Materiały wiążące w budownictwie – rys historyczny

W starożytnym Egipcie, aby uzyskać to równomierne przenoszenie obciążeń, wkładano pomiędzy kamienne bloki przekładki z ołowiu, które pod naciskiem górnych warstw bloków wypełniały wszystkie nierówności. Uzyskiwano w ten sposób rozłożenie obciążeń. Powodowało to zwiększenie trwałości konstrukcji. W późniejszych czasach zmieniano ten sposób i zamiast czasochłonnej obróbki elementów lub kosztownych przekładek metalowych, zaczęto stosować warstwy zaprawy. Miało to dodatkową zaletę, że w pewnym niewielkim stopniu pracowała także na rozciąganie.

Pierwsze znane przekazy dotyczące zaprawy murarskiej pochodzą z ok. 200 r. p.n.e. Opisał je Marek Porcjusz Katon, który to podał przepis na dobrą zaprawę. Miała ona składać się z dwóch jednakowych porcji piasku i jednej, takiej samej, porcji wapna. Jednocześnie było podane, jakie są charakterystyczne cechy dobrego kamienia wapiennego.

Następny rzymski pisarz, Witruwiusz, żyjący na początku naszej ery, zajmował się bardzo dokładnie badaniem i opisywaniem właściwości różnych materiałów budowlanych. Napisał wiele tzw. ksiąg na temat budownictwa. Jednym z tytułów jest m.in. krótka rozprawa na temat większej przydatności piasku kopalnego od piasku pochodzącego z dna morza. W rozdziale traktującym o cechach dobrego piasku stwierdził, że „piasek wysypany na białe płótno nie powinien pozostawiać osadu, powinien być szorstki w dotyku, a ściskany w ręku – głośno trzeszczeć. Natomiast do wyrobu zalecał „stosowanie piasku, wapna i mączki ceglanej w proporcji 6:3:1”.

Poznaj: Zaprawy naprawcze do betonu

Witruwiusz był pierwszym autorem, który opisał właściwości puzzolany – popiołu wulkanicznego występującego obficie w okolicach włoskiego miasta Pozzulo. Opisując charakterystykę materiału, stwierdził, że „zaprawa sporządzona w jednej części z wapna i w dwóch częściach z puzzolany ma właściwości wiązania pod wodą i dlatego znakomicie nadaje się do wznoszenia obiektów pogrążonych w wodzie”.

Rzymianie chętnie stosowali puzzolanę do wszelkiego rodzaju budowli inżynierskich oraz obiektów użyteczności publicznych. To rozwiązanie było przyczyną powstawania i stosowania w starożytnym Rzymie tzw. betonów lekkich. Powstawały one przez dodanie pumeksu do zaprawy (w skład której wchodziła puzzolana). Beton taki charakteryzował się dobrymi właściwościami izolacyjnymi oraz znacznie mniejszym ciężarem właściwym. Właściwości tego betonu są widoczne do dnia dzisiejszego, gdyż użyto go do zalania kopuły świątyni Panteon, a jest to największa kopuła zbudowana w starożytności, którą można oglądać do dziś.

Przepisy podane w starożytności były tak dobre, że stosowane były do XVI w., bez jakichkolwiek modyfikacji. Można to stwierdzić, porównując receptury zawarte w pracach Leona Babtisto, Paladiusza Scamoci i Filberta de Lorme. Receptury te były tak dobre, że stosowano je aż do końca XIX w., zwłaszcza we wschodniej części Morza Śródziemnego. Zostały one później udoskonalone przez Bizantyjczyków, które to od nich przejęli Turcy, gdzie były stosowane prawie do czasu upadku Imperium Osmańskiego.

Natomiast inaczej było w basenie Morza Północnego, ponieważ jego mieszkańcy nie mieli dostępu do puzzolany, surowca wykorzystywanego w Italii. Spowodowało to, że prowadzono doświadczenia i badania do wytworzenia cementu z miejscowych surowców w całej północy i zachodniej Europie metodą najtańszą i najlepszą. Największe sukcesy w wykorzystaniu miejscowych surowców do wyrobu cementu osiągnęli Holendrzy, ze względu na typ ich zabudowy, kanały oraz nabrzeża. Zastosowali oni tras – zwietrzałą lawę wulkaniczną, która występuje nad brzegami Renu.

Podobnie poszukiwali rozwiązania Szwedzi, którzy do tego celu wykorzystywali palony łupek ałunowy. Jednym z pionierów tych badań był profesor Fadd z Abo (obecnie Turku) w Finlandii. W wyniku swoich prac opisał on właściwości 82 próbek cementu.

Profesor przedstawił wnioski ze swoich badań, które opublikował, a są one następujące:

• smoła i kwasy domieszane do cementu szkodzą jego jakości,
• woda gorąca jest lepsza od zimnej przy wyrobie zaprawy,
• zaprawa ma większą wytrzymałość, gdy wapno jest gaszone bezpośrednio, w trakcie jej przygotowywania mączka ceglana może zastąpić puzzolanę.

Równocześnie badania prowadził, w fabryce ałunu w ­Neryke – Szwecja, radca górniczy Rinmann, nad zastosowaniem łupku ałunowego do wyrobu cementu. Wynik doświadczenia potwierdził, że otrzymywany w ten sposób cement był odporny na działanie wody, ale dopiero po jego całkowitym wyschnięciu.

Poszukiwania lepszego wyrobu trwały dalej, aż w 1772 r. inż. Ulfstroem wpadł na pomysł rozrobienia wodą wapienną mieszaniny wapna i łupku ałunowego, w wyniku czego zaprawa wiązała nawet w środowisku o znacznej wilgotności. Nie były to jednak rozwiązania odpowiednie do stosowanych przez Rzymian.

W całym XVIII w. bardzo intensywnie poszukiwano sposobu uzyskania zaprawy produkowanej przez starożytnych Rzymian. Skupiono się nie na doborze i składzie materiałów, a na sposobie wytwarzania wapna. Powszechnie sądzono, że tajemnica wyrobu polega na sposobie gaszenia wapna, i temu tematowi dużo uwagi poświęciło sporo znanych uczonych w owym czasie, i tak Fayes zalecał, aby wapno umieszczać w wiklinowych koszach, które należy na krótko zanurzać w wodzie, następnie wapno po wyjęciu z wody należy składować w drewnianych beczkach, w których to następowałby ostateczny rozpad kamienia wapiennego.

We Francji badania takie prowadzone były przez Chaptala w Cette, który to wyprodukował cement równy wytrzymałością cementowi zawierającemu puzzolanę, jednak zastrzegł się on, że do wyrobu zaprawy według jego receptury musi być stosowane wapno gaszone sposobem Fayesa.

Natomiast istotnym wkładem w postęp prac nad cementem był dorobek Francuza I. Vicata. Podstawą jego pracy było sklasyfikowanie różnych gatunków wapna palonego. W tym opracowaniu przedstawił on zestawienie, w którym skrajnymi pozycjami były:

• wapno tłuste (chaux grasse),
• wapno chude (chaux maigre).

W związku z tym Vicat zalecał, zależnie od rodzaju wapna, ściśle określony sposób gaszenia. I tak po otrzymaniu, w sposób przewidziany dla danego gatunku wapna gaszonego, polecał dodanie od 6 do 40% gliny lub mączki ceglanej.

Z tak powstałego materiału wyrabiano metodą stycharską cegły, następnie wypalano je tradycyjnie w piecach wapiennych przez ok. 30 godz. Po wypaleniu należało je składować w suchym miejscu, następnie przed użyciem bezpośrednio zemleć na proszek i przesiać. Proszek ten następnie mieszano z piaskiem, w proporcji zależnej od gatunku używanego kamienia wapiennego, który po jego rozrobieniu z wodą nadawał się już do użytku.

Francuz I. Vicat swoją teorię opublikował w 1818 r. w Paryżu w pracy pt. „Recherches experimentales sur les chaux de construction les betons et les mortier ordinaires”. Praca ta wprowadziła po raz pierwszy w światowym słowniku pojęcie „beton”.

Natomiast w 1822 r. szczegółowy opis nowego materiału zamieścił Charleville w opublikowanej w Petersburgu pracy „Traite sur 1’art de faire de bons mortiers et notions partiąue pour en bien diriger lfemplio”. Ten opisany sposób sporządzania wapna hydraulicznego wykorzystywano do produkcji zaprawy dla filarów jednego z mostów na Newie w Petersburgu w latach 1822–1823.

Prawdopodobnie tę samą metodę wykorzystywano przy produkcji zaprawy wodoodpornej do budowy Kanału Augustowskiego. Jak czas pokazał, zastosowane spoiwo zachowało pełną wytrzymałość do tej pory.

W budownictwie w XIX w. powszechnie stosowany był sposób podany przez Vicata, jednocześnie przeprowadzano badania i eksperymenty w tej dziedzinie, dlatego też nie był to jedyny sposób otrzymywania materiału wiążącego pod wodą. W owym okresie, tj. XIX w. były znane i używane jeszcze trzy oryginalne receptury na tego rodzaju materiały.

Pewną rewolucją technologiczną staje się wynalazek cementu portlandzkiego w 1824 r. stworzonego przez Anglika, murarza z ­Leeds, J. Aspdina, który opracował recepturę spoiwa hydraulicznego do zapraw i betonów, znanego powszechnie pod nazwą cementu portlandzkiego. Pierwsza wytwórnia tego materiału ruszyła w Anglii już ok. 1840 r., ponieważ ogólny dostęp do niezbędnych surowców oraz stosunkowo nieskomplikowana technologia sprawiły, że począwszy od ostatniego dwudziestolecia XIX w. ten rodzaj cementu stał się podstawowym materiałem wiążącym w większości krajów Europy i w Ameryce.

W Polsce najstarszą cementownią była wytwórnia w Grodźcu pod Będzinem, wzniesiona w 1857 r.

Krakowskie Towarzystwo Techniczne w 1880 r. przeprowadziło wiele doświadczeń z cementem portlandzkim, który był dostarczony w celach reklamowych przez cementownie w Grodźcu, Opolu i Groszowicach. Doświadczenia te zostały opublikowane na łamach „Czasopisma Technicznego” (nr 8, s. 85, Kraków 1880), wyniki te miały na celu spopularyzowanie nowego materiału budowlanego. Dokładny opis, prawdopodobnie pierwszych w Polsce konstrukcji żelbetonowych, podał August Sołtyński na łamach „Czasopisma Technicznego” (Lwów 1890, s. 10–142). W doświadczeniu, które obserwowali najwybitniejsi galicyjscy naukowcy i praktycy, użyto cementu dostarczonego przez cementownię w Groszowicach.

Produkcja tego cementu na skalę przemysłową od ok. 1840 r. powoduje dość rozpowszechnione stosowanie tynków i zapraw cementowo-wapiennych i cementowych o większej przyczepności do lica muru i bardziej wytrzymałych na wpływy atmosferyczne, a przede wszystkim wilgoć. Jak każde struktury techniczne, także zaprawy, wyprawy i różnego rodzaju tynki, ulegają zużyciu, dekapitalizacji technicznej, korozji i destrukcji. Procesy te można hamować, zabezpieczając te struktury przed czynnikami destrukcyjnymi.

Historia ostatnich wieków wskazuje, że ogromny wpływ na ogólny postęp techniczny miało wojsko. Przyczyniło się to również do zapotrzebowania na cement i rozwój tej gałęzi przemysłu. Przykładem tego są zamówienia armii, które spowodowały powstanie i rozbudowę cementowni na terenie Królestwa Polskiego, gdyż np. w latach osiemdziesiątych XIX w. rosyjskie władze wojskowe przystąpiły do realizacji ogromnego programu ufortyfikowania linii Narwi i Wisły.

Pierwsze umocnienia wykonane były z cegły spajanej betonem (Łomża, Ostrołęka, Modlin, Pułtusk, Różan, Zegrze, Dęblin, Warszawa), następnie na początku XX w. zaczęto wznosić forty w konstrukcji całkowicie betonowej. Są to forty: Beniaminów, Borne i twierdza Osowiec, gdzie zastosowano jako materiał podstawowy i na wielką skalę cement portlandzki.

Należałoby wspomnieć, że w okresie przed I wojną światową bardzo dużo budowli wykonano w Warszawie, w których to stosowano konstrukcje betonowe i żelbetowe. Prekursorem budowli żelbetonowych był inżynier Marian Lutosławski, który jest także autorem ŻELBETU. Podane przykłady zastosowania cementu portlandzkiego, jego wytwarzania, dowodzą, że w dziedzinie materiałów wiążących mamy bogatą i chlubną tradycję.

W oparciu o dane wg Instytutu Nauki, Historii Oświaty i Techniki PAN

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!