Wpływ dodatku zeolitu na właściwości fizykomechaniczne tynków renowacyjnych

Prace renowacyjne starych, zawilgoconych i zasolonych murów muszą być zaplanowane w taki sposób, by ich przeprowadzenie pozwoliło rozwiązać problemy wynikające z obecności w murze soli rozpuszczalnych w wodzie. Często wymaga to odtwarzania izolacji wodochronnych oraz naprawy elewacji, w tym czyszczenia, spoinowania, wzmacniania podłoża, hydrofobizacji, naprawy lub wymiany zniszczonych tynków itp.

Tynki renowacyjne - charakterystyka i wymagania

Przy renowacji zawilgoconych i zasolonych ścian istotne jest stosowanie systemu tynków renowacyjnych, którego składniki cechują się odpowiednimi parametrami i są ze sobą kompatybilne [1, 2].

Tynki renowacyjne, określane również jako tynki WTA (z niem. Wissenachaftlich - Technische Arbeitsgemeinschaft für Bauwerkserhaltung und Denkmalpflege – Naukowo-Techniczny Zespół Roboczy ds. Zachowania Budowli i Konserwacji Zabytków) zaliczane są do kompleksowych systemów osuszająco-odsalających. Wytwarzane są w postaci gotowych, przygotowanych fabrycznie suchych mieszanek spoiw, wypełniaczy, modyfikatorów i kruszyw.

Cechą charakterystyczną tynków renowacyjnych jest ich wysoka porowatość, a zadaniem kumulowanie soli rozpuszczalnych zawartych w murach, tak by nie dopuścić do ich krystalizacji na powierzchni tynku i uniemożliwić wsiąkanie wody opadowej.

Tynki składają się zasadniczo z trzech warstw: obrzutki tynkowej, warstwy podkładowej i warstwy zewnętrznej. Obrzutka ma dużą wytrzymałość mechaniczną i właściwości hydrofobowe, jest nakładana na 50% powierzchni muru, a jej zadaniem jest zwiększenie przyczepności warstwy podkładowej.

Warstwa podkładowa jest warstwą wyrównującą o wysokiej porowatości i właściwościach hydrofilnych, której zadaniem jest magazynowanie soli rozpuszczalnych w wodzie.

Ostatnia, wierzchnia warstwa tynku renowacyjnego jest zaprawą porowatą o wysokiej hydrofobowości, dzięki czemu stanowi barierę dla wód opadowych i uniemożliwia zawilgocenie warstwy kumulującej sole, umożliwiającej zarazem odparowywanie wody znajdującej się w murze na drodze dyfuzji.

Wymagania stawiane tynkom renowacyjnym są dosyć rygorystyczne i zostały opisane w niemieckiej instrukcji WTA-2-9-04 „Sanierputzsysteme” [3]. Określono w niej parametry, które musi spełnić tynk, aby można go było zakwalifikować do tynków renowacyjnych WTA.

Tynk renowacyjny powinien charakteryzować się m.in. [4]:

• dużą porowatością (zawartość porów powietrza w świeżej zaprawie powinna być wyższa niż 25%, a porowatość stwardniałej zaprawy przekraczać 40%). Umożliwia to wykrystalizowanie wody w porach tynku oraz szkodliwych soli bez zniszczenia struktury tynku i muru. W ten sposób uzyskuje się podwyższoną mrozoodporność i soloodporność;
• współczynnikiem oporu dyfuzyjnego m < 12, który umożliwia migrację pary wodnej z muru do otoczenia i szybkie wysychanie tynku i muru, a także uniemożliwia koncentrację soli i wilgoci w cienkiej, przypowierzchniowej warstwie muru;
• odpowiednią nasiąkliwością powierzchniową wody w24 > 0,3 kg/m² i głębokością wnikania wody h < 5 mm, które wpływają na migrację soli z muru do powierzchni tynku i pozwalają na ograniczoną penetrację szkodliwych soli z podłoża;
• wytrzymałością na ściskanie bd = 1,5–5 MPa i stosunkiem wytrzymałości bd do wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu bbz < 3.

Tynki renowacyjne powinny też wykazywać odpowiednią mrozo­odporność, wodoodporność, odporność na sole oraz hydrofobowość.

Składy zapraw a zeolit

Obecnie składy zapraw są zróżnicowane. Zawierają: cementy szare, białe, wapno hydrauliczne lub gips, piasek kwarcowy, kruszywa wapienne i kruszywa lekkie (perlit, styropian, pumeks, wermikulit) oraz dodatki modyfikujące ich własności i dodatki barwiące.

Tynki przeznaczone do zasolonych murów ceglanych, wykonywane metodami tradycyjnymi, nie wykazują trwałej przyczepności, kruszą się i odpadają. Jeśli tynki są zbyt mocne, może dochodzić do spękań tynków, a nawet oryginalnych murów [2, 5, 6].

Tynki renowacyjne, w których lekkimi wypełniaczami są perlit, styropian, keramzyt i wermikulit, magazynują duże ilości soli, ale ulegają szybkiemu zniszczeniu. Jedynie tynki, w których jako wypełniacz stosuje się tras, pełnią właściwą rolę w zabezpieczaniu zawilgoconych i zasolonych murów.

Tras jest jednak skałą o ciemnej, brunatnej barwie, co utrudnia uzyskanie jasnych odmian tynków oraz zapewnienie stałych parametrów tynków renowacyjnych.

Cechy tynków renowacyjnych można uzyskać dzięki zeolitom zastosowanym jako dodatek uszlachetniający zaprawę mineralną. Zeolity mają właściwości, dzięki którym można zapewnić żądaną porowatość, dyfuzyjność.

Porowata struktura tynków z naturalnym zeolitem stymuluje migrację wody z nałożonej warstwy tynku, co wpływa na wiązanie i wytrzymałość mechaniczną [7]. Dzięki unikalnej, wydrążonej strukturze zeolity mają dobre właściwości sorpcyjne i mogą kumulować wystarczającą ilość soli [8, 9].

Zeolity mogą powodować zwiększoną hydrofilność tynków, dlatego należałoby zastosować równocześnie z zeolitami dodatek hydrofobowy, gdyż jednym z wymagań stawianym tynkom renowacyjnym jest wysoka hydrofobowość.

W artykule zostaną przedstawione wyniki badań mineralnego tynku renowacyjnego - warstwy podkładowej i wierzchniej, składającego się z cementu portlandzkiego białego lub cementu hutniczego, mielonego, granulowanego żużla wielkopiecowego, wapna hydratyzowanego, piasku, zeolitu i dodatków chemicznych o działaniu plastyfikująco-wzmacniającym, hydrofobizująco-napowietrzającym i stabilizującym.

Program badań

Materiały

Opracowano skład 6 mieszanek mineralnych tynków renowacyjnych o wysokim i niskim stopniu zasolenia, który przedstawiono w TABELACH 1 i 2.Do badań przygotowano zestaw próbek prostopadłościennych z tych zapraw o wymiarach 40×40×160 mm zgodnie z normą PN­–EN 196-7:2008 [10]. Próbki rozformowano po 24 godz. i umieszczono w komorze klimatycznej na 21 dni.

Wytrzymałość na zginanie i ściskanie

Wytrzymałość na zginanie i na ściskanie zbadano na podstawie normy PN-EN 1015-11 [11] odpowiednio na 3 i 6 próbkach. Parametr ten był oznaczany przez trzypunktowe obciążenie stwardniałych beleczek zapraw, aż do niszczenia.

Próbki do badań wytrzymałości na ściskanie otrzymano w wyniku wcześniej przeprowadzonego oznaczania wytrzymałości na zginanie. Wyznaczono również stosunek wytrzymałości na ściskanie bd do wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu bbz. Wyniki badań przedstawiono na RYS. 1, 2 i 3.

Wszystkie badane tynki nie przekroczyły wymaganego przez WTA 2-9-04 [3] stosunku wytrzymałości bd do wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu bbz < 3. Najwyższą wytrzymałość na ściskanie (7,062 N/mm²) i na zginanie (2,418 N/mm²) osiągnął tynk nr 3 na bazie cementu portlandzkiego białego CEM l 52,5 R, który modyfikowany był żywicą proszkową na bazie kopolimeru octanu winylu-etylenu. Jej zawartość w badanych tynkach (1–3) była najwyższa i wynosiła 0,90% masowych.

Najniższą wytrzymałość na ściskanie uzyskał tynk 4 i była ona niższa o 41% od wytrzymałości najwyższej. Najniższą wytrzymałość na zginanie osiągnął tynk nr 6 i była ona niższa o 39,8% od wytrzymałości najwyższej równej 1,455 N/mm².

Cechy fizyczne świeżych i stwardniałych tynków

Określono gęstości świeżych i wysuszonych stwardniałych zapraw według normy PN­‑EN 1015-6 i 10 [12]. Do badań przyjęto po 6 próbek na każdy zarób. Otrzymane wyniki przedstawiono w TABELI 3.

Wykonano również badanie zawartości porów powietrza w świeżych zaprawach według normy PN-EN 1015-7 [12]. Badania porowatości otwartej stwardniałych zapraw wykonano na podstawie normy PN-EN 1936:2010 [13]. Określono współczynnik absorpcji wody spowodowanej podciąganiem kapilarnym stwardniałej zaprawy według normy PN-EN 1015-18 [14].

Badania przeprowadzono na 6 próbkach każdej z zapraw w kształcie prostopadłościanu w określonych warunkach, przy ciśnieniu atmosferycznym. Po wysuszeniu do stałej masy cztery ścianki próbki zostały zabezpieczone żywicą epoksydową w celu wyeliminowania wpływu środowiska zewnętrznego. Próbki zanurzono powierzchnią niezabezpieczoną w wodzie do głębokości od 5 do 10 mm przez 24 godz., po czym określany był przyrost masy. Wyniki badań przedstawiono w TABELI 3.

Według wymagań instrukcji WTA 2-9-04 [3] wartość gęstości tynków renowacyjnych nie powinna przekraczać 1400 kg/m³. Tylko 3 spośród 6 badanych tynków spełniły te wymagania (2, 3, 5). Tynki 1, 4, 6 nieznacznie (o 20–30 kg/m³) przekroczyły maksymalną gęstość, którą powinny charakteryzować się tynki renowacyjne.

Tynki cechują się wysoką porowatością otwartą, której wartość waha się w przedziale 26,6–30,0%. Nie można porównać porowatości otwartej z wartością wymaganą przez normę lub instrukcję WTA, gdyż normy te nie podają wartości porowatości otwartej tynków renowacyjnych.

WTA precyzuje natomiast, jaka powinna być porowatość całkowita. Wszystkie badane tynki charakteryzują się wyższą porowatością całkowitą niż 40% w przypadku tynku wierzchniego oraz 45% w przypadku tynku podkładowego.

Współczynnik absorpcji wody tynku renowacyjnego po 24 godz. badania powinien być większy od 0,3 kg/m². Wszystkie badane tynki charakteryzują się bardzo wysokim współczynnikiem absorpcji, którego wartość wahała się w przedziale 20,4-22,4 kg/m².

Mrozoodporność

Badanie mrozoodporności zostało przeprowadzone zgodnie z metodą bezpośrednią według procedury opisanej w normie PN-88/B-06250 [15]. Do badań przyjęto po 6 próbek na każdy zarób.

Próbki zostały poddane cyklicznemu zamrażaniu w powietrzu o temperaturze - 18 ±2°C, przez co najmniej 4 godz., a następnie ich rozmrażaniu w wodzie o temperaturze 18 ±2°C przez okres nie krótszy niż 2 godz. i nie dłuższy niż 4 godz. Każde zamrażanie–rozmrażanie stanowiło jeden cykl badań. Przyjęto liczbę 200 cykli zamiast 25 według normy w celu wykazania podwyższonej mrozoodporności badanych tynków.

Po zakończeniu ostatniego cyklu beleczki zostały wysuszone do stałej masy i zważone w celu sprawdzenia ubytku masy po badaniu mrozoodporności. Procentowy ubytek masy tynków przedstawiono na RYS. 4. Stan zachowania próbek tynku wierzchniego renowacyjnego po badaniu mrozoodporności przedstawiono na FOT. 1.

Wszystkie analizowane tynki renowacyjne wykazały się wysoką mrozoodpornością. Ubytek masy nie przekroczył 1%, a najwyższy był w przypadku tynku nr 4 (0,80%), który też charakteryzował się najniższą wytrzymałością na ściskanie.

Najniższy, praktycznie zerowy ubytek masy wykazały tynki 2, 3, 5 i 6, zarówno z dodatkiem żużla wielkopiecowego, jak i keramzytu. Tynki z największym udziałem procentowym kopolimeru octanu winylu-etylenu (0,90%) charakteryzują się najwyższą mrozoodpornością.

Odporność na krystalizację soli

Badanie odporności na krystalizację soli zostało wykonane według zaleceń normy PN-EN12370:2001 [16]. Do badania użyto po 6 próbek z każdego zarobu o wymiarach 40×40×160 mm. Próbki po wysuszeniu i zważeniu zostały zanurzone w 14-procentowym roztworze siarczanu sodu dziesięciowodnego na 2 godz.

Następnie suszono je w warunkach systematycznego zwiększania temperatury do 105°C, którą osiągnięto po 10 godz., przy zachowaniu dużej wilgotności względnej w początkowym etapie suszenia, po czym próbki ponownie nasączano siarczanem sodu.

Cykl nasączania i suszenia wykonano 15 razy, następnie próbki przechowywano w wodzie przez 24 godz., po czym przemyto je, wysuszono i zważono. Wyniki przedstawiono w procentach jako względną różnicę masy w stosunku do początkowej masy próbki oraz liczbę cykli, po której nastąpił jej rozpad, traktowany jako brak odporności zaprawy na ciśnienie krystalizacyjne soli.

Procentowy ubytek masy tynków po wykonanym badaniu odporności na sole przedstawiono na RYS. 5. Stan zachowania próbek tynku wierzchniego renowacyjnego po badaniu odporności na sole przedstawiono na FOT. 2.

Prawie wszystkie próbki użyte w badaniu wykazały odporność na krystalizację soli. Próbki tynków 2, 3, 5, 6 podczas trwania 15 cykli badania nie uległy zniszczeniu. Tynki oznaczone jako 1 i 4 charakteryzują się niewielkim ubytkiem masy, wynoszącym odpowiednio 0,20 i 0,50%.

Przyczepność tynków do podłoża

Badanie przyczepności tynków do podłoża zostało wykonane według zaleceń normy PN-EN 1015-12 [12]. Przyczepność była określana jako maksymalne naprężenie rozciągające wywołane przez obciążenie odrywające przyłożone prostopadle do powierzchni zaprawy.

Obciążenie odrywające było przykładane za pomocą płytki odrywającej przyklejonej do powierzchni licowej badanej zaprawy. Jako podłoże wykorzystano cegłę ceramiczną klasy 7,5. Wyniki badań przedstawiono na RYS. 6, natomiast przebieg badania zobrazowano na FOT. 3.

Analizowane tynki renowacyjne z wyjątkiem tynku podkładowego nr 6 wykazały się wysoką przyczepnością, rzędu 0,21–0,24 N/mm².

Podsumowanie

Najbardziej znaczące wyniki uzyskane w prezentowanych badaniach są następujące:

1. Wszystkie badane tynki nie przekroczyły wymaganego przez WTA stosunku wytrzymałości bd do wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu bbz < 3. Zaprawy z użyciem cementu CEM 52,5 R uzyskały wyższą niż wymagana wytrzymałość na ściskanie >5 MPa, co świadczy o tym, że należałoby używać cementów niższych klas przy wykonywaniu tynków renowacyjnych.

2. Zawartość w zaprawach kopolimeru octanu winylu (VA) jest ważnym czynnikiem wpływającym na właściwości mechaniczne tynków. Zaprawy z największa zawartością polimeru (0,9% masowych) uzyskały wyższe parametry wytrzymałościowe, największą mrozoodporność oraz odporność na krystalizację soli.

3. Tynki charakteryzują się wysoką porowatością otwartą oraz całkowitą, której wartość waha się w przedziale odpowiednio 26,6–30,0% oraz 40,7–46,4%. Uzyskano bardzo wysoki współczynnik absorpcji, którego wartość wahała się w przedziale 20,4–22,4 kg/m². Wpływ na tak wysoką wartość mają wysokie zdolności absorpcyjne zeolitów. Może to świadczyć o dobrej absorpcji wody i akumulacji soli krystalizujących w porach zaprawy.

4. Wszystkie analizowane tynki renowacyjne wykazały się wysoką mrozoodpornością. Ubytek masy nie przekroczył 1%, a w większości wypadków był prawie zerowy przy 200 cyklach mrożenia.

5. Tynki wykazały odporność na krystalizację soli. Jedynie zaprawy z najmniejszą zawartością kopolimeru octanu winylu (0,50%) charakteryzują się niewielkim ubytkiem masy – wynoszącym 0,20–0,50%.

Zeolity o bardzo dobrych właściwościach sorpcyjnych, unikalnej strukturze porów mogą być stosowane jako składnik tynków aplikowanych na zasolonych murach.

Prezentowane w artykule tynki wapienne z naturalnym zeolitem zarówno z dodatkiem żużla wielkopiecowego, jak i keramzytu przy zastosowaniu dwóch odmian cementu CEM I 52,5 R oraz CEM III A 32,5 NA są odpowiednie do zasolonych, zawilgoconych murów i mogą być stosowane jako odpowiednik tynków renowacyjnych WTA. Są one w pełni kompatybilne z tradycyjnymi materiałami budowlanymi, co oznacza, że mogą być stosowane do przywrócenia pierwotnego stany murowanych ścian.

Badania nad zastosowaniem zeolitu w tynkach renowacyjnych są kontynuowane na Politechnice Lubelskie^j1). Dodatkowo planowane są oprócz badań laboratoryjnych badania polowe w obiekcie zabytkowym, którego mury charakteryzują się wysoki stopniem zasolenia i zawilgocenia.

Wybrane, charakteryzujące się najbardziej odpowiednimi cechami tynki zostaną wykonane w obiekcie i przebadane. Pozwoli to na sformułowanie dalszych wniosków, odnośnie zastosowania naturalnego zeolitu w produkcji tynków renowacyjnych.

Badania zostały wykonane w ramach projektu Nr IPBU.01.01.00-06-570/11-00

Literatura

1. M.J. Mosquera, D. Benitez, S.H. Perry, „Pore structure in mortars applied on restoration. Effect on properties relevant to decay of granite buildings”, „Cement and Concrete Research”, Vol. 32/2002, pp. 1883–1888.
2. P. Degryse, J. Elsen, M. Waelkens, „Study of ancient mortars from Salassos (Turkey) in view of their conservation”, „Cement and Concrete Research”, Vol. 32/2002, pp. 1457–1563.
3. WTA Merkblatt 2-9-04, „Sanierputzsysteme”.
4. C. Maggot, M. Rokiel, „Tynki renowacyjne w świetle normy PN-EN 998-1:2004 oraz instrukcji WTA nr 2-9-04”, „Materiały Budowlane”, nr 9/2009, s. 6–8.
5. A. Moropoulou, A.S. Cakmak, G. Biscontin, A. Bakolas, E. Zendri, „Advanced Byzantine cement based composites resisting earthquake stresses: the crushed brick/lime mortars of Justinian’s Hagia Sophia”, „Construction and Building Materials”, Vol. 16/2002, pp. 543–552.
6. J. Lanas, J.I. Alvarez, „Masonry repair lime-based mortars: Factors affecting the mechanical behavior”, „Cement and Concrete Research”, Vol. 33/2003, pp. 1867–1876.
7. G. Sezemanas, M. Sinica, P. Zacharcenko, N. Pivenj, D. Mikulskis, M. Kligys, „Influence of Zeolite Additive on the Properties of Plaster Used for External Walls from Autoclaved Aerated Concrete”, „Materials Science (Medziagotyra)”, Vol. 19, No. 2/2013, pp. 222–229.
8. T. Perraki, G. Kakali, F. Kontoleon, „The Effect of Natural Zeolites on the Early Hydration of Portland Cement”, „Microporous and Mesoporous Materials”, Vol. 61/2003, pp. 205–212.
9. M. Sahmaran, N. Ozkan, S. Keskin, B. Uzal, L. Yaman, T. Erdem, „Evaluation of Natural Zeolite as a Viscositymodifying Agent for Cement-based Grotus”, „Cement and Concrete Research”, Vol. 38, 2008, pp. 930–937.
10. PN-EN 196-7:2008, „Metody badania cementu. Część 7: Sposoby pobierania i przygotowania próbek cementu”.
11. PN-EN 1015-11:2001P, „Metody badań zapraw do murów. Część 11: Określenie wytrzymałości na zginanie i ściskanie stwardniałej zaprawy”.
12. PN-EN 1015-10: 2001P, „Metody badań zapraw do murów. Część 10: Określenie gęstości wysuszonej stwardniałej zaprawy”.
13. PN-EN 1936:2010, „Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie gęstości i gęstości objętościowej oraz całkowitej i otwartej porowatości”.
14. PN-EN 1015-18, „Metody badań zapraw do murów. Część 18: Określenie współczynnika absorpcji wody spowodowanej podciąganiem kapilarnym stwardniałej zaprawy”.
15. PN-88/B-06250, „Beton zwykły”.
16. PN-EN12370:2001, „Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie odporności na krystalizację soli”.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!