WYKŁAD – MINERALNE SPOIWA BUDOWLANE

1.       Klasyfikacja

Spoiwa mineralne - wypalony i sproszkowany minerał, który po wymieszaniu z wodą na skutek reakcji chemicznych ulega stwardnieniu, wykazując właściwości wiążące.
              Ze względu na zachowanie się spoiw mineralnych w czasie twardnienia w środowisku wodnym rozróżnia 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 używa się np. mączki kwarcowej. Obecnie raczej nie używane;

·         spoiwa hydrauliczne - twardnieją na powietrzu i pod wodą:

o        cementy,

o        wapno hydrauliczne (cement romański)

2.       Rys historyczny

Spoiwa powietrzne należą 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 użyto gipsu do wykonania zaprawy zastosowanej w fundamentach przybudówki kościoła przedromańskiego w Wiślicy (woj. świętokrzyskie) oraz w części rotundy na Wawelu. Także jeden z najstarszych kościołów w Krakowie (na Krzemionkach) ma okrągłą nawę wybudowaną przy użyciu 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 użyciu 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 użyciu 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 należą do podstawowych materiałów budowlanych. Charakteryzują się cechami technicznymi, które umożliwiają stosowanie  ich w budownictwie  w bardzo szerokim zakresie.

3. Charakterystyka spoiw

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe są to materiały wiążące, 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 wiążące otrzymuje się w prażarkach 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 różnice rozpuszczalności, czasu wiązania i wytrzymałości.

q       Odmiana (beta) w odróżnieniu od odmiany (alfa) ma wygląd kłaczkowaty, krystalizuje w postaci bardzo drobnych kryształów. Stąd odmiana (beta) ma gorsze właściwości wytrzymałościowe niż odmiana (alfa), która ma zwartą strukturę krystaliczną.
Spoiwa tej grupy należą do spoiw powietrznych szybko wiążących - o początku wiązania od 3 do 12 minut i końcu wiązania 15 do 20 minut.
Spoiwa gipsowe wolno wiążące produkowane są w wysokich temperaturach. Dzielą się one na:

·         spoiwa anhydrytowe

·         gips hydrauliczny

Spoiwa anhydrytowe należą do grupy spoiw gipsowych powietrznych. Podstawowym składnikiem jest bezwodny siarczan wapnia (CaSO4).
Sam siarczan wapniowy nie wykazuje właściwości wiążących, 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

q       Budowlane spoiwa gipsowe

Na potrzeby budownictwa produkuje się

Ø        Gips budowlany (PN-B-30041:1997)

Ø        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) wyprażonej w temp. Ok. 200 0C, a następnie zmielonej. Podczas prażenia zachodzi następująca reakcja:

2 (CaSO4*H2O) 2 CaSO4*H2O +3 H2O

Gips budowlany produkuje się w dwóch gatunkach/*: GB-6 i GB-8. Ze względu na stopień rozdrobnienia rozróżnia 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 0C. Aby wykonać to badanie, należy 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