Rodzaje i właściwości cementów – wpływ składu i dodatków na parametry betonu

Rodzaje cementów – dobór, normy i klasyfikacje 

Dobór odpowiedniego cementu na budowie to decyzja, która rzutuje na trwałość, bezpieczeństwo i ekonomikę całej inwestycji. Właściwy rodzaj cementu wpływa na sposób prowadzenia robót, tempo dojrzewania betonu, jego odporność na czynniki zewnętrzne oraz zachowanie konstrukcji w czasie. Błędny wybór może prowadzić do spękań, zbyt wolnego twardnienia lub przyspieszonej korozji materiału.

Podstawą klasyfikacji cementów są normy PN-EN 197-1:2012 i PN-EN 197-5:2021, które określają skład, wymagania i kryteria zgodności cementów powszechnego użytku oraz nowoczesnych cementów kompozytowych o obniżonej emisji CO₂. W projektowaniu i wykonawstwie betonów obowiązuje też norma PN-EN 206+A2:2021.

Przeczytaj również:

• Suchy beton - kiedy stosować? Jak dobrać konsystencję betonu?
• Nowoczesny beton potrafi więcej, niż sądzisz! Poznaj beton samozagęszczalny, elastyczny, natryskowy

Klasyfikacja cementów

Zgodnie z normą PN-EN 197-1:2012 wyodrębnia się pięć głównych typów cementów. Różnią się one udziałem klinkieru portlandzkiego oraz rodzajem i ilością dodatków mineralnych.

• CEM I – cement portlandzki, zawiera 95-100% klinkieru portlandzkiego oraz do 5% dodatków drugorzędnych. Charakteryzuje się dużym ciepłem hydratacji, szybkim przyrostem wytrzymałości i wysoką aktywnością. Zastosowanie obejmuje konstrukcje nośne, prefabrykaty, beton wysokiej wytrzymałości, prace wymagające szybkiego rozdeskowania.
• CEM II – cement portlandzki wieloskładnikowy, zawiera 65-94% klinkieru oraz do 35% dodatków mineralnych (żużel, popiół lotny, pucolany, wapień). Jest bardziej uniwersalny i ma niższe ciepło hydratacji niż CEM I. To najpopularniejszy typ cementu w Polsce – stosowany w około 70% wszystkich robót betonowych. Stosowany jest do wykonywania betonu towarowego, w konstrukcjach ogólnych, w elementach narażonych na umiarkowane warunki środowiskowe.
• CEM III – cement hutniczy, zawiera 20-64% klinkieru oraz 36-80% żużla wielkopiecowego. Cechuje się niskim ciepłem hydratacji (o 30-40% niższym niż CEM I), dużą szczelnością i odpornością na agresję chemiczną. Przyrost wytrzymałości jest wolniejszy w początkowych dniach, ale po 28-90 dniach dorównuje cementom portlandzkim. Zastosowanie tego cementu obejmuje: fundamenty, zbiorniki, obiekty hydrotechniczne, konstrukcje w środowisku siarczanowym, betony masywne.
• CEM IV – cement pucolanowy, zawiera dodatki pucolanowe lub popioły lotne. Wytrzymałość narasta wolniej, ale końcowa trwałość betonu jest wysoka. CEM IV jest rzadko spotykany na polskim rynku – większość producentów wycofała go z oferty na rzecz bardziej uniwersalnych cementów CEM II i CEM III. Stosowany jest w obiektach narażonych na korozję, w betonach masywnych, konstrukcjach o długiej żywotności.
• CEM V – cement kompozytowy, łączy kilka rodzajów dodatków – najczęściej żużel, popiół i wapień. Ma dobre właściwości reologiczne, niskie ciepło hydratacji i mniejszy ślad węglowy. Podobnie jak CEM IV, dostępność na polskim rynku jest ograniczona. Jest stosowany w budownictwie zrównoważonym, konstrukcjach w środowiskach agresywnych, dużych elementach betonowych.

Przeczytaj również:

• Naprawianiem spękanego betonu mogą się zająć...bakterie? Badają to naukowcy Politechniki Lubelskiej
• Masa samopoziomująca – jak właściwie stosować? Na jakie błędy uważać?

Ponadto, każdy typ cementu występuje w kilku podtypach (np. CEM II/A-S, CEM II/B-V, CEM III/A), różniących się proporcją dodatków.

Klasy wytrzymałości i oznaczenia

Cementy powszechnego użytku klasyfikuje się również według wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach. Wyróżnia się trzy klasy:

• 32,5 MPa – cementy o niższej wytrzymałości, odpowiednie do zapraw i betonów zwykłych;
• 42,5 MPa – najbardziej uniwersalne, stosowane w większości konstrukcji (około 80% rynku w Polsce);
• 52,5 MPa – cementy wysokowytrzymałe, do elementów obciążonych lub prefabrykatów.

Dodatkowo, oznaczenia literowe określają tempo przyrostu wytrzymałości wczesnej (po 2 lub 7 dniach):

• N – normalny przyrost wytrzymałości wczesnej;
• R – szybki przyrost wytrzymałości wczesnej (stosowany, gdy wymagana jest szybka rozformowalność lub szybkie obciążenie elementu).

Przykładowo – CEM I 42,5 R oznacza cement portlandzki o wytrzymałości 42,5 MPa po 28 dniach i szybkim przyroście wytrzymałości wczesnej.

Cementy specjalne – oznaczenia dodatkowe

Poza podstawowymi oznaczeniami, cementy mogą mieć dodatkowe właściwości oznaczone literami:

• SR (Sulfate Resistant) – odporny na siarczany, zawiera nie więcej niż 3,5% C₃A (glinianu trójwapniowego). Stosowany w środowiskach agresywnych, np. przy kontakcie z wodą gruntową bogatą w siarczany.
• LH (Low Heat) – cement o niskim cieple hydratacji, dedykowany do betonów masywnych. Ciepło hydratacji nie przekracza 270 J/g po 7 dniach.

Cementy te są dostępne głównie na zamówienie i stosowane w obiektach specjalnych – mostach, tunelach, zapór, zbiornikach oczyszczalni.

Dobór cementu do rodzaju prac

Rodzaj cementu musi odpowiadać zarówno warunkom technologicznym, jak i środowiskowym.

W fundamentach i konstrukcjach masywnych korzystne są cementy o niskim cieple hydratacji i dobrej odporności chemicznej – np. CEM III/A 32,5 N lub CEM II/B-S 32,5 N. Ich powolne twardnienie ogranicza ryzyko pęknięć termicznych. W elementach o grubości powyżej 80 cm różnica temperatury między rdzeniem a powierzchnią może przekroczyć 20°C, co prowadzi do naprężeń i rys.

W konstrukcjach nośnych i prefabrykowanych preferowane są cementy o szybszym przyroście wytrzymałości, takie jak CEM I 42,5 R lub CEM II/A-S 42,5 R. Ułatwiają one szybkie rozdeskowanie form (już po 12-18 godzinach przy odpowiedniej temperaturze) i przyspieszają harmonogram prac.

W zaprawach murarskich i tynkarskich lepiej sprawdzają się cementy klasy 32,5, zwłaszcza typu CEM II/A-L lub CEM II/B-L. Dzięki zawartości wapienia poprawiają urabialność i przyczepność zaprawy. Stosowanie cementów klasy 42,5 lub wyższej do zapraw jest nieuzasadnione ekonomicznie i może prowadzić do nadmiernej sztywności i skurczu.

W środowisku agresywnym – np. przy oddziaływaniu wody gruntowej, siarczanów lub soli odladzających – należy stosować cementy o podwyższonej odporności chemicznej (oznaczenie SR zgodnie z normą). Przy stężeniu siarczanów powyżej 3000 mg/l w gruncie lub 600 mg/l w wodzie gruntowej cement SR jest obligatoryjny.

W betonach narażonych na mróz konieczne jest zastosowanie cementu o małej wodochłonności oraz domieszek napowietrzających, które tworzą mikrostrukturalne pęcherzyki powietrza (średnica 10-300 μm) zabezpieczające przed zniszczeniem w czasie cykli zamrażania i rozmrażania. Zawartość powietrza powinna wynosić 4-6% objętości betonu

Domieszki i dodatki do cementu

Nowoczesne betony coraz częściej projektuje się z udziałem dodatków mineralnych i domieszek chemicznych.

Dodatki mineralne do cementu to:

• żużel wielkopiecowy – poprawia szczelność i odporność na siarczany;
• popiół lotny – zwiększa urabialność i trwałość betonu, wymaga dłuższego dojrzewania;
• pucolany naturalne – wulkaniczne materiały krzemiankowe o wysokiej reaktywności;
• mielony wapień – poprawia urabialność i zmniejsza skurcz.

Stosowanie składników mineralnych poprawia szczelność betonu, zmniejsza przenikalność dla czynników agresywnych i redukuje ciepło hydratacji o 15-30% w porównaniu z czystym cementem portlandzkim. Dzięki temu konstrukcje zyskują większą trwałość, zwłaszcza w środowiskach narażonych na wilgoć i środki chemiczne. Wymagają jednak dłuższego dojrzewania – przyrost wytrzymałości w pierwszych 7 dniach jest o 20-40% wolniejszy.

Przeczytaj również:

• Rodzaje i właściwości farb elewacyjnych. Co brać pod uwagę przy wyborze farby?
• Zaprawy do murowania. Rodzaje, właściwości i zastosowania zapraw murarskich

Domieszki chemiczne pozwalają modyfikować świeży i twardniejący beton. W tej grupie należy wymienić:

• plastyfikatory i superplastyfikatory – zwiększają urabialność i umożliwiają redukcję ilości wody o 5-30% (przy zachowaniu konsystencji);
• opóźniacze wiązania – wydłużają czas początku wiązania o 2-4 godziny, stosowane przy wysokiej temperaturze (powyżej 25°C) lub długim transporcie betonu;
• przyspieszacze twardnienia – skracają czas wiązania i przyspieszają przyrost wytrzymałości, wykorzystywane zimą lub w prefabrykacji;
• domieszki napowietrzające – wprowadzają do betonu 4-6% powietrza, poprawiają odporność na cykle zamarzania i rozmrażania;
• uszczelniające i hydrofobowe – ograniczają nasiąkliwość, zwiększają szczelność betonu i odporność na penetrację chlorków.

Dobór domieszek musi być odpowiednio dopasowany do pozostałych składników cementu oraz jego przeznaczenia. Niektóre środki mogą bowiem zmieniać czas wiązania lub wchodzić w reakcje z innymi półproduktami (np. z żużlem lub popiołem). Przykładowo, domieszki przyspieszające na bazie chlorków nie mogą być stosowane w betonie zbrojonym ze względu na ryzyko korozji stali.

Typowe błędy przy doborze i stosowaniu cementu

W praktyce wykonawczej niektóre działania prowadzą do niezgodności z projektem i do obniżania jakości mieszanki. Wśród najczęściej popełnianych błędów można wymienić:

• Niewłaściwy dobór rodzaju lub klasy cementu: użycie cementu o zbyt niskiej wytrzymałości względem wymagań konstrukcji powoduje, że beton nie osiąga projektowanych parametrów. Z kolei zastosowanie cementu o zbyt szybkim przyroście wytrzymałości w dużych elementach może prowadzić do przegrzania i spękań termicznych.
• Mieszanie cementów różnych producentów lub typów: cementy różnią się składem i dodatkami. Łączenie ich bez kontroli laboratoryjnej skutkuje nieprzewidywalnym czasem wiązania i zróżnicowaną strukturą betonu. Problem dotyczy zwłaszcza cementów z różną zawartością glinianu trójwapniowego lub różnymi dodatkami mineralnymi.
• Nieprawidłowe magazynowanie: cement należy przechowywać w suchym, chłodnym miejscu, chroniąc od wilgoci. Nawet krótkotrwałe zawilgocenie powoduje częściową hydratację i utratę aktywności. Wykonawcy powinni również kontrolować datę produkcji – cement po 3 miesiącach wymaga ponownych badań wytrzymałości, a po 6 miesiącach nie powinien być stosowany bez badań laboratoryjnych potwierdzających jego parametry.
• Brak dostosowania do temperatury otoczenia: przy temperaturze poniżej +5°C proces hydratacji cementu zwalnia drastycznie, a poniżej 0°C praktycznie ustaje. Nie wolno betonować bez odpowiednich środków ochrony (ogrzewanie, izolacja, domieszki przyspieszające). Z kolei przy temperaturze powyżej +30°C beton wiąże zbyt szybko – konieczne jest chłodzenie kruszywa lub opóźniaczy wiązania.

Podsumowanie

Dobór cementu na budowie wymaga uwzględnienia wielu czynników – m.in. rodzaju konstrukcji, warunków środowiskowych, tempa realizacji czy dostępności materiałów. Świadomy wybór cementu, poparty wiedzą o jego właściwościach i dopasowany do konkretnej realizacji, pozwala uniknąć wielu problemów wykonawczych i zapewnia trwałość konstrukcji na długie lata.

Zobacz: Nowoczesne elewacje ‒ integralny element współczesnej architektury

Źródło: Rodzaje cementów – normy, klasy wytrzymałości, wpływ domieszek i zastosowanie