dr inż. Zdzisław Pytel, dr inż. Artur Łagosz, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Materiałów Budowlanych Przyczepność tradycyjnych zapraw do typowych elementów ściennych Adhesion of traditional mortars to typical wall elements Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki badań przyczepności przygotowanych w warunkach laboratoryjnych tradycyjnych zapraw murarskich i tynkarskich do podłoża w postaci elementów ściennych silikatowych oraz dla celów porównawczych, do cegły ceramicznej i betonu zwykłego. Proporcje składników surowcowych przygotowanych zapraw zostały tak dobrane, aby reprezentowały zarówno o wyraźnie zróżnicowanych cechach użytkowych i jednocześnie odzwierciedlały składy zapraw najczęściej przygotowywanych bezpośrednio na budowie. Przyjęcie takiej koncepcji umożliwiło bowiem powiązanie parametru przyczepności zapraw z istotnymi parametrami ich składu wraz z uwzględnieniem rodzaju i specyfiki podłoża. Część analizowanych czynników udało się przedstawić w postaci zależności funkcyjnych, których przebiegi charakteryzują się wysokim wskaźnikiem korelacji. Abstract Paper presents results of investigations on the adhesion of traditional masonry mortars and plasters to different substrates. Sand lime bricks used as a substrate was compared with ceramic bricks and concrete. Mix proportions was designed to cover a wide variety of mortars properties, and on the other hand were as close as possible to mix proportions of products used on site. Specific mix design allowed to find some relations between mortar composition and its properties in the mortar substrate system. Some relationships were found to be functional, and have high correlation coefficients.
. Wstęp Zasadniczym celem omawianej pracy badawczej było określenie przyczepności tradycyjnie skomponowanych zapraw murarskich i tynkarskich na bazie spoiw stałych w postaci cementu i wapna hydratyzowanego, do trzech wybranych podłoży oraz wskazanie zależności tego parametru użytkowego od składu surowcowego i rodzaju podłoża. Mając na uwadze stosowanie w budownictwie zapraw zasadniczo do wykonywania prac murarskich i tynkarskich, badania przeprowadzono dla zapraw reprezentujących wskazane kierunki ich wykorzystania. Podczas przygotowywania zapraw uwzględniono różnice w wymaganiach dla poszczególnych ich typów w zakresie konsystencji świeżej mieszanki i uziarnienia wypełniacza. Proporcje spoiwa do wypełniacza, a w ramach spoiwa: cementu do wapna w zaprawach cementowo-wapiennych, zostały pierwotnie przyjęte w oparciu o tradycyjne, tj. objętościowe udziały, które w dalszej części referatu przedstawiono w postaci proporcji wagowych. Takie podejście pozwoliło to na uzyskanie zapraw zarówno o wysokich jak i niskich cechach wytrzymałościowych, ale w każdym przypadku mieszczących się w kryteriach klasyfikacji podstawowych parametrów podanych w normach dotyczących zapraw murarskich i tynkarskich. Podczas przygotowywaniu próbek do oceny przyczepności stosowano się do procedury wskazanej w normach PN-EN 998-(,2):24, przeprowadzając oznaczenie tej cechy po 28 dniach twardnienia i dojrzewania. Dodatkowo z przygotowanej świeżej wykonano próbki do oceny podstawowych cech zapraw stwardniałych, tj. wytrzymałości na ściskanie, wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu oraz współczynnika absorpcji wodnej, spowodowanej podciąganiem kapilarnym. W stosunku do świeżych zapraw przyjęto, że ich konsystencja mierzona metodą rozpływu na stoliku zapraw murarskich wynosi 75± mm, a zapraw tynkarskich odpowiednio 95± mm. Piasek do zapraw tynkarskich posiadał uziarnienie / mm, a do zapraw murarskich /2 mm. Ponadto w stosunku do zapraw świeżych oznaczono ich gęstość objętościową oraz zawartość powietrza. Z uwagi na istotny wpływ rodzaju, właściwości i cech zewnętrznych materiałów użytych w charakterze podłoża, obejmujących między innymi szorstkość ich powierzchni, nasiąkliwość i chłonność wody, w ramach niniejszej pracy dokonano oznaczenia absorpcji wodnej użytych cegieł silikatowych, ceramicznych i podkładów betonowych, uzyskując w ten sposób dowód na znaczne zróżnicowanie tej cechy. 2. Charakterystyka składu i podstawowe własności przygotowanych zapraw Skład zapraw z zachowaniem wyżej przyjętego podziału na i przedstawiono w tabeli. W charakterze spoiwa stosowano cement CEM I 32,5R i wapno hydratyzowane, natomiast jako wypełniacz piaski kwarcowe o uziarnieniu do mm (dokładnie,8 mm) w przypadku zapraw tynkarskich oraz jego mieszaninę z kruszywem frakcji,8,6 mm o stałej proporcji, dla zapraw murarskich. Powierzchnie elementów wykorzystanych w charakterze podkładów nie były zwilżane ani pokrywane żadnymi środkami gruntującymi. Mając na uwadze stosunkowo silny wpływ nasiąkliwości podłoża na zmianę własności nakładanych nań zapraw przyjęto założenie, że grubość podlegająca ocenie przyczepności do podłoża będzie wartością stałą i będzie wynosić mm. Wybrane właściwości w stanie świeżym i stwardniałym przygotowanych zapraw murarskich i tynkarskich przedstawiono w tabeli 2, natomiast wyniki oznaczeń ich przyczepności do trzech rodzajów podłoży zawarto w tabeli 3. Z uwagi na fakt, że wyniki oznaczeń przyczepności są zasadniczym przedmiotem badań, obok prezentacji wartości
przyczepności, w tabelach zamieszczono także wskazanie modelu zniszczenia, związanego z przyczepnością adhezyjną lub kohezyjną. Dla prezentowanych w tabeli 3 wartości średnich, za model pęknięcia przyjmowano taki, który dominował wśród pięciu wyników oznaczenia i wskazywał na jeden z zasadniczych modeli zerwania. Pomijano w ten sposób fakt, że część prób wykazywała model mieszany i w takich przypadkach wpisywano ten, który dominował w całej serii badanych próbek. Tabela. Skład surowcowy badanych zapraw murarskich i tynkarskich Rodzaj Zaprawy Zaprawy Symbol Proporcje objętościowe cement wapno piasek cement wapno Zawartość składnika, % (% masowy) piasek gruby,8 2 mm piasek drobny,2,8 mm ZP 2 27,7 2,7 5,6 ZP2 3 2,4 23,9 55,7 ZP3 4 6, 25,2 58,7 ZP4,25 3 2,,9 23,4 54,7 ZP5,5 4 5,6 3, 24,4 57, ZP6 6,9 4, 25,5 59,5 ZP7 2 9 7,4 5,6 26, 6,9 ZP8,5 6, 25,2 58,7 ZP3 3 2,5 78,5 ZP4 4 7, 83, ZP5,25 3 2, 2, 77, ZP6,5 4 6,5 3, 8,4 ZP7 6,5 4,3 84,2 ZP8 2 9 7,9 5,9 86,2 ZP9,5 7, 83, ZP2 2 3,4 86,6 Tabela 2. Wyniki oznaczeń wybranych parametrów badanych zapraw. Rodzaj Symbol ilość wody dla uzyskania założonej konsystencji, % (*) Badany parametr świeże stwardniałe zawartość wytrzymałość zapraw, powietrza MPa % zginanie ściskanie gęstość objętościowa ρ mśr, kg/m 3 współczynnik absorpcji wody C m, kg/m 2 min,5 ZP 6,3 24, 6, 24,4,3 ZP 2 4,2 26 9,2 6,2 22,3,3 ZP 3 5,9 225 8,5 3,9,9,6 ZP 4 5,5 23 4,8 6,2 24,9,3 ZP 5 6, 2 4,6 5,3 6,6,5 ZP 6 7,3 26 4,3 2,8 7,5,2 ZP 7 8,2 28 3,7,4 3, 2, ZP 8 23,7 95 3,7,4,6,6 ZP 3 8,4 2 7, 5,9 6,7,4 ZP 4 2,7 23 4,9 3,3 9,4,8 ZP 5 2, 28 2,6 5, 9,2,5 ZP 6 2,6 26 2,8 4,2 2,3,8 ZP 7 23, 2 4, 2,2 6,4,6 ZP 8 22,8 2 2,4, 2,,8 ZP 9 27,6 95,,5,6,9 ZP 2 24,9 965,4,4,6,5 (*) ilość wody w % (% wagowe) określona w stosunku do łącznej masy suchych składników danej
Tabela. 3. Przyczepność badanych zapraw do różnych typów podłoży. Rodzaj Symbol cement Proporcje objętościowe wapno piasek Przyczepność do podłoża, MPa silikatowego ceramicznego betonowego wynik model (*) model (*) model (*) wynik wynik pęknięcia pęknięcia pęknięcia ZP 2,9 K,7 A,8 K ZP2 3,7 A,9 A,4 K ZP3 4,7 K, K,9 K ZP4,25 3,2 A,6 A,3 A ZP5,5 4,3 A,5 A, K ZP6 6,4 A,7 A, K ZP7 2 9,2 A,7 A,6 K ZP8,5 A - (**) - (**) - (**) - (**) ZP3 3, A,8 K,8 K ZP4 4,6 K,2 K,8 K ZP5,25 3,5 A,9 A,6 K ZP6,5 4,5 A,2 A,2 K ZP7 6,6 K,8 K,7 A ZP8 2 9,4 A,7 A,4 K ZP9,5, A, A, A ZP2 2 A - (**) - (**) - (**) - (**) (*) - model pęknięcia: A adhezyjny, K- kohezyjny (jako model dominujący dla oznaczenia danego typu na określonym rodzaju podłoża) (**) - brak wyniku oznaczenia spowodowany odspojeniem od podłoża podczas przygotowywania próbek do badania 3. Analiza uzyskanych wyników badań Skład w odniesieniu do tradycyjnych zapraw, rozumiany jako proporcje pomiędzy spoiwem i wypełniaczem, a szczególnie skład samego spoiwa (proporcje pomiędzy jego najczęściej stosowanymi składnikami: cementem i wapnem) jest w technologii zapraw czynnikiem, który stosunkowo łatwo pozwala na przewidywalne kształtowanie tylko niektórych cech stwardniałych zapraw. Z całą pewnością do parametrów tych należą cechy wytrzymałościowe, jak wytrzymałość na ściskanie i zginanie, a w pewnym zakresie również współczynnik absorpcji wody i zdolność do przepuszczania pary wodnej. Zależności te dobrze ilustrują rysunki - 3, przygotowane w oparciu o uzyskane wyniki badań. Przedstawione na rysunku wykresy zależności wytrzymałości na ściskanie w funkcji zawartości cementu, a szczególnie na rysunku 2 w funkcji wskaźnika W/C, wykazują tak wysokie wartości wskaźników korelacji, że zależności te mogą być stosowanie przy ustalaniu składu zapraw dla uzyskania żądanego poziomu ich cech wytrzymałościowych. Absorpcja wodna jest parametrem zapraw, który kształtowany jest przez wiele czynników, w tym głównie przez ich porowatość. Porowatość zapraw związana jest z kolei z udziałem wodorotlenku wapnia w składzie spoiwa oraz jamistością i wodożądnością mieszaniny kruszywa i spoiwa. Choć wielkość współczynnika absorpcji wody jest nieco trudniejsza do opisania w postaci zależności od konkretnego, prostego parametru składu jakim jest przykładowo udział cementu, wskaźnik wodno-cementowy czy wodno-spoiwowy, to jednak możliwe jest opisanie go w zależności od parametrów tylko nieco bardziej złożonych. Przykład takiej korelacji przedstawia rysunek 3, wyrażający zależność współczynnika absorpcji wody od wskaźnika uwzględniającego iloraz sumy mas cementu i wapna do masy piasku = (C+K)/P), z wyłączeniem tego wskaźnika otrzymanego dla zapraw wapiennych.
Wytrzymałość na ściskanie zapraw jako funkcja zawartości cementu w m3 Wytrzymałość na ściskanie, MPa 3 25 2 5 5 y =,595x -,7592 R 2 =,8994 y =,466x -,9655 R 2 =,955 Liniowy () Liniowy () 2 3 4 5 6 Zawartość cementu, kg/m3 Rys.. Wytrzymałość na ściskanie zapraw w funkcji zawartości cementu w m 3 świeżej masy. Wytrzymałośc na ściskanie jako funkcja wskaźnika W/C 35 Wytrzymałośc na ściskanie, MPa 3 25 2 5 5 y = 4,97x -,5449 R 2 =,9347 i Potęg. ( i ),5,5 2 2,5 3 3,5 W/C Rys. 2. Zależność wytrzymałości na ściskanie zapraw od wskaźnika W/C (z pominięciem podziału na i ). Uzyskane wyniki oznaczeń przyczepności do trzech odmiennych typów podłoży wskazują, że nie obserwuje się prostej zależności empirycznej tej cechy zapraw od parametrów ich składu. Wyznaczone wartości przyczepności wykazują jednak związek z rodzajem podłoża, a co za tym idzie, charakterem jego powierzchni i właściwościami, determinowanymi jego porowatością i charakterem występujących porów, tj. ich ilością i rozkładem wielkości. Wszystko to sprawia, że przewidywanie wartości parametru przyczepności do podłoża jest możliwe jedynie dla podłoża betonowego. Można to tłumaczyć względnie stałymi cechami tego podłoża w zakresie szorstkości i stosunkowo niskiej wartości nasiąkliwości. Ten ostatni parametr sprawił, że chłonność podłoża betonowego była niewielka i nasiąkliwość nie miała tym samym istotnego wpływu na warunki hydratacji spoiwa w zaprawie. Natomiast duża porowatość cegieł silikatowych i ceramicznych jest cechą, która wpływa w sposób istotny na kształtowanie warunków dojrzewania i twardnienia zapraw,
które z kolei wyraźnie wpływają na uzyskiwaną przyczepność. Jednak wielkość tego wpływu trudno jednoznacznie oszacować, ponieważ w kształtowaniu przyczepności należy uwzględniać również udział innych cech podkładu, jak choćby jego szorstkość, która jak się wydaje była najkorzystniejsza w przypadku cegły ceramicznej. Zestawienie wyników dla oznaczenia przyczepności do trzech typów podłoży, dla zapraw określanych jako, przedstawiono na rysunku 4, natomiast dla zapraw tynkarskich odpowiednio na rysunku 5. Współczynnik absorpcji wody jako funkcja wskaźnika (C+K)/P 2,5 + Wsp. absorpcji wody, Cm 2,5,5 y =,27x -2,3965 R 2 =,83 Potęg. ( + ),5,,5,2,25,3,35,4,45 (C+K)/P Rys. 3. Zależność współczynnika absorpcji wody od wskaźnika (C+K)/P, z pominięciem podziału na i i z wyłączeniem grupy zapraw wapiennych (gdzie C masa cementu, K- masa wapna hydratyzowanego, P- masa piasku). Zestawienia z rysunków 4 i 5 pokazują, że przyczepności zapraw do podłoży porowatych: silikatowego i ceramicznego, są zwykle niższe niż do podłoża betonowego. Różnica ta jest bardzo wyraźna w przypadku zapraw murarskich (przyczepność zapraw do cegły silikatowej i ceramicznej jest o ponad 5 % niższa w stosunku do przyczepności do podłoża betonowego), a więc przygotowanych w konsystencji mniej ciekłej i z grubszym wypełniaczem. W grupie zapraw tynkarskich wartości przyczepności do silikatu i cegły ceramicznej są bardziej zbliżone do wartości uzyskiwanych dla podłoża betonowego, a w przypadku podłoża ceramicznego, przyczepność ta bywa nawet wyższa. Można zatem zakładać, że ma to związek z zapewnieniem lepszych warunków dojrzewania zapraw tynkarskich w strefie kontaktowej, jako wynik wyższego udziału wody w składzie zapraw i ich lepszej retencji, spowodowanej użyciem kruszywa wykazującego drobniejsze uziarnienie. Można zatem przypuszczać, że lepsze warunki dojrzewania zapraw tynkarskich należy wiązać z faktem, że wysoka chłonność podłoża faktycznie nie prowadziła do gwałtownej utraty plastyczności zapraw wskutek nadmiernego odciągnięcia wody przez ten rodzaj podłoża. W przypadku cegły ceramicznej, dodatkowym pozytywnym czynnikiem kształtującym dobrą ich przyczepność, była wysoka szorstkość jej powierzchni. Uzyskane wyniki badań wskazują, że różnice w przyczepności do badanych typów podłoży ulegają zmniejszeniu wraz ze spadkiem cech wytrzymałościowych zapraw. Towarzyszy temu silny spadek przyczepności do podłoża betonowego. W przypadku zapraw cementowo-wapiennych nałożonych na podłoże ceramiczne lub silikatowe, spadek cech wytrzymałościowych zapraw już nie zawsze skutkuje zmniejszeniem przyczepności, lecz obserwuje się nawet jej wzrost.
Przyczepność, MPa 2,8,6,4,2,8,6,4,2 Przyczepność do podłoży Zaprawy ::2 ::3 ::4 :,25:3 :,5:4 ::6 :2:9 ::,5 Proporcje C:W:P Beton Ceramika Silikat Rys. 4. Zestawienie wyników oznaczenia przyczepności zapraw murarskich do trzech rodzajów podłoży.,8 Przyczepność do podłoży Zaprawy Przyczepność, MPa,6,4,2,8,6 Beton Ceramika Silikat,4,2 ::3 ::4 :,25:3 :,5:4 ::6 :2:9 ::,5 ::2 Proporcje C:W:P Rys. 5. Zestawienie wyników oznaczenia przyczepności zapraw tynkarskich do trzech rodzajów podłoży. Próby oceny przyczepności jako funkcji parametrów składu zapraw typu: zawartość cementu, zawartość spoiwa, wskaźnika W/C lub W/(C+K) (K wapno hydratyzowane), czy wytrzymałości na zginanie lub ściskanie, pozwala na ustalenie pewnych empirycznych zależności jedynie dla podłoża betonowego. Jednak i w tym przypadku wartości wyznaczonych wskaźników korelacji są niskie, praktycznie zbliżone do wartości krytycznej (R 2 =,75) dla tego typu oceny. Poniżej na rysunkach 6 i 7 przestawiono zależności przyczepności do podłoża betonowego od zawartości w zaprawie cementu oraz wskaźnika woda/(cement + wapno) W/(C+K). Analogiczny wykres zależności przyczepności od wskaźnika W/(C+K) dla zapraw nałożonych na podłoże silikatowe przedstawiono na rysunku 8. Przebiegi te charakteryzuje się brakiem empirycznej zależności, kiedy łącznej analizie zostaną poddane wyniki zapraw cementowych, cementowo-wapiennych i wapiennych. W grupie zapraw cementowo-wapiennych przyczepność do podłoża np. silikatowego daje się opisać jako funkcja wskaźnika W/C, ale nie jest to zależność liniowa, lecz zdecydowanie
kwadratowa i w dodatku z ekstremum (rysunek 9). Można to tłumaczyć tym, że przyczepność do tego typu podłoża jest związana ze zdolnością do retencji wody przez świeże, w znacznym stopniu kształtowanej przez zawartość wapna hydratyzowanego. Innymi słowy, zbyt niski wskaźnik W/C związany z niską zawartością wapna i wysoką chłonnością podłoża sprzyja zbyt szybkiemu osuszaniu zapraw, czego efektem są niskie wartości przyczepności. Z kolei zbyt wysoki wskaźnik W/C jest wynikiem wysokiej zawartości wapna hydratyzowanego, czemu towarzyszą niskie wartości cech wytrzymałościowych w tym przyczepności (patrz przyczepność dla podłoża betonowego). Pomiędzy tymi krytycznymi parametrami w przypadku podłoża silikatowego pojawiają się warunki dla kształtowania przyczepności niejako optymalne, stąd obserwowany jest wzrost przyczepności. W przypadku podłoża ceramicznego zależność charakterystyczna dla wyrobów silikatowych nie została potwierdzona, co może wynikać z silnego wpływu na przyczepność szorstkiego charakteru powierzchni. Podłoże betonowe Przyczepność, MPa 2,8,6,4,2,8,6,4,2 y =,3x +,2799 R 2 =,855 y =,3x +,84 R 2 =,74 2 3 4 5 6 Zawartość cementu w m3, kg Liniowy () Liniowy () Rys. 6. Przyczepność zapraw murarskich i tynkarskich do podłoża betonowego jako funkcja zawartości cementu w m 3. Podłoże betonowe Przyczepność, MPa 2,8,6,4,2,8,6,4,2 y = -,799x + 2,265 R 2 =,7726,5,5 2 W/(C+K) + Liniowy ( + ) Rys. 7. Przyczepność zapraw murarskich i tynkarskich do podłoża betonowego jako funkcja wskaźnika W/(C+K) (woda/(cement + wapno)).
Przyczepność, MPa,2,8,6,4,2 y = -,6445x +,363 R 2 =,697 y = -,643x +,557 R 2 =,4692 Podłoże silikatowe Liniowy () Liniowy (),5,5 2 W/(C+K) Rys. 8. Przyczepność zapraw murarskich i tynkarskich do podłoża silikatowego jako funkcja wskaźnika W/(C+K) (woda/(cement + wapno)). Podłoże silikatowe,7 y = -,5x 2 +,5456x +,928 R 2 =,8733,6 Wielom. () Wielom. () Przyczepność, MPa,5,4,3,2, y = -,2822x 2 +,94x -,34 R 2 =,5,5 2 2,5 3 3,5 W/C Rys. 9. Przyczepność zapraw cementowo-wapiennych murarskich i tynkarskich do podłoża silikatowego jako funkcja wskaźnika W/C. Referat powstał w oparciu o wyniki badań uzyskanych w wyniku realizacji pracy badawczej Nr 5.5.6.553 zleconej przez ZPCBiS w Warszawie 4. Literatura [] E. Osiecka, Wapno w budownictwie, Tradycja i nowoczesność, Stowarzyszenie Przemysłu Wapienniczego, Kraków 26. [2] W. Brylicki, A Łagosz, M Rembiś, A. Smoleńska, Badania właściwości zapraw tworzących system tynków renowacyjnych, Cement Wapno Beton, nr, 24, s. 33-37. [3] R., Bayer, H. Lutz, Suche. Informacje według Encyklopedii Chemii Przemysłowej Ullmanna oraz badań kadry technicznej Wolff Cellulosics i firmy Wacker Chemie. Edycja szósta, 23 Electronic Release, Wiley-VCH, Weinheim, 23. [4] PN-EN 998-:24 Wymagania dotyczące zapraw do murów. Część : Zaprawa tynkarska. [5] PN-EN 998-2:24 Wymagania dotyczące zapraw do murów. Część : Zaprawa murarska.