WYKA
AD  MINERALNE SPOIWA BUDOWLANE
1. Klasyfikacja
Spoiwa mineralne - wypalony i sproszkowany minerał, który po wymieszaniu z wodą na skutek reakcji chemicznych ulega stwardnieniu, wykazując
właściwości wią\
ące.
Ze względu na zachowanie się spoiw mineralnych w czasie twardnienia w środowisku wodnym rozró\
nia się:
" spoiwa powietrzne - twardnieją (uzyskują odpowiednią wytrzymałość mechaniczną) tylko na powietrzu:
o wapno,
o gips oraz cement anhydrytowy (tzw. cement Keena),
o spoiwo magnezjowe (tzw. cement Sorela),
o spoiwo krzemianowe ze szkłem wodnym, uzyskiwane przez zmieszanie szkła wodnego (roztwór krzemianów sodowych lub
potasowych otrzymywany przez stopienie piasku z węglanem sodowym lub potasowym i rozpuszczenie stopu w wodzie pod
ciśnieniem) z wypełniaczem mineralnym o uziarnieniu do 0,2 mm. Jako wypełniacza u\
ywa się np. mączki kwarcowej. Obecnie
raczej nie u\
ywane;
" spoiwa hydrauliczne - twardnieją na powietrzu i pod wodą:
o cementy,
o wapno hydrauliczne (cement romański)
2. Rys historyczny
Spoiwa powietrzne nale\
ą do najstarszych spoiw.
Zastosowanie gipsu do celów budowlanych datuje się od ok. 2600 lat p.n.e (Egipt). Był wykorzystywany do spajania bloków kamiennych
w grobowcach oraz łączenia rur, białych wypraw ścian i stropów.
W Polsce u\
yto gipsu do wykonania zaprawy zastosowanej w fundamentach przybudówki kościoła przedromańskiego w Wiślicy (woj.
świętokrzyskie) oraz w części rotundy na Wawelu. Tak\
e jeden z najstarszych kościołów w Krakowie (na Krzemionkach) ma okrągłą nawę
wybudowaną przy u\
yciu gipsu.
Szersze stosowanie gipsu w Polsce datuje się od XVII w, zwłaszcza jako materiału do robót sztukatorskich. W XX w. zaczęto stosować gips
jako spoiwo do prefabrykatów, przy jego u\
yciu wznoszono budynki mieszkalne. Obecnie gips jest bardzo popularnym spoiwem stosowanym do
wykonywania zaczynów, zapraw, betonów, gotowych wyrobów w postaci drobnowymiarowych elementów.
W przypadku wapna brak dokładnych danych, co do miejsca i początku jego stosowania na potrzeby budownictwa. Spoiwa wapienne
spotyka się w budowlach Babilonu (605-562 r. p.n.e.). Z okresu 243-149 r. p.n.e. są znane receptury zapraw wapiennych i metod prymitywnej
produkcji wapna palonego. Rzeczywiste procesy zachodzące podczas wypalania wapna nie były znane do czasu odkrycia tlenku wapnia przez J.
Blacka w latach sześćdziesiątych XVIII w. W Polsce opisy metod produkcji wapna datują się od opisu Louisa Gay-Lussaca w 1836 r. Natomiast
pierwsze budowle wzniesione przy u\
yciu zapraw wapiennych pochodzą z X w. (rotunda na Wawelu w Krakowie).
Początki produkcji spoiw hydraulicznych sięgają XVIII w., kiedy zaczęto w sposób świadomy stosować dodatki hydrauliczne (wodotrwałe) do
zapraw wapiennych. Pierwszy cement wynalazł Anglik Joseph Aspen, który w 1824 r. uzyskał patent na jego wyrób. Spoiwo to nazwano cementem
portlandzkim. Spoiwa hydrauliczne nale\
ą do podstawowych materiałów budowlanych. Charakteryzują się cechami technicznymi, które umo\
liwiają
stosowanie ich w budownictwie w bardzo szerokim zakresie.
3. Charakterystyka spoiw
Spoiwa gipsowe i anhydrytowe
Spoiwa gipsowe i anhydrytowe są to materiały wią\
ące, otrzymywane z naturalnych siarczanów wapniowych występujących w przyrodzie w postaci
kamienia gipsowego (CaSO4*2H2O) i anhydrytu (CaSO4). Produkcja tych spoiw polega głównie na obróbce termicznej kamienia gipsowego lub
anhydrytu.
Spoiwa gipsowe szybko wią\
ące otrzymuje się w pra\
arkach w niskich temperaturach (135 - 230oC). Surowcem jest mączka gipsowa. Podczas
wypalania zachodzi proces odwodnienia według reakcji
CaSO4*2H2O --> CaSO4*1/2H2O + 3/2H2O
Produkt tej reakcji CaSO4*1/2H2O występuje w dwóch odmianach (alfa) i (beta). Odmiany te wykazują istotne ró\
nice
rozpuszczalności, czasu wiązania i wytrzymałości.
Odmiana (beta) w odró\
nieniu od odmiany (alfa) ma wygląd kłaczkowaty, krystalizuje w postaci bardzo drobnych kryształów. Stąd
odmiana (beta) ma gorsze właściwości wytrzymałościowe ni\
odmiana (alfa), która ma zwartą strukturę krystaliczną.
Spoiwa tej grupy nale\
ą do spoiw powietrznych szybko wią\
ących - o początku wiązania od 3 do 12 minut i końcu wiązania 15 do 20
minut.
Spoiwa gipsowe wolno wią\
ące produkowane są w wysokich temperaturach. Dzielą się one na:
" spoiwa anhydrytowe
" gips hydrauliczny
Spoiwa anhydrytowe nale\
ą do grupy spoiw gipsowych powietrznych. Podstawowym składnikiem jest bezwodny siarczan wapnia (CaSO4).
Sam siarczan wapniowy nie wykazuje właściwości wią\
ących, staje się dopiero spoiwem po zmieleniu i zaktywizowaniu pewnymi dodatkami (tlenki
alkaliczne, tlenek magnezowy, wapno palone i hydratyzowane, siarczany, cement portlandzki).
Spoiwo anhydrytowe otrzymuje się w wyniku wypalania kamienia gipsowego lub anhydrytu naturalnego w temperaturze 600 - 700oC i zmieleniu
go z aktywatorami. naturalnego w temperaturze 600 - 700oC i zmieleniu go z aktywatorami>
Gips hydrauliczny jest spoiwem powietrznym wykazującym właściwości hydrauliczne. Spoiwo to, obok podstawowego składnika jakim jest CaSO4,
zawiera pewien niewielki procent tlenku wapniowego CaO. Gips hydrauliczny otrzymuje się przez wypalanie kamienia gipsowego w temperaturze 800
- 1000oC. W takiej temperaturze gips dwuwodny przechodzi w siarczan bezwodny, ulegając częściowemu rozkładowi w/g reakcji
CaSO4 --> CaO + SO2 + 1/2O2
Początek wiązania gipsu hydraulicznego zachodzi po upływie 2 do 6 godzin, koniec wiązania po 6 do 30 godzin. Zaletą tak otrzymanego
spoiwa jest większa odporność na działanie wody i czynników atmosferycznych (mrozu)
Wiązanie spoiw gipsowych polega w zasadzie na reakcji odwrotnej do reakcji odwodnienia surowców stosowanych do produkcji gipsu.
CaSO4*1/2H2O + 3/2H2O --> CaSO4*2H2O +14,2 kJ/mol
Budowlane spoiwa gipsowe
Na potrzeby budownictwa produkuje się
Gips budowlany (PN-B-30041:1997)
Gipsy specjalne: gips szpachlowy, gips tynkarski i klej gipsowy (PN-B-30042:1997)
Gips budowlany - 2 CaSO4*H2O  otrzymuje się ze skały gipsowej (CaSO4*2 H2O) wypra\
onej w temp. Ok. 200 0C, a następnie zmielonej.
Podczas pra\
enia zachodzi następująca reakcja:
2 (CaSO4*H2O) �łtemperatura 2 CaSO4*H2O +3 H2Oę!
�ł�ł�ł
Gips budowlany produkuje się w dwóch gatunkach/*: GB-6 i GB-8. Ze względu na stopień rozdrobnienia rozró\
nia się gips GB-G (gips budowlany
grubo mielony) i GB-D (gips budowlany drobno mielony). Zestawienie cech technicznych gipsu budowlanego zawiera tabela 1.
/* - gatunek gipsu budowlanego określa wytrzymałość na ściskanie zaczynu normowego po wysuszeniu go do stałej masy w temperaturze 50
0
C. Aby wykonać to badanie, nale\
y przygotować próbki o wymiarach 4*4*16 cm z zaczynu o normowej konsystencji, które to po 2 godzinach
twardnienia poddane są suszeniu do stałej masy.
Tabela 1  Cechy techniczne gipsu budowlanego
Gips budowlany
Parametry
GB-G6 GB-G8 GB-D6 GB-D8
d"
1,00 mm d" 0,5 -
d"
d"
Pozostałość na sicie o boku oczka
0,75 mm - 0
kwadratowego (#), % masy gipsu
d" d"
0,20 mm d" 15,0 d" 2,0
d" d"
d" d"
e" e" e" e"
po 2 godzinach e" 1,8 e" 2,0 e" 1,8 e" 2,0
e" e" e" e"
e" e" e" e"
Wytrzymałość na zginanie, MPa po wysuszeniu
e" 4,0 e" 5,0 e" 4,0 e" 5,0
e" e" e" e"
e" e" e" e"
e" e" e" e"
do stałej masy
e" e" e" e"
po 2 godzinach e" 3,0 e" 4,0 e" 3,0 e" 4,0
e" e" e" e"
e" e" e" e"
Wytrzymałość na ściskanie, MPa po wysuszeniu
e" 6,0 e" 8,0 e" 6,0 e" 8,0
e" e" e" e"
e" e" e" e"
e" e" e" e"
do stałej masy
e" e"
początek wiązania po e" 3 e"6
e" e"
e" e"
Czas wiązania, min
d"
koniec wiązania po d" 30
d"
d"
Okres, w którym gips budowlany nie powinien wykazywać odchyleń od
90
wymagań normy (liczba dni od daty wysyłki)
Gipsy budowlane specjalne  w grupie tej produkuje się:
gips szpachlowy typu (B) - do szpachlowania budowlanych elementów betonowych
gips szpachlowy typu (G) - do szpachlowania budowlanych elementów gipsowych
gips szpachlowy typu (F) - do spoinowania płyt gipsowo - kartonowych
gips tynkarski typu (GTM)  do wykonywania wewnętrznych wypraw tynkarskich sposobem zmechanizowanym
gips tynkarski typu (GTR)  do ręcznego tynkowania
klej gipsowy typu (P)  do klejenia prefabrykatów gipsowych
klej gipsowy typu (T)  do osadzania płyt gipsowo - kartonowych
Zestawienie cech technicznych gipsów specjalnych zawiera tabela 2.
Tabela 2. Cechy techniczne budowlanych gipsów specjalnych
Gips szpachlowy Gips tynkarski Klej gipsowy
Parametry
B G F GTM GTR P T
Dopuszczalna pozostałość na sicie o boku oczka
kwadratowego, w (%):
- 1,00 mm 0 - 0 -
- 0,20 mm 2 - 5 -
Początek wiązania po upływie, min e" 60 e" 30 e" 90 e" 60 e" 25
e" e" e" e" e"
e" e" e" e" e"
e" e" e" e" e"
Wytrzymałość na ściskanie, MPa e" 3,0 e" 2,5 e" 3,0 e"2,5 e" 2,5 e" 3,0 e" 6,0
e" e" e" e" e" e" e"
e" e" e" e" e" e" e"
e" e" e" e" e" e" e"
Okres, w którym spoiwa nie powinny wykazywać odchyleń od wymagań normy
90
(liczba dni od daty wysyłki)
Gips syntetyczny  Światowy Fundusz Ekologiczny propaguje i wspiera program odsiarczania spalin we wszystkich elektrociepłowniach opalany
węglem brunatnym i kamiennym. W Polsce, pierwsza instalacja odsiarczania spalin montowana przez Holendrów w EC  Bełchatów (1994 r.) i
następne dostarczają gips dwuwodny, który jest wykorzystywany w budownictwie jako substytut gipsu naturalnego.
Spoiwa magnezjowe
Spoiwa magnezjowe, czyli tzw. cementy magnezjowe, otrzymywane są przez zmieszanie magnezytu kaustycznego lub dolomitu
kaustycznego z roztworami soli metali dwuwartościowych.
Spoiwa magnezjowe charakteryzują się szybkim procesem wiązania (kilka godzin), du\
ą wytrzymałością na ściskanie; nie są one jednak odporne na
długotrwałe oddziaływanie wody. Znajdują zastosowanie w budownictwie do produkcji posadzek bezspoinowych, płytek podłogowych, płyt
izolacyjnych.
Zaprawy magnezjowe powodują korozję betonu oraz silnie korodują \
elazo. Działanie korodujące jest wynikiem obecności MgCl2 w spoiwie i jest
potęgowane przez obecność wilgoci.
Spoiwa wapienne
Spoiwo wapienne nale\
y do grupy spoiw powietrznych i oparte jest na tlenku wapnia CaO.
Wapno palone (CaO) otrzymuje się przez wypalanie kamienia wapiennego (CaCO3) w piecach szybowych, bądz
obrotowych w temperaturze 950 -
1050oC. Proces wypalania zachodzi wg reakcji
CaCO3 <=> CaO + CO2 + 165,5 kJ/mol
W czasie wypalania wapienia temperatura nie mo\
e być zbyt wysoka, poniewa\
mo\
e wystąpić proces powlekania (oblepiania) ziarenek wapna
palonego nieprzepuszczalnymi dla wody stopionymi tlenkami zanieczyszczeń. Najczęściej tymi zanieczyszczeniami są: krzemionka, tlenki \
elaza,
tlenki glinu lub węglan magnezu.
Zbyt wysoka temperatura wypalania daje nam tzw. wapno martwe, nie podatne na proces gaszenia.
Wapno palone poddaje się procesowi gaszenia wg reakcji
CaO + H2O --> Ca(OH)2 - 63,5 kJ/mol
W zale\
ności od sposobu prowadzenia procesu gaszenia wapno dzieli się na:
" ciasto wapienne
" wapno hydratyzowane
" mleko wapienne
Ciasto wapienne otrzymywane jest w dołach do gaszenia i stanowi układ koloidalny wodorotlenku wapnia w nasyconym wodnym roztworze tego\

wodorotlenku; zawartość wody wynosi ok. 50% masy ciasta wapiennego.
Wapno hydratyzowane (sucho gaszone) jest sproszkowanym wodorotlenkiem wapnia, który otrzymuje się metodą przemysłową przez gaszenie
wapna palonego małą ilością wody (ok. 25%)
Mleko wapienne charakteryzuje się znacznym nadmiarem wody w układzie koloidalnym wodorotlenku wapnia.
Zaprawę murarską (wapienną) otrzymuje się poprzez zmieszanie 1 części objętościowej wapna gaszonego z 3-5 częściami piasku oraz wodą
Proces wiązania i twardnienia spoiwa wapiennego (zaprawy) zachodzi w dwóch etapach:
Pierwszy etap (kilka godzin) to czas, w którym następuje proces wiązania i krzepnięcia spoiwa.
Drugi etap trwający bardzo długo (do kilku lat) to okres twardnienia spoiwa.
Powy\
sze procesy polegają na odparowaniu wody przy równoczesnej reakcji wodorotlenku wapnia z dwutlenkiem węgla znajdującym się w
powietrzu
Ca(OH)2 + CO2 --> CaCO3 + H2O + 38 kJ/mol
Proces krystalizacji i wzrostu kryształów węglanu wapnia prowadzi do powstania du\
ych wzajemnie poprzerastanych kryształów tworzących szkielet,
od którego zale\
y stwardnienie spoiwa.
Wiązanie zapraw wapiennych w pomieszczeniach zamkniętych mo\
na przyśpieszyć przez spalanie koksu (wzrost temperatury i wzrost stę\
enia CO2
w powietrzu)
Piasek jest biernym pod względem chemicznym składnikiem (nie bierze udziału w procesie wiązania), jednak\
e ułatwia penetrację CO2 z
powietrzem w głąb zaprawy, przyspieszając w ten sposób tworzenie się CaCO3.
Spoiwo wapienne ulega stwardnieniu tylko na powietrzu. Tak otrzymane spoiwo z czasem ulega osłabieniu w wyniku reakcji chemicznej
CaCO3 + CO2 + H2 --> Ca(HCO3)2
Z przebiegu reakcji widzimy, \
e z czasem w wyniku oddziaływania wody i dwutlenku węgla z powietrza, nierozpuszczalny CaCO3 przekształca
się w rozpuszczalny Ca(HCO3)2. Z twardej zaprawy zostaje więc wypłukany najbardziej istotny składnik - węglan wapnia.
Wapno budowlane wg PN-EN 459-1:2003
" Wapno wapniowe CL  wapno palone dp, lu; wapno hydratyzowane dp, sl, pu
" Wapno dolomitowe DL  wapno półhydratyzowane dp; wapno całkowicie hydratyzowane dp
Opis:
- dp proszek
- sl zawiesina (mleko wapienne)
- lu kawałki
- pu ciasto
- wapno wapniowe (CL)  wapno zawierające głównie tlenek wapnia lub wodorotlenek wapnia bez \
adnych dodatków materiałów
hydraulicznych lub pucolanowych
- wapno dolomitowe (DL) - wapno zawierające głównie tlenek wapnia i tlenek magnezu lub wodorotlenek wapnia i wodorotlenek
magnezu bez \
adnych dodatków materiałów hydraulicznych lub pucolanowych
- wapno palone (Q) - wapno powietrzne składające się głównie z tlenku wapnia i tlenku magnezu, wytwarzane przez pra\
enie kamienia
wapiennego i/lub dolomitu. Wapno palone wchodzi w reakcję egzotermiczna z wodą. Mo\
e mieć ró\
ny stan rozdrobnienia od brył do
drobno zmielonego. Termin ten obejmuje wapno wapniowe i wapno dolomitowe
- wapno hydratyzowane (S)  wapno powietrzne, wapno wapniowe lub wapno dolomitowe, otrzymywane w wyniku kontrolowanego
gaszenia wapna palonego. Wytwarzane w postaci suchego proszku lub ciasta, lub jako zawiesina (mleko wapienne)
- wapno dolomitowe półhydratyzoawane  wapno dolomitowe hydratyzowane składające się głównie z wodorotlenku wapnia i
tlenku magnezu
- wapno dolomitowe całkowicie zhydratyzoawane - wapno dolomitowe hydratyzowane składające się głównie z wodorotlenku
wapnia i wodorotlenku magnezu
W tablicy 1 przedstawiono rodzaje wapna budowlanego powietrznego.
Tablica 1- Rodzaje wapna budowlanego powietrznego a
Oznaczenie Symbol
Wapno wapniowe 90 CL 90
Wapno wapniowe 80 CL 80
Wapno wapniowe 70 CL 70
Wapno dolomitowe 85 DL 85
Wapno dolomitowe 80 DL 80
a
Dodatkowo, wapno powietrzne jest klasyfikowane zgodnie z jego stanem dostawy: wapno palone (Q) lub wapno hydratyzowane
(S). W przypadku wapna dolomitowego hydratyzowanego zaznaczany jest stopień zhydratyzowania; S1- wapno półhydratyzowane; S2
- wapno całkowicie zhydratyzowane
Wapno powietrzne nale\
y klasyfikować według zawartości (CaO + MgO).
Przykład oznaczenia wapna budowlanego:
wapno wapniowe 90, dostarczane jako wapno palone jest identyfikowane następująco
EN 459-1 CL 90-Q
wapno dolomitowe 85 w postaci wapna półhydratyzowanego jest identyfikowane następująco
EN 459-1 DL 85-S1
W tablicy 2 przedstawiono wymagania chemiczne dotyczące wapna budowlanego
Tablica 2 - Wymagania chemiczne dotyczące wapna budowlanego a
Lp. Rodzaj wapna budowlanego CaO + MgO MgO CO2 SO3
1 CL 90 e" 90 d" 5 b d" 4 d" 2
e" d" d" d"
e" d" d" d"
e" d" d" d"
2 CL 80 e" 80 d" 5 b d" 7 d" 2
e" d" d" d"
e" d" d" d"
e" d" d" d"
3 CL 70 e" 70 d" 5 d" 12 d" 2
e" d" d" d"
e" d" d" d"
e" d" d" d"
4 DL 85 e" 85 d" 30 d" 7 d" 2
e" d" d" d"
e" d" d" d"
e" d" d" d"
5 DL 80 e" 80 d" 5 d" 7 d" 2
e" d" d" d"
e" d" d" d"
e" d" d" d"
a
Wartości podano w ułamku masowym wyra\
onym w procentach
b
Zawartość MgO do 7% jest akceptowana, je\
eli stałość objętości badana wg EN 459-2:2001, p. 5.3 jest pozytywna
Wymagania właściwości fizycznych wapna wapniowego hydratyzowanego, wapna dolomitowego hydratyzowanego i ciasta wapiennego zawiera
tablica 3.
Tablica 3 - Wymagania właściwości fizycznych wapna wapniowego hydratyzowanego, wapna dolomitowego hydratyzowanego i
ciasta wapiennego f
Zawartość
Stopień zmielenia e Stałość objętości b d
wolnej wody a
Dla wapna budowlanego innego ni\

ciasto wapienne i wapno dolomitowe
Dla ciasta
hydratyzowane c
wapiennego i
Rodzaj
Zgodnie z EN 459-2:2001, Zgodnie z EN 459- Metoda Metoda
wapna
wapna
p.5.2 2:2001, p.5.11 wzorcowa, alternatywna,
dolomitowego
budowlanego
zgodnie z EN zgodnie z EN 459-
hydratyzowanego
459-2:2001, 2:2001, p.5.3.2.2
p.5.3.2.1
Pozostałość w % masy
% mm mm
0,09 mm 0,2 mm
CL90
CL80 d" 2 d" 20
CL70 d" 7 d" 2 d" 2 pozytywna
DL85
- -
DL80
a
Dla ciasta wapiennego: zawartość wolnej wody d" 70% i e" 45%
b
Patrz EN 459-2:2001, p.5.3
c
Dla wapna hydraulicznego i wapna hydraulicznego naturalnego o zawartość SO3 powy\
ej 3% i poni\
ej 7%, stałość objętości jest badana
dodatkowo zgodnie z EN 459-2:2001, p.5.3.2.3
d
Dodatkowo, wapno wapniowe hydratyzowane, ciasto wapna wapniowego i wapno dolomitowe hydratyzowane, które zawierają ziarna
większe ni\
0,2 mm, powinny wykazywać stałość objętości badaną wg EN 459-2:2001, p.5.3.4
e
Nie dotyczy ciasta wapiennego
f
Stopień zmielenia i zawartość wolnej wody dotyczy wapna budowlanego do wszystkich zastosowań. Stałość objętości dotyczy wapna
budowlanego do zaprawy murarskiej, tynkowania i obrzutek.