1. SPOIWA WAPIENNE

1.1. Rys historyczny

Znajomość technologii otrzymywania wapna sięga ok. 3000 r. p.n.e., kiedy to Egipcjanie używali go do produkcji wapiennej zaprawy murarskiej (Piramida w Gizie). Zaprawami otrzymywanymi przez zmieszanie wapna palonego z pucolanami posługiwali się Chińczycy przy budowie słynnego muru [2]. Zaprawą wapienną spotyka się prawie we wszystkich ważnych obiektach budowlanych w okresie panowania imperium rzymskiego. Rozwój przemysłu wapiennego w Polsce miał podobny charakter jak w całej Europie. Ogromny wzrost zapotrzebowania na produkty tego przemysłu został spowodowany rozwojem chemii budowlanej i budownictwa po II wojnie światowej [1].

1.2. Wapno budowlane

Wapno (PN-EN 459-1:2003) - materiał zawierający wszelkie fizyczne i chemiczne odmiany tlenku wapnia i/lub tlenku magnezu (CaO i MgO) i/lub wodorotlenków (Ca(OH)₂ i Mg(OH)₂)

Wapno budowlane - stosowane jest w budownictwie oraz inżynierii lądowej i wodnej. Używane jest jako spoiwo, do przygotowania zapraw (murarskich, obrzutek i tynków).

1.3. Rodzaje wapna budowlanego

Do wapna budowlanego należą: wapno powietrzne i wapno hydrauliczne. W tablicy 1 wymienione wszystkie rodzaje wapna budowlanego.

Tablica 1. Rodzaje wapna budowlanego

Nazwa	Rodzaje	Oznaczenie	Symbol
Wapno powietrzne	Wapno wapniowe	Wapno wapniowe 90	CL 90
				Wapno wapniowe 80	CL 80
				Wapno wapniowe 70	CL 70
			Wapno dolomitowe	Wapno dolomitowe 85	DL 85
				Wapno dolomitowe 80	DL 80
		Wapno hydrauliczne	Wapno hydrauliczne	Wapno hydrauliczne 2	HL 2
				Wapno hydrauliczne 3,5	HL 3,5
				Wapno hydrauliczne 5	HL 5
			Wapno hydrauliczne naturalne	Wapno hydrauliczne naturalne 2	NHL 2
				Wapno hydrauliczne naturalne 3,5	NHL 3,5
				Wapno hydrauliczne naturalne 5	NHL 5

1.3.1. Wapno powietrzne - wapno składające się głównie z tlenku wapnia lub wodorotlenku wapnia, powoli twardniejące w powietrzu pod wpływem działania atmosferycznego dwutlenku węgla. W zasadzie nie twardnieje pod wodą i nie ma właściwości hydraulicznych. Może być zarówno wapno palone jak i wapno hydratyzowane.

1.3.1.1. Wapno palone (Q) - wapno powietrzne składające się głównie z tlenku wapnia i tlenku magnezu, wytwarzane poprzez prażenie kamienia wapiennego i/lub dolomitu. Wapno palone wchodzi w reakcję egzotermiczną z wodą. Oferowane są w różnych stanach rozdrobnienia, od brył do materiału drobno zmielonego. Wapno palone jest ciałem porowatym, bezpostaciowym, bez zapachu. Barwa jest zależna od domieszek. Im ich jest mniej, tym barwa jest bardziej biała. Gęstość objętościowa wapna palonego w kawałkach, luźno nasypanego wynosi 0,8÷1,1 t/m³.

Otrzymanie wapna palonego (niegaszonego) - otrzymuje się przez wypalanie kamienia wapniowego, marmuru, kredy, wapnia w temp. 950÷1050°C wg następującej reakcji endotermicznej:

CaCO₃ → CaO + CO_2.

Wypalanie surowców odbywa się w piecach szybowych lub obrotowych o pracy ciągłej. W wyniku wypalania otrzymuje się wapno niegaszone w bryłach, które przez zmielenie można go sproszkować. Wapno palone wystawione na działanie powietrza wchłania wilgoć oraz dwutlenek węgla i traci swoje właściwości, przechodząc stopniowo w wodoro­tlenek, a następnie w węglan wapniowy. Proces ten nazywamy w technice wietrzeniem wapna. Po dłuższym leżeniu na powietrzu wapno palone przekształca się cał­kowicie w węglan wapniowy.

Gaszenie wapna palonego - gaszenie wapna polega na reakcji chemicznej (hydratacja) tlenku wapniowego z wodą w nadmiarze, w wyniku, której powstaje wodorotlenek wapniowy wg reakcji egzotermicznej:

CaO + H₂O → Ca (OH)₂ + Q (ciepło).

Teoretycznie na 56 części wagowych tlenku wapniowego przypada 18 części wody, w rzeczywistości jednak do przebiegu reakcji potrzeba więcej wody, ponieważ znaczna jej część wyparo­wuje. Ilość potrzebnej wody zależy poza tym od tego, czy wapno gaszone ma być w postaci proszku czy też ciasta wapiennego. Gaszenie odbywa się na mniejszych budowach sposobem ręcznym, a na większych budowach stosuje się gaszenie mechaniczne. Dobre ciasto jest lepkie, tłuste i jednolite. Wyczuwalna w dotyku szorstkość i grudkowatość świadczy o tym, że wapno jest zaparzone lub niedogaszone.

Wapno palone sproszkowane może mieć zastosowanie do:

1. Zapraw wapiennych murarskich i tynkowych, jeżeli zachodzi potrzeba szybszego wiązania i twardnienia np. zimą;

2. Do lekkich betonów komórkowych;

3. Jako dodatek do trocin (1:10) w izolacyjnych warstwach ścian i stropów budownictwa drewnianego.

1.3.1.2. Wapno hydratyzowane (S) - wapno powietrzne - wapno wapniowe lub wapno dolomitowe, otrzymywane w wyniku kontrolowanego gaszenia wapna palonego w sposób przemysłowy małą ilością wody tj. ok. 65% masy wapna wg reakcji:

CaO + H₂O → Ca (OH)₂ + Q (ciepło).

Wytwarzane jest w postaci suchego proszku lub ciasta, lub jako zawiesina (mleko wapienne). Gaszenie w zakładach przemysłowych polega na tym, że bryły wapna palonego rozdrabnia się w młynach, a następnie doprowadza się do urządzeń gaśniczych, gdzie dodaje się tyle wody, aby wapno rozpadło się w suchy proszek. Następnie transportuje się je do silosów, gdzie dojrzewa 4 lub 5 dni, potem mieli w młynach kulowych i odsiewa w tzw. separatorze powietrznym. Gęstość objętościowa wapna hydratyzowanego luźno nasypanego wynosi 0,4÷0,5 t/m³.

Wapno hydratyzowane ma zastosowanie do:

1. Przygotowania suchych mieszanek do tynków, zwłaszcza szlachetnych;

2. Do zapraw murarskich i tynkarskich, gdy nie ma dojrzałego ciasta wapiennego.

Wapno hydratyzowane dzieli się na:

1. Wapno wapniowe (CL) - wapno zawierające głównie tlenek wapnia lub wodorotlenek wapnia bez żadnych dodatków materiałów hydraulicznych lub pucolanowych.

2. Wapno dolomitowe (DL) - wapno zawierające głównie tlenek wapnia i tlenek magnezu lub wodorotlenek wapnia i wodorotlenek magnezu bez żadnych dodatków materiałów hydraulicznych lub pucolanowych - zawartości dolomitu (CaCO₃⋅MgCO₃) wynosi 90÷100%. Wstępują dwa rodzaje wapna dolomitowego:

1. Wapno dolomitowe półhydratyzowane - wapno dolomitowe hydratyzowane składające się głównie z wodorotlenku wapnia i tlenku magnezu.

2. Wapno dolomitowe całkowicie hydratyzowane - wapno dolomitowe hydratyzowane składające się głównie z wodorotlenku wapnia i wodorotlenku magnezu.

Ponadto istnieje wapno pokarbidowe - jest to hydratyzowane wapno wapniowe powstające jako produkt uboczny przy produkcji acetylenu z karbidu wg reakcji: CaC₂.2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂

Wapno pokarbidowe dzieli się na dwa rodzaje: mokre i suche, nadaje się do zapraw murarskich.

Twardnienie wapna gaszonego - twardnienie wapna gaszonego może zachodzić w dwojaki sposób:

1. Karbonatyzacja: Łączenie się z dwutlenkiem węgla, przebiega według wzoru:

Ca(OH)₂ + nH₂O + CO₂
CaCO₃ + (n+1) H₂O.

W wyniku tej reakcji otrzymuje się węglan wapniowy, który był produktem wyjściowym przy wyrobie wapna. Obecność wody jest niezbędna dla przebiegu reakcji, gdyż wapno suche nie łączy się z dwutlenkiem węgla. Woda odgrywa rolę katalizatora, umożliwiającego przyłączenie CO₂;

2. Tworzenie się krzemianów wapnia: Wapno może również wiązać przez
   reakcję chemiczną z dwutlenkiem krzemu SiO₂, którego krystaliczna odmiana
   - kwarc jest głównym składnikiem piasku. Reakcja ta może zachodzić jedynie
   w temperaturze powyżej 100°C i w obecności wody wg reakcji:

SiO₂ + H₂O
H₂SiO₃; 2Ca(OH)₂ + H₂SiO₃
2CaO.SiO₂.2H₂O.

1.3.3.Wapno hydrauliczne

Wapno hydrauliczne - spoiwo mineralne hydrauliczne o barwie szarej lub żółtawej otrzymywane przez wypalenie w temperaturze 900÷1100°C margli lub wapieni marglistych zawierających 6÷20% domieszek gliniastych lub wapieni krzemiankowych, a następnie zgaszenie na sucho (czyli dodanie niewielkiej ilości wody) i zmielenie. Zaprawy z wapna hydraulicznego mają niską wytrzymałość mechaniczną, przez to nie należą do często używanych spoiw. Niemniej stosuje się je do zapraw murarskich; do murów fundamentowych, do tynków narażonych na zawilgocenie, do betonów o niewielkiej wytrzymałości i do farb wapiennych.

1.3.3.1. Rodzaje wapna hydraulicznego

Wapna hydrauliczne dzielą się na:

1. Wapno hydrauliczne naturalne (NHL):

1. Wapno hydrauliczne naturalne - wapno wytwarzane poprzez wypalenie bardziej lub mniej ilastego lub krzemionkowego kamienia wapiennego, sproszkowane w procesie gaszenia, mielone lub niemielone. Wszystkie NHL mają właściwość wiązania i twardnienia pod wodą. Do procesu twardnienia przyczynia się atmosferyczny dwutlenek węgla.

2. Wapno hydrauliczne naturalne z dodatkami (Z) - produkty specjalne, które mogą zawierać do 20% masy odpowiednich dodatków materia­łów pucolanowych lub hydraulicznych, są dodatkowo oznaczone „Z”.

1. Wapno hydrauliczne (HL) - wapno składające się głównie z wodorotlenku wapnia, krzemianów wapnia i glinianów wapnia, wytwarzane poprzez mieszanie odpowiednich surowców. Ma ono właściwość wiązania i twardnienia pod wodą. Do proce­su twardnienia przyczynia się atmosferyczny dwutlenek węgla.

1.3.3.2. Cechy techniczne wapna hydraulicznego

Do najważniejszych cech technicznych wapna hydraulicznego należą:

1. Stopień zmielenia - pozostałość na sicie o wymiarach oczek 0,2 mm stanowi najwyżej 5% (wagowo), a pozostałość na sicie 0,09 mm - najwyżej 25% (wagowo);

2. Wytrzymałość zapraw normowanych z wapna hydraulicznego po 28 dniach przechowywania próbek na powietrzu za­leży od ich klasy i wynosi:

1. 2Ⴘ7 MPa - z wapna HL2 i NHL2;

2. 3,5Ⴘ10 MPa - z wapna HL3,5 i NHL3,5;

3. 5Ⴘ15 MPa - z wapna HL5 i NHL5.

3. Początek wiązania wapna hydraulicznego powinien nastąpić nie wcześniej niż po l godzinie, a koniec - nie później niż po 15 godzinach.

1.3.3.3. Gaszenie i produkcja przemysłowa

Gaszenie wapna hydraulicznego jest znacznie trudniejsze niż wapna zwykłego, ponieważ kawałki zawierające znaczną ilość niegaszących się składników bywają otoczone twardą powłoką krzemianów i wydzielają mniej ciepła. Gaszenie poprzedzane jest zwykle rozdrabnianiem na kruszarkach. Rozdrobnione wapno palone jest nawilżone w miarę możności ciepłą wodą w urządzeniach mieszających, a następnie wysypywane do zbiorników (silosów), gdzie zachodzi zgaszenie. Wapno hydrauliczne jest pakowane w worki papierowe po 50 kg brutto.

1.3.3.4. Twardnienie wapna hydraulicznego

Twardnienie obejmuje zjawiska twardnienia:

1. Powietrznego - polega na tym, że wodorotlenek wapniowy po wyparowaniu nadmiaru wody stopniowo wykrystalizowuje się oraz przekształca w warstwach powierzchniowych pod wpływem dwutlenku węgla i przy obecności wilgoci - w węglan wapniowy;

2. Hydraulicznego - polega na tym, że znajdujące się w rozdrobnionej postaci krzemiany, gliniany i żelaziany wapniowe, przy udziale wody, tworzą hydrokrzemiany, hydrogliniany wapniowe.

1.3.3.5. Zastosowanie wapna hydraulicznego

Wapno hydrauliczne ma zastosowanie do:

1. Do zapraw do murów fundamentowych;

2. Do zapraw zastępujących zaprawy wapienno-cementowe;

3. Do betonów niskich klas.

Literatura

1. Brylicki W. i inni: Technologia budowlanych materiałów wiążących. Cz. 1. Wapno i gips. WSiP, Warszawa 1992.

2. Praca zbiorowa pod kierunkiem Bogusława Stefańczyka. Budownictwo ogólne, tom 1 - Materiały i wyroby budowlane. Arkady, Warszawa 2005.

Normy:

PN-EN 459-1:2003 Wapno budowlane. Część 1: Definicje, wymagania i kryteria zgodności.

PN-EN 459-2:2003 Wapno budowlane. Część 2: Metody badań.

PN-EN 459-3:2003 Wapno budowlane. Część 3: Ocena zgodności.

2

---