1
Ć
wiczenie nr 2
Badania spoiw i zapraw – zagadnienia teoretyczne
1. Spoiwo – wypalony i rozdrobniony materiał mineralny, który po zarobieniu wodą wiąŜe 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 wiąŜą i nabierają właściwych cech wytrzymałościowych tylko w
warunkach powietrzno-suchych. Spoiwa te naleŜą do najstarszych spoiw budowlanych.
Wszelkie wyroby i zaprawy na bazie tych spoiw mogą być stosowane wyłącznie w
warunkach powietrzno-suchych, poniewaŜ 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
uŜyciem naleŜy 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, Ŝe 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 naleŜy przechowywać w
suchych pomieszczeniach.
Proces wiązanie wapna jest powolny i wymaga dostępu powietrza (CO
2
), bez którego nie
wiąŜe. 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 juŜ w staroŜytności, około 9000 lat temu. Tak
wczesne stosowanie gipsu było moŜliwe dzięki niewysokiej temperaturze praŜenia 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 duŜa 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;
-
moŜliwość 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 wiąŜą i twardnieją zarówno w warunkach powietrzno-suchych jak i w
ś
rodowisku wodnym. Przedstawicielem spoiw hydraulicznych są róŜnego 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, Ŝe 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 Ŝelaza
oznaczany jako C4AF – szybko wiąŜe, lecz ma niską wytrzymałość, ilość wagowa
wynosi 5 do 15 %.
Poza tymi minerałami w klinkierze występują jeszcze inne związki mineralne.
4
Podobnie jak złoŜony jest skład klinkieru cementowego, tak złoŜony 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 (Ŝelowe) 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 uŜytku;
•
cementy specjalne.
Cementy powszechnego uŜytku 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 niŜ klinkier, cementy dzieli się na odmiany: A,
B, C.
W zaleŜności od wytrzymałości na ściskanie (MPa) po 28 dniach dojrzewania, oznaczonej
zgodnie z normą, rozróŜnia 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 zaleŜności 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 ŜuŜla wielkopiecowego (S) w ilości od 21 do 35 %;
32,5N – klasę wytrzymałości i normalną wytrzymałość wczesną.
Wśród cementów specjalnych moŜna wyróŜnić:
•
cementy o niskim cieple hydratacji – LH;
•
cementy o wysokiej odporności na siarczany – HSR;
•
cementy o małej zawartości alkaliów – NA.
Do cementów powszechnego uŜytku 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.