Spoiwa budowlane

Spoiwem mineralnym nazywamy wypalony i sproszkowany materiał, który po wymieszaniu z wodą dzięki reakcjom chemicznym wiąże i twardnieje.
Ze względu na zachowanie się spoiw mineralnych w środowisku wodnym, w czasie się ich twardnienia, rozróżniamy spoiwa: hydrauliczne i powietrzne. Spoiwa hydrauliczne po zarobieniu wodą wiążą i twardnieją (uzyskując odpowiednie cechy wytrzymałościowe) zarówno na powietrzu, jaki i pod wodą. Do spoiw hydraulicznych zalicza się: wapno hydrauliczne, wszystkie odmiany cementów portlandzkich powszechnego użytku oraz cementy specjalne. Spoiwa powietrzne (wapno i gips) po zarobieniu wodą twardnieją i osiągają właściwe cechy wytrzymałościowe tylko na powietrzu, należą one do najstarszych spoiw budowlanych.
SPOIWA POWIETRZNE
Spoiwa wapniowe
Rozpad wapna palonego (CaO) pod wpływem wody na drobne ziarna jest bardzo wygodny, bowiem nie trzeba używać młynów do rozdrabiania spoiwa. Wapno pod wpływem wody tworzy wodorotlenek wapnia (wapno gaszone) o konsystencji plastycznej, co także jest dogodnym czynnikiem przy stosowaniu go do celów budowlanych.
Budowlane wapno niegaszone otrzymuje się przez wypalanie kamienia wapiennego w temperaturze 950C-1250C, które przebiegają wg reakcji:
CaCO3  CaCO +CO2 + Q [kJ]
W zależności od pochodzenia (rodzaju surowca) rozróżnia się trzy rodzaje wapna budowlanego:
-wapno wapniowe wytwarzane z wapieni czystych – CL
-wapno dolomitowe wytwarzane z wapieni zdolomityzowanych – DL
-wapno hydrauliczne wytwarzane z wapieni ilastych – HL
W zależności od zawartości (CaO+MgO) rozróżnia się trzy odmiany wapnia: 90, 80 i 70 i dwie odmiany dolomitowego: 85 i 80.
Ciasto wapienne otrzymuje się w wyniku gaszenia wapna palonego dużą ilością wody; ma ono kolor biały do szarego. Barwa brązowa oznacza, że jest spalone, tj. zgaszone zbyt małoą ilością wody. Dobre ciasto jest lepkie, tłuste i jednolite. Wyczuwalna w dotyku szorswtkość grudkowatość świadczy o tym, że wapno jest zaparzone lub niedogaszone. Zawartość wody w cieście wapiennym wynosi około 50%; dzieli się je na dwa gatunki 1 i 2 o zawartości CaO+MgO odpowiednio 67% i 60%. W celu ochrony ciasta przed mrozem należy je przechowywać w dołach magazynowych i przykryć warstwą piasku grubości >20 cm i dodatkowo matami, np. słomianymi; w cieplejszych porach roku dół przykrywa się cieńszą warstwą piasku (15 cm) w celu ochrony przed wysychaniem.
Wapno sucho gaszone (hydratyzowane) jest sproszkowanym wodorotlenkiem wapniowym. Dostarczone jest w workach papierowych, które należy przechowywać w suchych pomieszczeniach.
Wapno pokarbidowe ma barwę jasnoszara i nie powinno zawierać grudek lub zanieczyszczeń oraz ostrego, nieprzyjemnego zapachu amoniaku lub gaszącego się karbidu. Zawartość Ca+MgO wynosi 60%. Wapno pokarbidowe magazynuje się w dołach ziemnych pod warstwa piasku (jak wapno gaszone).

1.1.2.Spoiwa gipsowe
Gips budowlany tzw. Półwodny (2CaSO4H2O) dzieli się na dwie marki GB-G6 i GB-G8; liczba oznacza wytrzymałość na ściskanie w MPa, po wysuszeniu w temp. 50C zaczynu normowego.
Spoiwa gipsowe otrzymuje się przez prażenie kamienia gipsowego (CaSO4*2H2)0 w prażarkach lub piecach obrotowych a następnie jego zmielenie.
Do spoiw gipsowych należą: gips budowlany, gips szpachlowy, gips tynkarski i klej gipsowy.
Gips budowlany w zależności od stopnia rozrobienia dzieli się na: grubomielony (GB-G) i drobnomielony (GB-D).
Gips budowlany przeznaczony jest do produkcji wyrobów z zaczynów, zapraw, rzadziej betonów, które będą wbudowane w budynki, zabezpieczając te wyroby przed zwilgoceniem.
Spoiwa gipsowe specjalne przeznaczone są do robót wykończeniowych. Markę (wytrzymałość na ściskanie) oznacza się po 7 dniach twardnienia i wysuszeniu w 50C do stałej masy.
W grupie budowlanych gipsów produkuje się:
gipsy szpachlowe przeznaczone do szpachlowania powierzchni z wyrobów gipsowych (G), betonowych (B) oraz spoinowania płyt gipsowo-kartonowych (F).
gipsy tynkarskie przeznaczone są do wykonywania wewnętrznych wypraw tynkarskich sposobem zmechanizowanym (GTM) lub ręcznym (GTR).
kleje gipsowe przeznaczone są do klejenia prefabrykatów gipsowych (P) oraz do osadzania płyt gipsowo-kartonowych (T).
Wadą spoiw gipsowych jest ich wpływ korozyjny na stal zbrojeniową oraz to, że charakteryzują się bardzo dużym spadkiem wytrzymałości na ściskanie, tj. o ok. 70% po nawilżeniu suchego zaczynu gipsowego.
Spoiwa gipsowe dostarczane są w czterowarstwowych workach papierowych o pojemności 25-30 i 50 kg; przechowuje się je w warunkach zabezpieczających przed wilgocią.
1.2. SPOIWA HYDRAULICZNE
Wapno hydrauliczne ma następujące cechy techniczne:
-stopień zmielenia: pozostałość na sicie o wymiarach oczek 0,2 mm – najwyżej 5%, na sicie 0.09 mm – najwyżej wag. 25%,
-czas wiązania wynosi: początek wiązania ≥ 1h, koniec ≤15 h,
-wytrzymałość zapraw normalnych po 28 dniach, na ściskanie wynosi dla klasy: HL2 – 2-7 MPa, HL3,5 – 3,5 –7 MPa i HL5 – 5-15 MPa
Wapno hydrauliczne stosowane jest do zapraw do murów fundamentowych, do zapraw zastępujących zaprawy wapienno-cementowe i do betonów niskich marek (do 3 MPa). Wapno hydrauliczne pakowane jest w worki papierowe.
Sposób przechowywania powinien odpowiadać warunkom podanym dla cementów.
Cementami portlandzkimi wszelkiego użytku nazywamy spoiwa otrzymywane ze zmielenia klinkieru cementowego, z dodatkiem do 5% kamienia gipsowego lub dodatku żużla, pyłu krzemionkowego, pucolany, popiołu lotnego bądź wapienia, których ilości są różne i wynoszą 3-55%.
Cementy portlandzkie różnią się między sobą cechami wytrzymałościowymi (przy czym oznacza się je symbolami cyfrowymi – „klasami”, które liczbowo odpowiadają wymaganiom minimalnych wytrzymałości normowej zaprawy na ściskanie, wyrażonym w MPa po 28 dniach twardznienia), jak też szybkością przyrostu wytrzymałości zaprawy normowej na ściskanie.
Mamy do dyspozycji cztery rodzaje cementów:
-CEM I – cement portlandzki
-CEM II – cement mieszany
-CEM III – cement hutniczy
-CEM IV – cement pucolanowy
Podstawowymi surowcami do produkcji klinkieru cementowego są wapienie (margle) i glinokrzemiany (gliny). Skład receptury do uzyskania klinkieru producenci ustalają za pomocą modułów:
-hydraulicznego
-krzemianowego
-glinowego
Klinkier cementowy otrzymuje się przez wypalanie w temp. Spiekania ( ok. 1450ºC) mieszaniny surowców, zawierających wapien i glinokrzemiany. Najczęściej stosowanym dodatkiem do cementu (podczas jego przemiału) jest kamień gipsowy (około 5% wag.), spełniający rolę regulatora warunków wiązania.
Podstawowymi składnikami (minerałami) klinkieru cementowego są:
-alit (3CaO*SiO2) – krzemian trójwapniowy, oznaczany w skrócie [C3S]; odznacza się on najsilniejszymi właściwościami hydraulicznymi.-belit (2CaO*SiO2) – krzemian dwuwapniowy, oznaczony w skrócie [C2S]; jego zawartość wagowa w klinkierze wynosi 15-25%, jest minerałem o najwolniej przediegającej hydratacji
-bronmilleryt (4CaO*Al2O3*Fe2O3) – czterowapniowy związek tlenku glinu i tlenku żelaza, ozn. w skrócie [C3AF]; znajduje się on w części zaszkliwionej klinkieru; ma słabe właściwości hydrauliczne, wiąże szybko, lecz odznacz się słabą wytrzymałością; zawartość wagowa jego w klinkierze cementowym wynosi 5-15%.
Wiązanie i twardnienie cementu jest złożonym procesem fizykochemicznym. Na skutek reakcji chem. Zachodzącej między cementem i wodą powstają nowe związki, stanowiące produkty hydratacji i hydrolizy. Hydratacja (uwodnienie) polega na przyłączeniu cząstek wody bez rozkładu substancji, przy hydrolizie zaś następuje rozpad produktów hydratacji. Nowo powstałe związki koloidalne ulegają z czasem zagęszczeniu, odwodnieniu, przekrystalizowaniu, tworząc zwarta masę.
Produkowane są również następujące cementy:
Cement murarski otrzymuje się przez wspólne zmielenie klinkieru, kamienia gipsowego oraz nienormowych ilości dodatków hydraulicznych, pucolanowych i kamienia wapiennego. Cement murarski – 15 stosowany jest do zapraw murarskich i tynkarskich, a także do sporządzania betonów niskich marek.
Cement portlandzki biały produkowany jest z surowców o bardzo małej zawartości Fe2O3 [F] i innych tlenków barwiących, a klinkier wypala się, stosując paliwa bezpopiołowe. W zależności od stopnia białości rozróżnia się trzy odmiany dla każdej klasy. Do zestawu składu surowcowego dodaje się najczęściej fluoryt bądź baryt BaSO4. Cement biały jest podstawowym surowcem do otrzymania cementów kolorowych, w budownictwie zaś stosuje się biały cement do robót elewacyjnych, do produkcji suchych mieszanek tynkarskich a także do betonów prawie białych.
Cement hydrotechniczny produkowany jest z klinkieru portlandzkiego o ograniczonej zawartości [C3A] i kamienia gipsowego. Jego wytrzymałość gwarantowana 35 MPa określona jest po 90 dniach, marka zaś (po 28 dniach twardnienia) 25.
Cement ten charakteryzuje się małym ciepłem uwodnienia, zatem głównie zastosowany jest do betonów w budowlach o dużych masach (budowy hydrotechniczne oraz budownictwo wodno-inżynieryjne).
1.4. GŁÓWNE ZASTOSOWANIE CEMENTÓW POWSZECHNEGO UŻYTKU
Cementy portlandzkie powszechnego użytku klas: 32,5 i 32,5R mogą być stosowane do betonów zwykłych klas B7,5 do B30 i do produkcji autoklawizowanych betonów komórkowych:
-cement klas 42,5 i 42,5R mogą być stosowane do betonów klas B20-B50, a także do betonów wyższych klas niż B50
-cementy klasy 52,5 do betonów B25-B50
-cementy klasy 52,5R do betonów klas B25-B50 i wyższych (do B80)
Cementy zawierające dodatki w ilości 35-80% żużla wielkopiecowego (CEMIII), cementy hutnicze charakteryzują się podwyższoną odpornością na destrukcyjne działanie kwasów humusowych (np. na łąkach lub torfowiskach).
Cementy pucolanowe są także odporne na negatywny wpływ (na twardość) środowisk o agresji kwaśnej.
1.5. ZASADY OZNACZANIA CECH TECHNICZNYCH SPOIW MINERALNYCH
Zasady pobierania próbek spoiw do badań
Średnie próbki laboratoryjne przeznacza się po jednej dla: dostawcy, odbiorcy oraz jedną przechowuje się do ewentualnych badań rozjemczych.
Pobieranie i przygotowywanie próbek spoiw cementowych do badań jest opisane w normie. Partia opakowanego lub nieopakowanego cementu określana jest warunkami produkcji (te same surowce i technologia).
Próbki lab. należy umieszczać w suchych, zamkniętych szczelnie naczyniach..



Oznaczenie stopnia zmielenia spoiw gipsowych przeprowadza się przy użyciu kompleksu sit o wymiarach oczek: 1; 0,75 i 0,2 mm. Przed przesiewaniem próbkę spoiwa należy wysuszyć w temp. 50ºC i wykonać dwie naważki po 50 g. Pozostałości na poszczególnych sitach waży się i porównuje z wymaganiami.
Oznaczenie czasu wiązania gipsu budowlanego wykonuje się przy konsystencji normalnej zaczynu wynoszącej 18 cm (średnica placka z zaczynu gipsowego). Zasady pomiaru czasu wiązania są następujące: do ustalonej ilości wody dodaje się gips, dokładnie miesza i wypełnia pierścień aparatu Vicata. Początek wiązania określa się liczbą minut, liczonych od chwili rozpoczęcia dodawania gipsu do wody, aż do chwili, gdy swobodnie opuszczona igła (o przekroju 1 mm2 i masie części ruchomej 300g) po zanurzeniu w naczyniu po raz pierwszy nie dochodzi do dna na odległość 2 mm. Koniec wiązania określa się liczbą minut liczonych od chwili, gdy swobodnie opuszczona igła zanurzy się w zaczynie nie głębiej niż na głębokość 1 mm. Jako wynik pomiaru czasu wiązania przyjmuje się średnią z dwóch oznaczeń.
Oznaczenie wytrzymałości na zginanie i ściskanie gipsu budowlanego wykonuje się przy współczyniku wodno-gipsowym, odpowiadającym konsystencji normalnej. Do wody w ilości 1,3 dm3 dodaje się gips. Po dokładnym wymieszaniu uzyskany zaczyn formuje się w postaci sześciu beleczek o wymiarach 4x4x16 cm. Po uplywie 2 h beleczki poddaje się wysuszeniu w temp. 50ºC do stałej masy.
Oznaczenie wytrzymałości na zginanie przeprowadza się przez położenie beleczki na podporach o rozstawie 10 cm i obciążeniu siłą skupioną w środku rozpiętości. Obliczenie wartości naprężeń niszczących przeprowadza się według wzoru:
Rg = M/W [MPa] , gdzie M = Pl /4, W = bh2/6 M-moment zginający [N*m], W- wskaźnik wytrzymałości [m3], P – siła niszcząca [N], l = 0,1 m –rozstaw podpór, bh = 0,04 m –wymiary poprzeczne beleczki.
Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się na połówkach beleczek. Siłę niszczącą przekazuje się przy użyciu podkładek metalowych. Wytrzymałość na ściskanie oblicza się ze wzoru:
Rs = P/A [MPa], gdzie: P –siła niszcząca [N], A = 25 cm2 – powierzchnia ściskania.
Jako wynik pomiaru przyjmuje się średnią arytmetyczną uzyskanych wyników. Ocena wyników badań: partie gipsu należy uznać za zgodną z wymaganiami norm przedmiotowych, jeżeli wszystkie przeprowadzone oznaczenia dadzą wynik dodatni. Jeżeli chociaż jedno z oznaczeń daje wynik ujemny, partię należy uznać za niezgodną z wymogami normy.
Oznaczenie zawartości aktywnego CaO + MgO stosuje się metoda podaną wnormie, polega ona na rozpuszczeniu wapna w wodzie i miareczkowniu powstałego wodorotlenku mianowanym roztworem kwasu solnego (1 n HCl). Zawartość CaO oblicz się wg wzoru:
Z = (K*0,02804/a)100 [%], gdzie K –ilość cm3 1nHCl zużytego do miareczkownia; 0,02804 –ilość CaO odpowiadająca1 cm3 roztworu 1 n HCl; a –masa próbki wapna [g].
Oznaczenie stopnia rozdrobnienia wapna hydratyzowanego polega na tym, że wysuszoną próbkę o masie 100 g przesiewa się przez zestaw sit: 1; 0,2 i 0,09 mm. Pozostałości na każdym sicie waży się i oblicza wynik oznaczenia wg wzoru:
X2 = (m2/m)100 [%], gdzie m2 – masa odsiewu [g], m –masa próbki [g]
Jako wynik podaje się średnia z dwóch oznaczeń. Oznaczenie dotyczące jakości wapna: jeżeli wszystkie oznaczenia podane w normie przedmiotowej dadzą wynik dodatni, tzn. wykażą zgodność z normą, to całą partię wapna uznaje się za zgodną z wymaganiami.
Oznaczenie czasu wiązania cementu przeprowadza się za pomocą aparatu Vicata, w którego pierścieniu umieszcza się zaczyn normowy. Przez zaczyn normowy rozumiemy taki zaczyn, w którym zanurza się trzpień metalowy na głębokość 33-35 mm. Za początek związania zaczynu cementowego przyjmuje się czas, który upłynął od momentu dodania cementu do wody do chwili, gdy igła zatrzyma się 3-5 mm od dna pierścienia. Jako koniec wiązania zaczynu cementowego przyjmuje się moment, gdy igła normowa ustaiona na próbce znurzy się nie więcej niż 1 mm, a czas jaki upłynął od sporządzenia zaczynu do danego momentu określa wartość liczbową tej cechy.
Oznaczenie stałości objętości cementu przeprowadza się przy użyciu zaczynu normowego. Zaczyn o konsystencji normowej umieszcza się w pierścieniu de Chateliera z igłami pomiarowymi. Po napełnieniu pierścienia należy całość przechowywać w temp. 20ºC i wilgotności względnej powietrz co najmniej 98% przez 24 h. Po upływie 24 h należy zmierzyć odległość A między poziomem igieł. Następnie pierścień z zaczynem ogrzać do temp. wrzenia wody i przetrzymywać 3 h w tych warunkach. Na zakończenie pierścień należy ochłodzić do temp. 20ºC i zmierzyć odległość C. C-A mm jest miara stałości obiętości.
Oznaczenie wytrzymałości (klasy) cementu przeprowadza się na beleczkach z zaprawy normowej. Zaprawa ta składa się z 1 części wagowej badanego cementu, 3 części wagowych piasku normowego i 0,5 części wagowej wody. Dokładnie wymieszana zaprawa jest formowana w próbki o wymiarach 4x4x16 cm, które przechowuje się w kąpieli wodnej na ruszcie w wannie lab. do czasu badania. Zagęszczenie odbywa się za pomocą wstrząsarki. W pierwszej kolejności przeprowadz się pomiar wytrzymałości na zginanie, a na uzyskanych połówkach beleczek przeprowadza się pomiar wytrzymałości na ściskanie.
Pomiar przeprowadza się po upływie:2, 7, i 28 dni. Sposób pomiaru jest analogiczny do opisanego przy badaniu spoiw gipsowych z rygorystycznym przestrzeganiem, by płaszczyzna beleczki, która powstała z wyrównania górnej powierzchni, była ustawiona pionowo. Płaszczyzna ściskania próbek zaprawy cementowej wynosi 16 cm2 (4x4 cm), w przypadku zaczynów gipsowych podkładki metalowe maja powierzchnię 25 cm2.