Kruszywa do zapraw klejących – rodzaje, wymagania, właściwości

Spośród różnych metod ocieplenia ścian zewnętrznych budynków w Polsce największą popularnością cieszy się metoda bezspoinowego ocieplania ścian. Polega ona na przymocowaniu za pomocą zaprawy klejowej płyt termoizolacyjnych, szpachlowaniu powierzchni płyt zaprawą z zatopioną w niej siatką z włókna szklanego i pokryciu ocieplenia tynkiem cienkowarstwowym. Wykonanie ocieplenia ma za zadanie zwiększenie izolacyjności i poprawę wyglądu ściany.

Podczas wykonywania ocieplenia bardzo ważne jest mocowanie termoizolacji do ściany za pomocą zaprawy klejowej. Duże znaczenie ma szczególnie zachowanie zaleceń technologicznych oraz zastosowanie zaprawy dobrej jakości. Jedną z kluczowych wymaganych właściwości, jakie powinny posiadać zaprawy klejowe stosowane w ociepleniach, jest ich przyczepność, zarówno do podłoża, jak i do materiału termoizolacyjnego. Odpowiednia przyczepność zapewnia trwałość całemu układowi, a przede wszystkim bezpieczeństwo zamocowania do ściany oraz przyczepność warstw wierzchnich systemu.

W Polsce największy udział w pracach związanych z ocieplaniem budynków ma metoda polegająca na zastosowaniu styropianu jako warstwy termoizolacyjnej. Do przyklejania styropianu najczęściej stosowane są kleje cementowe. Spełnienie wymagań dotyczących przyczepności kleju cementowego do podłoża betonowego nie jest problemem. Istotne jest natomiast uzyskanie dobrej przyczepności do styropianu, gdyż wymaga to zastosowania w recepturze zaprawy odpowiednich składników. Podstawowym składnikiem kleju cementowego jest kruszywo drobne. Stąd też ważna jest jakość kruszywa drobnego użytego do zaprawy. W konsekwencji słabej przyczepności zaprawy klejowej do styropianu i podłoża w trakcie użytkowania mogą powstawać na elewacji rysy i pęknięcia, prowadzące nawet do odpadania całego systemu [1,2].

Fot. stock.adobe / Piotr Szpakowski

Ogólnie o kruszywach i zaprawach

Zaprawa to mieszanina kruszywa drobnego, spoiwa i wody, używana do łączenia elementów budowlanych. Występują różnego rodzaju zaprawy (murarska, tynkarska, do napraw, klejąca), a ze względu na rodzaj zastosowanego spoiwa wyróżnia się zaprawy cementowe, wapienne, cementowo-wapienne, gipsowe i inne.

Podobnie jak w przypadku betonu kruszywo jest podstawowym składnikiem zaprawy, a jego udział stanowi 2/3 suchej masy zaprawy. Jakość kruszywa wpływa na trwałość i zachowanie się zaprawy. Do zapraw stosowane są różnego rodzaju kruszywa drobne. Zakres badań stosowanych w przypadku kruszyw do zapraw podaje norma PN-EN 13139 Kruszywa do zaprawy. Podstawowe badanie dotyczy oznaczenia składu ziarnowego kruszywa, w tym nadziarna, podziarna i zawartości pyłów mineralnych. Wymiar kruszywa się określa, podając wymiar oczek sita d (dolna granica) i D (górna granica uziarnienia). Norma wyszczególnia kruszywa o uziarnieniu d/D: 0/1 mm, 0/2 mm, 0/4 mm, 0/8 mm, 2/4 mm i 2/8 mm, podając wartości graniczne zawartości nadziarna ( > D, > 1,4D i > 2D) oraz zawartości podziarna (< d i < 0,5d). W zależności od zawartości pyłów norma wyszczególnia pięć kategorii (tab. 2). Dla kategorii pierwszej maksymalny przesiew przez sito 0,063 mm wynosi 3%.

Tab. 2. Zawartość pyłów w kruszywach do zapraw według PN-EN 13139

* Wymiar kruszywa – ułamek d/D, gdzie d i D odpowiadają wymiarom oczek takich dwóch sit,
aby wszystkie ziarna kruszywa miały wielkość pośrednią, tzn. przechodziły przez sito o oczkach
wielkości D mm i pozostawały na sicie z oczkami d mm (np. ziarna kruszywa przechodzące przez sito o oczkach 4 mm i pozostające na sicie 2 mm mają wymiar 2/4).

W praktyce do zapraw klejowych używa się kruszyw drobnych (głównie piaski naturalne) o stosunkowo drobnym uziarnieniu, nieprzekraczającym 0,8 mm, a nawet 0,5 mm. Również zawartość pyłów mineralnych może być znacznie niższa niż 3%. Oprócz podstawowego badania, jakim jest oznaczenie składu ziarnowego, zależnie od potrzeby wykonuje się badania kształtu ziaren, zawartości muszli, jakości pyłów, gęstości i nasiąkliwości ziaren kruszywa, mrozoodporności, a także badania składu chemicznego w zakresie zawartości chlorków, siarczanów, siarki, humusu, części rozpuszczalnych w wodzie, straty przy prażeniu czy reaktywności alkaliczno-krzemionkowej. W przypadku piasków naturalnych zawsze wykonuje się oznaczenie składu ziarnowego, a spośród pozostałych badań najczęściej wykonuje się oznaczenia gęstości i nasiąkliwości ziaren kruszywa, zawartości humusu, chlorków, siarczanów i siarki. Normowe badania kształtu ziaren i mrozoodporności wykonywane są jedynie dla kruszyw o uziarnieniu powyżej 4 mm. Oznaczenie jakości pyłów w postaci badania błękitem metylenowym lub badania wskaźnika piaskowego wykonuje się dla kruszyw, w których zawartość pyłów przekracza 3%.

Do tej pory stosunkowo niewiele uwagi poświęcano problemowi reaktywności alkalicznej kruszyw drobnych (piasków). Od kilku lat w kraju prowadzone są liczne prace badawcze poświęcone temu zagadnieniu.

W ostatnich latach produkcja kruszyw w Polsce kształtuje się na poziomie przekraczającym 200 mln Mg/rok (rys. 1).

Rys. 1. Wydobycie kruszyw piaskowo-żwirowych i produkcja kruszyw łamanych

W tym piaski i kruszywa żwirowe stanowią około 75%. Ilość piasków uzyskiwanych w danym zakładzie zależy od charakterystycznego dla danego złoża punktu piaskowego. Obecnie wydobycie kruszyw piaskowo-żwirowych prowadzone jest ze złóż o coraz wyższym punkcie piaskowym (60-70%). Piaski klasyfikowane i nieklasyfikowane zużywa się obecnie głównie w budownictwie drogowym (do podbudów) oraz w innych robotach inżynierskich. Szacuje się, że zużycie piasków do tych celów wynosi 80-100 mln Mg/rok.
 

Polecamy: Systemy ociepleń z ochronno-dekoracyjnym tynkiem

Charakterystyka kruszyw drobnych

Określenie „kruszywo drobne” w nazewnictwie stosowanym w normach nie jest jednoznaczne. Przykładowo, w poszczególnych normach dotyczących kruszyw odnosi się ono do następujących wymiarów ziaren według:

• PN-EN 12620 kruszywo drobne posiada wymiary ziaren d/D równe 0/4 mm;
• PN-EN 13043 kruszywo drobne – d/D równe 0/2 mm;
• PN-EN 13139 kruszywo drobne – d/D równe 0/4 mm;
• PN-EN 13242 kruszywo drobne – d/D równe 0/6,3 mm.

Potocznie nazwę kruszywo drobne odnosi się do piasku. W sensie geologicznym przez
pojęcie piasku rozumie się luźną skałę osadową, średniookruchową, o wielkości ziaren 0,1/2 mm (0/2 mm). Piaski utworzone są z minerałów odpornych na wietrzenie, wśród których ilościowo pierwsze miejsce zajmuje kwarc. Piaski kwarcowe są też najbardziej rozpowszechnione. Oprócz piasków kwarcowych wyróżnić można ponad 30 rodzajów piasków. Piaski klasyfikuje się na podstawie różnych cech:

• składu mineralnego (np. piaski kwarcowe, arkozowe i in.),
• struktury (piaski grubo-, średnio- i drobnoziarniste),
• środowiska sedymentacji (piaski morskie, rzeczne, lodowcowe i in.).

W czystych piaskach kwarcowych zawartość kwarcu zbliża się do 100%. W petrografii technicznej nazwę piaski kwarcowe stosuje się do piasków zawierających więcej niż 90% kwarcu. W piaskach arkozowych zawartość kwarcu nie przekracza 60%. Piaski różnią się między sobą wielkością i kształtem ziaren, np. piaski lodowcowe są różnoziarniste, o ziarnie ostrokrawędzistym. Piaski rzeczne są zwykle różnoziarniste, o ziarnie obtoczonym.

W przeróbce surowców mineralnych używa się też określenia piaski łamane. Pod pojęciem tym występują różne skały rozdrobnione do wymiarów ziaren poniżej 4 (2) mm. Bardziej odpowiednie jest wówczas określenie frakcja piaskowa, stosowane w badaniach gruntów.

W opisie uziarnienia gruntu stosuje się określenia:

• frakcja iłowa, o wymiarach ziaren 0/0,002 mm;
• frakcja pyłowa: 0,002-0,05 mm (w badaniach kruszyw obejmuje przedział 0-0,063 mm);
• frakcja piaskowa: 0,05-2 mm;
• frakcja żwirowa: 2-25 mm.

Piaski łamane mogą być uzyskiwane ze skał zwięzłych, których ogólny podział przedstawiono w tab. 1.

Tab. 1. Ogólny podział skał

Wymagania stawiane kruszywom do zapraw

Wymagania wobec kruszyw do zaprawy dotyczą takich właściwości, jak:

• opis petrograficzny,
• uziarnienie kruszywa,
• zawartość pyłów,
• zawartość chlorków, siarczanów i siarki całkowitej,
• reaktywność alkaliczna,
• zawartość zanieczyszczeń lekkich i substancji organicznych,
• gęstość ziaren i gęstość nasypowa,
• zawartość składników wpływających na szybkość wiązania i twardnienia zaprawy.

Oprócz jakości surowca ważna jest technologia przeróbki kruszyw. Zastosowanie takich operacji przeróbczych, jak płukanie, klasyfikacja hydrauliczna, suszenie, przesiewanie na sucho, rozdział densymetryczny, wpływa na poprawę jakości uzyskiwanych kruszyw.
 

Zobacz też: Systemy ETICS w warunkach zimowych
 

W zakresie uziarnienia, zawartości pyłów, zawartości zanieczyszczeń lekkich i zawartości substancji organicznych zwykle nie ma większych problemów z osiągnięciem wymaganych parametrów. Piaski często są eksploatowane spod lustra wody i płukane na przesiewaczach wibracyjnych zaopatrzonych w natryski wodne. Umożliwia to uzyskanie piasków nawet o zawartości pyłów poniżej 1%. W przypadku kruszyw łamanych (frakcji piaskowej) uzyskiwanych z procesów kruszenia skał zwięzłych zawartość pyłów sięga zwykle kilku procent. Chcąc otrzymać czyste kruszywo, konieczne jest zastosowanie płukania, np. na przesiewaczu wibracyjnym. Różnorodność stosowanych zapraw powoduje, że podanie jednego, optymalnego składu ziarnowego kruszywa (tzw. stosu okruchowego) nie jest możliwe. Dawniej do oceny uziarnienia używano wskaźnika uziarnienia piasku. Wskaźnik uziarnienia obliczany był jako suma odsiewów na sitach 0,063; 0,125; 0,25; 0,5; 1 i 2 mm, wyrażonych w ułamkach dziesiętnych masy badanej próbki. Dla piasków do zapraw budowlanych wymagany wskaźnik uziarnienia dla odmiany 1 (uziarnienie 0÷2 mm) i gatunku I, wynosił 2,8÷3,8, a dla piasku odmiany 2 (uziarnienie 0÷1 mm) i gatunku I, wskaźnik uziarnienia powinien mieścić się w zakresie 2,4÷3,4. Dla badanego w ICiMB piasku łamanego granitowego 0/2 mm, wskaźnik uziarnienia wynosił 4,09, a dla piasku łamanego granitowego 0/1 mm, wskaźnik ten wynosił 2,86. Obecnie podawany jest zwykle zakres uziarnienia, z podaniem dopuszczalnej ilości nadziarna i podziarna.

Ogólnie można podać następujące zakresy uziarnienia kruszyw do zapraw:

• cementowych i cementowo-wapiennych – piaski o uziarnieniu do 2 mm;
• gipsowych i gipsowo-wapiennych – piaski o uziarnieniu do 1 mm;
• do tynków – zależnie od przeznaczenia:

– do 4 mm – tynk chropowaty,

– do 1-1,5 mm – tynki nakładane metodami natryskowymi,

– do 1 mm – tynki gładkie,

– do 0,5 mm – tynki bardzo gładkie, gładzie, kleje.

Wymagany skład ziarnowy i czystość piasków można uzyskać, stosując odpowiednie operacje przeróbcze. Najczęściej w krajowych zakładach produkcji kruszyw frakcja piaskowa odbierana jest z odwadniacza kubełkowego, do którego kierowany jest produkt podsitowy, na przykład spod sita o oczkach 2 mm. Materiał taki zawiera znaczną ilość wody, która może być usunięta w procesie suszenia.

Pyły występujące w kruszywie (< 0,063 mm) mają niekorzystny wpływ na jakość zaprawy, ponieważ zwiększają ilość wody potrzebnej do zwilżenia wszystkich ziaren, utrudniają dostęp cementu do powierzchni ziaren, a przez to obniżają wytrzymałość zaprawy.

Pyły uważane są za nieszkodliwe, jeżeli:

• zawartość pyłów ƒ < 3%,
• wskaźnik piaskowy SE jest wyższy od określonej granicy,
• wskaźnik błękitu metylenowego MB jest niższy od określonej granicy.

Oceniając uziarnienie, warto również zwrócić uwagę na różną kanciastość poszczególnych rodzajów piasków. Przykładowo, wskaźnik przepływu kruszywa drobnego, określony według PN-EN 933-6:2002 dla piasku naturalnego 0/2 mm wynosił SE = 27, natomiast dla piasku łamanego 0/2 mm pochodzącego z tego samego złoża wynosił SE = 33. Niższy wskaźnik przepływu wskazuje na większą zawartość ziaren foremnych. To z kolei powoduje poprawę urabialności mieszanki. Substancje organiczne (humus) występujące w kruszywie powodują obniżenie szybkości twardnienia zaprawy i obniżenie jej wytrzymałości. Zanieczyszczenia lekkie i substancje organiczne mogą być usunięte z kruszywa przez zastosowanie urządzeń działających na zasadzie osadzarek pulsacyjnych.

W tej dziedzinie przeróbki stosowane są różne urządzenia: akwamatory, hydromatory, klasyfikatory pulsacyjne, osadzarki pulsacyjne. Zanieczyszczenia lekkie jako pływające w wodzie są w nich oddzielane od cięższego kruszywa. W kruszywach drobnych o ustalonym standardzie najczęściej nie stwierdza się obecności humusu ani zanieczyszczeń lekkich.

Dopuszczalne zawartości siarki, siarczanów i chlorków:

• zawartość siarki całkowitej: < 1%,
• dla zawartości siarczanów przyjmuje się trzy kategorie: < 0,2%; < 0,8% i > 0,8%,
• zawartość chlorków: < 0,15% (dla pełnej zaprawy).

W badaniach kruszyw prowadzonych w ICiMB w Krakowie zawartości siarki, siarczanów i chlorków w kruszywach drobnych kształtowały się znacznie poniżej dopuszczalnego poziomu i mieściły się w przedziale:

• zawartość siarki całkowitej: < 0,05%,
• zawartość siarczanów rozpuszczalnych w kwasie: < 0,2%,
• zawartość chlorków: < 0,01%.

Wiele cennych informacji mogą dostarczyć badania pozanormowe, wśród których szczególnie przydatne może być oznaczenie kształtu ziaren w analizatorze optycznym, oznaczenie twardości, porowatości, powierzchni właściwej i in. Normowe badania kształtu ziaren dotyczą jedynie kruszyw grubych, tj. o uziarnieniu powyżej 4 mm. W przypadku kruszyw drobnych pewien obraz dotyczący kształtu ziaren daje wspomniane wyżej oznaczenie wskaźnika przepływu, wykonywane według normy PN-EN 933-6. Dokładniejszą ocenę kształtu ziaren można uzyskać, badając piasek przy użyciu analizatora optycznego. Przykład takiego oznaczenia kształtu ziaren kruszyw drobnych przedstawiono na rys. 2 i 3.

Rys. 2. Piasek łamany z przeróbki surowca wapiennego (Analizator Kamika Instruments)

Rys. 3. Piasek łamany z przeróbki surowca krzemionkowego (Analizator Kamika Instruments)

Ocena kruszywa opiera się na klasyfikacji Zingga. Wynik przedstawiony na rys. 2 wskazuje na dużą zawartość ziaren o kształcie kulistym, natomiast na rys. 3 widoczna jest duża zawartość ziaren nieforemnych.

W ocenie kruszyw pomocne może być oznaczenie ich twardości. Na rys. 4 przedstawiono wynik oznaczenia twardości piasku według skali Mohsa. Dominują ziarna o twardości 7 (kwarc), widoczna jest również zawartość ziaren zwietrzałych i innych minerałów o twardości poniżej 7.

Rys. 4. Twardość Mohsa piasku kwarcowego 0/2 mm

Na rys. 5 przedstawiono obrazy mikroskopowe piasków kwarcowych.

Rys. 5. Piaski kwarcowe

Na zdjęciu z lewej widoczny jest czysty piasek kwarcowy. Z kolei rys. 6 przedstawia obrazy wapieni ze skaningowego mikroskopu elektronowego (powiększenie 5000 razy). Wapień jurajski charakteryzował się bardziej porowatą strukturą niż wapień dewoński (tab. 3). Porowatość zastosowanych kruszyw jest bardzo ważna z punktu widzenia izolacyjności zaprawy.

Rys. 6. Struktura wapienia jurajskiego

Rys. 6. Struktura wapienia dewońskiego

Literatura

1. M. Niziurska, B. Chruściel, W. Charyasz, K. Szafran, Korelacja przyczepności wczesnej i normowej zapraw klejących do ociepleń, Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych nr 16, Warszawa-Opole 2014.
2. M. Wieczorek, Wymagania stawiane systemom ociepleń w świetle dokumentów normatywnych i prawnych, Prace Instytutu Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych nr 1/2008.
3. Z. Naziemiec, Reaktywność alkaliczno-krzemionkowa wybranych krajowych kruszyw drobnych, „Drogi i Mosty” nr 4/2018.
4. Z. Naziemiec, Przeróbka i badania kruszyw mineralnych, Rozprawy Monografie nr 356, Wydawnictwo AGH, Kraków 2019.

dr inż. Zdzisław Naziemiec
Sieć Badawcza ŁUKASIEWICZ – Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych
Oddział Szkła i Materiałów Budowlanych w Krakowie

Zobacz też: Systemy ociepleń – tylko w komplecie