Zaprawa, rozumiana jako mieszanina kruszywa drobnego (piasku), spoiwa i wody, towarzyszy człowiekowi od czasów epoki kamiennej. Dzięki zaprawom zbudowano Imperium Rzymskie, wzniesiono średniowieczne katedry, a dzisiaj wykorzystuje się je w tak wielu branżach budowlanych, że nawet trudno je wszystkie po kolei wymienić.
Podstawowy problem związany z produkcją zapraw to spoiwo. W nazwie zaprawy odzwierciedlamy rodzaj zastosowanego spoiwa i mówimy o zaprawach cementowych, wapiennych, gipsowych [2, 4], a także wapienno-cementowych, cementowo-glinianych oraz gipsowo-wapiennych.
Najstarszymi rodzajami wykorzystywanych w budownictwie spoiw są wapno i gips. Surowcem do produkcji wapna są naturalne skały wapienne występujące na całym świecie. Najdawniejsze znaleziska świadczące o stosowaniu wapna w budownictwie pochodzą z około 12 tysiąclecia p.n.e. [3] z miejsc położonych na terenach dzisiejszej wschodniej Turcji, gdzie stwierdzono stosowanie wapna do budowy posadzek i tarasów. Znane są również przykłady stosowania wapna z 7 tysiąclecia p.n.e. na Bliskim Wschodzie i z 6 tysiąclecia p.n.e. z Mezopotamii i Ameryce Południowej. Zaprawy wapienne były też znane Egipcjanom wznoszącym piramidę w Sakkarze, budowniczym Wielkiego Muru w Chinach oraz Majom i Babilończykom.
Fot. 1. Wezuwiusz – kolebka antycznego cementu
W czasach antycznych Grecy doprowadzili stosowanie zapraw wapiennych do prawdziwej perfekcji. Stosując ten materiał, uszczelniano zbiorniki na wodę, budowano wodociągi oraz przyziemia murów. Zaprawy wapienne były również stosowane do wykańczania wnętrz. Szerokie stosowanie zapraw wapiennych przez Greków i Fenicjan wpłynęło na próby ich modyfikowania poprzez dodatki ziemi z Santorini oraz tłuczonych dachówek ceramicznych. Od Greków sztukę stosowania wapiennych zapraw przejęli Etruskowie, a od Etrusków Rzymianie, którzy z wrodzoną inżynierską precyzją rozpoczęli dalszy proces udoskonalania tego uniwersalnego materiału. W miarę rozwoju Rzymu rosło zapotrzebowanie na materiały budowlane odporne na działanie warunków atmosferycznych, które pozwoliłyby wznosić monumentalne budowle nie tylko w spieczonej słońcem Afryce Północnej i Południowej Italii, ale także w innych prowincjach powstającego Imperium. W ten sposób zainteresowano się zaprawą wapienną modyfikowaną popiołem wulkanicznym, tufami wulkanicznymi i mączką ceglaną. Z czasem wapno stało się tylko dodatkiem do nowego rodzaju zapraw budowlanych opartych na spoiwie, które dzisiaj nazywamy cementem.
W czasach Imperium Rzymskiego najbardziej znanym miejscem wytwarzania cementu była miejscowość Pozzuoli leżąca u stóp Wezuwiusza. Cement wytwarzany w Pozzuoli służył do produkcji zapraw na terenie całej Italii. Starożytni Rzymianie wykorzystywali zaprawy przede wszystkim do murowania. Mur rzymski różnił się dość znacznie od konstrukcji murowych wznoszonych obecnie. Pierwszą zasadniczą różnicę stanowiła wielość różnorodnych elementów ceramicznych i skalnych, stosowanych jako elementy ceglarskie. Drugą różnicę stanowił fakt, że bardzo często jeden mur wznoszono przy zastosowaniu wielu rodzajów różnych elementów ceglarskich (ceramicznych i kamiennych). Trzecią zasadniczą różnicę stanowiła grubość spoin. Ze względu na charakterystyczny płaski kształt wypalanych na słońcu rzymskich cegieł grubość spoin (a co za tym idzie objętość zaprawy w całym murze) była o wiele większa niż dzisiaj. Pomimo tych wszystkich ograniczeń technologicznych mury rzymskie okazały się bardzo trwałymi konstrukcjami, o czym możemy się przekonać, zwiedzając Pompeje i Herkulanum. Oprócz zapraw cementowych Rzymianie rozwinęli również produkcję betonów. Liczne opisy stosowania zapraw cementowych i betonów można znaleźć na przykład w dziele pt. „O architekturze ksiąg dziesięć” napisanym przez Witruwiusza w I wieku p.n.e.:
Istnieje także pewien gatunek pyłu, który dzięki przyrodzonym właściwościom wytwarza rzeczy godne podziwu. (…) Proszek ten zmieszany z wapnem i łamanym kamieniem nie tylko zapewnia trwałość wszystkich budowli, lecz nawet użyty przy budowie grobli w morzu twardnieje pod wodą.
Fot. 2. Mur rzymski – cegły i bloczki kamienne połączone zaprawą cementową
Po upadku Imperium Rzymskiego sztuka wytwarzania cementu została zupełnie zapomniana. Można to tłumaczyć zmianą rynku budowlanego. We wczesnym średniowieczu głównymi placami budów stały się miasta położone poza Italią (na terenie dzisiejszej Francji, Niemiec, Anglii), gdzie z powodu braku naturalnie występującego pyłu wulkanicznego nie było po prostu można produkować cementu. Na terenach tych występuje jednak w naturalnej formie wapno i gips, które to spoiwa na długie setki lat zastąpiły cement przy produkcji zapraw. Oprócz zmiany spoiwa nastąpiła też zmiana związana z materiałami ceglarskimi. W miejscach gdzie łatwo było pozyskać piaskowiec, wycięte z niego bloki chętnie stosowano do wznoszenia murów. W innych miejscach funkcję elementów ceglarskich pełnił kamień łupany lub otoczaki. Najciekawszą jednak zmianę z budowlanego punktu widzenia stanowiło pojawienie się cegły wypalanej. Z uwagi na stosowanie wysokich temperatur musiała mieć ona inny kształt, bardzo zbliżony do tego stosowanego współcześnie.
Gotycki rozmach budowlany zapisał się na ziemiach polskich tzw. weneckim wiązaniem cegieł (zwany też flamandzkim) oraz zaprawą wapienną wykonaną na bazie piasku z niewielką ilością ziaren otoczakowych o średnicy do 8 mm. Zarówno nierównomierny kształt cegieł, jak i gruboziarnista zaprawa wpływały na grubość spoin, która wahała się od 20 do 30 mm. Gęstość pozorna wysuszonej zaprawy wapiennej wynosiła średnio 1,65 g/cm3, a nasiąkliwość wagowa wahała się w okolicach 20%. Badana współcześnie wytrzymałość na ściskanie takich zapraw wynosi około 2,5 MPa [1], co jak na zaprawę wapienną jest wysoką wartością. Tłumaczyć to może fakt, że wapno posiada bardzo długi okres wiązania. W tym wypadku długowieczność konstrukcji wpływa korzystnie na parametry wytrzymałościowe. Należy jednak pamiętać o niskiej jakości takich zapraw − dużej porowatości i niskiej mrozoodporności.
Fot. 3. Gotycka zaprawa wapienna – zdjęcie mikroskopowe
W ciągu następnych kilkuset lat niewiele się zmieniło w technologii zapraw i wznoszonych za ich pomocą murów. Do wykańczania wnętrz często stosowano zaprawy gipsowe, a zaprawy wapienne stosowano do murowania. Sytuacja zaczęła się gwałtownie zmieniać na początku XX w., kiedy ponownie odkryto cement i zaczęto produkcję przemysłową cementu portlandzkiego.
Do łask wróciły zaprawy cementowe i wapienno-cementowe. Stan taki trwał do lat 50. XX w., kiedy to na rynku zaczęły pojawiać się pierwsze domieszki plastyfikujące mieszanki betonowe. W miarę upływu lat plastyfikatory nowych generacji, z uwagi na ich dużą skuteczność, zaczęto nazywać superplastyfikatorami. Oprócz domieszek zaczęto też stosować różnego rodzaju dodatki, takie jak popioły lotne, pyły krzemionkowe, maczki bazaltowe, włókna stalowe, włókna polipropylenowe i wiele innych. Dodatki plastyfikujące i domieszki w postaci pyłów (np. krzemionkowych) pozwoliły znacznie zagęścić wewnętrzną strukturę zapraw, a przez to wielokrotnie zwiększyć ich odporność na działanie wody i mrozu. Stało się też możliwe wykonywanie zapraw na bazie bardzo drobnych piasków, a jednocześnie charakteryzujących się płynną konsystencją. W ten sposób powstało murowanie na tzw. klej. Połączenie bardzo wysokiej dokładności wymiarowej produkowanych bloczków gazobetonowych oraz elementów z ceramiki poryzowanej wraz z drobnoziarnistą zaprawą zaowocowało możliwością wznoszenia murów o grubości spoiny rzędu kilku zamiast tradycyjnych kilkudziesięciu milimetrów. Wykonywanie zapraw na bazie coraz drobniejszych kruszyw i z coraz większą ilością cementu spowodowało narastanie problemów związanych z ich skurczem i pełzaniem. Rozwiązaniem tego problemu stało się stosowanie dodatku włókien. Zaprawy modyfikowane włóknami z tworzyw sztucznych lub mikrowłóknami stalowymi charakteryzują się niewielkim skurczem i pełzaniem, a poza tym dużą wytrzymałością na rozciąganie oraz odpornością na działanie obciążeń dynamicznych. Wysokiej jakości zaprawy modyfikowane włóknami zaczęły wkraczać w nowe branże budowlane zarezerwowane dotychczas tylko dla betonu i coraz częściej stają się głównym materiałem konstrukcyjnym przy wznoszeniu budowli narażonych na działanie drgań.
Do łask wróciły zaprawy cementowe i wapienno-cementowe. Stan taki trwał do lat 50. XX w., kiedy to na rynku zaczęły pojawiać się pierwsze domieszki plastyfikujące mieszanki betonowe. W miarę upływu lat plastyfikatory nowych generacji, z uwagi na ich dużą skuteczność, zaczęto nazywać superplastyfikatorami. Oprócz domieszek zaczęto też stosować różnego rodzaju dodatki, takie jak popioły lotne, pyły krzemionkowe, maczki bazaltowe, włókna stalowe, włókna polipropylenowe i wiele innych. Dodatki plastyfikujące i domieszki w postaci pyłów (np. krzemionkowych) pozwoliły znacznie zagęścić wewnętrzną strukturę zapraw, a przez to wielokrotnie zwiększyć ich odporność na działanie wody i mrozu. Stało się też możliwe wykonywanie zapraw na bazie bardzo drobnych piasków, a jednocześnie charakteryzujących się płynną konsystencją. W ten sposób powstało murowanie na tzw. klej. Połączenie bardzo wysokiej dokładności wymiarowej produkowanych bloczków gazobetonowych oraz elementów z ceramiki poryzowanej wraz z drobnoziarnistą zaprawą zaowocowało możliwością wznoszenia murów o grubości spoiny rzędu kilku zamiast tradycyjnych kilkudziesięciu milimetrów. Wykonywanie zapraw na bazie coraz drobniejszych kruszyw i z coraz większą ilością cementu spowodowało narastanie problemów związanych z ich skurczem i pełzaniem. Rozwiązaniem tego problemu stało się stosowanie dodatku włókien. Zaprawy modyfikowane włóknami z tworzyw sztucznych lub mikrowłóknami stalowymi charakteryzują się niewielkim skurczem i pełzaniem, a poza tym dużą wytrzymałością na rozciąganie oraz odpornością na działanie obciążeń dynamicznych. Wysokiej jakości zaprawy modyfikowane włóknami zaczęły wkraczać w nowe branże budowlane zarezerwowane dotychczas tylko dla betonu i coraz częściej stają się głównym materiałem konstrukcyjnym przy wznoszeniu budowli narażonych na działanie drgań.
Fot. 4. Surowy pył krzemionkowy
Tradycyjne zaprawy trójskładnikowe (piasek, spoiwo, woda) z materiału o ściśle ograniczonym przeznaczeniu budowlanym przeistoczyły się w ciągu ostatnich 25 lat w wieloskładnikowy kompozyt o bardzo szerokim zakresie stosowania. Zaprawa z materiału stosowanego do murowania i tynkowania przeistoczyła się w lidera supernowoczesnych materiałów konstrukcyjnych, czego przykładem może być chociażby drobnoziarnisty kompozyt cementowy o nazwie Ductal, który charakteryzuje się średnią wytrzymałością na ściskanie rzędu 200 MPa i wytrzymałością na rozciąganie przy zginaniu rzędu 40 MPa. Ciekawe, jak będą wyglądały zaprawy za 25 lat.
dr inż. Jacek Katzer
Politechnika Koszalińska, Zakład Budownictwa i Materiałów Budowlanych
Zdjęcia autora
Bibliografia
1. J. Katzer, J. Kobaka, Assessing the strength of gothic brickwork, Restoration of Buildings and Monuments, Vol. 13, No 4, 2007, pp. 265–275.
2. S. Mielnicki, Materiały budowlane, Wiedza-Zawód-Kultura, Kraków 1951.
3. E. Osiecka, Wapno w budownictwie – tradycja i nowoczesność, Kraków 2005.
4. Praca zbiorowa, Tradycyjne zaprawy tynkarskie i murarskie. Poradnik inwestora, Stowarzyszenie Przemysłu Wapienniczego, Kraków 2006.
5. Witruwiusz, O architekturze ksiąg dziesięć, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.
