Wpływ wytrzymałości cementu na właściwości klejów do płytek

Na rynku krajowym rocznie wykorzystywanych jest ok. 700-800 tys. ton cementu do wytworzenia suchych mieszanek chemii budowlanej [1], co stanowi ok. 4-5% sprzedaży cementu w kraju. Produkowane są dwie odrębne grupy cementu, różniące się zasadniczo właściwościami i przeznaczeniem:

• cementy portlandzkie,
• cementy glinowe.

W recepturach suchych mieszanek chemii budowlanej wykorzystywane są przede wszystkim cementy wytwarzane z klinkieru portlandzkiego, spełniające wymagania normy PN-EN 197-1:2012 [2].

Cementy glinowe stanowią wyłącznie dodatek stosowany w recepturach niektórych wyrobów (np. spoiny, kleje szybkowiążące) w celu znaczącego przyspieszenia wiązania i twardnienia produktu. Znacznie rzadziej stanowią samodzielne spoiwo w recepturach suchych mieszanek.

Podstawą podziału cementów glinowych jest zawartość tlenku glinu Al₂O₃. Cementy glinowo-wapienne o zawartości Al₂O₃ w granicach 35-58% objęte są wymaganiami normy europejskiej PN-EN 14647:2006 [3], natomiast cementy wysokoglinowe nie posiadają dokumentu odniesienia i produkowane są w oparciu o normy branżowe lub aprobaty techniczne.

Cementy produkowane na bazie klinkieru portlandzkiego stanowią znaczną grupę wyrobów objętą wymaganiami normy PN-EN 197-1:2012 [2].

W normie ujęto 27 różnych wyrobów, podzielonych na 5 głównych rodzajów:

• cementy portlandzkie CEM I - bez dodatków,
• cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II/A i CEM II/B - zawierające odpowiednio do 20% i do 35% dodatków (żużel granulowany S, popiół lotny krzemionkowy V, wapień L i LL, pył krzemionkowy D, popiół lotny wapienny W, łupek palony T, pucolana naturalna P i pucolana naturalna wypalana Q),
• cementy hutnicze CEM III/A, CEM III/B i CEM III/C - zawierające odpowiednio do 65%, 80% i 95% granulowanego żużla wielkopiecowego S,
• cementy pucolanowe CEM IV/A i CEM IV/B - zawierające odpowiednio do 35% i do 55% sumy pucolan P, Q, V i W,
• cementy wieloskładnikowe CEM V/A i CEM V/B - zawierające odpowiednio 18-30% żużla S i 18-30% pucolan P, Q, V i W oraz 31-50% żużla S i 31-50% pucolan.

Wymienione cementy mogą być produkowane w trzech różnych klasach wytrzymałości, podzielonych dodatkowo na:

• "o normalnej wytrzymałości wczesnej (N)"
• i "o wysokiej wytrzymałości wczesnej (R)".

W przypadku cementów hutniczych CEM III wprowadzono ponadto cementy "o niskiej wytrzymałości wczesnej", oznaczonej normowo literą L (TAB. 1).

W recepturach suchych mieszanek stosuje się głównie cementy portlandzkie CEM I, znacznie rzadziej cementy portlandzkie wieloskładnikowe CEM II, a także CEM III. Cementy pucolanowe CEM IV i wieloskładnikowe CEM V są praktycznie nieużywane.

Popularność cementu CEM I bez dodatków wynika z:

• stosowania różnego rodzaju dodatków (np. popiół lotny krzemionkowy V czy zmielony kamień wapienny L LL) w różnych ilościach w recepturach zapraw - łatwiej sterować tym procesem w cemencie "czystym" niezawierającym wymienionych dodatków,
• cementy CEM I bez dodatków wykazują wyższe tempo narastania wytrzymałości wczesnych w porównaniu z cementami CEM II do CEM V z dodatkami - ma to istotne znaczenie technologiczne i praktyczne w wielu wyrobach z uwagi na tendencje do jak najszybszego zakończenia prac budowlanych i chęci szybkiego użytkowania budynków, w których te prace zostały wykonane.

Wymienione cementy CEM I produkowane są jako:

• cementy "szare" - o kolorze w odcieniu szarym,
• cementy "białe" - produkowane ze specjalnego klinkieru (którego biały kolor jest związany głównie z wykorzystywaniem do jego produkcji surowców ubogich w związki barwiące cement, głównie: żelaza, manganu, chromu, tytanu itp.) zapewniające wysoki stopień białości cementu.

Producenci suchych mieszanek chemii budowlanej mają zatem do wyboru szeroką gamę spoiw cementowych przy konstruowaniu receptur swoich wyrobów. Różnią się one:

• właściwościami (cementy na bazie klinkieru portlandzkiego, cementy glinowe),
• zawartością dodatków (cementy typu CEM I do CEM V),
• klasą i szybkością narastania wytrzymałości (klasy od 32,5 do 52,5),
• kolorem - szare i białe.

Cement w zaprawach klejących do okładzin ceramicznych

Kleje cementowe są powszechnie stosowane do przyklejania różnego rodzaju okładzin ceramicznych i kamiennych. W grupie klejów do okładzin są najbardziej popularne. Znacznie rzadziej stosowane są kleje dyspersyjne i kleje epoksydowe.

Kleje cementowe uzyskują odpowiednią przyczepność głównie poprzez związanie fizyczne dyspersji polimerowej, a także zaczynu cementowego z powierzchnią montażową okładziny. Mamy zatem w przypadku tego rodzaju klejów dwa rodzaje wiązań: słabe cementowe i mocne polimerowe, decydujące o jakości i trwałości połączenia.

Produkowane są zarówno kleje szare, jak i kleje białe, a ich kolor zależy od rodzaju użytego cementu. Kleje białe polecane są głównie do okładzin jasnych, podatnych na zabrudzenia i przebarwienia, np. marmur i inne kamienie o jasnych lub zbliżonych do białego kolorach.

Zaprawy klejące do płytek wymagają stosowania spoiwa zapewniającego szybki przyrost wytrzymałości w czasie. Stąd też w recepturach tych wyrobów stosuje się prawie wyłącznie szybkowiążące cementy portlandzkie o klasach wytrzymałości co najmniej 42,5.

Najczęściej stosowanym cementem portlandzkim jest CEM I 42,5R, a znacznie rzadziej CEM I 52,5R. Praktycznie nie stosuje się cementów CEM II do CEM V z dodatkami. Związane jest to z:

• praktycznie brakiem na rynku cementów CEM II do CEM V o klasie wytrzymałości co najmniej 42,5R,
• doświadczeniami laboratoryjnymi, z których wynika, że dodatki (popiół lotny krzemionkowy V, mielony granulowany żużel wielkopiecowy S) obniżają parametry normowe klejów cementowych [4].

Cement, oprócz kształtowania przyczepności do podłoża, odgrywa również pewną rolę w kształtowaniu elastyczności klejów do okładzin, której normową miarą jest odkształcenie poprzeczne, badane według PN-EN 12002 [5, 6].

Tworzywa cementowe znane są z kruchości. Dlatego też w przypadku receptur klejów odkształcalnych parametry odkształcalności S1 lub S2 uzyskuje się nie tylko poprzez odpowiednio dużą ilość dodatku proszku redyspergowalnego i włókien, lecz także poprzez zmniejszenie ilości cementu w zaprawie i tym samym zwiększenie stosunku polimer/cement.

Udział cementu w klejach do płytek, w zależności od receptury producenta oraz przeznaczenia kleju, jest zróżnicowany i waha się z reguły w zakresie 25-40% masy gotowej suchej mieszanki.

Program badań

Jak wspomniano, w recepturach zapraw klejących do płytek stosuje się głównie cement portlandzki CEM I 42,5R. Biorąc jednakże pod uwagę właściwości użytkowe klejów (dążenie do szybkiego zakończenia prac i użytkowania powierzchni z przyklejonymi płytkami), a także wysokie wymagania normowe, szczególnie dla popularnych w kraju klejów elastycznych (o wysokiej przyczepności C2 oraz odkształcalności S1, S2), stosowanie w recepturach zapraw klejących cementu szybkowiążącego i o najwyższych parametrach wytrzymałościowych (czyli klasy CEM I 52,5R) wydaje się technologicznie uzasadnione.

W tym celu sporządzono mieszanki zaprawy klejącej do płytek, mającej z założenia spełniać wymagania normy PN-EN 12004+A1:2012 [7] dla kleju elastycznego o oznaczeniu C2TES1. Badano zaprawy różniące się cementem, ilością proszku redyspergowalnego oraz mrówczanu wapnia jako dodatku przyspieszającego wiązanie i twardnienie. Receptury przeznaczone do badań przedstawiono w TAB. 2.

Zbadano właściwości normowe klejów do płytek przygotowanych według receptur podanych w TAB. 2. Biorąc pod uwagę specyficzne właściwości użytkowe klejów do płytek (w warunkach praktycznych wymagane jest zazwyczaj zapewnienie możliwości użytkowania podłoża z przyklejonymi płytkami nie później jak po jednym dniu), wykonano ponadto badania przyczepności kleju do płytek po jednym dniu wraz z dokumentacją fotograficzną obrazującą stopień zwilżenia powierzchni płytki przez zaprawę klejącą.

Program badań miał na celu ocenę, jak wpływa wytrzymałość cementu na właściwości normowe i użytkowe klejów do płytek. W tym celu do badań zastosowano dwa przemysłowe cementy:

• CEM I 42,5R,
• CEM I 52,5R.

Ich właściwości zestawiono w TAB. 3.

• Cementy różniły się stopniem zmielenia, kształtującym czas wiązania i wytrzymałości normowe (wczesną i końcową).
• Cement CEM I 52,5R uzyskiwał wytrzymałości o ok. 10 MPa wyższe w porównaniu z cementem CEM I 42,5R.
• W recepturach klejów do płytek uwzględniono ponadto różne ilości proszku redyspergowalnego (3% i 4% masy) oraz mrówczanu wapnia (odpowiednio 0%, 0,1% i 0,2% masy).

Proszek redyspergowalny jest nieodzownym składnikiem klejów do płytek, wydatnie polepszającym przyczepność oraz odkształcalność (elastyczność) kleju. Mrówczan wapnia jest natomiast powszechnie stosowany w celu przyspieszenia procesu twardnienia zapraw.

W przypadku klejów do płytek doświadczenia praktyczne wskazują na poprawę przyczepności klejów z tym dodatkiem.

Wprowadzenie tych zmiennych w planie badań miało na celu sprawdzenie możliwości korekt receptury klejów poprzez ograniczenie tych drogich dodatków dzięki wprowadzeniu cementu o wyższych parametrach wytrzymałościowych.

Wyniki badań i ich omówienie

Wyniki badań zestawiono w TAB. 4.

W tabeli tej, oprócz parametrów normowych według normy PN-EN 12004+A1:2012 [7], zestawiono ponadto:

• wyniki oznaczeń przyczepności zbadanej po jednym dniu przechowywania próbek w warunkach laboratoryjnych,
• różnicę kosztu poszczególnych receptur, przyjmując koszt receptury nr 8 jako „bazowy” (najniższy koszt receptury, dla której uzyskano klasę klasu C2TES1. Koszty policzono przy przyjęciu szacunkowych cen rynkowych poszczególnych składników).

Pierwszy etap badań

W pierwszym etapie skoncentrowano się na ocenie wpływu mrówczanu wapnia na kształtowanie się przyczepności kleju oraz stopnia zwilżenia powierzchni płytki gresowej po jednym dniu od przyklejenia płytek. Badanie wykonano z uwagi na fakt, że w warunkach praktycznych użytkowanie płytek (chodzenie po nich) i ich fugowanie odbywa się częstokroć już po jednym dniu od przyklejenia do podłoża. Nie dotyczy to oczywiście specjalnie projektowanych klejów szybkowiążących, które zapewniają możliwość użytkowania i fugowania przyklejonych płytek już po 4 do 6 godz.

Wyniki badań zestawiono w TAB. 4 oraz na FOT. obrazującej stopień zwilżenia powierzchni płytek przez klej wykonany na danej recepturze.

Wyniki badań wykazały, że zarówno klasa wytrzymałości cementu, jak i dodatek mrówczanu wapnia mają duże znaczenie w uzyskaniu właściwych parametrów kleju.

Uzyskane wyniki wskazują jednoznacznie, że zastosowanie cementu o wyższej klasie wytrzymałości przyspiesza proces narastania wytrzymałości zaprawy, co przekłada się na lepsze wyniki przyczepności oraz stopnia zwilżenia płytek klejem.

Przyjmując przyczepność rzędu 0,5 MPa (jak przy ocenie klejów szybkowiążących F) jako kryterium przydatności kleju, wydaje się konieczne stosowanie w recepturach co najmniej 0,1% dodatku mrówczanu wapnia.

Wyniki wykazały, że stosowanie większej ilości, pomimo wyraźnej poprawy zwilżalności płytek, nie zwiększa znacząco wyników przyczepności, a może wiązać się z nieznacznym obniżeniem wyników oznaczeń czasu otwartego, badanego z użyciem płytek ceramicznych o wysokiej chłonności. Wydaje się, że dodatek mrówczanu 0,1% masy zaprawy jest optymalny.

Warto w tym miejscu również wspomnieć, że doświadczenia praktyczne i laboratoryjne wskazują na celowość stosowania tego dodatku z uwagi na fakt, że poprawia on nie tylko normowe parametry zaprawy, lecz również twardnienie kleju w warunkach praktycznych, co szczególnie widać w niskich temperaturach otoczenia, jakie panują w kraju od późnej jesieni do wiosny.

Biorąc pod uwagę uzyskane wyniki, do dalszych badań, polegających na sprawdzeniu parametrów normowych zapraw klejących przygotowanych w laboratorium, przeznaczono próbki o zawartości mrówczanu wapnia 0,1%.

Drugi etap badań

W drugim etapie badań wykonano badania normowe zapraw klejących według normy PN-EN 12004+A1:2012 [7]. Wykonano komplet badań, z wyjątkiem oznaczeń przyczepności wczesnej (po 6 godz.), właściwych dla klejów szybkowiążących, znakowanych literą F.

Szeroki program badawczy, którego wyniki przedstawiono w TAB. 4, pozwolił na wyciągnięcie wniosków dotyczących zarówno cementu, jak i dodatków stosowanych w recepturach zapraw.

Stosując w recepturach zapraw cement klasy 52,5R, uzyskano wyższe wyniki niż w przypadku analogicznych zapraw przygotowanych z cementu klasy 42,5R. Wyniki wykazały, że uzyskanie kleju "elastycznego", tj. o oznaczeniu normowym C2TES1, w przypadku użycia cementu CEM I 52,5R wymagało 3% dodatku proszku redyspergowalnego, a w przypadku cementu CEM I 42,5R jego ilość musiała wzrosnąć do 4%.

Stosując droższy cement, o wyższej wytrzymałości, obniżono koszt receptury kleju poprzez możliwość zmniejszenia udziału bardzo drogiego dodatku proszku redyspergowalnego w recepturze.

Badania potwierdziły ponadto znany, korzystny wpływ proszku redyspergowalnego na właściwości klejów do płytek. Zwiększenie jego udziału w zaprawie klejącej wydatnie polepsza takie cechy, jak przyczepność pierwotna, po starzeniu, termicznym i odkształcenie poprzeczne.

Wnioski

• Badania wykazały, że cement o wyższej klasy wytrzymałości (CEM I 52,5R) jest bardziej przydatny w recepturach klejów do płytek niż najczęściej stosowany cement klasy 42,5R.
• Wyniki wskazują na celowość podjęcia analogicznych badań w przypadku innych suchych zapraw opartych na spoiwie cementowym (np. klejów do ociepleń, spoin, posadzek), w których stosuje się dodatki w postaci proszku redyspergowalnego, eterów celulozy oraz związków przyspieszających wiązanie i twardnienie zapraw.
• Uzyskanie wyniki wskazują na możliwości optymalizacji receptur wybranych suchych mieszanek chemii budowlanej dla producentów. Kierunek ten może być szczególnie istotny dla producentów mających do dyspozycji więcej niż jeden silos na cement portlandzki szary lub też stanowić istotny przyczynek do rozważenia zmiany cementu klasy CEM I 42,5R na cement CEM I 52,5R.

Literatura

1. P. Kijowski, "Przemysł cementowy w Polsce. Stan obecny i perspektywy rozwoju. Jakość cementu - program "Pewny Cement"", [prezentacja Stowarzyszenia Producentów Cementu na Konferencji "ZAKOBUILDING"], Zakopane 2011.
2. PN-EN 197-1:2012, "Cement. Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku".
3. PN-EN 14647:2007, "Cement glinowo-wapniowy. Skład, wymagania i kryteria zgodności".
4. S. Chłądzyński, "Składniki zapraw klejowych do płytek. Część I - Spoiwo cementowe", "IZOLACJE", nr 3/2008, s. 30-34.
5. S. Chłądzyński, "Kleje uelastycznione i (wysoko)elastyczne" - teoria i praktyka", "Informator Budowlany", nr 1/2016, s. 153-157.
6. M. Rokiel, "Wykładziny posadzkowe z płytek - właściwy dobór kleju", "IZOLACJE", nr 3/2012, s. 60-65.
7. PN-EN 12004+A1:2012, "Kleje do płytek. Wymagania, ocena zgodności, klasyfikacja i oznaczenie".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!