1

Ć

wiczenie nr 2

Badania spoiw i zapraw – zagadnienia teoretyczne

1. Spoiwo – wypalony i rozdrobniony materiał mineralny, który po zarobieniu wodą wiąże i

uzyskuje odpowiednie parametry wytrzymałościowe, dzięki zachodzącym reakcjom

chemicznym.

Mieszanina spoiwa z wodą tworzy zaczyn.

Ze względu na zachowanie się spoiw w środowisku wodnym dzielimy je na:

•

powietrzne;

•

hydrauliczne.

1.1. Spoiwa powietrzne

Spoiwa powietrzne wiążą i nabierają właściwych cech wytrzymałościowych tylko w

warunkach powietrzno-suchych. Spoiwa te należą do najstarszych spoiw budowlanych.

Wszelkie wyroby i zaprawy na bazie tych spoiw mogą być stosowane wyłącznie w

warunkach powietrzno-suchych, ponieważ przy dostępie wody tracą swe właściwości

wytrzymałościowe (ulegają rozmiękczaniu).

1.1.1. Spoiwa wapniowe.

Wapno palone:

-

w bryłach;

-

mielone.

Wapno gaszone:

-

ciasto;

-

proszek.

Wapno palone uzyskuje się przez wypalenie w temperaturze od 950

÷

1250

°

C skały

wapiennej (CaCO

3

).

↑

+



 →



2

.

3

CO

CaO

CaCO

temp

Wapno palone nie nadaje się do bezpośredniego zastosowania do zapraw i wyrobów. Przed

użyciem należy poddać je procesowi gaszenia (lasowania), który zachodzi według reakcji:

Q

O

H

n

OH

Ca

O

nH

CaO

+

−

+

→



+

2

2

2

)

1

(

)

(

Jest to wapno w postaci ciasta, w którym zawartość wody wynosi około 50 %. Wapno

gaszone w postaci ciasta powinno mieć kolor biały lub lekko szary, jeśli jest brązowe, to

oznacza, że jest „spalone”, czyli gaszone zbyt małą ilością wody.

Wygodniejsze w stosowaniu, a przede wszystkim w magazynowaniu i dystrybucji jest wapno

hydratyzowane – czyli wapno palone, gaszone w sposób przemysłowy. Wapno to występuje

2

w postaci proszku i dostarczane jest w workach papierowych, które należy przechowywać w

suchych pomieszczeniach.

Proces wiązanie wapna jest powolny i wymaga dostępu powietrza (CO

2

), bez którego nie

wiąże. Wiązanie wapna przebiega według reakcji:

O

H

CaCO

CO

O

H

OH

Ca

2

3

2

2

2

2

)

(

+

→



+

+

Zastosowanie spoiw wapiennych:

•

zaprawy murarskie;

•

zaprawy tynkarskie;

•

farby budowlane;

•

wyroby silikatowe;

•

betony komórkowe.

1.1.2. Spoiwa gipsowe

Gips do celów budowlanych stosowano już w starożytności, około 9000 lat temu. Tak

wczesne stosowanie gipsu było możliwe dzięki niewysokiej temperaturze prażenia kamienia

gipsowego (około 200

°

C), łatwego mielenia (materiał miękki) oraz jasnej barwie.

Spoiwo gipsowe – gips budowlany tzw. półwodny powstaje w wyniku wypalenia kamienia

gipsowego dwuwodnego wg reakcji:

↑

+

⋅







→



⋅

°

O

H

O

H

CaSO

O

H

CaSO

C

temp

2

2

4

200

.

2

4

3

2

)

2

(

2

Wiązanie gipsu jest bardzo szybkie – po zarobieniu wodą przyłącza ją i powstaje kamień

gipsowy dwuwodny:

O

H

n

O

H

CaSO

O

nH

O

H

CaSO

2

2

4

2

2

4

)

3

(

)

2

(

2

2

−

+

⋅

→



+

⋅

Zalety gipsu:

-

estetyczny wygląd – gładkie powierzchnie, jasny kolor;

-

dosyć duża wytrzymałość w gipsie wysokowytrzymałościowym dochodząca do

40,0 MPa na ściskanie i 5,0 MPa na rozciąganie (zwykły gips budowlany posiada

wytrzymałość rzędu 6

÷

8 MPa na ściskanie oznaczaną na próbkach z zaczynu

normowego po wysuszeniu w temp. 50

°

C;

-

ekologiczny – reguluje wilgotność powietrza;

-

niepalny;

-

możliwość uzyskania gładkich odlewów architektonicznych.

Wady gipsu:

3

-

szybkie wiązanie;

-

koroduje stal;

-

brak odporności na środowisko wodne – rozmięka w wodzie i szybko traci wytrzymałość

(do 70 %).

Zastosowanie gipsu:

•

tynki gładzone;

•

ś

cianki działowe;

•

podsufiltki;

•

sztukateria – ozdoby architektoniczne;

•

wyroby budowlane np. płyty gipsowo-kartonowe;

1.2.

Spoiwa hydrauliczne

Spoiwa hydrauliczne wiążą i twardnieją zarówno w warunkach powietrzno-suchych jak i w

ś

rodowisku wodnym. Przedstawicielem spoiw hydraulicznych są różnego rodzaju

cementy.

Wynalezienie cementu przypisuje się Anglikowi (Joseph Aspdin), który w 1824 r. uzyskał

patent na jego wyrób i nazwał cementem portlandzkim. Nazwa pochodzi stąd, że po

związaniu spoiwo miało kolor skał wydobywanych pod miastem Portland.

Cement powstaje przez zmielenie klinkieru cementowego z dodatkiem (do 5 %) kamienia

gipsowego i dodatkami hydraulicznymi (wodotrwałymi).

Klinkier cementowy otrzymuje się przez wypalenie w temperaturze spiekania (1450

°

C)

mieszaniny surowców, zawierających wapień i glinokrzemiany. Podstawowe składniki

klinkieru to:

•

alit (3CaO

⋅

SiO

2

) – krzemian trójwapniowy, oznaczany skrótowo C

3

S, jego zawartość

w klinkierze wynosi od 50 do 65 % wagowo;

•

belit (2CaO

⋅

SiO

2

) – krzemian dwuwapniowy, oznaczany skrótowo C

2

S, ilość w

klinkierze 15 do 25 % wagowo, ma najwolniejszy proces hydratacji (uwodnienia);

•

glinian trójwapniowy C

3

A – w ilości ok. 10 %, najszybciej ulega hydratacji w

początkowej fazie procesu;

•

brownmilleryt (4CaO

⋅

Al

2

O

3

⋅

Fe

2

O

3

) – czterowapniowy związek tlenku żelaza

oznaczany jako C4AF – szybko wiąże, lecz ma niską wytrzymałość, ilość wagowa

wynosi 5 do 15 %.

Poza tymi minerałami w klinkierze występują jeszcze inne związki mineralne.

4

Podobnie jak złożony jest skład klinkieru cementowego, tak złożony jest proces wiązania

cementu. Spoiwo cementowe po zarobieniu wodą częściowo się w niej rozpuszcza, cząstki

nierozpuszczalne otoczone są warstewką wody. Zachodzi reakcja cząsteczek cementu z wodą,

w wyniku czego powstają nowe związki stanowiące produkty hydratacji i hydrolizy.

Hydratacja to uwodnienie polegające na przyłączeniu cząstek wody bez rozkładu cząstek

minerału. Przy hydrolizie następuje rozpad związków hydratacji, w wyniku czego powstają

nowe koloidalne (żelowe) związki, które z czasem ulegają zagęszczeniu, odwodnieniu i

przekrystalizowaniu tworząc zwartą substancję o wysokiej wytrzymałości i wodotrwałości.

Przykład hydrolizy krzemianu trójwapniowego (alitu):

2

2

2

2

2

)

(

2

3

OH

Ca

O

mH

SiO

CaO

O

nH

SiO

CaO

+

⋅

⋅

→



+

⋅

1.2.1. Rodzaje cementów

Cementy dzielą się na dwie grupy:

•

cementy powszechnego użytku;

•

cementy specjalne.

Cementy powszechnego użytku dzielą się na 5 rodzajów:

•

CEM I – cement portlandzki;

•

CEM II – cement portlandzki wieloskładnikowy: A i B;

•

CEM III – cement hutniczy: A, B, C;

•

CEM IV – cement pucolanowy: A, B;

•

CEM V – cement wieloskładnikowy: A, B.

Ze względu na zawartość składników innych niż klinkier, cementy dzieli się na odmiany: A,

B, C.

W zależności od wytrzymałości na ściskanie (MPa) po 28 dniach dojrzewania, oznaczonej

zgodnie z normą, rozróżnia się 3 klasy wytrzymałości cementu:

•

klasa 32,5 – wytrzymałość normowa ≥ 32,5 i ≤ 52,5 MPa;

początek wiązania ≥ 75 min;

•

klasa 42,5 – wytrzymałość normowa ≥ 42,5 i ≤ 62,5 MPa;

początek wiązania ≥ 60 min;

•

klasa 52,5 – wytrzymałość normowa ≥ 52,5 MPa;

początek wiązania ≥ 45 min.

5

Te trzy klasy w zależności od wytrzymałości wczesnej cementu dzielą się na:

•

cementy o normalnej wytrzymałości wczesnej (symbol N);

•

cementy o wysokiej wytrzymałości wczesnej (symbol R).

Przykładowe oznaczenie cementu:

CEM II / B-S 32,5N

oznacza:

CEM II – cement portlandzki wieloskładnikowy;

B-S – odmiana (B) dotycząca zawartości żużla wielkopiecowego (S) w ilości od 21 do 35 %;

32,5N – klasę wytrzymałości i normalną wytrzymałość wczesną.

Wśród cementów specjalnych można wyróżnić:

•

cementy o niskim cieple hydratacji – LH;

•

cementy o wysokiej odporności na siarczany – HSR;

•

cementy o małej zawartości alkaliów – NA.

Do cementów powszechnego użytku do daje się odpowiednich symboli:

•

CEM I do CEM V – symbol LH;

•

CEM I do CEM IV – symbol HSR;

•

CEM I do CEM V – symbol NA.