SPOIWA GIPSOWE
1.1. Rys historyczny
Spoiwa gipsowe należą do najstarszych, znanych materiałów budowlanych na świecie. Badania archeologiczne prowadzone w różnych krajach świadczą o tym, że gips był stosowany w czasach starożytnych. W późniejszym okresie z upadkiem starożytnej kultury zapomniano o gipsie jako materiale wiążącym i dopiero w początkach okresu odrodzenia spotykany jest powszechnie przy budowie kościołów, klasztorów i innych budowli. W Polsce w IX wieku i w latach późniejszych, po raz pierwszy zarejestrowano gips, jako spoiwo do robót budowlanych. W okresie tym używano go do robót wykończeniowych, sztukatorskich, jak również do zapraw w murach. Małe zainteresowanie spoiwami gipsowymi było spowodowane powstaniem przemysłu cementowego. Dopiero po drugiej wojnie światowej wobec ogromnych zniszczeń i braku materiałów budowlanych, spoiwa gipsowe ponownie zaczęły zdobywać należne sobie miejsce w budownictwie indywidualnym jak i również do robót architektonicznych i wykończeniowych. Zaspokojenie potrzeb szybko rozwijającego się budownictwa wymaga rozszerzenia bazy produkcji materiałów budowlanych, szczególnie takich, które pozwalają budować szybko, tanio i dobrze. Mogą nimi być tworzywa gipsowe, w których podstawowym składnikiem jest gips budowlany. Podstawową zaletą natury ekonomiczno-gospodarczej, przemawiającą za wykorzystaniem tworzyw gipsowych jest niezbyt skomplikowane wydobycie surowca, prosty proces technologiczny oraz niskie koszty produkcji wyrobów na bazie gipsu.
1.2. Klasyfikacja i rodzaje spoiw gipsowych
1.2.1. Klasyfikacja spoiw gipsowych
Gips (PN-B-01302:1992) - minerał lub produkt chemiczny, którego podstawowym składnikiem jest dwuwodny siarczan wapniowy. Nazwy gips używa powszechnie w odniesieniu do spoiw gipsowych.
Spoiwo gipsowy (PN-EN 13279-1:2009) - spoiwo złożone z siarczanu wapnia o różnym stopniu uwodnienia, na przykład półhydratu (CaSO4 × 0,5H2O) i anhydrytu (CaSO4). Spoiwo gipsowe można uzyskać przez prażenie dwuwodnego siarczanu wapnia (CaSO4 × 2 H2O). Po zmieszaniu spoiwa gipsowego z wodą, cząsteczki stałe spoiwa gipsowego łączą się w wyniku procesu wiązania.
Spoiwa gipsowe w zależności od zastosowania dzielą się na:
1. Spoiwa gipsowe do bezpośredniego stosowania na budowie;
2. Spoiwa gipsowe do dalszego przetwarzania na tynki gipsowe, tynki i zaprawy gipsowe specjalnego przeznaczenia, elementy prefabrykowane.
W zależności od stopnia uwodnienia spoiwa gipsowe dzielą się na dwie zasadnicze grupy:
1. Spoiwa gipsowe półwodne szybkowiążące i normalniewiążące np. gips budowlany, gips modelowy;
2. Spoiwa gipsowe bezwodne wolnowiążące jak estrichgips, spoiwo anhydrytowe, spoiwo specjalne.
W przyrodzie gips wstępuje w dwóch postaciach:
1. Kamień gipsowy (Gips dwuwodny CaSO4×2H2O);
2. Anhydryt (Gips bezwodny CaSO4).
1.2.2. Rodzaje spoiw gipsowych
1.2.2.1. Gips półwodny (CaSO4 × 0,5H2O)
Gips półwodny jest spoiwem powietrznym, którego podstawowym składnikiem jest gips odmiany b, otrzymywanym przez prażenie kamienia gipsowego, utworzonego z dwuwodnego siarczanu wapniowego CaSO4×2H2O a następnie zmielenie. Odwodnienie gipsu dwuwodnego zachodzi w temperaturze ok. 140°C. Nazwa gipsu półwodnego pochodzi od stosunku ilościowego wody do siarczanu wapniowego. Gips półwodny zawiera 6,2% wody związanej. Są dwa zasadnicze odmiany gipsu półwodnego różniące się budową krystaliczną i właściwościami. Odmiana powstaje, gdy reakcja odwodnienia zachodzi w atmosferze pary wodnej, odmiana , gdy w czasie reakcji para wodna jest intensywnie odprowadzana. Gips półwodny stosowany jest do:
1.2.2.2. Gips anhydrytowy (CaSO4)
Gips bezwodny, wydobywany w mniejszych ilościach w porównaniu z gipsem dwuwodnym. Jego wydobycie w kraju jest kosztowniejsza, ponieważ wymaga stosowania metod górniczych. Otrzymuje się przez wypalanie kamienia gipsowego w temperaturze powyżej 400°C i przemielenie. Spoiwo anhydrytowe wykazuje większą wodoodporność gipsu budowlanego. Anhydryt, jeżeli jest czysty ma kolor biały jednak często ma kolor zabarwiony domieszkami.
1.2.2.3. Gips szpachlowy
Jest to mieszaniną gipsu półwodnego oraz dodatków regulujących uwodnienie, wiązanie i przyczepność gipsu do podłoża. Stosowany jest do:
1.2.2.4. Gips tynkarski
Jest mieszaniną gipsu budowlanego, estrichgipsu, lekkiego wypełniacza oraz dodatków modyfikujących. Gips tynkarski stosowany jest do wykonywania jednowarstwowych, wewnętrznych wypraw tynkarskich grubości 8-20 mm, narzucanych mechanicznie lub ręcznie na podłoże z elementów ceramicznych, cegły wapieno-piaskowej oraz betonu zwykłego i komórkowego.
1.2.2.5. Klej gipsowy
Głównym składnikiem kleju gipsowego jest półwodny siarczan wapnia i dodatki modyfikujące. Stosowany jest do łączenia ściennych płyt Pro-Monta oraz klejenia i spoinowania płyt kartonowo-gipsowych.
1.2.2.6. Estrichgips
Estrichgips otrzymuje się przez wypalanie kamienia gipsowego w temp. powyżej 800°C i przemielenie produktu wypalania. Estrichgips ma pewne właściwości hydrauliczne oraz wykazuje większą wodoodporność od gipsu zwykłego. Stosowany jest do:
1.2.2.7. Gips modelowy
Gips modelowy różni się od gipsu budowlanego drobniejszym przemiałem i jaśniejszą barwą białą. Uzyskiwany jest przez wyprażenie szczególnie starannie dobranego kamienia gipsowego, ze względu na stopień czystości. Wytrzymałość gipsu modelowego jest podobna do wytrzymałości gipsu budowlanego. Stosuje go do prac wykończeniowych, sztukatorskich i modeli.
1.2.2.8. Gips syntetyczny
Gips syntetyczny otrzymuje się w procesie odsiarczania spalin powstających w zakładach energetycznych i ciepłowniczych. Metody otrzymania gipsu syntetycznego można podzielić na: metoda mokra wapienna, metoda wapienna półsucha, metoda regeneracyjna [7]. W I etapie procesu odsiarczania spalin powstaje gipsy syntetyczny dwuwodny CaSO4 × 2H2O. Po zagęszczeniu wilgotność takiego proszku gipsowego wynosi 6-10%. Po wysuszeniu otrzymuje się gips syntetyczny gips budowlany CaSO4 × 0,5H2O oraz inne spoiwa i wyroby gipsowe. Gips syntetyczny budowlany ma podobne skład chemiczny i właściwości do naturalnego gipsu budowlanego. Wykazuje on większą wytrzymałość mechaniczną i krótszy czas wiązania od naturalnego gipsu budowlanego. Stosowany jest w przemyśle cementowym - do regulacji procesu wiązania oraz w przemyśle betonów komórkowych - do aktywacji procesu twardnienia w przemyśle gipsowym - do produkcji spoiw i wyrobów gipsowych.
Jego zalety są: mała energochłonność procesu produkcji spoiwa w temperaturze 160oC, krótki czas wiązania i twardnienia, niewielki ciężar, mała higroskopijność, korzystny wpływ na mikroklimat w pomieszczeniu. Wady są: małą spoistość ziarnową (różne uziarnienie), duża nasiąkliwość, stosunkowo mała wytrzymałość i znaczny jej spadek przy zawilgoceniu (nawet o 80%), duże pełzanie w stanie zawilgocenia, mała odporność na uderzenia.
1.3. Dehydratacja gipsu
Gips dwuwodny podczas ogrzewania w temperaturze ok. 140°C stopniowo straci wodę krystaliczną, przechodząc w gips półwodny, a w miarę podwyższenia temperatury w anhydryt, aż do rozkładu CaSO4 wg następujących reakcji:
CaSO4×2H2O ® CaSO4×0,5H2O + 1,5H2O
CaSO4×0,5H2O ® CaSO4 +01,5H2O (ok. 400°C)
oraz w 800°C częściowo zachodzi rozkład
CaSO4 ® CaO + SO2 + 0,5O2
W zależności od warunków dehydratacji powstaje odmianę a lub b CaSO4 × 0,5 H2O. Odmiana a półhydratu powstaje podczas dehydratacji w atmosferze nasyconej pary wodnej a odmiana b półhydratu gdy w czasie reakcji para wodna jest intensywnie odprowadzana. Oba odmiany wykazują podobną strukturę. Odmiany te wykazują istotne różnice rozpuszczalności, czasu wiązania i wytrzymałości. Odmiana b w odróżnieniu od odmiany a ma wygląd kłaczkowaty, krystalizuje w postaci bardzo drobnych kryształów. Stąd odmiana b ma gorsze właściwości wytrzymałościowe niż odmiana a, która ma zwartą strukturę krystaliczną.1.4. Wiązanie i twardnienie spoiw gipsowych
Wiązanie i twardnienie spoiw gipsowych polega na uwodnieniu gipsu półwodnego siarczanu wapniowego do siarczanu dwuwodnego wg reakcji:
CaSO4×0,5H2O + 1,5H2O ® CaSO4×2H2O + ciepło
Spoiwo gipsowe z zmieszaniu z wodą tworzy plastyczny zaczyn, który twardnieje po określonym czasie dając tworzywo o pewnej wytrzymałości [5]. Twardnienie następuje stopniowo i jest to proces fizyko-chemiczny zachodzący w układzie materiał wiążący – woda. Wiązanie i twardnienie gipsu półwodnego w obecności wody jest spowodowane różnicą rozpuszczalności półwodnego siarczanu wapniowego i dwuwodnego siarczanu wapniowego. Proces wiązania i twardnienia można podzielić na następujące okresy [8]:
1.5. Wytrzymałość stwardniałych zaczynów gipsowych
Wytrzymałość stwardniałych zaczynów gipsowych jest zależna głównie od ilości wody w zaczynie, tj. od stosunku W/S oraz od zawartości wilgoci w odlewie. Przyrost wytrzymałości wyrobów gipsowych w małym tylko stopniu zależny od czasu dojrzewania. Główną rolę odgrywa tu stopień wysuszenia. Próbki gipsowe przechowywane w laboratorium praktycznie wysychają po ok. 7 dniach i nie odznaczają się dalszym przyrostem wytrzymałości, natomiast okres wysychania, a zatem i przyrostu wytrzymałości większych wyrobów może być dłuższy. Dlatego też w celu zwiększenia wytrzymałości świeżych wyrobów można je suszyć do stałej masy w temperaturze nieprzekraczającej 50°C. Wyższa temperatura jest szkodliwa, gdyż gips zaczyna oddawać również wodę związaną krystalicznie, co powoduje spadek wytrzymałości.
1.6. Wodoodporność tworzyw gipsowych
Gips rozpuszcza się w wodzie; w temperaturze 20°C w 11 wody rozpuszcza się ok. 2,4 g gipsu. Wpływ wilgoci na niemodyfikowane tworzywa gipsowe ma charakter destrukcyjny. Obniża wytrzymałość do 60-80%, zaś przy minimalnym zawilgoceniu wykazują one dużą nasiąkliwość dochodzącą do 30-50% i znaczną rozmywalność przy zetknięciu się z wodą bieżącą [3]. Więc zasadniczą wadą wyrobów gipsowych jest ich niedostateczna wodoodporność. Wodoodporność określa się ją za pomocą współczynnika rozmiękania. Jest to stosunek wytrzymałości na ściskanie w stanie nasyconym wodą do wytrzymałości próbek gipsowych w stanie suchym. Wartość tego współczynnika dla tworzyw gipsowych waha się w granicach 0,4-0,6. Dla zaczynów gipsowych o konsystencji normalnej współczynnik rozmiękania wynosi około 0,3 podczas gdy dla materiałów budowlanych odpornych na działanie wody wynosi nie mniej niż 0,8. Wyjaśnienie zjawiska destrukcyjnego działania wody na wyroby gipsowe zostało wielokrotnie omówione w literaturze fachowej. Początkowo sądzono, że znaczna porowatość powoduje nadmierną nasiąkliwość i duży spadek wytrzymałości tworzyw gipsowych w stanie wilgotnym. Wielu badaczy sądziło, że gdyby udało się obniżyć ilość wody zarobowej do ilości potrzebnej do wejścia w reakcję chemiczną ze spoiwem, można byłoby uzyskać wodoodporne tworzywa gipsowe. Przeprowadzone badania w tym kierunku nie dały pożądanych efektów i wnioskowano, że zagęszczenie powoduje znaczny wzrost wytrzymałości mechanicznej próbek gipsowych, lecz nie poprawia w sposób wyraźny ich niskiego współczynnika rozmiękania a tym samym wodoodporności. Stwierdzono również, że znaczne zmniejszenie stosunku woda/spoiwo może nawet wywierać niekorzystny wpływ na proces twardnienia tworzyw gipsowych co powoduje, że wartość współczynnika rozmiękania zagęszczonych próbek spada do poniżej wartości współczynnika rozmiękania dla materiału gipsowego wykonanego metodą tradycyjną. Dlatego też w ostatnich latach uległy zmianie poglądy na istotę destrukcyjnego działania wody na tworzywa gipsowe. Z powyższych powodów nastąpiła intensyfikacja badań nad zwiększeniem hydrofobowości i wodoodporności tworzyw gipsowych poprzez wprowadzenie do zaczynów gipsowych różnych modyfikatorów syntetycznych w małych ilościach w stosunku do masy spoiwa gipsowego. Skoncentrowano się na poszukiwaniu dodatków chemicznych korygujących własności tworzyw gipsowych jak zmniejszenie nasiąkliwości i zwiększenie wodoodporności, zachowując dotychczasową prostą technologię wykonawstwa wyrobów gipsowych. Poprawa własności tworzyw gipsowych można uzyskać poprzez wprowadzenie do zaczynów gipsowych dodatków organicznych. Jest to najskuteczniejszy sposób modyfikacji właściwości wytrzymałościowych i hydrofobowych tych tworzyw. Bardzo dobry efekty uzyskane przy stosowaniu kombinowanych dodatków żywic sztucznych do uodpornienia tworzyw gipsowych na działanie wody są konsekwencją cennych własności tych modyfikatorów jak: duża przyczepność do powierzchni kryształów gipsu dwuwodnego, wysoka wytrzymałość mechaniczna, znaczna hydrofobowość. Stosowanie jednego dodatku modyfikującego często powoduje poprawę jednej cechy tworzyw gipsowych kosztem pogarszania drugiej. Wprowadzenie równocześnie dwóch modyfikatorów do zaczynów gipsowych, mających kompleksowe działania daje bardzo dobre efekty zwiększając hydrofobowość i wodoodporność tworzyw gipsowych. Umożliwia otrzymanie tworzyw gipsowych o zwiększonej hydrofobowości i wodoodporności, nadających się do zastosowania w miejscach o podwyższonej wilgotności.
1.7. Przyczyny niskiej wodoodporności tworzyw gipsowych
Brak trwałości w obecności wody produktów hydratacji gipsu budowlanego jest konsekwencją właściwości krystalochemicznych i fizycznych dwusiarczanu wapniowego podstawowego składnika tworzyw gipsowych, jak również zjawisk powierzchniowych zachodzących w pustkach i porach gipsu przy zetknięciu się z wilgocią. Wysoka hydrofilność powierzchni kryształów gipsu dwuwodnego woda zostaje kapilarnie wyciągnięta struktury utworzonego szkieletu i wypełnia przestrzenie między kryształami, tworząc w nich otoczki odgrywające rolę smar [5]. Dzięki tym otoczkom, wskutek działania siły mechanicznej następuje łatwe przesuwanie się kryształów po powierzchniach ich kontaktu i wzrasta podatność na pełzanie tworzyw gipsowych. Obecnie wymienia się następujące przyczyny małej odporności gipsu na działanie wody:
jere1990