Cementy niskoemisyjne w suchych mieszankach chemii budowlanej – zaprawy klejowe do ociepleń

Poprawa charakterystyki energetycznej budynków to przede wszystkim poprawa warunków izolacyjnych zewnętrznych przegród budowlanych przeprowadzona w ramach zabiegów termomodernizacyjnych.

W ramach planowanych działań pojawia się pojęcie „rozszerzenie rynku zrównoważonych produktów i usług budowlanych”. Nietrudno zatem sobie wyobrazić, że w pracach renowacyjnych promowane będą „zielone” produkty i wyroby budowlane. Do takich produktów będą niewątpliwie należały systemy dociepleń, których składnikiem są suche zaprawy klejowe.

Zielony kierunek rozwoju gospodarki europejskiej ma wpływ na strategie rozwoju wielu branż i gałęzi przemysłu. Budownictwo odgrywa w Europejskim Zielonym Ładzie (ang. European Green Deal) kluczową rolę. Przemysł wyrobów budowlanych ma za zadanie dostarczać coraz to nowe, bardziej ekologiczne rozwiązania oraz promować produkty, których technologie produkcji i wykorzystane składniki charakteryzują się możliwie najniższym impaktem środowiskowym.

Szeroki asortyment produkcji suchych mieszanek chemii budowlanej opartych na spoiwie cementowym czy cementowo-wapiennym stwarza bardzo duże możliwości wykorzystania w ich recepturach cementów z nieklinkierowymi składnikami głównymi, takimi jak popiół lotny krzemionkowy, kamień wapienny czy granulowany żużel wielkopiecowy.

Cementy takie nie są jeszcze dobrze znane w branży suchych zapraw, a ich udział w recepturach jest niestety w Polsce znikomy. Jednym z czynników znacząco ograniczających dotychczas zastosowanie cementów z wyżej wymienionymi składnikami mineralnymi jest brak wystarczającej wiedzy i badań laboratoryjnych dokumentujących korzyści wynikające z ich stosowania.

Mając powyższe na uwadze, w krótkim cyklu artykułów, rozpoczętym publikacją [4] podjęto dyskusję, opartą na wynikach badań laboratoryjnych, dotyczącą możliwości wykorzystania „zielonych” cementów w suchych zaprawach.

Zaprawy klejowe do dociepleń

Wśród klejów do ociepleń wyróżnia się zasadniczo dwie grupy wyrobów:

• kleje przeznaczone wyłącznie do przyklejania elementu termoizolacyjnego do ściany, tj. styropian (EPS), polistyren ekstrudowany (XPS), wełna mineralna (MW),
• kleje uniwersalne przeznaczone zarówno do przyklejania płyt termoizolacji, jak i do zatapiania siatki zbrojącej.

W przypadku klejów do siatki produkowane są zarówno kleje szare, jak i białe, a ich kolor zależy od rodzaju użytego cementu. Produkcja klejów białych przeznaczonych wyłącznie do przyklejania styropianu jest nieuzasadniona ekonomicznie, dlatego nie ma ich w ofercie krajowych producentów suchych zapraw.

Cement, jako spoiwo w zaprawie klejącej, kształtuje właściwości mechaniczne. Wraz z dodatkiem proszku redyspergowalnego, odpowiada za właściwą przyczepność zaprawy klejącej do ściany i do płyt termoizolacji, zapewniając w dodatku odporność kleju na działanie wody i mrozu. W przypadku klejów przeznaczonych do zatapiania siatki cement przyczynia się do zwiększenia wytrzymałości mechanicznej warstwy zbrojącej. Warto dodać, że niekorzystny wpływ cementu na elastyczność zaprawy klejącej jest eliminowany poprzez odpowiedni dodatek proszku redyspergowalnego oraz włókien zbrojących [5].

Kleje cementowe uzyskują odpowiednią przyczepność głównie poprzez związanie fizyczne dyspersji polimerowej, a także zaczynu cementowego z powierzchnią podłoża lub termoizolacji. Mamy zatem w przypadku tego rodzaju klejów dwa rodzaje wiązań: słabe cementowe i mocne polimerowe, decydujące o jakości i trwałości połączenia [5].

Zaprawy klejące do ociepleń wymagają stosowania spoiwa zapewniającego szybki przyrost wytrzymałości w czasie. Dlatego też w recepturach tych wyrobów stosuje się prawie wyłącznie cementy portlandzkie o wyższych klasach wytrzymałości, tj. od klasy 42,5R poprzez 52,5N i na klasie 52,5R kończąc. Dodatkowo stosuje się często przyspieszacz twardnienia zaprawy, którym zazwyczaj jest mrówczan wapnia.

Kleje do ociepleń, jako składniki systemu ociepleń, są objęte wymaganiami właściwego dokumentu odniesienia, na który powołuje się producent. Najczęściej są to krajowe lub europejskie oceny techniczne, oparte na wymaganiach europejskich wytycznych opisanych w ETAG 004, a ostatnio w EAD [6, 7]. W dokumentach tych szczegółowe wymagania właściwości technicznych i użytkowych, w tym parametrów ogniowych, odnosi się do poszczególnych odmian pełnego systemu ociepleń, a wymagania dotyczące samych klejów ograniczane są do przyczepności do betonu/termoizolacji samego kleju czy też warstwy zbrojącej.

W TABELI 1 zestawiono wymagania dotyczące przyczepności klejów do betonu i do styropianu EPS.

Kleje do ociepleń to bardzo wymagająca grupa produktów, z uwagi na wysokie standardy dotyczące właściwości roboczych kleju, czasu przydatności do zużycia, aplikacji i obróbki kleju, szczególnie w warunkach wysokich temperatur, jakie panują latem przy pracach dociepleniowych.

Z drugiej strony, nie mniej istotne jest spełnienie wymagań stawianych klejom w zakresie przyczepności do betonu i do termoizolacji. Dlatego też autorzy niniejszej pracy przeprowadzili badania własne, mające na celu ocenę wpływu cementów z niższą zawartością klinkieru na właściwości klejów do ociepleń.

Cementy wykorzystane w projekcie badawczym

Na potrzeby projektu badawczego opracowano specjalne kompozycje dwóch zapraw klejowych:

• kleju przeznaczonego wyłącznie do przyklejania styropianu,
• kleju uniwersalnego przeznaczonego zarówno do przyklejania styropianu, jak i do zatapiania siatki.

Obie zaprawy klejące przygotowano z zastosowaniem zamiennie różnego rodzaju cementów. Klejami referencyjnymi były kleje wykonane na cementach portlandzkich dwóch klas wytrzymałości:

• CEM I 52,5R,
• CEM I 42,5R-NA.

Natomiast klejami, których właściwości sprawdzono dodatkowo, były zaprawy wykonane przy użyciu niskoemisyjnych cementów niskoklinkierowych:

• portlandzkiego popiołowego: CEM II/A-V 52,5R-NA,
• portlandzkiego wapiennego: CEM II/A-LL 42,5R-NA,
• portlandzkiego popiołowo-żużlowego CEM II/B-M (S-V) 42,5R.

Taki wybór cementów miał na celu zarówno sprawdzenie wpływu nieklinkierowych składników głównych (popiół, żużel, wapień) na uzyskiwane właściwości klejów do ociepleń, jak i porównanie parametrów uzyskiwanych przy dwóch najczęściej stosowanych w recepturach tych wyrobów klasach wytrzymałości cementów.

Podstawowe parametry w/w cementów, istotne z punktu widzenia zastosowania w zaprawach klejowych do systemów dociepleń, przedstawiono w TABELI 2.

Kluczem doboru badanych cementów oprócz właściwości fizycznych i chemicznych był także ich potencjalny wpływ na możliwość redukcji śladu węglowego w gotowych zaprawach klejowych. Według opracowania [8] składowe śladu węglowego w cemencie pochodzą od składników przedstawionych w TABELI 3 na podstawie danych pochodzących ze wszystkich zakładów cementowych w Polsce.

W rzeczywistości na podstawie danych od producenta cementów wykorzystanych do badań ślad węglowy został zredukowany dla cementów odniesienia CEM I 52,5 R i CEM I 42,5 R-NA odpowiednio:

• CEM II/A-V 52,5 R-NA o 14%,
• CEM II/A-LL 42,5 R-NA o 12%,
• CEM II/B-M (S-V) 42,5 R o 27%.

Warto w tym miejscu wspomnieć o właściwościach i wpływie poszczególnych nieklinkierowych składników głównych na właściwości cementów. Jak wspomniano wcześniej, cementy takie nie są jeszcze dobrze znane w branży suchych zapraw, a ich udział w recepturach jest znikomy.

Popiół lotny jest jednym z najczęściej stosowanych nieklinkierowych (zdekarbonizowanych) składników głównych cementu, a także najczęściej stosowanym dodatkiem w produkcji betonu. Jest to drobno uziarniony pył, składający się głównie z kulistych, zeszkliwionych ziaren, otrzymywany przy spalaniu pyłu węglowego, przy udziale lub bez udziału materiałów współspalanych, wykazujący właściwości pucolanowe i zawierający przede wszystkim SiO₂ i Al₂O₃.

Popiół lotny krzemionkowy jest otrzymywany przez elektrostatyczne lub mechaniczne wydzielenie pylastych cząstek z gazów odlotowych z elektrowni opalanych węglem kamiennym, w odróżnieniu od popiołu lotnego wapiennego – powstającego jako produkt uboczny spalania węgla brunatnego [9–15].

Popioły lotne V mają właściwości pucolanowe – jest to zdolność do reakcji z wodorotlenkiem wapnia, powstającym w wyniku hydrolizy krzemianów wapnia, z utworzeniem uwodnionych krzemianów wapniowych. Reakcja ta kształtuje w bardzo istotny sposób skład i właściwości zaczynu cementowego, a tym samym właściwości zapraw i betonów wykonanych z cementów popiołowych.

Cementy zawierające w swoim składzie popioły lotne są znane i stosowane od lat, a wielu autorów zwraca uwagę na szereg korzyści wynikających z ich stosowania [9–15].

Dodatek popiołów do cementu zmniejsza skurcz i pełzanie, a także ciepło twardnienia zapraw i betonów. Zaprawy z cementów popiołowych wykazują wolniejsze tempo narastania wytrzymałości w początkowym okresie twardnienia, ale z drugiej strony, z uwagi na reakcję pucolanową, mają stosunkowo wysoki wzrost wytrzymałości w późniejszym okresie twardnienia. Wolniejszy przyrost wytrzymałości w początkowym okresie twardnienia może być jednak zniwelowany poprzez drobniejszy przemiał cementów popiołowych.

Dla cementu CEM II/A-V 52,5 R-NA zastosowanego w opisywanym projekcie badawczym wykorzystano również specjalnie zaprojektowany dodatek funkcyjny dodawany w procesie przemiału celem zwiększenia aktywności ziaren cementu, a tym samym wpływający na szybkość reakcji hydratacji i tempo narastania wytrzymałości.

Betony i zaprawy z cementów popiołowych są znane z bardzo dobrej odporności na agresję chemiczną, znacząco obniżając korozyjne oddziaływanie alkaliów (w przypadku kruszyw reaktywnych), siarczanów czy wody morskiej [9–15].

Granulowany żużel wielkopiecowy powstaje jako produkt uboczny w hutach stali poprzez gwałtowne chłodzenie płynnego żużla o odpowiednim składzie, otrzymywanego przy wytapianiu rudy żelaza w wielkim piecu. Żużel wielkopiecowy wykazuje właściwości hydrauliczne, a w celu zapewnienia jego jak najlepszych właściwości należy dążyć do zwiększenia udziału fazy szklistej. Najlepszą metodą jest granulacja wodna i to pod ciśnieniem, która pozwala na uzyskanie zawartości szkła większej od 90% [16]. Wśród niewielkich ilości fazy krystalicznej wymienia się przede wszystkim melility, merwinit i monticellit [9].

Zaprawy z cementów żużlowych wykazują wolniejsze tempo narastania wytrzymałości w początkowym okresie twardnienia, ale z drugiej strony, z uwagi na reakcję hydrauliczno-pucolanową żużla, mają stosunkowo wysoki wzrost wytrzymałości w późniejszym okresie twardnienia. Podobnie jak w przypadku cementów popiołowych, wolniejszy przyrost wytrzymałości w początkowym okresie twardnienia może być jednak zniwelowany poprzez drobniejszy przemiał cementu.

Dla cementu portlandzkiego wieloskładnikowego CEM II/B-M (S-V) 42,5 R, wykorzystano właściwości granulowanego żużla wielkopiecowego (S) i lotnych popiołów krzemionkowych (V) polegające na efekcie synergistycznym równoczesnego oddziaływania tych dwóch składników mineralnych w cemencie.

W celu minimalizacji wpływu żużla wielkopiecowego i popiołu lotnego na tempo narastania wytrzymałości wczesnych, analogicznie jak w przypadku cementu popiołowego, wykorzystano możliwości specjalnie zaprojektowanego dodatku funkcyjnego, ale tym razem mając na uwadze zupełnie inny rodzaj kompozycji surowcowej. Dzięki takim działaniom przy stosunku niskiej zawartości klinkieru portlandzkiego udało się uzyskać bardzo wysokie wytrzymałości wczesne, co w przypadku tego typu cementów nie jest łatwe.

Betony i zaprawy z cementów żużlowych i popiołowych są znane z bardzo dobrej odporności na agresję chemiczną, znacząco obniżając korozyjne oddziaływanie alkaliów (w przypadku kruszyw reaktywnych), siarczanów czy wody morskiej. Szczególnie efektywne w tym zakresie są cementy hutnicze CEM III i pucolanowe CEM IV o odpowiednio wysokiej zawartości żużla i popiołu w cemencie.

Kamień wapienny jest powszechnie dostępnym nieklinkinkierowym składnikiem głównym cementu. Wyznacznikiem jakości wapienia jest odpowiednio wysoka zawartość CaCO₃ powyżej 75% oraz ograniczony udział gliny (iłów), który nie powinien przekraczać 1,2% masy suchej [17, 18].

Wapień dzieli się na dwa różne rodzaje, różniące się maksymalną zawartością węgla organicznego TOC:

• LL – o zawartości TOC ≤ 0,2% masy,
• L – o zawartości TOC 0,5% masy.

Dodatek wapienia poprawia urabialność zapraw i ich plastyczność. Kamień wapienny jest materiałem o bardzo dobrej mielności, z tego też względu przy wspólnym przemiale z klinkierem, jego ziarna są bardzo drobne i pełnią rolę mikrowypełniacza, doszczelniającego zaczyn cementowy i zmniejszającego tendencje do powstawania mikrospękań. Z tego też względu, cementy wapienne wykazują wysoką powierzchnię właściwą.

Dodatek wapienia przyspiesza twardnienie i zwiększa wytrzymałość zapraw i betonów z tym składnikiem. Związane jest to z dwoma mechanizmami oddziaływania chemicznego w zaczynie cementowym [9]:

• wpływem epitaksjalnym na krystalizację fazy C–S–H – podstawowego „budulca”, kształtującego wytrzymałość i trwałość,
• reakcji chemicznej z glinianami z utworzeniem uwodnionego węglanoglinianu (C3A · CaCO3 · 11H2O).

Kamień wapienny w cemencie CEM II/A-LL 42,5 R-NA normowo pełni funkcję składnika głównego inertnego, jednakże dzięki mechanizmom oddziaływania opisanym powyżej oraz odpowiedniemu procesowi mielenia w obecności specjalnego dodatku aktywatora możliwe było uzyskanie znacznie wyższych wytrzymałości wczesnych niż w porównywalnym (wykonanym na tym samym klinkierze) cemencie CEM I 42,5 R-NA.

Wyniki badań

W TABELACH 4–5 pokazano wyniki oznaczeń wykonanych zgodnie z europejskimi wytycznymi [6, 7] dla klejów w systemach ociepleń.

Zbadano przyczepność do betonu oraz przyczepność do styropianu. Wodożądność klejów ustalono z zachowaniem konsystencji zapraw.

Kleje z cementów popiołowych wykazywały nieznacznie wyższą wodożądność, wynikającą z wodożądności cementów. Wszystkie kleje, niezależnie od zastosowanego cementu, wykazywały bardzo dobre właściwości robocze oraz łatwą aplikację i obróbkę.

Zwrócono ponadto uwagę na nieco jaśniejszą kolorystykę klejów wykonanych z cementu wapiennego, zarówno w przypadku zaprawy świeżej, jak i stwardniałej (FOT. 1–2).

Wyniki badań wykazały, że przyczepność do styropianu klejów do ociepleń wykonanych z cementów niskoemisyjnych jest generalnie wyższa od przyczepności uzyskanej dla klejów z „czystych” cementów portlandzkich CEM I (FOT. główne).

Najlepsze wyniki uzyskano w przypadku zastosowania cementu CEM II/A-LL, zawierającego wapień. W pojedynczych przypadkach niektóre parametry są wyższe nawet o 30–50% w porównaniu do parametrów uzyskiwanych dla kleju z cementu CEM I.

Uzyskane wyniki znacząco przekraczają wymagania wytycznych europejskich ETAG/EAD. Dotyczy to szczególnie przyczepności po zanurzeniu w wodzie przez 2 h i suszeniu przez 2 h, gdzie wymagania są niższe.

W przypadku przyczepności do betonu najlepsze wyniki uzyskano przy zastosowaniu cementów wyższej klasy wytrzymałości, tj. CEM I oraz CEM II/A-V 52,5R.

Dla zapraw klejących z cementów klasy wytrzymałości 42,5R uzyskano nieznacznie niższe wyniki. W przypadku zaprawy z cementu klasy 42,5R dla jednego z klejów uzyskano generalnie wyższe wyniki z zastosowaniem cementów niskoemisyjnych CEM II, a dla drugiego nieco niższe.

Na szczególną uwagę zasługują wyniki uzyskane na cemencie CEM II/B-M (S-V) 42,5 R, czyli cemencie o niskiej zawartości klinkieru i wysokiej zawartości składników zdekarbonizowanych. Efekt „współpracy” składników głównych w kompozycji tego cementu pozwolił na osiągnięcie wartości wymaganych wytycznymi z dużym zapasem. To pozwala na postawienie tezy, że cementy z grupy B (zawartość składników nieklinkierowych w przedziale 21–35%) mogą być ciekawą alternatywą dla producentów zapraw klejowych do ociepleń, którzy mają na uwadze produkcję „zielonych” produktów.

Niezależnie od rodzaju cementu i klasy wytrzymałości, uzyskane wyniki znacząco przekraczają wymagania wytycznych europejskich ETAG/EAD. Także i w przypadku badań przyczepności do betonu, dotyczy to szczególnie przyczepności po zanurzeniu w wodzie przez 2 h i suszeniu przez 2 h.

Wnioski

1. Cementy popiołowe, popiołowo-żużlowe i wapienne mogą być stosowane w szerokim zakresie do produkcji klejów do ociepleń.
2. Kleje do ociepleń wykonane z niskoemisyjnych cementów popiołowych, popiołowo-żużlowych czy wapiennych wykazują porównywalne właściwości robocze i aplikacyjne w porównaniu do zapraw klejowych wykonanych z cementu CEM I bez dodatków.
3. Wyniki klejów do ociepleń przygotowanych z zastosowaniem cementów niskoemisyjnych są porównywalne, a częstokroć nawet wyższe w porównaniu do wyników uzyskanych dla klejów z cementów CEM I.
4. Zastosowanie niskoemisyjnych cementów popiołowych, popiołowo-żużlowych czy wapiennych w klejach do ociepleń może (choć nie musi) wiązać się z pewnymi zmianami receptur tych produktów.

Rozwój i wdrażanie technologii materiałów bu­dowlanych CEMEX jest częścią globalnego ne­tworku ds. badań i rozwoju, na czele z Centrum Badań CEMEX z siedzibą w Szwajcarii.

Prawa autorskie dotyczące badań: © 2022 / CEMEX Innovation Holding Ltd., Szwajcaria; Wszystkie prawa zastrzeżone.

Literatura

 1. 2020 Global Status Report for Buildings and Construction, https://architecture2030.org/newbuildings-embodied
 2. Strona internetowa: https://ec.europa.eu/clima/eu-action/climate-strategies-targets/2050-long-term-strategy_pl
 3. Strona internetowa https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/IP_20_1835
 4. P. Górak, S. Chłądzyński, K. Walusiak, „Cementy niskoemisyjne w suchych mieszankach chemii budowlanej – zielony kierunek rozwoju”, „IZOLACJE” 5/2022, s. 104–109.
 5. S. Chłądzyński, A. Wójcik, Ł. Bąk, „Wybrane aspekty roli cementu w kształtowaniu właściwości wyrobów chemii budowlanej”, Konferencja „Dni Betonu” 2014, s. 401–410.
 6. ETAG 004 „External thermal insulation composite systems (ETICS) with renderings” (Złożone systemy izolacji cieplnej ETICS z wyprawami tynkarskimi”), EOTA, czerwiec 2013.
 7. EAD 040083-00-0404 „External thermal insulation composite systems (ETICS) with renderings” (Złożone systemy izolacji cieplnej ETICS z wyprawami tynkarskimi”), EOTA, decyzja wykonawcza komisji (UE) 2020/1574 z 28 października 2020 r.
 8. „Beton – niskoemisyjny materiał budowlany”, red. B. Środa, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2021.
 9. W. Kurdowski, „Chemia cementu i betonu”, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2010.
10. F.M. Lea, „The Chemistry of Cement and Concrete”, Arnold Publishing, London 1970.
11. H.F.W. Taylor, „Cement chemistry”, 2nd Edition, Thomas Telford Publishing, 1997.
12. A.M. Neville, „Właściwości betonu”, wyd. IV, Polski Cement, Kraków 2000.
13. S. Chłądzyński, A. Garbacik, „Cementy wieloskładnikowe w budownictwie”, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2008.
14. Z. Giergiczny, „Popiół lotny w składzie cementu i betonu”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013.
15. S. Chłądzyński, „Ocena odporności na agresję siarczanową nowych rodzajów cementów w świetle nowelizowanych polskich norm cementowych PN-EN”, praca doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 1999.
16. H.G. Smolczyk, 7th ICCC Paris, t. I, s. III-1/3, Paris 1980.
17. PN-EN 197-1:2012, „Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku”.
18. PN-EN 197-5:2021, „Cement. Część 5: Cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II/C-M i cement wieloskładnikowy CEM VI.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!