Spoiwo mineralne - materiał wiążący (spoiwo) otrzymany przez wypalenie i zmielenie surowców mineralnych (najczęściej skał osadowych). W materiałach tych, po dodaniu wody, zachodzą reakcje chemiczne, w wyniku których następuje proces wiązania i twardnienia. Spoiwa mineralne dzielimy na hydrauliczne i powietrzne ze względu na sposób ich zachowania się w środowisku wodnym podczas twardnienia.
1. Spoiwa powietrzne - twardnieją (uzyskują odpowiednią wytrzymałość mechaniczną) tylko na powietrzu:
Wapno - spoiwo mineralne powietrzne (suchowiążące).
W budownictwie używane jest pod różnymi postaciami, choć postacią końcową jest mleko wapienne.
Obecnie sprzedawane jest głównie w postaci wapna hydratyzowanego, dawniej w postaci wapna palonego.
Występuje pod następującymi postaciami:
wapno palone (niegaszone) - CaO, czyli tlenek wapnia. Otrzymywane przez wypalanie (prażenie) kamienia wapiennego w temperaturze 900 - 1300°C, w wapienniku. Po wypaleniu, ma formę brył, których barwa zależy od domieszek. Do niektórych zastosowań wapno palone bywa mielone. Im mniej jest domieszek, tym bardziej białe jest wapno. Wapno palone łatwo chłonie wilgoć z powietrza i wchodzi w reakcję chemiczną, w wyniku której powstaje wodorotlenek wapnia.
Wapno palone w bryłach jest używane: w przemyśle hutniczym jako topnik, do produkcji karbidu, jako półprodukt do zapraw murarskich, tynkarskich i sztukatorskich, do neutralizacji odpadów
Wapno palone mielone jest używane do: do produkcji betonów komórkowych i cegły wapienno-piaskowej, w hutnictwie (głownie do odsiarczania), w przemyśle chemicznym, w przemyśle energetycznym jako sorbent do odsiarczania spalin, w ochronie środowiska, było używane jako dodatek do trocin przy wypełnianiu ścian drewnianych szkieletowych (także suchogaszone), obecnie jest używane głównie w ochronie środowiska (neutralizacja i higienizacja odpadów stałych).
wapno gaszone (lasowane) - Ca(OH)2 - wodorotlenek wapnia. Gaszenie (lasowanie), to reakcja chemiczna tlenku wapnia z wodą i powstanie wodorotlenku wapnia: CaO + H2O = Ca(OH)2. Proces gaszenia może być przeprowadzony metodą:
na mokro - dawniej metoda ta była często stosowana bezpośrednio na budowie, w wyniku daje ciasto wapienne i mleko wapienne
na sucho - przy użyciu minimalnej ilości wody, niezbędnej dla prawidłowej reakcji chemicznej, proces przeprowadzany w warunkach przemysłowych. W wyniku otrzymywane jest wapno hydratyzowane.
Proces gaszenia "na mokro" (dla wcześniej rozkruszonych brył) powinien trwać minimum 2 tygodnie dla wapna służącego przy wykonywaniu prac murarskich i minimum 2 miesiące dla wapna używanego do wykonywania prac tynkarskich. Jednak w ten sposób gaszono dawniej raczej większe bryły wapna, proces ten przeprowadzano nawet na rok przed planowanym użyciem materiału. W wyniku procesu gaszenia otrzymywany jest wodorotlenek wapnia.
ciasto wapienne - plastyczna masa otrzymywana z wapna gaszonego. Powinna mieć kolor biały z odcieniem szarego, aż do szarego. Jeśli ma kolor brązowy, to znak, że proces gaszenia przebiegał przy użyciu za małej ilości wody. Wapno zostało "spalone" podczas procesu gaszenia i nie nadaje zaprawie lepkości. Przechowywane w dołach pod cienką warstwą piasku, który chroni wapno przed wysychaniem. Wapno gaszone można było przechowywać w ten sposób nawet wiele lat.
wapno hydratyzowane (suchogaszone) - wapno hydratyzowane to suchy proszek, gotowy do użycia przy przygotowywaniu zapraw wapiennych i cementowo-wapiennych. Zaleca się gaszenie wapna hydratyzowanego na 24 godziny przed użyciem do murowania i tynkowania.
mleko wapienne - zawiesina powstała przez rozcieńczenie ciasta wapiennego wodą, łatwo osiada, dlatego jest wytwarzana bezpośrednio przed użyciem. Używana jako dodatek do zapraw wapienno-cementowych, oraz do bielenia (malowania) ścian budynków i pomieszczeń gospodarczych. Ma silne własności odkażające i neutralizujące kwasy. Rozrobienie innych form wapna do mleka przed dodaniem innych składników ułatwia równomierne mieszanie zaprawy murarskiej i zapobiega powstawaniu grudek nierozrobionego wapna, które po kilku latach rozsadzają tynk.
Wodorotlenek wapnia w wapnie gaszonym występuje w postaci drobnych płytek, o jakości wapna jako spoiwa decyduje wielkość płytek, im są mniejsze tym wapno jest tłustsze, powierzchnia płytek poprawnie zagaszonego wapna wynosi około 30 m²/g.
Proces wiązania i twardnienia wapna zachodzi w wyniku następujących procesów:
przez krystalizację zaprawy tracącej wodę. Utrata wody następuje poprzez parowanie wody lub wsiąkanie wody do murowanych, tynkowanych lub malowanych ścian. Utrata wody jest główny sposobem wiązania zaprawy wapiennej. W zaprawie wapiennej z rozpuszczonego w wodzie wodorotlenku wapnia wydzielają się kryształki wodzianu wapna Ca(OH)2·2H2O, lub kryształki uwodnionego wodorotlenku wapniowego. Podczas krystalizacji, kryształki wodzianu i wodorotlenku zrastają się ze sobą, z kryształkami zaprawy i ziarnami piaski, tworząc sztuczny kamień. Procesy krystalizacji są odwracalne, co wykorzystywane jest do uplastyczniania częściowo zaschniętej zaprawy, umożliwia też przechowywanie zaprawy przez długi czas.
przez karbonatyzację, czyli łączenie się z dwutlenkiem węgla, woda w reakcji odgrywa rolę katalizatora, po wyschnięciu zaprawy proces ten zachodzi znacznie wolniej. Proces jest reakcją chemiczną
Ca(OH)2 + nH2O + CO2 = CaCO3 + (n+1)H2O
W wyniku karbonizacji zaprawa nieodwracalnie twardnieje, proces twardnienia jest powolny i obejmuje zazwyczaj niewielką część wapna zawartego w zaprawie (w strefie powierzchniowej proces przebiega najszybciej, natomiast wiązanie CO2 z atmosfery przez głębsze strefy zaprawy może trwać nawet latami).
przez tworzenie się krzemianów wapnia. Wapno wiąże w wyniku reakcji chemicznej z dwutlenkiem krzemu SiO2, który jest głównym składnikiem piasku. Reakcja ta może zachodzić tylko w temperaturze powyżej + 100°C i w obecności wody. Wodorotlenek wapniowy łączy się z kwarcem: 2Ca(OH)2 + SiO2 = 2CaO·SiO2·2H2O. Ten ostatni sposób twardnienia zachodzi przy produkcji cegły wapienno-paskowej i betonów komórkowych.
Gips- Kamień gipsowy stosowany w budownictwie przed użyciem należy wypalić w temperaturze 150-190°C. Otrzymany produkt to przede wszystkim tzw. gips półwodny ((CaSO4)2×H2O), resztę tworzy gips bezwodny - anhydryt (CaSO4) i zanieczyszczenia ze złoża. Produkt wypalania w zmielonej postaci to gips budowlany. Podczas wypalania następują reakcje zbliżone do poniższej, podczas późniejszego wiązania wody reakcje odwrotne:
2 CaSO4×2 H2O → (CaSO4)2×H2O + 3 H2O ↑
W zależności od zawartości składu i sposobu produkcji otrzymuje się różniące właściwościami odmiany gipsu, z których najczęściej spotyka się: gips budowlany (zwykły), gips szpachlowy (gips wolniej wiążący) i gips tynkarski.
W praktyce różnią się między sobą przede wszystkim czasem wiązania i stopniem zmielenia. Wiązanie gipsu polega na jego ponownym połączeniu się z wodą i przejściu w gips dwuwodny (uwodniony siarczan wapnia), przez co następuje jego częściowa rekrystalizacja i tym samym stwardnienie. Jakość wyrobu zależy od dokładności wymieszania z wodą (bez grudek i wtłoczonego powietrza) i ilości dodanej wody (woda niezwiązana chemicznie wyparowuje pozostawiając po sobie puste pory).
W praktyce określa się ilość potrzebnej wody i gips wsypuje się do odmierzonej jej ilości. Proces wiązania to reakcja egzotermiczna (ilość wydzielanego ciepła - ok. 30 kcal/kg) oraz gips zwiększa swoją objętość o ok. 1%. Po zakończeniu wiązania następuje okres twardnienia. Gips uzyskuje pełną wytrzymałość po wyschnięciu. Jest materiałem chłonącym wilgoć i rozpuszczającym się w wodzie (2,4 g/l). Pod wpływem wilgoci wytrzymałość mechaniczna gipsu spada, dlatego należy go stosować w miejscach suchych.
Najczęściej w budownictwie można się spotkać z użyciem do wykonania:
tynków wewnętrznych,
ozdobnych detali architektonicznych, stiuków i sztukaterii, posągów,
płyt na ścianki działowe, płyt gipsowo-kartonowych,
posadzek pod wykładziny podłogowe,
form do odlewów,
drobnych napraw tynku lub jako gładzi na tynkach cementowo-wapiennych (tzw. szpachlowania).
Spoiwo magnezjowe - materiał budowlany należący do spoiw mineralnych powietrznych. Otrzymywane jest z wapieni dolomitowych poddanych wypalaniu w temperaturze od 800°C do 900°C z dodatkiem chlorku lub siarczku magnezowego. W wyniku wypalania otrzymywany jest tlenek magnezu MgO. Tlenek magnezu w połączeniu z rozpuszczonym w wodzie chlorkiem magnezu MgCl2 nazywany jest cementem Sorela (Stanisław Sorel, wynalazł spoiwo magnezowe w 1867 r.) stosowany był do wykonywania zapraw magnezjowych. Spoiwo magnezjowe, po związaniu tworzy twardszą i bardziej odporną na czynniki zewnętrzne powłokę niż inne spoiwa powietrzne. Stosowane było do wykonywania tynków oraz po połączeniu z trocinami lub wiórami z drewna: posadzek bezspoinowych, płytek okładzinowych, podokienników i różnych detali architektonicznych. (Materiał otrzymany z połączenia cementu Sorela z trocinami nazywano skałodrzewem lub ksylolitem.) Wadą spoiwa magnezjowego jest powodowanie korozji stali. Obecnie, w Polsce nie stosuje się spoiwa magnezjowego w budownictwie.
Spoiwo krzemianowe ze szkłem wodnym- otrzymywane 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 używa się np. mączki kwarcowej. Obecnie raczej nie używane.
2. Spoiwa hydrauliczne - twardnieją na powietrzu i pod wodą:
Cement - to hydrauliczne spoiwo mineralne, otrzymywane z surowców mineralnych (margiel lub wapień i glina) wypalonych na klinkier w piecu cementowym a następnie zmielenie otrzymanego spieku z gipsem, spełniającym rolę regulatora czasu wiązania. Stosowany jest do przygotowywania zapraw cementowych, cementowo-wapiennych i betonów. Wykorzystywany jest do łączenia materiałów budowlanych. W zależności od składu klinkieru, sposobu produkcji, cementy dzielą się na:
oraz cementy specjalne np. cement kwasoodporny (otrzymywany z piasku kwarcowego z aktywną domieszką krzemionkową) - obecnie nie stosowany.
Ze względu na sposób i szybkość wiązania i twardnienia wyróżnia się:
Wapno hydrauliczne - spoiwo hydrauliczne o barwie szarej lub żółtawej otrzymywane przez wypalenie w temperaturze od 900 do 1100 °C margli lub wapieni marglistych zawierających od 6 do 20% domieszek gliniastych lub wapieni krzemiankowych, zgaszenie ich 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.