Autorzy:
dr inż. Maciej Batog, mgr inż. Jakub Bakalarz /Centrum Technologiczne Betotech Sp. z o.o./
mgr inż. Michał Oleksik, mgr inż. Arkadiusz Ignerowicz, mgr inż. Arkadiusz Fornal /Atlas sp. z o.o./
mgr inż. Wioletta Wojtkiewicz /DROG-BRUK A.P. Szczerek Sp.J./
mgr inż. Michał Zapała /MBS Polska Sp. z o.o./
mgr inż. Krzysztof Zychowicz /Betard Sp. z o.o./

1. Wprowadzenie
Aspekty związane z ograniczeniem wpływu współczesnego budownictwa na środowisko, w tym emisyjność czy zmniejszenie zużycia zasobów naturalnych, są coraz istotniejsze i powoli wkraczają także do wymagań materiałowych w procesie budowlanym. Prefabrykacja betonowa wielko- i drobnowymiarowa jest obszarem, który ma największy potencjał do redukcji śladu węglowego, gdyż najczęściej stosowanym cementem jest cement portlandzki CEM I, który ma najwyższy ślad węglowy [1] spośród cementów zdefiniowanych w normach PN-EN 197-1 [2] i PN-EN 197-5 [3]. W przypadku prefabrykacji pogodzenie konieczności zmniejszenia śladu węglowego z wymaganiami dotyczącymi szybkiego przyrostu wytrzymałości wczesnej oraz trwałości utożsamianej najczęściej z mrozoodpornością stanowi wyzwanie. Betony wykonane z cementów o niższej emisyjności CEM II÷CEM VI zawierające nieklinkierowe składniki główne, takie jak popiół lotny, granulowany żużel wielkopiecowy, charakteryzują się stosunkowo wolnym, jak na potrzeby prefabrykacji, przyrostem wytrzymałości wczesnych [4÷6] oraz niższą odpornością na działanie cyklicznego zamrażania-odmrażania [4÷9]. Powyższe czynniki stanowiły przyczynek do podjęcia tematu badawczego, głównie pod kątem możliwości stosowania cementów portlandzkich wieloskładnikowych CEM II/A,B w prefabrykacji. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań porównawczych betonu z cementem portlandzkim CEM I oraz cementami portlandzkimi wieloskładnikowymi CEM II/A,B zastosowanymi w prefabrykacji wielko- (belka sprężona typu T) i drobnowymiarowej (kostka brukowa).

2. Materiały
W badaniach wykorzystano 6 rodzajów cementów wyprodukowanych w skali przemysłowej: cementy portlandzki CEM I 42,5R i CEM I 52,5R (cementy odniesienia), cement portlandzki wapienny CEM II/A-LL 52,5R, cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/A-M (S-LL) 52,5N, cement portlandzki popiołowy CEM II/B-V 42,5R oraz cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/B-M (V-LL) 42,5N, które różniły się rodzajem i sumaryczną ilością zastosowanych nieklinkierowych składników cementu. Skutkowało to różnicami we właściwościach fizycznych i mechanicznych, co przedstawiono w tabeli 1.

3. Obliczanie śladu węglowego
Ślad węglowy betonów opisywanych w artykule został obliczony przy wykorzystaniu oprogramowania „GCCA Industry EPD tool for cement and concrete” w wersji 4.0 opracowanego dla Global Cement and Concrete Association (GCCA). Narzędzie „GCCA Industry EPD tool for cement and concrete” jest internetowym narzędziem do tworzenia deklaracji środowiskowych (EPD) dla klinkieru, cementu, kruszyw, betonu i prefabrykatów betonowych. To narzędzie jest zgodne z wytycznymi zawartymi w normach:

• PN-EN 15804+A2:2020-03 „Zrównoważenie obiektów budowlanych – Deklaracje środowiskowe wyrobu – Podstawowe zasady kategoryzacji wyrobów budowlanych” [10],
• PN-EN 16908+A1:2022-08 „Cement i wapno budowlane – Deklaracje środowiskowe wyrobów – Zasady kategoryzacji wyrobów będące uzupełnieniem postanowień EN 15804” [11],
• PN-EN 16757:2023-04 „Zrównoważone podejście do obiektów budowlanych – Deklaracje środowiskowe wyrobu – Zasady dotyczące kategorii wyrobów w odniesieniu do betonu i elementów betonowych” [12].

Narzędzie GCCA Industry EPD tool for cement and concrete jest narzędziem zweryfikowanym przez certyfikowaną jednostkę zewnętrzną. Wykorzystywane dane do obliczeń pochodzą z bazy danych ecoinvent v3.5. Prezentowane obliczenia obejmują etapy A1÷A3, tj. od kołyski do bramy.

4. Prefabrykacja wielkowymiarowa
W niniejszym rozdziale przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych właściwości betonów, które miały zostać zastosowane do produkcji belki sprężonej typu T, która znajduje zastosowanie w drogowych obiektach mostowych. Przeanalizowano też możliwość stosowania cementów portlandzkich CEM II/A w elementach sprężanych stosowanych w drogowych obiektach inżynierskich, gdzie w świetle wymagań WWiORB GDDKiA dla betonu konstrukcyjnego [13] w tych elementach należy stosować cement portlandzki CEM I. Kolejnym analizowanym aspektem było zastosowanie mniej emisyjnych cementów CEM II/A w kontekście zapobiegania reakcji alkalia reaktywne kruszywo w odniesieniu do wymagań WWiORB GDDKiA dla betonu konstrukcyjnego [13].
Składy mieszanek betonowych przedstawiono w tabeli 2. Założono klasę konsystencji S5, w tym celu dostosowano dozowaną ilość domieszki upłynniającej MasterSure HES 1515 w zależności od rodzaju cementu. Mieszanki zaproponowano z myślą o ich zastosowaniu w betonach sprężanych dla elementów drogowych w obiektach inżynierskich, dlatego zastosowano domieszkę napowietrzającą MasterAir 107, w celu uzyskania odpowiedniej zawartości powietrza w mieszance betonowej, tj. 4,5% do 6,5% wg [13], oraz betonów mrozoodpornych. Ze względu na konieczność sprężania założono, że betony z cementami CEM II/A-LL 52,5R i CEM II/A-M (S-LL) 52,5N powinny się charakteryzować zbliżonymi przyrostami wytrzymałości wczesnych do betonu z cementem CEM I 52,5R. Ze względu na różnice w charakterystyce rozwoju wytrzymałości wczesnej cementu CEM II/A-M(S-LL) 52,5N zdecydowano się wykonać dodatkową recepturę betonu (Beton 3X), gdzie w celu poprawy dynamiki rozwoju wytrzymałości zastosowano przyspieszacz twardnienia MasterX-Seed 100.
Wg wymagań WWiORB GDDKiA dla betonu konstrukcyjnego [13] w obiektach najwyższej klasy S4 oraz najwyższej kategorii oddziaływania środowiska E3 wymaga się stosowania kruszyw niereaktywnych kategorii R0, a zawartość alkaliów aktywnych Na2Oeq w betonie nie powinna przekraczać 2,4 kg/m3. Pod tym względem każda z zaproponowanych receptur spełnia wymagania dla wyżej wymienionych betonów (tabela 2). Również wg deklaracji producenta kruszyw charakteryzowały się one stopniem reaktywności R0 – piasek [14] i wapień [15÷16].

Zakres przeprowadzanych badań laboratoryjnych obejmował:

• konsystencję po 10 min metodą opadu stożka wg PN-EN 12350-2 [17],
• zwartość powietrza po 10 min wg PN-EN 12350-7 [18],
• wytrzymałości na ściskanie po 18 godz., 24 godz. oraz 28 dniach wg PN-EN 12390-3 [19],
• wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu po 28 dniach wg PN-EN 12390-6 [20],
• głębokości penetracji wody pod ciśnieniem po 28 dniach wg PN-EN 12390-8 [21],
• głębokości karbonatyzacji wg PN-EN 12390-12 „Badania betonu – Cześć 12: Oznaczenie odporności betonu na karbonatyzację – Przyspieszona metoda karbonatyzacji” [22],
• dynamicznego modułu sprężystości wg CEN/ TR 15177:2006 „Testing the freeze-thaw resistance of concrete – Internal structural damage” [23].

W tabeli 3 zestawiono właściwości mieszanki betonowej. Wszystkie mieszanki charakteryzowały się podobną konsystencją mierzoną metodą opadu stożka. Uzyskana zawartość powietrza we wszystkich wynosiła ok. 5% ± 0,5%, co jest zgodne z zaleceniami zawartymi w WWiORB GDDKiA [13] oraz w krajowym uzupełnieniu PN-B-06265 do normy PN-EN 206 [24].

Na rys. 1 przedstawiono rozwój wytrzymałości na ściskanie badanych betonów. Betony z cementem portlandzkim CEM I 52,5R (Beton 1) i cementem portlandzkim CEM II/A-LL 52,5R (Beton 2) charakteryzowały się podobnym rozwojem wytrzymałości wczesnej, co jest istotne ze względu na możliwość szybkiego sprężania elementów betonowych. Beton z cementem CEM II/A-M (S-LL) 52,5N (Beton 3) charakteryzował się niższą wytrzymałością na ściskanie po 18 i 24 godzinach od betonu referencyjnego odpowiednio o ok. 30% i ok. 16%. Zastosowanie domieszki przyspieszającej Master X-Seed 100 w składzie betonu z cementem CEM II/A-M (S-LL) 52,5N (Beton 3X) pozwoliło na zwiększenie wytrzymałości wczesnych po 18 i 24 godzinach o ok. 13%. Jednak wytrzymałość na ściskanie tego betonu po 18 godzinach była wciąż niższa o ok. 22% od betonu referencyjnego, a po 24 godzinach ta różnica wynosiła tylko ok. 5%. W związku z faktem, że skład betonu 3X poza domieszką przyspieszającą był taki sam jak betonu 3 (ilość cementu, efektywne w/c itp.), nie wykonano badań trwałościowych dla tego wariantu.

Wszystkie betony charakteryzowały się bardzo dobrą szczelnością nieprzekraczającą 40 mm i spełniły najostrzejsze wymaganie dotyczące głębokości penetracji wody pod ciśnieniem zawarte w WWiORB GDDKiA [13] tj. ≤ 40 mm dla klas ekspozycji XA3, XS3, XD3 (tabela 4). Wszystkie betony charakteryzowały się wysokimi wytrzymałościami na rozciąganie przy rozłupywaniu po 28 dniach twardnienia ≥ 5,9 MPa (tabela 4), co odnosząc do wymagań dla betonu nawierzchniowego wg WWiORB GDDKiA [25] jest wartością o ok.70% wyższą niż wymaganie dla dróg kategorii ruchu KR5÷KR7 (autostrady i drogi ekspresowe). Również wstępne wyniki badań karbonatyzacji potwierdzają wysoką szczelność betonu (tabela 4), jednak jest jeszcze zbyt wcześnie, aby wnioskować więcej o ewentualnej depasywacji otuliny zbrojenia w wyniku karbonatyzacji. W przypadku sprężania ważny jest też moduł sprężystości betonu. W przypadku badanych betonów w celach porównawczych określono tzw. dynamiczny moduł sprężystości wg metodyki zawartej w [23], jego wartość dla wszystkich betonów była bardzo zbliżona 11,2 do 12,1 GPa.

Betony wykonane z cementów portlandzkich wieloskładnikowych CEM II/A charakteryzowały się niższym śladem węglowym niż beton z cementem portlandzkim CEM I, co pokazano na rys. 2. Redukcja, w zależności od składu betonu, mieściła się w przedziale 29,0 ÷56,4 kg/m3 betonu.

5. Prefabrykacja drobnowymiarowa
W tym rozdziale przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych betonów przeznaczonych na warstwę konstrukcyjną drobnowymiarowych elementów wibroprasowanych wykonanych z cementów portlandzkich wieloskładnikowych CEM II/A,B. Składy betonów przedstawiono w tabeli 5. Zaprojektowano
dwie serie receptur, bez udziału popiołu i z udziałem popiołu, Popiół lotny jest powszechnie stosowany jako składnik betonu do warstwy konstrukcyjnej. Ze względu na rodzaj cementu zróżnicowano ilość stosowanego w składzie betonu popiołu, tj. betony z cementami CEM I 42,5R i CEM II/A-LL 52,5R zawierały 70 kg/m3, a betony z cementami CEM II/B-V 42,5R i CEM II/B-M (VLL) 42,5N zawierały 35 kg/m3. Różnica w ilości popiołu lotnego w składzie betonu wynikała z ilości nieklinkierowych składników głównych w zastosowanych cementach.

W celu odzwierciedlenia procesu zagęszczania betonu, który ma miejsce w trakcie produkcji drobnowymiarowych elementów na wibroprasie, w badaniach laboratoryjnych zastosowano prasę żyratorową (rys. 3), która dzięki odpowiedniemu układowi sił w trakcie procesu formowania pozwala otrzymać próbki o podobnym stopniu zagęszczenia. Pozwala to na ocenę wpływu innych czynników aniżeli stopień zagęszczenia, np. rodzaju i ilości cementu, stosu okruchowego kruszywa, rodzaju i ilości domieszki chemicznej, na właściwości mieszanki i stwardniałego betonu. Najczęściej stosowanymi ustawieniami są te określone w skandynawskiej normie NT BUILD 427 (tabela 6) [26] i takie ustawienia przyjęto.

Proces zagęszczania próbki uznaje się za zakończony w momencie, gdy próbka osiągnie zadaną: wysokość, gęstość lub liczbę cykli (1 cykl = 1 obrót). W niniejszych badaniach przyjęto, że proces zagęszczania został uznany za zakończony w momencie, gdy urządzenie wykonało 100 cykli. Tak zaformowane próbki były przechowywane w warunkach laboratoryjnych, tj. 20°C oraz w wilgotności względnej 65%. Zakres badań betonów obejmował:

• wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu po 7 i 28 dniach wg PN-EN 1338 zał. F [27],
• nasiąkliwość po 28 dniach wg PN-EN 1338 zał. E [27].

Na rys. 4 przedstawiono wyniki badań nasiąkliwości badanych próbek laboratoryjnych bez i z dodatkiem popiołu lotnego. Nasiąkliwość betonów bez popiołu lotnego mieściła się w przedziale 5,1÷5,3%. Natomiast betony zawierające popiół lotny miały wyższą nasiąkliwość 5,2÷5,6%. Wszystkie betony spełniłyby wymagania dotyczące betonowych kostek brukowych klasy B wg PN-EN 1338 tj. < 6,0% [27].

Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu po 7 i 28 dniach przedstawiono na rys. 5. Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie przy rozłupywaniu należy traktować porównawczo, a nie w kontekście wymagań normy PN-EN 1338 [27] – kryterium ≥ 3,6 MPa, gdyż zarówno przyjęty sposób formowania i pielęgnacji próbek nigdy nie odzwierciedlą w 100% warunków panujących w zakładzie produkcyjnym. Próbki bez dodatku popiołu uzyskały wytrzymałość po 7 dniach na zbliżonym poziomie 3,1÷3,2 MPa (beton referencyjny 3,1 MPa), natomiast po 28 dniach dojrzewania różnice były nieznacznie większe 3,2÷3,7 MPa (beton referencyjny 3,5 MPa). Natomiast w przypadku betonów, gdzie zastosowano popiół lotny krzemionkowy, spodziewano się spadku wytrzymałości i tak było w przypadku betonów z cementami CEM I 42,5R oraz CEM II/A-LL 52,5R (dodatek popiołu 70 kg/m3) odpowiednio 2,4 MPa i 2,2 MPa po 7 dniach pielęgnacji oraz 2,8 MPa i 2,9 MPa po 28 dniach pielęgnacji. Natomiast w przypadku cementów CEM II/B-V 42,5R i CEM II/B-M (V-LL) 42,5N z mniejszą ilością popiołu lotnego krzemionkowego V (dodatek popiołu 35 kg/m3) wytrzymałości były wyższe i wynosiły odpowiednio 3,2 MPa i 3,5 MPa po 7 dniach pielęgnacji oraz 3,5 MPa i 3,6 MPa po 28 dniach pielęgnacji.

Zastosowanie cementów portlandzkich wieloskładnikowych CEM II/A, B, a zwłaszcza CEM II/B-V 42,5R oraz CEM II/B-M (V-LL) 42,5N pozwala przy podobnych właściwościach obniżyć ślad węglowy betonów o 21÷25% (rys.6) w stosunku do cementu portlandzkiego CEM I 42,5R przy bardzo zbliżonych właściwościach wytrzymałościowych i nasiąkliwości.

W przypadku cementu CEM II/A-LL 52,5R korzyść związana z obniżeniem śladu węglowego była niższa tylko ok. 5 kg/m3, co wynika z mniejszego udziału nieklinkierowych składników głównych oraz dużego stopnia przemiału wymagającego znacznie większych ilości energii elektrycznej, która w Polsce pochodzi głównie ze spalania węgla.

6. Podsumowanie
Stosowanie cementów portlandzkich wieloskładnikowych CEM II/A, B w prefabrykacji wielko- i drobnowymiarowej daje potencjał do ograniczenia śladu węglowego związanego z ich produkcją przy zachowaniu zbliżonych właściwości użytkowych w porównaniu do cementu portlandzkiego CEM I, co jest zgodne z filozofią zrównoważonego rozwoju i ideą gospodarki w obiegu zamkniętym.
W kontekście prefabrykacji wielkowymiarowej przeprowadzone badania wykazały, że cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/A wysokich klas wytrzymałościowych, np. CEM II/A-LL 52,5R i CEM II/A-M (S-LL) 52,5N, mogą być z powodzeniem stosowane w produkcji sprężonych elementów w drogowych obiektach inżynierskich jako alternatywa dla powszechnie stosowanych cementów portlandzkich CEM I. Odpowiedni dobór rodzaju i ilości domieszek pozwala uzyskać mieszanki betonowe z cementami CEM II/A-M (S-LL) 52,5N lub CEM II/A-LL 52,5R charakteryzujące się porównywalnymi właściwościami reologicznymi istotnymi w kontekście prawidłowej ich zabudowy, zbliżonym stopniem napowietrzenia, co jest ważne w kontekście uzyskania odpowiedniej mrozoodporności. Betony z nich uzyskane charakteryzują się również zbliżonym przyrostem wytrzymałości wczesnych w przypadku cementu CEM II/A-LL 52,5R lub umiarkowanym w przypadku cementu CEM II/A-M (S-LL) 52,5N, co pozwala dobrać tempo prac do wymagań placu budowy czy zakładu prefabrykacji. Również cementy te pozwalają uzyskać betony o wysokich wytrzymałościach normowych (po 28 dniach) > 65 MPa. Betony z cementami CEM II/A-M (S-LL) 52,5N lub CEM II/A-LL 52,5R charakteryzowały się wysoką szczelnością (niska penetracja wody pod ciśnieniem), co pozwala wnioskować, że będą one miały bardzo dobrą odporność na wnikanie mediów agresywnych.
W przypadku prefabrykacji drobnowymiarowej cementy CEM II/A, B (np. CEM II/B-V 42,5R) z pewnością, mogą stanowić pełnoprawny zamiennik cementów portlandzkich CEM I w składzie betonu do
warstwy konstrukcyjnej elementów wibroprasowanych. Natomiast możliwość ich stosowania w warstwie fakturowej będzie zależna od odporności na zamrażanie/rozmrażanie z udziałem soli odladzającej, co nie było przedmiotem prezentowanych badań (badania są w trackie wykonywania).

Literatura:

1. Deklaracja środowiskowa III typu – EPD cementy CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV, CEM V produkowane w Polsce opracowane przez Instytut Techniki Budowlanej ITB (Piasecki M.) opracowane na zlecenie Stowarzyszenie Producentów Cementu w Polsce Właściciel Deklaracji Środowiskowej III Typu: Stowarzyszenie Producentów Cementu
2. PN-EN 197-1:2012 Cement – Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku
3. PN-EN 197-5:2021-07 Cement – Część 5: Cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/C-M i cement wieloskładnikowy CEM VI
4. Giergiczny Z., Małolepszy J., Szwabowski J., Śliwiński J.: Cementy z dodatkami mineralnymi w technologii betonów nowej generacji. Wydawnictwo Instytut Śląski Sp. z o.o., Opole, 2002
5. Deja J.; Marek Gawlicki, Zdzisław B. Kohutek, Łukasz Kotwica, Artur Łagosz, Radosław Mróz, Waldemar Pichór. Beton: technologie i metody badań, Stowarzyszenie Producentów Cementu, 2020. – 938.
6. Müller C., Performance of Portland-composite cements, Cement International, Nr 2, 2006, s. 112-119
7. Giergiczny Z., Sokołowski M.: Cement portlandzki wapienny CEM II/A-LL 42,5R w prefabrykacji, Materiały Budowlane, nr 11, 2008, s. 9-11.
8. Batog M., Bakalarz J., Synowiec K., Dziuk D., Stosowanie cementów wieloskładnikowych w budownictwie, Budownictwo, Architektura Technologie, nr 3/2022
9. Z. Giergiczny, „Popiół lotny w składzie cementu i betonu”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2013
10. PN-EN 15804+A2:2020-03 Zrównoważenie obiektów budowlanych – Deklaracje środowiskowe wyrobu – Podstawowe zasady kategoryzacji wyrobów budowlanych
11. PN-EN 16908+A1:2022-08 Cement i wapno budowlane – Deklaracje środowiskowe wyrobów – Zasady kategoryzacji wyrobów będące uzupełnieniem postanowień EN 15804
12. PN-EN 16757:2023-04 Zrównoważone podejście do obiektów budowlanych – Deklaracje środowiskowe wyrobu – Zasady dotyczące kategorii wyrobów w odniesieniu do betonu i elementów betonowych
13. Wzorcowe Warunki Wykonania i Odbioru Robót Budowlanych (WWiORB) Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad M-13.01.00 v04 „Beton konstrukcyjny w drogowych obiektach inżynierskich”, Warszawa, sierpień 2022
14. Sprawozdanie z badań nr BS.531.43.21.6 Badanie reaktywności alkalicznej kruszyw wg Procedury badawczej GDDKiA PB/2/18
15. Raport z badań: 01/ 2023 z dnia 02.02.2023 dla kruszywa grubego 2/8 mm, Trzuskawica S.A., Zakład Sitkówka
16. Raport z badań: 01/ 2023 z dnia 02.02.2023 dla kruszywa grubego 8/16 mm, Trzuskawica S.A., Zakład Sitkówka
17. PN-EN 12350-2 – Badanie mieszanki betonowej – Badanie konsystencji metodą opadu stożka
18. PN-EN 12350-7 – Badanie mieszanki betonowej – Badanie zawartości powietrza – Metody ciśnieniowe
19. PN-EN 12390-3 – Badanie betonu – wytrzymałość na ściskanie próbek do badań
20. PN-EN 12390-6 – Badanie betonu – wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu próbek do badań
21. PN-EN 12390-8 – Badanie betonu – Głębokość penetracji wody pod ciśnieniem
22. PN-EN 12390-12 „Badania betonu – Cześć 12: Oznaczenie odporności betonu na karbonatyzację – Przyspieszona metoda karbonatyzacji”
23. CEN/TR 15177:2006 Testing the freeze-thaw resistance of concrete – Internal structural damage
24. PN-B-06265:2018-10 – Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność – Krajowe uzupełnienie PN-EN 206+A1:2016-12
25. Wzorcowe Warunki Wykonania i Odbioru Robót Budowlanych (WWiORB) Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad D-05.03.04 v02 „Nawierzchnia z betonu cementowego”, Warszawa, sierpień 2019
26. NT BUILD 427 Concrete, fresh: Compactibility with ic-tester (intensive compaction tester)
27. PN-EN 1338:2005 – Betonowe kostki brukowe – Wymagania i metody badań