Spoiwa budowlane

Podział spoiw budowlanych

Pod pojęciem spoiwo budowlane rozumiemy wypalony i sproszkowany minerał, który po wymieszaniu z wodą na skutek reakcji chemicznych ulega stwardnieniu, wykazując właściwości wiążące.
Ze względu na zachowanie się spoiw w środowisku wodnym, w czasie ich twardnienia, rozróżniamy spoiwa

• hydrauliczne
• powietrzne

Spoiwo hydrauliczne zmieszane z wodą wiąże i twardnieje zarówno w wodzie jak i na powietrzu, uzyskując odpowiednie cechy wytrzymałościowe. Do tej grupy spoiw zalicza się; wapno hydrauliczne, cementy portlandzkie, hutnicze, glinowe.

Spoiwo powietrzne po zmieszaniu z wodą ulegają wiązaniu i stwardnieniu jedynie na powietrzu. Zalicza sie do nich; wapno, spoiwo gipsowe, magnezjowe oraz spoiwa krzemianowe.

Spoiwa wapienne

Spoiwo wapienne należy do grupy spoiw powietrznych i oparte jest na tlenku wapnia CaO.
Wapno palone (CaO) otrzymuje się przez wypalanie kamienia wapiennego (CaCO₃) w piecach szybowych, bąź obrotowych w temperaturze 950 - 1050^oC. Proces wypalania zachodzi wg reakcji

CaCO₃ <=> CaO + CO₂ + 165,5 kJ/mol

W czasie wypalania wapienia temperatura nie może być zbyt wysoka, ponieważ może wystąpić proces powlekania (oblepiania) ziarenek wapna palonego nieprzepuszczalnymi dla wody stopionymi tlenkami zanieczyszczeń. Najczęściej tymi zanieczyszczeniami są; krzemionka, tlenki żelaza, tlenki glinu lub węglan magnezu.
Zbyt wysoka temperatura wypalania daje nam tzw. wapno martwe, nie podatne na proces gaszenia.
Wapno palone poddaje sie procesowi gaszenia wg reakcji

CaO + H₂O --> Ca(OH)₂ - 63,5 kJ/mol

W zależności od sposobu prowadzenia procesu gaszenia wapno dzieli się na:

• ciasto wapienne
• wapno hydratyzowane
• mleko wapienne

Ciasto wapienne otrzymywane jest w dołach do gaszenia i stanowi układ koloidalny wodorotlenku wapnia w nasyconym wodnym roztworze tegoż wodorotlenku. zawartość wody wynosi ok. 50% masy ciasta wapiennego.
Wapno hydratyzowane (sucho gaszone) jest sproszkowanym wodorotlenkiem wapnia, który otrzymuje się metodą przemysłową przez gaszenie wapna palonego małą ilością wody (ok. 25%)
Mleko wapienne charakteryzuje się znacznym nadmiarem wody w układzie koloidalnym wodorotlenku wapnia.
Zaprawę murarską (wapienną) otrzymuje się poprzez zmieszanie 1 części objętościowej wapna gaszonego z 3-5 częściami piasku oraz wodą
Proces wiązania i twardnienia spoiwa wapiennego (zaprawy) zachodzi w dwóch etapach. Pierwszy etap (kilka godzin) to czas, w którym następuje proces wiązania i krzepnięcia spoiwa. Drugi etap trwający bardzo długo (do kilku lat) to okres twardnienia spoiwa.
Powyższe procesy polegają na odparowaniu wody przy równoczesnej reakcji wodorotlenku wapnia z dwutlenkiem węgla znajdującym się w powietrzu

Ca(OH)₂ + CO₂ --> CaCO₃ + H₂O + 38 kJ/mol

Proces krystalizacji i wzrostu kryształów węglanu wapnia prowadzi do powstania dużych wzajemnie poprzerastanych kryształów tworzących szkielet, od którego zależy stwardnienie spoiwa.
Wiązanie zapraw wapiennych w pomieszczeniach zamknietych można przyśpieszyć przez spalanie koksu (wzrost temperatury i wzrost stężenia CO₂ w powierzu)
Piasek jest biernym pod wzgledem chemicznym składnikiem ( nie bierze udziału w procesie wiązania), jednakże ułatwia penetrację CO₂ z powietrzem w gląb zaprawy, przyspieszając w ten sposób tworzenie się CaCO₃.
Spoiwo wapienne ulega stwardnieniu tylko na powietrzu. Tak otrzymane spoiwo z czasem ulega osłabieniu w wyniku reakcji chemicznej

CaCO₃ + CO₂ + H₂ --> Ca(HCO₃)₂

Z przebiegu reakcji widzimy, że z czasem w wyniku odziaływania wody i dwutlenku wegla z powietrza, nierozpuszczalny CaCO₃ przekształca się w rozpuszczalny Ca(HCO₃)₂. Z twardej zaprawy zostaje więc wypłukany najbardziej istotny składnik - węglan wapnia.

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe sa to materiały wiążącę, 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 - 230^oC). 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. Odmiana (beta) w odróżnieniu od odmiany (alfa) ma wygląd kłaczkowaty, krystalizuje w postaci bardzo drobnych kryszatałów. Stąd odmiana (beta) ma gorsze właściwości wytrzymałościowe niż odmiana (alfa), która ma zwartą strukture krystaliczną.
Spoiwa tej grupy należą do spoiw powietrznych szybko wiążących, o poczatku wiązania od 3 do 12 minut, a 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 sie dopiero spoiwem dopiero 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 - 700^oC i zmieleniu go z aktywatorami. naturalnego w temperaturze 600 - 700^oC i zmieleniu go z aktywatorami>
Gips hydrauliczny jest spoiwem powietrznym wykazującym właściwości hydrauliczne. Spoiwo to, obok podstawowego składnika jakimjest CaSO₄, zawiera pewien niewielki procent tlenku wapniowego CaO. Gips hydrauliczny otrzymuje się przez wypalanie kamienia gipsowego w temperaturze 800 - 1000^oC. W takiej temperaturze gips dwuwodny przechodzi w siarczan bezwodny, ulegając częściowemu rozkładowi w/g reakcji

CaSO₄ --> CaO + SO₂ + 1/2O₂

Poczatek wiązania gipsu hydraulicznego zachodzi po upływie 2-6 godzin, koniec wiązania po 6-30 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

Spoiwa hydrauliczne

Spoiwa hydrauliczne mają zdolność wiązania i twardnienia zarówno na powietrzu jak i w środowisku wodnym. Wykazują tym samym odporność na działanie wody i powietrza. Spoiwa hydrauliczne sa to materiały zawierające bezwodne i trwałe wobec wody tlenki nieorganiczne. Po zmieszaniu z wodą następuje proces wiązania i wytworzenia związków uwodnionych.
Do grupy spoiw hydraulicznych należą:

• wapno hydrauliczne
• cement portlandzki
• cement glinowy
• cementy hutnicze, zużolwe, itp.

W skład wszystkich materiałów hydraulicznych wchodzą jako składniki elementarne następujące podstawowe tlenki SiO₂, Al₂O₃ i Fe₂O₃.

Surowcami do produkcji cementów są:

• wapienie (CaCO₃)
• gliny (glinokrzemiany Al₂O₃*nSiO₂*H₂O + mH₂O)
• surowce odpadowe (żużle hutnicze, popioły paleniskowe, szlamy odpadowe zawierające CaCO₃

Produkcja cementów obejmuje następujące etapy

• przygotowanie surowców i ich dokładne wymieszanie
• wypalanie
• mielenie
• silosowanie i pakowanie

Najważniejsze związki zawarte w produkcie wypalania to:

• krzemian trójwapniowy (alit) - 3 CaO*SiO₂ (50-60%)
• krzemian dwuwapniowy (belit) - 2 CaO*SiO₂ (15-28%)
• glinian trój wapniowy - 3 CaO*Al₂O₃ (8-11%)
• żelazoglinian czterowapniowy - 4 CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃ (8-10%)

Wiązanie i twardnienie cementu Opracowane teorie utrzymują, że pierwszym etapem wiąznia jest uwodnienie glinianu trójwapniowego. Jeśli cement nie zawiera substancji opóźniających, proces uwodnienia glinianu trójwapniowego jest szybki. W rezultacie następuje zesztywnienie masy cementowej. Równolegle biegnie proces uwodnienia krzemianu trójwapniowego, z tym że uwodnienie glinianu jest szybki, krzemianu zaś wolne.
Po zakończeniu wiązania następuje długotrwały proces twardnienia,mod którego zależą własciwości wytrzymałościowe i odpornościowe cementu. Proces ten nastepuje na skutek powolnych reakcji uwodnienia krzemianów wapniowych (trwających zwykle kilka miesięcy). Stwierdzono, że wytrzymałość cementu zależy głównie od krzemianu trójwapniowego osiągającego połowę swej wytrzymałości po siedmiu dniach, pełną zaś po dwunastu dniach. W mniejszym stopniu wytrzymałość cementu zależy od krzemianu dwuwapniowego krystalizującego bardzo wolno.
Reakcje zachodzące podaczas wiązania cementu
Tworzenie soli Candlota (dodanie gipsu)

3CaO*Al₂O₃ + 3CaSO₄ + 31H₂O --> 3CaO*Al₂O₃*3CaSO₄*31H₂O

Hydroliza glinianu trójwapniowego

3CaO*Al₂O₃ + 6H₂O --> 3CaO*Al₂O₃*6H₂O

Hydroliza żelazianu czterowapniowego (celitu)

4CaO*Al₂O₃*Fe₂O₃ + (n+6)H₂O --> 3CaO*Al₂O₃*6H₂O + CaO*Fe₂O₃*nH₂O

Hydroliza krzemianu trójwapniowego (alitu)

3CaO*SiO₂ + (n+1)H₂O --> 2CaO*SiO₂*nH₂O + Ca(OH)₂

Hydroliza krzemianu dwuwapniowego (balitu)

2CaO*SiO₂ + nH₂O --> 2CaO*SiO₂*nH₂O

Reakcja wodorotlenku wapnia z CO₂

Ca(OH)₂ + CO₂ --> CaCO₃ + H₂O

Pierwsze trzy reakcje dominują podczas wiązania cementu, zaś pozostałe podczas twardnienia masy cementowej i decydują w głównym stopniu o jej właściwościach wytrzymałościowych.
Inne spoiwoa hydrauliczne to:

• cement portlandzki biały - zawiera minimalne ilości tlenków żelaza, tytanu i manganu ( mniejsze jak 0,2%)
• cement portlandzki ekspansywny - wykazuje rozszerzalność (zwiększa objętość podczas wiązania). Stosowany do uszczelniania rur betonowych, łączenia elementów budowlanych.
• cement hutniczy - surowcami do otrzymania tego cementu są żużle wielkopiecowe. Jest bardziej odporny na czynniki chemiczne i znacznie tańszy od cementu portlandzkiego.
• cement glinowy - otrzymywany z surowca bogatego w Al₂O₃ (boksyt). Drugim surowcem jest wypalony CaO. Ma wysoką wytrzymałość, krótki czas wiązania. Stosowany przy pracach remontowych. Nie jest odporny na działanie alkaliów.
• wapno hydrauliczne - jest to spoiwo, które po związaniu i stwardnieniu przez pewien czas na powietrzu ma zdolność do dalszego utwardzania się pod wodą. Ta własciwość wynika z obecności krzemianów i glinianów wapniowych

Spoiwa magnezjowe

Spoiwa magnezjowe, czyli tzw. cementy magnezjowe, otrzymywane są przez zmieszanie magnezytu kaustycznego lub dolomitu kaustycznego z roztworami soli metali dwuwartosciowych.
Spoiwa magnezjowe charakteryzują się szybkim procesem wiązania (kilka godzin), dużą wytrzymałością na ściskanie; nie są one jednak odporne na długotrwałe oddziaływanie wody. Znajduja zastosowanie w budownictwie do produkcji podłóg bezspoinowych, płytek podłogowych, płyt izolacyjnych.
Zaprawy magnezjowe powodują korozję betonu oraz silnie korodująco na żelazo. Działanie korodujące jest wynikiem obecności MgCl₂ w spoiwie i jest potęgowane przez obecność wilgoci.

POWRÓT

DALEJ