wapno, Budownictwo-studia, chemia

Materiały pomocnicze do nauki przedmiotu „Materiały budowlane” na kierunku „Budownictwo” na Wydziale Inżynierii WAT.

Na prawach rękopisu. Prawa autorskie zastrzeżone. Wyrażam zgodę na kserowanie wyłącznie na potrzeby studentów Wydziału Inżynierii WAT.

mgr Tadeusz Błażejewicz

Spoiwa mineralne są to materiały powstające przez wypalenie i rozdrobnienie na proszek surowców skalnych. Po zarobieniu wodą tworzą plastyczny zaczyn dający się łatwo formować i posiadający właściwości wiążące, który wiąże i twardnieje na drodze procesów chemicznych (lepiszcza wiążą na drodze procesów fizycznych – ostudzenia, odparowanie rozpuszczalnika itp.). Spoiwa składają się z mieszaniny tlenków o charakterze kwaśnym (SiO2) lub amfoterycznym (Al2O3, Fe2O3) oraz zasadowym (CaO, MgO), które reagując ze sobą po zarobieniu wodą dają nierozpuszczalne w wodzie sole. Spoiwa można podzielić na powietrzne (które wiążą tylko przy dostępie powietrza i nie są odporne na działanie wody) oraz hydrauliczne (które wiążą także pod wodą        i są odporne na wodę). Rodzaj spoiwa określa tzw. moduł hydrauliczny:

                            ;

-         dla Mh > 4,5 spoiwo jest powietrzne;

-         dla Mh = 2,5 ÷ 4,5 jest to wapno hydrauliczne;

-         dla Mh   = 1,7 ÷ 2,3 jest to cement portlandzki.

Wapno budowlane jest spoiwem powietrznym. Spoiwa wapienne wg                  PN-B-30020 : 1999 otrzymuje się przez wypalanie kamienia wapiennego (wapieni lub kredy) w temperaturze 9500  ÷ 12500C według reakcji:

                            CaCO3 → CaO + CO2 (-1780 KJ/kg).

Z wypału uzyskuje się wapno niegaszone (CaO). Im mniej domieszek zawiera skała wapienna, tym niższa jest temperatura wypału i tym lepsze (bardziej reaktywne, bardziej tłuste) uzyskuje się wapno. Jeżeli temperatura wypału będzie za niska lub czas wypału zbyt krótki, wypalanie może być niecałkowite. Wapno niecałkowicie wypalone źle się gasi, może zawierać drobne grudki wapienia. Wapno niedopalone burzy się silnie po polaniu rozcieńczonym kwasem solnym. Temperatura wypału nie może być za wysoka, bo wapno spieka się powierzchniowo, nie jest porowate, słabo nasiąka wodą i bardzo wolno się gasi, a proces gaszenia może wystąpić po długim okresie czasu powodując odpryski tynku wskutek pęcznienia.

2.     Właściwości wapna niegaszonego.

Wapno niegaszone jest asortymentem handlowym i może występować jako:

-         wapno niegaszone mielone, pakowane w worki;

-         wapno niegaszone w bryłach (luzem).

Wapno niegaszone mielone (o miałkości cementu) można przechowywać przez okres 1 miesiąca, chroniąc je przed wilgocią. Przy przypadkowym nawilżeniu wapno w workach zaczyna się gasić, objętość wzrasta około 2,5 – raza, worki pękają, a wysoka temperatura gaszenia może doprowadzić do zapalenia worków i pożaru. Wapno to jest stosowane:

-         do wytwarzania wyrobów wapienno – piaskowych (silikatowych);

-         do wytwarzania betonów komórkowych;

-         do celów murarskich przy robotach w niskich temperaturach.

Wapno niegaszone w bryłach (o wymiarach do około 20 cm, barwy biało – szarej, porowate) jest materiałem nietrwałym, wietrzeje wskutek wchłaniania wilgoci i dwutlenku węgla z powietrza. Powinno być przewożone transportem krytym, a na budowie niezwłocznie poddane procesowi gaszenia. W zależności od rodzaju skały wapiennej występują 3 rodzaje wapna budowlanego:

-         wapno wapniowe ze skał wapiennych oznaczone CL,

-         wapno dolomitowe z wapieni zdolomityzowanych oznaczone DL,

-         wapno hydrauliczne z wapieni ilastych oznaczone HL.

Najczęściej stosowanym rodzajem wapna jest wapno CL.

Ze względu na zawartość tlenku wapniowego rozróżnia się 3 odmiany wapnia CL: 90, 80 i 70 (liczby są równe procentowej zawartości CaO + MgO). Najlepszej jakości jest wapno CL 90.

3.     Gaszenie wapna.

Gaszeniem wapna (lasowaniem) nazywa się reakcję wapna palonego z wodą:

                            CaO  + H2O → Ca(OH)2 + Q.

Proces gaszenia jest silnie egzotermiczny, w związku z czym należy w inny sposób gasić wapno szybko gaszące się, a w inny wolno gaszące się. Proces gaszenia może być prowadzony przemysłowo lub na budowie. Wapno na budowie gasi się ręcznie mieszając je z wodą w foli                                   (drewniana skrzynia 2,5 x 2 m o głębokości 40 cm – 60 cm, ustawiona ze spadkiem 1%, z osiatkowanym 2 x 2 mm otworem spustowym) przy pomocy gracy. Zgaszone wapno spuszcza się do dołu o głębokości 2 m, z bokami wyłożonymi deskami lub obmurowanymi. Dół na wapno powinien być ogrodzony (wysokość powyżej 1,2 m) i oznakowany. Czas gaszenia wapna oznacza się laboratoryjnie przez pomiar temperatury reakcji zmielonego wapna z wodą. Na budowie, orientacyjnie można oznaczyć czas gaszenia przez zalanie wodą bryły wapna palonego o średnicy około 5 cm i pomiar czasu do jej samoczynnego rozpadu. Wapno szybko gaszące się ma czas gaszenia poniżej 15 minut, wolno gaszące się powyżej 30 minut. Gasząc wapno szybko gaszące się wlewa się do foli całą potrzebną ilość wody, a bryły wapna dozuje stopniowo, tak aby nie nastąpiło przegrzanie.

Dla wapna wolno gaszącego się do foli ładuje się całą ilość wapna, a wodę dozuje się stopniowo, rozpylonym strumieniem, tak aby nie ochłodzić nadmiernie wsadu. Wapno miesza się gracą aż do pełnego rozpadu i spuszcza do dołu w celu dogaszenia. Ilość wody potrzebnej do gaszenia jest rzędu od 2,4 do 4,5 m3 na tonę wapna (więcej dla tłustego). W reakcję wchodzi około 0,33 m3 wody, reszta jest potrzebna do hydratacji wapna gaszonego.

Otrzymane po dołowaniu ciasto wapienne zawiera około 50 % wody. Nadmiar wody użytej podczas gaszenia jest odfiltrowany przez dno dołu. W dole zachodzi też dogaszanie cząstek wapna palonego mniejszych od 2 mm. Wapno przegrzane przy gaszeniu (przepalone) ma odcień brązowawy, złą plastyczność i słabe właściwości wiążące. Wapno przechłodzone przy gaszeniu („zatopione”) jest grudkowate, wodniste, wyglądem przypomina żabi skrzek i słabo łączy się z piaskiem. Wydajność ciasta wapiennego jest rzędu 2 ÷ 2,5 m3 na tonę wapna palonego. Im dłużej dołowane jest wapno, tym jego właściwości są lepsze. Wapno do tynków powinno być dołowane co najmniej 3 miesiące, do murowania 3 tygodnie. Dołowane wapno należy zasypać 20 cm warstwą czystego piasku, a w zimie ocieplić. Wapno gaszone produkowane przemysłowo zawiera więcej wody, a jego konsystencja mierzona stożkiem nie powinna być bardziej ciekła niż 12 cm. Wapno to rozwozi się specjalnymi samochodami ze szczelną skrzynią.

4.     Wapno suchogaszone (hydratyzowane).

Jest to wapno gaszone w postaci suchego proszku, pakowane w papierowe worki. Otrzymuje się je przez przemysłowe gaszenie zmielonego wapna palonego rozpyloną wodą w takiej ilości, aby zaszła reakcja chemiczna, lecz nie wystąpił proces rozpuszczania wapna w wodzie. Wapno to może przy niedokładnym zmieleniu zawierać niedogaszone ziarna wapna o wymiarach do   2 mm i powodować odpryski w kształcie kraterów na powierzchni tynku. Odpryski powstają, ponieważ podczas gaszenia objętość wapna gaszonego jest około 2 razy większa niż wapna palonego, co powoduje powstanie naprężeń wskutek pęcznienia. Gęstość nasypowa wapna hydratyzowanego jest rzędu    500 kg/m³.

5.     Wapno hydrauliczne.

Jest wypalane z wapieni  marglistych zawierających 6 ÷ 20 % domieszek gliniastych (źródło mikrokrzemionki). Sprzedawane jest jako suchogaszone, mielone, workowane. Ma większą wytrzymałość i odporność na wilgoć oraz wyższą cenę. Stosowane jest rzadko, głównie do murów fundamentowych i pomieszczeń wilgotnych (łatwiej uzyskać ten sam efekt przez dodanie cementu do wapna). Importowane jest wapno hydrauliczne (i prefabrykowane zaprawy na tym wapnie firmy Tubag) zawierające dodatek do 55 % naturalnej pucolany – tzw. trassu reńskiego (tuf wulkaniczny). Zaprawy te są stosowane do murowania i fugowania elewacji klinkierowych, dla wyeliminowania wykwitów wapiennych.

6.     Wapna odpadowe.

Wapno powstaje jako produkt uboczny różnych procesów technologicznych,    np. : wapno pokarbidowe, wapno pocukrowe. Są to spoiwa o niskiej jakości, a ich ewentualne użycie jako spoiw murarskich powinno być poprzedzone badaniami właściwości.

7.     Mleko wapienne.

Jest ono przygotowywane na budowie (nie jest asortymentem handlowym) poprzez rozcieńczenie ciasta wapiennego wodą do gęstości rzadkiej śmietany. Mleko wapienne zawiera około 20 – 30 % Ca(OH)2. Jest stosowane do białkowania ścian i do zarabiania zapraw cementowych w celu poprawy plastyczności.

8.     Wiązanie spoiw wapiennych.

Pierwszy etap wiązania polega na odparowaniu wody i krystalizacji wodzianu wapniowego Ca(OH)2 · 2H2O. Proces jest stosunkowo szybki (rzędu godzin), lecz częściowo odwracalny. Wyższą wytrzymałość utwardzonego spoiwa oraz jego wodoodporność uzyskuje się w reakcji wapna z dwutlenkiem węgla z powietrza (karbonatyzacja):             

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O.

Proces ten zaczyna się od powierzchni muru i jest powolny (karbonatyzacja muru o grubości 2 cegieł trwa około 3 lat). Proces można przyspieszyć przez wstawienie koksowników jako źródła emisji CO2.

Wapno nie reaguje na zimno (w temperaturze około 200C) z piaskiem kwarcowym. Reakcja taka zachodzi w temperaturach powyżej 1000C (podczas autoklawizacji wyrobów). Wapno reaguje na zimno z pucolanami, to jest substancjami zawierającymi krzemionkę o rozdrobnieniu koloidalnym (tzw. mikrokrzemionka).

9.     Zalety spoiw wapiennych:

-         bardzo dobra urabialność (służą do poprawy urabialności zapraw cementowych i gipsowych);

-         korzystny wpływ na zdrowotność pomieszczeń (brak promieniotwórczości naturalnej, paroprzepuszczalność, właściwości bakteriobójcze);

-         biała barwa (mogą być spoiwem farb wapiennych i białych tynków);

-         stosunkowo tanie i łatwo dostępne;

-         są mieszalne ze wszystkimi spoiwami mineralnymi.

10. Wady spoiw wapiennych:

-         niska wytrzymałość (zaprawy do marki M1);

-         stosunkowo słaba odporność na wodę;

-         niebezpieczne podczas stosowania, gdyż rozpuszczają tkanki ludzkie powodując trudno gojące się rany (zagrożenie ślepotą wskutek oparzeń oczu).

11. Zastosowanie spoiw wapiennych.

11.1. Zaprawy wapienne, cementowo – wapienne i gipsowo – wapienne, farby elewacyjne.

11.2. Cegły i bloki wapienno – piaskowe (silikatowe) wg PN-B-12066: 1998.

Produkowane są z piasku kwarcowego (90 ÷ 92 %) i mielonego wapna niegaszonego (5 ÷ 8 %), z dodatkiem wody do konsystencji wilgotnej. Wyroby formowane są przez prasowanie i poddane autoklawizacji w parze wodnej. W wysokiej temperaturze wapno reaguje w piaskiem tworząc krzemiany wapniowe o wysokiej wytrzymałości i wodoodporności (spoiwo podobne do cementu). Z biegiem czasu zachodzi dodatkowo karbonatyzacją podnosząca wytrzymałość wyrobów. Produkowane są cegły pełne pojedyncze normalnego formatu (1NF – 25 x 120 x 65) oraz bloczki drążone pionowo (otwory okrągłe) dwucegłowe       (2 NFD – o podwójnej wysokości), trzycegłowe (3 NFD) i sześciocegłowe (6 NFD – podwójna szerokość, potrójna wysokość).

Wyroby występują w klasach 7,5; 10; 15 i 15L (licówka), są mrozoodporne, o nasiąkliwości do 6 %, barwy biało-szarej. Współczynnik λ cegieł pełnych wynosi 0,86 W/mK i jest większy niż cegieł ceramicznych. Wyroby silikatowe są stosowane jako materiały ścienne, zwłaszcza na elewacje nietynkowane (spoinowane), elementy ogrodzeń itp. Nie należy ich stosować w środowiskach narażonych na zakwaszone wody (do fundamentów, przewodów kominowych).

11.3. Betony komórkowe (gazobeton) autoklawizowane.

Ich właściwości odpowiadają normie PN-89/B-06258 lub AT-15-2700/1997 (Ytong). Gazobetony otrzymuje się z mielonego piasku kwarcowego, ewentualnie z dodatkiem popiołów lotnych, z cementu lub wapna niegaszonego (lub ich mieszanek) i wody. Dla spienienia masy podczas wiązania dodaje się pył aluminiowy, który reagując z wapnem wydziela gazowy wodór. Aby powstająca piana była drobnodyspersyjna i trwała, do masy dodaje się środki powierzchniowo – czynne. Po wyrośnięciu masy w formach i wstępnym stwardnieniu tnie się uformowany duży blok drutem na odpowiedni wymiar bloczków. Bloczki o wysokości 24 cm i długości najczęściej 49 cm (dla bloczków Ytong charakterystyczna jest wysokość 20 cm i długość 60 cm) poddawane są następnie autoklawizacji w parze wodnej o temperaturze około 1800C. Przed sprzedażą bloczki powinny być sezonowane przez okres kilkunastu dni w celu odeschnięcia i ustabilizowania wymiarów. Ze względu na gęstość bloczki dzielą się na odmiany: 400, 500, 600 i 700 (średnia gęstość objętościowa w stanie suchym w kg/m3 bloczków danej odmiany powinna zawierać się w przedziale: odmiana ± 50 kg/m3 ). Dla bloczków ściennych Ytong występują odmiany od 0,35 kg/dm3 do 0,80 kg/dm3 ze stopniowaniem co 0,05, a typowymi odmianami są 0,35; 0,40; 0,60 i 0,70. Dla bloczków Ytong maksymalna gęstość objętościowa nie może być większa od liczby stojącej w symbolu odmiany. Według PN wyróżnia się następujące marki gazobetonu;

-         dla odmiany 400                            1,5; 2 i 3;

-         dla odmiany 500                            2; 3 i 4;

-         dla odmiany 600                            3; 4; 5 i 6;

-         dla odmiany 700                            5; 6; i 7.

(Wytrzymałość na ściskanie, oznaczana na próbkach sześciennych 10 cm, stojąca w symbolu marki jest wytrzymałością średnią). Gazobeton Ytong wg AT pod względem wytrzymałości charakteryzowany jest klasą (wytrzymałością gwarantowaną). Za wytrzymałość gwarantowaną przyjęto 0,95 wytrzymałości średniej oznaczonej na sześcianach 10 cm. Występują następujące klasy gazobetonu Ytong: od 1,5 i 2 dla odmiany 0,35 do 6 dla odmiany 0,70.

Skurcz  wilgotnościowy gazobetonu od stanu po nawilżeniu do stanu wilgotności desorpcyjnej (przy wilgotności względnej powietrza 45 %) nie powinien być większy od 0,5 · 10-3 dla betonu komórkowego na piasku               i od 0,75 · 10-3 dla betonu z dodatkiem popiołów lotnych. Beton z dodatkiem popiołów lotnych dłużej odsycha (czas odsychania gazobetonu jest rzędu               3 miesięcy). Gazobeton na popiołach lotnych wykazuje wyższą promieniotwórczość naturalną, na poziomie f1 = 0,8.

Współczynnik λ gazobetonu w stanie suchym wynosi od 0,10 dla odmiany 400 do 0,20 W/mK dla odmiany 0,70, a przy wilgotności ustabilizowanej na poziomie do 8 % masy jest o 50 % wyższy. Przy 20 % wilgotności λ rośnie około trzykrotnie.

Gazobeton wykazuje właściwości korozyjne w stosunku do stali zbrojeniowej (korozja wodorowa), dlatego stal do zbrojenia gazobetonu musi być zabezpieczona antykorozyjnie.

Bloczki o grubości powyżej 17,5 cm spełniają najwyższe wymagania odporności ogniowej (klasa odporności F4). Wytrzymałość na rozciąganie gazobetonu jest bardzo mała, równa 10 % wytrzymałości na ściskanie                 (od 0,15 ÷ 0,30 MPa dla odmiany 400 do 0,50 ÷ 0,70 MPa dla odmiany 700). Z tego powodu mury z gazobetonu ulegają łatwo zarysowaniom wskutek ruchów termicznych lub wilgotnościowych, wskutek uginania się stropów lub w miejscach skokowych zmian wielkości naprężeń. Oprócz bloczków ściennych produkowane są z gazobetonu nadproża (ze zbrojonego gazobetonu), kształtki „U” (tracony szalunek dla wieńców i słupów), płyty stropowe i dachowe. Bloczki ścienne Ytong o dużej dokładności wymiarowej przeznaczone do murowania na cienkie spoiny (tzw. klej do gazobetonu), mają w symbolu oznaczenie PP.

Zaprawę murarską do cienkich spoin należy nanosić specjalną kielnią ząbkowaną Ytong, a bloczki dobijać młotkiem gumowym, tak aby nastąpiło przyklejenie całopowierzchniowe. Minimalna grubość tynku zewnętrznego powinna wynosić 15 mm, a wewnętrznego 10 mm (cieńsze tynki łatwiej pękają). W miejscach szczególnie narażonych na powstanie rys (naroża otworów, łączenia murów z różnych materiałów, naroża ścian) należy ułożyć w tynku siatkę szklaną do ociepleń lub narożniki tynkarskie.

7