Cementy CEM II/A w chemii budowlanej. Czy suche mieszanki mogą przejść transformację bez utraty parametrów?

Produkcja suchych mieszanek chemii budowlanej wymaga bardzo wysokiej powtarzalności parametrów. W przypadku zapraw klejowych znaczenie ma nie tylko wytrzymałość, ale również reologia świeżej mieszanki, czas otwarty, odporność na spływ, przyczepność po różnych warunkach dojrzewania oraz stabilność właściwości w produkcji seryjnej. Dlatego każda zmiana rodzaju cementu w recepturze wymaga starannej weryfikacji technologicznej.

Projekt autorstwa pana Radosława Marcińca z firmy Arsanit, poświęcony zastosowaniu cementów o obniżonej zawartości klinkieru w suchych mieszankach, pokazał, że przejście z cementów CEM I na odpowiednio dobrane cementy CEM II/A może być możliwe bez konieczności rewolucyjnych zmian w recepturach. W ramach prac przeanalizowano różne typy cementów, w tym CEM II/A-LL, CEM II/A-M (S-LL), CEM II/A-S oraz referencyjne cementy CEM I, oceniając ich wpływ na kluczowe właściwości użytkowe zapraw.

Wyniki projektu zostały zaprezentowane podczas tegorocznej edycji konferencji Technologia Betonu. Wnioski z badań są szczególnie istotne w kontekście transformacji zachodzącej obecnie na rynku cementu. Holcim Polska już w połowie 2024 roku rozpoczął u wybranych klientów szerokie testy cementów alternatywnych, w tym przede wszystkim TURBO CEM II/A-S 52,5 R. Doświadczenia z wdrożeń pokazują, że przejście na cementy o niższym udziale klinkieru może przebiegać sprawnie również w wymagającym segmencie suchych mieszanek i chemii budowlanej.

Dlaczego cementy CEM II/A są ważne dla producentów suchych mieszanek?

Cement CEM II to cement portlandzki wieloskładnikowy – zawiera klinkier portlandzki oraz inne składniki główne w ilości przekraczającej 5% masy cementu. W zależności od rodzaju mogą to być m.in. kamień wapienny, żużel wielkopiecowy lub inne składniki mineralne.

Dla producentów chemii budowlanej oznacza to możliwość ograniczenia udziału klinkieru przy zachowaniu parametrów istotnych dla danego zastosowania. Nie chodzi jednak o prostą zamianę „jeden do jednego” bez kontroli. W suchych mieszankach cement współpracuje z piaskiem, mączką wapienną, eterami celulozy, polimerami redyspergowalnymi, aktywatorami i modyfikatorami reologicznymi. Dlatego nawet niewielka zmiana właściwości cementu może wpływać na zachowanie całej zaprawy.

W projekcie podkreślono, że wycofanie cementów CEM I nie musi oznaczać trudnego lub ryzykownego procesu dla klienta. Kierunkiem prac było sprawdzenie, czy możliwe jest „bezbolesne” przejście na cementy CEM II/A w realnych zastosowaniach chemii budowlanej.

Kamień wapienny i żużel jako element matrycy cementowej

Jednym z ważnych aspektów przejścia na cementy CEM II/A jest rola składników mineralnych. Kamień wapienny po wspólnym przemiale z klinkierem portlandzkim tworzy bardzo drobne frakcje cementu, poniżej 10 μm. Takie cząstki mogą pełnić funkcję mikrowypełniacza, zwiększając szczelność matrycy cementowej w stwardniałym zaczynie.

Dla zapraw klejowych ma to znaczenie praktyczne. Szczelność matrycy, dobór wypełniaczy oraz równowaga między wodą, cementem i dodatkami wpływają na przyczepność, odporność na wodę, skurcz oraz parametry użytkowe po utwardzeniu. W badanych recepturach wykorzystywano wypełniacze kwarcowe, wapienne oraz kwarcowo-wapienne, typowe dla suchych mieszanek chemii budowlanej.

Receptura CTA-C2TE – podobne właściwości świeżej zaprawy

Pierwszym istotnym obszarem badań była receptura CTA-C2TE, czyli cementowa zaprawa klejowa do płytek o podwyższonych wymaganiach. W badanym układzie wykorzystano m.in. cement, piasek kwarcowy, mączkę wapienną, metylocelulozę, mrówczan wapnia oraz redyspergowalny proszek polimerowy RDP.

Wyniki pokazały, że właściwości świeżej zaprawy z dodatkiem 2% RDP były bardzo podobne dla wszystkich analizowanych cementów. Konsystencja pozostawała gęstoplastyczna, a różnice w gęstości, lepkości i spływie były relatywnie niewielkie. W projekcie wskazano, że właściwości świeżej mieszanki były w dużej mierze zdominowane przez metylocelulozę.

To ważny wniosek dla producentów suchych mieszanek. Oznacza, że w określonym zakresie zmiana cementu nie musi automatycznie destabilizować roboczych właściwości zaprawy, jeśli układ dodatków reologicznych jest prawidłowo dobrany.

Czas otwarty i przyczepność – kluczowe parametry zapraw klejowych

W przypadku zapraw klejowych czas otwarty jest jednym z najważniejszych parametrów wykonawczych. Określa, jak długo po nałożeniu zaprawa zachowuje zdolność do prawidłowego zwilżenia płytki i utworzenia trwałego połączenia z podłożem.

W badaniach oceniano m.in. zdolność zwilżenia po 10, 20 i 30 minutach. Dla wszystkich analizowanych cementów uzyskano zdolność zwilżenia na odpowiednim poziomie. Jednocześnie wskazano, że wyższe wartości Blaine’a dla drobniejszych cementów wapiennych mogą stanowić wyzwanie dla czasu otwartego.

Z punktu widzenia praktyki oznacza to, że sama zmiana cementu nie wystarczy. Przy projektowaniu zapraw CTA trzeba kontrolować zarówno skład cementu, jak i jego powierzchnię właściwą, ilość wody, rodzaj eteru celulozy oraz pozostałe dodatki wpływające na retencję wody i reologię.

Wytrzymałość początkowa i zachowanie po dojrzewaniu

Jednym z najczęstszych pytań przy przejściu z CEM I na CEM II/A jest wpływ na wytrzymałość początkową. W projekcie potwierdzono, że cementy CEM II/A dobrze sprawdzają się w zakresie wytrzymałości początkowej, przynajmniej w warunkach laboratoryjnych. Jednocześnie zauważono, że reaktywność cementu z większą ilością klinkieru jest widoczna po 24 godzinach.

Odrębnym zagadnieniem jest przyczepność po zanurzeniu w wodzie. W projekcie wskazano, że ten parametr może być szczególnie wymagający dla cementów CEM II/A, ponieważ trudniej uzyskać szczelną matrycę przy mniejszej ilości klinkieru portlandzkiego.

Nie oznacza to jednak, że cementy CEM II/A nie mogą być stosowane w takich układach. Oznacza raczej, że wymagają świadomego projektowania receptury, kontroli dodatków i ewentualnej optymalizacji parametrów, szczególnie w zaprawach narażonych na działanie wody i wilgoci.

CTA-C2TE S1 – elastyczność i odkształcenie poprzeczne

Kolejnym etapem była analiza zaprawy CTA-C2TE S1, czyli układu wymagającego nie tylko przyczepności i wydłużonego czasu otwartego, ale również określonego odkształcenia poprzecznego. W recepturze zastosowano m.in. cement, mączkę wapienną, piasek kwarcowy, eter celulozy, modyfikatory, aktywatory oraz 4% RDP.

W przypadku takich zapraw właściwości reologiczne i kontrola spływu są w dużej mierze zależne od modyfikacji eteru celulozy. Odpowiedni dobór dodatków wpływa na granicę płynięcia, lepkość plastyczną, odporność na osuwanie się płytki oraz urabialność świeżej zaprawy.

Wyniki wskazały również, że cementy CEM II mogą korzystnie wpływać na odkształcenie poprzeczne. Dla zaprawy z dodatkiem 4% RDP odnotowano wyższą elastyczność dla cementów CEM II, co może otwierać możliwość optymalizacji kosztów receptury.

Rola modyfikatorów reologicznych i dodatków specjalnych

Przy przejściu na cementy CEM II/A znaczenie mają nie tylko cement i wypełniacze, ale również dodatki specjalne. W projekcie analizowano m.in. wpływ modyfikatora reologicznego, który może poprawiać wytrzymałość na rozciąganie, szczególnie po próbie zanurzenia w wodzie, wydłużać czas otwarty oraz poprawiać odkształcenie poprzeczne.

Wskazano też, że taki modyfikator ma niewielki negatywny wpływ na hydratację cementu, wzmacnia wiązanie cementu i poprawia elastyczność dzięki obniżeniu modułu E. Może również pozytywnie wpływać na czas otwarty, spływ i urabialność.

Istotnym elementem była także analiza dodatków wpływających na strukturę porów. Superabsorber, czyli kopolimer o dużej masie cząsteczkowej, zachowuje się w świeżej zaprawie jak „gąbka”, tworząc zbiorniki na wodę. Taka modyfikacja struktury porów może ograniczać udział porów kapilarnych, zmniejszać naprężenia podczas wysychania i wspierać redukcję skurczu.

Chemia budowlana a kierunek zmian w ofercie Holcim

Rozwój cementów CEM II/A wpisuje się w szerszy kierunek zmian w budownictwie: ograniczanie śladu węglowego materiałów przy zachowaniu ich parametrów użytkowych. Na stronie poświęconej linii Tector wskazujemy, że chemia budowlana powinna łączyć nowoczesne technologie, jakość, trwałość i podejście środowiskowe.

W naszym portfolio znajdują się również cementy o zastosowaniach istotnych dla chemii budowlanej. Przykładowo TURBO CEM II/A-S 52,5 R jest opisany jako cement portlandzki żużlowy o bardzo wysokiej wytrzymałości wczesnej, przeznaczony m.in. do produkcji sprężanych elementów prefabrykowanych, suchych mieszanek oraz elementów infrastruktury. Z kolei CEM II/A-LL 42,5 R jest cementem portlandzkim wapiennym klasy 42,5 o wysokiej wytrzymałości wczesnej.

Dla producentów suchych mieszanek oznacza to dostęp do różnych typów cementów CEM II/A, które mogą być dobierane pod konkretne wymagania receptury: czas otwarty, przyczepność, odporność na wodę, elastyczność, reologię i stabilność produkcji.

Co wynika z projektu?

Najważniejszy wniosek jest praktyczny: cementy CEM II/A mogą zastąpić CEM I w zaprawach CTA, czyniąc je bardziej przyjaznymi środowiskowo, ale wymagają świadomej pracy nad recepturą. Nie jest to wyłącznie kwestia podmiany cementu w składzie. Konieczna jest kontrola reologii, czasu otwartego, wytrzymałości początkowej, przyczepności po zanurzeniu w wodzie oraz odkształcenia poprzecznego.

Projekt pokazał też, że przy odpowiednim doborze modyfikatorów możliwe jest kompensowanie opóźnień hydratacji, poprawa urabialności, ograniczenie spływu i wsparcie elastyczności zaprawy. To ważne dla producentów chemii budowlanej, którzy muszą łączyć oczekiwania wykonawców z wymaganiami normowymi i środowiskowymi.

Podsumowanie

Zastosowanie cementów CEM II/A w suchych mieszankach chemii budowlanej jest realnym kierunkiem rozwoju, szczególnie w zaprawach klejowych CTA. Badania porównawcze pokazują, że przy właściwie dobranej recepturze możliwe jest utrzymanie kluczowych parametrów świeżej zaprawy, odpowiedniego czasu otwartego, przyczepności oraz elastyczności. Największym wyzwaniem pozostaje świadoma optymalizacja układu cement – wypełniacze – woda – domieszki, ponieważ to właśnie współpraca wszystkich składników decyduje o jakości gotowej zaprawy. Transformacja z CEM I na CEM II/A nie musi oznaczać kompromisu technologicznego – może być etapem rozwoju chemii budowlanej w stronę bardziej efektywnych i odpowiedzialnych środowiskowo rozwiązań.