Cement, od momentu wynalezienia technologii stabilizacji gruntu w latach 60. XX wieku, jest uważany za jedno z podstawowych spoiw stosowanych w tym procesie. Jest to spoiwo hydrauliczne, który możemy stosować samodzielnie, aby uzyskać pożądane właściwości stabilizacyjne. Jego uniwersalność wynika z tego, że reakcja cementu nie jest uzależniona od składników mineralnych gleby, a kluczową rolę odgrywa jego reakcja z wodą, która jest obecna w każdej glebie. Dlatego też znajduje on zastosowanie w stabilizacji różnych rodzajów gleb.
Tabela zawartości
Rodzaje cementu
Na rynku dostępne są różne rodzaje cementu, takie jak: zwykły portlandzki, wielkopiecowy, odporny na siarczany i wysokoglinowy. Wybór odpowiedniego rodzaju zależy głównie od rodzaju podłoża poddanego stabilizacji oraz oczekiwanej końcowej wytrzymałości gruntu.
Czym jest cement portlandzki?
Odmiana portlandzka to najczęściej stosowany rodzaje cementu. Jego podstawowe składniki to wapń, krzemionka, glin i żelazo pochodzące z wapienia, piasku i gliny. Wszystkie te składniki są przetwarzane, wypalane w piecu i rozdrabniane na drobny proszek. Końcowy produkt to właśnie cement portlandzki. W kontakcie z wodą, ulega on chemicznej hydratacji, tworząc żel, który tworzy zamykającą się matrycę wokół cząstek. W trakcie utwardzania twardnieje, nadając siłę całemu systemowi.
Niewielkie różnice prowadzą do powstania różnych rodzajów cementu. Zmiany w liniach produkcyjnych, różnice w surowcach lub zmiany na końcu procesu produkcji definiują rodzaj produkowanego cementu. Właściwości takie jak wprowadzanie powietrza, czyli miliony drobnych pęcherzyków powietrza, które zapobiegają naprężeniom wynikającym z cykli zamrażania i rozmrażania, są wyraźnie rozróżniane.
Rodzaje i zastosowanie cementu portlandzkiego
- CEM I 42.5R – nawierzchnie dróg, placów, prefabrykaty betonowe
- CEM I 52.5R – beton towarowy, prefabrykaty wielko- i drobnowymiarowe, konstrukcje sprężone, specjalne zaprawy murarskie
- biały czysty – mieszanki do betonu architektonicznego, prefabrykaty
- popiołowy CEM II/B-V 32,5R – jastrychy, posadzki, chudy beton, prefabrykaty drobnowymiarowe
- żużlowy CEM II/B-S 42.5R – stabilizacja gruntu, fundamenty, zaprawy
- wieloskładnikowy CEM II/B-M (V-LL) 32.5R – beton zwykły lub cementowy, zaprawy, prefabrykaty
Proces hydratacji
Proces hydratacji, który następuje po zmieszaniu cementu z wodą i innymi składnikami, prowadzi do stwardnienia mieszanki, tworząc klejącą masę. To skomplikowany proces, który zachodzi powoli od powierzchni ziaren spoiwa. Na przebieg hydratacji mogą wpływać różne czynniki. Przykładowo jest to obecność zanieczyszczeń, stosunek proporcji zastosowanego spoiwa z wodą, temperatura utwardzania, obecność dodatków oraz powierzchnia właściwa mieszanki. 1
Wpływ na właściwości gruntu
W rezultacie, ostateczny wpływ na wytrzymałość gruntów stabilizowanych cementem może być różny, w zależności od powyższych czynników. Jednak główne właściwości cementujące zwykłego cementu portlandzkiego, czyli krzemiany wapnia (C3S i C2S), są odpowiedzialne za rozwój wytrzymałości. Ponadto, wodorotlenek wapnia, będący produktem hydratacji tego spoiwa, reaguje z materiałami pucolanowymi w glebie, co daje dodatkowy materiał cementowy. Mimo że ilość użytego cementu jest zwykle niewielka, jest ona wystarczająca do poprawy właściwości inżynieryjnych gleby i dalszej poprawy jej wymiany kationowej.
Grunt stabilizowany w ten sposób charakteryzuje się szeregiem ulepszonych właściwości. Możemy wymienić tutaj zmniejszoną spójność (plastyczność), zmniejszoną rozszerzalność objętościową lub ściśliwość oraz zwiększona wytrzymałość. Dzięki tym właściwościom grunty te możemy efektywnie wykorzystywać w różnych branżach inżynieryjnych.
Zastosowania w stabilizacji podłoża
Cement odgrywa kluczową rolę w wielu dziedzinach inżynierii lądowej i budownictwa. Jednym z głównych zastosowań w stabilizacji podłoża jest poprawa jego nośności i stabilności, co ma kluczowe znaczenie w budowie dróg, lotnisk, dróg wodnych oraz podstaw fundamentów budynków. Poprzez stabilizację gruntu cementem można również zwiększyć jego odporność na działanie czynników atmosferycznych oraz zmniejszyć skłonność do erozji.
W przypadku budowy dróg, taka stabilizacja może znacznie zmniejszyć koszty budowy poprzez zwiększenie nośności podłoża, co pozwala na zmniejszenie grubości warstwy nawierzchni drogi. Ponadto, stabilizacja cementem może również zapobiegać deformacjom podłoża spowodowanym obciążeniami dynamicznymi, takimi jak ruch pojazdów ciężarowych czy cykliczne obciążenia.
W budownictwie mieszkaniowym i komercyjnym, stabilizacja gruntu cementem jest również szeroko stosowana. Wykorzystujemy ją w celu zwiększenia nośności podłoża pod fundamenty budynków oraz wzmocnienia gruntów pod obiektami przemysłowymi i infrastrukturalnymi.
Podsumowanie
Omawiane spoiwo odgrywa kluczową rolę jako spoiwo budowlane w stabilizowaniu gruntu. Jego uniwersalność i zdolność do poprawy właściwości gruntów sprawiają, że jest niezastąpionym materiałem w wielu dziedzinach inżynierii lądowej i budownictwa. Poprzez odpowiedni dobór rodzaju cementu oraz kontrolę procesu hydratacji można osiągnąć pożądane właściwości mechaniczne i stabilizacyjne gruntów, co przyczynia się do zwiększenia trwałości i efektywności różnych konstrukcji budowlanych.2