Spoiwo – wypalony i rozdrobniony materiał mineralny, który po zarobieniu wodą wiąże i uzyskuje odpowiednie parametry wytrzymałościowe dzięki zachodzącym reakcjom chemicznym.
Spoiwa dzieli się na: powietrzne i hydrauliczne.
Spoiwa powietrzne wiążą oraz nabierają cech wytrzymałościowych w warunkach powietrzno-suchych. 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 rozmiękczeniu). Do spoiw powietrznych należą: spoiwa wapienne i spoiwa gipsowe.
Spoiwa wapienne to: wapno palone i wapno hydratyzowane.
Uzyskiwanie wapna palonego ze skały wapiennej: CaCO3CaO + CO2↑
Proces gaszenia (lasowania): CaO + nH2O → Ca(OH)2 + (n−1)H2O + Q
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, oznacza to, że jest „spalone”, czyli gaszone zbyt małą ilością wody.
Wapno hydratyzowane jest wygodniejsze w stosowaniu, a przede wszystkim w magazynowaniu i dystrybucji, jest gaszone w sposób przemysłowy. Wapno to występuje w postaci proszku i dostarczane jest w workach papierowych, które należy przechowywać w pomieszczeniach o odpowiedniej wilgotności (nieprzekraczającej 85%).
Proces wiązania wapna (powolny, wymaga dostępu powietrza (CO2)):
Ca(OH)2 + H2O + CO2 → CaCO3 + 2H2O
Zastosowanie spoiw wapiennych:
zaprawy murarskie
zaprawy tynkarskie
farby budowlane
wyroby silikatowe
betony komórkowe
Spoiwa gipsowe są wytwarzane z gipsu naturalnego (CaSO4 · 2H2O). Wczesne stosowanie gipsu było możliwe dzięki niewysokiej temperaturze prażenia kamienia gipsowego (około 200), łatwemu mieleniu (materiał miękki) oraz jasnej barwie.
Spoiwo gipsowe – gips budowlany tzw. półwodny powstaje w wyniku wyprażania kamienia gipsowego dwuwodnego wg reakcji:
2(CaSO4•2H2O)2CaSO4 • H2O + 3H2O↑
Wiązanie gipsu jest bardzo szybkie – po zarobieniu wodą przyłącza ją i powstaje kamień gipsowy dwuwodny:
2CaSO4 • H2O + nH2O → 2(CaSO4 • 2H2O)+(n − 3)H2O
Zalety gipsu:
możliwość uzyskania jasnych, gładkich powierzchni
dosyć duża wytrzymałość na ściskanie (40,0 MPa dla wysokowytrzymałościowego, 6-8 MPa dla budowlanego) oraz rozciąganie (5,0 MPa)
ekologiczny – reguluje wilgotność powietrza
niepalny
możliwość uzyskania gładkich odlewów architektonicznych
Wady gipsu:
szybkie wiązanie
powoduje korozję stali
brak odporności na środowisko wodne – rozmięka w wodzie i szybko traci wytrzymałość (do 70%)
Zastosowania gipsu:
tynki gładzone
ścianki działowe
podsufitki
sztukateria (ozdoby architektoniczne)
wyroby budowlane, np. płyty gipsowo-kartonowe
Spoiwa hydrauliczne wiążą i nabierają cech wytrzymałościowych w warunkach powietrzno-suchych oraz w wodzie. Spoiwami hydraulicznymi są różnego rodzaju cementy.
Podstawowym produktem przemysłu cementowego jest klinkier portlandzki. Surowcami używanymi do jego produkcji są wapień, margle i glina. Są to surowce zasobne w CaO, SiO2 oraz zawierające znaczne ilości Al2O3 i Fe2O3. Mieszanina tych surowców w odpowiednich proporcjach jest mielona, a następnie wypalana w piecu obrotowym w temperaturze ok. 1450.
Podstawowe składniki klinkieru
| Nazwa | Wzór | Skrótowe oznacz. | Zawartość wagowa w klinkierze | Uwagi |
|---|---|---|---|---|
Alit (krzemian trójwapniowy) |
3CaO • SiO2 |
C3S | 50-65% | - |
Belit (krzemian dwuwapniowy) |
2CaO • SiO2 |
C2S | 15-25% | Najwolniejszy proces hydratacji |
| Glinian trójwapniowy | 3CaO • Al2O3 |
C3A | 10% | Najszybciej ulega hydratacji w początkowej fazie procesu |
| Brownmilleryt (czterowapniowy zw. tlenu żelaza) | 4CaO • Al2O3 • Fe2O3 |
C4AF | 5-15% | Szybko wiąże, ma niską wytrzymałość |
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 – 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.
Przykład hydrolizy krzemianu trójwapniowego (alitu):
3CaO • SiO2 + nH2O → 2CaO • SiO2 • nH2O + Ca(OH)2
Cementy dzieli 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.
3 klasy wytrzymałości cementu, w zależności od wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach dojrzewania:
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
W zależności od szybkości wzrostu wytrzymałości wyróżnia się cementy oznaczone symbolami:
N (normal) – oznacza normalny przyrost wytrzymałości wczesnej (określanej po 2 i 7 dniach dojrzewania)
R (rapid) – oznacza przyspieszony przyrost wytrzymałości wczesnej (określanej po 2 dniach dojrzewania)
Przykładowe oznaczenie cementu:
CEM II/A-V 32,5 N – cement portlandzki popiołowy z dodatkiem popiołu krzemionkowego V w ilości 6-20%, klasy 32,5.
Wśród cementów specjalnych można wyróżnić:
cementy o niskim cieple hydratacji
cementy o wysokiej odporności na siarczany – HSR oraz cementy o małej zawartości alkaliów – NA
Klasa wytrzymałości cementu – klasa wytrzymałości na ściskanie
Próbki do badania klasy wytrzymałości cementu oraz wytrzymałości zaprawy i gipsu – beleczki o wymiarach 40x40x160 mm
Zaczyn – mieszanina wody oraz spoiwa
Zaprawa – mieszanina wody, spoiwa, kruszywa drobnego oraz domieszek i dodatków
Zaprawa normowa – zaprawa wykonana według receptury normowej, zawierająca 1 część masy cementu i 3 części piasku normowego (piasek kwarcowy) przy stosunku w/c = 0,5, wykonana przy użyciu sprzętu i według procedury podanej w normie
w/c – stosunek masy cementu do masy wody zarobowej zawartej w zaprawie
1. Zaprawa projektowana – zaprawa o składzie podanym w projekcie, której wytrzymałość jest kontrolowana na podstawie badań.
Do wykonania zaprawy z cementu należy użyć następujących składników:
cementu CEM I (II lub III) 32,5 N lub R
piasku wiślanego lub kopalnianego
wody wodociągowej
Recepturę zaprawy ustalić wagowo przy założeniu różnej konsystencji (stosunku w/c).
2. Jak się sprawdza konsystencję zaczynu?
Przygotowany zaczyn należy wlać do ustawionego na szklanej płytce cylindra (w czasie dalszych 15 sekund), wyrównać powierzchnię zaczynu z górną krawędzią cylindra. Następnie szybkim ruchem podnieść cylinder na wysokość ok. 20 cm i dokonać pomiaru rozpływu zaczynu w dwóch prostopadłych do siebie kierunkach z dokładnością do 5 mm. Uzyskane wyniki świadczą o konsystencji zaczynu.
Np. rozpływ zaczynu o konsystencji normalnej powinien wynosić 180±5 mm.
3. Badanie czasu wiązania spoiw (gips, cement).
Przeprowadza się je w aparacie Vicata. Czas wiązania to czas, jaki upływa od momentu wsypania spoiwa do wody, do chwili, gdy igła aparatu Vicata zanurza się w uformowanej próbce w określonej odległości od szklanej płytki.
Procedura wykonywania badania czasu wiązania spoiwa gipsowego:
przygotować zaczyn gipsowy o normalnej konsystencji
umieścić zaczyn w pierścieniu Vicata ustawionym na szklanej płytce
wstrząsnąć kilkakrotnie szklaną płytką z pierścieniem w celu usunięcia pęcherzy powietrza
wyrównać górną powierzchnię zaczynu z krawędzią pierścienia
dokonywać pomiarów zagłębienia igły aparatu Vicata co około 30 s (czas liczony od momentu wsypania gipsu do wody)
początek wiązania gipsu – igła aparatu Vicata zatrzyma się w odległości 2-4 mm nad szklaną płytką (zapisać czas)
koniec wiązania gipsu – igła zatrzyma się na głębokości 1 mm w zaczynie (zapisać czas i zatrzymać stoper)