Spoiwa budowlane – Czym się różnią i jakie ma to znaczenie w praktyce wykonawczej?

Spoiwo budowlane to najważniejszy składnik chemii budowlanej, który zamienia formę płynną materiałów budowlanych, czyli zaprawę, na formę stałą o oczekiwanych właściwościach. Takie działanie umożliwia ogrom procesów technologicznych, wykorzystywanych w budownictwie. Od wylewania stropów betonowych po tynkowanie gładzenie i malowanie. Zasada działania jest prosta! Materiały budowlane są przygotowane do pracy w formie płynnej lub półpłynnej zaprawy, a po zakończeniu prac “mokrych” proces wiązania, czyli twardnienia spoiwa zamienia je w stan docelowy lub przeznaczony do dalszej obróbki. W budownictwie wykorzystywane jest wiele różnych spoiw. Przykładami są cement, gips, wapno albo dyspersja polimerowa. Każde ze spoiw ma swoją charakterystykę wiązania a co za tym idzie swoje wady i zalety.

Kluczowe do zrozumienia dobrych i złych stron każdego spoiwa jest rozróżnienie dwóch odrębnych procesów: wiązania i wysychania. Na początek łatwiejsze, wysychanie.

Wszystko co jest mokre, pozostawione na powietrzu (nie zamknięte szczelnie) powoli wysycha. Znamy to z życia, wyprane ubrania rozwieszamy na suszarce, żeby następnego dnia zdjąć suche, a szklanka z wodą pozostawiona na stole po paru dniach będzie pusta. Tak samo jest z zaprawą, która jest przygotowana na bazie wody. Wysychanie zachodzi szybciej, jeśli powietrze jest suche i jest przewiew powietrza (przeciąg lub wiatr), oraz zachodzi wolniej jeśli wilgotność powietrza jest wysoka, a okna i drzwi są zamknięte.

Różne spoiwa mają różne mechanizmy chemiczne i charakterystykę procesu wiązania. Warto znać kluczowe cechy każdego spoiwa, żeby korzystać z głową z chemii budowlanej i wiedzieć jak wykorzystać ich zalety, oraz jakich błędów nie popełnić.

Kluczowe jest zrozumienie, że między procesami wysychania i procesem wiązania, w przypadku różnych spoiw zachodzą różne zależności. Na przykład w przypadku gipsu i cementu zbyt szybkie wysychanie jest niekorzystne ponieważ woda jest konieczna do wiązania, natomiast w przypadku dyspersji polimerowej całkowite wyschnięcie jest konieczne do poprawnego związania. Więcej o szczegółach takich zależności w dalszej części artykułu.

Cement jest zdecydowanie najczęściej wykorzystywanym spoiwem budowlanym na świecie. Cement jest podstawą wytwarzania betonu z którego w dzisiejszych czasach buduje się większość budynków na świecie. Jest również podstawą większości chemii budowlanej. Na bazie cementu wytwarza się zaprawy murarskie, wylewki podłogowe, tynki, kleje do płytek i wiele innych. Cement ma wiele zalet i warto zrozumieć specyfikę jego działania, by jak najlepiej z tego skorzystać. Cement jest spoiwem wytwarzanym w formie sypkiej i suchej, z odpowiednio przetworzonych minerałów. Mechanizm wiązania cementu jest w pełni oparty o jego kontakt z wodą. Dlatego w celu przygotowania zaprawy produktu cementowego, należy sypki proszek zmieszać z wodą, co umożliwia jego wiązanie.

W przypadku standardowego cementu przyjmuje się, że pełne wiązanie trwa 28 dni, natomiast w ciągu pierwszego tygodnia uzyskuje on około 70% swojej wytrzymałości. Szybkowiążące cementy natomiast uzyskują większą wytrzymałość w ciągu pierwszych dni wiązania. Taki charakter procesu wiązania generuje szereg dobrych i złych praktyk w pracy z zaprawami cementowymi.

ponieważ ograniczy to proces wiązania. Dlatego w przypadku wylewania elementów konstrukcyjnych często polewa się je regularnie wodą, żeby zapewnić poprawne wiązanie. Natomiast w przypadku cementowych klejów do płytek należy chronić okładzinę, przed bezpośrednim nasłonecznieniem oraz wstrzymać się z uruchomieniem ogrzewania podłogowego tak długo jak zaleca producent, zazwyczaj 1-3 tygodnie. Takie czynniki przyspieszają wysychanie zaprawy klejowej co skraca czas jej wiązania.

Warto pamiętać także, o stopniowym narastaniu wytrzymałości cementu w ciągu pierwszych 4 tygodni i stosować się do zaleceń producentów w kwestii obciążeń mechanicznych takich jak ruch pieszy czy kołowy. Zaprawa cementowa w początkowej fazie wiązania, mimo iż wydaje się twarda, może jeszcze nie mieć wystarczają jej wytrzymałości.

Negatywną właściwością spoiwa cementowego jest jego skurcz występujący w trakcie wiązania. Ze względu na to zjawisko do zapraw cementowych dosypuje się grube ziarno, czyli piasek, a drobnoziarniste gładzie cementowe można nakładać tylko w cienkich warstwach. Grubsze po prostu pękają. Natomiast drobnoziarniste wylewki samopoziomujące są efektem współpracy cementu z innym spoiwem, na przykład anhydrytem.

Dodatkowe właściwości cementu na które warto zwrócić uwagę, to tendencja do pozostawiania ciężko zmywalnych zabrudzeń. Zwłaszcza na białych i chropowatych powierzchniach, co należy wziąć pod uwagę na przykład przy układaniu płytek. Oraz szkodliwe działanie dla skóry i dróg oddechowych w przypadku długotrwałego kontaktu. Z tego powodu podczas pracy z zaprawą cementową zawsze powinno się używać rękawic a w miejscach o dużym zapyleniu maski.

Kolejny niechlubny fakt na temat cementu to jego odpowiedzialność za emisję gazów cieplarnianych. Wypalanie cementu wymaga wysokiej temperatury, a do tego proces chemiczny przemiany kamienia wapiennego emituje dwutlenek węgla. Sama produkcja cementu to aż 10% całej emisji na świecie. Niewątpliwie cement robi wiele dobrego sprawiając, że budowa mieszkań jest tańsza, natomiast ma swój ogromny negatywny wpływ na klimat.

Gips jest kolejnym spoiwem mineralnym pod wieloma względami podobnym do cementu. Przede wszystkim tak jak cement jest wytwarzany w formie suchego proszku i do wiązania potrzebuje kontaktu z wodą. Dlatego analogicznie w celu przygotowania zaprawy produkt gipsowy miesza się z wodą w odpowiednich proporcjach. Są natomiast dwie istotne różnice w porównaniu do cementu. Po pierwsze gips nie zachowuje swojej wytrzymałości kiedy jest mokry. Z tego powodu w zasadzie nie wykorzystuje się go do wykonywania elementów konstrukcyjnych. Po drugie czas wiązania gipsu jest znacznie krótszy, ponieważ w formie naturalnej wynosi od kilku do kilkunastu minut, natomiast w produktach z zastosowanym opóźniaczem wiązania do kilku godzin.

Podobnie jak w przypadku zapraw cementowych, zaprawy gipsowe należy chronić przed zbyt szybkim wysychaniem, natomiast ze względu na relatywnie krótki czas wiązania dotyczy to raczej produktów nakładanych cienkowarstwowo, czyli głównie gładzi gipsowych. Istotne jest w takiej sytuacji nie doprowadzanie do przeciągów w pierwszych godzinach od nałożenia gładzi. Mogą zdarzyć się takie sytuacje, że gips nie zdąży związać prawidłowo bo za szybko wyschnie i będzie się osypywać.

Kolejną cechą gipsu, wspomnianą już na początku jest fakt, że gips w formie mokrej nie ma swojej pełnej wytrzymałości. Może to skutkować tym, że po upływie czasu wiązania kiedy zaprawa jest jeszcze mokra będzie jednocześnie plastyczna lub łatwa do uszkodzenia. Nie oznacza to defektu produktu, należy wtedy poczekać, aż związana zaprawa w pełni wyschnie i osiąganie swoją docelową twardość. Sytuacja taka najczęściej dotyczy zapraw nie zawierających piasku, czyli gładzi gipsowych i niektórych klejów do płyt g-k.

Pod kątem wykonawczym warto wspomnieć że kryształki związanego gipsu w kontakcie z zaprawą przyspieszają jej wiązanie, dlatego brudne narzędzia po zaprawie gipsowej mogą skrócić czas wiązania produktu gipsowego.

Najbardziej popularnym w budownictwie spoiwem wapiennym jest tak zwane wapno budowlane. Czyli wapno hydratyzowane lub suchogaszone. Jest to wapno w postaci proszku otrzymywane w procesie gaszenia wapna palonego małymi ilościami wody. Wapno palone natomiast jest otrzymywane poprzez wypalanie kamienia wapiennego, czyli wapienia.

Wapno hydratyzowane historycznie było najpowszechniejszym spoiwem budowlanym stosowanym głównie do zapraw murarskich i tynkarskich jak i do wykonywania tak zwanych tynków szlachetnych. Dzisiaj znajduje swoje szerokie zastosowanie jako jeden ze składników wielu mieszanek, takich jak wylewki, tynki cementowo wapienne, czy tynki gipsowe.

Najczęstszym chemicznym mechanizmem wiązania wapna jest proces nazywany karbonizacją, czyli łączeniem dwutlenku węgla z powietrza. Szybkość tego procesu zależy od ilości dwutlenku węgla, więc w pomieszczeniach ogrzewanych i tych gdzie stale przebywają ludzie wapno będzie wiązało szybciej.

Zazwyczaj wiązanie wapna zachodzi powoli. Tynki wapienne średnio pełną twardość uzyskują po paru miesiącach. Natomiast historycznie gruba warstwa zaprawy wapiennej w murze o grubości 50 cm mogła twardnieć nawet 3 lata.

Dzisiaj wapno rzadko jest wykorzystywane jako samodzielne spoiwo. Raczej jest mieszane z innymi. Tak jak w tynkach cementowo wapiennych. Natomiast dostępne gładzie wapienne często są oparte na gipsie i mają tylko dodatek wapna.

Dyspersja polimerowa to zdecydowanie jedno z najmłodszych spoiw w budownictwie i to właśnie jemu zawdzięczamy wiele innowacyjnych materiałów budowlanych z grupy ready-to-use (gotowych do użycia), które stale zyskują swoją popularność w ostatniej dekadzie. Polimery wykorzystywane w spoiwach budowlanych to tworzywa sztuczne, wytwarzane z monomerów, pochodnych ropy naftowej. Podobnie jak styropian i poliuretan wykorzystywane do izolowania budynków. Z odpowiednio dobranych polimerów wytwarza się tak zwaną dyspersję polimerową czyli zawiesinę drobinek polimeru w wodzie. Cząstki polimeru równo rozmieszczone w wodzie łączą się ze sobą jak dyspersja wysycha i ubywa wody z roztworu. I z tego mechanizmu wiązania wynikają najbardziej istotne dla wykonawstwa cechy dyspersji.

Po pierwsze kluczowe jest to, że do poprawnego związania produktów opartych o dyspersję polimerową konieczne jest całkowite wyschnięcie zaprawy. Jeżeli taka zaprawa nie wyschnie, to produkt nie osiągnie oczekiwanych właściwości mechanicznych. Z tego powodu produkty dyspersyjne/polimerowe nigdy nie będą mogły związać pod wodą, tak jak cement. Co więcej, zazwyczaj nie sprawdzą się w grubych warstwach (więcej niż 0,5 cm), bo takie warstwy mogą długo wysychać. Również z tego powodu, gotowe produkty mogą długo wiązać, w pomieszczeniach o małym przewiewie – brak okien i drzwi zewnętrznych. Natomiast ta sama właściwość pozwala na sprzedaż tych produktów w formie gotowej zaprawy w szczelnie zamkniętym wiadrze, które zapobiega wyschnięciu i związaniu, zanim produkt zostanie zużyty.

Dyspersji polimerowych jest bardzo wiele różnych, o różnych właściwościach. Jedne są bardziej elastyczne drugie mniej, część po związaniu tworzy wodoszczelnie powłoki, niektóre bardziej nadają się do wykorzystania w kleju inne w farbie.

Spoiwo polimerowe jest podstawowym składnikiem takich produktów jak gotowe gładzie i masy szpachlowe, wodorozcieńczalne farby wewnętrzne (akrylowe i lateksowe), folie w płynie (hydroizolacje) czy gotowe kleje do płytek. W formie proszków redyspergowalnych, czyli takich które po rozpuszczeniu w wodzie tworzą dyspersję, może być stosowany jako dodatek do produktów sypkich. Sypką formą polimerów wzbogacane są między innymi kleje cementowe do płytek i gipsy szpachlowe do łączenia płyt g-k. Suche polimery jednak zazwyczaj powodują, że produkt jest drogi a i tak nie osiągają takiej elastyczności jak produkty gotowe.

Anhydryt to szczególna odmiana gipsu, która z punktu widzenia chemicznego, potrzebuje więcej wody aby związać. Większość cech i parametrów użytkowych ma więc podobnych do gipsu opisanego powyżej.

Jednak z uwagi na tą różnicę czas wiązania anhydrytu jest znacznie dłuższy. Wiązanie tu może trwać nawet 2-3 dni. Zaprawa produktów opartych na anhydrycie zazwyczaj jest dużo bardziej płynna. Dlatego właśnie anhydryt jako spoiwo wykorzystuje się głównie do produkowania wylewek. Dzięki większej ilości wody niż w zaprawach gipsowych mają one dobrą rozlewność. Często jest on dodatkiem do innego popularnego spoiwa, cementu w wylewkach cementowych.

Anhydryt również może być wykorzystany jako wypełniacz w produktach gipsowych takich jak gładzie. Z uwagi na jakąś zawartość anhydrytu produkty te mogą znacząco twardnieć w ciągu pierwszych 2-3 dni, ponieważ anhydryt jeszcze wiąże.

Żywice epoksydowe to w znacznej większości spoiwa dwuskładnikowe. Przygotowane w formie dwóch różnych odpowiednich składników chemicznych, które po zmieszaniu ze sobą przechodzą proces wiązania i dają materiał o wyjątkowych właściwościach. W zależności od potrzeb bardzo twardy, albo bardzo elastyczny. Ich proces wiązania nie polega na odparowaniu wody ani reakcji z wodą (jak w przypadku cementu), a na reakcji pomiędzy tymi dwoma składnikami. Produktów na bazie żywic epoksydowych raczej się już nie miesza z niczym innym, ponieważ składniki zostały precyzyjnie dobrane i mogłoby to zepsuć ich właściwości.

Czas wiązania produktów epoksydowych może się bardzo różnić i jest dobierany odpowiednio do zastosowania i technologii pracy. Na przykład w przypadku klejów błyskawicznych może wiązać już w kilka minut.

Żywice epoksydowe są wykorzystywane do produkcji między innymi klejów i warstw wykończeniowych na posadzki. Od niedawna żywica znalazła także zastosowanie przy produkcji mebli, można dzięki niej uzyskać ciekawe efekty dekoracyjne.