...czyli wszystko o cemencie

  O spoinach i zaprawach do murów ceglanych

W chwili obecnej przygotowanie zapraw czy spoin na miejscu budowy budzi zarówno wśród wykonawców, jak i konserwatorów co najmniej mieszane uczucia. Dla wielu z nich stanowi to coś w rodzaju grząskich piasków - niby wiadomo że są, niby wiadomo że można je przejść, ale mało kto wie jak to zrobić, o wzięciu odpowiedzialności nie wspominając.

Od wielu lat w zasadzie tylko w kilku miejscach są prowadzone prace pozwalające oceniać siłę i przydatność starych zapraw, oraz to jak "gotowe" przygotowane przez wspominanych już niejednokrotnie "Wielkich Producentów" spełniają pokładane w nich nadzieje. Jednym z takich miejsc jest Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, a jednym z badaczy jest prof. dr hab. Wiesław Domasłowski.

Poniżej przedruk jednego z artykułów, który ukazał się w czasopiśmie Renowacje.

Autentyczne zaprawy w spoinach muru nie były i w zasadzie do dziś nie są chronione. Fakt ten należy uznać za niezgodny z zasadami konserwatorskimi - jeden z postulatów zawartych w Karcie Weneckiej brzmi "restauracja (...) polega na poszanowaniu dawnej substancji i elementów stanowiących autentyczne dokumenty przeszłości". Autentyczne zaprawy murarskie, podobnie jak cegły, stanowią bez wątpienia wymienione w Karcie dokumenty przeszłości i powinny być chronione przed zniszczeniem. Wymiana ich na nowe, współczesne, zubaża autentyczność zabytku, a więc jego najistotniejszą wartość.

prof. dr hab. Wiesław Domasłowski

Renowacje nr 4/1999 ss. 19-25

Dlaczego spoinujemy mury?

Synonimem trwałości materiałów są, zgodnie z potocznym twierdzeniem, mur, żelazo, beton, jedynie jednak wtajemniczeni wiedzą, że i one, w zależności od jakości i warunków, w jakich pozostają, ulegają powolnemu bądź szybkiemu zniszczeniu. Wskutek rozpuszczającego działania wody, jej zamarzania, zmian temperatury, soli rozpuszczalnych w wodzie, agresywnych gazów zanieczyszczających atmosferę, mikroorganizmów i innych czynników łatwo ulega zniszczeniu zaprawa wapienna użyta do zbudowania muru. Ten sam los spotyka złą cegłę (nieodpowiedni skład, źle wypalona), żelazo (bardzo szybko ulega korozji), a także beton i żelazobeton (stosunkowo łatwo rozpadają się, jeżeli użyto do ich otrzymania kiepski cement, kruszywa o nieodpowiedniej granulacji i proporcjach, niewłaściwy stosunek kruszywa do cementu, zbyt dużo bądź zbyt mało wody, lub też wiązanie betonu przebiegało w nieodpowiednich warunkach). Żelazo i beton można chronić przed zniszczeniem. Żelazo oczyszcza się (usuwa tzw. rdzę) i pokrywa powłokami ochronnymi. Beton zwykle uszczelnia się i zabezpiecza także przy pomocy powłok, a w przypadku powstawania zniszczenia usuwa się zwietrzałe miejsca, oczyszcza i zabezpiecza zbrojenie, a następnie wypełnia ubytek nową zaprawą.

Inaczej postępuje się w przypadku murów ceglanych. Ponieważ zaprawy wapienne nie są chronione przed destrukcją, zniszczoną zaprawę usuwa się na określoną głębokość i spoiny wypełnia nową zaprawą. Podobnie postępuje się ze zniszczonymi cegłami. Dopiero w ostatnich latach zaczęto "szanować" cegły autentyczne, uzupełniając w nich niewielkie ubytki zaprawami. Czasami konserwatorzy zabytków uzupełniają duże ubytki, a nawet całe lica cegieł.

Fakt, że autentyczne zaprawy w spoinach muru nie były i w zasadzie do dziś nie są chronione, należy uznać za niezgodny z zasadami konserwatorskimi. Jeden z postulatów zawartych w Karcie Weneckiej (Postanowienia i Uchwały I Międzynarodowego Kongresu Architektów i Techników Zabytków w Wenecji, 1964) brzmi: "restauracja (...) polega na poszanowaniu dawnej substancji i elementów stanowiących autentyczne dokumenty przeszłości". Autentyczne zaprawy murarskie, podobnie jak cegły, stanowią bez wątpienia wymienione w Karcie dokumenty przeszłości i powinny być chronione przed zniszczeniem. Wymiana ich na nowe, współczesne, zubaża autentyczność zabytku, a więc jego najistotniejszą wartość.

Przedstawione stanowisko jest powszechnie znane i na ogół wszyscy konserwatorzy są zgodni co do jego słuszności. Dlaczego dopuszczają więc do zniszczenia zapraw i cegieł, a czasami także całych murów? Przyczyny są złożone. W niedalekiej przeszłości taką przyczyną był brak odpowiednich środków i metod ich ochrony i konserwacji. Obecnie, dzięki produkowaniu przez przemysł preparatów o doskonałych właściwościach i prowadzeniu w laboratoriach naukowych coraz liczniejszych badań nad konserwacją zapraw i cegieł, na przeszkodzie powszechnej ochrony i konserwacji murów ceglanych stoją sprawy ekonomiczne - zabiegi są drogie. Znacznie taniej i prościej można usunąć zaprawę i zniszczoną cegłę, a następnie mur wyspoinować i osadzić w nim nowe cegły.

Badania nad ochroną zapraw i cegieł

Problematyka ochrony murów ceglanych przed zniszczeniem była już podejmowana w tzw. okresie międzywojennym. Sugerowano m.in. stosowanie parafiny i wosków (hydrofobizacja z jednoczesnym często uszczelnianiem), a następnie mydeł metali wielowartościowych (hydrofobizacja), nie mniej substancje te nie znalazły szerokiego zastosowania ze względu na wady, jak też wywoływanie szkodliwych skutków ubocznych (łatwe brudzenie się powierzchni murów, nietrwałość zabezpieczenia, przyspieszenie niszczenia zapraw i cegieł wskutek uszczelnienia porów i in.). Dopiero produkcja związków krzemoorganicznych, a przede wszystkim silikonów i preparatów opartych na estrze etylowym kwasu ortokrzemowego stworzyła podstawy prawidłowej ochrony przed zniszczeniem i konserwacji omawianych zabytków. Dzięki nim niedoceniana problematyka konserwacji murów stała się przedmiotem badań w placówkach naukowo-konserwatorskich. Różne instytucje zaczęły także organizować konferencje poświęcone tym zagadnieniom (ostatnio m.in. w Aibi i Bressanone we Francji (1992), w Warszawie i Legnicy (1994).

Problematyce kompleksowej konserwacji murów były także poświęcone badania prowadzone przez zespól pracowników dydaktyczno-naukowych Instytutu Zabytkoznawstwa i Konserwatorstwa Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu (grant KBN). Opublikowali oni wyniki badań pozwalające na trwałą ochronę przed zniszczeniem i konserwację zarówno zapraw, jak cegieł (W. Domasłowski, M. Kęsy-Lewandowska, J.W. Łukaszewicz: Badania nad konserwacją murów ceglanych, Toruń, wyd. UMK w Toruniu, 1998). Na uwagę zasługuje fakt, że proponowane metody i środki nie wywołują negatywnych zjawisk ubocznych, tzn. przyspieszonego niszczenia zapraw i cegieł, co niejednokrotnie obserwowano przy stosowaniu niesprawdzonych preparatów i zapraw.

Przyczyny niszczenia zapraw wapiennych w spoinach murów

Dlaczego zaprawy wapienne występujące w murach ulegają niszczeniu? Odpowiedź jest prosta. Zaprawy wapienne posiadają małą wytrzymałość mechaniczną (zgodnie z Polską Normą wytrzymałość normowych zapraw wapiennych powinna wynosić 0,8 MPa = 8 kG/cm2), są nieodporne na zamrażanie i krystalizujące w ich porach sole rozpuszczalne w wodzie, są niecałkowicie odporne na działanie wody (przede wszystkim zawierającej kwas węglowy), a także całkowicie nieodporne na zanieczyszczające atmosferę silne kwasy (siarkowy, azotowy). Wymienione czynniki powodują stopniowe niszczenie zapraw występujących w zewnętrznych partiach murów, co przejawia się głównie w ich dezintegracji granularnej (rozpad ziarnisty) i osypywaniu się. Stopniowo zaprawa rozpada się coraz głębiej, To może powodować wypadanie cegieł z muru. Szczególnie ostro przebiegają te zjawiska w zaprawach zasolonych, narażonych na częste i głębokie zawilgacanie, W przypadku gdy mury są suche, zaprawy wapienne nie ulegają niszczeniu i ich wytrzymałość z biegiem czasu wzrasta. Dobrze zachowane zaprawy spotykamy więc we wnętrzach budowli, a także w miejscach chronionych przed wodą i w głębiej położonych warstwach zewnętrznego lica murów pozostających poza strefą nasiąkania wodą. Właściwości fizyczne i mechaniczne zapraw wapiennych oraz ich odporność na działanie czynników niszczących jest zależna od wielu parametrów, przede wszystkim od jakości wapna. Wapno palone powinno być otrzymane z czystych surowców bogatych w węglan wapnia i pozbawionych zanieczyszczeń. Kamień wapienny winien być wypalony w odpowiedniej temperaturze, a następnie wapno poprawnie zgaszone (przejście wapna palonego w gaszone, tzn. CaO w Ca(OH)2. Dobre gaszenie (lasowanie) wapna zachodzi przy użyciu ściśle określonej ilości wody i kontrolowanej temperaturze. Poprawne zgaszenie wapna palonego nie decyduje jednak o dobrej jakości wapna. Przyczyną tego jest niemożność całkowitej przemiany tlenku wapniowego w wodorotlenek w czasie krótkiego mieszania wapna gaszonego z wodą. Powstający w czasie mieszania wodorotlenek wapnia tworzy na powierzchni ziaren tlenku wapniowego szczelną powłokę (żel) utrudniającą dostęp wody do niezmienionych cząsteczek tlenku wapniowego. Takie zjawisko zachodzi także przy otrzymywaniu tzw. wapna hydratyzowanego (sucho gaszonego). Zastosowanie takiego wapna do prac budowlano-konserwatorskich jest niekorzystne, gdyż w miejsce małych cząstek tlenku wapnia w zaprawie (tynk, spoina muru) powstają wskutek hydratacji, a następnie karbonizacji większe cząsteczki wodorotlenku wapnia i w końcu węglanu wapnia, ziarna zwiększają objętość i w konsekwencji powstają w zaprawie naprężenia i mikropęknięcia. Prowadzi to do osłabienia zapraw, a w przypadkach krańcowych do odpryskiwania fragmentów tynków (tzw. strzelanie tynku). Aby tego uniknąć, przechowywano wapno gaszone w dołach ziemnych przez kilka, kilkanaście lat. W tych warunkach następowała powolna hydratacja tlenku wapniowego, osiadały zanieczyszczenia i wsiąkał w ziemię nadmiar wody z zawartymi w niej solami, wapno staje się w tych warunkach drobnoziarniste, jednorodne i nabywa właściwości tiksotrupowych (zol w bezruchu przechodzi w stan żelu i odwrotnie).

Omawiane wapno, zwane dołowanym, charakteryzuje się najwyższą jakością. Zmieszane z kruszywem ulega stopniowej karbonizacji bez negatywnych zjawisk opisanych powyżej. Użycie dobrego wapna nie gwarantuje jeszcze otrzymania dobrej zaprawy. Decydują o tym także rodzaj i ilość kruszywa, jego granulacja, ilość wody, a także warunki, w jakich zachodzi wiązanie zaprawy. Z wymienionych czynników najwięcej kłopotów mają konserwatorzy z zapewnieniem zaprawom odpowiednich warunków wiązania w spoinach muru. Warunki wiązania są prawidłowe wówczas, gdy zaprawa wysycha powoli i gdy pozostaje wilgotna przez dłuższy okres. W takich warunkach zachodzi powolna karbonizacja powierzchniowych warstewek wodorotlenku wapnia, a w głębszych partiach, wraz z odparowaniem wody krystalizuje stopniowo dwuwodny wodorotlenek wapnia. Aby karbonizacja zachodziła w głębszych partiach zaprawy, muszą być spełnione dwa warunki:

  • woda wypełniająca kapilary powinna odparować
  • zaprawa nie powinna być całkowicie sucha

W pierwszym przypadku woda wypełniająca kapilary uniemożliwia przenikanie w głąb zaprawy powietrza zawierającego dwutlenek węgla konieczny do karbonizacji wodorotlenku. Gdy natomiast zaprawa jest całkowicie sucha, powietrze z dwutlenkiem węgla może swobodnie penetrować kapilary, ale w suchej atmosferze reakcja karbonizacji zajść nie może. Do tego celu konieczny jest pewien zasób wody - zaprawy powinny być wilgotne. Dostateczną ilość wody dla zajścia omawianej reakcji może zapewnić wilgotne powietrze - przenikając w pory, oddaje część zawartej w sobie wody ściankom zaprawy (zjawisko to nosi nazwę sorpcji), przy czym ilość oddawanej wody wzrasta wraz z obniżaniem temperatury.

Aby spełnić pierwszy warunek (= wiązanie zaprawy), musi zachodzić swobodne odparowanie wody w umiarkowanej temperaturze i niezbyt wysokiej wilgotności.

Aby natomiast spełnić drugi warunek, proces twardnienia (= karbonizacja) musi zachodzić w atmosferze o dużej wilgotności i w niskiej temperaturze (oczywiście powyżej 0°C). Łatwiej spełnić te warunki w przypadku budowania nowego domu czy jego tynkowania. Trudno natomiast, gdy spoinuje się mur, tzn. wprowadza pomiędzy cegły warstwę zaprawy, najczęściej na niewielką głębokość, zależną od głębokości, z której usunięto ze spoin zniszczoną zaprawę pierwotną. Przystępując do spoinowania (w niektórych regionach Polski - fugowania), zaleca się usunąć zwietrzałą zaprawę, oczyścić spoiny, nawilżyć je wodą, wprowadzić zaprawę i zapewnić jej warunki dobrego wiązania i twardnienia. Niestety, bardzo rzadko ostatni postulat jest spełniany. Najczęściej po zakończeniu prac rozbiera się rusztowanie i pozostawia zaprawy na łasce przyrody. Wykonawcy chwalą sobie w tym przypadku brak słońca i wilgotne powietrze. Jeśli jest ciepło i słonecznie, tworzy się zaprawa słaba, która może zostać rozmyta przez silny boczny deszcz, zniszczona przez huraganowy wiatr, rozsadzona przez krystalizujące sole czy przez lód. Z przykładami źle związanej, słabej zaprawy wapiennej spotykali się (spotykają?) często mieszkańcy domów, w których tynkowano mieszkania bez zapewnienia odpowiednich warunków wilgotnościowych. Po zdrapaniu farby i cienkiej warstwy tynku odkrywa się słabą, osypującą się zaprawę. Można powiedzieć, że dobre warunki dla spoinowania występują u nas na wiosnę i jesienią, o ile nie zdarzą się przymrozki. Oczywiście, należy się wówczas liczyć z koniecznością zabezpieczenia murów przed deszczem, Z praktyki jednak wiadomo, że wykonawcy prowadzą tego typu prace przez cały sezon, niezależnie od pogody.

Współczesna, normowa zaprawa wapienna powinna mieć po 28 dobach sezonowania wytrzymałość na ściskanie około 0,8 MPa (1 MPa = 10 kG/cm2). Jest to wytrzymałość niewielka, nic więc dziwnego, że zaprawy te nie są odporne na czynniki atmosferyczne. Najważniejszym dla nich jest okres początkowy, gdyż z biegiem czasu wytrzymałość ich wzrasta dzięki pełnej karbonizacji, procesom krystalizacyjnym i reakcjom zachodzącym pomiędzy kruszywem i spoiwem wapiennym. W ostatnim przypadku tworzy się krzemian wapnia trwale spajający ziarna piasku. Takie zaprawy, o dobrych właściwościach, spotykamy we wnętrzach budowli zabytkowych. Wiedzą o tym konserwatorzy zabytków, którym przypadło w udziale wykucie cegieł z muru. Muszą poświęcić wiele sił i trudu, realizując to zadanie. O doskonałych właściwościach starej zaprawy wapiennej możemy się przekonać na przykładzie muru zamku krzyżackiego w Toruniu (XIII-XIV w.). Został on wysadzony w powietrze przez mieszczan toruńskich w roku 1454, a jego pozostałości odsłonięto spod ziemi w latach 1958-66. Obserwując fragmenty ruin możemy stwierdzić, że zaprawa występująca pierwotnie we wnętrzu muru nie uległa zniszczeniu pod wpływem intensywnie działających czynników atmosferycznych.

Słabe właściwości zapraw wapiennych były doskonale znane w starożytności. To nasi przodkowie w odległych wiekach opracowali - doprowadzając do perfekcji - technologię wapna i zapraw wapiennych. Epokowym odkryciem było dołowanie wapna, a następnie modyfikacja zapraw za pomocą dodatków ceramiki, a szczególnie pucolanów. Pucolany dokonały przełomu w budownictwie. Zawarta w nich krzemionka w rozproszeniu koloidalnym (tzw. aktywna) reaguje z wapnem, tworząc trwały i odporny na wodę krzemian wapnia. Zaprawa uzyskuje wysoką wytrzymałość mechaniczną, odporność na działanie wody i - co ma kapitalne znaczenie - zaprawa z tymi dodatkami może wiązać pod wodą - jest zaprawą hydrauliczną. Badania pucolanowych zapraw rzymskich pozwoliły ustalić, że posiadają one wytrzymałość na ściskanie do około 20 MPa (współczesna normowa zaprawa wapienna około 0,8 MPa, a z wapna hydraulicznego około 2,5 MPa). Zaprawy pucolanowe nie od razu osiągały podaną wytrzymałość mechaniczną, niemniej bardzo szybko uzyskiwały wytrzymałość dostateczną dla wznoszenia dużych budowli, i co najważniejsze odpornych na działanie wody urządzeń hydrotechnicznych (łaźnie, mosty, akwedukty). W porównaniu z zaprawami czysto wapiennymi możemy je uważać za zaprawy szybkowiążące. Zaprawy te są niewątpliwie prekursorami zapraw z cementu portlandzkiego i betonów, Nazwa pucolany (włoskie: puzzolane) pochodzi od miejscowości Puzzoli, znajdującej się w pobliżu Wezuwiusza. To właśnie pył pochodzący z tego wulkanu był pierwszą domieszką aktywną, zawierającą krzemionki w stanie dużego rozdrobnienia, które zwane są obecnie pucolanami.

Rzymianie stosowali nie tylko wulkaniczny pył Wezuwiusza, odkryli nowe pucolany w okolicy Rzymu, a także na wyspach Santoryn i Aspronis. W okolicach Neapolu, Renu i Bawarii odkryto także aktywne tufy wulkaniczne (tak zwane trasy). Do współczesnych pucolanów należą: ziemia okrzemkowa, pumeksy, opoki, gezy, gliny, żużle paleniskowe, popioły i inne. Większość pucolanów aktywizuje się w podwyższonej temperaturze. Obecnie tylko jedna firma oferuje na rynku polskim zaprawy z dodatkami pucolanów (trasów) - jest nią firma Tubag.

Spoinowanie murów zaprawami cementowymi?

Jak już wyjaśniono, spoinowanie murów zaprawami wapiennymi nie daje dobrych rezultatów ze względu na niemożność zapewnienia odpowiednich warunków wiązania w spoinach, jak też z uwagi na ich słabe właściwości mechaniczne. Poza tym istnieją także inne przyczyny nie pozwalające otrzymywać w spoinach zaprawy wapiennej o optymalnych właściwościach. Jedną z nich jest niemożność zagęszczenia, ubicia zaprawy w spoinach. Zwykle są one nanoszone luźno, mają więc dużą porowatość i nasiąkliwość wodą, a tym samym niską wytrzymałość mechaniczną i większą podatność na zniszczenie niż zaprawy normowe.

Fakt szybkiego niszczenia zapraw wapiennych wprowadzonych do spoin był powszechnie znany i po pojawieniu się na rynku cementu portlandzkiego zaczęto go stosować powszechnie nie tylko w budownictwie, lecz także do spoinowania murów ceglanych i innych prac remontowo-konserwatorskich. Stosowane do tego celu zaprawy cementowe miały diametralnie odmienne właściwości od wapiennych. Szybko wiązały, posiadały mniejszy skurcz, można je było nakładać w warstwach o dowolnej grubości i objętości, miały dużą wytrzymałość mechaniczną (większą niż zaprawy wapienne i cegły), mniejszą nasiąkliwość (od zapraw wapiennych i cegieł - ok. 10%) oraz kiepskie właściwości kapilarne - wskutek małych średnic kapilar z trudem przemieszczała się w nich woda. Wydawać by się mogło, że cement portlandzki rozwiąże problem trwałości spoin. Po latach doświadczeń okazało się jednak, że spoiny były wprawdzie trwałe, lecz zniszczeniu zaczęły ulegać stykające się z nimi cegły. Winę za taki stan rzeczy przypisywano solom rozpuszczalnym w wodzie zawartym w cemencie.

Twierdzono, że migrują one z zaprawy do cegieł, krystalizują w nich i je rozsadzają. Późniejsze obserwacje wykazały jednak, że mechanizm niszczenia cegieł jest inny. Przyczynami negatywnego wpływu zapraw cementowych na cegły były przede wszystkim ich słabe właściwości kapilarne i wysoka wytrzymałość mechaniczna. Lepsze właściwości kapilarne cegieł powodowały szybsze odparowywanie wody z cegieł niż z zapraw. Zjawisko to odbywało się głównie w pobliżu styku cegły z zaprawą, gdzie występuje najintensywniejsze odparowywanie wody, w rezultacie w tych miejscach następowała kumulacja soli zawartych w cegłach i zaprawie, ich krystalizacja, osłabianie i dezintegracja cegieł. W przypadku występowania dużych ilości soli krystalizowały one na całej powierzchni cegieł, natomiast nie kumulowały się one w zaprawie (migracja wody od zaprawy do cegły), W procesie niszczenia cegieł brała także aktywny udział woda, która zamarzając zwiększa swoją objętość. Proces ten występuje przede wszystkim w partiach, w których pory są w największym stopniu wypełnione przez wodę. Są nimi obszary cegieł stykające się z zaprawą wapienną. W końcu jako jedną, także istotną przyczynę, należy wymienić różny współczynnik rozszerzalności cieplnej zapraw cementowych i cegieł. W czasie zmian temperatury powstają pomiędzy nimi naprężenia ścinające, które prowadzą do rozluźnienia spoistości pomiędzy nimi, utraty przyczepności i powstania szczelin bądź też do dezintegracji lub pękania słabszej cegły. W rezultacie stopniowo ulega zniszczeniu lico cegieł, a następnie proces ten obejmuje coraz głębsze ich warstwy. Tworzą się jak gdyby komórki podzielone siatką zaprawy cementowej. Zaprawy cementowe spowodowały zniszczenie m.in. cegieł i kamieni krakowskiego Barbakanu. W ekspertyzie opracowanej na zlecenie PP PKZ w roku 1970, stwierdziłem, że zaprawa cementowa wypełniająca spoiny posiada nasiąkliwość średnią 6,8%, a cegły 21,5%. Cegły były słabe, podczas gdy zaprawa bardzo mocna. W przypadku zapraw wapiennych posiadających szerokie pory, a więc dobre właściwości kapilarne i dużą nasiąkliwość wodą (około 20%), zachodzą zjawiska odwrotne. Zaprawy stanowią rodzaj sączka ściągającego wodę i zawarte w niej sole. Są to więc zaprawy osuszające i kumulujące sole. Zapobiegają niszczeniu cegieł, lecz same ulegają destrukcji tym łatwiej, iż nie posiadają dużej wytrzymałości mechanicznej. Dlatego też obecność autentycznych zapraw w murach zewnętrznych, narażonych na działanie czynników atmosferycznych należy do rzadkości. Z punktu widzenia konserwatorskiego są zaprawami dobrymi, bezpiecznymi, z punktu ekonomicznego natomiast są zaprawami złymi. Co kilka lat fragmenty murów należy spoinować.

Negatywne rezultaty spoinowania murów zaprawami wapiennymi i cementowymi skierowały uwagę konserwatorów na możliwość użycia zapraw cementowo-wapiennych i są one od wielu lat powszechnie stosowane.

Właściwości tych zapraw są uzależnione od wielu czynników. Decydują o nich: marka cementu, stosunek cementu do wapna, stosunek kruszywa do spoiwa, granulacja kruszywa (zwykle jest to piasek) i ilość wody zarobowej. W zależności od stosunku cementu do wapna uzyskuje się właściwości pośrednie pomiędzy zaprawami cementowymi i wapiennymi. Zależność ta jest powszechnie znana, lecz wykonawcy prac remontowo-konserwatorskich rzadko zdają sobie sprawę, jakie właściwości mechaniczne i fizyczne posiada stosowana przez nich zaprawa. Zwykle bowiem miesza się poszczególne składniki "na oko" i nie przeprowadza badań laboratoryjnych zapraw. Z wypowiedzi wykonawców i dokumentacji prac wynika, że stosują oni kilkuprocentowe dodatki cementu, a w rzadkich przypadkach zachowują proporcję 1 : 1. O tym, że jest inaczej, że się stosuje małe ilości wapna, a duże cementu świadczą cegły ulegające zniszczeniu oraz twardość i mała wodochłonność zapraw. Wykonawcy starają się, aby ich zaprawy były trwałe, by świadczyły o dobrze wykonanej przez nich pracy, nie zdają sobie sprawy natomiast, że wydają wyrok zagłady na cegły.

Badania nad technologią zapraw do spoinowania murów

Ochrona przed zniszczeniem autentycznych zapraw występujących jeszcze w murach, a także technologia zapraw do spoinowania, odpowiadających postulatom konserwatorskim i ekonomicznym, była przedmiotem badań prowadzonych przez pracowników Instytutu Zabytkoznawstwa i Konserwatorstwa w ramach wspomnianego grantu KBN. Stwierdzono, że do wzmacniania i uodpornienia na zniszczenie zapraw wapiennych szczególnie przydatne są preparaty oparte na czteroetoksysilanie (ester etylowy kwasu ortokrzemowego). Dobre rezultaty uzyskano (dr J.W. Łukaszewicz) z preparatami firmy Remmers (Funcosil Steinfestiger OH i Funcosil Steinfestiger 510). Wzmacniają one na złamanie bardzo słabe zaprawy wapienne (0,6 MPa) od 400% (Funcosil OH) do 600% (Funcosil 510), Do zalet wymienionych preparatów należą także ich właściwości hydrofilne oraz fakt, że zmniejszają one nasiąkliwość wodą zapraw wapiennych tylko o 25%. Biorąc powyższe dane pod uwagę, możemy stwierdzić, że wzmocnione zaprawy nie będą ulegać szybkiemu zniszczeniu (zwiększona wytrzymałość) i będą kumulowały w sobie procesy niszczące (dobre właściwości kapilarne), chroniąc przed rozkładem cegły. Przed podjęciem badań nad technologią zapraw przeznaczonych do spoinowania murów ceglanych (W. Domasłowski) sformułowano postulaty konserwatorskie, jakim powinny odpowiadać zaprawy. Najlepiej by było, gdyby miały one identyczne właściwości fizyczne i mechaniczne jak cegły. Niestety, warunek ten nie jest możliwy do realizacji, ponieważ właściwości cegieł są bardzo zróżnicowane, a także nie można otrzymywać zapraw o tych samych właściwościach, pomimo stosowania tych samych składników i ich ilości, jak też metod ich otrzymywania. Dlatego też zakładamy że właściwości zapraw powinny być "tylko" zbliżone do cegieł występujących w murze. Spełnienie tego warunku pozwala na uniknięcie niszczącego wpływu zapraw na cegły. Do najważniejszych postulatów należą zbliżone lub lepsze właściwości kapilarne zapraw niż cegieł. Takie zaprawy nie stanowią barier utrudniających swobodne przemieszczanie się wody w murze, a stanowić będą, u czym już wspomniano, sączki ściągające wodę i kumulujące sole. Inne cechy zapraw to niższa od cegieł wytrzymałość mechaniczna, zbliżona lub wyższa nasiąkliwość wodą oraz zbliżony współczynnik rozszerzalności cieplnej. Poza wymienionymi właściwościami zaprawy powinny wiązać w granicach kilku godzin, świeże i stwardniałe zaprawy powinny mieć dobrą przyczepność do cegieł, nie kurczyć się w czasie wiązania i twardnienia, być odporne na działanie wody, zamrażanie, sole rozpuszczalne w wodzie i mikroorganizmy.

Biorąc pod uwagę wyniki badań własnych i innych autorów toruńskich, stwierdzono, że cegły występujące w gotyckich kościołach północnej Polski posiadają wytrzymałość na ściskanie od 6 do 9 MPa, nasiąkliwość wodą po 24 godzinach od 9 do 16% oraz podciągają wodę na drodze kapilarnej na wysokość 5 cm w czasie od 20 do 60 min. Te parametry brano pod uwagę, prowadząc omawiane badania. Zbadano przydatność modyfikowanych zapraw wapiennych (wapno hydratyzowane), zapraw cementowych i cementowo-wapiennych "czystych" oraz modyfikowanych. Do modyfikacji stosowano metakaolinit jako najaktywniejsze źródło krzemionki. Zbadano także przydatność zapraw fabrycznych produkcji Max Krusemark Mineros-Werk (Fugenmirtel 0,7 i 2,5) oraz Remmers-Fugenmirtel. Niestety, zaprawy te okazały się nieprzydatne do spoinowania cegieł. Zaprawy Mineros bardzo trudno podciągały wodę (na wysokość około 2 cm przez 24 godz.), a ich wytrzymałość na ściskanie wynosiła 17-18 MPa. Nieco lepsze właściwości miała zaprawa Remmers-Fugenmirtel. Przez 24 godziny podciągała wodę na wysokość 2,8-4,7 cm, a jej wytrzymałość na ściskanie wynosiła 9,6-15,1 MPa. Badania nad wymienionymi zaprawami wapiennymi i cementowymi pozwolily natomiast na stwierdzenie, że dobierając odpowiednie spoiwa i określoną ilość piasku, można uzyskiwać zaprawy o dowolnych właściwościach, a więc o parametrach odpowiednich do spoinowania murów zbudowanych z różnych cegieł. Podstawowym warunkiem uzyskiwania zaprawo dobrych właściwościach jest użycie cementu wysokiej marki (stosowano Dyckerhoff 45). Taki cement można mieszać z dużą ilością kruszywa, co umożliwia otrzymanie zaprawo postulowanych właściwościach mechanicznych, przy jednocześnie dobrych właściwościach kapilarnych. Dodatkową zaletą tych zapraw jest ich bardzo mały skurcz. Dobre zaprawy do spoinowania uzyskuje się także stosując mieszaninę cementu (również wysokiej marki) z wapnem hydratyzowanym. W zależności od stosunku tych spoiw oraz ilości kruszywa uzyskuje się wiele zaprawo zróżnicowanych właściwościach fizycznych i mechanicznych. Osobną grupę stanowią zaprawy wapienne, cementowe i cementowo-wapienne modyfikowane metakaolinitem. Dzięki omawianemu dodatkowi zaprawy wapienne uzyskują bardzo wysoką wytrzymałość mechaniczną (do 15 MPa) - tworzenie się krzemianu wapniowego (pucolany). W przypadku zapraw cementowych dodatki metakaolinitu zapobiegają wypłukiwaniu wolnego wodorotlenku wapnia, następuje ich stabilizacja.

Spośród zapraw poddanych badaniom, do spoinowania murów gotyckich mogą być zastosowane te, których wytrzymałość na ściskanie wynosiła od 4 do 8 MPa, czas kapilarnego podciągania wody do wysokości 5 cm powinien wynosić do 60 minut, a nasiąkliwość wodą 10-20%. Zaprawy te charakteryzują się także bardzo małym kurczem (szczególnie cementowe). Wymienione właściwości posiadają następujące zaprawy (stosunki wagowe):

  • cement : piasek = 1 : 6
  • cement : metakaolinit : piasek = 1 : 0,5 : 9
  • cement : kruszywo ceglane = 1 : 4
  • cement : piasek : kruszywo ceglane = 1 : 1 : 3
  • cement : wapno : piasek = 1 : 1 : 6
  • cement : wapno : metakaolinit : piasek = 1 : 1 : 1,25 : 19,5

Jak wynika z powyższych receptur, do 1 części cementu (marka 45) oraz 1 części jego mieszaniny z metakaolinitem należy dodać 6 części piasku, a do spoiwa cementowo-wapiennego "czystego" i z metakaolinitem - 3 części. Kruszywa ceglanego, z uwagi na jego rozwiniętą powierzchnię można dodać mniej. Zwiększając ilość kruszywa, osłabiamy zaprawy, lecz polepszają się ich właściwości kapilarne i zwiększa nasiąkliwość. Odwrotnie, jeśli zmniejszamy ilość kruszywa. Pogarszają się wówczas właściwości kapilarne zapraw, a rośnie ich wytrzymałość mechaniczna. Doświadczenia pozwoliły także ustalić, że przy zwiększaniu ilości wapna w zaprawach cementowo-wapiennych następuje gwałtowny spadek wytrzymałości, a przy jego zmniejszaniu pogarszają się właściwości kapilarne. Stosunek 1 : 1 należy uznać za optymalny. Odpowiednie właściwości posiadają także zaprawy wapienne modyfikowane metakaolinitem i wypaloną gliną:

  • wapno : metakaolinit : piasek = 1 : 1 : 10
  • wapno : glina : piasek = 1 : 1,5 : 7,5

Mają one następujące właściwości: czas kapilarnego podciągania wody do wysokości 5 cm - 57 i 55 min, wytrzymałość na ściskanie około 4 MPa oraz nasiąkliwość 14 i 16%.

Należy dodać, że w UMK w Toruniu opracowano także technologię zapraw cementowych modyfikowanych żywicami akrylowymi oraz hydrofilnych zapraw epoksydowych. Wymienione zaprawy mają bardzo dobre właściwości kapilarne, regulowaną wytrzymałość mechaniczną i zwiększoną przyczepność do podłoża.

Wnioski

Biorąc pod uwagę powyższe, można stwierdzić, że głównym kryterium przydatności zapraw do spoinowania murów ceglanych są ich zbliżone właściwości do cegieł. a szczególnie kapilarne i mechaniczne. Pierwsze nie powinny być wyższe, drugie niższe. Aby uniknąć częstej wymiany zapraw w spoinach, ich wytrzymałość na ściskanie nie powinna być mniejsza od 4 MPa.













© 2012-2017    bialycement.pl
Valid XHTML 1.0 StrictValid CSS 3