann K.: Particle size distribution and properties of
cement: Part III. Influence of grinding process. Zem.-Kalk-Gips, 43, 1, 1990, 13-19
[8] Ramachandran V.S.: Admixture and addition interactions in the cement-water system.
Cemento, 83, 1, 1986, 13 - 38
[9] Soroka I., Stern W.: Calcareous fillers and the compressive strength of portland ce-
ment. Cem. Concr. Res., 6, 3, 1976, 367-376
[10] Ramachandran V.S., Zhang C.: Influence of CaCO3 on hydration and microstructural
characteristics of tricalcium silicate. Cemento, 83, 3, 1986, 129-152
[11] German Cement Works Association. Activity Report 2005
[12] M黮ler C.; Lang E.: Durability of concrete made with Portland-limestone and Portland
composite cements CEM II-M (S-LL). Beton, 55 (2005), nr 3, 131-138; nr 4, 197-202;
nr 5, 266 - 269
[13] Schie遧 P. , Meng B.: Neuer Ansatz zur Charakterisierung der Porenstruktur zemen-
tgebundener Baustoffe im Hinblick auf die Interpretation von Transportvorg鋘gen.
Aachen: Institut f黵 Bauforschung, Forschungsbericht Nr. F 526, 1998
[14] Stark J., Wicht B.: Dauerhaftigkeit von Beton. - Weimar: Hochschule f黵 Architektur
u. Bauwesen, Weimar, Schriften 100, 1995
[15] Manns W., Thielen G., Laskowski C.: Bewertung der Ergebnisse von Pr黤ungen zur
bauaufsichtlichen Zulassung von Portlandkalksteinzementen. Beton, 48, 12, 1998,
779-784
[16] Bakker R.F.M., Roesink G.: Zum Einfluss der Carbonatisierung und der Feuchte auf
die Korrosion der Bewehrung im Beton. Beton-Informationen, 31, Heft 3/4, 1991,
32-35
[17] Brodersen H. A.: Transportvorg鋘ge verschiedener Ionen im Beton. Beton-Informa-
tionen, 23, Heft 3, 1983, 36-38
72 Christoph M黮ler
[18] Wiens U., M黮ler C.: Puzzolanit鋞 von Steinkohlenflugasche. Beton-Informationen,
40, Heft 2/3, 2000, 27-35
[19] Gunkel H. P.: Die Bindung des Chlorids im Zementstein und die Zusammensetzung
chloridhaltiger Porenl鰏ungen. Dissertation, Dortmund, 1992
[20] M黮ler C.: Performance of Portland-composite cements, Cement International, 4, 2,
2006
[21] Auberg R.: Zuverl鋝sige Pr黤ung des Frost- und Frost-Tausalz-Widerstands von Be-
ton mit dem CDF- und CIF-Test. Essen: Universit鋞 Gesamthochschule. Mitteilun-
gen aus dem Institut f黵 Bauphysik und Materialwissenschaften, 6, 1999
[22] Ludwig H.M.: Zur Rolle der Phasenumwandlungen bei der Frost- und Frost-Tausalz-
Belastung von Beton. Dissertation, Universit鋞 (HAB) Weimar, Selbstverlag, 1996
[23] Kosson D.S., Van der Sloot H.A., Sanchez F., Garrabrants A.C.: An integrated frame-
work for evaluating leaching in waste management and utilization of secondary ma-
terials. Environmental Engineering Science, 19, 3, 2002, 159-204
[24] Harmonization of leaching/extraction tests. Studies in Environmental Science, 70. Eds
H.A. Van der Sloot, L. Heasman, Ph Quevauviller. Elsevier Science, Amsterdam, 1997,
292
[25] Van der Sloot H.: Environmental Impact to Soil and Groundwater through Leaching
to Assess the Use of Alternative Materials in Cement Production and in Construction
Applications European Standardisation, regulatory developments and modeling.
Proceedings of the Eco-Serve Seminar Challenges for Sustainable Construction: the
concrete approach , Warsaw, 2006, 65-66
ENVIRONMENTAL AND TECHNICAL ASPECTS
OF THE APPLICATION OF BLENDED CEMENTS IN CONCRETE
Abstract
The paper presents results of the study performed within the European Thematic Network
ECOserve (www.eco-serve.net). The production of blended cements in Europe and its
applications in construction are analyzed in respect to environmental impact and technical
properties. The efficiency of reduction of CO2 emissions into the air and the use of energy for
blended cement production is discussed using data e.g. from the German industry. The
influence exerted by different main constituents of blended cement on concrete properties has
been discussed on the basis of a comparison between concrete made from Portland cement
and concretes made from cements containing, for example, limestone or blast furnace slag.
The comparison shows that the advantages and disadvantages of the different main
constituents for the properties of concrete, which extend from workability via strength
development to durability characteristics, are distributed fairly evenly. The option of combining
several main constituents makes blended cements particularly well suited for developing these
cements into even more robust systems. A user of blended cements gets one optimized and
quality controlled product from one source. The use of blended cements offers numerous
benefits for the cement producer, the ready-mix-concrete producer and the end-user. The
overall environmental benefit results from the reduction of the specific CO2 emissions of cement
and concrete. The topic of environmental impact from cement-based materials to soil and
groundwater is also addressed. Leaching of major, minor and trace elements from all
cement-based materials - CEM I, CEM II, CEM II, CEM IV is found quite systematic. Blended
cements e.g. based on blast furnace slag feature low Cr VI leachability.
DROGI i MOSTY 3/2006
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
SDJ 2006 PL 4 43722006 04 Karty produkt贸wAnalog 12 72 Vinge, Vernor Original Sin v1 06 艁Sk艂odowski mosty dynamEgzamin zawodowy 2006us intelligence exploitation of enemy material 2006wi臋cej podobnych podstron