Budownictwo ogólne [1] 8321343341, 9788321343341 [PDF]

Zitiervorschau

·

Budownictwo ogólne materiały i wyroby budowlane

tom

1

Budownictwo ogólne tom 1

materiały i wyroby budowlane

Autorzy

PP

dr. hab. inż. Wojciech Grabowski, prof.

PP

dr hab. inż. Józef Jasiczak, prof. dr inż. Jacek Katzer

-

rozdz. 5, 7

rozdz. 1

-

rozdz. 1O

dr inż. Lesław Madeik

-

rozdz. 9

mgr inż. Grzegorz Maliszewski

rozdz. 13

-

dr hab. inż. Andrzej Małasiewicz, prof. PG dr inż. Paweł Mieczkowski

-

-

rozdz. 3

rozdz. 6

dr hab. inż. Wojciech Piasta, prof. -

-

rozdz. 8, 12

prof. dr hab. inż. Jerzy Piasta dr inż. Piotr Rapp

rozdz. 2

rozdz. 9

-

mgr inż. Iwona Lipczyńska dr inż. Zdzisław Lis

-

-

PŚk

-

rozdz. 6

-

rozdz. 1, 11, 12

rozdz. 1O

dr inż. Adam Romanowski mgr inż. Teresa Rucińska

-

-

mgr inż. Tomasz Rudnicki

rozdz. 13

rozdz. 8

-

rozdz. 11

prof. dr hab. inż. Bogusław Stefańczyk dr hab. inż. Władysław Szaflik, prof. prof. dr inż. Bronisław Weryński

-

PS

-

rozdz. 14

rozdz. 4

Budownictwo ogólne tom 1

materiały i wyroby budowlane

praca zbiorowa pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. Bogusława Stefańczyka

ARKADY

Opiniodawcy prof. dr hab. inż. Jan Małolepszy prof. dr hab. inż. Jerzy Piłat

Redaktor naukowy Maria Siarkiewicz

Opracowanie techniczne Iwona Malicka

Projekt okładki Barbara Godzisz

Korekta Maria Witczak

© Copyright by Wydawnictwo „Arkady" Sp. z o.o., Warszawa 2005 Wszelkie prawa zastrzeżone Kopiowanie lub reprodukowanie jakiegokolwiek fragmentu tej książki wymaga pisemnej zgody wydawcy Książka dotowana przez Ministerstwo Edukacji Narodowej i

ISBN 83-213-4334-1

Sportu

Spis rozdziałów

Przedmowa Wstęp

. . . . . . . . . . . . . . . . .

.

. .

. . .. .

. .

. . .

. .. .... . . .

.

.

. .

..

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 9

1 Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych . .. 11 2 Naturalne materiały kamienne . . . ... . . . . . ..... . . . . . . ... . ... . . . . .. 87 .

3 Ceramika budowlana . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..... . . . . . . 157 .

4 Mineralne spoiwa budowlane . . . .

. . . .

.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

241

5 Zaczyny i zaprawy budowlane . . . . . .. . . . . .... . . . . ... . . . . .... . . . . 293 .

6 Beton zwykły, wysokowartośdowy i specjalny

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

331

7 Wyroby z zaczynów, zapraw i betonów . . . . . . .. . . .. . . . . . . . . . .. . . 433 .

8 Betony lekkie . . ..... . . .... . . . . .......... . . . ................... . . . . 481 .

9 Szkło budowlane . . . .. . . . . . . .... . .............. . ... . . ..... . . .. . .... 549 .

1 O Drewno i materiały drewnopochodne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 567 .

11 Tworzywa sztuczne i malarskie materiały budowlane .. . . . .. . .. 653 12 Lepiszcza bitumiczne i wyroby z nich . . . ..... . .... . . . . . . . . . . . . . 743 .

13 Metale i wyroby z metali .... . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . ........ . . .. . . . 823 .

14 Materiały i wyroby instalacyjne oraz termoizolacyjne . . . . . . . . 889 .

Przedmowa

Przekazujemy do rąk Czytelników pierwszą część pięciotomowej monografii pt. „Budownictwo ogólne", która zastąpi wydawane w „Arkadach" w latach ubie­ głych uznane dzieło pod tym samym tytułem autorstwa Profesora Wacława Żen­ czykowskiego, wychowawcy kilku pokoleń inżynierów. W świadomości studen­ tów i absolwentów wyższych uczelni technicznych książka ta pozostaje sztandaro­ wym podręcznikiem z dziedziny budownictwa. Jednak upływ czasu i przemiany w Polsce spowodowały, że Wydawnictwo stanęło przed dylematem - czy kolejny raz nowelizować dzieło Wacława Żenczykowskiego, czy też przygotować zupełnie nowe opracowanie. W ostatnich kilkunastu latach - podobnie jak we wszystkich dziedzinach go­ spodarki - także w budownictwie nastąpiły fundamentalne przeobrażenia; zmia­ nie uległy przepisy prawne i normy, zasady organizacji budowy i sposób realizacji

obiektów budowlanych, asortyment materiałów budowlanych, finansowanie i wy­ cena robót. Przekształcenia dokonują się nadał, co wiąże się z trwającym cały czas procesem transformacji społeczno-gospodarczej kraju oraz potrzebą dosto­ sowania polskich przepisów do obowiązujących w Unii Europejskiej. Biorąc pod uwagę te okoliczności, Wydawnictwo „Arkady" zadanie napisania nowej pięciotomowej monografii pt. „Budownictwo ogólne" powierzyło uznanym specjalistom z kilku ośrodków akademickich w Polsce. W przygotowaniu pierwszego tomu, poświęconego materiałom i wyrobom bu­ dowlanym, brało udział osiemnastu Autorów. Koordynacji całości prac związa­ nych z jego opracowaniem podjął się Profesor Bogusław Stefańczyk z Politechniki Szczecińskiej, który jest jednocześnie Autorem niektórych rozdziałów. Cały ze­ spół autorski dołożył wielu starań, żeby wiedzę zawartą w tej książce cechowała aktualność, choć wobec szybkiego tempa zmian nie było to zadanie łatwe. Pragniemy serdecznie podziękować wszystkim Autorom za twórczy wysiłek włożony w przygotowanie poszczególnych rozdziałów tego tomu, a Panu Profe­ sorowi Bogusławowi Stefańczykowi za harmonijną współpracę i konsekwentne realizowanie założeń merytorycznych. Bardzo dziękujemy Recenzentom: Panu Profesorowi Janowi Małolepszemu i Panu Profesorowi Jerzemu Piłatowi, których cenne wskazówki przyczyniły się do udoskonalenia treści książki. Warszawa, styczeń 2005

Wydawnictwo „Arkady"

Wstęp

Wprowadzanie nowych technik budowlanych i wzrastające zapotrzebowanie na materiały budowlane o coraz lepszych parametrach technicznych stawiają nowe wyzwania przed przemysłem materiałów budowlanych, który stał się ważną dzie­ dziną gospodarki narodowej. Obok wymaganej wysokiej jakości i trwałości materiałów, ważną rolę odgry­ wają kryteria ekonomiczne. Większość materiałów i wyrobów budowlanych cha­ rakteryzuje się znaczną objętością i dużą masą, co wiąże się z niemałymi koszta­ mi ich przewozu od zakładu, gdzie są produkowane, na płac budowy. Koszt tran­ sportu na dalsze od iegłości niektórych popularnych (tradycyjnych) materiałów bu­ dowlanych może być wyższy niż ich cena. Dlatego powinno się, w miarę możli­ wości, stosować materiały miejscowe, które wydobywa się łub produkuje w po­ bliżu wznoszonego obiektu (piasek, żwir, gips, wapno, kamień naturalny, cegłę). W ostatnim czasie, obok przesłanek ekonomicznych, duże znaczenie w ocenie przydatności danego produktu mają względy ekologiczne, a zwłaszcza oddzia­ ływanie materiałów łub wyrobów budowlanych na zdrowie człowieka i środo­ wisko naturalne. Pod pojęciem właściwości ekologicznych materiałów budowla­ nych rozumie się również te cechy, które umożliwiają ponowne ich zastosowanie w budownictwie łub innych dziedzinach gospodarki bez szkody dla środowiska naturalnego (recykling). Najbardziej przydatne do wtórnej przeróbki są materia­ ły nieorganiczne (metale, materiały skalne, beton, szkło, ceramika) i niektóre organiczne (drewno, celuloza i jej pochodne), najtrudniej zaś jest przetwarzać większość tworz yw sztucznych. W nowoczesnym budownictwie istotną rolę odgrywają względy estetyczne. Aby nadać obiektom efektowny wygląd, stosuje się coraz doskonalsze materia­ ły, m.in. tynkarskie i kamienne, lekkie obudowy z metalu, tworzyw sztucznych i szkła, elementy dekoracyjne, np. sztukatorskie. Zaawansowane technologie produkcji wyrobów budowlanych, nowoczesne techniki łączenia poszczególnych elementów podczas wznoszenia obiektów wy­ magają od inżyniera budowlanego odpowiedniej wiedzy fachowej, studiowania literatury przedmiotu. W warunkach gospodarki wolnorynkowej, gdy dostęp do różnorodnych ma­ teriałów i wyrobów budowlanych produkowanych tak w kraju, jak i za granicą jest praktycznie nieograniczony, istnieje potrzeba zastosowania odpowiedniej ich klasyfikacji. Można zaproponować dwa kryteria podziału.

Wstęp

10

Pierwsze kryterium polega na grupowaniu materiałów i wyrobów według ich przeznaczenia (np. murowe, ścienne, dachowe, wykończeniowe zewnętrzne lub wewnętrzne, podłogowe lub posadzkowe). Klasyfikacja ta jest jednak niedosko­ nała, gdyż np. do grupy materiałów dachowych zalicza się materiały o różnych właściwościach, z różnych surowców, otnymywanych wg odmiennych technolo­ gii (np. dachówki ceramiczne i blachy stalowe, dachówki na spoiwie mineralnym i rulonowe materiały papowe na bazie bitumu lub tworzywa sztucznego). Jak widać wymienione materiały nie mają wiele wspólnego zarówno ze względu na użyte surowce, jak i metody wytwarzania. Drugim kryterium podziału może być rodzaj surowca, z którego przygotowuje się materiał (wyrób) i przebieg procesu technologicznego przy jego wytwarzaniu (produkcji). W ten sposób można wyróżnić następujące grupy: naturalne mate­ riały kamienne, ceramikę, tworzywa sztuczne i wyroby z nich oraz inne. Wyklucza się z teg� rodzaju klasyfikacji grupę materiałów do izolacji ciepl­ nych, ponieważ otrzymuje się je z różnych surowców (organicznych, nieorganicz­ nych), przy zastosowaniu odmiennych technologii, a mają one jednak dużo cech wspólnych: niewielką gęstość objętościową, małą p�ewodność cieplną, dobrą termoizolacyjność. Parametry, jakimi powinny odznaczać się materiały i wyroby budowlane, są określone w normach, przepisach resortowych oraz wymaganiach technicznych ustalonych przez Instytut Techniki Budąwlanej, a dotyczących głównie materia­ łów i wyrobów nowo wprowadzanych, w niewystarczającym stopniu sprawdzo­ nych w praktyce budowlanej. Badania laboratoryjne prowadzi nie tylko Instytut Techniki Budowlanej, ale również np. Instytut Badawczy Dróg i Mostów, głów­ nie w zakresie nowych wyrobów stosowanych w budownictwie komunikacyj­ nym. Są opracowane odpowiednie procedury dopuszczania nowych materiałów do obrotu i stosowania w różnych działach budownictwa, a wydawane dokumenty techniczno-prawne noszą nazwę aprobat technicznych. Normy, ustalenia technicz­

ne i aprobaty zawierają dokładne dane materiału (wyrobu). Określone są w nich także metody badań oraz warunki przechowywania i transportu. W związku z wejściem Polski do Unii Europejskiej trwa proces dostosowywa­ nia standardów krajowych do norm technicznych Wspólnoty i stąd w zestawach norm zamieszczonych w każdym z rozdziałów książki obok symbolu PN-B 1 2 występują symbole PN-EN i PN-EN IS03. Normy te wnoszą istotną i nową

wiedzę ułatwiającą podmiotom gospodarczym funkcjonowanie na rynku euro­ pejskim w warunkach rosnącej konkurencji. 1

Bogusław Stefańczyk

Normy krajowe opracowane przez PKN (Polski Komitet Normalizacyjny). Wiernie tłumaczone normy europejskie EN. 3 Tłumaczone normy międzynarodowe ISO (International Organization for Standardization).

2

1

Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych

Bogusław Stefańczyk

•

Iwona Lipczyńska

I. I.

Wybrane zagadnienia chemii budowlanej . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Rola inżynierii materiałowej w technologii materiałów budowlanych 1.1.2. Podstawowe elementy budowy materii . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . 1 .3. Wiązania międzyatomowe i międzycząsteczkowe . . . . . . . . . 1. 1.4. Wiadomości o wiązaniach, strukturze i właściwościach podstawowych materiałów budowlanych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.5. Podstawy krystalografii. Materiały krystaliczne . . . . . . . . . . . . . . 1. 1.6. Reguła faz w zastosowaniu do materiałów budowlanych . . 1 . 1.7. Zaburzenia strukturalne w materiałach budowlanych . . . 1.1.8. Układy dyspersyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Właściwości fizyczne materiałów budowlanych . . . . . . . 1.3. Właściwości mechaniczne materiałów budowlanych . Wykaz literatury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.

.

.

.

12 12 13

16

grup . . . . 23 . . . . 32 37 . . . . 47

. . . . 55 . . . . 62 75 . . . . 85

J. Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych

12

1.1. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej 1.1.1. Rola inżynierii materiałowej w technologii materiałów budowlanych Uzdatnianie i uszlachetnianie materiałów, wprowadzanie dodatków modyfiku­ jących, a także modernizacja produkcji wyrobów wymagają złożonych proce­ sów określanych mianem technologii materiałów. Dyscyplina naukowa, która zajmuje się badaniem struktury materiałów oraz ulepszaniem ich i otrzymywa­ niem nowych tworzyw

o z góry

założonych właściwościach,

nosi nazwę

inżynierii materiałowej. Główny nacisk w tej dziedzinie nauki kładzie się na poszukiwanie zależ­ ności między fizycznymi lub mechanicznymi właściwościami materiałów a ich strukturą. Określenie „struktura" jest tu używane w najszerszym znaczeniu i obejmuje strukturę atomową, elektronową, krystaliczną, jak również defekty tej struktury wpływające na rodzaj - a tym samym siłę (energię) - wiązań, decydujących o właściwościach mechanicznych, fizycznych i chemicznych materiałów. Inżynieria

materiałowa stanowi

więc

dziedzinę

interdyscyplinarną,

ba­

zującą m.in. na takich naukach podstawowych i stosowanych, jak: fizyka, che­ mia, krystalografia z mineralogią (ze szczególnym uwzględnieniem reguły faz oraz

fizykochemii

układów

dyspersyjnych)

i

materiałoznawstwo

budow­

lane, z całym systemem badań i oceny właściwości fizykomechanicznych ma­ teriałów. Inżynieria materiałowa, głównie przez badania podstawowe struktury mate­

riałów 1, określa kierunki poszukiwań nowych materiałów konstrukcyjnych, a tak­

że pomocniczych, tzw. wykończeniowych. Zarówno pierwsze, jak i drugie mają coraz mniej wspólnego z tradycyjnymi materiałami jedno-, dwu- czy trójskład­ nikowymi (tradycyjnymi zaprawami, betonami cementowymi, ceramiką tradycyj­ ną), a są złożonymi układami wieloskładnikowymi i wielofazowymi, zwanymi

kompozytami. W tej prawie nieograniczonej grupie materiałów nie ma już miejsca na po­ działy tradycyjne, czyli np. na materiały kruche (ceramika, beton, szkło), których zakres sprężystości jest ograniczony przez pękanie, oraz plastyczne, których za­ kres sprężystości jest ograniczony przez odkształcenie plastyczne. We wspomnianych wyżej kompozytach na równi z materiałami do tej po­ ry uchodzącymi za kruche (takimi jak: materiały mineralne, beton) wystę­ pują materiały lepko-plastyczne

1

(np.

żywice syntetyczne,

Budowa wewnętrzna na poziomie atomów, jonów, elektronów.

bitumy,

plastyfi-

1.1. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

13

katory węglowodorowe), przez co zacierają się tradycyjne podziały klasy­ fikacyjne. W ten sposób utworzone kompozyty podczas eksploatacji ujawniają swe ko­ rzystne cechy: pożądane właściwości mechaniczne, przy jednocześnie pewnej skłonności do deformacji i rozpraszania naprężeń wewnętrznych (właściwości relaksacyjne), co z kolei zmniejsza ich podatność na zmiany zmęczeniowe i sta­ rzeniowe.

1.1.2. Podstawowe elementy budowy materii Istnieją różnorodne materiały budowlane, których właściwości zm1emaJą się w bardzo szerokim zakresie. Wspólną ich cechą jest to, że są zbudowane z cząstek elementarnych. Obecnie znanych jest ponad 200 takich cząstek. W większości przypad­ ków czas ich istnienia jest bardzo krótki. Cząstki te dzieli się na cztery grupy: fotony, leptony, mezony i bariony. Z punktu widzenia budowy materii istotne znaczenie mają tylko takie cząstki, które wchodzą trwale w skład atomu i podczas wytwarzania czy destrukcji ma­ teriałów budowlanych nie podlegają żadnym zmianom. Do takich cząstek należą: protony, neutrony i elektrony. Według planetarnego, a więc klasycznego, modelu Bohra, atomy są zbudo­ wane z nukleonów (protonów i neutronów) - cząstek tworzących jądro, oraz elektronów - krążących wokół jądra na ściśle określonych orbitach (a dokładniej na tzw. orbitalach). Dodatnie ładunki wchodzących w skład jądra protonów są zobojętnione przez ujemne ładunki elektronów otaczających jądro, tak więc atom jest elektrycznie obojętny, a liczba protonów równa liczbie elektronów nosi nazwę liczby atomowej Z (lub porządkowej). Wartość Z wyznacza więc ładunek powłoki elektronowej, a także ładunek jądra atomowego. Liczba neutronów N znajdujących się obok protonów Z w jądrze atomowym nie wpływa na jego ładunek, a jedynie na masę jądra. Całkowita liczba nukle­ onów (liczba masowa A atomu) wyznaczająca masę jądra wynosi N+ Z. Atomy pierwiastków o liczbie atomowej Z i liczbie masowej A oznacza się symbolem �p (gdzie P jest symbolem danego pierwiastka). Jądro atomowe zbudowane z cząstek dodatnich (protonów) i obojętnych (neu­ tronów) istnieje wbrew prawu o odpychaniu ładunków jednoimiennych. Prawdopodobnie wynika to z faktu, że nukleony w jądrze atomu nie są trwa­ łymi cząstkami, lecz ulegają ciągłej przemianie proton {::} neutron z udziałem cząstki elementarnej, tzw. mezonu n. Istnieją trzy rodzaje takich mezonów n°, n+, n-.

1. Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych

14

Przebieg podanych reakcji odbywa się z dużą częstotliwością ( 1 024/s) wg schematu P -+N+n+

gdzie: P

-

N-

N-n- -+ P

proton, neutron.

Według teorii Bohra, elektrony otaczające jądro atomu krążą po kołowych orbitach. Sommerfeld zmodyfikował model Bohra, wprowadzając zamiast orbit kołowych orbity eliptyczne (rys. 1 . 1 ). W przypadku powstałego w ten sposób mo\łelu atomu odnosi się wrażenie, jakby rozmieszczenie elektronów i orbit było ściśle sprecyzowane.

3s

Rysunek 1.1. Orbity elektronowe

wg Sommerfelda [4]

Według teorii Heisenberga, zarówno położenia elektronu na orbicie, jak i jego energii nie można określić dokładnie, ponieważ elektrony mogą zachowywać się jak cząstki materialne albo jak fale elektromagnetyczne. Ostatnio stacjonarne orbity (kołowe i eliptyczne), po których pędzą elektro­ ny, zostały zastąpione obliczonymi (z dużym prawdopodobieństwem) „kanała­ mi" poruszania się chmury elektronowej. Każdy z elektronów znajdujących się w chmurze ma jednakże własny (niepowtarzalny) zasób energii, który wynika z położenia jego w stosunku do jądra atomu. Do opisu stanu energetycznego tych elektronów służą dwie liczby kwanto­ we: główna i poboczna. Główna liczba kwantowa (oznaczana przez n) określa ogólnie stan energetyczny elektronu w atomie i może przybierać wartości cał­ kowitych liczb dodatnich (n = 1 , 2,3, 4,5,6,7, . ). Szacuje ona w przybliżeniu odległość elektronu od jądra. Najbliżej jądra atomu znajduje się powłoka o liczbie kwantowej n = I, elektrony na niej krążące charakteryzują się również najniższą energią. Główna liczba kwantowa wskazuje równocześnie na liczbę podpowłok w po­ włoce. Zatem w powłoce drugiej są dwie podpowłoki, w trzeciej trzy itd. Pod­ powłoki oznacza się symbolami literowymi s, p, d, f, g, h, i. . .

1.1. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

15

Stosując formułę 2n2 , można obliczyć maksymalną liczbę elektronów w danej powłoce, na przykład w powłoce pierwszej (n = l ) mogą przebywać maksymalnie 2 elektrony, w drugiej (n = 2)- 8, trzeciej (n = 3) - 18 itd. Konfiguracje elektronową pierwiastków najczęściej występujących w materia­ łach budowlanych przedstawia tabl. 1 . 1 . Tablica 1.1. Konfiguracja elektronowa wybranych pierwiastków chemicznych

Powłoka i podpowłoki

z

Symbol pierwiastka

1

H

I

8

o Na

2

2

4

2 2

2 2

6

2 2

2 2

6 6 6

2 2

2 2

6 6

11 12

13 14 19 20

Mg

Al Si K Ca

Is

2s 2p

3s

I 2 2 2 2 2

3p

3d

4s 4p

4d 4f

1 2 6 6

l 2

Posiłkując się tabl. 1 . 1 , konfig urację elektronową np. sodu (Na) o liczbie atomowej Z = 11 przedstawia się następująco: 1 1 Na - ls22s2 2p63s1 W przypadku atomu sodu powłoką wartościowości jest powłoka trzecia z jed­ nym elektronem w podpowłoce s (3s1 ), podobnie jak powłoka czwarta w atomie potasu (4s1 ) . Obydwa pierwiastki ze względu na konfiguracje elektronową ostat­ niej podpowłoki s należą do pierwszej grupy układu okresowego i charakteryzują się podobnymi właściwościami chemicznymi. Na podstawie pobieżnej nawet analizy konfiguracji elektronowej pierwiastków chemicznych można dojść do wniosku, że ich właściwości chemiczne zależą od liczby elektronów wartościowości (walencyjnych). Wartościowością nazywa się liczbę elektronów atomów biorących udział w tworzeniu wiązań międzyatomowych. Wartościowość jest zwykle określona liczbą elektronów w zewnętrznych podpowłokach (s, p), na przykład: tlen (O) - ls22s2 2p4 ; wartościowość 6 krzem (Si) - l s22s2 2p6 3s2 3p2; wartościowość 4 magnez (Mg) - l s2 2s2 2p6 3s2 ; wartościowość = 2 =

=

Pierwiastki mające w powłoce zewnętrznej 8 elektronów (s2 p6), do których należą (i wyjątkiem helu) wszystkie gazy szlachetne, są nieaktywne chemicznie.

16

/. Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych

Zachowania chemiczne pozostałych pierwiastków można wyjaśnić, opierając się na dążeniu do uzyskania &-elektronowej zewnętrznej powłoki, tzw. oktetu. Sód o strukturze elektronowej

ma jeden elektron na powłoce zewnętrznej i chętnie go oddaje, aby opróżnić powłokę 3 i uzyskać oktet w powłoce 2. Natura wiązań między atomami i zachowanie chemiczne sodu zależą od me­ chanizmu oddziaływania jednego elektronu z elektronami sąsiednich atomów. Tlen o konfiguracji elektronowej l s22s22p4 będzie dążył w reakcjach chemicznych do zapełnienia podpowłoki (p) w drugiej powłoce elektronowej przez przyłączenie dwóch elektronów. Atomy mające w zewnętrznej powłoce mało elektronów ( 1 ,2,3), jak np. atom Na, Mg, AI., łatwo uzyskują trwałą konfigurację elektronową zewnętrznej powłoki przez pozbywanie się tych niewielu elektronów. Pierwiastkom mającym w zewnętrznej powłoce liczbę elektronów bliską 8 (np. atom tlenu) jest natomiast łatwiej uzyskać stabilną konfiguracje elektronową przez przyjęcie dwóch elektronów do podpowłoki (p). Utrata lub uzyskanie przez jakiś atom elektronu lub elektronów są nazywane jonizacją. Atomy oddające elektrony są nazywane elektrododatnimi, przyjmujące - elektroujemnymi. Podstawą wiązań między atomami jest sposób, w jaki atomy uzyskują stabilną &-elektronową konfigurację zewnętrznej powłoki. W tym celu podczas tworzenia wiązania atomy oddają, pobierają lub uwspól­ niają elektrony. 1.1.3. Wiązania międzyatomowe i międzycząsteczkowe

Siły działające między atomami zbliżonymi do siebie na odpowiednie odległości można podzielić w ogólności na: - siły wynikające z wędrówki elektronów i ewentualnej ich wymiany miedzy sąsiadującymi atomami (międzyatomowe), - siły, których występowanie nie jest związane van der Waalsa (międzycząsteczkowe).

z

wymianą elektronów, np. siły

Wymienione rodzaje wiązań różnią się wydatnie energią: wiązania między­ atomowe (I rzędu) charakteryzują się wysoką energią (250-1000 kJ/mol), nato­ miast wiązania międzycząsteczkowe (II rzędu) są słabsze, a ich energia waha się w granicach 4-40 kJ/mol.

1.1. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

17

W pierwszym przypadku podatność do łączenia, czyli reakcji chemicznych, mają atomy z nie zapełnioną powłoką zewnętrzną elektronami, a zwłaszcza takie, w których elektrony nie występują w dubletach. Jest to zgodne z regułą wiązań walencyjnych VB (Valence Bond), wg której atomy mogą utworzyć cząsteczkę, gdy dysponują elektronami o różnych spinach (przeciwnie skierowanym ruchu obrotowym dokoła własnej osi). Z punktu widzenia energetycznego łączenie atomów w cząsteczki przebiega na zasadzie zmniejszania energii swobodnej i w konsekwencji uzyskania przez tę cząsteczkę bardziej trwałej konfiguracji, zgodnie z nierównością

gdzie:

EA - energia Ee energia -

(EA+ Es)osobno > (EA+ Ea)razem atomu A, atomu B.

Uogólniając, między atomami działają siły dwojakiego rodzaju: przyciągające, które utrzymują atomy w postaci spójnej grupy, oraz odpychające, przeciwdziała­ jące zbytniemu zbliżaniu się tych atomów. Siły te utrzymują atomy w określonej odległości od siebie, ale przy zbyt małych odległościach siły odpychające są większe niż siły przyciągające (rys. 1 .2).

- -- --

I I I I I a

Przyciąganie

----

Odległość między

atomami uonami)

1---;. I

Poziom energii dla odległości a Rysunek 1.2. Siły międzyatomowe (wg (15])

I I r-a> I

©

nieskończenie wielkiej

18

/. Podstawowe właściwości technicl.!le materiałów budowlanych

W odległości a-a' siła oddziaływania między atomami jest równa O, a ener­ gia minimalna. Gdy atomy zbliżają się do siebie, odległość między nimi staje się mniejsza niż a-a' w położeniu równowagi. Siły odpychające zaczynają odgrywać decydującą rolę i energia potencjalna szybko rośnie. Gdy atomy oddalają się od siebie, odległość między nimi staje się większa niż w położeniu równowagi, nie­ co słabsze siły przyciągające zaczynają przeważać i krzywa energii potencjalnej znów rośnie, ale znacznie wolniej. Właściwości sprężyste ciała stałego wykazują wyraźny związek z kształtem krzywych przedstawionych na rys. I .2. Energię oddziaływań międzyatomowych ujmuje wzór

gdzie: b/(ad)"

b c ' E (aa ) = (aa')n - (aa ')6 -

( l . l)

energia odpychania,

c/(aa')6 energia przyciągania, b, c, n stałe empiryczne uwzględniające wartościowość jonów, ładunek -

-

elektronu i in.

Wiązania atomowe (kowalencyjne, homeopolarne)

Wiązanie atomowe polega na utworzeniu wspólnej pary elektronowej z dwóch atomów tego samego pierwiastka. Biorą w nim udział elektrony walencyjne, naj­ bardziej peryferyjne w stosunku do jąder pierwiastków. Zgodnie z teorią orbitali molekularnych w tym momencie następuje nakładanie dwóch orbitali i gęstość elektronowa wzrasta. Podstawowym warunkiem tworzenia wiązań kowalencyjnych są niesparowane elektrony o przeciwnych spinach. W cząsteczkach takich pierwiastków jak 02, Ni i innych powstają wiązania wielokrotne:

W wiązaniach wielokrotnych pierwsze jest najsilniejsze i oznacza się je ja­ ko a, a następne n1 , 1t2 itd. są coraz słabsze, ponieważ zgrupowane elektrony powodują osłabienie pola elektrycznego i energii kolejnych wiązań. Wiązanie kowalencyjne w materiałach budowlanych prowadzi do dużej opor­ ności cieplnej i elektrycznej (ponieważ nie ma tu wolnych elektronów) oraz do braku plastyczności. Przykładem materiału o wiązaniu kowalencyjnym jest diament, którego twar­ dość i temperatura topnienia (3500°C) kwalifikuje do grupy najtwardszych ma­ teriałów spotykanych w przyrodzie.

]./. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej Przedstawiony powyżej

19

rodzaj wiązań kowalencyjnych dotyczy łączenia

dwóch (lub większej liczby) atomów tego samego pierwiastka i takie wiąza­ nie nazywa się kowalencyjnym zwykłym. Najczęściej jednak w związkach che­ micznych, a tym samym w materiałach budowlanych występują mniej lub więcej spolaryzowane wiązania kowalencyjne. Jest to wynikiem tworzenia pary elek­ tronowej (w pojedynczym wiązaniu) z elektronów walencyjnych atomów dwóch różnych pierwiastków (różnych pod względem elektroujemności), na przykład: +6 -6

H· + ·�):

-

H

:{::):

-

HCI

W przypadku cząsteczki HCl wiążąca para elektronowa przesunięta jest od wodoru do chloru bardziej elektroujemnego od wodoru, co w konsekwencji pro­ wadzi do powstawania cząsteczki spolary zowanej elektrycznie, tzn. dipola, któ­ rego moment można wyrazić wzorem

µ = ląll gdzie:

ląl

l

-

-

(1.2)

wartość bezwzględna ładunku jednego bieguna, C,

odległość między biegunami, m.

Wiązania kowalencyjne spolaryzowane często występują w materiałach bu­ dowlanych na bazie spoiw nieorganicznych (cement, wapno, gips).

Wiązania jonowe (elektrowalencyjne, heteropolarne) Wiązania jonowe powstają pomiędzy atomami różnych pierwiastków różniących się elektroujemnością. Największe powinowactwo elektronowe (elektroujemność) wykazują pierwiastki, których atomy mają powłoki walencyjne wypełnione nie­ mal całkowicie (chlorowce - grupa VII A układu okresowego pierwiastków). Natomiast atomy z obsadzonymi w niewielkim stopniu powłokami zewnętrzny­ mi łatwiej pozbywają się elektronów niż je przyjmują (metale trzech pierwszych grup układu okresowego). Mówi się więc, że metale mają małą elektroujemność (albo są elektrododatnie), natomiast pierwiastki leżące po prawej stronie układu okresowego (z wyjątkiem gazów szlachetnych) mają dużą elektroujemność. Mechanizm wiązania jonowego polega na tym, że atom pierwiastka elektro­ dodatniego oddaje elektron lub elektrony z powłoki walencyjnej, natomiast atom pierwiastka elektroujemnego przyjmuje uwolnione elektrony na swoją powłokę walencyjną. Reakcja taka przebiega wg schematu: A+B

� � e

-

A+

1

a-

I

Kation Anion

/. Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych

20

Powstające po tym przejściu kationy i aniony przyciągają się zgodnie z pra­ wem Coulomba .!.. qKqA F= (1.3) e ,2

gdzie: r=rK+rA, rK promień kationu, m, rA promień anionu, m, qK ładunek kationu, C, qA ładunek anionu, C, e stała dielektyczna ośrodka, C2/(N·m2). -

-

-

-

-

To wzajemne przyciąganie nie może spowodować zbyt dużego zbliżenia ato­ mów, ponieważ wówczas zaczynają odpychająco oddziaływać elektrony znajdu­ jące się w bliższych jądru powłokach, jak również same jądra. Można przyjąć, że bardzo wiele substancji nieorganicznych, a także pewna liczba substancji organicznych, składa się z jonów tworzących trójwymiarową sieć, czyli posiadających budowę krystaliczną. W stanie krystalicznym substancji o budowie jonowej jony dodatnie są otoczone jonami ujemnymi, i odwrotnie. Ilość jednego rodzaju jonów przypadających na drugi rodzaj jonów zależy od stosunku rK/ rA i nosi nazwę liczby koordynacyjnej, która może wynosić 2, 3, 4, 6, 8, 12. Związki krystaliczne o wiązaniach jonowych noszą nazwę kryształów jono­ wych i odgrywają ważną rolę w materiałach budowlanych. Tego typu materiały są bardzo twarde oraz charakteryzują się wysokimi temperaturami topnienia i wrze­ nia. W stanie stałym są złymi przewodnikami prądu elektrycznego i ciepła, na­ tomiast w stanie stopionym i w roztworach przewodzą prąd elektryczny. Dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach charakteryzujących się wysoką polarnością, takich jak woda.

Wiązania metaliczne W metalach istnieje specyficzny rodzaj wiązań międzyatomowych (chemicznych), polegający na tym, że atomy metalu przekazują swoje najbardziej zewnętrz­ ne elektrony (elektrony wartościowości) do przestrzeni międzywęzłowych siat­ ki krystalicznej metalu, w wyniku czego tworzy się chmura elektronowa albo gaz elektronowy. W tych warunkach cechy mechaniczne metalu zależą od sił przyciągania, jakie działają między elektronami a jonami dodatnimi usytuowany­ mi w węzłach sieci krystalicznej. Wolne elektrony w postaci chmury elektronowej są odpowiedzialne za prze­ wodnictwo prądu elektrycznego i ciepła, zgodnie z regułą

A. KT

=

const

(1.4)

i.I.

gdzie: A,

K T

-

-

-

Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

21

współczynnik przewodnictwa cieplnego, W/(m·K), współczynnik przewodnictwa elektrycznego, l/(Q·m), temperatura absolutna, K.

Wynikiem wiązania metalicznego jest duża wytrzymałość materiału (metalu lub stopu) przy istnieniu defektów struktury, wyraźna podatność do odkształceń plastycznych, skłonność do wykazywania zjawiska fotoelektrycznego i nieprze­ zroczystości. Metalami w ogólności są takie pierwiastki, które w swych zewnętrznych pas­ mach energetycznych mają tylko niewielkie liczby elektronów, natomiast bardzo dużą liczbę pustych orbitali; np. miedź (Cu) ma na orbitalu wartościowości jeden elektron. Izolatorami z kolei są takie pierwiastki lub związki chemiczne, w których występuje całkowite wypełnienie elektronami ich zewnętrznych orbitali, a odle­ głości między dozwolonymi pasmami energetycznymi są bardzo duże. Półprzewodniki zajmują pozycje pośrednią; odległości między dozwolonymi pasmami energetycznymi są większe niż w metalach, a mniejsze niż w izolato­ rach, i dostateczne pobudzenie energetyczne Uak ciepło, napromieniowanie) po­ woduje w nich przepływ prądu elektrycznego. W przypadku przejścia na wyższy poziom energetyczny elektron przemieszcza się do pasma przewodnictwa i pozo­ stawia lukę w paśmie, z którego się oderwał, stwarzając w ten sposób warunki do przepływu innych elektronów.

Wiązania międzycząsteczkowe (van der Waalsa) Wśród wiązań międzycząsteczkowych rozróżnia się wiązanie van der Waalsa i wiązanie wodorowe (protonowe). W obydwu przypadkach nie wchodzi w grę uwspólnienie (wiązanie kowalencyjne) ani wymiana (wiązanie jonowe) elektro­ nów, natomiast charakter tych wiązań wynika z sił przyciągania lub odpychania elektrostatycznego. Siły van der Waalsa występują np. między atomami lub cząsteczkami wów­ czas, gdy podczas zbliżenia ich do siebie tworzą się swoiste dipole w następstwie wzajemnego oddziaływania chmur elektronowych i ładunków jąder atomowych. Oddziaływanie między powstającymi dipolami prowadzi do pojawiania się si­ ły, która jest składową przyciągającą w wiązaniu van der Waałsa. Opisane oddzia­ ływanie ulega ponadto wzmocnieniu na skutek tego, że obecność dipola w jednym atomie (lub cząsteczce) sprzyja pojawieniu się dipola indukowanego w atomie sąsiednim. Składowa odpychająca występuje wtedy, kiedy odległość między ato­ mami jest tak mała, że ich chmury elektronowe zachodzą na siebie. Siły wiązania van der Waalsa są tym większe, im większa jest zdolność atomu do polaryzacji, czyli im łatwiej rozmieszczenie elektronów wokół jądra staje się niesymetryczne. Zdolność do polaryzacji zwiększa się ze wzrostem liczby

22

/. Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych

atomowej pierwiastka. Siły van der Waalsa szybko maleją wraz ze wzrostem odległości międzycząsteczkowych, zgodnie z zależnością F

=

_.!_ r"

(1.5)

gdzie: F - siła, N, r - odległość między jądrami poszczególnych cząsteczek, m, n - wykładnik potęgowy.

W przypadku oddziaływania jon-jon n = 2, jon-dipol n = 3, dipol-dipol n = 4, jon-dipol indukowany n = 5, dipol-dipol indukowany n = 6. Siły van der Waalsa wzrastają wraz ze wzrostem ciśnienia i maleją ze wzro­ stem temperatury, co wynika ze zwiększania się energii wewnętrznej materii na poziomie atomów, cząsteczek, jonów. Siły van der Waalsa są niezwykle powszechne. Działają we wszystkich sta­ nach skupienia materii i na pograniczu stanu skupienia (np. przytrzymywanie lakieru przez powierzchnię metalu, wiązanie w tzw. laminatach włókna szkla­ nego i żywicy epoksydowej, przyczepność bitumu do kruszywa w kompozytach drogowych). Ten rodzaj oddziaływań międzycząsteczkowych decyduje o właściwościach mechanicznych materiałów. Tak jest szczególnie w przypadku dużych makro­ molekuł (np. żywic syntetycznych), w których sumaryczne siły van der Waalsa przekraczają siły międzyatomowe (kowalencyjne), np. w łańcuchach węglowo­ dorowych. Wówczas wytrzymałość takiego materiału określa energia wiązania kowalencyjnego jako mniejsza.

Wiązania wodorowe (protonowe) Specjalną odmianą sił van der Waalsa jest tzw. wiązanie wodorowe, często zwa­ ne mostkiem wodorowym. Również ten rodzaj wiązania ma charakter elektro­ statyczny. Proton należący do jednej cząsteczki może działać silnie polaryzu­ jąco na elektron atomu elektroujemnego drugiej cząsteczki, przyciągając go do siebie. Wiązanie protonowe występuje wówczas, gdy wodór wiąże się z innym ato­ mem X, np. fluorem (F), tlenem (O), azotem (N) lub chlorem (Cl), w taki sposób, że wiązanie X-H (chociaż kowalencyjne) jest wyraźnie polarne, a atom wodo­ ru (H) ma ładunek dodatni. Atom ten może oddziaływać z innymi atomami ujemnymi, a więc bogatym w elektrony atomem Y, tworząc wiązanie wodorowe, co zapisuje się w sposób następująl:y: X-H

Wiązanie kowalencyjne

- - - -

Y

Wiązanie protonowe

I.I. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

23

Uważa się, że typowe wiązanie wodorowe jest uwarunkowane głównie przy­ ciąganiem elektrostatycznym miedzy H a

Y. Klasycznymi przykładami substancji,

w których występują wiązania wodorowe, są amoniak (NH3), woda (H20), fluoro­ wodór (HF). Substancje te wykazują anormalnie wysokie temperatury wrzenia, wskazujące na asocjację tych cząstek w fazie ciekłej. Reakcje powstawania wspo­ mnianych asocjatów z pojedynczych cząsteczek na przykładzie wody ilustruje schemat:

H - O+H - O + H - 0 I I I H H H

-- H - O - - H - O - - H - O - I I I H H H

Pojedyncze cząsteczki wody

Makromolekuła wody zasocjowanej

Za asocjacją wyżej wymienionych substancji, jako bezpośredniego efektu wy­ stępowania wiązania wodorowego, przemawiają również takie właściwości fizycz­ ne, jak: ciepło parowania, ciepło topnienia, ciepło właściwe, gęstość, twardość, napięcie powierzchniowe, lepkość i adhezja. Wiązanie wodorowe jest słabsze od kowalencyjnego i jonowego, lecz silniej­ sze od wiązania van der Waalsa. Również istnieją różnice w długości różnych rodzajów wiązań, np. między tlenem a wodorem wiązanie kowalencyjne wynosi l · 10-10m, wodorowe - l,76· 10-10m, natomiast van der Waalsa- 2,6· 10-10m. Wiązanie wodorowe występuje również w związkach organicznych, a zwłasz­ cza takich, które w swoim składzie zawierają takie grupy funkcyjne, jak -OH i-COOH. Reasumując można stwierdzić, że siły międzycząsteczkowe zwłaszcza typu protonowego wywierają decydujący wpływ na kształtowanie wytrzymałości mło­ dych zaczynów cementowych, gipsowych i wapiennych, formowanie wyrobów ceramicznych z materiałów ilastych i odgrywają dużą rolę w układach biologicz­ nych.

1.1.4. Wiadomości o wiązaniach, strukturze i właściwościach podstawowych grup materiałów budowlanych Jak wiadomo, od właściwości mechanicznych materiału zależy jego reakcja na obciążenia lub odkształcenia. Reakcją materiału na obciążenia jest odkształcenie sprężyste, elastyczne lub plastyczne (nie zanikające po odciążeniu) lub pęknięcie. Odkształcenie sprężyste zanika po odciążeniu, ponieważ wynika ono z odkształ­ cenia wiązań między atomami. Maksymalne odkształcenia sprężyste w metalach osiągają ok. O, I%, zanim pojawi się odkształcenie plastyczne, a w przypadku większości innych materiałów ok. 0,1% przed zerwaniem.

24

/. Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych Niektóre wielkocząsteczkowe polimery wykazują inny typ odkształceń sprę­

żystych, zawdzięczając je obrotowi (dokoła osi) wiązań kowalencyjnych łączących głównie atomy węgla w łańcuchu. Odkształcenie to, określane mianem wysoko­ elastycznego, może osiągnąć wartość ok. 500%. Odkształcenie plastyczne jest definiowane jako odkształcenie, które nie zani­ ka po odciążeniu. Wynika to głównie z wzajemnego poślizgu płaszczyzn siecio­ wych obsadzonych atomami. Proces ten zachodzi niejednokrotnie przez defekty sieciowe zwane dyslokacjami w materiałach o strukturze krystalicznej i makro­ molekułami w materiałach bezpostaciowych. Maksymalne odkształcenia plastyczne różnią się bardzo w zależności od ro­ dzaju materiału. Wynika to głównie z rodzaju wiązań wewnątrzcząsteczkowych i międzycząsteczkowych. Metale pod tym względem zasługują na uwagę, ponieważ wykazują dużą zdol­ ność do odkształceń plastycznych, nawet do I 00% podczas rozciągania. Materiały ceramiczne, jako układy polikrystaliczne, wykazują niewielkie odkształcenia pla­ styczne lub ich brak. W szkłach i polimerach o budowie bezpostaciowej odkształ­ cenie plastyczne zależy od temperatury i wielkości obciążenia; w podwyższonych temperaturach odkształcenia są duże, w niskich temperaturach materiały te pod wpływem obciążeń podlegają spękaniom. Zatem ze względu na właściwości mechaniczne materiały budowlane moż­ na podzielić na dwie grupy: plastyczne i kruche. Duży wpływ na zakłócenia przedłożonej klasyfikacji może mieć temperatura i szybkość przykładanego ob­ ciążenia.

Metale Metale charakteryzują się wiązaniem metalicznym. Elektrony walencyjne metali, tworząc gaz elektronowy, poruszają się swobodnie między jonami (rys. 1 .3).

Rysunek 1.3. Schemat budowy sieci

metalu (16) 1

-

jon metalu, 2 - elektron

Elektrony swobodne znajdujące się między dodatnimi jonami równoważą wy­ stępujące między nimi siły odpychania, obniżając równocześnie własną energię potencjalną, co determinuje siły wiązania i -występowanie charakterystycznych właściwości: - dużej przewodności cieplnej i elektrycznej,

I. I. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

25

- plastyczności, - dużej wytrzymałości przy istnieniu defektów. Zdolność elektronów swobodnych do pochłaniania energii promieniowania o dowolnej długości fali jest z kolei przyczyną nieprzezroczystości wszystkich metali. Podobnie emisja tej energii wpływa na współczynnik odbicia, jakim cha­ rakteryzują się powierzchnie metaliczne. Metale mające zastosowanie jako materiały konstrukcyjne to przede wszyst­ kim stopy żelaza w postaci żeliwa, staliwa, stali węglowych, stali stopowych. Zdolność materiałów metalicznych do odkształceń plastycznych przed pęknięciem jest cenną ich cechą, chociaż materiały konstrukcyjne pracują zwykle w zakresie odkształceń sprężystych. Umożliwia to bezpieczną eksploatację konstrukcji metalowych, ponieważ współczynnik bezpieczeństwa (stosunek granicy plastyczności do naprężenia do­ puszczalnego) może być dużo mniejszy niż w materiałach kruchych (ceramika, beton cementowy)„ bowiem energia sprężysta zużyta na plastyczne płynięcie za­ pobiega zbyt gwałtownemu spiętrzeniu naprężeń.

Materiały ceramiczne Materiały ceramiczne są to materiały nieorganiczne (w odróżnieniu od materiałów na bazie węgla) o wiązaniach jonowych i kowalencyjnych. Wiązanie jonowe, jak wiadomo, polega na przeniesieniu jednego elektronu lub grupy elektronów walencyjnych z jednego atomu na drugi. Muszą to być zatem różne atomy. W wyniku przesunięć elektronowych atomy uzyskują trwałą konfigurację, a jednocześnie stają się jonami dodatnimi i ujemnymi. Wiązanie kowalencyjne polega na przekazaniu z poszczególnych atomów jed­ nego elektronu lub grupy elektronów do utworzenia uwspólnionej (lub uwspól­ nionych w przypadku wiązania wielokrotnego) pary elektronów walencyjnych. Do grupy materiałów ceramicznych należą: - ceramika tradycyjna, - szkło, - cermetale (spieki ceramiczno-metalowe). Wymienione materiały często obok fazy o strukturze krystalicznej wykazu­ ją spory udział fazy szklistej, bezpostaciowej. Właściwości fizyczne i chemicz­ ne materiałów ceramicznych są wynikiem obecności wiązań międzyatomowych i struktury krystalicznej (polikrystalicznej). Do charakterystycznych ich właści­ wości należą następujące: - brak przewodnictwa elektrycznego i ograniczona przewodność cieplna (ze względu na brak wolnych elektronów), - wysoka temperatura topnienia i duża odporność chemiczna (ze względu na dużą trwałość wiązań),

1.

26

Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych

brak plastyczności, duża twardość, wysoka wytrzymałość na ściskanie (wią­ zania kowalencyjne między określonymi atomami są bardzo trwałe, co prze­ ciwdziała dyslokacjom), - mała wytrzymałość na rozciąganie (ze względu na negatywne oddziaływanie mikropęknięć). Właściwości mechaniczne materiałów ceramicznych wyraźnie różnią się od właściwości metali. Szczególnie wyróżniającą cechą metali jest ich zdolność do odkształceń plastycznych, nawet przy małych naprężeniach. W materiałach ce­ ramicznych, ze względu na wiązania kowalencyjne i strukturę polikrystaliczną, dyslokacje są ograniczone, a jeśli zachodzą, to pod wpływem dużych naprężeń. W odniesieniu do wielkości makroskopowych można wykazać, że dyslokacja w materiałach jest funkcją stosunku G/K, gdzie G jest modułem sprężystości postaciowej wyrażonym w Pa, K zaś modułem sprężystości objętościowej w Pa. Dyslokację wyraża się wzorem

G K gdzie v

-

3 ( 1 - 2v) 2(1 + 2v)

( 1 .6)

współczynnik Poissona.

Dla metali v wynosi ok. 0,3 i G /K 0,37, podczas gdy dla ceramiki v = O, l i G/K = 1. Im stosunek G/K jest mniejszy, tym odkształcenie plastyczne materiału jest większe. Dlatego granica plastyczności, przy której mają miejsce dyslokacje, jest o wiele większa w przypadku materiałów ceramicznych niż metali i zbliża się do naprężeń rozrywających. Tak więc materiały ceramiczne o wiązaniach kowalencyjnych, jak również jonowych są kruche zarówno w postaci pojedynczych kryształów, jak i w formie polikrystalicznej. Oddzielnym problemem jest zachowanie się ceramiki i metali przy skoko­ wych zmianach temperatury (udar cieplny). Metale ze względu głównie na struk­ turę regularną wykazują takie właściwości cieplne jak ciała izotropowe i nie są wrażliwe na udar cieplny, natomiast materiały ceramiczne krystalizują w innych układach krystalograficznych i stąd wykazują anizotropowość, a także często nie są odporne na udar cieplny. Można to również uzasadnić na podstawie właściwości fizycznych. Tak więc odkształcenie cieplne: - materiałów ceramicznych =

€= - metali

€=

ar

­

Ea

arA.

--

Ea

( 1 .7)

( 1 .8)

I.I. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

27

gdzie: a - współczynnik rozszerzalności cieplnej, l/K, a, - naprężenia rozrywające, Pa, A. - współczynnik przewodności cieplnej, W/(m·K), E moduł Younga, Pa. Metale wykazują dobrą odporność na udar cieplny, ponieważ A. jest duże, a E stosunkowo małe, natomiast w przypadku materiałów ceramicznych występuje najczęściej zależność odwrotna. Niekiedy do grupy materiałów ceramicznych kwalifikuje się szkła, cermen­ tale i beton cementowy. Ten ostatni zalicza się do materiałów ceramicznych ze względu na zbliżone do tradycyjnej ceramiki surowce i wysokotemperatu­ rowe technologie wytwarzania klinkieru cementowego w piecach obrotowych. Przynależność betonu cementowego do tej grupy materiałów uzasadnia rów­ nież wewnątrzatomowy charakter wiązań krystaliczno-bezpostaciowa struktura. Szkła stanowią· również mieszaninę tlenków, lecz w przeciwieństwie do ma­ teriałów ceramicznych są bardziej bezpostaciowe niż krystaliczne. Pomimo tych różnic mają również zbliżone właściwości, takie jak duża kruchość w normalnej temperaturze i małe przewodnictwo cieplne. Szkła zalicza się do materiałów nieorganicznych, których stan fizyczny jest pośredni między stanem ciekłym i stałym. W przeciwieństwie do ciał stałych, które są krystaliczne, szkła nie są krysta­ liczne, lecz amorficzne (bezpostaciowe). Z drugiej strony, szkła można odróżnić od cieczy przechłodzonej ze względu na stopień uporządkowania atomów, co ilustruje poniższe zestawienie. -

Ciało stałe o stru­ kturze krystalicznej Uporządkowanie całkowite

Szkło

najbliższe atomy uporządkowane, ato­ my oddalone nieuporządkowane (tzw. uporządkowanie bliskiego zasięgu)

Ciecz przechłodzona

najbliższe atomy nieupo­ rządkowane

Właściwości fizykomechaniczne szkieł są następujące: - przezroczystość dla światła widzialnego - brak struktury krystalicznej, w cza­ sie studzenia tworzenie się skaz oraz pustych miejsc o długości zbliżonej do długości fali świetlnej, - charakterystyczne właściwości mechaniczne związane z szybkością przyłoże­ nia obciążenia: - w przypadku szybko wzrastających obciążeń i temperatury otoczenia szkła zachowują się zgodnie z prawem Hooke'a a

= Ee

( 1 .9)

1. Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych

28

gdzie: a

-

naprężenie, Pa,

E

-

moduł Younga,

e - odkształcenie,

Pa,

w przypadku powolnych obciążeń szkła zachowują się jak ciecz newtonowska, zgodnie z równaniem

de dt

( l .10)

(j = 77 gdzie: a

1J

-

naprężenie, Pa, lepkość, Pa·s,

de/ dt - szybkość

pełzania, l /s.

Z podobieństwa szkieł do cieczy newtonowskich, zwłaszcza w podwyższonej temperaturze, wynika istotna ich cecha technologiczna polegająca na możliwości ich wyciągania bez przewężeń.

Z

uwagi na rodzaj wiązań (głównie jonowe) w normalnej temperaturze szkło

jest kruche, a wraz

Ż jej wzrostem przechodzi w stan plastyczny (rys. 1.4), umoż-

16 �------� 16 14

14

12

12

� 10

10

r/)

«i ""

� 8 a. �

-

------

----

----

�

fl

- - --

___________

o

� 6

_J

________________ _

________________ _

8 6

4

4

2

2

200

400

600

800 1000 1200 1400 1600 Temperatura, °C

Rysunek 1.4. Krzywe zależności lepkości od temperatury dla różnych rodzajów szkieł (wg (15]) I - szkło okienne (Si02 - 71-73%, Na20 - 12-14%, CaO - 10-12%, MgO - 1-4%, Ah03 - 0,5-1,5%), 2 - szkło ołowiowe (Si02 - 35%, KiO - 7,2%, PbO - 58%), 3 - lepkość w temperaturze odkształcenia, 4 - lepkość w temperaturze odprężenia, 5 - lepkość w temperaturze mięknienia, 6 - lepkość w temperaturze

obróbki

I.I. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

29

liwiając wiele procesów technologicznych, takich jak: prasowanie, ciągnienie, odprężenie itp. Cermetale to materiały, w których cząstki ceramiki krystalicznej są osadzone w osnowie z metalu, najczęściej w ilości 5-15% wagowych. Ponieważ przewa­ ża składnik metalowy, stąd ten rodzaj materiału należałoby zakwalifikować do metali. Odznaczająca się twardością i udarnością w wysokiej temperaturze ceramika (drobnokrystaliczna i bez porów) usytuowana w osnowie metalowej stanowi ele­ menty robocze w maszynach skrawających; osnowa metaliczna zapewnia sprawne odprowadzenie ciepła z ceramicznego elementu skrawającego i zabezpiecza go przed przegrzaniem. Pierwszym metalem, z którego wykonywało się narzędzia, była stal wy­ sokowęglowa (0,6-1,4% C) zahartowana. Dobre efekty uzyskiwano przy sto­ sowaniu cermetalu WC-Co (węglik wolframu w kobalcie). Poza węglikiem wol­ framu w coraz większym zakresie korzysta się z innych węglików (tytanu, talu, chromomolibdenu) i ich mieszanin, cermetali na bazie trójtlenku glinu (Ab03 }: Al203 - Cr lub Ah03 - Cr - Mo. Materiały polimerowe

Polimery wielkocząsteczkowe są to olbrzymie cząsteczki powstałe w wyniku po­ łączenia się za pomocą wiązań kowalencyjnych wielu powtarzających się niewiel­ kich ugrupowań atomów, zwanych jednostkami monomerycznymi (monomerami lub merami). Z punktu widzenia struktury można polimery podzielić na cztery grupy: po­ limery liniowe, rozgałęzione, nieznacznie usieciowane i silnie usieciowane, co ilustruje rys. 1 .5 . Polimery liniowe są zbudowane z monomerów, w których atomy są połączo­ ne w bardzo długie łańcuchy (makrocząsteczki) za pomocą silnych wiązań ko­ walencyjnych, natomiast połączenie między łańcuchami odbywa się przy udzia­ le słabych sił van der Waalsa. Polimery te w temperaturze pokojowej są albo całkowicie bezpostaciowe, albo też częściowo krystaliczne, wykazując w pew­ nych obszarach prawidłowy układ łańcuchowy (rys. l .5a). Ze względu na dzia­ łanie słabych sił van der Waalsa między łańcuchami, ten typ materiału polime­ rycznego przy podwyższaniu temperatury szybko mięknie i przechodzi w stan ciekły. Ta grupa polimerów jest podstawą polimerów termoplastycznych, czyli ter­ moplastów, takich jak np. polietylen - PE, polichlorek winylu - PVC, polistyren - PS . Polimery silnie usieciowane lokuje się na drugim końcu szeregu typów struk­ turalnych (rys. l .5d). Jest to uwarunkowane tym, że wyjściowe monomery mają

I. Podstawowe właściwości techniczne materiałów budowlanych

30

a)

c)

d)

Rysunek 1.5. Cztery pądstawowe typy struktury polimeru [15]: a) liniowa z zaznaczonymi sche­

matycznie kilkoma krystalitami, b) rozgałęziona, c) z wiązaniami poprzecznymi (nieznacznie usie­ ciowana), d) silnie usieciowana

więcej niż dwa wiązania aktywne (najczęściej w postaci chemicznych grup funk­ cyjnych: OH, -COOH, CHO NH2 i innych), co prowadzi do utworzenia makromolekuły dwu- łub trójwymiarowej. Wiązania kowalencyjne utrzymują całą strukturę tak mocno (rys. l .5d), że materiały te nie miękną przy ogrzewaniu. Stanowią one podstawę polimerów termoutwardzalnych (np. żywic fenolowo-formaldehydowych - PF, żywic mocznikowych - UF) i chemoutwardzalnych (np. żywic epoksydowych - EP, niektórych żywic poliuretanowych - PUR, tzw. duroplastów). Ogólnie plastomery są to polimery, które pod wpływem naprężeń wyka­ zują bardzo małe odkształcenie (mniejsze niż 1 %) w temperaturze pokojowej, ponieważ ich temperatura przejścia z reologicznego stanu sprężysto-szklistego w lepko-sprężysty jest wyższa niż temperatura pokojowa. Polimery o małym stopniu usieciowania (rys. I .Sc) są to materiały, które przy małych naprężeniach wykazują duże odkształcenia (do 1 000%), gdyż ich temperatura zeszklenia jest niższa od temperatury pokojowej. Polimery tego ty­ pu nazywa się elastomerami (np. elastomery termoplastyczne - TPE, kauczuk naturalny - NR). Wpływ zmian temperatury na cechy mechaniczne (E, O") strukturalnie różnych polimerów bezpostaciowych (amorficznych) przedstawia rys. 1 .6. Jak widać, stan fizyczny szklisty dzieli się na zakres szklisty kruchy i szklisty z wymuszoną elastycznością, a temperaturą rozgraniczającą te dwa podstany jest temperatura kruchości Tk· -

-

,

-

31

I.i. Wybrane zagadnienia chemii budowlanej

1010 N

.E

z

6

w 105

Stan fizyczny

Tt

Szklisty kruchy

Szklisty wymuszonej elastyczności

Lepko­ -sprężysty

Wysokoelastyczny

T, °C

Plastyczny

Rysunek 1.6. Stany fizyczne polimerów bezpostaciowych: zależność modułu sprężystości wzdłuż­ nej E10 od temperatury przy stałej prędkości rozciągania v [ 15]

I - polimery termoplastyczne, 2 - polimery o małym slopniu usieciowania (elastomery), 3 - polimery o dużym stopniu usieciowania (duroplasty), Ew - moduł sprężystości wzdłużnej po IO s obciążenia, " - prędkość rozciągania (deformacji), a - naprężenia przy rozciąganiu. f - odkształcenie. r, - temperatura kruchości , T8 - temperatura zeszklenia, T1 - temperatura płynięcia

W stanie szklistym kruchym odkształcenia są niewielkie i sprężyste (do kilku procent), polimer spełnia prawo Hooke'a, a wartość modułu jest duża, do­ chodząca maksymalnie do 1 09 Pa. Niektóre polimery silnie usieciowane, np. ży­ wice fenolowo-formaldehydowe, epoksydowe, występują jedynie w takim stanie fizycznym. W stanie szklistym z wymuszoną elastycznością polimery charakteryzują się dużym modułem i wytrzymałością, przy jednoczesnym występowaniu znacz­ nych odkształceń (ok. 20% wydłużenia). Próbka polimeru wydłuża się w związku z przesuwaniem się sąsiednich łańcuchów powiązanych wzajemnie słabymi siłami międzycząsteczkowymi (van der Waalsa). Tak zachowuje się większość liniowych polimerów termoplastycznych, np. polichlorek winylu, polistyren, których zakres użytkowania znajduje się w obsza­ rze szklistym. W stanie lepko-sprężystym następuje gwałtowna zmiana właściwości i;ne­ chanicznych (E, CT) i fizycznych wraz z temperaturą. Jest to stan pośredni między

32

/. Podstawowe właściwości technicme materiałów budowlanych

stanem szklistym a wysokoelastycznym. Zakres temperatur między początkiem zmian tych właściwości a ich ustabilizowaniem określa się jako zakres tempe­ ratury zeszklenia T8 , która umownie stanowi temperaturę połowy tego zakre­ su. T8 jest temperaturą przemiany zachodzącej w stanie stałym (cieczy prze­ chłodzonej). W stanie wysokoelastycznym polimer ponownie stosuje się do prawa Hooke'a, chociaż wykazuje o wiele gorsze cechy mechaniczne (niższe E, Cl) i zdecydowanie większe odkształcenie. W stanie plastycznym (płynięcia) polimer charakteryzuje się brakiem na­ prężeń przy oddziaływaniu siły zewnętrznej, ponieważ naprężenia te (energia wewnętrzna) podlegają rozproszeniu (relaksacji) w wyniku przesuwania się ma­ krocząsteczek względem siebie (polimer płynie). Temperatura, w której na jest ono stateczne i przy danej wartości naprężenia a samoczynnie nie rozprzestrzenia się. W ten sposób dla każdej długości pęknięcia l istnieje taka wartość naprężenia . N "' :l ....

..:.: "' ..:.: c:: "' N "'

-� E tłuczeń

otoczaki

kamień łamany

2.8.2. Kruszywo naturalne

Złoża kruszyw naturalnych Można wyróżnić trzy strefy występowania kruszyw naturalnych w Polsce: pół­ nocną, środkową i południową (rys. 2.5). Podział ten uwzględnia genezę, jakość i zasobność złóż. W strefie północnej, która obejmuje ok. 30% krajowych zasobów, występują głównie złoża piaszczyste pochodzenia lodowcowego o dość znacznych pokła­ dach. W strefie środkowej, w której występuje ok. 10% zasobów, znajdują się zło-

2.8.

Kruszywa skalne budowlane i drogowe

125

Rysunek 2.5. Strefy występowa­ nia kruszywa naturalnego w Pol­ sce wg (2) ża stosunkowo małe i niskiej jakości, piaszczysto-żwirowe pochodzenia wodno­ -lodowcowego. W strefie południowej, Karpacko-Sudeckiej, występuje 60% za­ sobów i przeważają w niej bogate, wysokojakościowe złoża żwirowo-piaskowe o pochodzeniu rzecznym. Piasek jest produktem wietrzenia skał i stanowi ziarna o wymiarach do 2 mm. Głównym składnikiem piasku jest kwarc, którego zawartość przekracza 70%, a w wielu przypadkach nawet 90%. Pochodzenie piasku, � więc miejsce występowania i jego geneza, decyduje o składzie granulometrycznym oraz jego jakości. Można więc wyróżnić: - piaski rzeczne, o zaokrąglonych ziarnach, które w górnych odcinkach biegu rzek mają ziarna grube, a w miarę przemieszczania się w dół rzeki ulegają segregacji, dalszemu ścieraniu i stają się coraz drobniejsze, - piaski jeziorne, które charakteryzują się zaokrąglonymi ziarnami i zawierają domieszki pylaste i organiczne, - piaski morskie, o ziarnach bardzo drobnych, zbliżonych kształtem do kuli, - piaski kopalniane, z moren lub koryt rzecznych, o ziarnach o ostrych krawędziach i szorstkiej powierzchni; nasiąkliwość ich jest większa niż piasków rzecznych, często mające zanieczyszczenia pylaste i organiczne, - piaski wydmowe, charakteryzujące się bardzo drobnymi ziarnami i zawarto­ ścią cząstek pylastych; znajdują zastosowanie do zapraw tynkarskich szcze­ gólnie do robót zewnętrznych, - piaski górskie, występujące na stokach usypowych, które mają ziarna grube o ostrych krawędziach i zawierają znaczne ilości żwiru i otoczaków.

2.

1 26

Naturalne materiały kamienne

Ze względu na zastosowanie piasku można wyróżnić:

ze złóż piaskowych „Biała Góra" pod Tomaszowem Mazowieckim; jest to piasek kwarcowy o za­ wartości 98% czystego kwarcu (Si02), którego uziarnienie musi odpowiadać wymaganiom PN-EN 1 96- 1 : 1 996; piasek do zapraw budowlanych (PN-79/B-067 1 1 ) w zależności od składu ziarnowego występują jego dwie odmiany: odmiana I o ziarnach do 2 mm, i odmiana Il o ziarnach do 1 mm; w zależności od wskaźnika uziarnie­ nia, zawartości pyłów mineralnych, zanieczyszczeń obcych, zanieczyszczeń organicznych, zawartości siarki wyróżnia się dwa jego gatunki; piasek do betonu zwykłego (PN-79/B-067 I I ) uziarnienie jego powinno mieścić się w polu A na wykresie podanym w normie dla betonów klasy poniżej B25 oraz w polu B dla betonów klasy powyżej B25; piasek do nawierzchni drogowych (PN-B- 1 1 1 3 : 1 996) wyróżnia się trzy jego gatunki i, 2 i 3 w zależności od zawartości ziaren poniżej 0,075 mm, nadziarna, zanieczyszczeń obcych i zanieczyszczeń organicznych; wymagania dla piasku różnych gatunków podano w tabl. 2 . 1 6.

- piasek do badania wytrzymałości cementu uzyskiwany

-

-

-

-

-

Tablica 2.16. Wymagania dla piasku w zależności od gatunku wg PN-B/1 1113:1996

Gatunki

Właściwości

I

Skład ziarnowy - zawartość ziaren mniejszych niż 0,075

mrn,

nie w ięcej niż,

- zawartość nadziarna powyżej 2,0 mm, nie więcej niż, - wskaźnik piaskowy, nie mniej niż,

%

%

%

Zawartość zanieczyszczeń obcych, nie więcej niż,

%

niż ,

przeliczeniu

3

1

5

10

15"

1 5•

1 5•

75

65

40

0, 1

0,1

0,2

barwa nie ciemniej-

Zawartość zanieczyszczeń organicznych Zawartość związków siarki w

2

sza niż wzorcowa na S03, nie więcej

0,2b

I ,Ob

-

8,0c

8,oc

-

%

Wskaźnik wodoprzepuszczalności, nie mniej niż, m/dobę

a Nie dopuszcza się w nadziarnie ziaren większych od 4,0 mm. b Wymaganie dotyczy piasku do betonów cementowych.

c Wymaganie dotyczy piasku do warstw i urządzeń filtracyjnych.

Ż wir i mieszanka do nawierzchni drogowych (PN-B- 1 1 1 1 l : l996) wystę­ puje w trzech klasach I, II i III w zależności od ścieralności, nasiąkliwości, mrozoodporności, zawartości związków siarki, zawartości ziaren nieforemnych, słabych i zwietrzałych, zanieczyszczeń obcych i części organicznych oraz wskaź-

2.8.

Kruszywa skalne budowlane i drogowe

1 27

nika piaskowego. W tablicy 2.17 jest podane uziarnienie żwiru do nawierzchni drogowych, a w tabl. 2. 1 8 są zamieszczone wymagania dla żwiru i mieszanek do celów drogowych. Tablica 2.17. Uziarnienie żwiru do nawierzchni drogowych wg PN-B/11111:1996 Asortyment

Rodzaj

Żwir

frakcja lub grupa frakcji mm

2,0-4,0 4,0-6,3 4,0-8,0 8,0-JO,O 8,0-16,0 12,8-16,0 1 6,0-20,0 20,0-25,0 25,0-3 1 ,5 3 1 ,5-63,0

Zawartość, % ziaren poniżej 0,075 mm

I

II

III

1,5

2,0

3,0

frakcji podstawowej nie mniej niż

podziarna nie więcej niż

85 85

80 80

75 75

10 10

15 15

II

III

I

II

III

90

85

80

5

10

15

5

5

JO

I

II

III

I

nadziarna nie więcej niż

15 15

Tablica 2.18. Wymagania dla żwiru i mieszanek wg PN-B/1 1111:1996 Właściwości Ścieralność w bębnie Los Angeles, nie więcej niż, % - całkowita - wskaźnik jednorodności ścierania

I

II

25 25

35 30

III

45 40

I

2,5

4

Mrozoodporność, nie więcej niż, %

2,5

5

JO

Zawartość związków siarki w przeliczeniu na S033, nie więcej niż, %

0,2

1 ,0

1,0

Zawartość ziaren nieforemnych, nie więcej niż, %

15

25

30

7

JO

15

0,1

0,2

0,3

Nasiąkliwość, nie więcej niż, %

Zawartość ziaren słabych i zwietrzałych, nie więcej niż, % Zawartość zanieczyszczeń obcych, nie więcej niż, % Zawartość zanieczyszczeń organicznych Wskaźnik piaskowy h , nie mniej niż, % Dotyczy kruszywa ulepszonego cementem. b Dotyczy mieszanek.

•

Klasy

barwa nie ciemniejsza niż wzorcowa

75

65

40

1 28

2.

Naturalne materiały kamienne

W nowej normie europejskiej dotyczącej kruszyw stosowanych do nawierzch­ ni drogowych PN-EN 1 3043:2004 nie uwzględnia się gatunków kruszywa jak w tabl. 2. I 6 oraz klas kruszywa jak w tabl. 2. 1 8. W normie tej są wprowadzone kategorie kruszywa zgrupowane w trzech zbiorach. Wymagania geometryczne dotyczą: - tolerancji uziarnienia kruszywa (G), - maksymalnych zawartości pyłów (/), - maksymalnych wartości błękitu metylowego (MBF), - maksymalnych wartości wskaźnika płaskości (F/), - maksymalnych wartości wskaźnika kształtu (S/), - zawartości ziarn o powierzchni przekruszonej i przełamanej (C), - kanciastości kruszywa drobnego (Ecs) . Wymagania fizyczne dotyczą:

- maksymalnych wartości współczynnika Los Angeles (LA), - maksymalnych wartości odporności na uderzenie (SZ), - minimalnych wartości odporności na polerowanie (PSV),

- maksymalnych wartości odporności na ścieranie powierzchniowe (AAV),

- maksymalnych wartości odporności na ścieranie (Mod. - maksymalnych wartości nasiąkliwości (WA 24 ), - maksymalnych wartości mrozoodporności

(F),

- maksymalnych wartości w badaniach siarczanem magnezu (MS), - maksymalnych odporności na „zgorzel słoneczną" (SB). Wymagania chemiczne dotyczą maksymalnej zawartości grubych, organicz­ nych zanieczyszczeń lekkich

(mLPc).

Podstawowe wymagania dla kruszyw stosowanych do mieszanek bitumicznych przedstawiono w tabl. 2. 1 9.

Eksploatacja i przerób złóż kruszyw naturalnych Kruszywa naturalne mogą być uzyskiwane ze złóż suchych lub nawodnionych (wydobycie spod lustra wody). Proces technologiczny otrzymywania kruszywa ze złoża składa się z takich podstawowych elementów jak: - wydobycie kruszywa przy użyciu koparek stacjonarnych lub pływających, - transport urobku do uszlachetniania, - obróbka kruszywa z zastosowaniem urządzeń sortujących, kruszących i odwadniających.

2.8.

Kruszywa skalne budowlane i drogowe

1 29

Tablica 2.19. Wymagania dla kruszyw stosowanych do mieszanek bitumicznych i powierzch­ niowych utrwaleń wg PN-EN 13043:2004 Kruszywo

Grube

Drobne

O ciągłym uziarnieniu

Wymiar mm

D>2

Masa przechodząca, % 2D

1 ,4l)'I

Db

d

d/23

Kategori a

G

1 00

100

90-99

O-I O

0-2

Ge 90/I O

100

98-100

90-99

0-1 5

0-5

Ge 90115

100

98-100

90-99

0-20

0-5

Ge 90/20

100

98-100

85-99c

0-15

0-2

Ge 85/15

100

98-100

85-99c

0-20

0-5

Ge 85/20

100

98-100

85-99c

0-35

0-5

Ge 85/35

D�2

100

-

85-99

-

-

GF 85

D � 45

100

98-100

90-99

i d=O

100

98-100

85-99

-

-

GA 90 GA 85

Gdy wymiary sit obliczone z l,4D i d/2 nie są dokładnymi wymiarami sit wg ISO 565:1990, seria R20, należy przyjąć następny najbliższy wymiar sita. b Jeśli pozostałość na sicie D jest mniejsza niż I % masy. producent powinien udokumentować i deklarować uziarnienie typowe, w tym z wykorzystaniem sit D, d, d/2 oraz sit z zestawu podstawowego plus zestaw I lub zestawu podstawowego plus zestaw 2 dla wartości pośrednich pomiędzy d i D. c Dla poszczególnych wymiarów kruszyw grubych d/D. gdzie D/d < 2, o kategorii Ge 85/15, Ge 85/20 i Ge 85/35, wartość masy przechodzącej przez D - zgodnie z danym zastosowaniem może być zmniejszona o 5%.

•

W zależności od asortymentu produkowanego kruszywa oraz od wydajności zakładu przetwórczego proces uszlachetniania może być bardzo zróżnicowany, tak co do liczby, rodzaju, jak i wydajności sprzętu. W górnictwie kruszyw naturalnych, oprócz żwirów, które w przeszłości stano­ wiły główny, poszukiwany produkt, obecnie można zauważyć dynamiczny wzrost zapotrzebowania na frakcje piaskowe. Piaski znalazły powszechne zastosowanie w konfekcjonowanych zaprawach budowlanych mineralnych, masach klejących, wypełniających i uszczelniających, zaprawach o przeznaczeniu specjalnym i in­ nych. Powstały przemysłowe zakłady przeróbki piasku, działające na zasadzie sor­ towników fluidalnych, które gwarantują bardzo duż4 wydajność, s4 sterowane automatycznie i umożliwiają uzyskanie dowolnych frakcji piasku oczyszczonego z zanieczyszczeń organicznych. Zastawienie danych technicznych wybranych kruszyw naturalnych wytwarza­ nych w Polsce zawiera tabl. 2.20.

...... w o

Tablica 2.20. Dane techniczne wybranych kruszyw naturalnych produkowanych w Polsce wg [5]

Nazwa kruszywa

Nazwa złoża, zakład pn:�du� jny, WOJewo ztwo

2

Asortyment kruszywa, frakcje

'

Q) 'U ·-

"' c e>, "' c -� N 'U .... '"' "'O

�.s

-� "§

Małków IV frakcje drobne Małków frakcje grube łódzkie Stok frakcje drobne Piasek Sławno ze żwirem łódzkie 0-2 do 15,2 Piaski, żwiry, ZKSM S.A. Zielona Góra mieszanki, pospółka dolnośląskie Przywory Opolskie 0-2 Opole 2-8 Pospółka opolskie 8-32 Racibórz-Roszków 0-2 Krusz wa Krzyżanowice 2-8 natura ne śląskie 8-16 Gryżyce I 2-8 Krusz wa Gryżyce 1 1 ,2 8-16 natura ne dolnośląskie 16-32 SPSM 0-2 Piasek Opole 2-4 i żwir do betonu opolskie 0-4, 0-8 PPH UTEX piasek 0-2 Piasek, żwir 2-8 Rybnik 9,2 żwir dolnośląskie 13,3 żwir 8- 16 Żwir i piasek

„�

Wyniki badań pełnych, % ..c::

g 5 �

"' � "' - ..o � ·N � �

� � z :.::

'

'(.) o oo "" N C o.... .... o

""

::?1 c.

'(.)

s

'V.:

I ,.C -. (.) � 'N � N ..0 O "' ..>::"' � � ..5 � u o ..>:: -� � ' "' "' C � :.9 t "' i:: NQ) � ·o.. N � c N "' N U

� o � �

�

skład ziarnowy

-Cl

badania niepełne

�

skład ziarnowy

!::>..

skład ziarnowy

�

�s�

�

[ �

Cl

1

ti

...... .j:>. 00

Tablica 2.30. cd.

Rodzaj skały

Gabro Granit

Złoże, zakład produkcyjny, województwo

Słupiec-Dębówka

Nowa Ruda

dolnośląskie

Zimnik I

Mściwojów

dolnośląskie Klęczany

Piaskowiec Klęczany

małopolskie

Sortyment kruszywa, frakcja

Ścierałność Wytrzy- (bęben Los małość na ścis- Angeles), pełna kanie liczba MPa obrotów %

Podstawowe wyniki badań

Mrozoodporność w wodzie po 25 cyklach %

5-25

1 88

1 3,0

0,8

3 1 ,5-63

1 88

1 8,4

0,2

frakcje drobne

1 64,5

4,6

0,40

164,5

4,6

frakcje drobne

170

pełna

frakcje grube

frakcje grube

170

MrozoodporZawarZawarWskaźtość tość ność Nasiąnik ziaren ziaren w soli kiipiaskowość poniżej nieforempo wy 25 cyk- % 0,075 mm nych % % % lach % 5,8

0,65

0,80

15,0

0,20

1 ,00

6,0 10,0

0,4

1 0,0

O,Q2

0,65

0,17

15,0

O,Q2

0,65

0, 10

1 1 ,3

Kontrola jakości w zakładzie

!"'

� badania niepełne -

atest kontroli wewnętrznej

;: i:l ;:;"'

3 $::>

�

5·

�

� 3 �· ;: ;: "'

Porfir

Zalas

Zalas

małopolskie Nasławice

Serpentynit Sobótka

dolnośląskie

Sjenit Sjenit

Kwarcyt

Kośmin

Piława Górna

dolnośląskie

Przedborowa

Przedborowa

dolnośląskie

Bukowa Góra

Łączna

dolnośląskie

2-6,3

25,2

2,10

2,00

0, 1 0

0-63

1 8,4

0,80

1,70

1,0

o.oo

1 ,30

0, 1 0

25,7

0,57

0, 1 7

0,41

8,6

1 3,5-50

175

frakcje grube

2 1 ,2

0-2, 2-5

164

frakcje grube

1 64

frakcje drobne 264 frakcje grube 2-16, 8 - 16

264

1 68,5

30,6 272 24,3 173

82,7

0,50

0,7

0,20

0,40

3,0

0,30

0,7

0,60

0,3

4,0

0,20

0,3

0,1 1

0,20

2,0

0,20

0,4

0,30

3,0

0, 1 3

0,20

15,6

badania niepełne badania pełne

8 1 ,8

badania niepełne badania niepełne skład ziarnowy

N

?o �

�

�

� 5" "'

(;)-

�

ł

�

C:l � �

.....

t

2. Naturalne materiały kamienne

150

analitycznej zależy od frakcji kruszywa i wynosi dla kolejnych frakcji od 4 do

63,0 mm odpowiednio od 0,2 do 40,0 kg.

Badanie wskaźnika piaskowego. Wskaźnikiem piaskowym nazywa się pro­ centowy stosunek objętości ziaren piasku i żwiru do objętości całej mieszaniny (piasku, żwiru i zawiesiny nad nimi) sporządzonej wg PN-EN 933-8:2000. Próbkę analityczną piasku i niewielką ilość roztworu roboczego, składającego się z CaCI 2 , gliceryny i formaldehydu rozpuszczonych w wodzie, umieszcza się w cylindne pnedstawionym na rys. 2.14 i miesza w celu usunięcia otoczek gliniastych z ziaren piasku. Następnie z użyciem dodatkowej porcji roztworu roboczego piasek jest „przemywany", w wyniku czego drobne cząstki przechodzą do zawiesiny nad piaskiem. Po okresie 20 min oblicza się wartość wskaźnika piaskowego WP, jako wysokość osadu hi wyrażoną w procentach całkowitej wysokości

h1

•

Rysunek 2.14. Pomiar wskaźnika piaskowego I

-

osad.

2

-

zawiesina. h 1

-

wysokość osadu i zawiesiny, liz - wysokość osadu

Oznaczenie kształtu ziaren za pomocą wskaźnika kształtu. Wskaźnik kształ­ tu ziaren kruszywa grubego określa się wg PN-EN 933-4:2001 dla kruszywa natu­ ralnego i pochodzenia sztucznego, a także kruszyw lekkich o frakcjach większych od 4 mm i mniejszych od 63 mm. Badanie kształtu ziaren polega na wydzieleniu

z próbki kruszywa tych ziaren, których długość L jest większa od 3-krotnej grubo­ ści E. Wskaźnik kształtu jest obliczany jako stosunek masy ziaren wydzielonych z próbki (niekształtnych) do całkowitej masy próbki analitycznej. Do pomiaru kształtu ziaren służy suwmiarka Schultza (rys. 2 . 1 5). Ziarna umieszcza się największym wymiarem (długością L) między ramionami 1 i 2,

2.8.

Kruszywa skalne budowlane i drogowe

Rysunek 2.15. Suwmiarka Schultza wg [13]

I, 2 i 3, 4 - ramiona suwmiarki, L - długość (największy wymiar) ziarna, E - grubość (najmniejszy wymiar) ziarna

151

LE=3:1 a = 1 9"30'± 15'

a następnie próbuje przesunąć najmniejszym wymiarem (grubością E) między ramionami 3 i 4. Ziarno, które przechodzi (ma stosunek

L : E większy od 3),

uznaje się za niekształtne. Minimalne masy próbek analitycznych zależą od gór­ nego wymiaru kruszywa

D i przedstawione są w wyżej wymienionej normie.

Oznaczanie kształtu ziaren za pomoca wskaźnika płaskości.

Badanie to

przeprowadza się wg PN-EN 933-3: 1 999 dla kruszyw naturalnych, pochodzenia sztucznego, a także kruszyw lekkich, których ziarna mają wymiar większy od

4 mm i mniejszy od 80 mm. Ogólny wskaźnik płaskości oblicza się jako cał­

kowitą masę ziaren przechodzacych przez sita prętowe, wyrażoną w procentach w stosunku do masy ziaren badanej próbki. Masa próbki analitycznej zależy od wymiarów i procentowej zawartości największych jej składników i podana jest

w pr EN 933- 1 .

Oznaczenie procentowej zawartości ziaren o powierzchniach powstałych w wyniku przekruszenia lub łamania kruszyw grubych. Badanie to przepro­ wadza się wg PN-EN 933-5:2000 w stosunku do żwiru i mieszanki kruszywa zawierającej żwir o wymiarach ziaren nie mniejszych od 4 mm i nie większych od 63 mm. Definiuje się następujące grupy ziaren: ziarno całkowicie przekruszone lub łamane

te, którego więcej

niż 90% powierzchni powstało w wyniku przekru­

szenia lub łamania, ziarno przekruszone lub łamane

c,

którego wiecej niż 50%

powierzchni powstało w wyniku przekruszenia lub łamania, ziarno zaokrąglone

r, którego mniej niż 50% powierzchni powstało w wyniku przekruszenia lub ła­ mania, ziarno całkowicie zaokraglone

t,, którego wiecej niż 90% powierzchni jest

zaokrąglonych. Także określa się powierzchnie przekruszone lub łamane ziaren żwiru powstałe w wyniku ich naturalnego przekruszenia lub łamania, ograniczone ostrymi krawędziami. Masy próbek analitycznych zależą od górnego wymiaru ziaren kruszywa

D

i są zamieszczone w powyższej normie. Rezultat badania przedstawia się jako procentowy udział masy ziaren w każdej grupie w stosunku do masy próbki

152

2.

Naturalne materiały kamienne

analitycznej oraz jako procentowy udział średniej ważonej w stosunku do masy każdej grupy ziaren. Wyniki zapisuje się z zaokrągleniem do liczby całkowitej w arkuszu wyników badań, a wzór arkusza podano w normie przedmiotowej .

Oznaczenie zawartości pyłów mineralnych. Badanie to przeprowadza się wg PN-78/B-067 14- 13 i polega na płukaniu kruszywa w wodzie (rys. 2. 1 6). Zawartość pyłu wypłukanego z kruszywa oblicza się w procentach jako stosunek dwóch wartości - ubytku masy kruszywa poddanego płukaniu do pierwotnej masy kruszywa.

5

Rysunek 2.16. Przyrząd do oznaczania pyłów mineralnych (wy miary w cm) wg (131 I - drewniana lopalka, 2 - naczynie szklane. 3 - osad kruszywa. 4 - naczynie szklane do zlewania zawiesiny wodnej pyłów.

5 - sznurek

Oznaczenie mrozoodporności kruszywa. Według PN-EN 1 367-1 :2001 bada się zachowanie kruszywa poddawanego cyklicznemu zamrażaniu i rozmrażaniu. Metoda badania polega na pełnym nasyceniu wodą próbki analitycznej w warun­ kach ciśnienia atmosferycznego, a następnie poddawaniu I O cyklom zamrażania i odmrażania. Cykl obejmuje zamrażanie pod wodą do temperatury - 17,5°C, a następnie rozmrażanie w kapieli wodnej , w temperaturze około 20°C. Po wy­ konaniu tych badań określa się zmiany powstałe w próbce - stratę masy i zmiany wytrzymałości kruszywa. Badanie stosuje się do kruszyw o wymiarach ziaren od 4 mm do 63 mm. Rezultatem badań jest obliczenie ubytku masy próbki analitycznej po 1 0 cyklach badań, wyrażonego w procentach, oraz oznaczenie spadku wytrzymałości, wyrażonego w procentach. Spadek wytrzymałości może być obliczony wg dwóch wzorów; pierwszy uwzględnia zmiany współczynników Los Angeles kruszywa przed i po badaniu mrozoodporności, a drugi wskaźniki wytrzymałości na uderzenie kruszywa wyznaczone przed i po badaniu mrozood­ porności. Masa próbek analitycznych wymagana do badania mrozoodporności zależy od

m·aksymalnego wymiaru ziaren kruszywa i dla frakcji 4-8, 8-16, 16-32, 32-63 wynosi odpowiednio l OOO, 2000, 4000, 6000 g.

2.8.

Kruszywa skalne budowlane i drogowe

153

Badanie odporności kruszyw na działanie czynników atmosferycznych. Badanie to przeprowadzane wg PN-EN 1367-2:2000 jest laboratoryjną oceną wpływu warunków atmosferycznych na kruszywa. Polega ono na poddawaniu próbki laboratoryjnej kruszywa o uziarnieniu od 1 0 do 1 4 mm pięciu cyklom zanurzania w nasyconym roztworze siarczanu magnezu, a nastepnie suszeniu w suszarce. Powoduje to powstawanie w ziarnach kruszywa sił rozsadzajacych na skutek cyklicznej krystalizacj i i uwodnienia siarczanu magnezu w porach kruszywa. W wyniku niszczenia struktury ziaren powstaje drobniejszy niż 1 O mm materiał, którego masa jest miarą destrukcji kruszywa. Wynik badania wyraża się w procentach masy.

Oznaczenie zawartości ziaren słabych. Badanie obejmuje kruszywo natu­ ralne o uziarnieniu 4-3 1,5 mm. W przypadku zawartości ziaren kruszonych lub łamanych powyżej 85% masy, zgodnie z PN-87/B-067 14/43, oznaczenie nie jest wymagane. Badanie wykonuje się na znormalizowanym przyrządzie (rys. 2.17), a masa próbek analitycznych poddanych badaniom zależy od wiel­ kości ziaren frakcji oraz rodzaju frakcji kruszywa wielofrakcyjnego lub jedno­ frakcyjnego.

�=10 12 Rysunek 2.17. Przyrząd do oznaczania słabych zia­ ren kruszywa wg ( 13)

I - obciążniki. 2 - płytka dociskowa. 3 - płytki dystanso­ we. 4 - rami� diwigni

Zawartość ziaren słabych w jednej frakcj i określa się procentowo jako stosu­ nek masy ziaren, które uległy zniszczeniu po wykonaniu próby, do masy próbki pierwotnej . Pojedyncze ziarna kruszywa naturalnego poddaje się próbie zgniata­ nia, która polega na umieszczeniu ich pomiędzy płytkami przyrządu i podniesie­ niu ruchomej dolnej płytki za pomocą dźwigni o przełożeniu /1 : /2 10. =

Zanieczyszczenia w kruszywach stosowanych do betonów. Można podzie­ lić na następujące grupy: zanieczyszczenia organiczne, zanieczyszczenia gliną i pyłami mineralnymi, zanieczyszczenia solami oraz zanieczyszczenia obce.

Zanieczyszczenia organiczne składają się zwykle z produktów rozkładu sub­ stancji roślinnych i występują głównie w piasku, rzadziej w kruszywach grubych. Nie wszystkie substancje organiczne są szkodliwe i wskazane jest sprawdzenie

2.

154

Naturalne materiały kamienne

ich wpływu na właściwości betonu lub przeprowadzenie badań kolorymetrycz­ nych z zastosowaniem 3% roztworu NaOH [7].

Zanieczyszczenia gliną i pyłami mineralnymi

mogą powodować zmniejsze­

nie przyczepności kruszywa i zaczynu cementowego, co wpływa na obniżenie wytrzymałości i trwałości betonu. Pyły mineralne znajdujace się w kruszywie mogą być pochodzenia naturalnego lub wynikać z procesu kruszenia.

Zanieczyszczenia solami

występują w piasku uzyskanym z wybrzeża mor­

skiego, ujścia rzek oraz w piasku pustynnym. Ze względu na niebezpieczeństwo korozj i stali zbrojeniowej spowodowanej działaniem chlorków normy przedmio­ towe określają ich maksymalną zawartość w kruszywie.

Zanieczyszczenia obce

to najczęściej kawałki drewna, węgla lub grudki gli­

ny, które mogą powodować odpryski w betonie, a przy większej zawartości niż

2-5% masy wpływają ujemnie na wytrzymałość betonu [7]. Normy przedmio­ towe podają metody badań zanieczyszczeń w kruszywie oraz ich dopuszczalne zawartości w zależności od rodzaju betonu oraz typu konstrukcji.

Wykaz literatury i norm Wykaz literatury [ I ] Glapa W , Zawadzki T. : Zmiany technologii produkcji kruszyw mineralnych na przykładzie KOSD S.A. w Niemodlinie. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa, Po­ litechnika Wrocławska, Wrocław 200 I . (2) Góralczyk S., Kukiełka D., Traczyk S. : Ocena bazy �urowcowo-produkcyjnej kru­ szyw budowlanych i drogowych w Polsce. Warszawa 1999. (3) Grzelak E.: Kruszywa mineralne. Poradnik. COIB, Warszawa 1995. (4) Kalabińska M., Piłat J.: Technologia materiałów i nawierzchni drogowych. PWN, Warszawa 1985. (5) Kruszywa stosowane w budownictwie. Katalog budownictwa. COIB, Warszawa 2000. (6) leonhardt F. : Podstawy budowy mostów betonowych. WKiŁ, Warszawa 1982. (7) Nevil/e A.M. : Właściwości betonu. Polski Cement Sp. z o.o., Kraków 2000. (8) Ogólnopolski katalog kruszyw. Wydanie Il. IBDiM, Żmigród-Węglewo 1999. [9] Roniewicz P.: Przewodnik do ćwiczeń z geologii dynamicznej. Polska Agencja Eko­ logiczna S.A., Warszawa 1999. [ I O] Skalmowski W: Chemia materiałów hudowlanych. Arkady, Warszawa 197 l . [ 1 1 ] Skalmowski W : Technologia materiałów budowlanych. Tom 1 . Arkady, Warszawa 1972. (12) Szczygieł J. : Mosty betqnowe. PWN, Warszawa 1966. ( 1 3) Szymański E. : Materiałoznawstwo budowlane z technologią betonu. Oficyna Wy­ dawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999.

Wykaz literatury i norm

1 55

( 14] Szymański E., Kołakowski J. : Materiały budowlane z technologią betonu. Wydaw­ nictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 1 996. [ 15] Żenczykowski W: Budownictwo ogólne. Tom I . Naturalne materiały kamienne. Ar­ kady, Warszawa 1992.

Wykaz norm 1

Metody badania cementu. Oznaczanie wytrzymałości Wymagania dotyczące elementów murowanych. Część 6: Elementy murowe z kamienia naturalnego PN-EN 932- 1 : 1999 Badania podstawowych właściwości kruszyw. Metody pobierania próbek PN-EN 933- 1 : 2000 Badania geometrycznych właściwości kruszyw. Oznaczanie składu ziarnowego. Metoda przesiewania PN-EN 933-2: 1999 Badania geometrycznych właściwości kruszyw. Oznaczanie składu ziarnowego. Nominalne wymiary otworów sit badawczych PN-EN 933-3:1999 Badania geometrycznych właściwości kruszyw. Oznaczanie kształ­ tu ziarn za pomocą wskaźnika płaskości PN-EN 933-4:2001 Badania geometrycznych właściwości kruszyw. Część 4: Oznacza­ nie kształtu ziarn. Wskaźnik kształtu PN-EN 933-5:2000 Badania geometrycznych właściwości kruszyw. Oznaczanie pro­ centowej zawartości ziarn o powierzchniach powstałych w wyniku przekruszenia lub łamania kruszyw grubych PN-EN 933-8:2001 Badania geometrycznych właściwości kruszyw. Ocena zawartości drobnych cząstek. Badanie wskaźnika piaskowego PN-EN 1367-2:2000 Badania właściwości cieplnych i odporności kruszyw na działanie czynników atmosferycznych. Badanie w siarczanie magnezu Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie współczynnika PN-EN 1925:2001 nasiąkliwości kapilarnej Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie wytrzymałości PN-EN 1 926:2001 na ściskanie Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie gęstości i gęsto­ PN-EN 1 936:2001 ści objętościowej oraz całkowitej i otwartej porowatości PN-EN 12372:2001 Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie wytrzymałości na zginanie pod działaniem siły skupionej Kruszywo do niezwiązanych i hydraulicznie związanych materia­ PN-EN 1 3242 łów stosowanych w obiektach budowlanych i budownictwie drogo­ wym Kruszywa mineralne. Kruszywa skalne. Podział, nazwy i określe­ PN-87/B-01 1 00 nia Materiały kamienne. Oznaczanie ścieralności na tarczy Boehmego PN-84/B-04 1 1 1 PN-B-067 I O : 1 996 Kruszywa mineralne. Kruszywa łamane ze skał węglanowych do lastryko i suchych mieszanek do tynków szlachetnych PN-EN 196- 1 : 1996 PN-EN 77 1-6:2002

1

Przed korzystaniem z norm należy sprawdzić ich aktualność.

156 PN-79/B-067 1 1 PN-B-067 12: 1997 PN-B-067 12/Al/97 PN-89/B-067 14-0 I PN-78/B-067 14-13 PN-84/B-067 14-22 PN-87/B-067 14-43 PN-60/B- 1 1 100 PN-60/B- 1 1 104 PN-B- 1 1 1 10: 1996 PN-B- 1 1 1 1 1 : 1996 PN-B- 1 1 1 12: 1996 PN-B- 1 1 1 13 : 1 996 PN-B- 1 1 1 14: 1996 PN-B-1 1 200: 1996 PN-B- 1 1201 : 1996 PN-B-1 1202 : 1 997 PN-B- 1 1 203: 1 997 PN-B-1 1205: 1996 PN-B- 1 1206:1996 PN-B- 1 1210: 1 996

2.

Naturalne materiały kamienne

Kruszywa mineralne. Piaski do zapraw budowlanych Kruszywa mineralne do betonu Kruszywa mineralne do betonu (Zmiana Al) Kruszywa mineralne. Badania. Podział, terminologia Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczanie zawartości pyłów mi­ neralnych Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczanie przyczepności bitumów Kruszywa mineralne. Badania. Oznaczanie zawartości ziarn sła­ bych Materiały kamienne. Kostka drogowa Materiały kamienne. Brukowiec Surowce skalne lite do produkcji kruszyw łamanych stosowanych w budownictwie drogowym Kruszywa mineralne. Kruszywa naturalne do nawierzchni drogo­ wych. Żwir i mieszanka Kruszywa mineralne. Kruszywa łamane do nawierzchni drogowych Kruszywa mineralne. Kruszywa naturalne do nawierzchni drogo­ wych. Piasek Kruszywa mineralne. Kruszywa łamane do nawierzchni kolejo­ wych Materiały kamienne. Bloki, formaki i płyty surowe Materiały kamienne. Elementy kamienne. Podokienniki zewnętrz­ ne Materiały kamienne. Elementy kamienne. Płyty posadzkowe ze­ wnętrzne i wewnętrzne Materiały kamienne. Elementy kamienne. Płyty do okładzin pio­ nowych zewnętrznych i wewnętrznych Materiały kamienne. Elementy kamienne - stopnie monolityczne i okładzina stopni Materiały kamienne. Elementy kamienne. Podokienniki wewnętrz­ ne Materiały kamienne. Kamień łamany

3

Ceramika budowlana

Andrzej Małasiewicz

3.1. Wiadomości ogólne . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 1 . 1 . Rys historyczny . . . . . . . . . . . . . . 3. 1 .2. Surowce . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Ogólna klasyfikacja ceramiki budowlanej 3.2. Produkcja wyrobów ceramicznych . . . . . . . . 3.3. Wady wyrobów ceramicznych . . . . . . . . . . 3.3. 1. Wady wyrobów spowodowane zanieczyszczeniem surowców 3.3.2. Wady produkcyjne wyrobów ceramicznych . 3.4. Wyroby z ceramiki .porowatej . 3.4. 1 . Cegły . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2. Pustaki ścienne . . . . . . . . . . . 3.4.3. Pustaki wentylacyjne . . . . . . . . 3.4.4. Pustaki do przewodów dymowych . 3.4.5. Ceramiczne elemenry stropowe 3.4.6. Dachówki i gąsiory ceramiczne 3.4.7. Rurki drenarskie . . . . 3.4.8. Kafle . . . . . . . . . . 3.4.9. Elementy ogrodzeniowe 3.4.1 O. Nakrywy kablowe . . . 3.4. 1 1 . Nadproża ceramiczno-żelbetowe 3.4.12. Kształtki węgarkowe . . . 3.5. Wyroby o struktur.i:e spieczonej . 3.5.1. Ogólny podział wyrobów 3.5.2. Wyroby klinkierowe . . . 3.5.3. Wyroby kamionkowe . . . 3.6. Wyroby fajansowe i porcelanowe 3.6. 1 . Płytki ceramiczne ścienne szkliwione 3.6.2. Wyroby sanirarne . 3.7. Materiały ogniotrwałe . . . . . . . . . . . . 3.7.1. Ogólny podział . . . . . . . . . . . . 3.7.2. Rodzaje produkowanych elementów . 3.7.3. Wyroby glinokrzemianowe . 3.7.4. Wyroby magnezytowe . 3.7.5. Wyroby dolomitowe . . . . 3.7.6. Wyroby krzemionkowe . . . 3.7.7. Wyroby spinelowe . . . . . 3.7.8. Wyroby magnezytowo-krzemianowe . 3.7.9. Wyroby szamotowo-grafitowe 3.7.10. Wyroby cyrkonowe . . . . . . . . . . . 3. 7. 1 1. Wyroby z węglika krzemu . . . . . . . 3.8. Badania wyrobów ceramicznych . . . . . . . . 3.9. Przechowywanie i transport wyrobów ceramicznych Wykaz literatury i norm . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 158 . 158 . 158 . 159 . 160 . 1 64 . 164 . 165 . 168 . 168 . 175 . 184 . 186 . 187 . ł99 . 204 . 205 . 206 . 207 . 208 . 210 . 210 . 210 . 211 . 220 . 225 . 225 . 226 . 226 . 226 . 227 . 228 . 23ł . 232 . 233 . 233 . 233 . 234 . 234 . 234 . 234 . 236 . 238

158

3. Ceramika budowlana

3.1. Wiadomości ogólne 3.1.1. Rys historyczny Ceramiką są nazywane wyroby uformowane z glin naturalnych lub ich mieszanin (mas plastycznych), a następnie wysuszone i wypalone lub spieczone, w wyniku czego uzyskują na stałe twardość i odporność mechaniczną. Ceramika należy do najstarszych wyrobów produkowanych przez człowieka. W Egipcie cegłę zwykłą stosowano 4000 lat, a kolorową 3000 lat p.n.e. Babiloń­ czycy już w XVIII w. p.n.e. swoje wyroby pokrywali glazurą. W Grecji w V w. p.n.e. stosowano dachówkę ceramiczną. Rzymianie przejęli od Greków produk­ cję cegieł i dachówek, wzbogacając asortyment wyrobów między innymi o rury ceramiczne. W Polsce niektóre budowle świadczą o tym, że już w X w. obok kamienia stosowano ceramikę.

3.1.2. Surowce Surowce stosowane w produkcji wyrobów ceramicznych dzieli się na surowce plastyczne i nieplastyczne. Do surowców plastycznych zalicza się gliny, iły, kaolin, łupki ilaste itp. W zależności od stopnia plastyczności rozróżnia się iły i gliny tłuste oraz mało plastyczne - chude. Surowce te po zarobieniu wodą dają się formować, a pod obciążeniem odkształcają się plastycznie, zachowując nadany kształt. W wyniku wypalenia nieodwracalnie tracą zdolność do odkształceń plastycznych. W tempe­ raturze 800-900°C w wyniku połączenia tlenków glinu i krzemu powstają nowe związki nadające wyrobom odporność mechaniczną i chemiczną. Do surowców nieplastycznych należą dodatki schudzające i topniki. Do tej grupy zalicza się także szkliwa i surowce specjalne. Surowce schudzające to piaski kwarcowe, łupki kwarcytowe, szamot i inne skały krzemionkowe. Su­ rowce te ograniczają skurcz glin tłustych, a tym samym zmniejszają niebez­ pieczeństwo uszkodzenia wyrobów w czasie ich suszenia i wypalania. Topni­ ki stosuje się w celu obniżenia temperatury spiekania mas i topienia szkliwa. Jako topniki stosuje się najczęściej skalenie: glinokrzemiany potasu czy sodu, rzadziej glinokrzemiany wapnia. Rolę topników spełniaj ą także naturalne do­ mieszki występujące w surowcach, takie jak tlenki żelaza, tlenek wapnia czy magnezu. Szkliwo, zwane również glazurą, jest cienką warstwą masy szklanej, naniesio­ ną na powierzchnię wyrobu, a następnie stopioną w odpowiedniej temperaturze. Szkliwo tworzy na powierzchni wyrobu warstwę nieprzepuszczalną dla cieczy i gazów, równocześnie zapewniając powierzchni gładkość i barwę.

3.1.

Wiadomości ogólne

159

3.1.3. Ogólna klasyfikacja ceramiki budowlanej Stosowane w budownictwie wyroby ceramiczne klasyfikuje się w zależności od rodzaju surowców, stopnia wypalenia, technologii produkcji, przeznaczenia itp. Ze względu na skład surowców wyróżnia się takie wyroby ceramicze jak:

- ceramika czerwona,

produkowana z niskotopliwych glin żelazistych i wap­

nistych z surowcami schudzającymi; temperatura wypalania jest rzędu

900°C;

a po wypaleniu otrzymuje się porowate wyroby o zabarwieniu od kremowego do ciemnoczerwonego,

- ceramika czerwona poryzowana otrzymywana przez dodanie do gliny skład­ ników łatwo palnych, jak np. trociny czy mączka drzewna, które w czasie wypalania wyrobu ulegają utlenieniu, pozostawiając mikropory zwiększające termoizolacyjność wyrobu,

klinkier,

otrzymywany zwykle z gliny jednego gatunku lub mieszanin glin

z dodatkami schu.dzającymi; po spieczeniu w temperaturze

1 150-1250°C uzy­

skuje się wyroby o bardzo małej nasiąkliwości i dużej wytrzymałości,

- kamionka,

wytwarzana z glin kamionkowych z dodatkiem materiałów schu­

dzających i topników; po spieczeniu w temperaturze

1 160-1300°C otrzymuje

się wyroby o dużej wytrzymałości, barwy od ciemnoczerwonej do brązowej, które są zwykle szkliwione,

- ceramika ogniotrwała, otrzymywana

z

glin ogniotrwałych z dodatkiem

surowców mineralnych; w zależności od rodzaju dodatków otrzymuje się

wyroby szamotowe, krzemionkowe, magnezytowe i inne; wyroby te od­ znaczają się wysoką ogniotrwałością, temperatura topnienia przekracza zwy­ kle

1580°C,

- fajans, produkowany

z biało wypalających się glin w temperaturze ok.

1350°C,

z domieszką skaleni lub kwarcu; wyroby fajansowe są szkliwione,

- porcelana,

wytwarzana z kaolinu, kwarcu i skaleni; po spieczeniu czerep

w kolorze białym charakteryzuje się zwartością i dużą odpornością mecha­ niczną; wyroby porcelanowe są szkliwione,

- porcelit,

otrzymywany z mas ceramicznych zawierających materiały ilaste,

kwarc i węglan wapnia; wyroby te są zwykle szkliwione. Ze względu na strukturę rozróżnia się następujące rodzaje wyrobów cera­ micznych stosowanych w budownictwie:

- wyroby o czerepie porowatym,

o porowatości do

22%,

zwane ceramiką

czerwoną. do których zalicza się między innymi: - wyroby ceglarskie, jak cegły pełne, cegły kratówki i dziurawki, pustaki ścienne i stropowe, pustaki przewodów dymowych, dachówki i gąsiory, rurki drenarskie, - wyroby szkliwione, jak np. kafle, płytki ścienne i elewacyjne,

3. Ceramika budowlana

160

- wyroby ogniotrwałe, jak cegły i kształtki szamotowe, krzemionkowe czy dolomitowe,

- wyroby o strukturze spieczonej i nasiąkliwości zwykle ok. 6%, a maksy­ malnie do 12%, do których zalicza się cegły kominowe, klinkier drogowy, płytki klinkierowe, płytki i kształtki ścienne kamionkowe, rury i kształtki kamionkowe kanalizacyjne, płytki kamionkowe,

- wyroby z ceramiki półszlachetnej, do których zalicza się: - wyroby fajansowe, np. płytki ścienne, - wyroby sanitarne, jak umywalki, miski ustępowe, pisuary, - wyroby ceramiki szlachetnej, np. porcelanowe.

3.2. Produkcja wyrobów ceramicznych Pomimo bardzo zróżnicowanego asortymentu wyrobów ceramicznych, podsta­ wowe procesy technologiczne są wspólne dla wszystkich wyrobów. Zasadnicze etapy procesów technologicznych to: przygotowanie mas, formowanie, suszenie i wypalanie wyrobów. W przypadku niektórych wyrobów proces technologiczny obejmuje dodatkowe czynności, jak kilkakrotne wypalanie, angobowanie (pokry­ wanie cienką warstwą polewy ze szlachetnej gliny) czy glazurowanie. W chwili obecnej produkcja wyrobów jest prowadzona w sposób zmecha­ nizowany czy nawet zautomatyzowany, coraz częściej sterowany komputerowo. Produkcję ręczną ogranicza się do elementów nietypowych, najczęściej przezna­ czonych do remontu obiektów zabytkowych.

Przygotowanie mas Przygotowanie mas do formowania wyrobów ceramicznych obejmuje usunięcie zanieczyszczeń, takich jak na przykład korzenie, kamienie itp. oraz ujednolicenie masy. Sposób przygotowania mas i stosowane urządzenia zależą od składu glin, rodzaju materiałów schudzających oraz rodzaju i ilości występujących w glinach zanieczyszczeń. Przygotowanie masy nadającej się do formowania polega na odpowiednim ze­ stawieniu jej składników, starannym ich rozdrobnieniu i ujednoliceniu pod wzglę­ dem składu oraz wilgotności. W zależności od wilgotności rozróżnia się: - masy lejne, o wilgotności ponad 30%, z których jest produkowana na przy­ kład ceramika sanitarna formowana metodą odlewania najczęściej w formach gipsowych, - masy plastyczne, o wilgotności 1 8-30%, z których są produkowane cegły, pustaki, niektóre rodzaje dachówek metodą ciągnienia - metodą pasmową w prasach ślimakowych,

3.2.

Produkcja wyrobów ceramicznych

161

- masy sypkie, o wilgotności 2-1 2%, z których s ą wykonywane metodą prasowania

niektóre

rodzaje

płytek oraz

większość wyrobów ognio­

trwałych. Glinę, do której zwykle w zasilaczu skrzyniowym (rys. 3 . 1 ) dodaje się ma­ teriały schudzające, rozdrabnia się w gniotownikach, czyli urządzeniach stano­ wiących zestaw walców (rys. 3.2). Rozdrobnieniu ulegają także kamienie oraz

Rysunek 3.1. Zasilac:t skrzyniowy

Rysunek 3.2. Walce gładkie o regu­ lowanej szerokości szczeliny wylo­ towej

inne zanieczyszczenia gliny, np. korzenie. Homogenizację masy przeprowadza się w dołownikach oraz w przecierakach sitowych (rys. 3.3). Równocześnie na tym etapie produkcji ustala się wilgotność masy zapewniającą odpowiednią jej plastyczność wymaganą przez przyjętą metodę formowania wyrobów.

162

3. Ceramika budowlana

Rysunek 3.3. Pnecierak sitowy

Formowanie wyrobów Zwykle wyroby z mas o konsystencji plastycznej są formowane w prasach pa­ smowych - poziomych (rys. 3.4), ślimakowych zwykłych (grubościenne wyro­ by ceglarskie) lub z odpowietrzeniem (wyroby cienkościenne, drążone, płytki oraz niektóre wyroby ż ceramiki specjalnej). W niektórych prasach glina jest podgrzewana parą do temperatury 30-50° C. Rury kanalizacyjne i inne wyroby o większych gabarytach są formowane w prasach ślimakowych o osi pionowej.

Rysunek 3.4. Prasa pasmowa

Ś limak prasuje i ewentualnie odpowietrza masę, przemieszczając ją w kie­ runku wylotnika formującego pasmo o założonym przekroju. W przypadku np. produkcji cegły drążonej czy pustaków wylotnik ma wkładki formujące w pa­ śmie otwory. Jeżeli powierzchnie wyrobu mają być ryflowane, na krawędziach

3.2.

Produkcja wyrobów ceramicmych

1 63

wylotnika są osadzane grzebienie formujące na powierzchni pasma wymagany wzór. Na ucinarkach, zwykle strunowych (rys. 3.5) lub obiegowych, tnie się pasmo na elementy, półfabrykaty, o ustalonych długościach, odpowiadających znormali­ zowanym wymiarom wyrobu.

Rysunek 3.5. Ucinacz strunowy pasma

Suszenie i wypalanie półfabrykatów Półfabrykaty przekazuje się do komór·suszarni (tunelowych, komorowych, szy­ bowych), w których spalinami, gorącym powietrzem, a w najnowszych rozwiąza­ niach promiennikami podczerwieni czy prądem o wysokiej częstotliwości suszy się je przez kilkadziesiąt godzin (rys. 3.6). Ich wilgotność 22-25%, wymagana w procesie formowania, jest ograniczana do wilgotności 3-5%.

Rysunek 3.6. Uformowane kształtki na wózkach przed wprowadzeniem do ko­ mór suszarni i wypalania

164

3. Ceramika budowlana

Wypalanie półfabrykatów często jeszcze odbywa się w piecach kręgowych, opalanych miałem węglowym, a niekiedy gazem. W nowoczesnych zakładach wypalanie wyrobów zwykle odbywa się w piecach tunelowych opalanych olejem opałowym lub gazem ziemnym przy dostępie tlenu. Półfabrykaty na wózkach przejeżdżają w ciągu kilkudziesięciu godzin przez kilka stref, na które podzielony jest tunel: podgrzewania, wypalania (strefa ogniowa) i studzenia. Niektóre typy pieców mają przedsionek, w którym następuje dosuszenie elementów. Proces wypalania przebiega w kilku fazach. W fazie pierwszej (w strefie pod­ grzewania) w temperaturze 200-700°C następuje najpierw wyparowanie wody nie związanej chemicznie, a następnie dehydratyzacja masy, która ułatwia za­ chodzący w fazie drugiej (fazie wypalania) rozkład węglanów i utlenianie węgla. Równocześnie w wyniku rozpadu różnych związków chemicznych występujących w surowcu powstają nowe związki, które w temperaturze rzędu 800°C ulegają utwardzeniu. W temperaturze 900-950°C otrzymuje się ceramikę o czerepie po­ rowatym. Przy dalszym podnoszeniu temperatury, w kolejnej fazie wypalania (tak zwa­ nej fazie spiekania) w temperaturze l 1 00-1300°C w wyniku stopienia się topni­ ków, jakie zawiera surówka, otrzymuje się wyroby o czerepie spieczonym i nad­ topionym licu wyrobu. Wyroby porcelanowe i fajansowe poddawane są dwóm cyklom wypalania

w różnych temperaturach. Pierwsze wypalanie, tak zwane biskwitowe, w przypad­

ku porcelany przeprowadza się w temperaturze 920- 1020°C, fajansów zaś w 9601 3000C. Podczas drugiego wypalania, tak zwanego ostrego, zwykle w tempera­ turze do 1 450°C, powinno wystąpić całkowite zeszkliwienie surowców. Niektóre wyroby ceramiczne wypalane są trzy, a niekiedy i więcej razy.

3.3. Wady wyrobów ceramicznych 3.3.1. Wady wyrobów spowodowane zanieczyszczeniem surowców Węglan wapnia. Węglan wapni a (CaC03), a niekiedy węglan magnezu lub że­ laza, może występować w glinie w postaci grudek, tak zwanych lalek. Czę­ sto grudki te zawierają różne zanieczyszczenia, zwykle frakcje ilaste. W cza­ sie wypalania wyrobów węglan wapnia rozkłada się (CaC03 --+ CaO + C0 2 ). Powstający silnie higroskopijny tlenek wapnia, wchłaniając wodę z powietrza, przechodzi w wodorotlenek wapnia (CaO + H20 --+ Ca(OH)i), który ma około dwukrotnie większą objętość od tlenku wapnia. Wzrost objętości grudek może spowodować łuszczenie się, odpryski, spękanie, a niekiedy całkowite zniszczenie wyrobu.

3.3.

Wady wyrobów ceramicznych

165

Na postęp i stopień uszkodzeń ma wpływ wielkość i ilość grudek oraz stopień zanieczyszczenia węglanu wapnia. Przy znacznej ilości i dużej średnicy grudek wyroby mogą ulec uszkodzeniu zaraz po wypaleniu w wyniku kontaktu z wil­ gotnym powietrzem. Niekiedy destrukcja występuje dopiero po kilku latach od momentu wbudowania wyrobów.

Siarczki. Niektóre gliny zawierają nierozpuszczalne w wodzie siarczki, a przede wszystkim piryt, czyli dwusiarczek żelaza (FeS2), które podczas wy­ palania wyrobu, przy kontakcie z wodą i tlenem atmosferycznym, przechodzą w rozpuszczalne sole siarczanowe. Roztwory tych soli, wędrując na powierzch­ nie wyrobów, tworzą na nich białe wykwity. Sole rozpuszczalne w wodzie. Gliny zawierają często zanieczyszczenia w po­ staci rozpuszczalnych soli, jak siarczany, chlorki sodu, potasu i wapnia. Obecność tych związków w glinie może być przyczyną destrukcji wyrobów, a mianowicie łuszczenia się ich powierzchni . Zanieczyszczenia te, zwłaszcza przy kolejnych za­ wilgoceniach wyrobów, mogą tworzyć na ich powierzchni naloty czy wykwity. Do szczególnie niepożądanych zanieczyszczeń gliny należy siarczan sodu (Na2S04) oraz siarczan magnezu (MgS04). Związki te krystalizując wiążą duże ilości wody i przechodzą w Na2S04·nH20 lub MgS04·nH20, co może spowodować destruk­ cję wyrobów i być przyczyną występowania wykwitów na ich powierzchni. Zanieczyszczenia mechaniczne i organiczne. Surowce mogą zawierać zanie­ czyszczenia mechaniczne (kamienie czy żwir) oraz zanieczyszczenia organiczne (korzenie, zbutwiałe czy zwęglone części roślin). Zanieczyszczenia te utrudniają zarówno przerób gliny, jak i formowanie wyrobów. Mogą być także przyczyną de­ formacji wyrobu, uszkodzeń krawędzi oraz występowania zadziorów i nierówno­ ści na jego powierzchniach, a zwłaszcza na powierzchniach cięcia pasma. W cza­ sie wypalania na powierzchniach wyrobu w miejscach występowania zanieczysz­ czeń mechanicznych mogą pojawić się promieniste spękania. Zanieczyszczenia organiczne ulegają spaleniu, a w wyrobie powstają dodatkowe pustki obniżające jego parametry techniczne.

3.3.2. Wady produkcyjne wyrobów ceramicznych Przy masowej, zmechanizowanej produkcji wyroby ceramiczne mogą wykazywać szereg wad, z których część nie występuje przy produkcji ręcznej . Najczęściej spotykanymi w praktyce przyczynami występowania wad wyrobów są: nieprze­ strzeganie wymagań dotyczących doboru składu mas, a przede wszystkim ich uziarnienia i wilgotności oraz nie zawsze prawidłowy dobór parametrów pracy urządzeń przygotowujących masę, formujących, suszących czy wypalających pół­ fabrykaty. Często przyczyną defektów jest nieprawidłowa praca różnych części urządzeń zużytych w czasie ich eksploatacji.

3. Ceramika budowlana

166

Przygotowanie mas. Przy niedostatecznym przerobie surowców, niezapew­ niającym wyeliminowania czy rozdrobnienia gruboziarnistych składników ma­ sy oraz niestwarzającym warunków do uzyskania odpowiedniej homogenizacji i wilgotności, występujące w masie okruchy skalne, cząstki organiczne czy nie przerobione grudki gliny mogą być przyczyną wystąpienia licznych wad, które ujawniają się w kolejnych etapach produkcji wyrobów.

Formowanie wyrobów. Nieprawidłowe przygotowanie mas, specyfika pracy prasy ślimakowej, jak i nieprawidłowa jej obsługa, mogą być przyczyną wystą­ pienia wielu wad wyrobów już na etapie formowania półfabrykatów. W praktyce najczęściej są spotykane następujące wady:

- struktura pasmowa, spowodowana różnymi prędkościami liniowymi prze­ mieszczania się masy w wylotniku prasy (w osi wylotnika i przy jego po­ wierzchniach zewnętrznych, gdzie mogą występować znaczne siły tarcia), co jest przyczyną występowania w masie naprężeń ścinających powodujących rozluźnienie jej struktury; produkowane wyroby mogą wykazywać rozwar­ stwienia lub łuszczenie się warstw przypowierzchniowych; struktura pasmowa występuje zwykle w przypadku źle przerobionych mas, których przemiesz­ czaniu się w wylotniku prasy towarzyszą duże siły tarcia; struktura S, spowodowana zróżnicowaniem prędkości obwodowych masy przy ślimaku i podejściu do wylotnika; widoczne na powierzchni wyrobu rysy układają się w kształcie litery s. (rys. 3.7.b), a niekiedy mają kształt współśrodkowych elips (rys. 3. 7 .a); zwykle rysy te występują przy niewłaści­ wie schudzonych i zbyt suchych masach;

b)

a) /

-

-

c)

L

Rysunek 3.7. Wady wyrobów ceramicznych: a) struktura eliptyczna, b) struktura S, c) zadziory

- struktura spiralna, charakteryzująca się pewnym skręceniem masy wycho­ dzącej z wylotnika prasy; struktura ta występuje w przypadku mas zbyt su­ chych, przy nieprawidłowo dobranym kształcie wylotnika lub jego niecen­ trycznym ustawieniu; - zadziory, występujące na krawędziach wyrobu spowodowane zbyt dużym tar­ ciem masy na krawędziach, a przede wszystkim w narożach wylotnika prasy (rys. 3.7.c); wada ta występuje zwykle w przypadku mas źle przerobionych, a niekiedy i przy zbyt niskiej próżni w prasach z odpowietrzaniem.

3.3.

Wady wyrobów ceramicznych

167

Suszenie półfabrykatów. Nieprawidłowe ustalenie parametrów suszenia, nie­ właściwa kontrola jego przebiegu czy niedostateczne przygotowanie mas może być przyczyną występowania wad wyrobów, jak: - spękania na powierzchni, a przede wszystkim na krawędziach półfabryka­ tu, powstające w wyniku zbyt intensywnego parowania wody z powierzchni wyrobu i różnic skurczu warstw przypowierzchniowych masy i warstw poło­ żonych głębiej, - deformacje wyrobu spowodowane zbyt intensywnym i zróżnicowanym pa­ rowaniem wody z powierzchni półfabrykatu, a tym samym zróżnicowanym skurczem, - pęcherze lub odpryski na powierzchni wyrobów; wady powstające przy zbyt wysokiej temperaturze czynnika suszącego, zwłaszcza w pierwszym okresie suszenia; woda zawarta w masie, przechodząc w parę, zwiększa swoją objętość, co może być przyczyną deformacji, a nawet rozsadzenia wyrobu, - siatka włoskowatych rys na powierzchni wyrobu; przy kondensacji pary wodnej w komorze woda wnika w przypowierzchniowe warstwy półfabry­ katu i późniejszemu oddawaniu przez te warstwy wody w wyniku parowania towarzyszy skurcz oraz ewentualne wystąpienie zarysowań, - rysy promieniste na powierzchni półfabrykatu w miejscach występowania większych okruchów skalnych, które mają inną rozszerzalność termiczną niż glina. Wypalanie półfabrykatów. Wady produkcyjne wyrobów mogą powstawać zarówno w strefie dosuszania, podgrzewania, jak i wypalania oraz studzenia wy­ robów. Najczęściej występujące w praktyce wady to: - spękania i zarysowania wyrobu spowodowane zbyt intensywnym suszeniem półfabrykatów niedosuszonych w strefie dosuszania i podgrzewania, - spęcznienie i spękanie wyrobu w strefie wypalania spowodowane zbyt krót­ kim jego przebywaniem w strefie podgrzewania i niecałkowitym rozłożeniem się zawartych w nim części organicznych oraz ograniczonym przebiegiem dehydratacji minerałów ilastych, - niedopalenie czerepu spowodowane zbyt krótkim przebywaniem półfabry­ katów w strefie ogniowej, zbyt niską temperaturą lub nierównomiernym roz­ kładem temperatur w tej strefie; wyroby charakteryzują się wówczas małą wytrzymałością i dużą nasiąkliwością, - przepalenie czerepu spowodowane zbyt długim przetrzymywaniem półfa­ brykatu w strefie ogniowej lub zbyt wysoką temperaturą tej strefy; wyroby o czerepie przepalonym mają mniejszą nasiąkliwość od wymaganej, często są zdeformowane, - spękania włoskowate spowodowane zbyt szybkim studzeniem.

3.

168

Ceramika budowlana

3.4. Wyroby z ceramiki porowatej 3.4.1. Cegły Cegły budowlane Asortyment cegieł budowlanych jest bardzo bogaty. W PN-B- 1 2050: 1 996 wpro­ wadzono podział tych wyrobów na grupy, rodzaje, typy, klasy i sortymenty (tabl. 3. I). Podział ten dotyczy zarówno wyrobów ceramicznych o strukturze

porowatej jak i strukturze spieczonej.

Tablica 3.1. Podział cegieł budowlanych wg PN-B-12050:1996

Klasyfikacja Grupy Rodzaje

Typy

Klasy

Kryteria podziału

sposób wykonania powierzchni bocznych odporność na działanie mrozu

sposób ukształtowania wnętrza (otwory, drążenia)

wytrzymałość na ściskanie MPa

gęstość Sortymenty objętościowa kg/dm3

Podział grupa Z - cegły zwykłe grupa L - cegły licowe

rodzaj M - cegły odporne na działanie mrozu

rodzaj N - cegły nieodporne na działanie mrozu typ B - cegły bez otworów typ P - cegły pełne

typ D - cegły drążone

typ S - cegły szczelinowe

klasy cegieł grupy Z: 3,5; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25

klasy cegieł grupy L: 10; 15; 20; 25

sortymenty cegieł typu B i P: l ,O; l ,2; I ,4; 1 ,6; 1 ,8; 2,0

sortymenty cegieł typu D i S: 0,6; 0,8; I ,O; 1 ,2; 1,4; 1 ,6

Cegły budowlane powinny mieć kształt prostopadłościanu o prostych i rów­ nych krawędziach oraz płaskich powierzchniach. Cegły o tradycyjnych polskich wymiarach mają wielkość 65x 1 20 x 250 mm. Powierzchnię największą nazywa się podstawą, powierzchnię pośrednią wozówką, a najmniejszą główką. Produ­ kowane są także cegły wysokości 140 i 220 mm (tabl. 3.2), odpowiadającej wie­ lokrotności wysokości cegły o wymiarach tradycyjnych, zwiększonej o grubość jednej lub dwóch spoin.

3.4.

Wyroby z ceramiki porowatej

1 69

Tablica 3.2. Wymiary cegieł i odchyłki wymiarowe wg PN-B-12050:1996 Wymiar,

Wielkość

mm

grupa Z

grupa L

250±6

250±4

Szerokość

120±5

1 20±3

65±3

63±2

Wysokość

1 40±4

140±3

220±5

220±4

Długość

Do budowania murów wymagających tynkowania są stosowane

cegły zwykłe,

a do wykonywania licowej warstwy muru nie wymagającej tynkowania używane

cegły licowe. Cegły typu D i S mogą mieć na powierzchni podstawy otwór chwytowy o po­ 2 wierzchni nie większej niż 3600 mm i kształcie prostokątnym, kwadratowym, eliptycznym lub kołowym. Cegły typu B nie mają jakichkolwiek otworów. Cegły typu P mogą mieć drążenia, których łączna powierzchnia przekroju nie powinna być większa niż l 0% powierzchni podstawy, a powierzchnia pojedynczego otworu nie większa niż 200 mm2 • Cegły typu D i S powinny mieć drążenia, których łączna powierzchnia przekroju liczona z powierzchnią otworów chwytowych powinna zawierać się w granicach l 0- 40% powierzchni podstawy. W cegłach typu D powierzchnia 2 pojedynczego otworu nie powinna być większa niż 600 mm • Szerokość szczeliny cegieł typu S nie powinna przekraczać 15 mm. Cegły typu P, D oraz S powinny mieć ścianki zewnętrzne grubości nie mniejszej niż: 1 2 mm od strony powierzchni

nielicowej i 1 8 mm od strony powierzchni licowej. Cegły grupy Z wysokości 65 mm mogą mieć powierzchnie boczne gład­ kie lub z rowkami (rys. 3.8). Zaleca się, aby cegły wysokości 140 i 220 mm na powierzchniach bocznych miały rowki głębokości ok. 2 mm, równomier­ nie rozłożone na co najmniej 2/3 tych powierzchni, zwiększające przyczepność zaprawy. Cegły licowe powinny mieć co najmniej dwie powierzchnie boczne licowe. Powierzchnie te mogą być gładkie lub zdobione - profilowane, reliefowane, szkli­ wione, nakrapiane lub napylane.

i S nie powinny wykazywać uszkodzeń i odmrażania, a cegły rodzaju M, grupy Z, typu B i P

Cegły rodzaju M, grupy Z, typu D po 20 cyklach zamrażania

oraz cegły grupy L po 25 cyklach. Nasiąkliwość cegieł budowlanych powinna od­ powiadać wielkościom podanym w tabl. 3.3. Dopuszczalne stężenie naturalnych pierwiastków promieniotwórczych:

f1 �

1 ,0; h � 1 85 Bq/kg.

170

3. Ceramika budowlana

d)

RJ

L

;,

2so

L

;,

Rysunek 3.8. Cegły budowlane: a) grupy L, typu P, b) grupy Z, typu D, c) grupy Z, typu O, d) grupy Z. typu S Tablica 3.3. Nasiąkliwość cegieł budowlanych wg PN-B-12050: 1996

Klasa cegly 3,5; 5 7,5; IO; 1 5 20; 25

Nasiąkliwość, %

grupa Z

grupa L

nie określa się 6-22

4-16

6-20

4- 1 2

-

Przełom cegły nie powinien wykazywać pustek i szczelin powstałych wskutek uwarstwień. Przy uderzeniu młotkiem stalowym dźwięk powinien być czysty, me­ taliczny. Cegły spękane łub źle wypalone wydają przy uderzeniu głuchy dźwięk. Dopuszczalne wady cegieł podaje norma. Cegły budowlane klas 7,5; IO; 15; 20 i 25 są stosowane do wykonywania fundamentów, ścian zewnętrznych i wewnętrznych, stropów, słupów, kominów i innych elementów budowli, cegły klas 3,5; 5 i 7,5 są używane do budowy ścian działowych, budynków gospodarskich i tymczasowych. PN-B- 12050: 1 996 dotyczy tal N 8 b >. >. N �

}

·

"' ;::

N

8

�

"'

·;;i

"O

"' =

'(.) ""

o = .... o o..

"O

o

�

"' ;;:: "'

(.)

..c::

;;:: (.)

. .,, ;;:: :.::: · - OJ) :a @

.a 8 N

"' '(.) ""

"' >. N = . ...., ca

o.. � N N 0 "' .... '0 · '"'

o

o o"'

o

= u

..o

o

o

+

o.. ....

..c::(.) � _.

>. o

= ·- = "' I

� 15

S topień zmielenia i zawartość wolnej wody dotyczy wapna budowlanego do wszystkich zastosowań. Stałość objętości, wnikanie, zawartość powietrza i czas wi ązania dotyczy tylko wapna budowlanego do zaprawy murarskiej, tynkowania i obrzutek. b Nie dotyczy ciasta wapiennego. c Dodat kowo hydratyzowane wapno wapniowe, ciasto wapnienne i wapno dolomitowe hydratyzowane, które zawierają ziarna większe niż 0,2 mm powinny wykazywać stałość objętości przy badaniu wg PN-EN 459-2:2003. d Przy użyciu zaprawy normowej zgodnie z PN-EN 459-2:2003. f Dla wapna hydraulicznego i wapna hydraulicznego natural nego o zawartości S03 c Dla ciasta wapiennego zawartość wolnej wody 45-70%. w granicach 3-7% stałość objętości jest badana dodatkowo zgodnie z PN-EN 459-2:2003. g Nie dotyczy HL2 i NHL2.

•

N Ul

252

4.

Mineralne spoiwa budowlane

W odróżnieniu od cementu dla różnych klas wapna hydraulicznego stosuje się odpowiednie współczynniki woda/spoiwo. Dla klasy HL5 i NHL5 współ­ czynnik

w/s

wynosi 0,50, a dla klasy HL2, HL3,5, NHL2 i NHL3,5 powinien

wynosić 0,55. Wymagania odnoszące się do wytrzymałości na ściskanie dla wapna hydrau­ licznego i hydraulicznego naturalnego podano w tabl. 4.5. Tablica 4.5. Wytrzymałość na ściskanie wapna hydraulicznego i wapna hydraulicznego naturalnego wg PN-EN 459-1:2003

Rodzaj wapna budowlanego

po 7 dniach

po 28 dniach

HL 2 i NHL 2

-

2-7

HL 3,5 i NHL 3,5

-

3,5-10

;;:,: 2

5-15°

HL 5 i NHL 5 •

Wytrzymałość na ściskanie, MPa

Dla HL 5 i NHL 5 o gęstości nasypowej mniejszej niż 0,90 kg/dm3 dopuszcza się wytrzymalo§ć do 20 MPa.

4.3.6. Zastosowanie wapna budowlanego Powszechnie stosuje się dwa rodzaje wapna budowlanego - wapno palone (nie­ gaszone), stanowiące produkt wypalania kamienia wapiennego, którego podsta­ wowym składnikiem jest tlenek wapnia CaO, oraz wapno hydratyzowane (sucho­ gaszone). Wapno hydratyzowane uzyskuje się przez zgaszenie w hydratorach wapna palonego (kawałkowego lub mielonego) ograniczoną ilością wody. W wyniku gaszenia otrzymuje się wodorotlenek wapnia Ca(OHh w postaci proszku o bardzo rozwiniętej powierzchni właściwej. Ograniczone zastosowanie ma ciasto wapienne powstające w wyniku gaszenia wapna kawałkowego. Wapno wykorzystuje się głównie w budownictwie, przemysle materiałów bu­ dowlanych, hutnictwie stali, przemyśle chemicznym, cukrowniczym, papierni­ czym, energetyce, rolnictwie i ochronie środowiska. W budownictwie stosuje się wapno palone i hydratyzowane do produkcji za­ praw wapiennych i cementowo-wapiennych oraz gipsowo-wapiennych służących jako zaprawy tynkarskie. W przemyśle materiałów budowlanych zużywa się znacznych ilości wapna pa­ lonego oraz hydratyzowanego przede wszystkim do produkcji autoklawizowanych betonów komórkowych oraz wyrobów wapienno-piaskowych. Oba rodzaje wap-

4.4.

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

253

na mają zastosowanie również jako aktywatory spoiw mieszanych: żużlowych, popiołowych, popiołowo-żużlowych oraz anhydrytowo-popiołowych.

4.3.7. Transport i przechowywanie wapna Wapno palone mielone i wapno hydratyzowane suchogaszone jest pakowane w worki papierowe co najmniej trzywarstwowe o masie 30 lub 25 kg (PN-B­ -30020: 1999). Na workach powinien być umieszczony trwały napis z następującymi infor­ macjami: - nazwa wytwórni i adres, - masa brutto, - data pakowania. Wapno niegaszone i suchogaszone musi być zabezpieczone przed zawilgo­ ceniem i zanieczyszczeniem. Wapno suchogaszone w workach powinno być tak składowane, aby dolne warstwy worków nie uległy zniszczeniu. Do transportu wapna niegaszonego w kawałkach, niegaszonego mielonego i suchogaszonego należy stosować takie środki transportu, żeby była możliwość zabezpieczenia przed opadami atmosferycznymi, zawilgoceniem, zanieczyszcze­ nie m i uszkodzeniem opakowania. Wapno niegaszone w kawałkach należy przewozić w wagonach wapniarkach. Do transportu wapna niegaszonego mielonego i wapna hydratyzowanego stosu­ je się autocysterny i wagonocysterny. W transporcie kolejowym należy używać specjalnych wagonów typu CWL wyposażonych w instalację do załadunku i wy­ ładunku.

4.4. Spoiwa gipsowe i anhydrytowe 4.4.1. Wiadomości wstępne Spoiwa, których głównym składnikiem jest siarczan wapnia, zalicza się do po­ wietrznych materiałów wiążących. Spoiwa te można podzielić na dwie podstawo­ we grupy: spoiwa gipsowe, wytwarzane przez częściową dehydratację w niezbyt wysokich temperaturach skał gipsowych lub gipsów odpadowych, oraz spoiwa anhydrytowe, otrzymywane w wyniku całkowitej dehydratacji skał gipsowych lub przeróbki anhydrytów naturalnych. Głównym składnikiem spoiw gipsowych jest rozdrobniony półwodny siarczan wapnia CaS04 l/2H20, natomiast anhydry­ towych - drobno zmielony i zmieszany z odpowiednimi aktywatorami bezwodny siarczan wapnia CaS04. ·

254

4. Mineralne spoiwa budowlane

Spoiwa gipsowe stanowią zróżnicowaną pod wieloma względami grupę ma­ teriałów wiążących. W zależności od zastosowania muszą spełniać określone wymagania i odznaczać się specyficznymi właściwościami. Do produkcji elementów budowlanych, tj. bloków lub płyt, stosuje się spoiwa gipsowe, które powinny charakteryzować się przede wszystkim znaczną wytrzy­ małością mechaniczną oraz odpornością na działanie czynników atmosferycz­ nych. Takie cechy jak stopień białości są cechami drugorzędnymi i nie mają istotnego wpływu na ocenę jakości określonego elementu budowlanego. Nato­ miast gdy produktem będzie np. gips modelarski, używany do wykonywania sztukaterii, jednym z podstawowych kryteriów jakości spoiwa jest jego stopień białości. Jeszcze inne wymagania musi spełniać np. gips techniczny. Podziału i klasyfikacji spoiw gipsowych dokonuje się najczęściej na podstawie ich przeznaczenia użytkowego. Przy przyjęciu takiego kryterium klasyfikacji, dzieli się je na dwa podstawowe rodzaje: - spoiwa do celów budowlanych, - spoiwa do celów technicznych (specjalnych). Do grupy spoiw gipsowych budowlanych zalicza się gipsy służące do wykony­ wania elementów ściennych (normalne i szybkowiążące), gipsy szpach­ lowe, tynkarskie i kleje gipsowe używane do wykańczania wnętrz budynków, łączenia elementów gipsowych, wyrównywania powierzchni ścian i tyn­ kowania. Wśród spoiw gipsowych do celów technicznych na szczególną uwagę za­ sługują stosowane w procesie produkcji ceramiki szlachetniej i specjalnej gipsy ceramiczne, gipsy formierskie oraz gipsy do wytwarzania podkładów samo­ poziomujących. Różnice dotyczące właściwości spoiw gipsowych wynikają nie tylko z ich składu chemicznego, stopnia rozdrobnienia i sposobu otrzymywania, ale są tak­ że zależne od wprowadzenia do nich różnego typu modyfikatorów wpływają­ cych na czas wiązania, barwę, wzrost wytrzymałości itp. W przypadku elemen­ tów budowlanych wykonywanych ze spoiw gipsowych stosuje się często kom­ binacje spoiw siarczanowych z innymi materiałami spełniającymi takie funk­ cje jak: zmniejszenie ciężaru elementu, polepszenie termicznych i akustycz­ nych właściwości izolacyjnych, a także uzyskanie dodatkowych walorów este­ tycznych. Spoiwa anhydrytowe to spoiwa, które składają się z mało aktywnej odmiany bezwodnego siarczanu wapnia oraz odpowiednich aktywatorów przyśpieszających proces jego hydratacji. Funkcje aktywatorów mogą pełnić: tlenek wapnia powsta­ jący w wyniku częściowego rozkładu siarczanu wapnia, ałuny oraz niewielkie ilo­ ści wapna palonego, cementu portlandzkiego, mielonego żużla wielkopiecowego, palonego dolomitu i różnego rodzaju kwaśne siarczany.

gipsowe i anhydrytowe

4.4. Spoiwa

255

W zależności od użytych aktywatorów wyróżnia się następujące trzy pod­ stawowe rodzaje spoiw anhydrytowych: estrichgips, gipsy ałunowe i anhydryty budowlane (właściwe spoiwa anhydrytowe). Wszystkie te spoiwa są używane w budownictwie do wykonywania podłóg, stiuków, osadzania płytek ściennych, wytwarzania sztucznych marmurów oraz jako składniki mieszanek tynkarskich.

4.4.2. Surowce siarczanowe Najczęściej stosowanymi surowcami do wytwarzania spoiw siarczanowych są ska­ ły gipsowe i anhydrytowe oraz odpady przemysłowe powstające w różnych pro­ cesach chemicznych (takie jak fosfogipsy czy borogipsy), a także pochodzące z

energetyki, tzw. gipsy syntetyczne (reagipsy). Głównymi składnikami mineral­

nymi surowców (zarówno naturalnych, jak i odpadowych) do produkcji spoiw siarczanowych są gips i anhydryt.

Gips

jest naturalnym dwuwodnym siarczanem wapnia o wzorze chemicz­

nym CaS04·2H20. Krystalizuje on w układzie jednoskośnym. Tworzy kryształy o pokroju tabliczkowym lub kryształy słupkowe. Często są to zrosty bliźnia­ cze, niekiedy przypominające kształtem jaskółcze ogony, które osiągają czasa­ mi znaczne długości. Bardzo czysta odmiana mikrokrystalicznego, bezbarwnego gipsu nazywana jest

alabastrem,

selenitem,

natomiast zbita drobnoziarnista biała odmiana

który jest ceniony jako kamień dekoracyjny i rzeźbiarski. Gips jest

minerałem będącym głównym składnikiem skał noszących tę samą nazwę. Jest również podstawowym składnikiem odpadów powstających podczas odsiarczania palin w energetyce oraz przy produkcji kwasu fosforowego z apatytów i fosfo­

I)'lÓW. Anhydryt jest

bezwodnym siarczanem wapnia o wzorze chemicznym CaS04.

Krystalizuje on w układzie rombowym. Tworzy kryształy tabliczkowe, niekiedy macznie wydłużone. Szczególnie wartościowe są odmiany bardzo drobnoziarniste

wulpinitem, stosowane w rzeźbiarstwie. Bassanit, zwany też semihydratem, jest półwodnym siarczanem wapnia o wzo­

zwane rze

CaS04· l/2H20 powstającym w procesie dehydratacji gipsu. Bassanit krysta­

lizuje w układzie romboedrycznym. Stanowi on podstawowy składnik gipsów sztukatorskich. Występujące w Polsce złoża gipsowe i anhydrytowe pochodzą z dwóch ok­ resów geologicznych: górnego permu i miocenu. W przeważającej swej masie Slallowią produkt krystalizacji siarczanów wapnia z wody morskiej . Anhydryt jest spotykany również wśród skał pochodzenia hydrotermalnego i w ekshala­ cjach wulkanicznych, gips i.daza.

natomiast wśród produktów

wietrzenia siarczku

256

4.

Mineralne spoiwa budowlane

W Polsce występują bogate złoża gipsu. Znaczenie gospodarcze mają: złoże z okresu cechsztyńskiego zalegające w Niecce Lwóweckiej oraz złoże z okresu mioceńskiego zalegające w dolinie rzeki Nidy. Do najczęściej występujących odpadowych surowców gipsowych zalicza się fosfogips i gips syntetyczny (reagips).

Fosfogips

powstaje jako produkt uboczny w wielu procesach chemicznych,

z których na szczególną uwagę zasługuje produkcja kwasu fosforowego metodą kwaśną (ekstrakcyjną) z fosforytów i apatytów. W procesie tym powstaje odpad - fosfogips, który zawiera oprócz CaS04-2H20 pewne ilości zaadsorbowanego kwasu fosforowego oraz znaczne ilości wody, przekraczające zwykle 50%. Z tego względu w Polsce fosfogips jest w niewielkim stopniu wykorzystywany przez przemysł budowlany.

Gips syntetyczny (reagips)

uzyskuje się w procesie odsiarczania spalin

w energetyce węglowej. Spośród wielu sposobów odsiarczania spalin najczęściej są stosowane metody wapniowe: mokre, suche i półsuche, w których sorbenta­ mi są CaC03, Ca(OHh i CaO. Znaczącą rolę w polskiej energetyce odgrywa metoda wapniowa mokra, w której sorbentem jest węglan wapnia, a produk­ tem końcowym gips syntetyczny CaS04·2H20, z którego otrzymuje się spo­ iwo gipsowe.

W zależności od zastosowanej technologii odsiarczania, rodzaju węgla ka­ miennego czy brunatnego oraz typu sorbentu, produkt ten ma różne właściwości fizyczno-chemiczne, a tym samym możliwości pełnej utylizacji. Reagips otrzy­ mywany metodą wapniową mokrą jest używany do wytwarzania elementów gip­ sowych, płyt gipsowo-kartonowych (suchych tynków) oraz jako regulator czasu wiązania przy produkcji cementu. Skały gipsowe i anhydrytowe są wykorzystywane głównie do produkcji spo­ iw wiążących: gipsu budowlanego, gipsu szpachlowego, tynkarskiego, spoiwa anhydrytowego oraz jako dodatek do cementu w celu regulacji czasu wiązania. Znajdują również zastosowanie (głównie anhydryt) w przemyśle chemicznym do produkcji kwasu siarkowego i siarczanu amonu. Jednym z podstawowych wymagań stawianych skałom gipsowym i anhydry­ towym jest wysoka zawartość siarczanu wapnia, a więc ich czystość. Kryterium to jest między innymi podstawą do określenia gatunku kamienia gipsowego uży­ wanego do produkcji spoiw gipsowych.

4.4.3. Dehydratacja gipsu Dehydratacja dwuwodnego siarczanu wapnia (gipsu) jest jednym z najważniej­ szych etapów produkcji spoiw gipsowych, a w większości przypadków także anhydrytowych.

4.4.

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

257

Podczas ogrzewania w ok. 1 40°C gips stopniowo traci wodę krystalizacyjną, przechodząc w gips półwodny, a w miarę podwyższania temperatury w anhy­

dryt, aż do rozkładu CaS04. Reakcje chemiczne przebiegają wg następujących

równań: CaS04·2H20 CaSOd/2H20

+-+

+-+

CaS04 · 1 /2H20 + 3/2H20

CaS04 + 1 /2H20 (ok. 400°C)

oraz w 800°C częściowo zachodzi rozkład CaS04

+-+

CaO + S02 + 11202

Na rysunku 4.3 przedstawiono krzywą termicznej analizy różnicowej obrazu­ jącą przemiany fazowe gipsu zachodzące podczas ogrzewania.

W zależności od

tego, jakie warunki panują podczas procesu dehydratacji, uzyskuje się odmianę

a lub /3 CaSOd/2H20.

Rysunek 4.3. Termiczna analiza różnicowa gipsu (2]

120

140

160 Temperatura, •c

300

400

Odmiana a półhydratu powstaje wówczas, gdy dehydratacja CaS04·2H20 jest prowadzona w atmosferze nasyconej pary wodnej w autoklawie. Podczas dehy­ dratacji gipsu w warunkach, gdy para wodna jest usuwana ze środowiska reakcji, powstaje odmiana

f3

półhydratu. Obie odmiany badane metodami rentgenowski­

mi wykazują analogiczne struktury, przy czym struktura

f3

CaS04 · 1 12H20 jest

bardziej zdefektowana. Dehydratacja gipsu półwodnego prowadzi do otrzymania anhydrytu II, cha­ rakteryzującego

się nieco bardziej uporządkowaną strukturą w porównaniu

258

4.

Mineralne spoiwa budowlane

z CaS04· l/2H20 i zwiększoną reaktywnością w stosunku do wody w porów­ naniu do anhydrytu naturalnego. W warunkach przemysłowych proces dehydratacji gipsu (CaS04·2H2 0) pro­ wadzi się zwykle w wyższych temperaturach, 1 80-200°C.

4.4.4. Wiązanie i twardnienie spoiw gipsowych Wiązanie gipsu polega na ponownym uwodnieniu spoiwa gipsowego - siarczanu wapnia półwodnego do siarczanu wapnia dwuwodnego wg reakcji

Proces wiązania rozpoczyna się od momentu, kiedy spoiwo gipsowe zrnie­

sza się z wodą. Spoiwo to zaczyna się rozpuszczać aż do powstania roztworu nasyconego.

Z przesyconego roztworu CaS04 wykrystalizowują kryształki gipsu dwuwod­ nego, w wyniku czego następuje wzrost wytrzymałości mechanicznej. Proces wiązania i twardnienia można podzielić na następujące trzy okresy: - rozpuszczanie się gipsu i tworzenie dwuhydratu w postaci żelu, - t�żenie w wyniku przemiany żelu w postać krystaliczną,

- wysychanie oraz dalsze rośnięcie i zrastanie się kryształów gipsu dwuwodnego. Duża szybkość, z jaką przebiega proces wiązania gipsu szybko wiążącego, jest w pewnych okolicznościach niekorzystna. W takich przypadkach stosuje się specjalne opóźniacze. Gips zarabia się większą ilością wody niż wynika to z ra­ chunku stechiometrycznego. Aby otrzymać zaczyn gipsowy o konsystencji nor­ malnej, należy dodać do gipsu 60--80% wody w stosunku do jego masy. Wy­ trzymałość na ściskanie odlewów gipsowych zależy w dużym stopniu od ilo­ ści użytej wody i zmniejsza się wraz ze wzrostem do ilości gipsu).

I tak np. przy w/g

w/g = 0,8 już tylko

=

w/g

(stosunku ilości wody

0,5 wartość Re wynosi 1 2 MPa, a przy

4,5 MPa.

Szybkie wiązanie gipsu często utrudnia jego stosowanie w budownictwie. Aby temu przeciwdziałać stosuje się

domieszki opóźniające proces wiązania gipsu.

Opóźnienie procesu krystalizacji można osiągnąć przez wprowadzenie do zaczy­ nu gipsowego związków osiadających na powierzchni ziaren półhydratu. Tworzą one nierozpuszczalne lub słabo rozpuszczalne związki, w efekcie czego zmniej­ sza się szybkość wiązania gipsu. Działającymi w ten sposób opóźniaczami są: boraks, cytrynian potasu lub sodu, węglan wapnia i fosforany. Podobne działanie wykazują koloidy, tworzące otoczki wokół ziaren gipsu.

4.4.

259

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

4.4.5. Klasyfikacja spoiw gipsowych Ze względu na właściwości i zastosowanie spoiwa gipsowe dzieli

się na dwie

grupy: - spoiwa gipsowe dla budownictwa, które obejmują gips budowlany, gips szpa­ chlowy, gips tynkarski i klej gipsowy, - spoiwa specjalne, do których należy gips ceramiczny, gips autoklawizowany

a, gips ałunowy i estrichgips. Gips budowlany ze względu na uziarnienie dzieli się na dwie odmiany: - gips budowlany grubo zmielony GB-G, - gips budowlany drobno zmielony GB-D. Ze względu na wytrzymałość na ściskanie po wysuszeniu do stałej masy rozróżnia się dwa gatunki gipsu: - gips budowlany

6,

- gips budowlany 8.

Wymagania dotyczące właściwości mechanicznych i fizycznych gipsu budow­ lanego wg PN-B-30041 : 1 997 podano w tabl.

4.6.

Tablica 4.6. Właściwości mechaniczne i fizyczne gipsu budowlanego wg PN·B-30041:1997

Gips budowlany

Wymagania GB-06 Uziarnienie: odsiew na sicie o boku oczka kwadratowego, nie więcej niż, % Wytrzymałość na zginanie, nie mniej niż, MPa

Wytrzymałość na ściskanie, nie mniej niż, MPa

Czas wiązania

GB-08

GB-D6

GB-D8

0,5

-

0,75 mm

-

0,0

0,2 mm

15,0

2,0

l ,O mm

po 2 h

1,8

2,0

1 ,8

2,0

po wysuszeniu do stałej masy

4,0

5,0

4,0

5,0

po 2 h

3,0

4,0

3,0

4,0

po wysuszeniu do stałej masy

6,0

8,0

6,0

8,0

początek wiązania najwcześniej po upływie, min koniec wiązania najpóźniej po upływie, min

Okres, w którym gips budowlany nie powinien wykazywać odchyleń od wymagań normy, liczba dni od daty wysyłki

3

6 IO

90

260

4. Mineralne spoiwa budowlane

W zależności od przeznaczenia rozróżnia się następujące rodzaje spoiw gip­ sowych: - gips szpachlowy B do szpachlowania elementów betonowych, - gips szpachlowy G do szpachlowania elementów gipsowych, - gips szpachlowy F do spoinowania płyt gipsowo-kartonowych, - gips tynkarski GTM do wewnętrznych wypraw tynkarskich wykonywanych sposobem zmechanizowanym, - gips tynkarski GTR do ręcznego tynkowania, - klej gipsowy P do klejenia prefabrykatów gipsowych, - klej gipsowy T do osadzania płyt gipsowo-kartonowych. Wymagania dla wymienionej grupy spoiw podano w PN-B-30042: 1 997, tabl. 4.7. -

-

-

-

-

-

-

Tablica 4.7. Właściwości mechaniczne i fizyczne gipsu szpachlowego, tynkarskiego i kleju gipsowego wg PN-B-30042 :1997

Gips szpachlowy

Wymagania

Gips tynkarski

Klej gipsowy

G

F

GTM

GTR

p

T

3,0 mm

B

-

-

-

o

o

-

o

l,O mm

o

o

o

-

o

-

0,2 mm

2

2

2

-

-

5

-

Czas wiązania: początek wiązania, nie wcześniej niż, min

60

60

30

90

60

60

25

Ilość odparowanej wody z zaczynu, nie więcej niż, g

0,5

0,5

0,5

1,5

1,5

0,5

1 ,5

Wytrzymałość na zginanie, nie mniej niż, MPa

1,5

1 ,0

1,5

1 ,0

1,0

1 ,5

2,5

Wytrzymałość na ściskanie, nie mniej niż, MPa

3,0

2,5

3,0

2,5

2,5

3,0

6,0

0,5

0,3

Uziarnienie: odsiew na sicie o boku oczka kwadratowego, nie więcej niż, %

Przyczepność do podłoża, nie mniej niż, MPa Okres, w którym spoiwa powinny spełniać wymagania normy, liczba dni od daty wysyłki

-

0,5

0,3

90

4.4.

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

261

4.4.6. Charakterystyka i zastosowanie spoiw gipsowych i anhydrytowych Spoiwa gipsowe Gips budowlany jest spoiwem, czan wapnia (odmiana gipsowego.

/3),

którego głównym składnikiem jest półwodny siar­

otrzymywany przez częściowe odwodnienie kamienia

Gips budowlany nie zawiera żadnych dodatków modyfikujących i jest stoso­ wany przede wszystkim do produkcji prefabrykatów gipsowych oraz do sporzą­ dzania zapraw tynkarskich. Używa się go również do prostych prac naprawczych, takich jak wypełnianie ubytków w tynkach oraz maskowanie przewodów instalacji elektrycznej.

Gips szpachlowy

to spoiwo wolno wiążące, drobnoziarniste zawierające

w swym składzie oprócz gipsu półwodnego szereg dodatków modyfikujących, których zadaniem jest wydłużenie czasu wiązania zaczynu, zmniejszenie odcią­ gania wody z zaczynu przez nasiąkliwe podłoża i zwiększenie przyczepności. Gips szpachlowy ma różnorodne zastosowanie i może służyć do: - wykonywania cienkich wypraw wewnętrznych, tak zwanych gładzi gipsowych grubości 3-1 O mm, łączenia płyt gipsowych w ścianach działowych, - przyklejania do powierzchni betonowych i ceramicznych elementów gipso­ wych, takich jak płyty dekoracyjne, płyty dźwiękochłonne, płyty gipsowo­ -kartonowe (suche tynki), - spoinowania złączy elementów gipsowych, np. płyt Pro Monta, - wyrównywania i maskowania uszkodzeń i ubytków powierzchni ścian i sufitów.

W gospodarstwie domowym używa się go do napraw uszkodzonych tynków, spoinowania szczelin, mocowania kołków i maskowania przewodów instalacji elektrycznej.

Gips tynkarski jest

wolnowiążącym spoiwem gipsowym lub gipsowo-anhy­

drytowym, zawierającym zestaw dodatków poprawiających plastyczność zaprawy i zwiększających przyczepność do podłoża. Ma on również w swym składzie lekki wypełniacz - perlit, zmniejszający ciężar i zwiększający izolacyjność termiczną

i ogniochronność tynku.

Gips tynkarski jest przeznaczony do wykonywania jednowarstwowych, we­

wnętrznych wypraw tynkarskich grubości 8-20 mm, narzucanych mechanicznie lub ręcznie na podłoże

z

elementów ceramicznych, cegły wapienno-piaskowej

oraz betonu zwykłego i komórkowego.

Klej gipsowy,

którego głównym składnikiem jest półwodny siarczan wapnia

i dodatki modyfikujące, jest stosowany głównie do: łączenia ściennych płyt Pro Monta oraz klejenia i spoinowania płyt gipsowo-kartonowych.

262

4.

Mineralne spoiwa budowlane

Gips ceramiczny jest to spoiwo stosowane w przemyśle ceramicznym i do prac modelarskich. Od gipsu budowlanego spoiwo to różni się białą barwą, jest bardziej wytrzymałe, ma większy stopień rozdrobnienia, określony ściśle prze­ dział czasu wiązania oraz określoną wielkość dopuszczalnych zmian liniowych (pęcznienia i skurczu). Przy klasyfikacj i gipsu ceramicznego najbardziej miaro­ dajna jest wytrzymałość na zginanie. Wynosi ona 4-10 MPa i wyznacza markę gipsu. Gips ten stosuje się również do odlewania sztukaterii gipsowych oraz wy­ konywania stiuków gipsowych. Gips o takim przeznaczeniu jest nazywany gipsem modelarskim. Gips autoklawizowany a otrzymuje się przez częściową dehydratację czy­ stych odmian kamienia gipsowego pod ciśnieniem, w atmosferze nasyconej pary wodnej z dodatkiem katalizatorów. Różni się od odmiany f3 bardziej zwartą for­ mą i szczelną powierzchnią kryształów, w związku z czym zaczyn potrzebuje mniejszej ilości wody, co wpływa na jego większą wytrzymałość mechaniczną. Odlewy osiągają wytrzymałość na ściskanie powyżej 40 MPa. Gips autoklawizowany stosuje się jako składnik gipsowych spoiw ceramicz­ nych, jak również do odlewania wyrobów o dużej wytrzymałości i twardości. Gips ałunowy jest produkowany z czystego kamienia gipsowego przez jedno­ krotne lub dwukrotne wypalanie mieszaniny gipsu z ałunem glinowo-potasowym KAl(S04)i· 12H20 lub boraksem Na2B40r I OH20. Gips ałunowy odznacza się powolnym wiązaniem i stosunkowo wysoką wy­ trzymałością na rozciąganie i ściskanie. Jest on stosowany głównie do prac wy­ kończeniowych i dekoracyjnych ze względu na estetyczny wygląd, atrakcyj ną bia­ łość, połyskującą powierzchnię po polerowaniu i lekką przeświecalność. Walory estetyczne gipsu ałunowego szczególnie predystynują go do produkcji sztucznego marmuru, stiuków, boazerii i drobnej galanterii. Estrichgips otrzymuje się przez wypalanie CaS04-2H20 w temperaturze przekraczającej 800°C. Głównym składnikiem mineralnym jest anhydryt I. Uak­ tywnienie spoiwa następuje wskutek obecności wolnych jonów OH - pochodzą­ cych z tlenku wapnia rozpuszczonego w ośrodku wodnym. Estrichgips ma pewne właściwości hydrauliczne oraz wykazuje większą wodoodporność od gipsu zwy­ kłego. Początek wiązania następuje po ok. 2, a koniec po 24 godz. Wytrzymałość wyrobów z estrichgipsu na ściskanie po 28 dniach wynosi 1 8 MPa. Spoiwo es­ trichgipsowe z uwagi na swoje właściwości może być stosowane do wykonywania podkładów pod posadzki wylewane, prefabrykowanych elementów budowlanych, płytek posadzkowych itp. Ponadto wykonuje się z niego sztuczny marmur. Spoiwa anhydrytowe Spoiwa anhydrytowe, których podstawowym składnikiem jest anhydryt CaS04, otrzymuje się dwoma sposobami:

4.4.

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

263

- przez wypalenie kamienia gipsowego w temperaturze powyżej 400°C i prze­ mielenie, - przez przemielenie naturalnej skały anhydrytowej na tak zwaną mączkę an­ hydrytową. W efekcie uzyskuje się spoiwo o zwiększonej wodoodporności. Spoiwo an­ hydrytowe poza mało aktywną fazą anhydrytową zawiera również niewielką ilość gipsu półwodnego. Spoiwo anhydrytowe stanowi składnik zaczynów przy przemysłowej produkcji wielkowymiarowych płyt gipsowych, służących do budowy ścianek działowych. Używane jest również jako składnik gipsu tynkarskiego oraz samopoziomujących się posadzek podpodłogowych. Mączka anhydrytowa, otrzymywana przez zmielenie naturalnego anhydrytu (bardzo mało aktywnego w stosunku do wody), nie wykazuje praktycznie właści­ wości wiążących. Dopiero dodatek aktywatorów wiązania nadaje jej właściwości wiążące. Najbardziej skuteczne jest łączne stosowanie dodatku siarczanu potasu w ilo­ ści ok. l % i cementu portlandzkiego w ilości 3-5%. Mączka anhydrytowa z do­ datkiem aktywatorów wiązania jest używana do wykonywania bezspoinowych samopoziomujących wylewek podpodłogowych.

4.4.7. Właściwości użytkowe spoiw gipsowych i anhydrytowych Spoiwa gipsowe i anhydrytowe po zarobieniu wodą dają plastyczne zaczyny cha­ rakteryzujące się takimi właściwościami jak: plastyczność, współczynnik wodno­ -gipsowy i czas wiązania. Plastyczność. Cecha ta zależy od właściwości użytego spoiwa i ilości wody zarobowej. Przy większej ilości wody powstają ciekłe zaczyny, a w miarę jej zmniejszania plastyczne, gęstoplastyczne, aż do mas wilgotnych. W celu zwiększenia ciekłości zaczynów gipsowych i anhydrytowych stosuje się często dodatki upłynniające Pozwalają one uzyskać wymaganą ciekłość za­ czynów i zapraw przy mniejszej ilości wody zarobowej, przez co uzyskuje się większą wytrzymałość związanego tworzywa i skrócenie czasu jego wysychania. Do grupy dodatków upłynniających należą przede wszystkim środki powierzch­ niowo czynne. Współczynnik wodno-gipsowy wig. Jest to parametr określający, jaka jest wymagana ilość wody zarohowej w celu uzyskania plastyczności roboczej przez poszczególne spoiwa. Jest to stosunek ilościowy wody do gipsu, przy którym zaczyn uzyskuje roboczą plastyczność. Oznacza się go dla każdej partii spo­ iwa doświadczalnie na podstawie próbnych zarobów. Współczynnik wodno-gip­ sowy wynosi dla:

264

4.

Mineralne spoiwa budowlane

- gipsu budowlanego i ceramicznego 0,65-0,80, - spoiw anhydrytowych 0,28-0,35, - gipsu autoklawizowanego 0,30-0,50.

Czas wiązania.

Dla spoiw gipsowych i anhydrytowych określa się początek

i koniec wiązania. Początek liczony jest od chwili wsypania spoiwa do wody i obejmuje czas, w którym zaczyn utrzymuje właściwości plastyczne. Natomiast koniec obejmuje okres od wsypania spoiwa do wody aż do uzyskania dostatecznie stwardniałego tworzywa.

Czas wiązania zaczynu zależy od rodzaju spoiwa, ilości i temperatury wody zarobowej. Spoiwa gipsowe i anhydrytowe wiążą w temperaturze 5-30°C. W tym przedziale przy obniżaniu temperatury wody czas wiązania zaczynu ulega wy­ dłużeniu, a przy jej podwyższaniu wyraźnemu skróceniu. Dodatki regulujące czas wiązania zaczynów gipsowych nazywa się przyspie­ szaczami lub opóźniaczami wiązania. W celu przyśpieszenia wiązania zaczynów dodaje się najczęściej drobno zmielonego gipsu dwuwodnego oraz siarczanu po­ tasu lub sodu. Do opóźnienia wiązania zaczynów zaleca się stosowanie do wody zarobowej: kleju kostnego, kleju kazeinowego, ciekłego opóźniacza keratynowe­ go, cytrynianu potasu lub sodu oraz mieszaniny kwasu winowego z wapnem suchogaszonym. Ilość dodatku do zaczynu gipsowego dobierana jest zawsze me­ todą prób.

Właściwości użytkowe tworzyw gipsowych i anhydrytowych Zaczyny gipsowe i anhydrytowe dają po związaniu tworzywo gipsowe, którego podstawową fazą jest krystaliczny dwuwodny siarczan wapnia CaS04·2H20. W zaczynach gipsowych proces przemiany półwodnego siarczanu wapnia w dwuwodny przebiega szybko i praktycznie do końca, natomiast w zaczynach anhydrytowych tylko część fazy anhydrytowej ulega uwodnieniu. Pozostała część nie uwodnionego anhydrytu stanowi materiał wypełniający. Mimo różnicy w skła­ dzie fazowym związanego tworzywa gipsowego i anhydrytowego właściwości fizyczne obu tych tworzyw są podobne i zostały omówione łącznie jako właści­ wości tworzyw gipsowych. Tworzywa gipsowe charakteryzują takie właściwości jak: wytrzymałość, gę­ stość objętościowa, nasiąkliwość, higroskopijność, mrozoodporność, wodoodpor­ ność, izolacyjność termiczna i odporność ogniowa.

Wytrzymałość.

W przypadku tworzywa gipsowego wytrzymałość zależy od

rodzaju zastosowanego w zaczynie spoiwa gipsowego. Wiąże się to z jego skła­

dem fazowym, uziarnieniem i ilością wody potrzebnej do uzyskania roboczej konsystencji zaczynu.Zwiększenie ilości wody zarobowej w zaczynie ponad ilość niezbędną do uzyskania roboczej konsystencji powoduje znaczny spadek wytrzy­ małości spoiwa gipsowego (rys. 4.4). Maksymalną wytrzymałość uzyskuje two-

4.4.

Spoiwa gipsowe i anhydrytowe

265

15,0 �

� .!li

ł c:

� 10,0

� �

� Rysunek 4.4. Zależność wytrzy­ małości na ściskanie tworzywa gipsowego

od

współczynnika

wodno-gipsowego zaczynu

[ 12]

5,0 1,0 o.o

0,2 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Wspólczynnik wig

rzywo gipsowe w stanie suchym, to jest po jego wysuszeniu do stałej masy. Już niewielkie zawilgocenie tego tworzywa powoduje duży spadek wytrzymałości. Ze wzrostem wilgotności tworzywa gipsowego od O do I % wytrzymałość może ulec obniżeniu nawet o 50-70%. Dalszy wzrost wilgotności do stanu pełnego nasycenia nie wywiera już znaczniejszego wpływu na wytrzymałość tworzywa. Dlatego też w praktyce przyjmuje się bądź wytrzymałość wyrobów gipsowych w stanie pełnego zawilgocenia, bądź w stanie suchym, w zależności od przewi­ dywanych warunków ich użytkowania. Korzystną cechą tworzywa gipsowego jest stosunkowo duża jego wytrzymałość na zginanie w porównaniu do wytrzymało­ ści na ściskanie. Wskaźnik ten, w zależności od rodzaju użytego spoiwa, wynosi najczęściej 0,3Ckl,45. Gęstość objętościowa. Wyraża ona stosunek masy do objętości próbki two­ rzywa i w pojęciu potocznym określa „lekkość" danego materiału. Gęstość ob­ jętościową tworzywa gipsowego można określić w trzech jego stanach: - powietrznosuchym, - pełnego nasycenia wodą, - wysuszonym do stałej masy. W celu zmniejszenia gęstości objętościowej tworzywa gipsowego stosuje się czasem środki zwiększające jego porowatość, co prowadzi do uzyskania materia­ łów lekkich i o dobrych parametrach izolacyjnych, np. pianogipsów i gazogipsów. W gipsobetonach stosuje się również lekkie wypełniacze organiczne lub nieorga­ niczne. Nasiąkliwość. Tworzywa gipsowe, jako materiały mikroporowate, wykazują znaczną nasiąkliwość, wynoszącą w zależności od gęstości objętościowej 25-40%. Stosowanie zaczynów o niskich współczynnikach wodno-gipsowych,

266

4.

Mineralne spoiwa budowlane

połączone z mechanicznym zagęszczaniem (wibrowaniem, ubijaniem, prasowa­ niem), prowadzi do uzyskania gipsowych tworzyw o dużej gęstości objętościo­ wej i obniżonej nasiąkliwości. Dalsze zmniejszanie nasiąkliwości można osiągnąć przez wprowadzenie do zaczynów dodatków modyfikujących, zwłaszcza środków hydrofobowych, co wiąże się z ogólnym zwiększeniem wodoodporności tworzy­ wa gipsowego. Higroskopijność. W odróżnieniu od nasiąkliwości, higroskopijność tworzywa gipsowego, czyli zdolność pochłaniania wilgoci z powietrza, jest mała. W przypadku najczęściej stosowanych tworzyw gipsowych uzyskiwanych z za­ czynów o współczynniku wodno-gipsowym 0,65-0,80 higroskopijność wynosi: 0, 1-0,2% przy wilgotności względnej powietrza ok. 65% i 0,8-1 ,5% przy wilgot­ ności względnej powietrza 100%. Stąd przy dużej wilgotności powietrza w oto­ czeniu, w pomieszczeniach gdzie wykorzystano gips, następuje pochłanianie nad­ miaru wilgoci, która jest następnie oddawana przy niskich stanach wilgotności powietrza, co wpływa na regulację mikroklimatu pomieszczeń. Mrozoodporność. Tworzywa gipsowe wykazują na ogół pełną mrozoodpor­ ność. Wytrzymują one 15-krotne cykle zamrażania i odmrażania od - l 5°C do + l 8°C. Z doświadczeń wynika, że wyroby gipsowe mogą być w sposób bezpieczny wystawiane na działanie mrozu, nawet w stanie wilgotnym, jednakże nie wcze­ śniej niż po całkowitym związaniu zaczynu gipsowego. Wodooporność. Tworzywo gipsowe otrzymywane z niemodyfikowanych za­ czynów gipsowych o konsystencji ciekłej wykazuje małą wodoodporność, dużą nasiąkliwość 25-40% i znaczną rozmywalność pod działaniem wody bieżącej . Jego współczynnik rozmiękania wynosi ok. 0,3% (materiały wodoodpore ma­ ją współczynnik co najmniej 0,8). Dlatego też wyroby gipsowe mogą stanowić wewnętrzne, niekonstrukcyjne elementy budynków. Tworzywa gipsowe są stosowane również z pełnym powodzeniem do produkcji elementów ściennych oraz jako wyprawy tynkarskie wewnętrzne. Zwiększenie wodoodporności gipsu można uzyskać przez dodawanie do za­ czynu wapna suchogaszonego lub ciasta wapiennego w ilości ok. 5% w stosunku do masy spoiwa gipsowego. Drugim zalecanym skutecznym sposobem zwięk­ szania wodoodporności gipsu jest hydrofobizacja powierzchniowa lub wgłębna. W metodzie tej praktyczne zastosowanie znalazły przede wszystkim żywice sili­ konowe oraz farby silikonowe. Izolacyjność termiczna. Tworzywa i wyroby gipsowe są znane z dobrej izo­ lacyjności termicznej. Właściwości izolacyjne materiałów określa się najczęściej pośrednio, za pomocą współczynnika przewodzenia ciepła. Podobnie jak w przy­ padku innych materiałów budowlanych, współczynnik ten dla tworzywa gipso­ wego zależy od jego gęstości objętościowej i wilgotności (tabl. 4.8).

4.4.

267

Spoiwa gpsowe i i anhydrytowe

Tablica 4.8. Zależność współczynnika przewodzenia ciepła gipsu od jego gęstości objętościo­ wej (12) Współczynnik wodno-gipsowy

w/g

Gęstość objętościowa kg/m3

Współczynnik przewodzenia ciepła W/(m·K)

1,0

830

w stanie suchym

0,28

0,34

0,6

1230

0,50

0,70

Odporność ogniowa.

przy wilgotności ok. 10%

Tworzywa gipsowe należą do materiałów niepalnych,

w związku z czym znajdują powszechne zastosowanie w ochronie przeciwognio­ wej . W czasie pożaru tworzywo gipsowe pochłania duże ilości ciepła potrzebnego do odparowania wilgoci i odwodnienia gipsu. Ma to doniosł� znaczenie prak­ tyczne, ponieważ do czasu całkowitej dehydratacji gipsu i odparowania wody temperatura osłony gipsowej nie przekracza 100-120°C. Po całkowitej dehydra­ tacji uwodnionego gipsu tworzy się porowate, izolacyjne tworzywo anhydrytowe, zachowujące w dalszym ciągu spoistość i znaczną wytrzymałość, hamujące prze­ pływ ciepła. Pozwala to na ochronę konstrukcji budowlanych przed wzrostem krytycznej temperatury na dowolnie długi czas, zależnie od grubości zastosowa­ nej otuliny gipsowej. Gips jako materiał ogniochronny jest stosowany najczęściej w postaci wypraw tynkarskich i różnego rodzaju okładzin płytowych. Szerokie zastosowanie jako okładziny ogniochronne mają płyty gipsowo­ -kartonowe zbrojone włóknem szklanym. Szczególnie skutecznie chronią przed działaniem ognia lekkie zaprawy gipsowo-perlitowe o małej gęstości objęto­ 3 ściowej (200-400 kg/m ) i niskim współczynniku przewodzenia ciepła (poniżej

O, I W/(m·K)). Zalecane jest stosowanie w ochronie przeciwogniowej wyrobów gipsowych zbrojonych włóknem mineralnym, co dodatkowo przeciwdziała pęka­ niu i kurczeniu się tworzywa pod działaniem ognia.

Korozja stali w gipsie Tworzywo gipsowe jest materiałem przyśpieszającym korozję stali. Aktywność korozyjna gipsu jest związana z jego charakterem chemicznym i obecnością jo­ nów

so�-' jak również z dużą porowatością,

ułatwiającą dostęp tlenu i cieczy

do wnętrza tworzywa.

Jednakże proces korozji stali w gipsie postępuje w sposób zauważalny je­ dynie w środowisku wilgotnym. Przebiega dosyć intensywnie w początkowym okresie w świeżych i twardniejących zaczynach, a zanika w tworzywie wy­ suszonym. W warunkach powietrznosuchych, w ok. 20°C i przy wilgotności

268

4.

Mineralne spoiwa budowlane

względnej powietrza ok. 65%, proces korozji stali w gipsie ustaje praktycznie już po 4-6 dniach. Istotnym czynnikiem wpływającym na szybkość korozji stali w gipsie jest wartość pH zaczynów. Wartość pH zaczynów gipsowych przygotowanych z nie­ modyfikowanych spoiw gipsowych wynosi ok. 7,0 i w tym środowisku korozja stali przebiega ze znaczną szybkością. Przy wartości pH zaczynu większej od 1 O szybkość korozji stali zmniejsza się w sposób istotny wskutek powstawania war­ stwy ochronnej uwodnionego tlenku żelaza. Praktycznie zwiększenie wartości pH zaczynu gipsowego z 7 do 1 2 uzyskuje się wskutek dodania wodorotlenku wapnia w ilości 5-10% w stosunku do masy gipsu. W tych warunkach proces korozji stali zostaje praktycznie zahamowany. Innym sposobem ograniczenia procesu korozji jest wprowadzenie do zaczy­ nów inhibitorów korozji. W celu pełnej ochrony części stalowych stykających się z gipsem przed korozyjnym działaniem tworzywa gipsowego stosuje się powlekanie ich po­ wierzchni farbami antykorozyjnymi i powłokami metalicznymi odpornymi na korozję.

Metody badań właściwości użytkowych spoiw gipsowych Do istotnych cech użytkowych spoiw gipsowych zalicza się: uziarnienie, czas wiązania, wytrzymałość na zginanie i ściskanie, odciąganie wody z zaczynu oraz przyczepność do podłoża. Właściwości te oznacza się zgodnie z odpowiednimi normami. I tak: - uziarnienie wg PN-B-04360:1986, - czas wiązania wg PN-B-04360: 1986, - wytrzymałość na zginanie i ściskanie po 2 godz. po wysuszeniu do stałej masy wg PN-B-04360: 1986, - oznaczenie ilości odciąganej wody z zaczynu wg PN-B-04360: 1 986, - oznaczenie przyczepności do podłoża wg PN-B-04500 : 1 985.

4.4.8. Transport i przechowywanie spoiw gipsowych Spoiwa gipsowe należy pakować w worki papierowe WK, co najmniej trójwar­ stwowe, wg PN-P-79005: 199 1. Masa worka ze spoiwem powinna wynosić 20,25 lub 40 kg. Spoiwa gipsowe sprzedawane w ilości poniżej 1 5 kg powinny być pakowane w torby papierowe 2 lub 5 kg, co najmniej dwuwarstwowe, wg PN-P79003: l 991. Na workach lub torbach jest wymagany wyraźny napis zawierający takie informacje jak: - nazwa, symbol rodzaju spoiwa, - nazwa wytwórni i adres,

4.5.

Spoiwa hydrauliczne. Cement

269

- masa worka lub torby ze spoiwem, - data wysyłki. Na opakowaniach mniejszych od 1 5 kg należy umieszczać wskazówki doty­ czące sposobu przygotowania zaczynu gipsowego. Spoiwa gipsowe powinno się przechowywać w takich warunkach, żeby nie doszło do ich zawilgocenia i zanieczyszczenia. Worki należy układać warstwami; 8 warstw, gdy składuje się worki 40 kg, i I O przy workach 25 kg. Spoiwa gipsowe przechowywane luzem muszą być w czystych i suchych si­ losach. Każdy z silosów, odpowiednio oznaczony, powinien zawierać spoiwo jednego gatunku. Spoiwa w opakowaniach należy przewozić w krytych środkach transportu, zabezpieczonych przed zawilgoceniem, zanieczyszczeniem i uszkodzeniem opa­ kowań. Można układać je w stosy lub na paletach. Dopuszcza się 8 warstw przy workach 40 kg i I O przy workach 25 kg. Luzem można przewozić spoiwa w przystosowanych do tego celu wagonach i samochodach oraz odpowiednich pojemnikach transportowych.

4.5. Spoiwa hydrauliczne. Cement 4.5.1. Charakterystyka ogólna Spoiwami hydraulicznymi nazywa się materiały nieorganiczne mające zdolność wiązania i twardnienia w wyniku zachodzenia reakcji chemicznych, zarówno na powietrzu, jak i pod wodą. Spoiwa te otrzymuje się przez obróbkę ter­ miczną surowców mineralnych i ich zmielenie na proszek o wymiarach ziaren ok. 30 µm. W czasie obróbki termicznej surowców mineralnych zachodzą w nich prze­ miany fizykochemiczne, w wyniku których otrzymany produkt uzyskuje wła­ ściwości wiążące. Właściwości wiążące tych substancji wynikają z aktywności chemicznej nowo powstających minerałów, a ujawniają się po dodaniu do nich wo­ dy. Wówczas rozpoczynają się procesy chemiczne, w wyniku których ciekła lub plastyczna mieszanina spoiwa z wodą zwiększa stopniowo swoją lepkość, prze­ chodząc w stan stały, charakteryzujący się określonymi cechami mechanicznymi i fizycznymi. Narastanie wytrzymałości mechanicznej wiążącego spoiwa jest wy­ nikiem reakcji chemicznych, których efektem jest powstanie nowych związków krystalicznych. Podstawowym spoiwem hydraulicznym jest cement, drobno zmielony materiał nieorganiczny, który po zmieszaniu z wodą tworzy zaczyn wiążący i twardniejący

270

4.

Mineralne spoiwa budowlane

w wyniku reakcji i procesów hydratacji, a po stwardnieniu pozostaje wytrzymały także pod wodą. Do spoiw hydraulicznych można zaliczyć: cement portlandzki, cement portlandzki z dodatkami, cement hutniczy, cement pucolanowy, cement glinowy oraz wapno hydrauliczne. Cement jest materiałem wiążącym hydraulicznym, który otrzymuje się przez zmielenie klinkieru cementowego z siarczanem wapnia oraz dodatkami hydraulicznymi i pucolanowymi. Znacząca rola tego spoiwa we współczesnym budownictwie wynika nie tylko z korzystnych jego cech użytkowych i możli­ wości ich modyfikacji wskutek wprowadzenia różnego typu dodatków, ale rów­ nież powszechnej dostępności tanich surowców, z których jest wytwarzany. Ce­ ment stanowi blisko 20% ogólnej masy materiałów używanych w budow­ nictwie. Światowa produkcja cementu wynosi ok. 1 ,6 mld t i rośnie o 2-5% rocz­ nie. W Polsce produkuje się ok. 1 5 mln t tego spoiwa. Polska ma wielolet­ nią tradycję w produkcji cementu. Pierwsza cementownia została zbudowana w 1857 r. w Grodźcu koło Będzina; była to piąta cementownia na kontynencie europejskim. Asortyment produkowanych cementów jest następujacy: cementy portlandz­ kie, hutnicze, pucolanowe i cementy specjalne, w tym cement o niskim cieple hydratacji, cement o wysokiej odporności na siarczany, .cement niskoalkaliczny oraz cement biały i glinowy.

4.5.2. Klinkier cementowy Głównym składnikiem cementu jest klinkier portlandzki, którego udział w za­ leżności od rodzaju cementu wynosi od 95% (cement portlandzki bez dodat­ ków) do 15% (cement hutniczy). Klinkier portlandzki jest produktem spiekania w temperaturze ok. 1450°C mieszaniny surowców składających się z wapieni i glinokrzemianów. Podstawowymi składnikami chemicznymi klinkieru są cztery tlenki: tlenek wapnia (CaO), krzemionka (Si02), tlenek glinu (Al203) i tlenek żelaza (Fe203).Tlenki te stanowią 95% masy klinkieru 1 • Fizykochemiczną pod­ stawą produkcji klinkieru są termochemiczne reakcje, w wyniku których tworzą się cztery główne fazy: - krzemian trójwapniowy 3Ca0·Si02, zwany alitem, - krzemian dwuwapniowy /3-2CaO·Si02, zwany belitem, 1 Wzory chemiczne poszczególnych minerałów klinkierowych i produktów ich hydratacji po­ daje się w formie skróconej: C-CaO, S-Si02, A-Al203, F-Fe203, M-MgO, N-Na20. K-K20, P-P205, H-H20. T-Ti02. S-S03, C-C02. C3S-3Ca0·Si02. C2S-2CaO·Si02. C3A-3CaO·Al203, C4AF-4CaO·Al203·Fe203_. C2F-2CaO·Fe203.

4.5.

Spoiwa hydrauliczne. Cement

271

- glinian trójwapniowy 3CaO·Al203, - glinożelazian czterowapniowy 4Ca0·Al203 -Fe203, zwany brownmillerytem. W skład klinkieru wchodzą również w niedużej ilości inne związki, a mia­ nowicie: wolne wapno CaO, wolny niezwiązany tlenek magnezu MgO, związki siarki i alkaliów (Na20 + K1 0). Krzemiany wapnia tworzą dobrze wykształcone ziarna o charakterystycznym pokroju, natomiast glinian trójwapniowy i faza glinożelazianowa stanowią drob­ nokrystaliczną lub bezpostaciową substancję wypełniającą. Zawartość poszcze­ gólnych faz waha się w klinkierach portlandzkich w dość szerokich granicach. Krzemiany wapniowe stanowią 75-82%, zaś gliniany i glinożelaziany 1 8-25% masy klinkieru. Krzemian trójwapniowy (C3S). Alit występujący w klinkierze portlandzkim w ilości 50-60% jest roztworem stałym krzemianu trójwapniowego o strukturze zbliżonej do odmiany jednoskośnej lub trygonalnej . Jest najważniejszym mine­ rałem klinkieru cementu portlandzkiego. Odznacza się on dobrymi właściwo­ ściami wiążącymi w początkowym, a także końcowym okresie twardnienia. Alit występuje w klinkierach portlandzkich zazwyczaj w postaci krystalicznych hek­ sagonalnych płytek, które pod mikroskopem są widoczne jako mniej lub bardziej regularne wieloboki. Wymiary ziaren alitu wynoszą od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów. Wielkość ziaren, ich pokrój, a także stopień zdefektowania struk­ tury wywierają znaczny wpływ na właściwości alitu. Ortokrzemian wapnia (C2S). Belit zawarty w klinkierze portlandzkim w ilo­ ści ok. 20% jest roztworem stałym, który w swojej strukturze zawiera jony pod­ stawiające zarówno kationy wapniowe, jak i krzemowe. Belit ma strukturę zbli­ żoną do fazy f3-C2S i jest produktem niedoskonale wykrystalizowanym. Tworzy zazwyczaj owalne, prążkowane ziarna o wyraźnie płytkowatej mikrostrukturze. Wielkość ziaren belitttJjesti d()Ść .zróżnicowana i dochodzi sporadycznie do 100 µm. Dzięki belitowi zaprawa uzyskuje znaczne wytrzymałości w późniejszym okresie twardnienia. Glinian trójwapniowy (C3A). Jest to roztwór stały zawierający znaczne ilości żelaza oraz niewielkie ilości Na20. Stanowi on ok. 10% klinkieru.. Może wy­ stępować w postaci drobnych kryształów, które zrastając się, tworzą nieregularne formy krystaliczne fazy bezpostaciowej oraz szklistej . Reaguje z wodą najszybciej ze wszystkich składników klinkieru. Glinożelazian czterowapniowy (C4AF). Brownmilleryt, występujący w klin­ kierze portlandzkim w ilości ok. 7%, stanowi roztwór stały tlenku żelaza i glinu. Jest to ważny składnik cementów o małym cieple hydratacji. Przy zwiększonej jego ilości zaprawy cementowe w początkowym okresie twardnieją powoli, lecz po dłuższym czasie osiągają znaczną wytrzymałość. Ob­ raz mikroskopowy klinkieru podano na rys. 4.5. .

272

4.

Mineralne spoiwa budowlane

Rysunek 4.5. Obraz mikroskopowy przeciętnego klinkieru portlandzkie­ go [6] I

-

alit,

2

-

belit,

3

-

C3A, 4 - C4AF

4.5.3. Hydratacja cementu Minerały wchodzące w skład cementu portlandzkiego w wyniku reakcji z wodą tworzą mikrostruktury, w których istnieją siły łączące nowo powstałe substan­ cje między sobą oraz te substancje z pozostałymi składnikami masy betonowej. W efekcie powstaje monolityczne ciało, które po pewnym czasie uzyskuje znacz­ ną wytrzymałość mechaniczną. Reakcje zachodzące między minerałami klinkieru a wodą są reakcjami hydratacji (przyłączania wody do związku chemicznego bez jego rozkładu) bądź dysocjacji hydrolitycznej (powodującej rozkład związku). Oba procesy przebiegają w zaczynie cementowym równolegle i są określane naj­ częściej jako hydratacja cementu. Proces hydratacji głównych minerałów klinkierowych przebiega wg następu­ jących reakcji chemicznych: 2(3CaO·Si02) + 6H20 -+ 3Ca0·2Si02·3H20 + 3Ca(0Hh + Q 2(2Ca0·Si02) + 5H20 -+ 3Ca0·2Si02 ·4H20 + Ca(OHh 2(3CaO·Al203)

+

+

Q

2 1 H20 --+ 4Ca0·Al203 · l 3H20 + 2CaO·AJi0y8H20 + Q

W wyniku hydratacji 4Ca0·Ali03 ·Fe203 powstają hydraty analogiczne do uzyskanych przy uwodnieniu 3CaO·Ah03. Wszystkie reakcje są egzotermiczne, czyli zachodzą z wydzieleniem cie­ pła. Najwięcej ciepła wydziela się przy hydratacji 3Ca0·Al203, a najmniej przy j3-2Ca0·Si02. W uwodnionych krzemianach wapnia, określanych ogólnym wzo­ rem C-S-H, stosunek CaO do Si02 może wynosić 1 ,0 do 2,5. Uwodnione krzemiany mają największy udział w produktach hydratacji cementu, stanowiąc 60-70%, a p01tlandyt Ca(OH)2 ok. 20%. Hydratacja cementu jest procesem skomplikowanym, co jest zrozumiałe, jeżeli uwzględni się wzajemny wpływ reagujących z wodą różnych faz klinkierowych oraz siarczanu wapnia (gipsu), stanowiącego regulator czasu wiązania. Pomimo

4.5.

Spoiwa hydrauliczne. Cement

273

tego poszczególne fazy klinkierowe zachowują właściwe sobie szybkości reakcji z wodą, a mianowicie najszybciej reaguje glinian trójwapniowy, następnie alit i brownmilleryt, a najwolniej belit. Procesy hydratacji jednych faz oddziałują na pozostałe. W momencie zarabiania cementu wodą do roztworu przechodzi duża ilość alkaliów, jonów wapnia i siarczanów oraz mniejsza ilość krzemionki, jonów żelaza i glinu. Gips zaczyna reagować z 3CaO·AJi03 wg następującej reakcji chemicznej:

i tworzy glinosiarczan wapnia zwany etringitem1 • Gips zanika całkowicie po 24 godz. reakcji. Alit zaczyna szybko reagować z wodą i roztwór nasyca się jo­ nami Ca2+ . Roztwór przesyca się i pojawia się portlandyt Ca(OHh. Na początku występuje bezpostaciowy portlandyt I, który z czasem przechodzi w krystaliczny (heksagonalny) portlandyt Il. Ś rednia szybkość hydratacji cementu jest określona przez dyfuzję cząstek wody przez warstwę produktów hydratacji. Etringit 3CaO·Al203· 3CaS04·32H20 w pierwszym okresie tworzy wraz z portlandytem szkielet stwardniałego zaczynu cementowego. W przestrzeń między porami wbudowuje się faza typu C-S-H (uwodnione krzemiany wapnia). Ilustracją przebiegu hydratacji cementu jest schemat przedstawiony przez Lo­ chera (rys. 4.6). Według Lochera pierwszy etap hydratacji rozpoczyna się bez­ pośrednio po dodaniu do cementu wody. Powstaje roztwór przesycony, z którego jako pierwsze produkty hydratacji wytrącają się: etringit i wodorotlenek wapnia. Po upływie około godziny od chwili zarobienia cementu wodą rozpoczyna się drugi etap, w którym powstają pierwsze partie uwodnionych krzemianów wapnia w postaci długich włókien i igieł łączących ze sobą poszczególne ziarna cemen­ tu. Powstaje w ten sposób podstawowa struktura złożona z produktów hydratacji. Zakończenie tego etapu hydratacji następuje po ok. 24 godz. od chwili zaro­ bienia cementu wodą. Kończy się wówczas powstawanie etringitu, a stanowiący regulator wiązania gips przereagowuje już całkowicie. Trzeci etap hydratacji rozciąga się na szereg dni, a nawet miesięcy i obej­ muje już pełną hydratację cementu. Istniejące jeszcze pory zapełniają się coraz bardziej produktami hydratacji i budowa (tekstura) stwardniałego zaczynu cemen­ towego staje się przez to coraz bardziej zwięzła. W omawianym etapie zamiast etringitu powstaje już uwodniony glinian wapnia 4CaO·AJi03· l 3H20, w którym część tlenku glinu może być zastąpiona tlenkiem żelaza. W tym zaawansowanym stadium hydratacji etringit może przekształcić się w glinian jednosiarczanowy. Natomiast heksagonalne gliniany przechodzą w regularny 3Ca0-Al2 03·6H20. 1

Używana jest również pisownia cttringit bądź ctryngit.

274

4.

-..... ..... ..... ..... Objętość porów ', , ' ' ' , ' ' '

CSH włókna krótkie

�-------�-

CSHwlóknadługie Ca(OH)i

Mineralne spoiwa budowlane

' '

,

c4(Af)H;3 I

Ca(OH)i

� 63 µ m - ok. 1 0%. Poszczególne frakcje ziarnowe mają znaczący wpływ na kształtowanie wła­ ściwości wytrzymałościowych cementu. Frakcje najdrobniejsze 0-5 µ m decydują o wytrzymałościach początkowych zaprawy cementowej, a frakcje 5-30 µ m i 3060 µm o wytrzymałościach po 28 dniach i w związku z tym decydują w znacznym stopniu o klasie cementu. Frakcje grubsze stanowią mikrowypełniacz.

4.5.

Spoiwa hydrauliczne. Cement

289

Skład ziarnowy cementu oznacza się, stosując analizę sitową, analizę sedy­ mentacyjną, metodę mikroskopową oraz metodę laserową. Badania przeprowadza się wg PN-EN 1 96-6: 1 997. Rozdrobnienie cementu określa się również przez oznaczenie powierzchni właściwej metodą Blaine'a. Powierzchnia właściwa cementów zawiera się w prze­ 2 dziale 2500-4500 cm /g. Ciepło twardnienia. Procesom hydrolizy i hydratacji cementu towarzyszy wydzielanie się ciepła, a więc procesy te mają charakter egzotermiczny. Ciepło twardnienia cementu jest zróżnicowane w zależności od składu mineralnego oraz stopnia rozdrobnienia i wynosi 200-450 kJ/kg. Cement portlandzki o zwiększonej ilości fazy alitowej, fazy szklistej i C3A charakteryzuje się dużym ciepłem tward­ nienia, a cement belitowy o dużej zawartości /3-C2S stosunkowo małym ciepłem twardnienia. Ilość wydzielającego się ciepła podczas hydratacji cementu można zmniejszyć przez wprowadzenie różnego rodzaju dodatków pucolanowych i hy­ draulicznych, np. granulowanego żużla wielkopiecowego. Wydzielanie się ciepła podczas twardnienia ma duże znaczenie praktyczne, np. w czasie betonowania w niskich temperaturach (w okresie zimowym) zwiększone ciepło twardnienia powoduje samoogrzewanie się betonu, co jest zjawiskiem korzystnym. Na od­ wrót, podczas betonowania dużych masywów betonowych (np. budowli hydro­ technicznych), wskutek hydratacji cementu o zwiększonym cieple twardnienia, temperatura wewnątrz masywu może znacznie przekroczyć 50°C, co może pro­ wadzić do destrukcji betonu. Z tego powodu jest wskazane stosowanie cementu o zmniejszonym cieple twardnienia. Do wyznaczania ciepła twardnienia stosuje się metody kalorymetryczne. Właściwości chemiczne. Badania składu chemicznego cementu obejmują oznaczenie: strat prażenia, siarczanów (jako S03), części nierozpuszczalnych w kwasie solnym i węglanie sodu oraz Si02, Fe203, Ah03 , CaO i MgO. Ozna­ czanie tych składników wykonuje się wg PN-EN 1 96-2: I 996, natomiast chlorków, dwutlenku węgła i alkaliów wg PN-EN 196-2 1 : 1 997.

4.5.9. Warunki transportu i przechowywania cementu Cement należy przechowywać w silosach zabezpieczonych przed zawilgoceniem. Transportuje się go w workach łub luzem. Transport cementu workowanego powinien odbywać się w krytych wagonach kolejowych lub samochodach skrzy­ niowych zabezpieczonych przed zawilgoceniem. Cement luzem przewozi się w samowyładowczych wagonach i cysternach samochodowych. Transport i przechowywanie cementu określone są w BN-88/ /6731-08.

290

4. Mineralne spoiwa budowlane

Cement może być ładowany tylko do czystych zbiorników transportowych. Nie powinien ulegać zanieczyszczeniu także podczas transportu. Cement pakuje się w worki papierowe co najmniej trzywarstwowe (PN-P­ -79005: 199 l). Masa worka z c emen tem powinna wynosić 50 lub 25 kg. Na workach musi być umieszczony trwały wyraźny napis zawierający co naj­ mniej następujące dane: - nazwę, rodzaj, symbol i klasę cementu, - nazwę wytwórni i miejscowości, - masę worka z cementem, - datę wysyłki, - termin trwałości cementu. W zależności od klasy wytrzymałości stosuje się odpowiednie kolory worków i nadruku. Cement wysyłany luzem powinien mieć identyfikator (w formie przywie­ szki do zbiornika transportowego), zawierający identyczne dane jak cement wor­ kowany. Do każdej partii dostarczanego cementu musi być dołączony dokument do­ stawy, na którym należy podać sygnaturę kontroli odbiorczej.

Wykaz literatury i norm Wykaz literatury [ 1 ] Boynton R.S.: The Chemistry and Technology of Lime and Limestone. J. Wiley, New York 1980. [2] Brylicki W.: Derdacka-Grzymek A., Gawlicki M., Małolepszy J., Olejarz J.: Tech­ nologia budowlanych materiałów wiążących. Wapno i Gips. WSiP, Warszawa 1979. (3] Brylicki W, Derdacka-Grzymek A ., Gawlicki M., Małolepszy J.: Technologia bu­ dowlanych materiałów wiążących. Cement. WSiP, Warszawa 1983 . [4] Domin T.: Materiały budowlane. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1988. [5] Jamroży Z.: Beton i jego technologie . PWN, Warszawa-Kraków 2000. [6] Kurdowski W: Poradnik technologa przemysłu cementowego. Arkady, Warszawa 1981. [7] Kurdowski W : Chemia cementu. PWN, Warszawa 1 99 1 . [ 8 ] Małolepszy J., Deja J. . Bry/icki W , Gawlicki M. : Technologia betonu - Metody badań. Uczelniane Wydawnictwo Naukowe AGH, Kraków 2000. [9] Małolepszy J.: Hydratacja i własności spoiwa żużlowo-alkalicznego. Zeszyty Naukowe AGH Nr 53 1 989. [ I O] Oates J.A.H.: Lime and Limestone V.Ley, New York 1998. [I I] Osiecka E.: Fosfogips. Spoiwa i elementy budowlane. Arkady, Warszawa 1980.

Wykaz literatury i norm

291

( 1 2] Pietroń J. : Gips. Praktyczne wskazówki dla użytkowników. COIB, Warszawa 1988. ( 13] Peukert S.: Cementy powszechnego użytku i specjalne. Wydawnictwo Polski Ce­ ment, Kraków 2000. ( 14] Peukert S., Garbacik A. : XVIII Konferencja Naukowo-Techniczna Jadwisin 2002. Materiały konferencyjne. ( 1 5] Schiele E., Beren L. W : Kalk Verlag Stahleisen, Diisseldorf 1972. ( 16] Szymański E., Kołakowski J.: Materiały budowlane z technologią betonu. PWN, Warszawa 1986. [ 17] Szymański E.: Materialy budowlane z technologią betonu. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1 999. ( I 8] We ryński B.: The 6-th International Congress on the Chemistry of Cement. Moscov, l 976, Vol. II, Book 1 .

Wykaz norm PN-EN 196- 1 : 1996 PN-EN 196-2 : 1 996 PN-EN 1 96-3: 1 996 PN-EN 1 96-5: 1 996 PN-EN 196-6: 1997 PN-EN 196-2 1 : 1997 PN-EN 197-1 :2002 PN-EN 197-2:2002 PN-EN 459- 1 :2003 P:--1-EN 459-2:2003 P�-EN 459-3:2003 P:-.l-86/B-04360 P�-85/B-04500 P�-98/B-19705 �-B-1 9707:2003 PS-90/B-3001 0 P.'.\-B-3004 1 : 1997 P.'.\-B-30042: 1997

Metody badania cementu. Oznaczanie wytrzymałości Metody badania cementu. Analiza chemiczna cementu Metody badania cementu. Oznaczanie czasów wiązania i stałości objętości Metody badania cementu. Badanie pucolanowości cementów pu­ colanowych Metody badania cementu. Oznaczanie stopnia zmielenia Metody badania cementu. Oznaczanie zawartości chlorków, dwu­ tlenku węgla i alkaliów w cemencie Cement - Część 1 : Skład wymagania i kryteria zgodności doty­ czące cementów powszechnego użytku Cement - Część 2: Ocena zgodności Wapno budowlane - Część l : Definicje, wymagania i kryteria zgodności Wapno budowlane - Część 2: Metody badań Wapno budowlane - Część 3: Ocena zgodności Spoiwa gipsowe. Metody badań. Oznaczanie cech fizycznych Zaprawy budowlane. Badanie cech fizycznych i wytrzymałościo­ wych Cement specjalny. Cement portlandzki siarczanoodporny Cement. Cement specjalny. Skład, wymagania i kryteria zgodności Cement portlandzki bialy Spoiwa gipsowe. Gips budowlany Spoiwa gipsowe. Gips szpachlowy, gips tynkarski i klej gipsowy

5

Zaczyny i zaprawy budowlane

Józef Jasiczak

5 . 1 . Definicje zaczynów i zapraw. Klasyfikacja . . . 5.2. Produkcja i metody badań zaczynów i zapraw . 5.2. 1 . Składniki zapraw budowlanych zwykłych 5.2.2. Zasady projektowania i ustalania składu zapraw 5.2.3. Metody badań zapraw . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Zaczyny i zaprawy tradycyjne wykonywane na budowie 5.3. 1. Zaczyny gipsowe i cementowe zaczyny iniekcyjne 5.3.2. Zastosowanie zapraw . . . . . . . . . . . . . 5.3.3. Zaprawy wapienne . . . . . . . . . . 5.3.4. Zaprawy cementowe i cementowo-wapienne 5.3.5. Zaprawy gipsowe i gipsowo-wapienne . 5.3.6. Zaprawy gliniane i gliniano-cementowe . . . 5.4. Zaprawy gotowe wytwarzane fabrycznie . . . . . . . 5.4. 1 . Składniki zapraw produkowanych fabrycznie 5.4.2. Zaprawy elewacyjne pocienione, zwykłe i ciepłochronne, zaprawy ścienne we­ wnętrzne i posadzkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3. Zaprawy d o rekonstrukcji, renowacji i napraw konstrukcji betonowych i murów ceramicznych . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4. Sprawdzenie cech użytkowych zapraw gotowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wykaz literatury i norm .

. . . . . .

. . . . . . . .

294 296 296 299 300 303 303 303 307 308 310 312 314 314

. 317 . 324 . 327 . 329

294

5. Zaczyny i zaprawy budowlane

5.1. Definicje zaczynów i zapraw. Klasyfikacja Zaczyny budowlane są to mieszaniny spoiw lub lepiszczy z wodą. Rozróżnia się zaczyny wapienne, gipsowe, cementowe oraz zawiesiny gliniane. Spoiwa charak­ teryzują się aktywnością chemiczną, lepiszcza twardnieją w wyniku zachodzą­ cych procesów fizycznych. Zaprawy budowlane są to materiały otrzymywane z mieszaniny spoiwa lub lepiszczy (względnie obu tych materiałów), drobnego kruszywa, wody lub in­ nej cieczy zarobowej oraz ewentualnie dodatków i domieszek poprawiających właściwości zaprawy świeżej lub stwardniałej. Woda jako składnik zaczynów, zapraw i betonów umożliwia proces wiązania spoiwa oraz twardnienia lepiszczy i pozwala uzyskać odpowiednią konsystencję mieszanki. Zaczyny i zaprawy dzielą się na dwie podstawowe grupy: - zaczyny i zaprawy budowlane zwykłe, - zaczyny i zaprawy budowlane specjalne, modyfikowane. Właściwości zapraw budowlanych zwykłych określone są w normie PN90/B-1450 1 . Normę należy stosować przy projektowaniu i wykonywaniu zapraw metodami tradycyjnymi na budowie. Zaprawa budowlana zwykła to mieszani­ na spoiwa (cementowego, wapiennego, gipsowego i mieszanki tych spoiw, jak również cementowo-glinianej), piasku i wody oraz ewentualnie domieszek i do­ datków, stosowana do robót ogólnobudowlanych. Ze względu na rodzaj spoiwa rozróżnia się obecnie 6 rodzajów zapraw: zaprawę cementową - c, zaprawę cementowo-wapienną - ew, zaprawę wapienną - w, zaprawę gipsową - g, zaprawę gipsowo-wapienną - gw, zaprawę cementowo-glinianą - cgl. W starszych normach i podręcznikach wyróżniano dodatkowo jako odrębną grupę zaprawy gliniane. Zaprawy różnicuje się ze względu na ich cechy mechaniczne. Wytrzymałość zapraw na ściskanie stopniuje się od 0,3 do 20 MPa, nadając im symbol literowo­ -liczbowy Mn. Litera M oznacza markę zaprawy, symbol liczbowy n = 0,3; 0,6; I , 2, 4, 7, 1 2, 1 5 i 20 określa wytrzymałość na ściskanie w MPa oznaczaną wg PN-85/B-04500. W prEN 998-2: 2000 i nawiązującej do niej PB-B-03002: 1 999 podana jest klasyfikacja zapraw według klas. Stosuje się symbol literowy M oraz liczbowy n = 1 , 2, 5, I O i 20 dla zapraw o zakresie zmian wytrzymałościowych w MPa odpowiednio: M l = 1 ,0-- 1 ,5, M2 = 1 ,5-3,5, MS = 3,6-7,5, M I O 7,6-1 5,0, M20 = 1 5 , 1 -30,0. =

5.1.

Definicje zaczynów i zapraw. Klasyfikacja

295

Wartości gęstości objętościowej zaprawy wapiennej, cementowo-wapiennej, cementowej przyjmować można jako równe: - zaprawy wapiennej 1700 kg/m3 , - zaprawy cementowo-wapiennej 1850 kg!m3 , - zaprawy cementowej 2000 kg!m3 . Obok tradycyjnie wykonywanych zwykłych zapraw budowlanych stosuje się coraz częściej zaprawy specjalne, modyfikowane. Dostępne są one w posta­ ci produkowanych fabrycznie suchych zapraw budowlanych (workowanych) lub w postaci gotowych zapraw upłynnionych. W zaprawach suchych spoiwem naj­ częściej jest cement, wapno i gips, a wypełniaczami drobne kruszywo lub inne substancje mineralne oraz dodatki i domieszki chemiczne. W gotowych płynnych zaprawach budowlanych spoiwo stanowią wodne dyspersje żywic syntetycznych, np. dyspersje akrylowe, wysokiej jakości wypełniacze i modyfikatory. Zaprawy specjalne nowej generacji nie mają jednoznacznego nazewnictwa i trudno doko­ nać ich klasyfikacji. Zaprawy workowane określane są zwykle jako suche mie­ szanki (PN-B- 10 109: 1998), zaprawy pocienione (PN-B - 1 0 1 07: 1998) i zaprawy klejowe. Zaprawy płynne nazywane są często wyprawami tynkarskimi, klejami, pastami lub nawet kremami. Pojęcia te znacznie odbiegają od podanej na wstępie definicji zaprawy bu­ dowlanej. W niniejszym rozdziale za zaprawy (suche lub płynne) będą uważane te wyroby, które zawierają spoiwo (mineralne lub syntetyczne), wypełniacze mi­ neralne lub syntetyczne oraz modyfikatory cech. Przy tak określonej definicji zaprawy modyfikowanej i zastrzeżeniach patentowych przypisanych zaprawom produkowanym fabrycznie trudno dokonywać podziałów ze względu na rodzaj używanych składników. Na pewno można dokonać podziału na zaprawy suche i płynne oraz ze względu na ich cechy użytkowe. Wyraźnie różnią się między sobą: - zaprawy elewacyjne i ścienne (zwykłe, pocienione, ciepłochronne), - zaprawy pocienione (klejące) do płytek mineralnych i płyt izolacyjnych, - zaprawy do rekonstrukcji i napraw elementów betonowych i ceramicznych, - zaprawy chemoodporne (ścienne i posadzkowe), - zaczyny i zaprawy iniekcyjne. Klasyfikacje w grupach można dalej rozwijać, przyjmując na przykład podział zapraw tynkarskich wg prEN 998-1 :2000: - zaprawa normalna do ogólnego stosowania - GP, - zaprawa do tynków lekkich - LW, - zaprawa barwiona du tynków szlachetnych - CR, - zaprawa do jednowarstwowych tynków zewnętrznych OC, - zaprawa do tynków renowacyjnych - R, - zaprawa do tynków termoizolacyjnych - T. i

-

296

5.

Zaczyny i zaprawy budowlane

5.2. Produkcja i metody badań zaczynów i zapraw S.2.1. Składniki zapraw budowlanych zwykłych Woda. Wymagania techniczne są zawarte w PN-88/B-32250 i dotyczą cech fi­ zycznych i chemicznych wody przeznaczonej do zaczynów i zapraw budowlanych; rozróżnia się następujące klasy wody: I - pochodząca ze źródeł poboru wody dopuszczonej do celów pitnych (oprócz mineralnej), II - pobierana z rzek, jezior, stawów, jak również wód podziemnych (np. studni) oraz woda uzdatniana. Woda zaliczana do II klasy nie może wykazywać zabarwienia żółtego lub bru­ natnego, nie powinna też wydzielać zapachu gnilnego świadczącego o zawartości np. humusu oraz zawierać zawiesin (np. grudek lub kłaczków). Wartość wskaź­ nika pH wyznaczana papierkiem wskaźnikowym powinna wynosić nie mniej niż 4. Ilość siarkowodoru nie może przekraczać wartości 20 mg/I, a siarczanów 600 mg/I. Ilość suchych substancji pozostających po odparowaniu wody nie powinna przekroczyć 1 000 mg/I. Obecność cukru w wodzie zarobowej może spowodować znaczne opóźnienie wiązania zapraw cementowych. Piasek. Wymagania techniczne stawiane piaskom mineralnym, naturalnym i łamanym, o uziarnieniu do 2 mm, zawarte są w PN-79/B-067 1 1 . Rozróżnia się dwie klasy petrograficzne piasków: - naturalne - występujące w złożu w stanie naturalnego rozdrobnienia, - łamane - uzyskiwane w wyniku rozdrobnienia skały litej. Rozróżnia się dwie odmiany piasków ( I i 2) oraz dwa gatunki (I i Il). Normo­ we podziały kruszyw zawierają tabl. 5.1 i 5.2 zamieszczone w PN-79/B-06711. Piasek należy transportować i przechowywać w takich warunkach, żeby nie dopuścić do jego zanieczyszczenia, zmieszania z innymi jego klasami pretrogra­ ficznymi, odmianami lub gatunkami, a także innymi kruszywami. Dla użytkowTablica 5.1. Odmiany piasku wg PN-79/B-067113

Granice przesiewu, % Podział

Badanie wg

wymiary boku oczka kwadratowego sit kontrolnych, mm 0,063 0,125 0,25

0,5

1 ,0

2,0

4,0

Odmiana l

0-8

0-20 0-40 20-80 50-100 90- 1 00 100

Odmiana 2

0-5

0-25 0-50 20-95 95-100

100

-

PN-78/B-067 14. 1 5

• W przypadkach technicznie uzasadnionych dopuszcza się produkcję piasku o innym składzie ziarnowym.

5.2.

Produkcja i metody badań zaczynów i zapraw

297

Tablica 5.2. Cechy fizyczne i chemiczne plasków wg PN-79/B-06711

Wymaganie Cecha

odmiana I

odmiana 2

Badanie wg

gatunek I gatunek II gatunek I gatunek II Wskaźnik uziarnienia3 Zawartość pyłów mineralnych, nie więcej niż, % Zawartość zanieczyszczeń obcych, nie więcej niż, %

2,8-3,8

-

2,4-3,4

-

PN-79/B-067 1 1

5

8

4

5

PN-78/B-067 14. 1 3

0, 10

0,25

0,10

1 ,00

PN-76/B-06714. 1 2

Zawartość zanieczyszczeń organicznych

barwa nie ciemniejsza niż wzorcowa

PN-78/B-067 14.26

Zawartość siarki, nie więcej niż, %

1,0

PN-78/B-067 14.28

3 Dopuszczalne odchylenia wskaźnika uziarnienia w ramach jednej dostawy piasku nie powinny przekraczać ±0,2 zadeklarowanego wskafoika w odmianie I i ±0,15 w odmianie 2.

nika prowadzącego bieżącą produkcję zapraw budowlanych istotne są niepełne badania właściwości kruszywa (oddzielnie dla każdej partii do 250 t i 1000 t), obejmujące sprawdzenie składu ziarnowego (wg tabl. 5 . 1 ), skontrolowanie wskaź­ nika uziarnienia, pyłów mineralnych i zanieczyszczeń obcych (tabl. 5.2.). Piaski naturalne są wykorzystywane przede wszystkim do produkcji zwykłych zapraw budowlanych. Piaski łamane ze skał naturalnych są stosowane głównie do zapraw, które mają spełniać pewne wymagania. Tynki szlachetne mogą być wyko­ nywane z marmurów łamanych, posadzki trudnościeralne - z bazaltów łamanych, tynki ciepłochronne - z rozdrobnionego pumeksu czy tufów wulkanicznych. Spoiwa. Spoiwa budowlane i ich właściwości zostały opisane szczegółowo �· rozdz. 4, poświeconym tym zagadnieniom. Ogólnie można powiedzieć, że do wykonywania zapraw służą takie spoiwa jak: cement, wapno, gips i zawiesina gliniana oraz mieszaniny tych materiałów. Cement. Ze względu na zastąpienie w 1997 r. zbioru norm dotyczących ce­ mentu jedną PN-B/ 1970 1 : 1997 (zgodną z normą europejską ENV 197-1) pro­ ducent zapraw cementowych, cementowo-wapiennych czy cementowo-glinianych do dyspozycji cementy o klasie wytrzymałościowej 32,5 (zamiast wcześniej produkowanych klas 15, 25, 35) - czyste (oznaczenie CEM I) lub z dodatkami Giineralnymi żużla wielkopiecowego, popiołu lotnego krzemionkowego i wapien-

298

5. Zaczyny i zaprawy budowlane

nego, pucolany naturalnej, pucolany przemysłowej, wapienia i pyłu krzemionko­ wego (oznaczenia CEM II, CEM III, CEM IV z indeksami literowymi S, V, W, P, Q, L, D, wyrażającymi rodzaj dodatku, i oznaczeniami A i B - wyrażającymi ilość dodatku). Cementy różnią się barwą, składem chemicznym, czasem początku i końca wiązania, cechami mechanicznymi i odpornością na korozję. W zależności od przeznaczenia zaprawy, wymagań odnoszących się do cech mechanicznych i ob­ ciążeń środowiskowych należy dokonać wyboru albo cementu portlandzkiego zwykłego, albo modyfikowanego dodatkami mineralnymi. Wapno. Zaprawy cementowo-wapienne, wapienne oraz gipsowo-wapienne mogą być wykonywane z: - wapna niegaszonego i suchogaszonego (hydratyzowanego) (PN-86/B-30020), - wapna hydraulicznego (BN-76/6733-02) do zapraw narażonych na działanie wilgoci, - wapna pokarbidowego (PN-B-30022: 1 996), z wyłączeniem zastosowań do tynków wewnętrznych [ 1 3], - ciasta wapiennego (PN-B-3002 1 : 1996). Gips. Do zapraw gipsowych i gipsowo-wapiennych należy stosować: - gips budowlany (PN-B-30041 : 1 997) grubo- i drobnomielony odmiany 6 i 8 MPa, - gips szpachlowy, gips tynkarski i klej gipsowy (PN-B-30042: 1 997), poprzed­ nio klasyfikowane jako spoiwa gipsowe specjalne. Zawiesina gliniana. Do zapraw cementowo-glinianych należy dodawać za­ wiesinę glinianą o konsystencji wg opadu stożka pomiarowego 1 5 cm. Domieszki i dodatki do zapraw cementowych. Do zapraw budowlanych zwykłych, zwłaszcza na spoiwie cementowym, dodaje się kilka grup domieszek i dodatków. Szczególną rolę odgrywają obecnie domieszki chemiczne dodawane w cęlu uplastycznienia zapraw lub przyspieszenia ich twardnienia. Skład chemicz­ ny domieszek jest skomplikowany i zależny przede wszystkim od oczekiwanego efektu ich działania. Na placu budowy dozuje się głównie plastyfikatory, środki uszczelniające i superplastyfikatory przyspieszające twardnienie. Dodatki dozowane do zapraw stanowią przede wszystkim takie substancje mineralne, jak różnego rodzaju mączki kamienne, mielony żużel, popioły lotne z węgla kamiennego itp., o ile nie są one już składnikiem cementu. Do zapraw cementowych dopuszcza się dozowanie do 15% ciasta wapiennego w stosunku do masy cementu. Dopuszcza się także dozowanie dodatków, np. utwardzających, barwiących, hydrofobizujących, napowietrzających itp., pod warunkiem że nie pogorszą wy­ maganych właściwości zaprawy. Domieszki i dodatki znalazły szczególne zasto­ sowanie przy produkcji fabrycznej zapraw gotowych, odpowiednio modyfikowa-

5.2.

Produklja i metody badań zaczynów i zapraw

299

nych. Stosowanie dodatku łącznie z domieszkami wymaga zbadania ich wpływu na właściwości zaprawy. 5.2.2. Zasady projektowania i ustalania składu zapraw W odróżnieniu od skomplikowanych i różnorodnych metod projektowania składu mieszanek betonowych, ustalaniu składu zapraw nie poświęcono dotąd większej uwagi. W przypadku zapraw cementowo-wapiennych, cementowo-glinianych, wa­ piennych i gipsowych przyjmuje się ustalone doświadczalnie przez wieki lub dziesięciolecia receptury. O trafnośc.i doboru składników tych receptur świadczy często ich długowieczność. Zaprawy wapienne i sztukaterie gipsowe zastosowa­ ne przy budowie katedr w Gnieźnie i Poznaniu przetrwały I OOO lat, a zaprawy gliniane w kamieniczkach na Starym Rynku ponad 300 lat. Analityczną metodę ustalania składu zapraw można odnieść jedynie do zapraw cementowych. W 1950 r. przedstawiono [ 10] przybliżoną, ale stosowaną nadal metodę projektowania zapraw. Korzysta się ze wzoru na wytrzymałość zapraw cementowych fz = fe

(�

- 0,05

)

+ 0,4 , MPa

(5. 1 )

-

gdzie: fz - wytrzymałość zaprawy na ściskanie, MPa, fe klasa wytrzymałościowa cementu, MPa, n - stosunek objętościowy piasku do cementu (p/c). Przekształcając wzór względem n, otrzymuje się P n- - C

gdzie:

p

c

-----fe fz + 0 ,05fc - 0,4

(5.2)

- ilość piasku w jednostkach objętości na 1 m3 zaprawy, 3 - ilość cementu w jednostkach objętości na I m zaprawy.

Jeśli przyjmuje się założenie, że w 1 m3 zaprawy znajduje się 1 m3 piasku luźno nasypanego, to objętość cementu

----

f + 0 ,05fe - 0,4 c= - = z fe n

(5.3)

Przykładowo w zaprawie M I O wykonanej z cementu CEM I 32,5 powinien maleić się 1 m3 piasku oraz 0,345 m3 cementu. Zakładając gęstość nasypową cementu 1 200 kg/m3 , otrzymuje się potrzebną ilość cementu równą 414 kg. Przy plastycznej konsystencji zaprawy należałoby

300

5. Zaczyny i zaprawy budowlane

dozować ok. 220 1 wody. Uważa się, że przy zastosowaniu cementów krajowych rzeczywista wytrzymałość zaprawy będzie o ok. 20% większa od obliczonej wg wzoru (5.1). Można byłoby więc zmniejszać ilość cementu obliczoną z wzoru (5.3) o ok. 10%, by uzyskać projektowaną markę zaprawy. W celu poprawienia urabialności zaprawy można dodać do niej pewną ilość ciasta wapiennego lub zawiesiny glinianej. Ilość tę wylicza się z wzoru empi­ rycznego [ 1 3] D = 170( 1 - 0,002c) , I

gdzie: c

(5.4)

masa cementu obliczona ze wzoru (5.3), kg, objętość ciasta wapiennego o konsystencji 12 cm lub zawiesiny gli­ nianej o konsystencji 1 5 cm, które należy dodać w celu poprawienia ura­ bialności zaprawy, 1. -

D

-

W ostatnich latach pojawiły się w handlu gotowe preparaty uplastyczniające dodawane do zaprawy cementowej zamiast ciasta wapiennego. Produkowane są w postaci płynów lub proszków. Płyny dodaje się w ilości 140-280 ml do wody zarobowej na 50 kg cementu, proszki w ilości 25 g (1 opakowanie) również na 50 kg cementu.

5.2.3. Metody badań zapraw Badania zapraw, stosowane procedury i sprzęt są takie same jak w przypadku badania spoiw, głównie cementu (cechy mechaniczne, nasiąkliwość, mrozoodpor­ ność, skurcz itp.). Zostały one omówione w rozdz. 4. poświęconym spoiwom. W rozdziale tym zostaną przedstawione badania (PN-85/B-04500), które wy­ znaczają cechy technologiczne i użytkowe świeżych zapraw oraz ich charakte­ rystyczne cechy mechaniczne podlegające ocenie po wbudowaniu i stwardnieniu zapraw. Oznaczanie konsystencji zaprawy. Konsystencję zaprawy ocenia się za po­ mocą przyrządu (rys. 5 . 1 ) składającego się ze statywu, stożka blaszanego wypeł­ nionego śrutem, wyskalowanej tarczy pomiarowej oraz naczynia stożkowego. Miarą konsystencji zaprawy jest głębokość zanurzenia stożka w naczyniu stoż­ kowym z zaprawą, odczytana w cm na wyskalowanej tarczy pomiarowej. Za wy­ nik miarodajny przyjmuje się średnią arytmetyczną trzech pomiarów, przy. czym różnica pomiędzy kolejnymi wynikami pomiarów nie może przekraczać 1 cm. Kontrolne pomiary konsystencji zaprawy na stanowiskach roboczych na bu­ dowie polegają na nałożeniu zaprawy do naczynia stożkowego, ustawieniu go na płaszczyźnie poziomej, a następnie opuszczaniu w ten sposób, aby jego zagłębia­ nie w zaprawę następowało tylko pod działaniem własnego ciężaru, i po upływie

5.2.

Produkcja i metody badań zaczynów i zapraw

b

a)

c

A-A

)

301

)

11

6

o lO N

10 10

d)

tLl }

1 50

J

Rysunek 5.1. Zestaw do oznaczania konsystencji zapraw {PN-85/B-04500): a) zestaw pomiarowy, b) stożek pomiarowy, c) pojemnik na zaprawę, d) rozwinięta puwienclmia stożka

1 - stojak, 2 - uchwyt nieruchomy, 3 - uchwyt ruchomy, 4 - pręt prze­ suwny. 5 - tarcza ze skalą, 6 - pręt, 7 - zacisk sprężynowy, 8 - stożek pomiarowy, 9 - pojemnik na zaprawę, 1 O - skala pomiarowa, 1 1 - korek, 12 - obciążenie (śrut)

I O s dokonaniu odczytu na wyrytej na powierzchni stożka skali z dokładnością do 0,5 cm. Za miarodajny wynik przyjmuje się średnią arytmetyczną z 3 pomiarów. Oznaczanie plastyczności zaprawy. Oznaczenie plastyczności zaprawy po­ lega na określeniu średnicy rozpływu próbki na stoliku wstrząsowym. Stolik wstrząsowy do oznaczania plastyczności zaprawy (rys. 5.2) składa się z żeliwne­ go stojaka zaopatrzonego w korbę z mimośrodem i trzon oraz metalowej płyty, na której powierzchni wyryty jest okrąg o średnicy 100 mm. Płyta metalowa jest pokryta płytą szklaną. Przez obracanie korbą trzon, a wraz z nim płyty prze­ suwają się w górę na wysokość 10±0,2 m m i opadają swobodnie pod własnym ciężarem. Na płycie stolika ustawia się formę w kształcie ściętego stożka, a na niej nakładkę. Badaną zaprawę nakłada się do formy w dwóch warstwach. Każdą warstwę ubija się dziesięcioma uderzeniami ubijaka. Po upływie 1 0 s od zakończenia ostatniego ubijania podnosi się pionowo formę, a próbkę zaprawy poddaje 1 5 wstrząsom w ciągu 1 5 s . Bezpośrednio po wstrząsach mierzy się dwie prostopadłe

5. Zaczyny i zaprawy budowlane

302 0300

[I

8

0 1 ,5 MPa) i wytrzymałością na ściskanie ( > 30 MPa).

Alternatywnym materiałem w stosunku do zestawu kilku zapraw napraw­

czych są zaprawy łączące wszystkie wymienione funkcje w jednym produkcie. Są to zaprawy cementowe z dodatkiem włókien wzmacniających i modyfikacją polimerową, produkowane z różnymi dodatkami i kruszywem naturalnym do 2,5 mm. Zaprawy te, mając bardzo dobre cechy mechaniczne, lecz różne współczyn­

> 25 GPa), mogą być odpowiednio dobierane do W obecnych normach europejskich i literaturze [2] wy­

niki sprężystości ( < 1 1 GPa, naprawianej konstrukcji.

raźnie zaleca się dobieranie zapraw naprawczych do właściwości remontowanych konstrukcji. Oddzielną grupę zapraw do wypełnienia ubytków stanowią zaprawy dwu­ składnikowe. Zaprawą suchą jest zaprawa cementowa z drobnym kruszywem i wy­ pełniaczami. Płynem zarobowym (zamiast wody) jest wodna dyspersja żywicy syntetycznej wytwarzanej na bazie żywicy akrylowej z dodatkami plastyfikujący­ mi i upłynniającymi. Zaprawy są produkowane w wersji elastycznej (możliwość przykrycia rys do 0,6 mm) lub o wysokiej wytrzymałości (po 1 , 7 i 28 dniach odpowiednio 35 MPa, 50 MPa i 65 MPa). Kompozycji takich używa się także

5.4. ?.aprawy gotowe wytwarzane fabrycznie

325

do wykonywania samorozlewnych posadzek przemysłowych. Odmianą tych za­ praw są materiały do tamowania punktowych wycieków wody (np. w pękniętej kanalizacji sanitarnej). Sprzedawane są pod nazwą beton-stop wasser.

Zaprawy odporne na wpływy środowiska

Istnieje kilkanaście systemów naprawczych i zabezpieczających konstrukcje żel­ betowe. Do ochrony betonowych kolektorów sanitarnych obciążonych agresją siarcza­ nową jest stosowany produkowany fabrycznie zestaw zapraw z wykorzystaniem spoiw cementowych. W skład zestawu wchodzą: - zaprawa do wykonania warstwy sczepnej. odznaczająca się wysoką odporno­ ścią na korozję siarczanową, - sucha fibrobetonowa zaprawa naprawcza o uziarnieniu do 1,5 mm, prze­ znaczona do uzupełniania większych ubytków betonu i reprofilacji kana­ łów; odznaczająca się wysoką odpornością na korozję siarczanową i dobrą przyczepnością do podłoży mineralnych, zwłaszcza w kombinacji z warstwą sczepną, - sucha mieszanka szpachlowa o uziarnieniu do 0,5 mm na spoiwie cemento­ wym, modyfikowana żywicami; dzięki zawartym dodatkom świeża mieszanka jest dobrze formowalna i wykazuje bardzo dobrą przyczepność do podłoży betonowych, także w pozycjach sufitowych.

Przy naprawach konstrukcji mostowych poddawanych okresowo oddziaływa­ niu soli odladzających są stosowane najnowszej generacji zaprawy zawierające - obok cementu, drobnego kruszywa, polimerów - także migrujące jony inhi­ bitorów opóźniaczy korozji. Zaprawy tego typu, powłoki zabezpieczające kon­ strukcje i domieszki chemiczne do produkcji świeżych mieszanek zaczęto roz­ powszechniać w Europie po 1995 r. Działanie migrujących jonów inhibitorów korozji w żelbecie polega na ich przemieszczaniu się od warstwy naprawczej w stronę prętów zbrojeniowych i stworzeniu wokół zbrojenia warstwy chroniącej przed agresywnym działaniem jonów chlorkowych pochodzących z soli odladza­ jących. Charakterystykę zapraw z migrującymi jonami inhibitorów korozji podano w tabl. 5. 14.

Zaprawy renowacyjne

Specyficzną grupę zapraw produkowanych fabrycznie stanowią zaprawy renowa­ cyjne (osuszające) nakładane na trwale zawilgocone i zasolone mury z cegieł. Położone na murze charakteryzują się dużą porowatością i przepuszczalnością pary wodnej, przy jednocześnie znacznie ograniczonej możliwości kapilarnego transportu wody. Działając jak kompresy, są w stanie przejmować sole z zawii-

326

5. Z,aczyny

i zaprawy budowlane

Tablica 5.14. Zaprawy PCC z migrującymi jonami inhibitorów korozji (7)

Zaprawa PCC

Charakterystyka

39

3-15

1 0-15

8,5

11

1.2

Maksymalne uziarnienie, mm Grubość warstwy naprawczej, mm Wytrzymałość na ściskanie, MPa Wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, MPa

32

2,6

Przyczepność do podłoża, MPa

7

Moduł sprężystości, GPa

0, 1

Zdolność mostkowania pęknięć, mm Współczynn ik oporu dyfuzyjnego µco2

Głębokość karbonatyzacji, mm: po 8 latach po 18 latach po 25 latach

Współczynn ik oporu dyfuzyjnego µH2o Przepuszczalność jonów c1-

-

1 ,2 55

2,9 25 -

1006

1 4 600

2,5 12,0 14,5

0,1 0,1 0,2

280

105

::::: O

::::: O

25

wg FHWA/RD/81/AASHTO T:277-83 1 , C (kulomb)

Odporność na cykle zamarzanie/rozmrażanie ubytek masy, g!m2

38

48

goconych murów, bez samouszkadzania. W przypadku powierzchni elewacyjnych zapobiegają dodatkowo oddziaływaniu wody opadowej na sole zawarte w murze. Stowarzyszenie Ochrony Zabytków w Niemczech wydało zalecenia, w których sformułowało wymagania odnoszące się do tynków renowacyjnych, nazywanych często tynkami WTA. Produkowane są trzy grupy zapraw WTA o odmiennych funkcjach i przeznaczeniu. Warstwę przylegającą do muru stanowi obrzutka, na nią nakładany jest porowaty tynk podkładowy, będący „magazynem" odciągnię­ tych z muru soli, a następnie właściwy tynk renowacyjny, także o bardzo du­ żej porowatości . Składniki zapraw do tynków renowacyjnych nie są przez ich producentów podawane. Przeprowadzone analizy wskazują, że w tych tynkach jako spoiwa zastosowano cement zwykły (75% badanych zapraw), cement bia­ ły (20%) i wapno hydrauliczne (5% badanych zapraw). W 10% tynków został użyty trachit. Stosowane w zaprawach wypełniacze to piasek kwarcowy (45%), piasek wapienny (35% ), kruszywa lekkie, takie jak perlit, wermakulit, styropian, pumeks (25%) [l].

5.4.

'Zaprawy gotowe wytwarzane fabrycznie

327

5.4.4. Sprawdzenie cech użytkowych zapraw gotowych Procedurze badawczej poddaje się suche zaprawy gotowe oraz zaprawy wbudo­ wane, po upływie określonego okresu eksploatacji. Suche zaprawy bada się zgodnie z prEN 998-2, PN-EN 1 0 1 5-2:2000, PN­ -EN 1 0 15-3:2000 i PN-EN 1 0 1 5- 1 1 :200 1 , określając cechy użytkowe świeżych zapraw, cechy mechaniczne i fizyczne zapraw stwardniałych. Używa się standar­ dowych próbek, sprzętu i metod badawczych. Parametry charakteryzujące cechy mechaniczne i fizyczne powinny być lepsze od wartości podanych przez producenta. Odrębną grupę badań przyjęto do oceny właściwości zapraw wbudowanych. Są to badania starzenia [9] lub związane z mechaniczną przyczepnością zapraw (użytych jako tynków lub posadzek) do podłoży, na których zostały ułożone. Badania starzeniowe dotyczą oznaczenia trwałości barwy, określenia odpor­ ności na działanie zmiennych cykli termiczno-wilgotnościowych, oznaczenia od­ porności na przyspieszone działanie czynników atmosferycznych.

Oznaczenie trwałości barwy Badania trwałości barwy dokonuje się w komorze aparatu Xenotest. Próbki za­ praw wyciętych z obiektu są naświetlane lampą ksenonową o energii odtwarza­ jącej naturalne światło słońca. Znając napromieniowanie próbek w ciągu I godz. (pomiar aparatem Radialux) oraz czas ekspozycji, można policzyć sumarycz­ ne napromieniowanie każdej próbki. Ocenę zmiany barwy przeprowadza się wg PN-EN-20 ! 05-A02-1996, porównując wzrokowo zmianę barwy próbki badanej w stosunku do wzorcowej.

Badanie odporności na działanie zmiennych cykli termiczno-wilgotnościowych Badanie jest prowadzone w komorze klimatycznej w temperaturze od -40 do 180°C, umożliwiającej utrzymanie wilgotności względnej w zakresie 0-100% z dokładnością do 5%. Zmiana warunków w komorze odbywa się automatycznie. Próbki wypraw elewacyjnych są przygotowywane na podłożach z zaprawy cementowo-wapiennej, cementowej lub podkładach drewnianych, w sposób zgod­ ny z technologią podaną przez producenta wyrobu. Ekspozycji poddaje się 3 prób­ ki, jedna zaś stanowi próbkę kontrolną. Zmiany powierzchni próbek są spraw­ dzane w czasie cykli z temperaturą dodatnią, bez specjalnej klimatyzacji. Ekspozycja w komorze klimatycznej polega na poddawaniu próbek ciągłe­ mu, całodobowemu działaniu zmiennych cykli termiczno-wilgotnościowych. Je­ den cykl dobowy obejmuje: - 7 godz. w temperaturze 30±2°C i wilgotności 95±5%, - 0,5 godz. w temperaturze obniżającej się od 30 do -20°C,

328

5. 7.aczyny i zaprawy budowlane

-

6 godz. w temperaturze -20±2°C, 0,5 godz. w temperaturze wzrastającej od -20 do 30°C, 3 godz. w temperaturze 30±2°C i wilgotności 95±5%, 0,5 godz. w temperaturze obniżającej się od 30 do -20°C, 6 godz. w temperaturze -20±2°C, 0,5 godz. w temperaturze wzrastającej od -20 do 30°C. Odporność wyrobów na zmienne cykle termiczno-wilgotnościowe jest oce­ niana na podstawie zmian barwy, połysku, kredowania, spękania, złuszczenia i przyczepności. Powłok.i i wyprawy elewacyjne po 90 cyklach (a na podłożu drewnianym po 50 cyklach) nie powinny wykazywać spękań, złuszczeń i zmian przyczepności. Dopuszczalna jest zmiana barwy o jeden stopień i nieznaczne kredowanie.

Badanie odporności powłok elewacyjnych na przyspieszone działanie czynników atmosferycznych Do tego badania służy aparat UVCON wyposażony w lampy fluorescencyjne UVA 34D, zapewniający naświetlanie promieniami UV i kondensację pary wod­ nej na próbkach. Jeden cykl badawczy obejmuje: - 4 godz. naświetlania promieniami UV w temperaturze 60±2°C, - 4 godz. kondensacji pary wodnej w temperaturze 40±2°C. Ekspozycji w aparacie są poddawane trzy próbki badanej powłoki, jedna prób­ ka (wzorzec) jest przechowywana w laboratorium. Ocenie podlega zmiana wyglądu i barwy powłoki. Barwa powłoki po 50 cy­ klach badawczych nie powinna ulec zmianie większej niż stopień 3 ·skali szarej.

Badanie przyczepności zapraw do podłoży Do badań przyczepności stwardniałych zapraw do podłoży służy przyrząd Dy­ na Z I S (Pull-off Tester). Procedura polega na przyklejeniu do badanych zapraw krążków metalowych o średnicy 50 mm i ich oderwaniu od badanej powierzch­ 2 ni. Przyrząd mierzy siłę odrywającą (kN) i naprężenie (N/mm , MPa). Średnia z 5 prób odrywania powinna być większa od wartości przyczepności podawanej przez producenta zaprawy.

Wykaz literatury i norm

329

Wykaz literatury i norm Wykaz literatury [ I ] Adamowski J., Wydra W.: Tynki renowacyjne - sposób na sole w murze. Izolacje 3/2002. [2] Czarnecki L. Emmons H.E. : Naprawa i ochrona konstrukcji betonowych. Polski Cement, Kraków 2002. [3] Gaczek M., Fiszer S.: ABC tynków. Tynki zwykłe - wykonywanie. Kalejdoskop Budowlany 3/2002. [4] Jasiczak J i in.: Wiązanie zaczynów cementowych modyfikowanych domieszkami. Materiały XV Konferencji Naukowej „Beton i prefabrykacja". Jadwisin 1995. [5] Jasiczak J. : Materiałowo-strukturalna ochrona betonu w obiektach oczyszczania ścieków. Materiały Sympozjum „Cement z dodatkami mineralnymi". Poznań Chorula 1999. [6] Jasiczak J.: Skurcz betonu modyfikowanego dodatkami i domieszkami chemiczny­ mi. Materiały Sympozjum „Reologia w technologii betonu". Gliwice 2002. [7] Madaj A., Martinola G., Tęiycki W.: Właściwości materiałów i projektowanie warstw naprawczych wiaduktu Isarco. Materiały Budowlane 1 1/2000. [8] Modified Minerał Mostar Systems and the Environment. State of the Art. Report. June 1998. Deutsche Bauchemie e.V. Frankfurt 1998. [9) Prokop M. : Badanie odporności materiałów elewacyjnych na przyspieszone starze­ nie. Materiały Budowlane 10/1999. [ l OJ Sprawocznik Architektora. T. IX. Stroitielnyje Matieriały. Strojizdat, Moskwa 1950. [ 1 1 ] Szymański E., Kołakowski J.: Materiały budowlane z technologią betonu. Cz. I i 2. Wydawnictwo Politechniki Białostockiej. Białystok 1992. [ 12) Zieliński K.: Ustalanie receptur oraz badania cech fizyczno-mechanicznych ciepło­ chronnych zapraw murarskich, wykonywanych przy użyciu keramzytu oraz dodat­ ków polimerowych. Maszynopis. Instytut Konstrukcji Budowlanych Politechniki Poznańskiej. Poznań 1999. [ 1 3] żenczykowski W.: Budownictwo ogólne. T. I. Materiały i wyroby budowlane. Ar­ kady, Warszawa 1964.

Wykaz norm EN 206- 1 : 1 999-25 prEN 998-1 :2000 prEN 998-2:2000 PN-EN 197-1 PN-EN 101 5-2:2000

Concrete-Part I: Specification - Performance, Production and Conformity Specification for Mortar for Masonry - Part. l : Rendering and Plastering Mortar with Inorganic Binding Agents Specification for Mortar for Masonry - Part. I : Masonry Mortar Cement. Część 1 . Skład, wymagania i kryteria zgodności do­ tyczące cementów powszechnego użytku Metody badań zapraw do murów - pobieranie i przygotowanie próbek zapraw do badań

330 PN-EN 1 0 15-3:2000

PN-EN 1 0 1 5- 1 1 :2001

PN-EN 20105-A02: 1 996

PN-85/B-04500

PN-79/B-0671 1 PN-B- 1 0 1 07 : 1 998 PN-B-101()(): 1998 PN-90/B-14501 PN-86/B-30020 PN-B-30021 : 1996 PN-B-30022: 1996 PN-B-30041: 1 997 PN-B-30042:1997 PN-88/B-32250

5. illczyny i zaprawy budowlane Metody badań zapraw do murów - określenie konsystencji świeżej zaprawy (za pomocą stolika rozpływu) Metody badań zapraw do murów - określenie wytrzymałości na zginanie i ściskanie stwardniałej zaprawy Tekstylia. Badania odporności wybarwień. Szara skala do oce­

ny zmiany barwy Zaprawy budowlane. Badania cech fizycznych i wytrzymało­ ściowych Piaski do zapraw budowlanych Zaprawy pocienione do płytek mineralnych Suche mieszanki tynkarskie Zaprawy budowlane zwykłe Wapno Ciasta wapienne Wapno pokarbidowe Gips budowlany Gips szpachlowy, gips tynkarski i klej gipsowy Materiały budowlane. Woda do betonów i zapraw

6

Beton zwykły, wyso kowartościowy i specja lny

Jerzy Piasta (p. 6. 1 , 6.2. 1-6.2.4, 6.4.4, 6.5.6) Wojciech Piasta (p. 6.2.1 , 6.2.2, 6.2.4-6.2. 1 2, 6.3, 6.4, 6.5.1 -6.5.5} 6. 1 . Wiadomości ogólne . 6.2. Beton zwykły . . . . 6.2.1. Składniki betonu 6.2.2. Projektowanie składu mieszanki betonowej 6.2.3. Dobór optymalnego stosu okruchowego kruszywa do betonu 6.2.4. Przykład projektowania składu mieszanki betonowej . 6.2.5. Mikrostruktura i porowatość zaczynu i betonu 6.2.6. Związek wytrzymałości z mikrostrukturą 6.2.7. Wytrzymałość betonu . . . . . . . . . 6.2.8. Wytrzymałość betonu w świetle norm . 6.2.9. Współczynnik sprężystości . . . . . . . 6.2.1 O. Odkształcenia pod obciążeniem doraźnym 6.2. 1 1 . Pełzanie . . . . . . . . . . . 6.2.12. Skurcz . . . . . . . . . . . 6.3. Beton wysokowartościowy (BWW) 6.3. 1 . Charakterystyka BWW . . . 6.3.2. Domieszki do BWW . . . . . . 6.3.3. Pozostałe składniki do BWW 6.3.4. Mikrostruktura BWW 6.3.5. Wytrzymałość BWW na ściskanie . 6.3.6. Wytrzymałość BWW na rozciąganie 6.3.7. Współczynnik sprężystości . . . . . . 6.3.8. Zachowanie się betonu pod obciążeniem doraźnym 6.3.9. Pełzanie . . . 6.3.10. Skurcz . . . 6.3. 1 1 . Zastosowanie 6.4. Trwałość betonu 6.4. 1 . Pojęcie trwałości 6.4.2. Przyczyny, czynniki i procesy destrukcji betonu 6.4.3. Transport wody i substancji agresywnych . 6.4.4. Rodzaje agresji chemicznej i fizycznej 6.5. Beton specjalny . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1. Charakterystyka betonu specjalnego . 6.5.2. Beton hydrotechniczny . . . . 6.5.3. Beton do nawierzchni sztywnych . . 6.5.4. Beton mostowy . . . . . . . . . . . . 6.5.5. Beton ekspansywny . . . . . 6.5.6. Beton odporny na podwyższoną temperaturę Wykaz literatury i norm . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 332 . 333 . 333 . 347 . 352 . 356 . 358 . 362 . 364 . 368 . 371 . 372 . 375 . 377 . 378 . 378 . 379 . 381 . 382 . 384 . 386 . 387 . 388 . 390 . 391 . 392 . 394 . 394 . 395 . 397 . 400 . 415 . 415 . 416 . 418 . 420 . 422 . 424 . 428

6. Beton zwykły, wysokowartościowy i specjalny

332

6.1. Wiadomości ogólne Pierwszy cement wyprodukowano w 1 824 r. w Anglii (a w 1 857 r. w Polsce) i od tego czasu rozpoczęło się wykonywanie pojedynczych elementów betonowych z cementu, kruszywa i wody. Druga połowa XIX w. to najistotniejszy postęp w historii betonu; powstał żelbet ( 1 867-1 877) i beton sprężony ( 1888-1898). Pierwszy betonowy most sprężony zbudowano w 1950 r. we Francji, natomiast w 1952 r. w Polsce w Końskich (woj . świętokrzyskie). Znaczny rozwój teorii w dziedzinie technologii betonu i mechaniki konstrukcji betonowych nastąpił w latach 1 900- 1 930. Istotny postęp w zakresie reologii mieszanki betonowej i właściwości wytrzymałościowych betonów wysokowartościowych przypada na lata 1975-1 990. Nie ulega wątpliwości, że w przyszłości należy spodziewać się wprowadzenia nowych technologii produkcji i formowania. Beton jest kompozytem wykonanym z cementu, wody, kruszywa grubego i drobnego, domieszek chemicznych i dodatków mineralnych. Niekiedy doda­ je się do niego krótkie, cienkie włókna stanowiące zbrojenie rozproszone. Za­ daniem cementu z ewentualnymi dodatkami i domieszkami oraz wody (czyli zaczynu) jest utworzenie matrycy łączącej ziarna kruszywa (które jest wypełnia­ czem w kompozycie). Beton jest materiałem kruchym, stąd przede wszystkim jest wykorzystywany do przenoszenia obciążenia ściskającego. W zależności od właściwości i składu rozróżnia się następujące rodzaje betonów: - zwykły (BZ) - o gęstości objętościowej 2000 < p0 � 2600 kg/m3 , - lekki - o gęstości objętościowej 800 < Po � 2000 kg/m 3 , - ciężki - o gęstości objętościowej p0 > 2600 kg/m3 , - wysokowartościowy (BWW) - o wytrzymałości na ściskanie 60 � � 100 MPa, - bardzo wysokowartościowy (BBWW) - o

fck >

fck

�

I OO MPa,

- towarowy - będący mieszanką betonową dostarczaną na plac budowy. Istnieją również inne nazwy, bardziej szczegółowe, nie objęte normą, np. beton mostowy, konstrukcyjny, izolacyjny, architektoniczny, żwirowy. Betonem zwykłym nazywa się beton wykonany z cementu, kruszywa i wody o gęsto­ ści objętościowej 2000 � p0 � 2600 kg/m3 oraz wytrzymałości na ściskanie 1 5-60 MPa. W celu polepszenia właściwości mieszanki i betonu stosuje się domieszki chemiczne i w wielu przypadkach dodatki mineralne. Klasę wytrzy­ małości betonu, która stanowi symbol literowo-liczbowy przedstawiający wy­ trzymałość charakterystyczną betonu na ściskanie, określają PN-EN 206-1 :2003 i PN-B-03264:2002. Według PN-EN 206-1 :2003 rozróżnia się następujące klasy wytrzymałości betonu: C8/10, C l 2/15, C l 6/20, C20/25, C25/30, C30/37, C35/45, C40/50, C45/55, C50/60, C55/67, C60/75, C70/85, C80/95, C90/105 i C l00/1 15. Klasa betonu odpowiada charakterystycznej wytrzymałości na ściskanie l \.>l oo

Tablica 6.1. Właściwości wybranych skał magmowych [39)

Rodzaj skał i miejsce występowania

Strata Skład chemiczny praże% nia % Si02 Al2 03 CaO MgO

S03

WytrzyŚcierał· ność na małość Porowa- NasiąkliGęstość tarczy na ścis3 tość wość kg/dm kanie Boehmego % % cm MPa

Granity

Grabina k. Świdnicy Graniczna k. Strzegomia Strzegom Strzelin Michałowice k. Jeleniej Góry Szklarska Poręba Suwałki (głazy narzutowe)

0,4 0, 1 0,2 0,1 0,4

73,3 73,4 73,0 73,04 73,2 74,7

16,0 3,3 17,4 3,0 1 8,2 1,7 13,70 2,65 20, 1 4,7 1 ,3 20,4

0,5 1 ,0 0,4 0,08 0,6 0,6

ślady ślady ślady ślady ślady ślady

2,64 2,65 2,65 2,65 2,64 2,65 2,65

1,1 0,8 I, 1 0,8 I ,l 1 ,3 0,4-2,2

0,4 0,3 0,3 0,3 0,6 0,3 0,4

0, 16 0,18 0, 1 8 0,06 0,25 0, 17 0,04

1 04 106 140 210 1 15 1 15 1 10-250

2,69 2,79

0,7 1,1

0,3 0,4

0,18 0,30

131 1 17

2,9 3,05

0,7 1 ,6

0, 1 0, 1

0,26 0,06

155 150

Sjenity

Kośmin k. Piławy Przedborowa k. Ząbkowic Śląskich

0,5 0,8

60,1 60,0

17,0 16,6

5,9 4,4 6,4 . 4,4

1,4 brak

Gabro

Nowa Ruda (woj. dolnośląskie) Suwałki (głazy narzutowe)

5 1 ,04 1 6,20

17,0

7,41

2,2

60,0 60,0

brak

2,71 2,79

3,8 4,9

1,1 1,34

0,25 0,36

112 99

47,74 13,09 9,74 8,05 16,0 14,3 1 1 ,0 ślady 40,3 17,9 ll,9 7,4 ślady 42,5

3,02 3,12 3,06

1,3 5,2

0,8 0,2 1 ,2

0, 1 3 0,16 0, 18

163 237 1 90

1 8, 1

8,0

1 ,7

Bazalty

Winna Góra k. Jaworowa Kozia Góra Orłowice (Lądek Zdrój)

� s ;:.

ł-;?° � � o

� � �:

l

� "' �

1:> "

Andezyty

Malinowa k. Szczawnicy Kluszkowce k. Czorsztyna

�

1,8 1,5

ą

Bazalty

Wilcza Góra (Złotoryja) Bukowa Góra Gracze Księginki Krzeniów-Diablak

0,3

43,4

15,2

15,5

ślady

3,03

1,3

0,16

0,21

-

-

-

-

-

-

3,14

2,9

0,48

0,06

116

2,23

42, 1 1

1 3,04

14,4

9,69

-

3,1 1

1 ,7

0,49

0,21

142,3

3,28

42,53

1 1 ,53

12,4

12,8

-

3,08

0,97

0,97

0,29

149

-

-

-

-

-

-

3,06

1 ,63

0, 1 1

0, 1 7

200

53,3

14,3

2,87

0,5

0,3

0,5

230

0,1

0, 1 8

209

1 1 ,6

318

Diabazy

Niedźwiedzia Góra k. Krakowa Świerczań

5,67 . 3.52

Melafiry

Głuszyca Górna (woj. dolnośląskie) Rudno (woj. małopolskie) Tłumaczów

2,70

1 ,5

0,6

0,43

1 35

2,75

1 ,7

1 ,3

-

194

2,72

2,9

0,6

0, 1 1

95

2,67

2,6

0,5

0,23

210

2,64

3,4

0,8

0,4

195

2,63

23, l

8,3

0,5

27,5

Porfiry

Miękinia

67,9

1 3 ,92

0,40

0,21

do

do

do

do

7 1 ,28

1 8,03

3,1 1

0,94

Sanka (woj. małopolskie)

� !'-> ti:i

�

;::s N

� �

Tufy

Filipowice k. Krzeszowic

56,22

13,08

0,30

do

do

do

59,5

17,28

8,0

ślad 1,57

w w '°

w

� o

Tablica 6.2. Właściwości wybranych skał osadowych i metamorficznych (39)

Rodzaj skał i miejsce występowania

Ściera!- Wytrzymałość Porowa- Nasiąkli- ność na Gęstość na ścistarczy w ość tość kg/dm3 Boehmego kanie % % cm MPa

Strata prażenia %

Si02

Al20 3

CaO

MgO

S03

7,1

72,I

8,1

7,2

1 ,9

brak

2,69

3,4

4,9

74,3

13,7

4,9

1 ,9

0,5

2,69 2,70 2,69 2,70

Skład chemiczny %

Piaskowce

Barcice n. Popradem Muszyna Osielec k. Suchej Solina Stępina k. Jasła Bóbrka k. Leska Szczytna k. Kłodzka

0,70

4,8

1,8

0,44

58

1 ,5

0,3

0,28

193

2,2

0,8 0,2

0,43 -

166

0,4

78

168

'

� -? �

58,6

9,8

10,3

3,6

2,6

2,71

6,0

1,5

0,51

63

0,6

93,5

3,9

0,5

0,6

brak

2,63

13,3

5,0

0,38

55

0,9

98,7

0,2

0,1

o

2,66

14,3

3,3

0,1

1 20

�

0,6

53,3

0,7

0,2

2,69

4, 1

1,4

0,4

90

�' c;·

ślady

2,72

1 ,8

0,89

059

97

Wapienie zbite

Morawica k. Kielc Jaźwica k. Kielc Karwów k. Opatowa Dębska Wola k. Kielc Górno k. Kielc Kowala k. Kielc Jaworznia k. Kielc Bielawy k. Bydgoszczy Ostrówka k. Kielc Borsuki k. Lublina Czatkowice k. Krzeszowic

?-

1 1 ,7

Chałcedonit

Teofilów k. lnowłodzia

1 ,5

42,2 43,3

l,0

0,5

54,4

0,5

43,6

0,8

0,3

53,1

1 ,7

1,1

2,75

2, 1

0,3

0,81

98

52,7

1 ,0

brak

2,68

3,3

0, 12

0,60

78

2,70

1 ,46

0,71

0,39

105

0,6

75

42,2 4 1 ,8

4,4

1,3

43,5

1 ,2

1 8-55

7-23

43,3

0,2

42,1

2 1 ,8 0,3

5 1 ,4

2, 1

0,5

53,9

0,3

4 1 -52

0,1

54,9

0,3

32,8

2,1

1,7

0,5

0,1 -

2,74

1 ,5

0,21

0,43

83

1 ,5

0,5 - 1 , 2

2,69

3,5

3,7

0,7

45

2,70

0,4

0,1 0

0,6

140

2,67

7,0

5,90

0,28

26

2,69

0,6

0,28

0,45

1 14

-

ślady

� �

� {3 "'

< 50 (/) ·o

""' "' c -u ·(/)

.2

"'

40

E :>. �

B30

>. � 30

Rysunek 6.13. Wytrzymałość na ści­

skanie betonów z kruszywa łamanego i otoczakowego i z cementów różnych

32,5

42,5

52,5

62,5

Klasa cementu, MPa

wytrzymałości na ściskanie (rys.

6. 1 3)

klas [30)

1 - kruszywo łamane, 2 - kruszywo natu­ ralne

odwzorowują w przybliżeniu charakter

zmian współczynnika materiałowego A (zależnego od jakości cementu i kruszy­ wa) we wzorze Bolomeya, wyrażającym warunek wytrzymałości przy projekto­ waniu mieszanki betonowej. Doboru betonu, nawet w celu czysto konstrukcyj­ nym, nie można dokonywać tylko na podstawie samej klasy, a więc wytrzymałości na ściskanie betonu w wieku

28 dni. Bardzo często inwestora czy użytkownika

interesują zmiany w czasie wytrzymałości betonu lub niektórych właściwości

366

6.

Beton zwykły, wysokowartościowy i specjalny

fizycznych (np. współczynnika sprężystości), na które w dużej mierze wpływa cement, temperatura (głównie na początku twardnienia), w/ c oraz rodzaj i skład mineralny kruszywa. Wpływ rodzaju i klasy cementu na wytrzymałość na ściskanie betonu przed­ stawia rys. 6.14, z którego wynika, że cementy o dużej wytrzymałości wcze-

"' n..

80

70 ::E a) 60 ·c:

"' "" "' ·o ""' "' c: -o ""'

50 40

o 30

iil E

� 20 >. � 10 o ��������-< 90 28 o 2 360 Czas, dni

Rysunek 6.14. Wytrzymałość na ściskanie betonu z różnych cementów (w/c = 0,5) I

- CEM IIl/A32,5N, 2 -

CEM I 52,5R. 3 - CEM IV/B 32,5N. 4 - CEM IUA-V 32.5N. 5

- CEM

I 32.SN

snej (R), najchętniej stosowane przez wykonawcę, nie gwarantują tak dobrego efektu, jak CEM III, CEM IV i CEM V. Godne jest podkreślenie bardzo dużego w późniejszym czasie przyrostu wytrzymałości na ściskanie betonu z cemen­ tu hutniczego i niewiele mniejszego z cementu pucolanowego (rys. 6. 14 ). Stąd w praktyce inżynierskiej, w celu wykonania betonów o różnej wytrzymałości i o różnym przeznaczeniu, należy nie tylko przyjąć odpowiedni stosunek w/c, ale także dobrać kruszywo i cement właściwego rodzaju i klasy.

Wytrzymałość betonu na rozciąganie Istotny wpływ na wytrzymałość na rozciąganie zaczynu ma rozkład - wielkości porów, a nie tylko jego porowatość całkowita (rys. 6. 15). Spadek wytrzymałości zaczynu występuje przy wzrastającej wielkości największych porów w zaczynie, co potwierdza wnioski wynikające z teoretycznych rozważań Griffitha.

!er wpływają te same czynniki fe, to zależność między wytrzymałością betonu

Choć na wytrzymałość betonu na rozciąganie co na wytrzymałość na ściskanie

na rozciąganie i na ściskanie nie jest liniowa (rys. 6. 1 6). Proporcja obu wytrzyma­ łości !a/ fe ma charakter wyraźnie malejący wraz ze spadkiem w/ c i wynosi od

6.2. Beton zwykły

367

40 30 OJ

a.. � 20

Rysunek 6.15. Wytrzymałość na

..fJ

2

10

rozciąganie zaczynu w funkcji średnicy największego pora n a przełamanej powierzchni [60) I - · 0,18 ,;;; w/c ,;;; 0,20; 2 - 0,30 ,;;; ,;;; w/c ,;;; 0,50

o

o

4

3

2

5

d, nm

"'

"'

0,08 "" "'

0,07

�

o

o

"'

o

f,,

f,, f,,

o

li

li o

o

0,06 Rysunek 6.16. Stosunek wytrzyma!ości na rozciąganie do wytrzyma!ości na ściskanie betonu w wieku 28 dni jako funkcja średniego wymiaru ziaren kruszywa i w/c [6)

w/c: I - 0,35; 2 - 0,45; 3 - 0,55; max wymiar ziaren: a o /J. - 9,5 mm, O o f,, - 19 mm, O O li - 38 mm

3

li

o

a o

0,05

o

2,54

5,08

7,62

18,15

$redni wymiar ziaren. mm

ok. 0,1 2 (dla betonów najsłabszych) do 0,05 (dla betonów najlepszych). Świadczy to oczywiście o wzroście kruchości. Wśród czynników mających duży wpływ na wytrzymałość na rozciąganie oprócz w/ c często wymienia się kruszywo, a w tym wielkość ziaren, kształt i przyczepność minerałów kruszywa do zaczynu cemen­ towego (rys. 6. 1 6). Wytrzymałość betonu na rozciąganie (w MPa) może być także szacowana na podstawie wytrzymałości na ściskanie (w MPa) z wyraźnym zaznaczeniem

368

6.

Beton zwykły, wysokowartościowy i specjalny

wpływu rodzaju kruszywa grubego wzorem

[39)

2/3

(6.19)

ferm = 11 fc

gdzie 17 współczynnik doświadczalny zależny od rodzaju kruszywa; dla kru­ szyw żwirowych można z przybliżeniem przyjmować 11 0,232, a dla -

=

kruszyw łamanych

11 = 0,278.

W PN-B-03264:2002 nie uwzględnia się rodzaju i wielkości ziaren kruszywa i zaleca, aby średnią wytrzymałość betonu na rozciąganie ferm obliczać na pod­ stawie wytrzymałości charakterystycznej na ściskanie

fck (w MPa) bez uwzględ­

nienia rodzaju kruszywa ze wzoru

2/3

(6.20)

ferm = 0 , 30fck

6.2.8. Wytrzymałość betonu w świetle norm W

PN-EN 206-1 :2003 i PN-B-03264:2002 za podstawę do określania większości

właściwości betonu przyjmuje się jego wytrzymałość na ściskanie badaną na jed­ nym z dwóch rodzajów próbek: sześciennych o wymiarach 150x 150x 150 mm lub walcowych o średnicy 150 mm i wysokości 300 mm Stosunek wytrzymało­ .

ści oznaczanej na próbkach sześciennych 150x 150x 150 mm do wytrzymałości na próbkach walcowych wynosi 1 ,25. Ponadto wg PN-EN 12390 do badań be­

1 OO, 200, 250 i 300 mm 1 00, 1 1 3, 200, 250 i 300 mm i o dwukrotnie więk­

tonu można stosować próbki sześcienne o krawędzi oraz walcowe o średnicy

szej wysokości niż średnica. O wyborze wielkości próbek do badań wytrzyma­ łości betonu na ściskanie decyduje wielkość największych ziaren stosowanego kruszywa. Według

PN-EN 206-1 :2003 klasa wytrzymałości na ściskanie betonu od­

powiada wytrzymałości charakterystycznej określanej na próbkach walcowych (fck ,cyt w MPa) lub na próbkach sześciennych 80% i C3S


70

MPa, zwykle używa się pyłu krzemionkowego (PK), jako szybko re­

agującego z Ca(OH)i dodatku puculanowego. Jest to bezpostaciowa krzemionka (80--98% Si02) o powierzchni właściwej ok. 20 000 m2 / kg, czyli ok. 50 razy większej niż cementu. Optymalna ilość pyłu krzemionkowego w stosunku do ce­ mentu portlandzkiego wynosi

6-12%.

Małe jego ilości stosuje się przy małym

w/c ze względu na niższy stopień hydratacji, a tym samym mniejszą ilość po­

wstającego Ca(OHh, ponieważ wysoce korzystne oddziaływanie PK wynika nie

tyle z fizycznego wypełnienia porów, ale z reakcji: Si02 + Ca(OH)i + nH20

-+

C-S-H. Przy zbyt dużej zawartości PK w spoiwie może nawet zaniknąć Ca(OHh

i obniżyć pH roztworu porowego w zaczynie, co już nie jest korzystne dla betonu zbrojonego. Inne mikrowypełniacze to drobno mielony lotny popiół krzemionko­ wy ulegający reakcji puculanowej i granulowany żużel wielkopiecowy stanowiący dodatek hydrauliczny. Jako kruszywo grube najlepiej jest stosować najwyższej jakości kruszywo ła­ mane ze skał litych o wytrzymałości na ściskanie większej niż

I OO MPa i o wy­

sokim współczynniku sprężystości oraz dużej przyczepności do zaczynu cemen­ towego. Najbardziej zalecane do BWW są frakcje dobrze jest stosować tylko dwie frakcje:

2-16 mm, przy fe > 100 MPa 2-4 i 4-8 mm. Jako kruszywo drobne

preferowany jest piasek naturalny, gruboziarnisty płukany bez ziaren mniejszych niż

0,25

mm. Piasek naturalny może być uzupełniany piaskiem łamanym, ale

wówczas należy stosować najbardziej aktywne superplastyfikatory.

6.3.4. Mikrostruktura BWW Wyraźna poprawa właściwości użytkowych BWW jest związana ze zmianami mi­ krostruktury zachodzącymi w wyniku obniżenia

w/c (w/c


M-

E (,)

b

N

[

-u

:8

,-,

I I

3,5 2

\/

3,0

Y

I ,,/ I ,/ I I

2,5 2,0 1,5

II ,' /

E 1 .0

o

--

t/

' I

, 0,5 ///I /

' '

/

�

';", \ \

I

\

l

\

3

\ V

\ ' \ \ ' \ l \ \ \

\

\\

'

,

' ... „ „

--- -

----

---

�-�s--

...._:::;= .,, ��-�_:;s:; '� - :::: - =:::==== :: �=:=� =--� ::..-� .::,; --� -;;::;;: o.o Ł�3.8 4,3 7,5 1 4 0,4 43 75 140 240 430 750 1400 2400 4800 7500 __

Promień poru, nm Rysunek 6.23. I

Rozkład wielkości porów w BWW o różnym stosunku w/c [27]

- 0,3; 2 -0,35; 3 - 0.4

Mimo znacznego wyeliminowania porów kapilarnych w strukturze BWW przy

w/c < 0,38, wytrzymałość BWW nadal jest zależna od porowatości i w/c.

Pozo­

stające w zaczynie cementowym niezhyclratyzowane ziarna cementu pełnią funk­ cje rnikrowypełniacza dobrze połączonego chemicznie z zaczynem. Tu należy przypomnieć, że przy

w/c > 0,38

(a więc możliwej !OO-procentowej hydratacji)

wytrzymałość zaczynu cementowego jest przede wszystkim związana z porowa­ tością kapilarną i jej mikrostrukturą. Zmniejszenie grubości warstwy kontaktowej jako najsłabszej części w struk­ turze betonu, od której zależy przyczepność kruszywa do stwardniałego zaczy­ nu cementowego (p. 6.2.6), jest związane z obniżeniem

w/c

i wprowadzeniem

PK (rys. 6.24). Polega to na częściowym wyrównaniu (już w mieszance) ilości wody w warstwie kontaktowej i zaczynie matrycy, a powodowane jest przez kil­ kakrotne zwiększenie powierzchni spoiwa, którą musi zwilżyć woda zarobowa.

384

6. Beton zwykły, wysokowartościowy i specjalny

15

1 2

O+-�������----..-��-.-���_,_ o

10

20

30

40

50

Odległość od powierzchni kruszywa, µm

Rysunek 6.24. Porowatość stre­ fy kontaktowej betonu bez pyłu krzemionkowego i z pyłem krze­ mionkowym [53] I - bez PK. 2 - z PK

Jako wyjaśnienie może posłużyć następujący przykład [22]: grubość bezpośred­ nio przylegającej błonki wody do ziaren kruszywa przy w/c = 0,5 bez PK wynosi I µm, przy w/c = 0,25 bez PK wynosi 0,6 µm, a przy w/c = 0,25 i z PK tylko O, I µm. Dodatkowy korzystny efekt jest związany z ogólnym zmniejszeniem za­ wartości w zaczynie Ca(OHh, które ma miejsce także w warstwie kontaktowej, gdzie gromadzi się największa względna ilość wodorotlenku. W konsekwencji zmniejszenia ilości wody następuje wyraźne żmniejszenie porowatości w obsza­ rze warstwy kontaktowej, co zbliża jej wytrzymałość do matrycy i równocześnie zwiększa przyczepność do ziaren kruszywa. 6.3.5. Wytrzymałość BWW na ściskanie Obniżenie stosunku woda/spoiwo w mieszance betonowej powoduje wyraźny wzrost wytrzymałości na ściskanie (rys. 6.25). Największy przyrost fe występuje przy zmniejszeniu w/s od 0,4 do 0,3. Wytrzymałość BWW z cementu portlandz­ kiego z PK o w/s w granicach 0,2--0,35 osiąga w ciągu pierwszych 3 lub 4 dni nawet 80% fc28 (rys. 6.26). Jest to efekt szybkiej reakcji Ca(OHh z pyłem krze­ mionkowym i małego stosunku w/s. Natomiast bardziej równomiernie rozłożony przyrost wytrzymałości w czasie został stwierdzony dla betonu, w przypadku którego do spoiwa oprócz PK dodano 30% drobno mielonego żużla wielkopie­ cowego. Jak widać, otrzymano bardzo dobry efekt, który warto powtarzać: po 28 dniach przy stosunku w/ (c + PK + ż) 0,3 wytrzymałość tego betonu była wyższa niż betonu przy w/s = 0,27 z cementu portlandzkiego z pyłem krzemion­ kowym. Wpływ wytrzymałości kruszywa grubego na wytrzymałość na ściskanie jest znacznie większy w BWW niż w betonach zwykłych. Według niektórych auto=

6.3.

Beton wysokowartościowy (BWW)

385

rów jest ona zależna także od modułu sprężystości kruszywa. Nie można jednak zapomnieć o bardzo dużym wpływie przyczepności kruszywa do zaczynu na kształtowanie wytrzymałości BWW. Obrazem tego jest np. duża różnica fe beto­ nów z kruszywa wapiennego i granitowego (rys. 6 .27 ) [50]. "' IL :E

.g 120 -� 115

� 110 � 105 � 100

·2

Rysunek 6.25. Wytrzyma­ łość kostkowa betonów w wie­ ku 56 dni w zależności od w/s [I)

I - beton I; 2 - beton 2; 3 - beton 3; 4 - beton 4

95 90 85 80 75 E 70 � 65 L..-.����0,42 0,5 0,36 0,31 0,28 wis

� ·!Il : � :Q "'

�

120 100 IL :E

"' 80

,._

5

60

6

40 Rysunek 6.26. Wytrzymałość walcowa betonów o różnym sto­ sunku w/(c+PK) [33)

20 7

I - 0,22; 2 - 0,25; 3 - 0,27; 4 - 0,3; 5 - 0.35; 6 - 0,4; 7 - 0,6

14 Czas, dni

21

28

"' 150

IL :E ..l> Q)

·c: "'

""" "'

·5 '"' "' c - ..,,

Rysunek 6.27. Wytrzymałość na ściskanie BWW z różnymi kruszywami (w/s=0,28) [50)

�

E

100

50

�

>.

�

o

-c Q)

·a.

�

Ol "O c Q) :c

E o I

�

Q) -o c

80

fcim

betonu

MPa praktycznie nie wy-

6.3.

387

Beton wysokowartościowy (BWW)

6 • •

• •

•

•

• • •

•

•

0-+-������--0 1 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 1 0 120 Wytrzymałość walcowa na ściskanie, MPa

Rysunek 6.28. Wytrzymałość betonu na rozciąganie w zależności od wytrzymałości na ściska­ nie (49]

stępuje przyrost wytrzymałości na rozciąganie. Rozważane jest nawet przyjęcie jednej wartości ferm dla BWW, która miałaby wynosić ok. 5 MPa. Efekt słabego zwiększenia fer wynika z tego, że włączenie ziaren kruszywa do przenoszenia naprężeń rozciągających w BWW zachodzi dużo trudniej niż w przypadku naprężeń ściskających, a ponadto same kruszywa (skały) są mate­ riałami kruchymi. Wytrzymałość na rozciąganie samych skał, z których pochodzą kruszywa, jest bliska wytrzymałości !er BWW.

6.3.7. Współczynnik sprężystości Wraz ze wzrostem wytrzymałości na ściskanie przyrosty współczynnika sprę­ żystości BWW mają charakter malejący (przypominają przebieg wytrzymałości tych betonów na rozciąganie). Wartość współczynnika sprężystości zarówno dla betonów zwykłych, jak i BWW jest podawana za pomocą różnych wyrażeń w za­ leżności od ich wytrzymałości na ściskanie !ck > które jednocześnie obejmują obydwa rodzaje betonu (tabl. 6.1 3). Tablica 6.13. Wartość współczynników sprężystości wg Eurokodu 2-1 i PN-B-3264:2002 BZ

Współczynnik sprężystości, GPa

B15

Ecm

26

I B45 1 33,5

B60 37

I C60/75 i 39

BWW C70/85

C80/95

41

42

I

I

C90/l 05 44

W żadnej z wymienionych norm nie są podane uwagi, które w przyjmowaniu wartości Ee zalecałyby także uwzględnienie wpływu składu betonu, a w szcze­ gólności rodzaju kruszywa bądź ewentualnie gęstości betonu.

388

6.

Beton zwykły, wysokowartościowy i specjalny

Mimo wysokiej wytrzymałości betonu i skały wartość modułu sprężystości betonu może być relatywnie bardzo niska. Jako przykład doświadczalny można wymienić BWW z dwóch par kruszyw, piaskowca i granitu [5] oraz granitu i ba­ zaltu [3] (rys. 6.29), z czego wynika jednoznaczny wniosek, że nie wytrzymałość betonu lecz kruszywo grube decyduje o współczynniku sprężystości BWW. „

a.. (!)

60 BWW

50 w"

� 40 "'

�

� 30

Q. "'

� 20

ł

10

� o

„ a..

.!!! ,... ;ł o o � � li

o ::!:

„

a..

::!:

%� «; li

„ a..

::!:

1 20 "' 1 00

e

...

b

�

':.i

80 60 40

J

20 0,2

-

V

�

04 • wie

I f I

0,6

0,8

Rysunek 6.35. Wpływ stosunku w/c na współczynnik wodoprzepuszczalno�ci za­ czynu cementowego [47]

wodoprzepuszczalność betonu można określać wartością ciśnienia, przy której na­ stępuje (po założonym okresie czasu, np. 24 godz.) przeciek wody przez próbkę normową. Innym sposobem oceny szczelności betonu jest wyznaczenie współ­ czynnika przepuszczalności wg równania (6.26). Nie można zapominać, że zbyt duża przepuszczalność, a nie zbyt niska wytrzymałość, jest główną przyczyną de­ strukcji betonu przy jego kontakcie ze środowiskiem wilgotnym lub roztworami wodnymi. Ogólnie jest wskazane, w związku ze zjawiskiem sorpcji wody w betonie, aby w przypadku kontaktu z powietrzem o dużej wilgotności jego nasiąkliwość była mniejsza niż 5%. Natomiast wg PN-9 1/S-1 0042 nasiąkliwość betonów mosto­ wych powinna być ograniczona do 4%. Jeśli beton będzie przebywał w wodzie (np. fundamenty, konstrukcje mostowe i podziemne, budowle wodne), to jego nasiąkliwość nie może przekraczać 4%. W celu przybliżenia procesów niszczenia betonu w następnym punkcie przed­ stawiono kilka najczęściej występujących przykładów pojedynczej agresji che­ micznej i fizycznej. W rzeczywistości w czasie eksploatacji konstrukcji betono­ wej wiele przypadków agresji może zachodzić razem lub na przemian (np. od­ działywanie mrozu, chlorków i karbonatyzacja; korozja siarczanowa i chlorkowa; reakcja alkalia-kruszywo i karbonatyzacja).

6. Beton zwykły, wysokowartościowy i specjalny

400

6.4.4. Rodzaje agresji chemicznej i fizycznej Korozja rozpuszczająca Proces korozji rozpuszczającej polega przede wszystkim na wzmożonej dyfuzji i wypływie roztworu z jonami wapnia ze stwardniałego zaczynu cementowego. Zachodzi to w wyniku zwiększonej dysocjacji portlandytu, a nawet innych faz stwardniałego zaczynu cementowego lub powstawania w reakcjach korozyjnych łatwo rozpuszczalnych soli wapniowych (tabl. 6. 1 6). Tablica 6.16. Rozpuszczalność związków wapnia w wodzie w temperaturze 20°C [14] Nazwa związku Wodorotlenek wapnia Węglan wapnia

Wzór

Ilość, mg/I

Ca(OHh

1230

CaC03

14

Ca(HC03)z

165 000

Chlorek wapnia

CaCl2

680000

Fluorek wapnia

CaF2

15

Siarczan wapnia

CaS04

2016

Kwaśny węglan wapnia

W praktyce do niszczenia betonu w wyniku procesu rozpuszczania dochodzi wówczas, gdy działa na ten materiał woda miękka, woda zawierająca agresywny dwutlenek węgla, roztwory kwasów i wody opadowe (tzw. kwaśny deszcz) oraz roztwory soli mocnych kwasów.

Woda miękka. Rozpuszcza ona łatwo portlandyt (tabl. 6. 1 6), którego roz­ puszczalność jest największa w zaczynie (oprócz związków alkaliów): H20

2 Ca(OH)z .'.:::::; Ca + + 20HAby rozpuszczanie mogło być kontynuowane, jest potrzebny ciągły dopływ czystej wody i wypływ jonów wapnia z porów zaczynu. Stąd proces ten bar­ dzo szybko postępuje w betonie o dużej przepuszczalności oraz przy działaniu wody pod ciśnieniem przy parciu jednostronnym. Agresywność wody miękkiej . zwiększa się w niskiej temperaturze, gdyż rozpuszczalność Ca(OH)z jest wtedy największa.

Woda zawierająca agresywny dwutlenek węgla. Reakcja Ca(OH)z z dwu­ tlenkiem węgla przebiega tylko i wyłącznie w obecności wody, jednak sama kar­ bonatyzacja zachodzi najszybciej przy wilgotności względnej powietrza 40-70%

[55) : I karbonatyzacja Ca(OHh + H20 + C02

->

II rozpuszczanie CaC03 + agrC02 + H20

CaC03 + 2H20

->

Ca(HC03)z

6.4. Trwałość betonu

401

CaC03 powstający najpierw na powierzchni zewnętrznej uszczelnia tam beton (objętość CaC03 jest o ok. 1 1 % większa od objętości Ca(OH)i), a rozpuszczal­ ność jego jest o ok. 1 OO razy mniejsza niż wodorotlenku wapnia. Efekt ten jest

tylko pozornie korzystny dla betonu, ponieważ równocześnie następuje znacz­ ne obniżenie pH roztworu porowego w zaczynie. Jeśli głębokość karbonatyzacji przekroczy grubość otuliny, stal zbrojeniowa ulega korozji.

Drugi stopień korozji węglanowej jest kontynuowany wówczas, gdy beton

pozostaje w bezpośrednim kontakcie z wodnym roztworem kwasu węglowego. Za agresywny C02 należy uważać tę część wolnego C02. która nie jest potrzebna do utrzymywania w roztworze kwaśnych węglanów. Kwaśny węglan wapnia jest ok. 1 0 000 razy łatwiej rozpuszczalny niż CaC03 (tabl. 6. 1 6). Zmniejszająca się głębokość karbonatyzacji betonów przy malejącym stosun­ ku w/c jednoznacznie potwierdza, że głównym czynnikiem decydującym o od­ porności betonu jest właśnie przepuszczalność (rys. 6.36).

E E '� 25

6 5 4 3

� 20 c

.e

�

o(.) ..,, o � o D Q)'

Rysunek 6.36. Głębokość karbo­

natyzacji betonu o różnym współ­ czynniku w/c [55)

10 5

(3 o

I - 0,3: 2 - 0,4; 3 - 0,45: 4 - 0,55: 5 - 0,65; 6 - 0,75

�}

15

o

5

15 10 Czas, lata

Roztwory kwasów i wody opadowe (tzw. kwaśny deszcz).

BWW

20

Typowa reakcja

zobojętnienia wodorotlenku wapnia, który należy do najbardziej reaktywnych faz w zaczynie cementowym, przebiega wg reakcji przedstawionej przykładowo dla kwasu solnego:

2H+

+

2HCI

+

Ca(OH)2

-+

2H20 + CaCl2

2CI-

+

Ca(OH)2

-+

2H20 + Ca2+

+ 2CI-

Kwasy silnie zdysocjowane, a w szczególności mocne, jak np. HCl, HN03, H2S04 , reagują praktycznie ze wszystkimi składnikami zaczynu. Większość po­ wstających soli wapnia ma większą rozpuszczalność niż Ca(OH)i. Kwasy nie tyl­ ko niszczą beton, ale także wywołują intensywną korozję zbrojenia. Wyjątkiem są kwasy fosforowy, ftuorokrzernianowy czy szczawiowy, które nie powodują uszkodzeń betonu.

6. Beton zwykły, wysokowartościowy i specjalny

402

Roztwory soli chlorkowych, azotanowych, niektórych siarczanów, soli nie­ których kwasów organicznych . Reakcje soli mocnych kwasów i słabych zasad

z wodorotlenkiem wapnia przypominają w wielu przypadkach agresję kwasów:

Powstające sole wapnia są dużo łatwiej rozpuszczalne niż Ca(OH)i. Jony wapnia mogą łatwo opuszczać zaczyn i przechodzą do roztworu.

Skutki korozji rozpuszczającej . Głównym skutkiem zmniejszania

się zawar­

tości Ca(OHh w stwardniałym zaczynie cementowym przez rozpuszczanie jest nie tylko zmniejszenie masy zaczynu (czyli zwiększenie porów i przepuszczal­

ności), ale także stopniowe (od strony dostępu roztworu) obniżenie wartości pH

w roztworze porowym zaczynu (rys. 6.37). Faza krystaliczna portlandytu ulega

etan nie uszkodzony

Strefa uszkodzenia betonu

Portlandyt Żel Roztwór Al(OH)J Gips korozyjny łub woda miękka Żel Si02

Żel Al(OHh Gips

C4AH13

AFt .

Żel Si02 odwapnione: C-S-H :

Rozpad Rozpad betonu C-S-H

8,8-10

I:

Żel Ał(OH)J Gips

Częściowo odwapnione C-S-H

Rozpad AF!

10,7

Rozpad AFm

11,7

Odwapnianie C-S-H Depasywacja i korozja stali

I

•

AFm

AFm

AF!

AFt

C-S-H

C-S-H

Granica rozpuszczalności portlandytu

12,5

pH

I

•

Rysunek 6.37. Wpływ wartości pH na trwałość faz zaczynu cementowego

rozpuszczaniu przy pH mniejszym niż 12,4-12,5. Zmniejszanie stężenia jonów hydroksylowych i wapniowych powoduje rozpad C4AH13, a fazy siarczanogli­ nianowe przechodzą w gips i żel wodorotlenku glinowego. Przy pH< 1 1 ,7 ulega rozpadowi monosiarczan (AFm), a przy pH< 1 0,7 faza etringitu (AFt). Wraz z ubytkiem Ca(OHh i ze spadkiem pH następuje stopniowe odwapnianie pod­ stawowej fazy zaczynu C-S-H, a przy pH< JO możliwy jest jej całkowity rozpad. Obniżenie pH roztworu porowego poniżej 1 1 ,8 powoduje duże zagrożenie dla konstrukcji betonowych zbrojonych, ponieważ umożliwia depasywację stali i jej korozję.

6.4. Trwałość betonu

403

W celu zwiększenia odporności betonu na proces rozpuszczania należy zmniej­ szyć przepuszczalność betonu przez obniżenie stosunku w/c. Bardzo korzystne jest także zastosowanie dodatków pucolanowych i hydraulicznych, które zwięk­ szają zawartość najmniej rozpuszczalnej fazy C-S-H. Dobrą odporność na koro­ zję siarczanową może mieć także beton z cementu portlandzkiego bez dodatków o ograniczonej zawartości faz C3S, C3A.

Korozja siarczanowa Korozja siarczanowa betonu zachodzi w wodnych roztworach soli siarczanowych, kwasu siarkowego i w wilgotnym powietrzu zawierającym S03. Oprócz stężenia agresywność roztworów różnych soli zależy od ich rozpuszczalności, własnego pH roztworu soli oraz w bardzo dużym stopniu od postaci Uonowa w roztwo­ rze, żelowa, krystaliczna łub gazowa) i zasadowości wodorotlenku będącego pro­ duktem ubocznym korozji (wyrafoie zróżnicowanie w postaci wodorotlenków zaznaczono w reakcjach przedstawionych w tym punkcie) [45]. 3 Do najbardziej agresywnych soli należą: BeS04 przy stężeniu 3g/dm , pH 3,2; AJi(S04)3 pH 2,4; (NH4)2S04 pH 5,5; MnS04 pH 2,9. Najmniej agresywne są siarczany prawie nierozpuszczalne: BaS04, PbS04, SrS04. Praktycznie korozja siarczanowa betonu jest przeważnie związana z oddziaływaniem CaS04, Na2S04, MgS04 i (NH4)iS04. Wśród faz stwardniałego zaczynu cementowego do najbardziej podatnych na agresję siarczanową należą: C4AH13, C3A·CaS04·H12, Ca(OH)i. Bardziej odpor­ ne są fazy glinożelazianów z przewagą żelaza (grupa AFm), a najbardziej odporna jest faza C-S-H. Niszczenie betonu jest związane z powstawaniem etringitu i gip­ su, które wywołują wzrost objętości, a następnie zarysowanie, a nawet pękanie. W okresie początkowym nie występuje spadek wytrzymałości, lecz jej przyrost potwierdzający początkowe uszczelnianie porów pęczniejącymi produktami ko­ rozji. W niektórych przypadkach niszczenie jest dodatkowo znacznie przyspie­ szane przez rozpuszczanie (np. (NH4)2S04), które może nawet przejąć decydują­ cą rolę. Szczególny charakter reagowania CaS04 z zaczynem cementowym jest zwią­ zany ze wspólnym kationem wapniowym w roztworze agresywnym i w zaczynie. Dlatego reakcję tę jako jedyną można interpretować jako czystą agresję jonów na zaczyn bez współdziałania produktów ubocznych korozji siarczanowej. W procesie korozji w roztworze CaS04 z glinianu C4AH13 i monosiarczanu powstaje etringit, który w tym roztworze jest przyczyną ekspansji powodującej niszczenie betonu :

so�-

C3ACaS04 · 1 2H20 + 2CaS04 + 20H20

C3ACa(OH)2 · 1 2H20 + 3CaS04 + 20H20

___.

___.

C3A· 3CaS04·32H20

C3A3CaS04·32H20 + Ca(OH)z

404

6.

Beton zwykły, wysokowartościowy i specjalny

Również podczas agresji roztworów Na2S04, MgS04 i (NH4)2S04 produktem korozji niszczącym beton jest etringit, powstający zgodnie z reakcjami (podanymi przykładowo dla Na2S04): C3A·Ca(0Hh· 12H20 + 3Na2S04 + 2Ca(0Hh + 20H20 + + 60H--+ C3A· 3CaS04·32H20 + 6Na

-+

C3A·CaSOd2H20 + 2Na2S04 + 2Ca(0Hh + 20H20 -+ + + 40H--+ C3A· 3CaS04·32H20 + 4Na Podczas reakcji roztworów siarczanowych z Ca(OHh w zaczynie cemento­ wym powstaje także gips dwuwodny, co na przykładzie MgS04 można zapisać następująco: Ca(OHh + MgS04 + 2H20 -+ CaS04·2H20 + Mg(OHh żel Gips jest również przyczyną ekspansji niszczącej beton. Trudno jest jedno­ znacznie uogólnić, który z produktów korozji ma decydującą rolę w niszczeniu betonu. Zależy to od wielu czynników materiałowych i środowiska. Wiadomo jest, że w stacjonarnych roztworach siarczanów metali alkalicznych (zwykle o pH 6--7 , ale o dużej rozpuszczalności) przewaga leży po stronie etringitu, a gips dwuwod­ ny wytrąca się w małej ilości. Przyczyną tego jest m.in. pozostawanie w roztworze silnie zdysocjowanych wodorotlenków [ 45). Stąd np. K2S04 nie zalicza się do so­ li o dużej agresywności. Natomiast w roztworze H2S04, (NH4hS04 i innych soli o niskim pH przeważa gips, szczególnie po dłuższym okresie działania. Większa możliwość 'powstawania gipsu ma miejsce wówczas, gdy kation soli opuszcza roztwór, w którym zachodzi reakcja (np. żel Mg(OHh, NH3 w postaci gazowej ). Biorąc pod uwagę zaistniałe przypadki uszkodzeń podpór mostowych i bu­ dowli wodnych, należy wspomnieć, że możliwe jest nie tylko chemiczne, ale także fizyczne niszczenie betonu przez ekspansywną krystalizację gipsu lub soli glau­ berskiej (Na2S04 · I OH20) w wyniku nasiąkania roztworem CaS04 lub Na2S04 i wysychania betonu. Przy długotrwałym oddziaływaniu bardziej agresywnych roztworów (takich jak (NH4)iS04, MgS04) dochodzi w zaczynie cementowym do dużego ubytku Ca(OHh, co powoduje rozpad etringitu na żel wodorotlenku glinu i gips: 3CaO·Ah03 ·3CaS04·32H20 + 3MgS04 -+ -+ 6(CaS04·2H20) + 2Al(OH)3 + 3Mg(0Hh żel + 14H20 3CaO·Ah03·3CaS04·32H20 + 3(NH4)2S04 -+ -+ 6(CaS04·2H20) + 2Al(OH)3 + 6NH3 gaz + 20H20

so�-,

Pobieranie wodorotlenku Ca(OHh w reakcjach z jonami a także roz­ puszczanie i wydalanie go do roztworu siarczanowego obniża pH zaczynu i wy­ wołuje nawet stopniowe odwapnianie fazy C-S-H:

6.4. Trwałość betonu ---+

405

3Ca0·2Si02 ·3H20 + 3MgS04 + (6+2n)H20 --+ 3(CaS04·2H20) + 3Mg(OH)i żel + 2(Si02·nH20) żel

Tym samym może dochodzić do całkowitego zniszczenie zaczynu cementowego. Mimo dużej agresywności roztworów siarczanowych jest możliwa znaczna poprawa odporności siarczanowej betonu przez zmniejszenie jego przepuszczal­ ności zachodzącej przy obniżeniu w/c (rys. 6.38a) oraz przez zastosowanie ce­ mentu portlandzkiego o bardzo małej zawartości C3 A (np. C3 A

Rysunek 7.9. Płyty gipsowe ścienne wg PN-B- 19402 : 1 996: a) pełna, b) drążona

7. 1.

441

Wyroby z zaczynów gipsowych

- D - drążone, do budowy lekkich ścianek działowych, - H - impregnowane (hydrofobowe), do budowy ścian działowych w pomieszczeniach o okresowo podwyższonej wilgotności względnej powietrza wyższej niż 70% (np. w łazienkach). Wskaźniki izolacyjności akustycznej są następujące: - dla ścian z płyt grubości 0,08 m Rw 37 dB, - dla ścian z płyt grubości O, 1 0 m Rw = 40 dB. Ściany z płyt gipsowych pełnych mają ognioodporność I godz. oraz są kla­ syfikowane jako nierozprzestrzeniające ognia (klasa F3). Pozostałe właściwości ściennych płyt gipsowych podano w tabl. 7.4. =

Tablica 7.4. Właściwości ściennych bloków gipsowych [12]

Rodzaje bloków Parametry

Grubość, m

P-pełne (zwykłe, standard) 0, 1 0

0,08

Długość x wysokość, m

D (drążone) 0,08

H-hydro (impregnowane) 0,08

0,10

0,666x0,500

Masa płyty, nie więcej niż, kg

27

34

21

27

34

Masa l m2 , nie więcej niż, kg (zużycie: 3 szt. na l m2 ściany)

81

104

63

81

104

Wilgotność, nie więcej niż, %

5

Nasiąkliwość, nie więcej niż, % Nośność, nie mniej niż, N Twardość, nie mniej niż, stopień Shora Kolor

10

50 2000

2000

2000

60

60

60

biały

zielony

Bloki ścienne ORTH są produkowane z gipsu pochodzącego z odsiarczania spalin. Wymiary bloków wynoszą 0,08 x0,5 x 0,666 m i mają gęstość objętościo­ wą 900 kg/m3 . Na terenie Niemiec są produkowane także bloki grubości 0,06 3 i 0, 10 m o gęstości objętościowej do 1200 kg/m . Bloczki ORTH mają równo­ mierny rozkład gęstości w całej swojej objętości, czego nie można zapewnić przy produkcji wyrobów z gipsu zwykłego. Płyty gipsowo-kartonowe i płyty warstwowe gipsowo-kartonowe Płyty gipsowo-kartonowe znane są w Polsce od ponad 40 lat

i są stosowane do wykonywania okładzin na ścianach i sufitach, zastępując tradycyjne tynki. Obec­ nie coraz częściej są używane do wznoszenia lekkich ścian działowych o dobrej

442

7.

Wyroby z zaczynów, zapraw i betonów

izolacyjności akustycznej i wykonywania sufitów podwieszonych, ogniochron­ nych obudów elementów konstrukcyjnych, podłóg pływających i podkładów pod posadzki. Płyty są produkowane z gipsu naturalnego i gipsu syntetycznego. Płyta gipsowo-kartonowa składa się z warstwy związanego, modyfikowane­ go gipsu budowlanego, obłożonego specjalnym kartonem na obu zewnętrznych płaszczyznach oraz na krawędziach bocznych. Krawędzie czołowe (pozostałość po cięciu na linii produkcyjnej) nie są obłożone. Jedna ze stron płyty pełni funk­ cję jej lica i jest skierowana po zamontowaniu w stronę wnętrza pomieszczenia. Niewidoczna po zamontowaniu strona płyty ma nadruk z symbolem producenta. W zależności od materiałów użytych do produkcji płyt rozróżnia się następujące rodzaje płyt: - GKB - płyta gipsowo-kartonowa wykonana z gipsu budowlanego, obłożona obustronnie specjalnym kartonem, - GKF - płyta gipsowo-kartonowa o podwyższonej odporności ogniowej, o rdze­ niu gipsowym zawierającym dodatkowo domieszkę włókna szklanego, - GKBI - płyta gipsowo-kartonowa wykonana z gipsu hydrofobizowanego, ob­ łożonego kartonem impregnowanym (w kolorze zielonym), - GKFI - płyta wodoodporna, ogniochronna wykonana z hydrofobizowanego · gipsu z dodatkiem włókna szklanego, obłożona kartonem impregnowanym, - GKGV - płyta podłogowa, rdzeń gipsowy wzmocniony włóknem szklanym, obłożona kartonem o dużej wytrzymałości Płyty te mają rodzaje krawędzi bocznych: prosta (KP), okrągła (KO), spłasz­ czona (KS), półokrągła (KPO) i półokrągła spłaszczona (KPOS). Typy krawędzi przedstawiono na rys. 7 . 1 0. Właściwości i wymagania stawiane płytoin gipsowo­ -kartonowym określone są w PN-B-79405: 1 997 oraz PN-B-79406: 1 997.

Rysunek 7.10. Typy krawędzi płyt gipsowo-kartonowych: a) prosta, b) okrągła, c) spłaszczona, d) pół­ okrągła, e) półokrągła spłaszczona

Podstawowe właściwości i wymagania zestawiono w tabl. 7.5. Płyty mają szerokość 0,6-1 ,25 m, grubość 9,5; 1 2,5; 15; 20 i 25 mm oraz długości 2-4 m. Charakterystykę poszczególnych rodzajów płyt i ich zastosowanie można przed­ stawić następująco [7]. Płyty zwykłe GKB mogą mieć grubość 9,5 lub 1 2,5 mm (o większej wytrzy­ małości). Karton ma kolor jasnoszary. Płyty zwykłe są przeznaczone do montażu w pomieszcz.eniach, których wilgotność względna nie przekracza 70%. Służą do wykonywania suchych tynków na ścianach i sufitach oraz są stosowane jako po-

7. I.

Wyroby z zaczynów gipsowych

443

szycie konstrukcji ścian i sufitów w lekkich systemach zabudowy szkieletowej wnętrz. Płyty standardowe mocuje się klejem gipsowym do istniejących ścian po uprzednim ich zagruntowaniu lub do konstrukcji szkieletowych za pomocą wkrę­ tów. Z płyt zwykłych GKB można także wykonywać łuki i wygięcia na ścianach

600 mm. 6,5 mm. Ich rdzeń gipsowy jest zbro­

i sufitach, których promień nie jest mniejszy niż Płyty GKB (renowacyjne) mają grubość

jony włóknem szklanym i obłożony specjalnym kartonem nadającym płycie dużą wytrzymałość. Płyty renowacyjne są przewidziane do robót remontowych. Zale­ cane są do wykonywania krzywizn o małych promieniach, jednak nie mniejszych niż

300 mm. Płytę renowacyjną można montować na ścianach drewnianych, otyn­

kowanych, ceglanych, betonowych itp. Przy montażu tych płyt nie jest wymagana wymiana ościeżnic. Płyty GKBI (wodoodporne) mają grubość

1 2,5 mm. Dzięki dodaniu preparatu

krzemoorganicznego do rdzenia gipsowego ich nasiąkliwość ograniczona jest do

10%. Rdzeń gipsowy jest obłożony obustronnie kartonem koloru zielonego. Płyty te można montować w pomieszczeniach o wilgotności względnej przekraczającej

70% (do 85% przez najwyżej 10 godz. na dobę). Przeznaczone są do wykony­ wania suchych tynków na ścianach i sufitach oraz stosowane są jako poszycie w lekkich systemach zabudowy wnętrz. Płyty gipsowo-kartonowe GKF (ogniochronne) mają grubość

12,5 mm. Ich

rdzeń gipsowy jest zbrojony włóknem szklanym i obustronnie obłożony jasnym kartonem. Płyty GKF można montować w pomieszczeniach o wilgotności względ­ nej nie przekraczającej

70%. Przeznaczone są do wykonywania lekkiej zabudowy,

jako przegrody chroniące elementy konstrukcyjne budynków przed działaniem ognia. Płyty gipsowo-kartonowe (wodo- i ogniochronne) mają grubość

12,5 mm.

Łączą w sobie cechy płyt GKF i GKBI. Podobnie jak w wymienionych płytach, rdzeń gipsowy zawiera dodatek środka hydrofobizującego i włókna szklane. Obło­ żony jest kartonem koloru zielonego. Płyty te są przeznaczone do dodatkowego zabezpieczenia przeciwpożarowego ścian, sufitów, słupów i dźwigarów w po­ mieszczeniach, w których wilgotność względna może przekraczać nie dłużej niż

lO

70%, jednak

godz. na dobę.

Płyty GKGV (podłogowe), grubości często przekraczającej

12,5 mm, prze­

znaczone są jako podkład pod parkiet, płytki ceramiczne, pokrycia dywanowe itp. Ponadto mogą być stosowane jako podłogi pływające. Mają dużą wytrzymałość na ściskanie. Ich rdzeń gipsowy jest wzmocniony włóknem szklanym i umiesz­ czony pomiędzy dwiema warstwami kartonu o dużej wytrzymałości. Płyty pod­ łogowe są przeznaczone zarówno do prac wykończeniowych w nowych budyn­

kach, jak i do prac modernizacyjnych. Dobrze izolują strop pod względem akus­ tycznym, tłumią odgłosy stąpania.

t

Tablica 7.S. Właściwości płyt gipsowo-kartonowych wg PN-B-79405:1997

Rodzaje

Właściwości GKB

GKBI

GKF

GKFI

Powierzchnia

równa, gładka, bez uszkodzeń kartonu, narożników i krawędzi

Przyczepność kartonu do rdzenia gipsowego

karton powinien być złączony z rdzeniem gipsowym w taki sposób, żeby przy odrywaniu ręką rwał się, nie powodując odklejania się od rdzenia 9,5 ± 0,5 12,5 ± 0,5

grubość

1 5 ± 0,5

Wymiary, mm

� 1 8 ± 0,5 szerokość

60o

_

g

1 2,5 ± 0,5 1 5 ± 0,5

� 1 8 ± 0,5

9oo_g

1 2,5 ± 0,5

1 2,5 ± 0,5

1 5 ± 0,5

1 5 ± 0,5

Prostopadłość, mm

1 2oo_ g

l25o_g

%

-

-

�

�

o..

N

� i:! �

� �

Masa I m2 , kg

Wilgotność,

N

. '° '°

8.

500

Betony lekkie

Tablica 8.3. Marka kruszywa i zakres stosowania wg PN·86/B·23006 Wymagania dla marki kruszywa określonej wg PN-86/B-06714/44 Rodzaj i wskazany zakres stosowania kruszywa

Marka kruszywa

wytrzymałość gwarantowana betonu, nie mniej niż, MPa

gęstość objętościowa betonu w stanie suchym, nie więcej niż, kg/m 3

Kruszywa grube przeznaczone głównie do betonu jamistego, termoizolacyjnego

2,5

2,5

1000

Kruszywa grube i mieszanki przeznaczone do betonu półzwartego, termoizolacyjno-konstrukcyjnego

7,5

7,5

1 400

Kruszywa grube i mieszanki przeznaczone głównie do betonu zwartego, konstrukcyjnego

15 25

15 25

1 800

8.4. Lekkie betony kruszywowe 8.4.1. Podział lekkich betonów kruszywowych Lekkie betony kruszywowe z uwagi na użyte kruszywo dzieli się na: - betony z lekkim kruszywem naturalnym: pumeksobeton, węglanoporytobe­ ton, perlitobeton, łupkoporytobeton ze zwałów; - betony z kruszywem ze spiekanych glin i surowców skalnych: keramzytobe­ ton, glinoporytobeton, perlitoporytobeton, werrnikułitoporytobeton, elporyto­ beton; betony z kruszywem z odpadów przemysłowych: żużlobeton, beton z żuż­ la granulowanego, popiołoporytobeton, łupkoporytobeton, beton z pumeksu hutniczego. Charakterystykę kruszyw do betonów lekkich przedstawiono w p. 8.3.

8.4.2. Składniki lekkich betonów kruszywowych Do wytwarzania lekkich betonów kruszywowych stosuje się następujące składni­ ki: spoiwo, kruszywo, dodatki mineralne, domieszki chemiczne.

Spoiwo. Zaleca się stosować cementy portlandzkie lub hutnicze zgodnie z PN­ EN- 197-1 :2002, tj.: CEM 32,5 do betonów od LB2,5 do LB I O oraz CEM 42,5 do

8.4.

Lekkie betony kruszywowe

501

betonów jamistych i betonów zwartych od LB 1 O. Przy doborze rodzaju cementu i jego klasy wytrzymałości dodatkowo należy uwzględniać postanowienia norm przedmiotowych na wyroby, elementy i konstrukcje.

Kruszywo. Stosuje się kruszywa z surowców mineralnych poddanych obrób­ ce termicznej oraz kruszywa z odpadów przemysłowych poddanych, lub nie, obróbce termicznej. Kruszywa te powinny spełniać wymogi PN-86/B-23006. Do betonów zwartych stosuje się kruszywo grube, drobne, mieszankę drobną Md 0--4/ l wg PN-86/B-23006 oraz piasek wg PN-EN 1 2620:2004, w przypad­ ku betonów półzwartych kruszywo grube i mieszankę drobnego kruszywa Md 0--4/2 i 3. W betonie zbrojonym wymiary ziaren nie powinny być większe niż 3/4 odległości w świetle między prętami zbrojenia. Maksymalny wymiar zia­ ren nie może przekraczać 3 1 ,5 mm w betonach jamistych i 16 mm w betonach zwartych i półzwartych. W ogólności obowiązuje zasada, że beton wyższej klasy wymaga kruszywa lepszej jakości.

Woda. Powinna spełniać wymogi PN-89/B-32250. Dodatki mineralne. Z uwagi na dużą szorstkość i porowatość kruszyw lekkich, co powoduje zwiększenie zużycia cementu i pogorszenie urabialności mieszanki betonowej, stosuje się mikrowypełniacze w postaci popiołów lotnych (z węgla kamiennego), mączkę kwarcową i wapienną · oraz inne. Do tej grupy dodatków zalicza się także elporyt otrzymywany z przekruszenia porowatych spieków z palenisk na pył węglowy (elporyt jest zbliżony wyglądem do piasku o dużej zawartości pyłów). Popiół lotny powinien spełniać wymagania BN­ -87/67 1 3-02, powinien być odpopielony metodą suchą, nie wykazywać więcej niż 10% strat po prażeniu oraz zawierać mniej niż 3 % związków siarki. Mącz­ ka kwarcowa charakteryzująca się dużą miałkością (prawie I O-krotnie więk­ szą niż cement) powoduje polepszenie urabialności mieszanki betonowej, prze­ ciwdziała oddzielaniu się z niej wody i zwiększa szczelność betonu. Dopusz­ cza się stosowanie innych dodatków spełniających wymagania normowe poparte świadectwami przydatności. Dodatki, które znalazły zastosowanie w wyrobach przeznaczonych do pomieszczeń na stały pobyt ludzi, wymagają sprawdzenia poziomu stężenia naturalnego pierwiastków promieniotwórczych wg Instrukcji ITB nr 234/85.

Domieszki chemiczne. Stosuje się domieszki przyspieszające wiązanie ce­ mentu lub twardnienie betonu (np. chlorek wapnia, sodu, potasu, węglan sodu i potasu, szkło wodne, trójetanolaminę i preparaty typu Rapidbet, Akcelbet, Fur­ mibet), napowietrzające (np. preparaty Abiesod P 1 , Abiesod 70), uplastyczniające lub upłynniające mieszankę betonową (np. Klutan, Klutanit, Upłynniacz SK- 1 , Mixbet 5), uszczelniające (np. Hydrobet), spulchniające (np. glinkę bentonito­ wą, glin metaliczny), przeciwmrozowe (chlorek wapnia), barwiące (np. mączkę ceglaną). Ilość domieszek powinna być dobrana doświadczalnie w zależności

8. Betony lekkie

502

od technologii wytwarzania oraz warunków klimatycznych dojrzewania betonu, zgodnie z PN-EN 934-2: 1 999.

8.4.3. Właściwości mieszanki betonowej Skład mieszanek betonowych. Przy ustalaniu składu mieszanki należy ściśle określić oczekiwania odnoszące się do jakości gotowego wyrobu, tj. parame­ trów wytrzymałościowych oraz właściwości zapewniających odpowiedni komfort cieplny i zdrowotny pomieszczeń. Zawartość cementu w I m3 betonu nie powinna być mniejsza niż 170 kg, w przypadku betonów zbrojonych 200 kg (w przypadku betonów lekkich narażonych na działanie czynników atmosferycznych minimal­ na zawartość cementu wynosi 300 kg w I m3 mieszanki betonowej - PN-B­ -06263: 1 99 1 ). Maksymalna ilość cementu lub cementu z dodatkami mineralny­ mi w 1 m3 powinna wynosić 550 kg w betonach zwartych, 470 kg w betonach półzwartych i 300 kg w betonach jamistych (przy wytwarzaniu których nie stosuje się dodatków mineralnych).

Konsystencja i urabialność mieszanki betonowej . Betony lekkie o struk­ turze zwartej należy wykonywać z mieszanki o konsystencji wilgotnej K- 1 , gę­ stoplastycznej K-2 i plastycznej K-3, zgodnie z PN-88/B-06250 (tabl. 8.4). Przy

stosowaniu domieszek uplastyczniających dopuszcza się konsystencję półciekłą K-4. Konsystencja mieszanki powinna być sprawdzona na etapie optymalnego doboru składników mieszanki betonowej, a następnie przy betonowaniu. Tablica 8.4. Klasy gęstości i odpowiadające im gęstości objętościowe zgodnie z PN-B-03263:2000 Klasa gęstości Gęstość objętościowa

3 w stanie suchym, kg/m Gęstość objętościowa, kg/m3

beton niezbrojony beton zbrojony

1 ,0

1,2

1 ,4

1,6

1 ,8

> 2.0

901-1000

1 001-1 200

1200-1400

1400- 1600

1 60 1 - 1 800

1 80 1 -2000

1 050

1250

1450

1650

1 850

2050

1 1 50

1 350

1550

1750

1950

2 1 50

Zaleca się, ze względu na porowatą strukturę kruszywa, stosowanie do pro­ dukcji betonów kruszywa nawilżanego, w celu ograniczenia odciągania wody z zaczynu. Betony lekkie o strukturze półzwartej należy wykonywać z mieszanek o kon­ systencji wilgotnej, gęstoplastycznej oraz plastycznej, określanej wizualnie (PN­ -B-06263: 1 99 I , p. 4 . 1 ).

8.4.

Lekkie betony kruszywowe

503

W przypadku betonów jamistych ilość wody do mieszanki powinno się usta­ lić doświadczalnie. O właściwym doborze świadczy lśniący połysk zaczynu na powierzchni ziarn kruszywa. Nadmierna ilość wody powoduje spływanie zaczynu z ziarn kruszywa. Nie zaleca się zagęszczania przez wibrowanie mieszanek betonów zwartych o konsystencji K-4, ze względu na możliwość segregacji kruszywa, oraz betonów półzwartych i jamistych bez względu na ich konsystencję. Trudności uzyskiwania dobrze urabialnych mieszanek betonów lekkich kru­ szywowych wymuszają doświadczalne sprawdzenie urabialności mieszanki przez próbę formowania w warunkach symulowanych do rzeczywistych.

8.4.4. Właściwości fizyczno-mechaniczne Betony z kruszyw lekkich różnią się znacznie swymi właściwościami od betonów zwykłych z kruszyw naturalnych. Najważniejsze różnice dotyczą gęstości objęto­ ściowej, wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie, współczynnika sprężystości, skurczu i najbardziej charakterystycznego dla nich współczynnika przewodzenia ciepła. Właściwości te w znacznym stopniu są uzależnione od rodzaju użytego kruszywa lekkiego oraz warunków klimatycznych użytkowania. Zmiana wilgotno­ ści względnej powietrza ze I OO do 50% może spowodować spadek wytrzymałości betonu nawet do I 0%. Gęstość objętościowa betonu lekkiego jest jedną z podstawowych cech be­ tonów lekkich. Zależą od niej właściwości mechaniczne oraz cieplne. Zgodnie z PN-B-06263: 1991 oraz PN-EN 206- 1:2002 nie powinna przekraczać wartości 2000 kg/m3 • Gęstość objętościowa zależy od rodzaju i ilości kruszywa, struktury betonu, ilości cementu oraz ilości wody wchłoniętej przez kruszywo. Wyraża się ją wzorem m

Po = ­ V gdzie:

m

-

V

-

(8.12)

masa betonu, g, objętość betonu, cm3 .

W zależności od stopnia zawilgocenia lekkiego betonu kruszywowego roz­ różnia się gęstość objętościową w stanie suchym (wilgotność 0--3%), w stanie powietrznosuchym (wilgotność 14-18%) i w stanie świeżym po zagęszczeniu mieszanki betonowej w okresie wiązania. Różnice w gęstości objętościowej dla wymienionych stanów wilgotności mogą sięgać nawet 20--25%. Zgodnie z PN-

B-06263:1991

w zależności od gęstości objętościowej w stanie suchym wyróżnia

się odmiany betonów lekkich kruszywowych 0,8; 1 ,0; 1 ,2; 1,4; 1 ,6; 1,8; i 2,0. Odmiany betonów o strukturze zwartej podano w tabl. 8.4. Natomiast w kra­ ju są produkowane wyroby o gęstościach objętościowych niższych od odmiany

8. Betony lekkie

504

0,8. Są to pustaki ścienne i wentylacyjne (PN-B-1 9307: 1999), stropowe (PN­ -B-19504: I 999) oraz bloczki (PN-B- 19306: 1999). Odmiany betonu lekkiego dla tych wyrobów podano w tabl. 8.5. Tablica 8.5. Odmiany betonu lekkiego z tworzyw popiołowych wg PN-B-19306:1999, PN-B-19307:2001, PN-B-19504:1999 Odmiany betonu lekkiego

Dopuszczalna gęstość objętościowa, kg/m3 od

do

301

400

401

500

501

600

700

601

700

800

701

800

900

801

900

!OOO

901

!OOO

400 500 600

1200

1001

1 200

1400

1201

1400 1 600

1 600

1401

1 800

1601

1800

2000

1801

2000

Wytrzymałość na ściskanie betonu lekkiego kruszywowego jest dość zróż­ nicowana - od bardzo małej do porównywalnej z betonem zwykłym (50 MPa i więcej) - i zależy od: - gęstości objętościowej (która jest uwarunkowana parametrami kruszywa), struktury betonu i zawartości piasku (im beton lekki ma bardziej zwartą strukturę, tym jego wytrzymałość na ściskanie jest większa); stosowanie pia­ sku naturalnego do betonu zwiększa jego wytrzymałość, a także poprawia urabialność oraz zmniejsza skurcz, zastępowanie piasku bardzo drobnymi frakcjami kruszywa lekkiego wpływa na zmniejszenie wytrzymałości z uwa­ gi na zwiększone zapotrzebowanie tego typu kruszywa na wodę, - kształtu, wymiaru i wytrzymałości ziaren; ziarna okrągłe zwiększają wytrzy­ małość, przy czym w betonach o większej wytrzymałości średnica ziaren nie powinna przekraczać 12-15 mm, natomiast w betonach izolacyjnych można stosować ziarna o większej średnicy, które z kolei wpływają korzystnie na właściwości izolacji termicznej, - ilości i jakości cementu, który wpływa na cechy wytrzymałościowe w mniej­ szym jednak stopniu niż w betonach zwykłych, ponieważ głównym elementem zwiększającym wytrzymałość jest kruszywo,

8.4.

Lekkie betony kruszywowe

505

- wskaźnika cementowo-wodnego, mającego jednak mniejszy wpływ na wy­ trzymałość jak w betonach zwykłych; ustalenie ilości wchłoniętej wody przez kruszywo przed i po mieszaniu jest trudna, wskaźnik ten określa się doświad­ czalnie (PN-B-06263: 199 1) Wytrzymałość na ściskanie wyraża się wzorem

(8. 1 3) gdzie: Fe - siła ściskająca niszcząca, N, Ac - powierzchnia próbki prostopadła do kierunku działania siły, m2 • Klasyfikacja betonu lekkiego kruszywowego pod względem jego wytrzymało­ ści na ściskanie, zgodnie z PN-B-06263 : 1 99 1 , uwzględnia podział na klasy, a mia­ nowicie: LB2,5; LB5,0; LB7,5; LB IO; LB 1 2,5; LB I 5 ; LB 1 7,5; LB20; LB25; LB30. Oznaczenie składa się z liter i cyfr. Na przykład symbol literowo-liczbowy LB25 należy odczytać następująco: LB - beton lekki, 25 - wytrzymałość gwa­ rantowana równa w tym przypadku 25 MPa. Wytrzymałość gwarantowana jest wytrzymałością na ściskanie (w MPa) zapewnioną przez produ­ betonu centa z prawdopodobieństwem 95%. Wytrzymałość gwarantowana powinna być uzyskiwana przez beton, zanim konstrukcja przejmie pełne obciążenie. Jeżeli nie ma specjalnych zaleceń, to przyjmuje się czas twardnienia nie krótszy niż 28 dni i nie dłuższy niż 6 miesięcy. Przykłady wytrzymałości na ściskanie wybranych betonów lekkich zawarto w tabl. 8.6.

R�

RCj

Tablica 8.6. Wytrzymałości na ściskanie wybranych betonów lekkich kruszywowych (10) Rodzaj kruszywa w betonie lekkim Perlit Wermikulit

Wytrzymałość na ściskanie, MPa 4,0 1 ,0-3,0

Pumeks naturalny

do 25,0

Węglanoporyt

3,5-12,5

Łupkoporyt

3,5-40,0

Popiołoporyt Żużel paleniskowy

3,0-2 1,0

Pumeks hutniczy

3,.

50 40

tj OJ 30 -O � a. CT

� co 20 Rysunek 8.14. Wskaźniki promie­ niotwórczości naturalnej mineral­ nych surowców naturalnych stoso­ wanych do produkcji materiałów budowlanych [12)

10

Skały Piasek Kamień Cement Glina wapienne i surowce gipsowy ilaste

8. Betony lekkie

532

50 45 �c: 40 35 5' C> 30 :g_ � 25 � li) 20 ·c: 1 5 ] 10 .(/) 5 0 -"'--���� ..!"

Beton komórkowy piaskowy

8.6.4.

Beton zwykły

Cegła Beton i wyroby komórkowy ceramiki z popiołów budowlanej lotnych

Rysunek 8.15. Wskainiki promie­ niotwórczości naturalnej gotowych wyrobów ( 12] fi współczynnik kwalifikacyjny -

określający stężenie radu w materiale w Bq/kg

Wyroby z betonu komórkowego i ich zastosowanie

Podstawowy asortyment wyrobów budowlanych wykonywanych przez wszystkich producentów betonu komórkowego stanowią drobnowymiarowe elementy ścienne w postaci bloczków i płytek. Elementy te są produkowane w odmianach od 300 do 700 i rodzajach MM i DD, gdzie MM oznacza klasę dokładności elementów do murów ze spoinami łączonymi zaprawą zwykłą i ciepłochronną, a DD klasę dokładności elementów do murów ze spoinami łączonymi zaprawą klejową. -

Obie odmiany są przeznaczone do murowania ścian wewnętrznych i zewnętrz­ nych warstwowych. Bloczki rodzaju D mogą być z gładką powierzchnią czołową lub powierzchnią profilowaną na pióro i wpust. Dodatkowo niektórzy producenci w swoich wyrobach rodzaju D umieszczają uchwyt montażowy, przydatny pod­ czas murowania. Przy łączeniu elementów na pióro i wpust nie nakłada się kleju na spoinę pionową. Bloczki tego typu mają zastosowanie przy murowaniu ścian wewnętrznych nośnych (grubości 1 8 i 24 cm), zewnętrznych jednowarstwowych (grubości 36 i 42cm), a także ścian działowych (rys. 8. 16). Elementy o dokładności M nie maj ą pióra i wpustu czy też uchwytu montażo­ wego, dlatego są łączone tradycyjną zaprawą cementowo-wapienną lub zaprawą ciepłochronną ze spoiną pionową. Elementy odmian 500 i 600 można stosować na ściany konstrukcyjne do wysokości trzech kondygnacji i ściany osłonowe - bez ograniczenia wysokości. W przypadku odmiany 700, o większej nośności, możliwa jest mniejsza grubość ściany, jednak jej właściwości izolacyjne są mniej korzystne. Można z niej bu­ dować ściany zewnętrzne warstwowe z materiałem ocieplającym na zewnątrz lub wewnętrzne ściany nośne. W Polsce stosuje się cztery metody produkcji betonu komórkowego: Uni­ pol (wariant piaskowy i popiołowy), BLB (beton lekki belitowy), SW (silikat

8.6.

Beton komórkowy autoklawizowany

Jr

533

240 J

Rysunek 8.16. Przykładowy asortyment płyt (a) i bloczków (b)

z

betonu komórkowego o po­

wierzchniach gładkich [7]

wolnotężejący) i PGS (piano-gazo-silikat). Uzyskane produkty. oznaczone od­ powiednimi symbolami, różnią się od siebie gęstością objętościową, nośnością i współczynnikiem przewodzenia ciepła. Barwa elementów gazobetonu świadczy o składnikach, z jakich jest wyprodukowany. Elementy wytwarzane z wapna i pia­ sku są białe, natomiast zawierające domieszkę popiołów lotnych są ciemniejsze - szare. Oprócz bloczków są oferowane belki nadprożowe, bloczki docieplające żelbe­ towy wieniec stropu. elementy szalunkowe, dyle, płytki, płyty dachowe i stropowe (rys. 8. 1 7). Taka oferta umożliwia swobodne posługiwanie się materiałem, co od­ nosi się zarówno do projektowania, jak i wykonawstwa. Najczęściej odmiana 600 ma zastosowanie na ściany warstwowe, a odmiany 400 i 500 na ściany jednowarstwowe. Rodzaje bloczków i płytek znormalizowanych produkowanych w Polsce są zamieszczone w tabl. 8. 17. Beton komórkowy w postaci zmodyfikowanej jest stosowany do wytwarza­ nia ekranów akustycznych w formie płyt charakteryzujących się pochłanianiem i odbijaniem dźwięków powietrznych. Ekrany akustyczne są przeznaczone do zastosowania przy drogach wszystkich klas. Składają się one z podstawowych elementów konstrukcyjnych, jak: - słupy ocynkowane, - płyty z betonu komórkowego powlekane środkiem hydrofobizującym, odmiany 600, marki 5,0, grubości 0, 1 2 m, wysokości 0,60 m, długości 0,96 m, - rygle poziome nakładane na płyty i umocowania.

8.

534

Betony lekkie

a)

b)

c)

o

o

o

@ � filo/ � �r� �� $ł �to

�

d)

�J

j

240 . 420

e)

l

240,300 380,420 "'

l

"'

J

240,300 380,420

f)

J

520

J

l l ho. 60

80, 12o

/] "'"'

h)

i)

S,H,L = wg zamówienia

Rysunek 8.17. Asortyment wyrobów z betonu komórkowego [7]: a) bloczek z gładką powierzchnią

czołową, b) bloczek z profilowaną powierzchnią czołową na pióro i wpust, c) element nadprożowy w kształcie litery U (kształtka U), d) element nadproża lub wieńca w kształcie litery L (kształt­ ka L), e) element stropowy SKB, I) element docieplenia wieńca, g) element wielkowymiarowy, h) elementy osłonowe do instalacji wentylacyjnych i kominowych, i) element uzupełniający

535

8.7. Pianobeton Tablica 8.17. Rodzaje bloczków i płytek znormalizowanych produkowanych w Polsce (PN-B-19301:1997/Az1:2001)

Liczba przedsiębiorstw produkujących daną odmianę

Wymiar, mm

Typ pustaka długość

l

szerokość d

wysokość h

300

400

500

600

700

490/360

360 ± 3

1

1

3

4

2

490/300

300 ± 3

-

-

2

3

2

1

I

3

4

2

1

l

2

4

2

I

3

3

-

6

16

18

5

3

15

17

4

490/240

490 ± 5

240 ± 3

490/180

1 80 ± 3

590/420

420 ± 3 360 ± 3

590/360 590/300

240 ± 5

590 ± 5

300 ± 3

240 ± 5

590/240

240 ± 3

5

16

19

5

5901180

1 80 ± 3

4

16

19

5

490/120

1 20 ± 3

I

2

3

1

1 I

1

I

I

-

60± 3

I

l

I

1

1

590/120

1 20 ± 3

-

-

14

18

4

5901100

100 ± 3

-

-

2

3

-

-

-

2

2

-

-

7

15

2

-

8

13

2

490/80

490 ± 5

490160

590190

590 ± 5

80± 3

90 ± 3

240 ± 5

240 ± 5

590/80

80 ± 3

-

590160

60± 3

-

8.7. Pianobeton 8.7.1. Technologia wytwarzania Pianobeton to lekki beton komórkowy otrzymywany przez wymieszanie spoiwa z kruszywem (drobnym piaskiem i gliną), wodą i specjalnie przygotowaną pianą (uzyskaną w wyniku ubicia emulsji pianotwórczej, np. kalafonii zmydlonej wodo­ rotlenkiem sodu z dodatkiem kleju kostnego, zmieszanej z wodą), pozostawiającą pęcherzyki powietrza w stwardniałej masie (rys. 8. 1 8). W zależności od stosowanego spoiwa wyróżnia się pianobeton cementowy, wapienny (tzw. pianosilikat), gipsowy (tzw. pianogips) oraz magnezowy (tzw. pianomagnezyt). W Polsce najbardziej rozpowszechniony jest pianobeton cementowy produ­ kowany na bazie cementu, kruszywa i wody.

536

8. Betony lekkie

Rysunek 8.18. Struktura pianobetonu [6]

Cement. Stosuje się każdy rodzaj cementu, zgodnie z PN-B - 1 970 I : 1997. Na­ leży przy jego wyborze kierować się wymaganiami, jakie stawiane są w stosun­ ku do pianobetonu. Zaleca się używanie cementów portlandzkich CEM 42,5R, a nawet CEM 52,5R o zwiększonej wczesnej wytrzymałości w przypadku, gdy pianobeton ma być szybko poddany obciążeniom. Na podstawie wieloletnich do­ świadczeń przyjmuje się, że optymalna ilość cementu w I m3 betonu wynosi: 300 kg dla pianobetonu o gęstości objętościowej powyżej 1 OOO kg/m3 oraz 350 kg dla pianobetonu o gęstości objętościowej poniżej 1000 kg/m3 (rys. 8 . 19). 14 N

E 12 .§ z Q)

·2

10

·o

8

ns -"' U)

.,,, ns c: '(.) .,,,

o 16

�

�

./

I

6

4

/......

/

2

o

/

�i---o

"i'-.l

'\'-=2

"'\..!

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Zawartość cementu w kg na 1 ml mieszanki

Rysunek 8.19. Zależność wytrzyma­ łości na ściskanie od zawartości ce­ mentu przy różnej gęstości objęto­ ściowej pianobetonu [6] I - pianobeton o gęstości objętościowej

600 kg!m 3 • 2 - pianobeton o gęstości ob­ jętościowej 1200 kgtm3, 3 - pianobeton o gęstości objętościowej 1500 kg/m3

Kruszywo. Należy stosować piaski o uziarnieniu

0--6 mm z przewagą piasków

drobniejszych, kruszywa lekkie oraz surowce wtórne, takie jak popioły lotne i żużle paleniskowe. Woda. Należy stosować wodę taką jak do betonu zwykłego, zgodnie z PN­ -B-32250: 1 988. Ma ona przede wszystkim za zadanie przeprowadzenie całkowitej reakcji hydratacji.

8.7. Pianobeton

537

Produkcja pianobetonu odbywa się zwykle według dwóch metod różniących się od siebie sposobem dozowania środka pianotwórczego. W pierwszym przy­ padku mieszanka pianobetonowa jest wytwarzana bezpośrednio w wytwórni be­ tonu (piana jest dodawana do mieszarek przeciwbieżnych). W drugim przypadku pianę dozuje się do betonowozu dopiero na budowie i miesza ją z przygotowanym do tego celu betonem towarowym. Dodatek piany nadaje mieszance pseudopla­ styczną konsystencję przez wprowadzenie banieczek powietrza, które działają na zasadzie efektu łożyska kulkowego. Zawartość porów powietrza reguluje gęstość piany, która zawiera się w przedziale 0,4-2,0 kg/I. W tablicy 8. 1 8 przedstawiono dane pomocne przy ustalaniu receptury wyjściowej. Tablica 8.18. Dane do ustalania wyjściowej receptury pianobetonu (6) Gęstość objętościowa w stanie suchym, kg/m3

Cement, kg

Woda, I

Piasek, kg

Piana•, I

800 900 1000 1 100 1 200 1 300 1400 1 500 1 600

350 350 350 350 350 350 350 350 350

140 149 157 165 174 1 82 190 190 190

408 505 603 700 798 895 993 1 093 1 1 50

592 546 500 456 410 365 320 282 248

a 1 OOO 1 piany waży ok. 80 kg i zawiera ok. 78,5 I wody. 8.7 .2.

Właściwości fizyczno-mechaniczne

Konsystencja. Woda w betonie zwykłym ma podwójne znaczenie. Jest potrzebna w procesie hydratacji cementu oraz do pokrycia powierzchni kruszywa, dzięki czemu uzyskuje się różne konsystencje mieszanki betonowej. W przypadku pia­ nobetonu odpada częściowo lub całkowicie zadanie zwilżania powierzchni kru­ szywa wodą, gdyż jest ono zastępowane porami powietrza. W ten sposób przy jednakowej ilości wody w 1 m3 betonu uzyskuje się mieszankę bardziej płynną, w porównaniu z betonem zwykłym. Gęstość i termoizolacyjność. Z reguły gęstość objętościowa pianobetonu za­ wiera się w granicach 400-1 600 kg/m3 . Tak mała wartość gęstości objętościowej jest możliwa do uzyskania dzięki zawartości porów powietrza, wprowadzonych pod postacią piany w świeży beton. Duża porowatość pianobetonu przynosi tak­ że korzyści termoizolacyjne polegające na wyraźnym zmniejszeniu się wartości współczynnika przewodzenia ciepła Il (tabl. 8. 1 9).

8.

538

Betony lekkie

Tablica 8.19. Zestawienie ważniejszych cech technicznych pianobetonu [6) Współczynnik Wytrzymałość Wytrzymałość Klasa przewodzenia Nasiąkna ściskanie na rozciąganie gęstości ciepła liwość, % Nlmm2 N/mm2 kg/dm3 W/(m·K)

0, 1 3 0,20 0,27 0,35 0,45 0,56 -

0,4 0,6 0,8 1 ,0 1,2 1,4 1,6 1,8

-

37,67 29,17 2 1 ,67 16,67 10,83 6,65 3,33 -

1 ,2 1 ,7 2,2 3,0 5,0 9,0 15,0 > 20,0

Moduł sprężystości N/mm2

Skurcz mm/m

-

-

-

0,3 0,6 0,9

500 1500 3000 5000

3,5 2,7 2,0 1,3 1, 1 0,9 0,8

1,2 1 ,6 2,1 > 1 ,2

7500 13000 > 17 500

Wytrzymałość. Końcowa wytrzymałość pianobetonu zaJeżna jest praktycznie od gęstości objętościowej w stanie suchym. Kierując się przeznaczeniem budowli oraz oczekiwaniami użytkownika, projektant ma możliwość wybrania optymal­ nego rodzaju betonu czy też poprawienia jego waJorów termoizolacyjnych. Na rysunku 8.20 przedstawiono zależność wytrzymałości na ściskanie w funkcji gę­ stości objętościowej pianobetonu, przy zastosowaniu różnych kruszyw (kruszywa lekkie, piasek 0/2).

'E 18 .€ 16

J

z

V

o) 1 4 ·c: .l!1 1 2 (/)

� 10 :g 8

� E

I

6

4

-

2

o

�

200

400

'

I ,.,< / �/ / / / / / V /'r'1. '/ _,.V 600

800

1000 1200 1400 1 600

Gęstość objętościowa, kg/m3

Rysunek 8.20. Zależność wytrzy­ małości na ściskanie od gęstości objętościowej pianobetonu przy za­ stosowaniu różnych kruszyw [6] I - pianobeion z piasku necznego 0-2 mm. 2 - pianobe!on z kruszywa lekkiego

Moduł sprężystości. Odkształcalność pianobetonu w wyniku działających nań obciążeń jest szczególnie istotna w przypadku betonu izolacyjno-konstruk­ cyjnego i konstrukcyjnego. Wielkość tych odkształceń charakteryzuje moduł sprę­ żystości (tabl. 8. 1 9). I tak, w przypadku betonów zwyklych moduł sprężystości

8. 7.

Pianobeton

539

zależy mi.n. od współczynników sprężystości zaprawy i kruszywa grubego oraz wzajemnych proporcji między nimi, a w przypadku pianobetonu uwarunkowany jest modułem sprężystości zaprawy. W tablicy 8. 19 podano także wartości nasiąkliwości, wytrzymałości na rozcią­ ganie oraz skurczu w odniesieniu do gęstości objętościowej w stanie powietrzno­ suchym pianobetonu.

8.7.3. Wyroby z pianobetonu i ich zastosowanie Zgodnie z BN-86/6745-04 są produkowane w naszym kraju prefabrykaty budow­ lane w postaci bloczków i płytek. Wyroby te stosuje się w częściach nadziemnych budowli, położonych 50 cm powyżej poziomu terenu, po odizolowaniu ich war­ stwą wodoszczelną od fundamentu. W pomieszczeniach, w których z racji funkcji panować będzie wilgotność względna powietrza powyżej 75%, blocżki i płytki mogą być stosowane tylko po odpowiednim zabezpieczeniu, zgodnie z wytyczny­ mi zabezpieczania powierzchni zewnętrznych przegród budowlanych za pomocą środków hydrofobowych. Do izolacji termicznej ścian, stropów, dachów i stropodachów nie narażonych na bezpośrednie działanie czynników atmosferycznych należy stosować bloczki i płytki odmiany M400 lub M500, klasy B0,7. Do wykonywania wewnętrznych i zewnętrznych ścian konstrukcyjnych w budynkach jednokondygnacyjnych nale­ ży stosować bloczki i płytki odmiany M600 klasy B 1 ,5 i M700 klasy B I ,5 lub 82,0. Bloczki i płytki powinny być przed wbudowaniem sezonowane przez co najmniej trzy miesięce, a ich wilgotność w chwili wbudowania nie powinna prze­ kraczać 25% masy w stanie suchym. W zależności od wymiarów nominalnych bloczki i płytki dzieli się na typy zgodnie z tabl. 8.20. Tablica 8.20. Wymiary bloczków i płytek z pianobetonu (BN-86/6745-04) Nazwa wyrobu

Wymiary i dopu szczal ne odchyłki wymiarów, cm

Typ długość

grubość

wysokość

Bloczki

29/24 291 1 8

29 ± 1 ,0

24 ± 0,5 1 8 ± 0,5

24± 0,5

Płytki

29/12 29/6

29± 1 ,0

1 2 ± 0,5 6 ± 0,5

24 ±0,5

Innego rodzaju zastosowanie mają pianobetony niekonstrukcyjne. Są używane tam, gdzie wytrzymałość na ściskanie odgrywa drugorzędną rolę, a pożądany jest beton łatwo przerabialny, o płynnej konsystencji.

8.

540

Betony lekkie

Materiał wypełniający. Pianobeton jest stosowany do wypełniania kanałów oraz w budownictwie podziemnym. Dzięki płynnej konsystencji można nim swo­ bodnie wypełniać różne podziemne zagłębienia. Dodatkowym atutem pianobe­ tonu w tym przypadku jest fakt, iż w procesie hydratacji cementu wytwarza się znaczna ilość ciepła i dochodzi do zwiększania objętości powietrza w betonie, co prowadzi do jego lekkiego pęcznienia. Z pozytywnym rezultatem pianobeton jest stosowany jako wypełnienie: - nieeksploatowanych kanałów kanalizacyjnych i zbiorników podziemnych, - starych nieużytecznych piwnic, - sztolni i wyrobisk, - bunkrów przeciwlotniczych, które grożą zawaleniem, - różnego rodzaju wykopów budowlanych. Warstwy wyrównawcze i betony ze spadkiem w budownictwie nadziem­ nym. Mimo płynnej konsystencji możliwe jest wykonywanie warstw z pianobe­ tonu o spadku do 4% ze względu na jego tiksotropowość. Uzyskuje się w ten

sposób warstwy nie obciążające w znaczny sposób konstrukcji i jednocześnie izo­ lujące termicznie. Pianobetony znalazły także zastosowanie przy renowacji starej zabudowy jako materiał wypełniający m.in. remontowane podłogi i stropy. Podbudowy w halach przemysłowych. Przy budowie hal przemysłowych, sportowych i innych podobnych obiektów stosuje się pianobeton jako materiał łatwy do wykorzystania i jednocześnie izolujący termicznie. W budownictwie rolniczym wykonuje się z pianobetonu ciepłe posadzki w stajniach i oborach. Budowa dróg i ulic. W tej dziedzinie pianobeton znalazł zastosowanie jako hydraulicznie wiązana warstwa nośna. Jednak ze względu na koszty używany jest tylko tam, gdzie problemu nie da się rozwiązać w sposób konwencjonalny. 8. 7 4 .

.

Pianogips

Pianogips (pianobeton gipsowy, gazogips) to porowate tworzywo gipsowe w po­ staci stwardniałego zaczynu gipsowego zmieszanego z gęstą pianą uzyskaną przez ubicie emulsji pianotwórczej (proszek glinowy, sproszkowane aluminium lub środki syntetyczne). Pianogips stosowany jest w budownictwie głównie w po­ staci płyt izolacyjnych, których gęstość objętościowa p0 wynosi 400-600 kg/m3 . W Polsce pianogips jest tworzywem mało znanym, natomiast w krajach, gdzie przeważa wykorzystanie gipsu do produkcji wyrobów wykończeniowych we­ wnętrznych, jest stosowany również jako materiał konstrukcyjny do budowy ścian nośnych budynków niskokondygnacyjnych (jednopiętrowych) oraz do wypełniania ścian np. w budynkach o konstrukcji szkieletowej. Przy stosowaniu pianogipsu jako elementu konstrukcyjnego należy pamiętać o spadku jego wytrzymałości

8.8.

Wpływ czynników środowiskowych na właściwości betonów lekkich

541

w stanie zawilgocenia i na etapie projektowania przewidzieć użytkowanie kon­ strukcji w ekstremalnych warunkach pracy. Wyroby gipsowe (w tym i pianogips) należy traktować jako wysoce ekologiczne wyroby budowlane, zapewniające po­ mieszczeniom zdrowy mikroklimat oraz komfort cieplny.

8.8. Wpływ czynników środowiskowych na właściwości betonów lekkich Beton lekki, podobnie jak 1 mne materiały konstrukcyjne, powm1en spełniać w sposób nieprzerwany przewidziane funkcje, tj. zachowywać wymaganą wy­ trzymałość oraz cechy użytkowe (izolacyjność, estetykę itp.) przez cały okres użytkowania. Oznacza to, że beton lekki odporny na oddziaływania przewidywa­ nych czynników niszczących (w zakładanym okresie użytkowania) można uważać za trwały. Ze względu na specyfikę i różnorodność betonów lekkich uzyskanie odpowiedniej trwałości wymaga w wielu przypadkach prowadzenia prac konser­ wacyjnych, aby zapobiec ich degradacji (na skutek oddziaływania różnorodnych czynników). Czynniki mające wpływ na obiekt budowlany lub jego część sklasyfikowano w zależności od pochodzenia i sposobu oddziaływania w normie ISO 624 1 . I tak wyróżnić można takie czynniki jak: - grunt - wody gruntowe, agresywne związki chemiczne, ruch cieczy (współ­ czynnik filtracji), odparowanie z powierzchni, zanieczyszczenie gruntu, ci­ śnienie wody, - atmosfera zewnętrzna - temperatura i jej zmiany, wilgotność powietrza, agre­ sywne gazy i pyły, opady atmosferyczne, promieniowanie, zamrażanie i od­ mrażanie, mgła solna, czynniki powodujące kawitację i ścieranie, - środowisko wewnętrzne - temperatura, szoki termiczne, wilgotność powie­ trza, kondensacja pary wodnej, agresywne gazy i aerozole powstające w wy­ niku użytkowania, czynniki powodujące ścieranie, środowisko biologiczne - mikroorganizmy, insekty, inne zwierzęta, rośliny, - oddziaływanie mechaniczne - odkształcenia, obciążenia użytkowe, - i inne - wynikające z nieodpowiedniego dostosowania materiałów. Oddziaływania te mogą mieć charakter chemiczny (reakcje alkaliczno-krze­ mionkowe oraz alkaliczno-węglanowe, wpływ chlorków, siarczanów lub dwutlen­ ku węgla, jak również wielu cieczy i gazów pochodzenia naturalnego), a także fizyczny (wpływ wysokiej temperati.try, różnice w rozszerzalności cieplnej kru­ szywa i stwardniałego zaczynu oraz zamrażanie i odmrażanie) lub mechaniczny (udar, ścieranie, erozja lub kawitacja).

8. Betony lekkie

542

Betony lekkie ze względu na ich stosunkowo szerokie zastosowanie (począw­ szy od ścian fundamentowych, kończąc na elementach stropodachu) są poddawa­ ne oddziaływaniu większości czynników. Podstawowymi czynnikami wpływają­ cymi na ich trwałość są: odporność na agresję chemiczną, wpływ wody i działanie niskich temperatur (zamrażanie i odmrażanie). Agresja chemiczna wymaga w większości przypadków środowiska wodnego lub niezerowej wilgotności. Można stwierdzić, że beton suchy nie będzie ule­ gał uszkodzeniom w wyniku działania agresywnych substancji w przypadku, gdy nie będą one zdysocjowane lub nie będą występować w postaci pary. Wśród mechanizmów najczęściej prowadzących do zniszczenia betonu wyróżnić moż­ na ługowanie rozpuszczalnych w wodzie produktów agresji (w pierwszym eta­ pie na powierzchni, w następnym wewnątrz materiału wraz z postępem agresji) oraz pęcznienie betonu wywołane powstawaniem na skutek agresji kryształów o zwiększonej objętości. Mechanizmy te są wynikiem oddziaływania na beton związków chemicznych, jak: dwutlenek węgla (agresywność węglanowa), który powoduje w wyniku re­ akcji z wodorotlenkiem wapnia powstawanie na powierzchni betonu węglanu wapnia, odkładającego się w porach i pustkach betonu (początkowo prowadzi to do wypełnienia porowatej struktury zaczynu, jednak w dalszym etapie na­ stępuje ługowanie skarbonatyzowanych cząstek przez wodę zawierającą tzw. agresywny dwutlenek węgla), - kwasy nieorganiczne, chlorowodorowy, azotowy, siarkowy (agresywność kwa­ sowa), które reagując z wodorotlenkiem wapnia tworzą sole wapnia ulegające bardzo szybko ługowaniu, zwiększając w ten sposób porowatość i przepusz­

czalność betonu, - jony magnezowe (agresywność magnezowa) w roztworach soli mocnych kwa­ sów, które wchodząc w reakcję z wodorotlenkiem wapnia tworzą wodorotle­ nek magnezu o bardzo małej rozpuszczalności i sól wapnia (prowadzi to do pogorszenia właściwości wytrzymałościowych betonu), - sole amonowe (agresywność amonowa) w postaci chlorków, azotanów i siar­ czanów tworzących w reakcji z wodorotlenkiem wapnia łatwo rozpuszczalne sole wapniowe oraz wolny amoniak (charakterystyczny wzrost porowatości i łatwość niszczenia zaczynu), siarczany (agresywność siarczanowa), które wchodząc w reakcje z niektóry­ mi związkami w zhydratyzowanym zaczynie cementowym (w zależności od warunków) powodują pęcznienie betonu (rozsadzanie), utratę jego wytrzyma­

łości, kruszenie i rozpad. Konstrukcje z betonów lekkich narażone na działanie czynników atmosfe­ rycznych ze względu na dużą porowatość ulegają znacznemu zawilgoceniu. Wo-

8.8.

Wpływ czynników środowiskowych na właściwości betonów lekkich

543

da znajdująca się w porach ma negatywny wpływ na parametry wytrzymało­ ściowe betonu na skutek kolejnych cykli zamrażania i odmrażania, przy czym parametr ten jest warunkowany również ilością zastosowanego spoiwa. Woda przy szybkim przechodzeniu w lód zwiększa swoją objętość o ok. 9,06%. Gdy nie dysponuje dostateczna przestrzenią (przemiana izochoryczna), dochodzi do znacznego wzrostu ciśnienia, którego materiał nie jest w stanie przenieść. Przy powolnym zamrażaniu wody w materiałach porowatych dochodzi do krystalizacji lodu wskutek różnicy potencjałów chemicznych między lodem w porach grubych i wodą w porach drobnych. Występują przy tym nieduże siły, które należy jednak uwzględniać w przypadku materiałów o niewielkich wytrzymałościach, takich jak niektóre rodzaje betonów lekkich czy zastosowanych do nich kruszyw. Znaczne zawilgocenie w przypadku, gdy ilość spoiwa w betonie nie jest duża, może być przyczyną jego zniszczenia (braku mrozoodporności). Wpływ wody na właściwości betonów lekkich odnosi się również do izola­ cyjności przegród. Materiały betonowe wraz ze wzrostem zawartości wolnych przestrzeni (porowatości) uzyskują korzystniejsze parametry izolacyjności ciepl­ nej, ponieważ pory (lub mikropory) wypełnione powietrzem charakteryzują się znacznie mniejszą przewodnością cieplną w stosunku do pozostałych składni­ ków betonu. Sytuacja może się zmienić i materiał stanie się dobrym przewodni­ kiem ciepła, gdy jego pory (lub mikropory) wypełnią się wodą. Będzie to miało miejsce w przypadku betonów charakteryzujących się dużą nasiąkliwością lub higroskopijnością, w wyniku kontaktu wyrobu z wodą w różnej postaci. Szcze­ gólnie podatne są betony z wypełniaczami organicznymi oraz betony kruszywo­ we (rys. 8.21), w przypadku których obserwuje się 3-4-krotny wzrost wartości współczynnika przewodzenia ciepła A.. Wart podkreślenia jest fakt, że zawilgocenie betonu komórkowego w prze­ grodach budowlanych wynoszące początkowo ok. 25% zmniejsza się i osiąga

Rysunek 8.21. Wpływ wilgotności na współczynnik przewodzenia cie­ pła betonów kruszywowych wg Kauf­ mana [IO]

l - beton z pumeksu o Pp = 775 kg/m3 , 2 - beton z żużla paleniskowego o p1, = 3 = 1190 kg/m , 3 - beton z żużla wielko­ piecowego o pp = 1 145 kg/m3 , 4 - be­ ton z żużla paleniskowego z dodatkiem piasku o PP = 1450 kg/m3 , 5 - beton z gruzu ceglanego z dodatkiem piasku o Pµ = 1660 kg/m3

sz

2,09 t----,-----,--.---�-� 5

ł 1 ,63 f---+---+---+-,,,.-=:: ...- +---1

...{

� 1 , 1 6 t----t---:T--+---=->"'"'F----+-f=i

�

=8._

�

O,70

6.--L..-:?j.c::;,_�;i:;:.�=:j:::::==+::-::__j

;. =.- +-+-+ -+ --1 0,23 1-::;.... o

5

10

15

Wilgotność, %

20

544

8. Betony lekkie

w okresie 2-3 lat tzw. wilgotność ustabilizowaną równą 7-12%, poprawiając w ten sposób izolacyjność betonu (rys. 8.22). Podobna sytuacja jest w przypadku niektórych rodzajów betonów kruszywowych.

c)

b)

a)

o Grubość,

37 cm

o

o

Rysunek 8.22. Rozmieszczenie wilgoci w ścianie z pianobetonu autoklawizowanego grubości 35 cm z warstwą betonu fakturowanego od strony zewnętrznej (10]: a) w czasie oddawania budynku do eksploatacji, b) po 1 roku eksploatacji, c) po 4 łatach eksploatacji Wpływ wody na wyroby z betonów lekkich może wyrażać się również spad­ kiem ich wytrzymałości, co ma miejsce np. w wyrobach ze strużkobetonów. Kolejnym czynnikiem wpływającym na trwałość betonów lekkich jest ich odporność na odkształcenia termiczne, wynikające ze zmian wilgotnościowo­ -cieplnych znajdujących swoje odzwierciedlenie w zmianach objętościowych be­ tonu, zależnych od warunków hydrotermicznych wewnątrz betonu i wynikają­ cych z nich zjawisk chemicznych (nieodwracalnych) i fizycznych (odwracalnych). Wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej betonu zależy od procentowe­ go udziału kruszywa i zaczynu w mieszance betonowej oraz wilgotności beto­ nu i różnicy temperatur. Czynnikiem decydującym o wielkości współczynnika rozszerzalności betonu przy założonych warunkach wilgotnościowych jest war­ tość współczynnika opisującego zaczyn. Nagłe różnice w wilgotności materiału

w powiązaniu ze strukturą porowatości (a ściślej kapilarności) będą wpływały na wielkość skurczu (lub pęcznienia), co stwierdzono na przykładzie zarówno betonów kruszywowych, komórkowych (znaczący wpływ mikroporów), jak i be­

tonów z wypełniaczem organicznym. Zmiany liniowe (skurcz) w betonach lekkich przy zmianach zawilgocenia powierzchniowych warstw przegród (ok. 2%) nie są znaczące

(e � 0,80

mm/m).

Betony lekkie w okresie ich użytkowania poddawane są w znaczącym stopniu działaniu niszczących czynników środowiska (woda, agresja chemiczna, zamra-

Wykaz literatury i norm

545

żanie i odmrażanie). Odpowiednie zabezpieczenie przegród przed ich bezpośred­ nim oddziaływaniem może przynieść pozytywne efekty, jak na przykład wzrost wytrzymałość na ściskanie betonów wraz z czasem ich eksploatacji. Innym przy­ kładem może być izolacyjność cieplna przegród wykonanych z betonów lekkich (gdy nie ma bezpośredniego oddziaływania wody), których wilgotność staje się coraz mniejsza wraz z czasem, a zatem i zmniejsza się wartość współczynnika przewodzenia ciepła. Zabezpieczenie przed pochłanianiem wody może wpłynąć również korzystnie na mrozoodporność betonu oraz na spadek oddziaływania agresji chemicznej . Trwałość betonów lekkich jest zależna od czynników środowiskowych, od­ porności na ich działanie oraz innych właściwości. Takie cechy jak porowatość, nasiąkliwość, higroskopijność, wytrzymałość, mrozoodporność czy skurcz be­ tonu będą decydowały o przydatności i trwałości wyrobów z betonów lekkich stosowanych w budownictwie.

Wykaz literatury i norm Wykaz literatury [ l ] Budowanie z betonu komórkowego. Poradnik-Katalog. Stowarzyszenie Producentów Betonów. Warszawa 200 1 . [2] Dokumentacja techniczna Fortis. [3] Dokumentacja techniczna Leier. Malbork 200 1 . [4] Dokumentacja techniczna Optiroc. Warszawa 200 1 . [5] Dokumentacja techniczna Pollytag S.A. Gdańsk 2000. [6] Dokumentacja techniczna Porocem-System. Addiment. Poznań 2002. [7] Dokumentacja techniczna Pretbet. Śniadowo 2002. [8] Fagerlund G.: Trwałość konstrukcji betonowych. Arkady, Warszawa 1997. [9] Instrukcja badań nr 234/85. Wytyczne badania promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych. ITB, Warszawa 1985. [ 1 O] Lewicki B.: Budownictwo betonowe. Tom 4 Betony lekkie. Arkady, Warszawa 1 967. [ 1 1) Jatymowicz H., Siejko J., Zapotoczna-Sytek G.: Technologia autoklawizowanego betonu komórkowego. Arkady, Warszawa 1980. [ 1 2] Krawczyk M.: Biuletyn informacyjny 10/92. Materiały Budowlane. [13] Kuźmińska M., Koral A.: Własności ciepłotechniczne elementów wielkowymiaro­ wych z betonu komórkowego i ocena ich przydatności. ITB, Warszawa 1968. (14] Małolepszy J., Deja J., Bry/icki W, Gawlicki M.: Technologia betonu. Metody badań. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 1999. [ 1 5] Neville A.M.: Właściwości betonu. Polski Cement, Kraków 2000. [ 16] Paprocki A.: Beton komórkowy. Arkady, Warszawa 1 966. [ 17] Piasta J., Piasta W G. : Beton zwykły. Arkady, Warszawa 1 994. -

546

8. Beton lekki

( 1 8] Poradnik dla budujących z betonu komórkowego. Stowarzyszenie Producentów Betonów. Kwartalnik, Nr 1/2000. ( 19] Roszak W, Kubiczek F.: Betony z kruszyw lekkich. Arkady, Warszawa 1989. (20] Stawiarski P.: Betony wysokowartościowe. Współczesne osiągnięcia technologii betonów. Cz. III. Murator Plus, Technika, Budownictwo betonowe /2002. (21] Ściślewski Z. : Ochrona konstrukcji żelbetowych. Arkady, Warszawa 1999. (22] 'Zapotoczna-Sytek G.: Betony lekkie. XVII Ogólnopolska Konferencja - Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji. Ustroń 20-23 luty 2002. (23] Ziembicka H., Morawska A.: Trwałość betonu komórkowego w polskich warun­ kach klimatycznych. Cebet, Warszawa 1 974.

Wykaz norm ENV-13670-1 pr EN 771-4:2000 pr EN 1520:2001 pr EN 1 2602:2000 pr EN 13055-1 :2001 EN-ISO 6946: 1996 IS0-6241 PN-EN- 197-1 :2002 PN-EN 206- 1 : 2002 PN-EN 450: 1998 PN-EN 678 : 1 998 PN-EN 679 : 1 998 PN-EN 680: 1998 PN-EN 933-1 :2000 PN-EN 934-2:2002

PN-EN 992: I-999 PN-EN 1 097-3:2000

Wykonywanie konstrukcji betonowych - Część I : Zasady ogólne Specyfikacja dotycząca elementów murowych - Część 4: Ele­ menty murowe z autoklawizowanego betonu komórkowego Prefabrykowane elementy zbrojone z betonu kruszywowego o strukturze otwartej Prefabrykowane elementy zbrojone z autoklawizowanego beto­ nu komórkowego Kruszywo lekkie - Część I . Kruszywo lekkie do betonów Właściwości cieplne budynków i komponentów budowlanych Stosowanie norm w budownictwie. Zasady przygotowania i uwa­ runkowania Cement - Część 1 : Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku Beton - Część I: Wymagania, wykonywanie, produkcja i zgod­ ność Popiół lotny do betonu. Definicja, wymagania i kontrola jakości Oznaczenie gęstości w stanie suchym autoklawizowanego beto­ nu komórkowego Oznaczenie wytrzymałości na ściskanie autoklawizowanego betonu komórkowego Oznaczenie skurczu przy wysychaniu autoklawizowanego beto­ nu komórkowego Badania geometrycznych właściwości kruszyw. Oznaczenie skła­ du ziarnowego. Metoda przesiewania. · Domieszki do betonów, zapraw i zaczynu - Część 2 : Domiesz­ ki do betonu - Definicje, wymagania, zgodność, znakowanie i etykowanie Oznaczenie gęstości w stanie suchym betonu lekkiego kruszy­ wowego o otwartej strukturze Badania mechanicznych i fizycznych właściwości kruszyw. Ozna­ czenie gęstości nasypowej i jamistości

Wykaz literatury i norm PN-EN 1097-6:2002 PN-EN 1352 : 1 999

PN-EN 1353 : 1 999

547

Badania mechanicznych i fizycznych właściwości kruszyw. Ozna­ czenie gęstości ziarn i nasiąkliwości Oznaczenie modułu sprężystości autoklawizowanego betonu ko­ mórkowego lub betonu lekkiego kruszywowego o otwartej strukturze

Oznaczenie wilgotności autoklawizowanego betonu komórko­ wego PN-EN 1355 : 1 999 Oznaczenie pełzania przy ściskaniu autoklawizowanego betonu komórkowego lub betonu lekkiego kruszywowego o otwartej strukturze PN-EN 1356: 1999 Badanie właściwości użytkowych prefabrykowanych elementów zbrojonych z autoklawizowanego betonu komórkowego lub be­ tonu lekkiego kruszywowego o otwartej strukturze przy zginaniu PN-EN I 52 I : I 999 Oznaczenie wytrzymałości na zginanie betonu lekkiego kruszy­ wowego o otwartej strukturze PN-EN 12350 cz. 1 -6:2001 Badania mieszanki betonowej - Część I : Pobiera­ nie próbek, Część 2: Badanie konsystencji metodą opadu stoż­ ka, Część 3: Badanie konsystencji metodą Vebe, Część 4: Ba­ danie konsystencji metodą oznaczania stopnia zagęszczalności, Część 5: Badanie konsystencji metodą stolika rozpływowego, Część 6: Gęstość cz. 2-8:2001/2 Badania betonu - Część 2: Wykonanie i pie­ PN-EN 1 2390 lęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych, Część 3: Wy­ trzymałość na ściskanie próbek do badania, Część 4: Wytrzy­ małość na ściskanie. Wymagania dla maszyn wytrzymałościo­ wych, Część 5: Wytrzymałość na zginanie próbek do badania, Część 6: Wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu pró­ bek do badania, Część 7 : Gęstość betonu, Część 8: Głębokość penetracji wody pod ciśnieniem PN-EN ISO 6946: I 999 Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania PN-ISO 10456:2002 Materiały i wyroby budowlane - Procedury określania deklaro­ wanych i obliczeniowych wartości cieplnych PN-B-0285 1 - 1 : 1 997 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Badania odporności ognio­ wej budynku. Wymagania ogólne i klasyfikacja PN-B-03002: 1 999 Konstrukcje murowe niezbrojone. Projektowanie i obliczanie Konstrukcje betonowe, żelbetowe i sprężone wykonywane z kru­ PN-B-03263:2000 szywowych betonów lekkich. Obliczeni a statyczne i projektowa­ nie Konstrukcje murowe zbrojone. Projektowanie i obliczanie PN-B-03340: I 999 Beton zwykły PN-88/B-06250 PN-89/B-06258 Autoklawizowany beton komórkowy PN-B-06263: I 991 Beton lekki kruszywowy

548 PN-B- 1930 1 : 1997 PN-B-1 9306: 1 999 PN-B-1 9307: 1 999 PN-B-1 9504: 1999 PN-B-1970 1 : 1 997 PN-86/B-23006 PN-89/B-32250 PN-H-97021 : 1998 CR 1 3962:2000E BN-87 /67 1 3-02 BN-85/67 15-12 BN-86/6745-04 BN-82/6746-01 BN-82/6746-02

8. Beton lekki Prefabrykaty budowlane z autoklawizowanego betonu komór­ kowego. Elementy drobnowymiarowe Prefabrykaty z betonu. Elementy ścienne drobnowymiarowe. Bloczki Prefabrykaty z betonu . Elementy ścienne drobnowymiarowe. Pustaki Prefabrykaty z betonu. Stropy gęstożebrowe zespolone. Pustaki Cement. Cementy powszechnego użytku. Skład, wymagania i ocena zgodności Kruszywa do betonu lekkiego Materiały budowlane. Woda do betonów i zapraw Aluminium. Proszek płatkowy do produkcji betonu komórko­ wego Wytyczne stosowania komponentów LAC w konstrukcjach Popioły lotne z węgla kamiennego do produkcji betonu komór­ kowego Kamień gipsowy Prefabrykaty budowlane z pianobetonu. Bloczki i płytki Prefabrykaty budowlane z autoklawizowanego betonu komór­ kowego. Płyty dachowe Prefabrykaty budowlane z autoklawizowanego betonu komór­ kowego. Dyle i płyty ścienne

9 Szkło budowlane •

Lesław Macieik

Jacek Katzer

9. 1 . Wiadomości ogólne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2. Właściwości szkła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 .2. 1 . Podstawowe parametry techniczne . . . . . . . . . . . . . . 9.2.2. Wła.�ciwości optyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.3. Właściwości chemiczne . . . . . . . . . . . . . . . 9.3. Charakterystyka techniczna podstawowych rodzajów szkła . . 9.3. 1 . Szkło płaskie okienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.2. Szkło płaskie wzorzyste i barwne . . . . . . . . . . . . 9.3.3. Szkło płaskie zbrojone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.4. Szkło bezpieczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4. Szyby zespolone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.1 . Budowa szyby zespolonej . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.2. Właściwości techniczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.3. Szyby zespolone o specjalnych właściwościach . . . . . . . . 9.5. Kształtki i pustaki szklane oraz szkło profilowane . . . . . . 9.5.1. Kształtki i pustaki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.2. Szkło profilowane i kopułki . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6. Wyroby izolacyjne 9.6.1 . Szkło piankowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6.2. Wyroby z przędzy i waty szklanej . . . . . . . . . . . . . . . 9.7. Siatki szklane, tapety szklane i welon szklany . . . . . . . . . . Wykaz literatury i norm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

•

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

. . . . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

.

.

.

.

.

. . . . .

. 550 . 551 . 551 . 551 . 552 552 . . 552 . 554 . . 554 . . 555 . . 555 . . 555 . . 558 . 558 . . 561 . . 561 . . 562 562 . 562 . . 563 . . 564 . . 564 .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

. . . .

. . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .

.

.

.

.

.

.

.

.

. . . . . . . . . . . . . . . . .

.

550

9. Szkło budowlane

9.1. Wiadomości ogólne Szkło towarzyszy budownictwu od bardzo dawna. Ocenia się wiek pierwszych przedmiotów szklanych na ponad 8000 lat. W Polsce najstarsze ślady produkcji szkła pochodzą z XII w. W budownictwie szkło znalazło zastosowanie przede wszystkim ze względu na przepuszczalność światła i energii słonecznej. Te cechy szkła zdecydowały o jego zastosowaniu w postaci fragmentów przegród, które oświetlają światłem naturalnym wnętrze budynku i pozwalają z wnętrza oglądać otoczenie. Szkło i wyroby szklane są ciągłe ulepszane, technologia produkcji udosko­ nalana i trudno obecnie dopatrzyć się materiałów mogących skutecznie z nimi konkurować [4]. Z chemicznego punktu widzenia szkło jest roztworem różnych krzemianów i wolnej krzemionki. Przy topieniu surowców zachodzą liczne reakcje, a powsta­ jące związki rozpuszczają się w sobie. Wytworzony stop jako całość tworzy to, co nazywamy szkłem. Podstawowym surowcem do produkcji szkła budowlanego jest dwutlenek krzemu Si02 (55-80%) w postaci piasku szklarskiego. Szkło jest modyfikowane przez dodanie różnych tlenków w procesie wytwarzania. Surowcami wprowadza­ jącymi tlenki modyfikujące cechy szkła są związki sodu, potasu, litu, wapnia, baru, ołowiu, cynku, magnezu, manganu i glinu. W warunkach przemysłowych otrzymuje się głównie szkło trójskładnikowe krzemianowo-sodowo-wapniowe, zwane szkłem zwykłym. Skład chemiczny ta­ kiego szkła można wyrazić uproszczonym wzorem Na2SiOyCaSi03 ·Si02 [ I ) . Produkcja szkła technicznego obejmuje takie czynności technologiczne jak: przygotowanie surowców, stapianie zestawu surowców (w temperaturze 1 300°C), klarowanie i ujednorodnienie stopu (w temperaturze I 350-- l 550°C), studzenie do odpowiedniej temperatury oraz formowanie wyrobu. Szkło można produkować różnymi metodami, a najpopularniejsze z nich to: metoda Forcaułta, polegająca na tym, że szkło jest ciągnione i formowane pio­ nowo za pomocą szeregu wałków w taśmę, ciętą następnie na arkusze, metoda Colburna (zwana też metodą bezdyszową Pittsburgha), w przypadku której ta­ śma szkła walcowana jest poziomo, oraz metoda Pilkingtona, w której stopiona masa płynie po powierzchni roztopionej cyny, gdzie jest formowana w taśmę szklaną o jednakowej grubości. Metodą Piłkingtona otrzymuje się szkło płas­ kie float. Do szklenia okien stosuje się obecnie szkło płaskie float, które dzięki zasto­ sowaniu najnowszej technologii jest pozbawione efektu falowania obrazu i innych wad występujących w szkle produkowanym metodami tradycyjnymi.

9.2.

Właściwości szkła

551

9.2. Właściwości szkła 9.2.1. Podstawowe parametry techniczne Szkło ma gęstość ok. 2,50 g/cm3 . Z uwagi na bardzo dużą szczelność szkła (pra­ wie równą 1,0) jego gęstość objętościową można przyjąć za równą gęstości. Szkło jest materiałem o dużej wytrzymałości na ściskanie (ok. 800 MPa), ale o małej wytrzymałości na rozciąganie i zginanie (ok. 30 MPa). Moduł sprężystości Youn­ ga wynosi ok. 73 OOO MPa. Szkło należy zaliczyć do materiałów kruchych, gdyż stosunek wytrzymałości na rozciąganie do wytrzymałości na ściskanie Rr /Rs wynosi 0,0375. Według skali Mohsa, względna twardość szkła wynosi ok. 6, co pozwala zaliczyć je do materiałów o średniej twardości. Współczynnik rozszerzalności cieplnej szkła zależy od jego składu chemicz­ nego i dla szkieł budowlanych ma wartość 8,7 10- 6 K- 1 . Współczynnik rozsze­ rzalności objętościowej jest w przybliżeniu trzy razy większy. Szkło jest dobrym przewodnikiem ciepła, a jego współczynnik przewodności cieplnej Ą równa się 0,84 W/(m·K). Dla pojedynczych szyb grubości 4 mm współczynnik przenikania 2 ciepła U wynosi ok. 6,1 0 W/(m -K). ·

9.2.2. Właściwości optyczne Najważniejszą cechą szkła dla użytkowników jest przenikalność promieniowania, określana zdolnością przechodzenia promieniowania przez dany materiał. Przy przechodzeniu przez szkło promieniowania widzialnego wprowadza się pojęcie przejrzystości. Szkło jest przejrzyste wówczas, gdy przepuszcza i rozprasza pro­ mienie widzialne, przez co obraz jest niewidoczny. Szkło jest przezroczyste wte­ dy, kiedy przepuszcza, ale nie rozprasza promieniowania widzialnego i dlatego obraz jest widoczny. Przepuszczalność szkła określana jest współczynnikiem przepuszczania, zde­ finiowanym jako stosunek strumienia energetycznego przepuszczanego przez szkło do strumienia energetycznego padającego na szkło. Szkło zatrzymuje część pro­ mieniowania, które przez nie przechodzi, co jest określone jako pochłanianie pro­ mieniowania. Pod tym względem charakteryzuje je współczynnik pochłaniania, który stanowi stosunek strumienia energetycznego pochłoniętego przez szkło do strumienia energetycznego padającego na szkło. Część promieniowania ulega od­ biciu od powierzchni szkła, co określa współczynnik odbicia zdefiniowany jako stosunek strumienia energetycznego odbijanego przez szkło do strumienia ener­ getycznego padającego na szkło. Na granicy dwóch ośrodków promienie świetlne ulegają załamaniu. Załamanie światła to zj awisko związane ze zmianą prędkości rozchodzenia się światła przy przechodzeniu do ośrodka o innej gęstości.

552

9. Szkło budowlane

Istotną cechą szkła jest jego barwa, powstająca w wyniku selektywnego po­ chłaniania promieniowania światła przy przechodzeniu przez szkło. Inną cechą optyczną jest zamącenie szkła, a więc zjawisko rozpraszania promieniowania świetlnego w szkle wywołane drobnoziarnistą krystalizacją łub wtrąceniami. Za­ mącenie szkła może być również wywołane przez likwację, czyli rozdzielenie się masy szklanej w stanie ciekłym lub plastycznym na frakcje o różnym składzie, gęstości i właściwościach optycznych. W szkle mogą występować zmiany właści­ wości optycznych będące wynikiem działania na nie promieni słonecznych lub innego promieniowania, które określa się pojęciem solaryzacji.

9.2.3. Właściwości chemiczne Właściwości chemiczne są istotne przy określaniu cech jakościowych szkła takich jak: odporność na działanie wody, zasad i kwasów, odporność na wietrzenie, iryzację, odporność na siwienie, zmętnienie i czernienie. Odporność na działanie wody lub inaczej odporność hydrolityczna to zdolność szkła do przeciwstawiania się niszczącemu działaniu wody, Podobnie odporność na działanie zasad i kwasów określana jest jako zdolność szkła do przeciwsta­ wiania się ich niszczącemu działaniu. Odporność na wietrzenie to odporność szkła na niszczące działanie wilgoci i gazów zawartych w atmosferze. Iryzacja to zjawisko optyczne, interferencja światła na powierzchni szkła spowodowana utworzeniem się warstewki żelu krzemionkowego na powierzchni lub naniesieniu warstwy specjalnej substancji. Odporność na siwienie, zmętnienie i czernienie to zdolność szkła do zachowania niezmiennej barwy i niezmiennego stanu po­ wierzchni szkła w wyniku działania płomienia palnika gazowego.

9.3. Charakterystyka techniczna podstawowych rodzajów szkła 9.3.1. Szkło płaskie okienne Do tej grupy szkieł budowlanych zalicza się szkło płaskie, gładkie i bezbarwne używane do szklenia okien, drzwi, produkcji szyb meblowych, luster i szkła hartowanego. Szkło płaskie ciągnione to płyty otrzymywane przez cięcie taśmy szklanej formowanej metodą ciągnienia dyszową (Forcaułta) łub bezdyszową (Pittsbur­ gha). Powierzchnia płyt może być szlifowana, polerowana łub matowa. Płyty mogą być hartowane, pochłaniające łub przepuszczające określony zakres pro­ mieniowania. Szkło płaskie ciągnione przezroczyste jest stosowane do szklenia

9.3.

Charakterystyka techniCV'la podstawowych rodzajów szkła

553

otworów okiennych, zaś szkło płaskie ciągnione szlifowane i polerowane w celu usunięcia wad optycznych z jego powierzchni jest używane tam, gdzie wymaga­ na jest jego wyższa jakość. Płyty ze szkła ciągnionego mogą być wzmocnione przez obróbkę termiczną, dzięki czemu ich wytrzymałość wzrasta około trzy­ krotnie. Szkło ciągnione można tak zmodyfikować, żeby pochłaniało promienio­ wanie cieplne (mała przepuszczalność w zakresie podczerwieni), co pozwala na ochronę przed silnym promieniowaniem słonecznym. Płyty ze szkła ciągnionego można pokrywać warstwą refleksyjną odbijającą określony rodzaj promieniowa­ nia cieplnego lub widzialnego, uzyskując szkło o określonych cechach. Szkło płaskie ciągnione jest wytwarzane w taftach prostokątnych grubości 1,0--1 O mm. Produkowane szkło jest bezbarwne, choć dopuszcza się odcienie: zielonkawy, niebieskawy i żółtawy widoczne tylko w przekroju szkła, a prawie niewidoczne przy patrzeniu przez nie. Przepuszczalność światła wynosi w zależności od gru­ bości od 88% dla szkła grubości 1 ,3; 1,6 i 2,0 mm do 77% dla szkła grubości 7,0; 8,0; 9,0 i 10 mm. Szczegółowe wymagania dla szkła płaskiego ciągnionego określa PN-86/B-1 3052.

Szkło płaskie walcowane gładkie produkowane jest w płytach otrzymywa­ nych przez cięcie taśmy szklanej formowanej metodą walcowania, a jego podsta­ wowe cechy i wymagania określa PN-86/B - 1 3050. Surowe płyty ze szkła walco­ wanego przeznaczone są do dalszej obróbki poprzez szlifowanie i polerowanie. Szkło płaskie walcowane jest stosowane do szklenia otworów okiennych, drzwio­ wych itp. Produkuje się je grubości 3,5-10 mm. Szkło płaskie ftoat to płyty szklane otrzymywane przez pocięcie taśmy szkla­ nej formowanej na powierzchni stopionego metalu (przeważnie cyny). Może być ono poddawane dalszej obróbce polegającej na hartowaniu, gięciu, polerowaniu itp. Jest to szkło przejrzyste o jednolitej grubości, które charakteryzuje się bra­ kiem zniekształceń optycznych. Z powodu o wiele lepszych właściwości szkła float w porównaniu do szkła ciągnionego i walcowanego jest ono coraz szerzej stosowane do szklenia otworów okiennych i drzwiowych. Ze szkła float, z uwagi na jego wysoką jakość, montuje się szyby zespolone. Szkło float jest produko­ wane w zakresie grubości 2-25 mm i wymiarach tafii od 1300x 1 605 mm do 3210x 6000 mm. Przepuszczalność światła słonecznego dla szyby float o grubo­ ści 2,0 mm wynosi 91 %. Szkło float często jest pokrywane specjalnymi warstwami, które modyfikują jego cechy. Szeroko stosowane jest szkło float pokryte warstwą tlenków metali, które stanowią barierę dla promieniowania cieplnego (długofalowego), co ogra­ nicza jego emisję na zewnątrz (patrz p. 9.4.). Szkło takie, popularnie nazywane niskoemisyjnym, jest stosowane w szybach zespolonych, co wydatnie zmniejsza ich przewodność cieplną. Znane są przykłady pokrywania szkła float warstwami refleksyjnymi odbijającymi światło.

·

554

9. Szkło budowlane

9.3.2. Szkło płaskie wzorzyste i barwne Szkło płaski.e wzorzyste jest w postaci tafli, które w procesie walcowania mają na powierzchni wytłoczony wzór lub ornament. Tafie te są przejrzyste, ale nie przezroczyste. Stosowane są do szklenia otworów drzwiowych lub tam, gdzie konieczne jest przepuszczenie światła rozproszonego. Standardowo szkło takie ma jedną powierzchnię gładką, a drugą wzorzystą. Przy głębokich wzorach dopuszcza się odbicie wzoru na powierzchni gładkiej. Na specjalne zamówienie odbiorcy produkuje się również szkło o obu powierzchniach wzorzystych. Szkło wzorzyste może być barwne i zbrojone. Szkło płaskie walcowane wzorzyste wytwarzane jest w tafiach szerokości 330-1 600 mm i długości 430-2500 mm. Grubość nominalna wynosi 3,5-10,0 mm. Szkło płaskie walcowane barwne to płyty i płytki różnych wymiarów i barw, stosowane zarówno do szklenia, jak i do okładania z zewnątrz i wewnątrz ścian. Zalicza się tu płyty i płytki okładzinowe z marblitu (szkło barwne nieprzejrzyste), płytki mozaikowe, płytki ze szkła emaliowanego itp. Szkło płaskie walcowane barwne przejrzyste w zależności od jakości masy szklanej oraz wykonania dzieli się na gatunki I i II. W przypadku szkła II ga­ tunku dopuszcza się nieznaczne odchylenia w odcieniu barwy. Jest produkowane szkło płaskie walcowane gładkie i wzorzyste wg PN-86/B-1 3050. Znajduje ono zastosowanie do tak zwanego szklenia kolorowego.

Szkło płaskie walcowane barwne nieprzejrzyste (barwione w masie) o na­ zwie handlowej „szkło opakowe" jest stosowane w budownictwie jako materiał okładzinowy i dekoracyjny. W zależności od wad masy szklanej i jakości wy­ konania może być gatunku I lub Il, a w zależności od wymiarów rozróżnia się płyty i płytki. Szkło ma kształt prostokątny lub kwadratowy oraz grubość 6,0 mm (inne grubości produkuje się na specjalne zamówienie). Barwa szkła, jej natęże­ nie, nieprzejrzystość oraz stopień zmącenia są uzgadniane między producentem a odbiorcą. Dopuszcza się nieznaczne odcienie barwy płyt i płytek w jednej dostawie.

9.3.3. Szkło płaskie zbrojone Szkło płaskie walcowane zbrojone to płyty ze szkła walcowanego gładkiego lub wzorzystego, bezbarwnego lub barwionego w masie, które mają wtopioną w procesie walcowania siatkę metalową. W przypadku stłuczenia siatka meta­ lowa utrzymuje odłamki szkła, zapobiegając ich wypadaniu. Płyty tego typu są stosowane do szkleń poziomych i pionowych wszędzie tam, gdzie jest wymagana podwyższona wytrzymałość i odporność na uderzenia. Szkło może być zbrojone siatką zgrzewaną o oczkach kwadratowych lub oczkach kwadratowych łamanych.

9.4.

Szyby zespolone

555

Siatka jest wtapiana równolegle do powierzchni płyty szklanej w odległości nie mniejszej niż 1 ,5 mm. Przepuszczalność światła nie powinna być mniejsza niż 65%. Wytrzymałość takiego szkła na obciążenia i uderzenia sprawdza się, badając je wg PN-EN 572-3: 1 999.

9.3.4. Szkło bezpieczne Szkło budowlane bezpieczne to wyrób wykonany co najmniej z jednej tafli szkła, który w przypadku rozbicia minimalizuje niebezpieczeństwo doznania skaleczeń lub innych obrażeń. Szkło takie jest stosowane do szklenia otworów wszędzie tam, gdzie są podwyższone wymagania wytrzymałościowe lub zwiększone wa­ runki bezpieczeństwa. Aby szkło zaliczyć do bezpiecznego, musi ono spełniać wymagania w zakresie wytrzymałości na uderzenia. Próbka szkła poddana bada­ niu zgodnie z PN-EN ISO 12543-4:2000 nie powinna pękać lub powinna pękać w sposób bezpieczny. W zależności od wyniku badania szkło jest zaliczane do jednej z klas szyb bezpiecznych. Wyróżnia się następujące rodzaj e szkieł budowlanych bezpiecznych: hartowa­ ne termicznie, hartowane emaliowane, klejone bezpieczne, klejone ognioodporne. Szkło hartowane termiczn ie to szkło nagrzewane, a następnie gwałtownie schłodzone w celu wywołania trwałego gradientu naprężeń dającego wzrost wy­ trzymałości mechanicznej i odporności termicznej. Szkło hartowane emaliowane to szkło mające co najmniej 50% powierzchni pokrytej warstwą emalii wtapianej w procesie hartowania. Szkło klejone bezpieczne to szkło składające się z kilka tafli sklejonych na całej powierzchni. Poszczególne tafle szkła mogą być zastąpione materiałem oszkleniowym organicznym. W szkle klejonym bezpiecznym warstwa sklejająca tak wiąże odłamki szkła w czasie rozbicia, żeby wielkość powstałego otworu w szybie była jak najmniejsza, a co za tym idzie ryzyko skaleczeń i innych obrażeń pozostawało znacznie ograniczone. Szkło klejone ognioodporne to szkło, w którym jedna lub kilka warstw sklejanych w wysokiej temperaturze stanowi materiał o właściwościach ogniood­ pornych.

9.4. Szyby zespolone 9.4.1. Budowa szyby zespolonej Szyba zespolona to wyrób składający się co najmniej z dwóch szyb oddzielonych elementem dystansowym na całym obwodzie, połączonych ze sobą w sposób hermetyczny. Przestrzeń między szybami jest wypełniona powietrzem lub gazem

9. Szkło budowlane

556

szlachetnym. Szyby zespolone stosowane są wszędzie tam, gdzie jest wymagane podwójne oszklenie i duża izolacyjność termiczna [2], [3]. Szyby można łączyć przez (rys. 9. 1 ): - spajanie szkła ze szkłem wzdłuż obrzeża, - spajanie szkła z metalem przez przylutowanie taśmy metalowej jako przekładki wzdłuż obrzeża tafli szklanej, - umieszczenie elementów dystansowych wykonanych z metalu lub tworzywa sztucznego wzdłuż obrzeża tafli szklanych. a)

b)

c)

d)

Rysunek 9.1. Sposoby połączenia szyb w celu uzyskania szyby zespolonej. a) spojenie szkła ze szkłem, b) spojenie szkła z metalem przez lutowanie, c) połączenie elementem dystansowym o kształcie pustej ramki, d) połączenie elementem dystansowym o kształcie litej ramki

Do szklenia okien najchętniej są stosowane szyby zespolone stanowiące ze­ staw dwóch szyb sklejonych za pomocą metalowej ramki dystansowej wypełnio­ nej substancją pochłaniającą wilgoć z przestrzeni międzyszybowej (tak zwane sito molekularne). Ramka dystansowa jest szczelnie przyklejona do szyb kitem butylowym i zaizolowana z zewnątrz kitem tikolowym (masą nieprzepuszczającą wilgoci i powietrza). Przez typową szybę zespoloną 4/16/4 mm 70% wymiany ciepła odbywa się przez promieniowanie, a 30% przez konwekcję i przewodzenie. Wymiana cie­ pła przez promieniowanie zależy od zdolności emisyjnej e. Powierzchnia szkła float najczęściej stosowanego do wykonania szyb zespolonych wykazuje emisyj­ ność e = 0,837 (wypromieniuje 83,7% energii cieplnej). Po pokryciu powłoką niskoemisyjną, na przykład o wartości e = 0, 100, wyemituje tylko 10% energii. W przypadku szyby z jedną powłoką niskoemisyjną, stanowiącej szybę zespo­ loną, wartość współczynnika przenikania ciepła U poprawi się z 3,0 W/(m 2 ·K) do 1 ,9 W/(m2 ·K). W tablicy 9.1 i na rys. 9.2 przedstawiono sposób ustawienia w szybie zespolonej poszczególnych rodzajów szyb.

9.4. Szyby zespolone

557

Tablica 9.1. Sposoby montowania szyb niestandardowych w szybie zespolonej

Umiejscowienie warstwy specjalnej (powierzchnia nr - patrz rys. 9.2.)

Rodzaj szyby Szyba refleksyjna Szyba niskoemisyjna Szyba absorbcyjna Laminat

B c

A-B (cała grubość szyby) A-B (wewnątrz szyby)

Rysunek 9.2. Sposób ustawienia w szybie ze­ spolonej poszczególnych rodzajów szyb, z - na zewnątrz budynku, w - wewnątrz budynku I

-

szkło, 2

-

ramka dystansowa, 3

-

sito moleku­

larne, 4 - butyl, 5 - tiokol

Dalsze obniżanie współczynnika przenikania ciepła U można osiągnąć, sto­ sując materiały i media wypełniające przestrzeń międzyszybową o niskim współ­ czynniki przewodzenia ciepła A. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest wy­ pełnienie przestrzeni międzyszybowej gazem szlachetnym, jak: argon, krypton lub ksenon, które mają mniejszy współczynnik A. od powietrza. W tablicy 9.2. Tablica 9.2. Zestawienie najczęściej stosowanych szyb zespolonych

Współczynnik W/(m2 ·K) 3,0 2,6 1,8 1 ,6

1 ,3 I ,I 0,9 0,7

U

Rodzaj szyby zewnętrznej (grubość 4 mm) float float float float float float float float niskoemisyjna

Rodzaj wypełnienia (szerokość ramki 16 mm) powietrze argon powietrze powietrze argon argon krypton krypton

Rodzaj szyby wewnętrznej (grubość 4 mm)

float float float niskoemisyjna float niskoemisyjna float niskoemisyjna float niskoemisyjna float niskoemisyjna float niskoemisyjna

558

9. Szkło budowlane

przedstawiono najczęściej stosowane zestawy szyb wraz z rodzajem medium wy­ pełniającym przestrzeń międzyszybową w szybach zespolonych. Ze względu na możliwość występowania ruchów konwekcyjnych maksymalna grubość przestrzeni międzyszybowej nie powinna przekraczać 20 mm dla powie­ trza, 17 mm dla argonu, 1 1 mm dla kryptonu i 8 mm dla ksenonu.

9.4.2. Właściwości techniczne Szyby zespolone muszą spełniać rygory tolerancji wymiarowych określonych w PN-B - 1 3079 : 1 997. Rodzaj i jakość szkła użytego do ich wykonania zależy od wymagań odbiorcy. Wewnętrzne powierzchnie szyb zespolonych powinny być czyste. Nie dopuszcza się skorodowanych elementów dystansowych, przecieków szczeliwa do wnętrza szyby, czy nieciągłości pasma szczeliwa na ramce i na­ rożnikach. Przy uszczelnieniu dwustopniowym pasmo butylu powinno być ciągłe i stykać się na całym obwodzie z drugim materiałem uszczelniającym. Butyl nie powinien mieć kontaktu z powietrzem zewnętrznym. W zestawach jednokomorowych szyby nie mogą być przesunięte względem siebie więcej niż o 1 mm. W zestawach dwukomorowych szyby w jednej ko­ morze nie mogą być przesunięte względem siebie więcej niż o 1 mm, a szyby skrajne o 2 mm. Wyroszenie pary wodnej wewnątrz szyby nic powinno wystąpić w temperaturze wyższej niż -35°C. Szyba zespolona powinna być szczelna po przeprowadzeniu dziesięciu cykli podgrzewania do 70°C i ochłodzeniu do l 8°C. W przypadku szyby zespolonej jednokomorowej uzyskuje się współczynnik 2 U o wartościach od 3,4 W/(m -K), przy odległości między szybami wynoszącej 2 6 mm, do 2,9 W/(m ·K), przy odległości między szybami równej 20 mm. Powyżej 20 mm nie poprawia się izolacyjność termiczna, a przy przekroczeniu 30 mm ulega ona znacznemu pogorszeniu. Parametrem oceny akustycznej szyby zespolonej jest wartość ważonego wskaź­ nika izolacyjności akustycznej właściwej Rw. Izolacyjność akustyczną szyb zespo­ lonych można kształtować w stosunkowo szerokim zakresie przez dobór grubości oraz rodzaju szyb składowych, zwiększenie przestrzeni międzyszybowej oraz wy­ pełnienie przestrzeni międzyszybowej odpowiednim gazem. W szybie zespolonej o przestrzeni międzyszybowej nie mniejszej niż 1 6 mm, wypełnionej gazem cięż­ kim SF6 (sześcioftuorek siarki), z zastosowaniem szyb klejonych można uzyskać izolacyjność akustyczną Rw = 45-50 dB.

9.4.3. Szyby zespolone o specjalnych właściwościach Właściwości szyb zespolonych można kształtować przez stosowanie szyb o róż­ nych parametrach, jak też używanie materiałów i mediów wypełniających prze-

9.4.

559

Szyby zespolone

strzeń międzyszybową o specjalnych cechach. Ciekawe możliwości daje folia Heat Mirror wprowadzona do zestawu jako membrana zastępująca trzecią szybę. Heat Mirror to spektrosełektywna folia pokryta powłokami, którymi nie można po­ kryć szkła. Folia jest gładsza niż szkło i dzięki temu można stosować najnowsze, bardzo precyzyjne techniki napylania, co pozwala uzyskać efekty niemożliwe do osiągnięcia na szkle. W szybach zespolonych, dzięki zastosowaniu niskoemisyjnej folii typu Heat Mirror dzielącej przestrzeń międzyszybową na dwie komory, uzyskuje się silne odbicie promieniowania cieplnego, a tym samym izolacyjność termiczną lepszą niż w przypadku szyby niskoemisyjnej. Podział na dwie komory spowalnia pro­ ces konwekcyjny, w wyniku czego jego udział w wymianie ciepła jest znacznie zmniejszony. Szyby zespolone ognioodporne i ogniochronne uzyskuje się, stosując szkło float przedzielone warstwami ogniochronnymi. W czasie pożaru warstwy ognio­ chronne ulegają spienieniu, tworząc porowatą, twardą i nieprzezroczystą masę. Odporność ogniowa takich szyb w zależności od ilości warstw ogniochronnych wynosi 30-90 min. Zmieniając w typowych zestawach szyb zespolonych jedną z szyb na szybę ochronną o specjalnych właściwościach, otrzymuje się barierę chroniącą przed uderzeniami (tabl. 9.3.), strzałami z broni palnej (tabl. 9.4.) oraz wybuchami (tabl. 9.5.). Należy zwracać uwagę, by szyby ochronne osadzać w odpowied­ nio wytrzymałych ramach. Przykłady zastosowań szyb ochronnych przedstawiono w tabl. 9.5. Tablica 9.3. Szyby o zwiększonej odporności na przebicie i rozbicie (10 klas)

Klasa szyby

Odporność szyby na działanie standardowych czynników niszczących rodzaj czynnika

liczba uderzeń

Ol

I

02

l

Pl

P2

kula stalowa o masie 4, l kg

3 3

P3

3

P4

3

P5 P6 P7 P8

si ekiera testowa o masie 2 kg

20-30 3 1-50 5 1 -70 > 70

Grupa

sposób oddziaływania swobodny spadek kuli na powierzchnię szyby zamontowanej w ramie z wysokości, m

1 ,2 2,4 1 ,5

szyby bezpieczne budowlane

3,0 6,0 9,0

wycinanie otworu uderzeniami siekiery; energia pojedynczego uderzenia 300-500 J

szyby budowlane o zwiększonej odporności na włamanie

9. Sz.kło budowlane

560

Tablica 9.4. Szyby odporne na strzał z broni palnej (5 klas)

Kaliber broni

Klasa szyby

9 PM 63 Sl

9 parabellum 7,62 TI w 3 3 0,357 magnum

S2

7,62 PPS

Charakterystyka pocisku budowa

Prędkość mis

Odległość strzelania, m

6,0

330

3

8,0

340

3

5,5

420

3

10,25

420

3

5,5

500

3

masa, g

pełny płaszcz, rdzeń miękki pełny płaszcz, rdzeń miękki

S3

0,44 magnum

pełny płaszcz, rdzeń stalowy

15,5

440

3

S4

5,45 AK

pełny płaszcz, rdzeń stalowy

3,7

830

10

S5

7,62 kbk AK

pełny płaszcz, rdzeń stalowy

7,95

720

10

9,57

900

25

Tablica 9.5. Szyby o zwiększonej odporności na działanie fali detonacyjnej (3 klasy)

Klasa szyby

Ciśnienie fali detonacyjnej , kPa

Dl

50

02

100

03

200

Czas trwania impulsu, s 1 2 . 10- 3 IO ·

1 0-3 8 . 10- 3

Tablica 9.6. Przykłady zastosowań szyb klas O i P

Miejsce zastosowania

Klasa szyby

Uwagi

Mieszkania, szkoły, biura, zakłady produkcyjne (drzwi wewnętrz- 0 1 , 02, Pl ne, okna na parterze i piętrach)

chronią przed zranieniem przy rozbiciu szyby, utrudniają rozbicie szyby przy gwałtownym zamknięciu okna lub drzwi

Kioski, domy wolno stojące, witryny hoteli, biur, hale sportowe

P l , P2

j.w., a także stanowią czasową ochronę przy próbie włamania

Wille, obiekty handlowe, apteki

P3, P4

utrudniają włamanie

Muzea, galerie, banki

P5, P6

zwiększają odporność na włamanie

Banki, sklepy jubilerskie, obiekty specjalne

P7, P8

gwarantują wysoką odporność na włamanie

9.5. Kształtki i pustaki szklane oraz szkło profilowane

561

9.5. Kształtki i pustaki szklane oraz szkło profilowane 9.5.1. Kształtki i pustaki

Kształtki szklane to prasowane jednoczęściowe lub dwuczęściowe elementy szklane. Rozróżnia się następujące ich rodzaje: pustaki szklane, luksfery, ce­ gły szklane, kształtki sufitowe, kształtki stropowe i kształtki posadzkowe. Ogólne wspólne wymagania dotyczą takich ich cech, jak: barwa szkła, dopuszczalne wady szkła, odporność chemiczna szkła na działanie wody, jakość wykonania kształtki (powierzchnia, obrzeża, zniekształcenie wzoru), odporność na zmiany temperatury, odporność na uderzenia, wytrzymałość na ściskanie i zdolność do rozpraszania światła. Najbardziej popularną szklaną kształtką budowlaną przepuszczającą światło jest luksfer przedstawiony na rys. 9.3, stosowany w budownictwie jako ścien­ ny element wypełniający. Produkuje się dwa rodzaje luksferów: o wymiarach 150x 150x50 mm i masie 1200 ± 50 g oraz o wymiarach 200x200x50 mm i masie 2200 ± 80 g. Z uwagi na odkształcalność termiczną elementów wyko­ nywanych z luksferów obowiązują wytyczne ich stosowania podane w normie. Luksfery są stosowane przeważnie do wypełniania wewnętrznych przegród do­ świetlających. Pustaki szklane to kształtki szklane o podstawie kwadratowej spajane z dwóch wyprasowanych elementów (rys. 9.4). Produkuje się pustaki bezbarwne, przejrzy­ ste lub barwne (o przepuszczalności światła 50-75% w zależności od barwy). Sto-

� ·'-·

l/

"

; i

/

I ('\ I/ "' I 1; "" !I/ - - i:�-'-· 1-_ , I/ ' i".. I/ '" [/ "" ; /

"

I I

·

-

Rysunek 9.3. Luksfer

-

"""

----,

I I ! I I I I ! I I I I I ! I I I I IrJ l 1-J_ I i I I I I I I I I I I I ! I I I ! J I I '- - - - - -t - - - -- J " - - - - - -r - - - - - ---

:

-

. _ _ _ _ _ . __

_ _ _ _ _ __ _ _

·

� I

(�---_-_-=._!_-_-_-_-=._�

/

I

Rysunek 9.4. Pustak szklany

:

-

9.

562

Szkło budowlane

suje się je do wypełniania przegród doświetlających. Dzięki stosunkowo wysokiej odporności ogniowej (G 1 20, F60), dobrej izolacyjności akustycznej (40-45 dB) oraz izolacyjności termicznej (U = 3,0 W/(m2 · K)) znajdują szerokie zastoso­ wanie w budownictwie. Wytyczne stosowania pustaków szklanych oraz zasady konstruowania z nich ścianek określa PN-75/B-13078.

9.5.2. Szkło profilowane i kopułki Szkło profilowane to odpowiednio ukształtowane elementy szklane produkowane metodą walcowania lub formowane metodą termiczno-grawitacyjną (szkło gięte). Z tego rodzaju produktów budowlanych najbardziej popularne są płyty Vitrolit, wytwarzane przez walcowanie taśmy szklanej zginanej na brzegach w celu uzy­ skania kształtu ceowego. Produkowane są profile szerokości 250 mm i 500 mm ze szkła przeźroczystego oraz barwionego w masie. Elementy te mogą być wzmoc­ nione przez zbrojenie podłużne wykonane z drutu stalowego. Profilowe płyty Vitrolit są stosowane na przegrody pionowe (długości do 2,5m) i na przegrody poziome lub pochyłe (na przykład naświetla) długości do 1 ,3 m.

Kopułki szklane to zahartowane i wygięte w kształcie kopułki płyty szklane. Podstawy kopułek mają kształt prostokątny, kwadratowy i okrągły. Kopułki są stosowane do szklenia świetlików dachowych (rys. 9.5.).

A

A

B

B

B-B

-===zrpc?/)7T:2z-,..

C-C

....a -rr na22 zz:-..,..

Rysunek 9.5. Kopułki szklane

9.6. Wyroby izolacyjne 9.6.1. Szkło piankowe Szkło piankowe jest otrzymywane przez spienienie proszku szklanego z substan­ cją wywołującą w temperaturze mięknienia szkła fazę gazową. W Polsce jest produkowane szkło piankowe przy użyciu spieniaczy węglowych (węgla lub wę­ glanu wapnia). W dobrze spienionym szkle pory i pęcherze stanowią ok. 90% całkowitej objętości, z czego większość to pory zamknięte, a nasiąkliwość po-

9.6.

Wyroby izalacyjne

563

wierzchniowa nie przekracza 5%. Szkło piankowe charakteryzują następujące parametry: - gęstość objętościowa - 1 60-1 80 kg/m3 , - współczynnik przewodności cieplnej 0,052 W/(m·K), I ,O MPa, - wytrzymałość na ściskanie -

-

- współczynnik sprężystości - 1 200 MPa, - współczynnik rozszerzalności liniowej - 90 I o -6 I /K, - nasiąkliwość objętościowa - do 2%. ·

Szkło piankowe odporne jest na większość agresywnych środowisk chemicz­ nych, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego. Ze względu na możliwości zasto­ sowania szkło piankowe jest bardzo uniwersalnym materiałem izolacyjnym. Ze względu na wysoką cenę szkło piankowe stosuje się tylko tam, gdzie jest nie­ możliwe użycie innych materiałów izolacyjnych.

9.6.2. Wyroby z przędzy i waty szklanej Szkło w postaci włókien ma zupełnie inne właściwości niż zwykłe szkło. Poza tym właściwości szkła w postaci włókien zależą od średnicy samych włókien. Wy­ trzymałość mechaniczna włókien szklanych jest kilkakrotnie większa niż włókien naturalnych czy też z tworzyw sztucznych. Szkło w postaci włókien ma prawie trzykrotnie większą wytrzymałość na rozciąganie niż stal, przy trzykrotnie mniej­ szym module sprężystości. Średnice włókien szklanych wynoszą 2-40 µm i są formowane w pasma, nici, sploty oraz tkaniny. Przędza szklana stosowana do izolacji cieplnej składa się z włókien o śred­ nicy ok. 35 µm, z których są formowane 1T1aty. Gęstość przędzy po sprasowaniu pod ciśnieniem 0,2 MPa nie powinna być większa od 1 20 kg/m3 , a przewodność cieplna powinna wynosić ok. 0,05 W/(m·K). Maty w zależności od odmiany na­ dają się do izolacji powierzchni, których temperatura może wynosić 1 0G-450°C. Najczęściej spotykane maty mają długość dochodzącą do 3000 mm, szerokość 500 lub 1 OOO mm oraz grubość I 0-50 mm. Wata szklana to luźno ułożone włókna szklane o grubości 3-35 µm. Przy umownym sprasowaniu ciśnieniem l Pa jej gęstość objętościowa wynosi 903 -1 10 kg/m , a przewodność cieplna 0,04-0,045 W/(m·K). Wata szklana jest for­ mowana w maty, płyty i kształtki. Stosuje się też watę szklaną w postaci luźnego granulatu. Maty zwija się w wałki i pakuje w folię lub papier. Najczęściej ma­ ty mają długość 4-14 m, szerokość 1,2 m oraz grubość 50-200 mm. Gęstość mat wynosi ok. 1 2 kg/m3 , a współczynnik A = 0,039 W/(m·K). Maty z wełny szklanej można stosować w temperaturze dochodzącej do 200°C. Stosuje się je jako izolację cieplną i akustyczną ścian, stropów oraz konstrukcji szkieletowych. Płyty z waty szklanej (wykonane przeważnie na lepiszczu żywicznym) są uży-

564

9.

Szkło budowlane

wane do izolacji ścian warstwowych, dachów i stropodachów. Gęstość w zależ­ ności od rodzaju płyty wynosi 30-125 kg/m3 , a przewodność cieplna jest równa 0,030-0,039 W/(m-K). Z waty szklanej są produkowane pokryte folią aluminio­ wą kształtki do izolacji rurociągów transportujących gorące media o temperaturze 20G-500°C. Maty z wełny szklanej stosuje się również do izolacji wymienników ciepła, kanałów wentylacyjnych itp.

9.7. Siatki szklane, tapety szklane i welon szklany Do produkcji siatek i tkanin szklanych stosuje się włókna ciągłe, czyli tak zwany jedwab szklany. Siatki szklane produkuje się z włókien łączonych w pasma o różnej grubości. Pasma są następnie plecione w siatki o oczkach kwadratowych lub prostokątnych o wymiarach od 4x4 do l O x 10 mm. W zależności od grubości pasm, rodzaju splotu i wielkości oczek, gramatura siatek waha się w granicach 60-350 g/m2 . Siatki są dostępne we wstęgach szerokości 1,0 m i długości 50-100 m. Siatki szklane stosuje się do wzmacniania przez zbrojenie mas plastycznych, zapraw, betonu oraz różnego rodzaju tkanin. W przypadku stosowania siatek do wzmac­ niania zapraw o odczynie alkalicznym należy je przedtem zaimpregnować. Tapeta szklana to tkanina wyprodukowana z włókien ciągłych, przeważnie koloru białego. Dostępna jest we wstęgach szerokości 1,0 m i długości 50 m. W zależności od rodzaju splotu i grubości pasm gramatura tapety zawiera się w granicach 130-250 g/m2 • Tapety tego rodzaju stosowane są do krycia po­ wierzchni narażonych na uszkodzenia mechaniczne. Welon szklany produkuje się z włókien szklanych nieciągłych. Jest to wy­ rób w postaci taśmy wyprodukowany z niesymetrycznie ułożonych i sklejonych lepiszczem włókien szklanych. Stosowany jest głównie jako osnowa pap oraz ma­ teriał okładzinowy wyrobów termoizolacyjnych. W zależności od rodzaju welonu jego gramatura waha się 5(}-700 g/m2 .

Wykaz literatury i norm Wykaz literatury [ l ] Czarnecki L., Broniewski T., Henning O.: Chemia w budownictwie. Arkady, Warszawa 1995. [2] Macieik L., Katzer J.: Montaż okien i drzwi balkonowych z PCW. Okno 3/2001 . [3] Macieik L., Katzer J.: Praca okna w budynku. Okno 4/200 1. [4] Prochaska W, Połujan R . : Szkło w budownictwie. Arkady, Warszawa 1 967.

Wykaz literatury i norm

565

Wykaz norm PN-EN 572- 1 : 1999 PN-EN 572-2 : 1 999 PN-EN 572-3: 1 999

PN-EN 572-4: 1999

PN-EN 572-5: 1999

PN-EN 572-6 : 1 999

PN-EN 572-7: 1 999 PN-EN 1063:2002

PN-EN 1 2 1 50-1 :2002 PN-EN ISO 12543-1:2000

PN-EN ISO 1 2543-2:2000 PN-EN ISO 12543-3:2000 · PN-EN ISO 12543-4:2000 PN-EN ISO 1 2543-5:2000 PN-ENISO 12543-6:2000 PN-74/B - 1 3070 PN-76/B-1 3074 PN-75/B-1 3078

PN-B 1 3079 : 1 997

Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo­ -wapniowo-krzemianowego. Definicje oraz ogólne właściwo­ ści fizyczne i mechaniczne Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo­ -wapniowo-krzemianowego. Szkło float Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo­ -wapniowo-krzemianowego. Szkło zbrojone polerowane Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo­ -wapniowo-krzemianowego. Szkło płaskie ciągnione Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo­ -wapniowo-krzemianowego. Wzorzyste szkło walcowane Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo­ -wapniowo-krzemianowego. Wzorzyste szkło zbrojone Szkło w budownictwie. Podstawowe wyroby ze szkła sodowo­ -wapniowo-krzemianowego. Zbrojone i niezbrojone szkło pro­ filowe Szkło w budownictwie. Bezpieczne oszklenia. Badania i kla­ syfikacja odporności na uderzenia pocisku Szkło w budownictwie. Termiczne hartowane bezpieczne szkło sodowo-wapniowo-krzemianowe. Część I . Definicje i opis Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Definicje i opis części składowych Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Bezpieczne szkło warstwowe Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Szkło warstwowe Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Metody badań odporności Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Wymiary i wykończenia obrzeża Szkło w budownictwie. Szkło warstwowe i bezpieczne szkło warstwowe. Wygląd Szkło budowlane. Kształtki. Wspólne wymagania i badania Szkło budowlane. Luksfery Szkło budowlane. Pustaki szklane. Wymagania, badania i wytyczne stosowania Szkło budowlane. Szyby zespolone

1

O

Drewno i materiały drewnopochodne

Zdzisław Lis

•

Piotr Rapp

IO. I . Budowa drewna . . . . . . . . . . . . . IO. I . I . Budowa drzewa . . . . . . . . . I0.1 .2. Makroskopowa budowa drewna I0.1 .3. Mikroskopowa budowa drewna 10. 1.4. Budowa drewna drzew iglastych i liściastych . I0.1.5. Submikroskopowa budowa drewna I0.2. Właściwości drewna . . . . . . . . . I0.2. 1 . Cechy zewnętrzne drewna . . . . . 10.2.2. Właściwości fizyczne drewna . . . 10.2.3. Właściwości mechaniczne drewna . 10.3. Wady drewna . . . . . 10.3.1 . Rodzaje wad . . . . . . . . 1 0.3.2. Wady kształtu . . . . . . . I0.3.3. Wady budowy anatomicznej 10.3.4. Nienormalne zabarwienie 10.3.5. Zgnilizna . . . . . . . . . . 10.3.6. Pęknięcia . . . . . . . . . . 10.3.7. Zranienia . . . . . . . . . . 10.3.8. Pęcherze żywiczne i przeżywiczenie 10.4. Drewno jako materiał budowlany . . . . . . 10.4. 1 . Gatunki drewna stosowane w budownictwie 10.4.2. Materiały drzewne . . . . . 10.4.3. Drewno klejone warstwowo I0.4.4. Materiały drewnopochodne 10.4.5. Drewno modyfikowane . . 10.5. Korozja biologiczna drewna . . . . 10.5. 1 . Zgnilizna drewna . . . . . . 10.5.2. Rodzaje grzybów . . . . . . . 10.5.3. Niszczenie drewna przez owady . . 10.6. Ochrona drewna przed korozją biologiczną I 0.6.1. Naturalna ochrona drewna w okresie jego pozyskiwania i składowania 10.6.2. Klasyfikacja zagrożenia drewna budowlanego korozją biologiczną 10.6.3. Chemiczne środki ochrony drewna budowlanego . . . . . . . . . . . I 0.6.4. Impregnacja drewna budowlanego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I0.7. Ochrona drewna przed ogniem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7. 1 . Zachowanie się drewna pod wpływem wysokiej temperatury i ognia 10.7.2. Palność i odporność ogniowa . . . . . . . . . . . 10.7.3. Chemiczne środki ochrony drewna przed ogniem 10.8. Trwałość i starzenie się drewna . . . . 10.8 . 1 . Trwałość drewna . . . . . . . . 10.8.2. Naturalne starzenie się drewna . Wykaz literatury i norm . . . . . . . . . . .

. 568 . 568 . 571 . 576 . 580 . 581 . 586 . 586 . 588 . 597 . 610 . 610 . 611 . 61 1 . 614 . 615 . 616 . 616 . 617 . 617 . 617 . 620 . 621 . 623 . 631 . 631 . 631 . 633 . 633 . 635 . 635 . 637 . 637 . 640 . 645 . 645 . 646 . 646 . 647 . 647 . 649 . 650

568

JO. Drewno i materiały drewnopochodne

10.1. Budowa drewna 10.1.1. Budowa drzewa Drzewo jest to roślina wieloletnia, której podstawową cechą jest wykształcenie twardego (zdrewniałego) pędu głównego stanowiącego pień, z którego wyrastają pędy boczne tworzące koronę. Podziemną część drzewa stanowi system korzenio­ wy. Przyziemna zgrubiała część nazywa się szyją korzeniową. Przez nią system korzeniowy przechodzi w pień. Szyja korzeniowa jest szersza w stosunku do pnia i pełni ważną funkcję mechaniczną, gdyż zwiększa siłę oporu drzewa na działanie wiatru. Szyja korzeniowa zwęża się ku górze i z wiekiem drzewa wydłuża się, tworząc zgrubienie odziomkowe (odziomek) sięgające do różnych wysokości, na przykład ok. 5 m u buku, jodły i sosny oraz ok. 2 m u grabu i jesionu. Drzewa rosnące pojedynczo na otwartej przestrzeni mają zazwyczaj większe zgrubienie odziomkowe niż drzewa rosnące w zwarciu. Schemat budowy drzewa przedsta­ wiony jest na rys. 10. l . Korona drzewa powstaje w wyniku rozgałęzienia pnia, począwszy od pewnej wysokości nad ziemią. Obejmuje ona konary oraz gałęzie wraz z ulistnieniem.

"'

"' "

�

i: o ·2 . � 4000 a. "' 2000 o

i Rysunek 10.18. Zależność modułu sprężystości Eu drewna iglastego od jego wilgotności ( [ 17] wg Mohlera)

o

10

20

30

40

Wilgotność drewna W, %

50

JO. Drewno i materiały drewnopochodne

602

Pełzanie Pełzaniem drewna określa się zależny od czasu przyrost jego odkształceń przy stałym obciążeniu. Drewno będące pod stałym obciążeniem doznaje ciągłego przyrostu odkształceń (zależnych od czasu), które nakładają się na początkowe odkształcenia sprężyste. Całkowite odkształcenia w danej chwili są zatem sumą odkształceń sprężystych i odkształceń związanych z pełzaniem. Pełzanie drewna zależy od jego gatunku i wilgotności oraz od wartości i czasu trwania obciążenia. Zależność pełzania od rodzaju obciążenia dla drewna świerkowego przedstawiono na rys. 10. 1 9. Na osi rzędnych naniesiono stosunek odkształcenia całkowitego do początkowego odkształcenia sprężystego, zwany parametrem pełzania. Z rysun-

„

·� 1,a-+---,l'---+-----1--i

i � � 1,4-tf----ł-+---=!--=s;;;i �

2000

4000

Czas, godz.

6000

Rysunek 10.19. Zależność parametru pełzania od rodzaju obciążenia dla drewna świerkowego przy stopniu obciążenia 20-30% wytrzymałości doraź­ nej (T = 20"C, rp = SS%) ((17] wg Gressela) I - skręcanie, 2 - ściskanie wzdłuż włókien. 3 - zgina­ nie. 4 - rozciąganie wzdłuż włókien

ku wynikają przybliżone zależności między wartościami pełzania przy ściskaniu i rozciąganiu w kierunku równoległym do włókien, przy zginaniu i przy skrę­ caniu. Pełzanie przy skręcaniu jest 2-3 krotnie większe niż przy zginaniu, które z kolei jest mniej więcej zbliżone do pełzania przy ściskaniu wzdłuż włókien. Pełzanie przy rozciąganiu w kierunku równoległym do włókien jest wyraźnie mniejsze niż przy ściskaniu w tym samym kierunku. Ponadto z rys. 1 0. 1 9 wy­ nika, że dodatkowe odkształcenia drewna wskutek pełzania są wyraźnie większe od początkowych odkształceń sprężystych. Wartość obciążenia ma istotny wpływ na pełzanie drewna. Na rysunku I 0.20 pokazano trzy charakterystyczne krzywe pełzania dla belki zginanej z drewna litego. Środkowa krzywa odpowiada tak zwanej granicy pełzania. Przez grani­ cę pełzania g. c

§"'

10.2.

605

Właściwości drewna

Poszczególne rodzaje wytrzymałości drewna zależą głównie od następujących czynników: odchylenia kierunku obciążenia od kierunku włókien, wilgotności drewna, liczby, rodzaju i rozmieszczenia sęków, gęstości, temperatury drewna, czasu trwania obciążenia oraz wymiarów badanej próbki. Wskutek anizotropii drewna odchylenie kierunku obciążenia od kierunku włókien ma decydujące zna­ czenie dla wytrzymałości drewna. Na rysunku 1 0.21 przedstawiono zmienność wytrzymałości drewna na rozciąganie, zginanie i ściskanie w zależności od kąta

a

nachylenia włókien do kierunku obciążenia. Największy wpływ ma kąt

wytrzymałość na rozciąganie. Przy

a = 90°

a=

a

na

1 5° obniża się ona do połowy, a przy

wynosi 2-5% wytrzymałości maksymalnej. Wytrzymałość na ściskanie

nie zależy tak silnie od kąta a, jednak dla kąta

a :::::: 40°

również obniża się do

połowy wartości maksymalnej. Krzywa zależności wytrzymałości na zginanie od kąta a leży między krzywymi odpowiadającymi wytrzymałości na rozciąganie i na ściskanie.

Rysunek 10.21. Zależność wytn:ymałości drewna

kąta a między kierunkami obciążenia i włó· kien drewna ([17] wg Baumanna i Ghelmcziu) I - wy1rzymalo� na ściskanie, 2 - wy1r.1.ymalość na zginanie. 3 - wy1rzymało� na rozciąganie od

15

30

45

Kąt a,

60

75

90

stopnie

Wytrzymałość drewna maleje wraz ze wzrostem jego wilgotności w zakresie higroskopijnym, natomiast w obszarze kapilarnym wpływ wilgotności na wy­ trzymałość jest pomijalny. Na rysunku 1 0.22 przedstawiono wpływ wilgotności drewna na jego wytrzymałość na rozciąganie wzdłuż włókien, zginanie, ściskanie wzdłuż włókien i ścinanie wzdłuż włókien. W przedziale wilgotności drewna od stanu powietrznosuchego do nasycenia włókien ( 15-30%) wytrzymałość drewna na ściskanie zmniejsza się o ok. 50%, a wytrzymałość na zginanie o ok. 40%. Wpływ wzrostu wilgotności na wytrzymałość na rozciąganie i na ścinanie jest niewielki. Sęki są wadą drewna, gdyż zakłócają lokalnie jego strukturę przez odchylenia kierunku włókien oraz zmiany gęstości drewna i mają negatywny wpływ na je­ go wytrzymałość. Szczególnie zmniejszają wytrzymałość drewna na rozciąganie. Sęki wielkości do l/4 szerokości tarcicy powodują obniżenie wytrzymałości na rozciąganie wzdłuż włókien o ok. 70% w stosunku do drewna bez sęków. Jesz-

IO. Drewno i materiały drewnopochodne

606 16-

J

1 4o

12 V

2

1 0·�

� I\

'

3

;:;

I

I\

o

�

2o

o

'

'

'

!'-.._

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 Wilgotność,

%

Rysunek 10.22. Wpływ wilgotności drewna na jego wytrzymałość r ł 3 J I - na rozciąganie wzdłuż włókien. 2 - na zginanie, 3 - na ściskanie wzdłuż włókien. 4 - na ścinanie wzdłuż włókien

cze większy spadek wytrzymałości występuje wtedy, kiedy sęki znajduj ą się na krawędzi elementu. Wpływ sęków jest znacznie mniejszy przy ściskaniu wzdłuż włókien. W przypadku mało sękatego drewna sosny wytrzymałość na ściskanie zmniejsza się o I 0%, a bardzo sękatego o 20% [26). Wytrzymałość na zginanie zależy w dużym stopniu od liczby i rozmieszczenia sęków, szczególnie w strefie rozciąganej . Jeśli sęki występują przy krawędzi belki i mają rozmiar ok. 1/3 bo­ ku łub płaszczyzny, wytrzymałość na zginanie może zmniejszyć się do ok. 50% wytrzymałości drewna bez wad. W belkach z drewna okrągłego wpływ sęków jest znacznie mniejszy niż w belkach z tarcicy. Przy ustalonej wilgotności drewna jego wytrzymałość rośnie w przybliżeniu liniowo wraz ze wzrostem gęstości. Na rysunku 10.23 pokazano wpływ gęsto­ ści na wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie i zginanie drewna świerkowego w stanie absolutnie suchym. Wpływ gęstości drewna na jego wytrzymałość jest znaczący. Wytrzymałość drewna maleje w przybliżeniu liniowo wraz ze wzrostem tem­ peratury. Dla iglastego drewna europejskiego bez wad, na każde I 0°C powyżej 20°C spadek wytrzymałości na ściskanie i zginanie wynosi 5%, a na rozciąganie 1 % [ I ). Przy obciążeniu długotrwałym wytrzymałość drewna zmniejsza się w stosun­ ku do wytrzymałości doraźnej (krótkotrwałej). Rysunek 10.24 przedstawia spadek wytrzymałości drewna iglastego bez wad przy zginaniu długotrwałym, odniesiony do wytrzymałości doraźnej. Na podstawie różnych badań można przyjąć, że trwa-

607

10.2. Właściwości drewna

70'+---+----,,__--+>"'---+--;

'E

�

60+---l-7'"-----1--+--;

"*

50+----lt--+---+---t.....-i