WSTĘP TEORETYCZNY

Cement to podstawowy materiał budowlany stosowany w budownictwie. Cement to spoiwo hydrauliczne otrzymywane z surowców mineralnych: margiel lub wapień i glina wypalonych na klinkier w piecu cementowym a następnie drobno zmielonych na materiał organiczny, który po zmieszaniu z wodą daje zaczyn, wiążący i twardniejący w wyniku reakcji i procesów hydratacji, który po stwardnieniu pozostaje wytrzymały i trwały pod wodą.

Przeciętnie stosuje się od 72 - 78% wapnia i od 22 - 28% plastycznej, wolnej od zanieczyszczeń gliny, która dostarcza składników hydraulicznych (krzemionki, tlenków glinu, żelaza. Zawartość poszczególnych składników może ulegać znacznym wahaniom, jednak wzajemny stosunek procentowy zawartości składników zasadowych (CaO, MgO) do hydraulicznych musi być w przybliżeniu stały i odpowiadać tzw. współczynnikowi lub modułowi hydraulicznemu:

Wartość M_n dla cementu musi wynosić nie mniej niż 2

Duże znaczenie dla charakterystyki ma moduł krzemianowy tj. stosunek procentowej zawartości krzemionki do tlenków glinu i żelaza:

Wartość M_s dla cementu wynosi od 2,4 - 2,7 (obniżenie tego współczynnika spowoduje wzrost szybkości wiązania)

Duże znaczenie dla charakterystyki ma także moduł glinowy tj. stosunek procentowej zawartości tlenków glinowych do tlenków żelazowych:

Wartość M_s dla cementu wynosi od 1 - 4

Dla utrzymania jednolitej jakości cementu konieczne jest stałe zachowanie powyższych współczynników.

Cement zgodny z normą PN-EN 197-1:2002, nazywany cementem CEM, odpowiednio odmierzony i zmieszany kruszywem i wodą, powinien tworzyć beton lub zaprawę, które wystarczająco długo zachowują urabialność i po określonym czasie powinny utrzymywać ustalony poziom wytrzymałości a także zachować długotrwałą stałość objętości.

Hydrauliczne twardnienie cementu następuje głównie przez hydratację krzemianów wapnia, także innych związków chemicznych, które mogą brać udział w tym procesie np. gliniany. Suma udziałów reaktywnego CaO i reaktywnego SiO w cemencie powinna wynosić co najmniej 50% masy.

Hydrauliczne spoiwa mineralne ulegają twardnieniu pod wpływem wody. Twardnienie jest to proces kiedy cement nabiera wytrzymałości i przedstawia się go następująco:

3CaO·SiO₂+mH₂O→CaO·SiO₂·nH₂O+2Ca(OH)₂

W technologii cementu szereg procesów fizycznych i chemicznych związanych po zmieszaniu cementu i wody nazywamy hydratacją. Zachodzą tu reakcje na powierzchni ziaren cementu oraz następuje rozpuszczenie się składników cementu w fazie ciekłej, a także niektórych produktów zachodzących reakcji. Dla uproszczenia rozpatruje się odrębnie reakcje poszczególnych związków mineralogicznych z wodą, a następnie reakcje syntezy między tymi związkami bądź produktami ich hydrolizy

Cement jest mieszaniną:

- składników głównych,

• składników drugorzędnych,

• siarczanu wapnia,

• dodatków.

Składniki główne są to materiały nieorganiczne, których udział w stosunku do sumy wszystkich składników cementu przekracza 5% (wagowo). Są to:

• klinkier- główny składnik wszystkich cementów oznaczenie K

• materiały modyfikujące właściwości cementów:

• granulowany żużel wielkopiecowy oznaczenie S

• popiół lotny krzemionkowy oznaczenie V

• popiół lotny wapienny oznaczenie W

• pucolana naturalna oznaczenie P

• pucolana przemysłowa oznaczenie Q

• wapień oznaczenie L,LL

• pył krzemionkowy oznaczenie D

• łupek palony oznaczenie T

Składniki drugorzędne są to specjalnie wyselekcjonowane naturalne materiały nieorganiczne, pochodzące z procesy produkcji klinkieru, lub składniki z powyższej listy, jeżeli nie są one głównymi składnikami cementu, których udział w stosunku do sumy składników cementu nie przekracza 5% (wagowo).

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

Dodatki są to składniki nie wymienione na powyższej liście, dodawane w celu poprawy wytwarzania bądź właściwości cementu. Całkowita ich ilość nie powinna przekraczać 1% masy cementu, a w przypadku dodatków organicznych- 0,5% masy cementu.

Omówimy teraz składniki główne, nie klinkierowe cementu.

Granulowany żużel wielkopiecowy (S) jest produktem odpadowym powstającym przy wytapianiu surówki w wielkich piecach hutniczych, przy użyciu wapieni jako topników.

Żużle w wyniku szybkiego studzenia są spulchniane i rozpadają się na okruchy o prawie jednakowej wielkości -granulacja. Struktura ziaren jest szklista bądź gąbczasta.

Żużel jest materiałem o utajonych właściwościach hydraulicznych, tj. wykazuje właściwości hydrauliczne przez odpowiednie pobudzenie ( aktywację ).

Aktywatorami żużla mogą być:

• materiały zasadowe np. CaO, Ca(OH)₂, NaOH,

• materiały słabo kwaśne np. CaSO₄, Al₂(SO₄)_3,

• podwyższona temperatura, ciśnienie.

Pucolany P,Q- są to materiały krzemionkowe lub glinokrzemionkowe.

Mogą być pochodzenia :

• naturalnego ( P)- skały wulkaniczne lub osadowe, popioły i pyły wulkaniczne, tufy,

pumeksy, ziemia okrzemkowa, surowa glina,

• sztucznego (Q) - wypalone gliny i łupki.

Samodzielnie nie twardnieją, ale drobno zmielone i w obecności wody reagują w normalnej temperaturze otoczenia z Ca(OH)₂, tworząc związki o właściwościach hydraulicznych (uwodnione krzemiany i gliniany wapniowe).

Główne składniki to : SiO₂ i Al₂O₃.

Popioły lotne V,W otrzymywane są przez elektrostatyczne lub mechaniczne osadzanie pylastych cząstek( o średnicy mniejszej niż 0,2 mm ) spalin z palenisk opalanych pyłem węglowym.

• Popiół lotny krzemionkowy V - jest to popiół z pyłu węgla kamiennego. Główne składniki to SiO₂, Al₂O₃. Wykazuje własności pucolanowe

• Popiół lotny wapienny W -jest to popiół z węgla brunatnego, zwykle zawierającego dużo CaO.

Wykazuje właściwości hydrauliczne i pucolanowe.

Wapień ( kamień wapienny ) L,LL jest to zmielony do dużej miałkości (około 5000cm²/g) węglan wapniowy.

Zawartość węglanu wapnia min 75% masy.

Całkowita zawartość węgla organicznego powinna spełniać jedno z 2 kryteriów

-LL- nie powinna przekraczać 0,20% masy

-L- nie powinna przekraczać 0,50% masy:

Nie ma on właściwości wiążących, pucolanowych czy hydraulicznych. Wpływa na poprawę niektórych właściwości betonu.

Pył krzemionkowy D składa się z bardzo drobnych kulistych cząstek o dużej zawartości bezpostaciowej krzemionki. Powstaje w elektrycznych piecach łukowych przy produkcji krzemu lub żelazostopów.

Składniki drugorzędne są to nieorganiczne mineralne materiały pochodzące z procesu produkcji klinkieru lub składniki główne (popiół lotny, pucolana, granulowany żużel wielkopiecowy, kamień wapienny, pył krzemionkowy) , jeżeli ich zawartość jest mniejsza od 5%.

W zależności od rodzaju składnika głównego, cementy powszechnego użytku dzieli się na pięć rodzajów:

- CEM I - Cement portlandzki

- CEM II - Cement portlandzki wieloskładnikowy ( żużlowy, krzemionkowy, pucolanowy, popiołowy, łupkowy, wapienny, wieloskładnikowy)

- CEM III - Cement hutniczy

- CEM IV - Cement pucolanowy

- CEM V - Cement wieloskładnikowy

Nazwa	Rodzaj cementu	Symbol	Maksymalna ilość składnika nie klinkierowego (%)	Minimalna ilość klinkieru cementowego (%)
Cement portlandzki	CEM I	CEM I	5	95
Cement portlandzki mieszany	CEM II	CEM II/A CEM II/B	20 35	80 65
Cement hutniczy	CEM III	CEM III/A CEM III/B CEM III/C	65 80 95	35 20 5
Cement pucolanowy	CEM IV	CEM IV/A CEM IV/B	35 55	65 45
Cement wieloskładnikowy	CEM V	CEM V/A CEM V/B	60 80	40 20

Symbole A i B określają ilość składnika głównego nie klinkierowego.

CEM I (cement portlandzki )

- zawiera co najmniej 95% klinkieru ,

• miałkość ziaren 2700cm²/g ( dominująca średnica ziaren to 20 do 40 μm,

dopuszcza się od 5 do 15% nadziarna o średnicy do 200 μm),

• gęstość nasypowa wynosi 1,1 do 1,3 kg/dm³ (b. mała, bo ziarenka cementu

absorbują na powierzchni powietrze w postaci pęcherzyków mikroskopijnej

wielkości),

• gęstość właściwa wynosi 3,1 kg/dm³,

• powierzchnia ziaren jest stosunkowo słabo zwilżalna wodą a ziarna w zetknięciu z wodą mają tendencję do koagulacji ( zbijania się w grudki );mogą temu zapobiec plastyfikatory,

• jest higroskopijny; wilgoć z powietrza prowadzi do wietrzenia cementu

• stosowany do wszystkich konstrukcji betonowych i żelbetowych bez względu na porę roku i warunki dojrzewania..

CEM II ( cement portlandzki mieszany )

W zależności od rodzaju składnika głównego, nie klinkierowego mamy 7 rodzajów cementów:

Nazwa	Symbol	Maksymalna ilość składnika nie klinkierowego (%)	Minimalna ilość klinkieru cementowego (%)
Cement portlandzki żużlowy	CEM II/A-S CEM II/B-S	20 35	80 65
Cement portlandzki krzemionkowy	CEM II/A-D	10	90
Cement portlandzki pucolanowy	CEM II/A-P CEM II/B-P CEM II/A-Q CEM II/B-Q	20 35 20 35	80 65 80 65
Cement portlandzki popiołowy	CEM II/A-V CEM II/B-V CEM II/A-W CEM II/B-W	20 35 20 35	80 65 80 65
Cement portlandzki łupkowy	CEM II/A-T CEM II/B-T	20 35	80 65
Cement portlandzki wapienny	CEM II/A-L CEM II/B-L CEM II/A-LL CEM II/B-LL	20 35 20 35	80 65 80 65
Cement portlandzki wieloskładnikowy	CEM II/A-M CEM II/B-M	20 35	80 65

Symbole A i B określają ilość składnika głównego nie klinkierowego.

W celu regulacji czasu wiązania do cementu CEM II dodaje się od 3 do 4 % gipsu.

CEM III (cement hutniczy)

Głównym jego składnikiem nie klinkierowym jest granulowany żużel wielkopiecowy, którego maksymalna ilość w odmianie A wynosi 65% a w odmianie B- 80% .

Ma on właściwości zbliżone do właściwości CEM I.

Zawiera mniej CaO , natomiast więcej SiO_2.

W porównaniu do CEM I cechują go następujące właściwości:

• opóźniony o około 30 % początek i koniec wiązania,

• wolniejszy proces wiązania i twardnienia,

• większa odporność na działanie środowiska o średniej agresywności , zwłaszcza siarczanowej,

• wydzielanie mniejszej ilości ciepła przy wiązaniu,

• większe przyrosty wytrzymałości po 28 a zwłaszcza po 90 dniach

• mniejszy o 40% skurcz,

• niższa nasiąkliwość, a więc większa mrozoodporność.

CEM IV ( cement pucolanowy )- nie jest produkowany aktualnie w Polsce.

Głównym jego składnikiem jest naturalna lub sztuczna pucolana, której maksymalna ilość w odmianie A wynosi 35% a w odmianie B - 55%.

Cement ten charakteryzuje:

• niskie ciepło hydratacji,

• powolne przyrosty wytrzymałości początkowych,

• dynamiczne przyrosty wytrzymałości późniejszych,

• odporność na agresję chemiczną.

Wytrzymałość na ściskanie jest najważniejszą właściwością cementu .

Jest to 28-dniowa wytrzymałość normowej zaprawy, wykonanej przy użyciu tego cementu wg PN-EN-196-1 .

Klasa wytrzymałości cementu to wyrażona w MPa gwarantowana wytrzymałość na ściskanie zaprawy normowej, dojrzewającej w określonych przez normę warunkach i zbadanej po 28 dniach.

W zależności od:

• wytrzymałości normowej ( 28 dni )

• wytrzymałości wczesnej (2 dni )

rozróżnia się 6 klas cementu powszechnego użytku

Klasa

Wytrzymałość na ściskanie, MPa

Początek czasu wiązania

Stałość objętości- rozszerz. , mm

Zalecane klasy cementu do betonu

wczesna

normowa

2 dni

7 dni

28 dni

min

32,5

-

>16

>32,5

<52,5

>75

<10

B7,5-B40

32,5R

>10

-

42,5

>10

-

>42,5

<62,5

>60

B30-B50

42,5R

>20

-

52,5

>20

-

>52,5

-

>45

B50 i więcej

52,5R

>30

-

R - cementy charakteryzujące się wysokimi wytrzymałościami wczesnymi

Przykładowe oznaczenia cementów:

-cement portlandzki popiołowy, o zawartości popiołu krzemionkowego 6%-20%, klasy

wytrzymałościowej 32,5, z wysoka wytrzymałością wczesną-

CEM II/A-V 32,5

• cement hutniczy z zawartością żużla wielkopiecowego 36%-65%, klasy

wytrzymałości 42,5 z normalną wytrzymałością wczesną, niskoalkaliczny

CEM III/A 42,5 NA

• cement portlandzki wieloskładnikowy zawierający granulowany żużel wielkopiecowy

(S), popiół lotny krzemionkowy (V), i wapień (L) w łącznej ilości między 6% a 20%

masy- o klasie wytrzymałości 32,5 i o wysokiej wytrzymałości wczesnej

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

Kierunki stosowania wybranych cementów powszechnego użytku

Rodzaj cementu	Właściwości				Zalecane zastosowanie
		Ciepło hydratacji	Dynamika narastania wytrzymałości wczesnej	Dynamika narastania wytrzymałości w długich okresach dojrzewania		Odporn. na agresję chem.
	Portlandzki CEM I 32,5 CEM I 32,5R CEM I 42,5	umiark.	umiarkowana	umiarkowana			Beton zwykły B15-B40 Konstrukcje monolityczne , prefabrykowane i sprężone- dojrzew. w naturalnych i podwyższonych temperaturach, Betonowanie w obniż.temperat, Betony komórkowe
Portlandzki CEM I 42,5R CEM I 52,5 CEM I 52,5R	b.wysokie	Szybka	niewielka		Beton zwykły B25-B50 jw. ,Beton o wymaganej wysokiej wytrzymałości wczesnej, Betonowanie w warunkach zimowych, Beton wysokowartościowy BWW,B50-B-100
Portlandzki CEM I 42,5 NA CEM I 42,5 R NA CEM I/52,5 NA	wysokie	szybka	niewielka		Beton zwykły B25-B50 o zastosowaniach jak wyżej, Dopuszcza się stosowanie kruszyw reaktywnych
Portlandzki popiołowy CEM II/A-V 32,5R CEM II/A-V 42,5 Portlandzki żużlowy CEM II/A-S 32,5R CEM II/A-S 42,5R	umiark.	umiarkowana	b.dobra		Beton zwykły B15-B40 Konstrukcje monolityczne i prefabrykowane, Beton komórkowy, Zaprawy murarskie i tynkarskie
Portlandzki żużlowy CEM II/B-SV 32,5	niskie	powolna	b. dobra	podwyższona	Beton zwykły B7,5-B30 Konstrukcje monolityczne i prefabrykowane, dojrzew. W normalnych i podwyższonych temperaturach, Beton o podwyższonej odporności na agresję chemiczną, Beton chudy, Zaprawy murarskie i tynkarskie
Hutniczy CEM III/A 32,5 CEM III/B 32,5	b. niskie	powolna	b. dobra		Beton zwykły B7,5-B-30 Konstrukcje masywne Zaprawy murarskie i tynkarskie Betony odporne na siarczany
Hutniczy CEM III/A 32,5R CEM III/B 32,5R	niskie	powolna	b. dobra		Beton zwykły B25-B40 jw. Konstrukcje i elementy prefabrykowane
Hutniczy CEM III/A 42,5 CEM III/B 42,5	umiarkowane	umiarkowana	b. dobra		Beton zwykły B25-B50 i wyżej Konstrukcje masywne Betony odporne na siarczany (CEM III/B)
Pucolanowy CEM IV/A 32,5 CEM IV/B 32,5	b. niskie	powolne	b. dobre		Beton zwykły B7,5-B30 jw.
Pucolanowy CEM IV/A 32,5R CEM IV/B 32,5R	niskie	powolne	b. dobre		Beton zwykły B25-B40 Beton prefabrykowany Beton hydrotechniczny Beton odporny na siarczany ( CEM IV/B)
Pucolanowy CEM IV/A 42,5 CEM IV/B 42,5	umiarkowane	umiarkowane	b. dobre		Beton zwykły B25- B50 Konstrukcje masywne Betony odporne na siarczany

W odróżnieniu od cementów powszechnego użytku, cementy specjalne posiadają właściwości umożliwiające prowadzenie prac specjalistycznych np. w górnictwie, przy wierceniach, w drogownictwie itp.

Cementy specjalne dzielą się na 3 grupy:

• oparte na klinkierze portlandzkim

- biały, kolorowy

- hydrofobizowany

- bitumizowany

- plastyfikowany

- bezskurczowy

- ekspansywny

- drogowy

- mostowy

- hydrotechniczny

- wiertniczy

- bezgipsowy

• oparte na klinkierze glinowym

- glinowy

- glinowy, żaroodporny

• bezklinkierowe

- pucolanowo- wapienny

- żużlowo-wapienno-gipsowy

- żużlowo-alkaliczny

Krótki przegląd cementów specjalnych:

Cement szybkotwardniejący, -w Polsce aktualnie brak. Produkowany np. w Japonii i Niemczech.

Charakteryzuje go duża miałkość (3000-3500 cm²/g), duże ciepło hydratacji i wysokie wytrzymałości wczesne.

Stosowany w prefabrykacji, remontach, wykonywaniu posadzek, mocowaniu kotew.

Początek wiązania po 60 min, po 2 h wytrzymałość ponad 4 MPa.

Umożliwia między innymi:

• znaczne skrócenie czasu obróbki cieplnej betonu

• eliminację obróbki cieplnej i „ rozdeskowanie” konstrukcji monolitycznych już po 12 godzinach ich twardnienia

Cement niskokaloryczny ( hydrotechniczny) -przeznaczony do wznoszenia obiektów hydrotechnicznych ( zapory, śluzy, falochrony itp. ), które pracują w bardzo trudnych warunkach eksploatacyjnych. Cechuje je :

• powolne i nie duże wydzielanie ciepła ( nie więcej niż 250 kJ/kg po 7 dniach i 300

kJ/kg po 28 dniach),

• wolne wiązanie i twardnienie, osiągnięte dzięki obniżeniu zawartości C₃A i C₃S,

• mały skurcz,

• wysoka mrozoodporność.

Stosowany głównie do masywów betonowych.

Cement drogowy -cechuje mały skurcz, powolne wiązanie ( początek wiązania najwcześniej po upływie 2 godzin ), powolne twardnienie, miałkość do 3500cm²/g, wysoka wytrzymałość na ściskanie, dobra przyczepność do kruszywa, bardzo wysoka mrozoodporność, a także odporność na agresję siarczanową, amonową, kwasową i chlorkową.

Zastosowanie- budowa dróg i lotnisk

Oznaczany CEM I HSR 42,5

CEM I MSR 42,5

Literatura

PN-B-19701:1997 Cement. Cementy powszechnego użytku. Skład, wymagania i ocena zgodności.

PN-B-19705:1998 Cement specjalny. Cement portlandzki siarczanoodporny.

PN-90/B-30010 Cement portlandzki biały (+ zmiany w PN).

PN-89/B-30016 Cementy specjalne. Cement hydrotechniczny (+ zmiany w PN).

Informator budowlany tom 1 (pod red. A. Kamińskiej). Wydawnictwo Murator, Warszawa 1999.

PIASTA J., PIASTA W.G.: Beton zwykły. Arkady, Warszawa 1994.

Warunki techniczne wykonania i odbioru robót budowlano-montażowych. Budownictwo ogólne tom I, część 1. Arkady, Warszawa 1989.

L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning: Chemia w budownictwie. Arkady, Warszawa 1995.

Żenczykowski W. „Budownictwo ogólne”, t. 1 - „Materiały i wyroby budowlane”, Arkady, Warszawa 1992,

---