Výsledky skúmania vhodnosti zmesných cementov na použitie v cementobetónových krytoch

Vozovky ciest sú na Slovensku zhotovované prevažne z asfaltu z dôvodu nižších investičných nákladov a jednoduchosti opráv v porovnaní s vozovkami s cementobetónovým krytom (CBK). Treba zdôrazniť, že používanie CBK prináša určité špecifické výhody, ktoré presvedčili mnohé krajiny, a preto je nutné uvažovať o ich intenzívnejšom používaní aj na Slovensku. Medzi výhody CBK sa zaraďujú napr. ich tuhosť, mechanická odolnosť, využiteľnosť domácich zdrojov na ich zhotovenie, nižšie nároky na ich údržbu, úplná recyklovateľnosť, svetlejší povrch, nehorľavosť a absencia nebezpečných látok. Nevýhodami CBK oproti asfaltovým vozovkám sú napr. vyššie náklady na zhotovenie, zložitosť opráv a riešenie škár. Výroba vstupných materiálov na zhotovenie CBK je pokrytá z domácich surovín, čo má na rozdiel od asfaltu pozitívny vplyv na zahraničnú obchodnú bilanciu a udržanie a rast lokálnej zamestnanosti [1]. Pozitívnym príkladom môže byť úspešné zhotovenie vozovky z CBK na 8 km úseku cesty medzi Rohožníkom a Malackami v roku 2019, na ktorom Technický a skúšobný ústav stavebný, n. o., (TSÚS) vykonal kontrolné skúšky čerstvého a zatvrdnutého betónu. 

Norma STN 73 6123 [2] dokumentuje použitie cementov pre jednotlivé skupiny CBK nasledovne: pre skupinu CB I je vyžadovaný výlučne portlandský cement CEM I alebo špeciálny cestný cement pevnostnej triedy minimálne 42,5 MPa a pre skupiny CB II a CB III cementy CEM I, príp. CEM II/A‑S a CEM II/B‑S, s obmedzeniami na pevnostné triedy minimálne 32,5 MPa alebo 42,5 MPa. 

Cementárne sa zaviazali do roku 2030 znížiť emisie skleníkových plynov oproti roku 1990 až o 55 % a do roku 2050 dosiahnuť tzv. uhlíkovú neutralitu [3]. Zväz výrobcov cementu Slovenskej republiky (ZVC) je preto tlačený, aby podnikal efektívne kroky na rapídne znižovanie emisií CO₂ pri produkcii cementov, resp. pri výrobe portlandského slinku, ktorý sa v najväčšom rozsahu používa na produkciu portlandského cementu CEM I [4]. Jednou z možností redukcie emisií CO₂ je produkcia ekologicky úspornejších zmesných až novodobých kompozitných cementov, ktoré obsahujú výrazne menej slinku ako cement CEM I. Zmesné cementy CEM II až CEM V sú známe už dlhšiu dobu, ale produkcia nových kompozitných cementov bola uvedená na Slovensku až zavedením normy STN EN 197 – 5 [5] v roku 2021. U týchto cementov sa povoľuje zastúpenie slinku minimálne 35 %, zatiaľ čo v cemente CEM I je obsah slinku minimálne 95 % [6].  

Využite ekologicky šetrnejších cementov sa stretáva s normatívnymi problémami ich zabudovania v niektorých stavebných výrobkoch, kde sa doteraz nepreukázala vhodnosť ich použitia. TSÚS preto vykonal dlhodobý výskumný projekt preukazovania vhodnosti dodnes nepoužívaných zmesných cementov v CBK. 

Na Oddelení materiálového výskumu TSÚS sme podľa zadania ZVC overovali použiteľnosť nasledovných typov cementov v CBK (ďalej ako CB I, CB II a CB III): pre CB I cementy CEM II/A‑S (skr. A‑S) a CEM II/B‑S (skr. B‑S), pre CB II cement CEM II/A‑LL (skr. A‑LL) a pre CB III cementy CEM III/A (skr. III/A) a CEM II/A‑LL. Projekt bol pre každý overovaný systém rozdelený do troch samostatných etáp. Všetky skúšky sa realizovali podľa relevantných európskych skúšobných noriem na betón. 

Prvá etapa projektu bola zameraná na skúšky vlastností cementov podľa požiadaviek STN EN 197 – 1 [6], ktoré sme porovnávali s požiadavkami podľa kapitoly 5.2.2 STN 73 6123 [2]. Úlohou bola špecifikácia parametrov a prvotné zhodnotenie vhodnosti overovaných cementov na ďalšie  skúšanie v betónoch pre CBK. 

Ďalej sme posudzovali vhodnosť cementov na základě parametrov čers­t­vých a zatvrdnutých betónov. Vyrobili a skúšali sme referenčné betóny (REF-CB) podľa receptúr od priemyselných výrobcov betónov s deklarovanými a overenými vlastnosťami pre CBK a experimentálne betóny podľa rovnakých receptúr s rozdielom po­užitia overovaných cementov podľa zadania ZVC (EXP-CB). 

V druhej etape projektu sa podrobili jednotlivé REF-CB a EXP-CB betóny skúš­kam na overenie ich tzv. funkčných a trvanlivostných parametrov, ktoré boli zvolené nad rámec požadovaných skúšok podľa STN 73 6123 [2]. Na betónoch sme skúšali a overovali vplyv cementov na: 

Cieľom druhej etapy bolo zhodnotenie a porovnanie dlhodobých a ďalších podstatných vlastností experimentálnych betónov v porovnaní s betónmi referenčnými. 

Tretia etapa predstavovala realizačný výstup projektu. Podľa špecifikácií v kapitole 8.4 normy STN 73 6123 [2] bola v priemyselnom meradle na ceste medzi mestami Rohožník a Malacky zhotovená pokusná realizácia tzv. referenčného úseku CB krytu, na ktorom sa použil betón s overovaným cementom CEM II/B‑S. Počas realizácie CB krytu sme odobrali betón a vykonali normou [2] predpísaný rozsah skúšok. 

Výsledky skúšok parametrov skúmaných cementov, ktoré sme porovnávali s požiadavkami na cement pre  CB I podľa kapitoly 5.2.2 STN 73 6123 [2], sú uvedené v tab. nižšie. Cementy sa v niektorých vlastnostiach líšia od požiadaviek pre cestný portlandský cement (CPC) v CB I: 

Na základe výsledkov sme zhodnotili, že overované cementy sú vhodné na ďalšie skúšanie v betónoch pre CBK, kde sa študuje vplyv cementov na podstatné vlastnosti čerstvých a zatvrdnutých betónov. 

Pre skúšky sme použili dve overené receptúry: 1. pre skupinu CB I a CB II a 2. pre CB III. Vyrobili sme vždy tri zámesi betónov a odskúšali ich reologické vlastnosti a pevnostné charakteristiky podľa požiadaviek STN 73 6123 [2]. Prvé a druhé zámesi pre CB I a II obsahovali rovnaké dávky prísad, v tretej zámesi sa optimálne upravili dávky prísad za účelom dosiahnutia rovnakých reologických vlastností čerstvých betónov. Prvá a tretia zámes sa skú­šala a plnila do foriem ihneď po zamiešaní, druhá zámes po 30 min státia betónu v miešačke. Všetky betóny mali zložky rovnaké (okrem druhu cementu). Podobne sme postupovali pri CB III, kde prvé zámesi obsahovali rovnaké dávky prísad a skú­šali a plnili sa do foriem ihneď po zamiešaní, druhé a tretie zámesi mali upravenú dávku prevzdušňovacej prísady na dosiahnutie porovnateľného obsahu vzduchu a boli skúšané ihneď a po 30 min státia v miešačke. 

Betón s cestným portlandským cemen­tom (CPC) predstavoval prvý referenčný betón a betóny s CEM II/A‑S (A‑S), CEM II/B‑S (B‑S) a CEM II/ A‑LL (A‑LL) predstavovali experimentálne betóny pre skupiny CB I a CB II (obr. nižšie). 

Pre skupinu CB III bola použitá 2. receptúra betónov s referenčným cementom CEM II/A‑S (REF-CB-III) a experimentálnym cementom CEM III/A (EXP-CB-III‑A) (obr. nižšie).

Použitím cementov v experimentálnych betónoch pre CB I a II (A‑S, B‑S a A‑LL) sa pri zachovaní dávok prísad (prvá a druhá výroba) menili ich reo­logické vlastnosti – v porovnaní s referenčným betónom (CPC) sa znižoval obsah vzduchu a znižovala miera sadnutia kužeľa (konzistencia). Optimálnou úpravou dávok prísad (tretia výroba) sa dosiahli betóny porovnateľných reologických vlastností. 

Pri zachovaní rovnakých dávok prísad (prvá výroba) boli oba betóny pre CB III charakterizované identickou konzistenciou sadnutím kužeľa (S4), pričom betón s cementom CEM III/A vykazoval výrazne nižší obsah vzduchu. Úpravou dávky prevzdušňovacej prísady (druhá a tretia výroba) sme dosiahli porovnateľné hodnoty konzistencie a obsahu vzduchu. 

Betóny sme ďalej podrobili skúškam pevností (obr — pevnostné charakteristiky zatvrdnutých betónov), odolnosti povrchu proti pôsobeniu vody a chemických rozmrazovacích látok (CHRL) po 75 a 100 cykloch, mrazuvzdornosti po 300 cykloch (tab. nižšie) a na betónoch z tretej (pre CB I a II), resp. prvej (pre CB III)  výroby sa stanovil súčiniteľ priestorového rozloženia vzduchových pórov. Za účelom komplexného zhodnotenia všetkých relevantných vlastností betónov sme pre CB III vykonali aj skúšky vlastností, ktoré nemajú špecifikované požiadavky podľa STN 73 6123 [2] (mrazuvzdornosť a súčiniteľ priestorového rozloženia vzduchových pórov). 

Pri použití overovaných cementov sme v experimentálnych betónoch rovnako ako u referenčných betónov dosiahli parametre pevností podľa kritérií STN 73 6123 [2] pre jednotlivé skupiny CBK. Pevnosti experimentálnych betónov sú porovnateľné s pevnosťami referenčných betónov. 

U všetkých betónov bola splnená požiadavka na minimálny súčiniteľ mra­zuvzdornosti 0,85 a maximálny stupeň odolnosti proti CHRL po 100 (pre CB I a II), resp. 75 (pre CB III) cykloch maximálne 2 (odpad do 500 g/​​m²), okrem betónu s cementom CEM II/B‑S pre CB I (EXP-CB-I‑B‑S).  

Všetky betóny pre CB I a CB II splnili požiadavku na súčiniteľ priestorového rozloženia vzduchových pórov maximálne 0,24 mm [2]. Pre betóny CB III sa v norme STN 73 6123 [2] toto kritérium nepredpisuje. 

Pre CB I a II sme vykonali podľa zadania ZVC opakované skúšky odolnosti betónov proti CHRL vo veku 90 dní od výroby (tab. nižšie). Zámerom bolo preukázanie vplyvu všeobecne známej vlastnosti zmesných cementov postupného tvrdnutia aj po 28 dňoch. Táto vlastnosť sa využíva pri skúškach pevnosti po 56 alebo 90 dňoch. Zlepšenie výsledkov opakovaných skúšok po 90 dňoch sa najvýraznejšie prejavilo na betóne s CEM II/B‑S, čím sme overili jeho odolnosť proti CHRL v tejto časovej relácii. 

Účelom skúšok plastického zmrašťovania bolo porovnanie parametrov zámerne vyvolaných trhlín v betónoch pri rovnakom režime uloženia v špeciálnej forme počas prvých 24 h od zamiešania betónov. Trhlina vznikla účinkom plastického zmrašťovania čerstvých betónov pomocou pôsobenia vetra a vyvolávača napätia (obr. nižšie). 

Použitím overovaných cementov sa v porovnaní s referenčnými betónmi ovplyvnilo plastické zmrašťovanie betónov a vznikli trhliny s väčšou šírkou (tab. nižšie). Jednu z hlavných príčin uvádzame súčinnosť menšieho obsahu slinku a väčšieho merného povrchu overovaných cementov oproti referenčným. V praxi sa redukuje riziko vzniku zmrašťovacích trhlín napr. vhodným počiatočným ošetrovaním. 

Vplyv cementov na súdržnosť povrchových vrstiev betónov sme overovali skúškou ich pevnosti v ťahu. Merali sme súdržnosti povrchovej vrstvy betónu po úprave zdrsnením pred a po skúške odolnosti proti pôsobeniu vody a CHRL (tab. nižšie). 

Skúšali sme obrusnosť betónov a vyhodnocovali sme úbytok hmotnosti, výšky a objemu betónovej vzorky po 440 otáčkach obrusovania brúsnym kotúčom. Overované cementy v porovnaní s referenčnými betónmi významne neovplyvnili obrusnosť betónov a súdržnosť ich povrchových vrstiev. 

Po jednoročnej expozícii betónov v laboratóriu a exteriéri sme odskú­šali dlhodobú pevnosť v priečnom ťahu a v tlaku a dynamický modul pružnosti (tab. 6). Uložením betónov v exte­riéri došlo len k marginálnym zmenám v sledovaných vlastnostiach v porovnaní s laboratórnym uložením a referenčnými betónmi. 

Z porovnania výsledkov skúšok experimentálnych a referenčných betónov vyplývajú nasledovné zistenia: 

Vykonaný rozsah výskumu neobjavil žiadne významné prekážky pre použitie zmesných cementov v CBK, čím sa preukázala ich vhodnosť podľa zadania. Výsledky poukázali na možné zhoršenie odolnosti betónu proti CHRL vo veku 28 dní a možnú zvýšenú náchylnosť na vznik zmrašťovacích trhlín v plastickom stave pri použití cementu CEM II/B‑S. Preto sa navrhuje pri aplikácii cementu CEM II/B‑S 
v betónoch pre CB I uplatňovať adek­vátne opatrenia na zabezpečenie prijateľnej odolnosti proti CHRL, ako napr.: 

Výsledky ďalej poukázali na potenciálne riziko vyššej náchylnosti na vznik zmrašťovacích trhlín v betónoch pre CB kryty s overovanými cementmi v porovnaní s referenčnými cementmi. Preto sa odporúča venovať zvýšenú pozornosť pri ošetrovaní hlavne čerstvého a mladého betónu v plastickom stave. 

V roku 2022 bol ukončený výskumný projekt zameraný na overenie použiteľnosti nového druhu cementu CEM II/C‑M (S‑LL) podľa STN EN 197 – 5 v betónoch podľa STN EN 206+A2. Porovnávacími referenčnými cementmi boli CEM I, CEM II/B‑M (S‑LL) a CEM III/A. Výsledky budú prezentované na slovenských a českých konferenciách.