Proces wytwarzania dobrego jakościowo cementu romańskiego jest skomplikowany, ale produkt daje konserwatorom zabytków wspaniałe możliwości odnawiania elewacji budynków i budowli.
Historyczne aspekty produkcji i zastosowania cementu romańskiego
W rozwoju cywilizacji materiały budowlane od zarania dziejów zajmowały jedno z najbardziej eksponowanych miejsc. Spośród nich szczególną rolę odgrywały materiały wiążące, przede wszystkim cement, znany jako materiał budowlany od okresu, w którym człowiek zaczął używać ognia. Spoiwa wapienno-pucolanowe zostały wykorzystane w wielu starożytnych budowlach (szerzej pisaliśmy o tym m.in. w artykule J. Katzera „Zaprawa dobra na wszystko” w nr. 10/09 „IB” − red.).
Fot. 1. Kraków, fragment dekoracji gmachu dawnej Akademii Handlowej na rogu ul. Straszewskiego i Kapucyńskiej
Dzięki Johnowi Smeatonowi, w Anglii nazywanemu ojcem inżynierii cywilnej, nastąpiła w 1756 r. rewolucja w dziedzinie wytwarzania spoiw hydraulicznych. Smeaton, poszukując odpowiedniej zaprawy do budowy urządzeń portowych i latarni morskiej w Eddystone Rock, przekonał się, że lepsze właściwości mają zaprawy z wapna wypalonego z surowca bogatego w substancje ilaste. W 1796 r. Joseph Parker stwierdził, że wypalone bryły wapienia marglistego ze zbocza góry Kent dają znakomity cement hydrauliczny. Kilka lat później cement ten nazwano cementem romańskim (nosił on także nazwę cementu Parkera), gdyż miał podobny kolor do starych cementów rzymskich, stanowiących mieszaninę wapna i pucolany.
Fot. 2. Kraków, kamienica Łozińskich przy ul. Piłsudskiego, po renowacji
Czasopismo Towarzystwa Technicznego Krakowskiego z 15 września1890 r. podaje następującą definicję cementu romańskiego: Romancementy są to wyroby z gliniastych marglów wapiennych, otrzymane przez wypalenie w temperaturze poniżej temperatury zeszklenia, które przez zwilżenie nie gaszą się, zatem dopiero przez mechaniczne rozdrobnienie muszą być na mączkę zamienione. W procesie wytwarzania cementu romańskiego margle pokruszone na duże kawałki wypalano prawie wyłącznie w piecach szybowych, mimo że można było do tego celu wykorzystywać także piece komorowe i kręgowe. Stosowano piece szybowe przesypkowe lub z zewnętrznymi paleniskami. Szczegóły konstrukcyjne i wielkości tych pieców były różne.
Opalano je węglem, koksem, drewnem lub torfem. Wypał prowadzono w temperaturze poniżej temperatury zeszklenia, czyli 800–1200ºC, w zależności od składu chemicznego surowca. Kontrola procesu wypału w tych urządzeniach była z oczywistych względów bardzo utrudniona. W okolicach, gdzie nie było złóż margli o odpowiednim składzie (surowiec „zupełny”), można było produkować cement romański ze sztucznie zestawionej mieszaniny surowców, składającej się z wapienia lub wapienia marglistego i gliny. Szczególnie intensywny rozwój produkcji cementu romańskiego przypadł na II połowę XIX w. W Szwajcarii, południowych Niemczech, a przede wszystkim na terenach Monarchii Austro-Węgierskiej (także w Galicji) działały w tym czasie duże i ważne ośrodki wytwarzania tego cementu. Cementy romańskie posiadające ciepły kolor, zmieniający się od żółtego do brązowego w zależności od domieszek, urzeczywistniały oczekiwania związane z materiałem wiążącym, architektów i budowniczych przełomu wieków. Druga połowa XIX i początek XX w. to okres szczególnie intensywnej rozbudowy miast europejskich, z których wiele dopiero w tym czasie utraciło swój średniowieczny charakter, przekształcając się w nowoczesne organizmy urbanistyczne. Zmiany, które w tym czasie zaszły, do dziś odgrywają zasadniczą rolę we współczesnym wyglądzie ośrodków miejskich. Powstające budowle „przywdziewano” w tzw. kostiumy historyczne, nawiązując tym samym do stylów panujących w poprzednich epokach – gotyku, renesansu, baroku, rokoka czy klasycyzmu. Szczególną rolę odgrywała więc dekoracja – podczas gdy szkielet budynku pozostawał taki sam, za pomocą detali architektonicznych nadawano budowli odpowiedni charakter. Stąd tak ogromna popularność cementu romańskiego – materiału, który dzięki stosunkowo łatwej i szybkiej produkcji, wysokiej odporności na działanie czynników atmosferycznych oraz pięknej barwie idealnie nadawał się do wykorzystania przy tworzeniu gzymsów, fryzów, boniowań, obramowań okiennych i innych elementów architektonicznych oraz różnorodnych rzeźb i płaskorzeźb często o skomplikowanych wzorach (np. popiersia, medaliony, kartusze herbowe). Okres świetności cementu romańskiego przerwał wybuch I wojny światowej. Po jej zakończeniu używany był sporadycznie, a z czasem znajomość technologii jego produkcji i budowlanych technik wykonawczych uległa zapomnieniu. Zapanowała trwająca do dziś era cementu portlandzkiego.
|
Czas wiązania
|
początek
|
≥ 8 min
|
|
koniec
|
≥13 min
|
|
|
Wytrzymałość
na ściskanie |
4 godz.
|
1,5–3,5 MPa
|
|
7 dni
|
2,5–5,0 MPa
|
|
|
28 dni
|
5,0–19,0 MPa
|
|
|
90 dni
|
15,0–28,0 MPa
|
|
|
180 dni
|
25,0–35,0 MPa
|
|
|
360 dni
|
30,0–35,0 MPa
|
|
|
Skurcz
|
28 dni
|
0,19–0,50 mm/m.b.
|
|
90 dni
|
0,40–0,60 mm/m.b.
|
|
|
Zmiany liniowe
w wodzie |
28 dni
|
0,03–0,19 mm/m.b.
|
|
90 dni
|
0,03–0,25 mm/m.b.
|
Tab. 1. Parametry cementu romańskiego. W zależności od warunków prowadzenia procesu parametry cementu romańskiego mogą zawierać się w podanych przedziałach
Współczesna technologia wytwarzania cementu romańskiego
Wbrew pozornie prostym założeniom technologii produkcji proces wytwarzania dobrego jakościowo cementu romańskiego jest skomplikowany. Z uwagi na doskonałe geochemiczne wymieszanie tlenków w naturalnym surowcu „zupełnym” proces syntezy zachodzi z dużą szybkością poniżej temperatury spiekania bez udziału fazy ciekłej. W czasie wypału margli następuje rozkład kalcytu do wapna, odwodnienie i rozkład minerałów ilastych oraz reakcje produktów tych procesów z utworzeniem amorficznych połączeń glinianów i żelazianów wapniowych oraz krzemianu dwuwapniowego głównie jako reaktywnego ?’-C2S. Istnieje jednak bardzo wąski przedział temperatur, dla których uzyskuje się produkt o optymalnym stopniu przereagowania surowca i najkorzystniejszej aktywności hydraulicznej. Zbyt wysoka temperatura wypału prowadzi do przepalenia surowca z utworzeniem niereaktywnego gehlenitu i słabo reaktywnego belitu ?-C2S. Zbyt niska temperatura nie zapewnia pełnego stopnia syntezy materiału. Ponadto wydajność procesu prażenia określa czas wypału. Historyczne zalecenia, odnoszące się do produkcji cementów romańskich, podkreślają, że dobre cementy powinny zawierać pewne ilości kalcytu, a przepalony materiał z dużą ilością wolnego wapna daje gorszy produkt. Optimum procesu prażenia margli w produkcji cementów romańskich może zmieniać się w zależności od składu mineralnego surowca, temperaturowych warunków prażenia oraz sposobu przygotowania materiału do pieca. Rozwiązanie tych problemów i wyznaczenie optymalnych warunków prażenia margli ilastych jest więc zagadnieniem bardzo złożonym i wymagającym dużej wiedzy.
Fot. 3. Kraków, fragment fasady pałacu Wielopolskich od strony ul. Poselskiej
Analizując możliwości produkcji cementu romańskiego o odpowiedniej jakości, uwzględniono wykorzystanie wydajniejszego i efektywniejszego niż piec szybowy pieca obrotowego. Uruchomienie produkcji tego cementu w krakowskim oddziale instytutu poprzedziły wieloletnie prace badawcze, prowadzone w ramach europejskiego projektu badawczego „ROCEM”. Obecnie zdolność produkcyjna cementu romańskiego w Zakładzie Doświadczalnym Oddziału Mineralnych Materiałów Budowlanych (OMMB) w Krakowie przewidzianego dla odbiorców polskich i zagranicznych wynosi 2500 t rocznie z możliwością szybkiego jej zwiększenia.
Sposób produkcji cementu romańskiego z surowca zupełnego obejmuje wypalanie w piecu obrotowym margla kawałkowego o granulacji 3–7 mm lub jego zmielenie i zgranulowanie przed procesem prażenia, a następnie przemiał otrzymanego klinkieru w młynie kulowym. Granulowanie margla pozwala na wykorzystanie do produkcji jego bardzo drobnych frakcji, które z uwagi na wyższą zawartość minerałów ilastych dają lepszy produkt w stosunku do margla kawałkowego.
Przedziały podane w tab. 1 nie oznaczają zjawiska niestabilnego prowadzenia procesu technologicznego. Podkreślają natomiast możliwość spełnienia zapotrzebowania odbiorcy na produkcję materiału o sprecyzowanych (z uwagi na warunki stosowania) właściwościach; przykładowo wytwarzanie wolno twardniejących cementów z podwyższoną zawartością kalcytu do wykonawstwa farb, zapraw i wypraw lub bardziej aktywnych cementów ostrzej palonych do detali i odlewów.
Zakład Doświadczalny OMMB w Krakowie oprócz cementu romańskiego produkuje również gotowe do użycia zaprawy i farby na jego bazie. Skład i właściwości zapraw oraz farb podano w tab. 2.
|
|
Zaprawa
|
Farba
(farba modyfikowana)
|
||
|
do odlewów
|
do elementów ciągnionych
|
do tynków
|
||
|
Proporcje cement : kruszywo (obj.)
|
min. 2 : 1
|
1 : 1,5
|
1 : 1
|
od 2 : 1
|
|
Rozmiar ziaren kruszywa (mm)
|
< 10
|
< 4
|
< 4
|
< 1
|
|
Proporcja woda : cement
|
0,65
|
0,6
|
0,6
|
ok. 0,65
|
|
Opóźniacz czasu wiązania
(% do masy suchego cementu)
|
kwas cytrynowy 0,1–0,3
|
kwas cytrynowy
0,3 |
kwas cytrynowy 0,3
|
cytrynian potasu
0,3–0,6 |
|
Czas stosowania (min)
|
5–10
|
ok. 30
|
ok. 30
|
ok. 10
|
|
Uwagi
|
–
|
–
|
–
|
farba modyfikowana zawiera chemiczne dodatki modyfikujące
|
Tab. 2. Skład zapraw i farb produkowanych na bazie cementu romańskiego w OMMB w Krakowie
Właściwości zapraw z cementu romańskiego:
– szybki czas wiązania w połączeniu z niewielkim skurczem,
– duża porowatość charakterystyczna dla zapraw wapiennych (tynk nie zatrzymuje wilgoci w ścianach budynku),
– duża odporność na czynniki atmosferyczne,
– wysoka wczesna wytrzymałość,
– zdolność do twardnienia pod wodą.
Fot. 4. Kraków, kamienica przy ul. Józefińskiej
Teraźniejszość i przyszłość cementu romańskiego
Odtworzenie technologii produkcji cementu romańskiego jest wydarzeniem przełomowym, gdyż daje konserwatorom zabytków możliwość odnawiania elewacji budynków i budowli z końca XIX i początku XX w. za pomocą odpowiednika materiału, z którego pierwotnie zostały ukształtowane. Wcześniejsze metody ich restaurowania obejmowały zastępowanie oryginalnych, lecz zniszczonych elementów plastikiem, styropianem bądź też cementem portlandzkim, a także dające co prawda zadowalający efekt estetyczny, lecz niepozostające w zgodzie z oryginalnym materiałem przemalowania fasad nowoczesnymi farbami żywiczno-mineralnymi (np. teatr im. Juliusza Słowackiego w Krakowie). Na szczęście coraz więcej budowli odnawianych jest z wykorzystaniem cementu romańskiego. Dzięki temu nie tylko z powrotem stają się ozdobą miast, ale przede wszystkim zachowują swój własny, oryginalny i niepowtarzalny charakter. Przykładem mogą tu być niedawno odrestaurowane budowle Krakowa: gmach dawnej Akademii Handlowej przy ul. Kapucyńskiej (fot. 1), dom Władysława Łozińskiego przy ul. Piłsudskiego (fot. 2), elewacja pałacu Wielopolskich przy ul. Poselskiej (fot. 3), kamienica przy ul. Józefińskiej (fot. 4). Należy stwierdzić, że „dzień dzisiejszy” cementu romańskiego to często zdewastowane fasady budynków przez lata nie odnawiane lub tylko częściowo zabezpieczane przed dalszą degradacją kiczowatymi i nieoryginalnymi materiałami. Taki niekorzystny wizerunek musi ulec zmianie. Dlatego też jednoznacznie trzeba podkreślić, że cement romański jest materiałem przyszłości. Aby zachować dziedzictwo kulturowe, edukować i kształtować wrażliwość obywatela w tej sferze, jego okres świetności musi już wkrótce nastąpić ponownie.
Fot. 5. Kraków, fasada pałacu Wielopolskich od strony ul. Poselskiej
Na zakończenie warto dodać, że cement romański może być stosowany nie tylko w konserwacji zabytków. Z równym powodzeniem może być stosowany (ze względu na jego dużą odporność na warunki atmosferyczne) do zewnętrznych i wewnętrznych dekoracji współcześnie budowanych obiektów (publicznych i prywatnych) oraz ich otoczenia, na przykład w formie rzeźb plenerowych i ogrodowych.
Opracowana w OMMB w Krakowie technologia produkcji cementu romańskiego zdobyła: wyróżnienie specjalne targów Concour Lepine Paryż 2009 – Medal Francuskiego Stowarzyszenia Wynalazców i Przemysłowców, Srebrny Medal na Międzynarodowej Wystawie Wynalazków w Warszawie – IWIS 2009, Srebrny Medal na IX Międzynarodowej Wystawie Wynalazków i Innowacji – Moskwa 2009, Złoty Medal na GENIUS-EUROPE International Invention Fair Budapest 2009 oraz złoty medal South – Pacific Innovation Transfer Society, Australia również na GENIUS-EUROPE, Budapeszt 2009.
dr inż. Henryk Szeląg
mgr Aleksandra Skorek
Oddział Mineralnych Materiałów Budowlanych w Krakowie Instytutu Szkła, Ceramiki, Materiałów Ogniotrwałych i Budowlanych w Warszawie
