Wapno do lamusa?

Od czasu do czasu spotykam się z twierdzeniem, że wapno jest nikomu niepotrzebnym dodatkiem do zapraw budowlanych, a jeśli są nawet tacy, którzy je stosują, to robią to jedynie z przyzwyczajenia i przywiązania do tradycji. No chyba, że chodzi o prace konserwatorskie i renowacyjne, to w tym jednym przypadku, wapno ma status „niedającego się niczym zastąpić materiału wiążącego”. Wbrew tym wszystkim głoszonym opiniom, że we współczesnym budownictwie nie ma miejsca dla wapna, a jego stosowanie należy ograniczyć jedynie do konserwacji i renowacji, śmiem jednak twierdzić, że tak jak przed wiekami, tak i dzisiaj, podstawowym składnikiem zapraw budowlanych, a szczególnie murarskich było, jest i będzie wapno. No, bo dlaczego coś, co ratuje i dobrze wpływa na stare mury, miałoby szkodzić współczesnym konstrukcjom?

Patrząc na mury, nie zawsze uświadamiamy sobie to, że mur nie jest konstrukcją jednolitą. Konstrukcja murowa może być uważana za materiał kompozytowy składającym się z dwóch tworzyw ceramicznych. Jednym z jego składników są cegły wypalane, silikatowe lub beton komórkowy. Mogą to być również kamienie budowlane. Drugim materiałem wchodzącym w skład muru jest zaprawa. Zaprawa pełni funkcję sprężystej osnowy, w której zatopione są cegły, które z kolei należy traktować, jako element wzmacniający osnowę. Na walory użytkowe konstrukcji murowej mają więc wpływ właściwości obydwu składników, a także wzajemne relacje, jakie między nimi występują. Od właściwości mechanicznych osnowy (zaprawy), jej wytrzymałości, sprężystości, sposobu łączenia się z materiałami ściennymi zależy wiele istotnych właściwości muru, np. podatność muru na zarysowania, odporność na atak wody (deszcz, śnieg), co wszystko razem składa się na jego trwałość. Od elementów murowych zależy z kolei wytrzymałość charakterystyczna muru.

Właściwości materiałów kompozytowych nigdy nie są sumą, jak również nie są średnią z właściwości materiałów je tworzących. Podobnie jest z murami. Tę zasadę widać chociażby we wzorze na wytrzymałość charakterystyczną muru na ściskanie. Warto tu przytoczyć zawarty w Polskiej Normie (PN-B-03002:2007 Konstrukcje murowe. Projektowanie i obliczanie) wzór do obliczania wytrzymałości charakterystycznej muru na ściskanie f_k (niezawierającego spoiny podłużnej) wykonanego na zaprawie zwykłej lub lekkiej, który wygląda następująco:

gdzie:

f_k – wytrzymałość charakterystyczna muru,

K – wartość tablicowa, uzależniona od rodzaju elementu murowego oraz grupy do której został zaliczony, a także od rodzaju stosowanej zaprawy (zwykła, lekka lub cienka),

f_b – znormalizowana wytrzymałość elementu murowego,

f_m – wytrzymałość zaprawy.

Przytoczony wzór jest potęgowy, a dodatkowo wartość potęgi dla elementu murowego jest większa niż dla zaprawy, stąd wpływ wytrzymałości elementu murowego na wytrzymałość charakterystyczną muru jest zdecydowanie większy, niż wpływ wytrzymałości zapraw.
Co oznacza zdecydowanie większy? W Tablicy 1 zawarte są wybrane wartości zaczerpnięte z Załącznika C wspomnianej normy (dokładnie – z Tablicy C1). Z podanych wyliczeń wynika, że dla danej klasy wytrzymałości elementu murowego, 20-krotne wzmocnienie zaprawy powoduje jedynie 2,5-krotny przyrost wytrzymałości charakterystycznej muru. Porównywalny wynik uzyskuje się, gdy dla zaprawy o danej wytrzymałości stosuje się elementy murowe o 3-krotnie większej klasie wytrzymałościowej. Która zatem droga wzmacniania wytrzymałości muru jest lepsza? Poprzez elementy murowe, czy też poprzez zaprawy? Wydawać by się mogło, że poprzez zaprawy, ponieważ 25 kg worek zaprawy murarskiej jest tańszy niż wartość elementów murowych, które mogą być połączone tą ilością zaprawy.

Tablica 1. Wpływ składników na wytrzymałość charakterystyczną muru

Należy jednak pamiętać, że w układach składających się z materiałów o różnych wytrzymałościach i sprężystościach, które poddawane są obciążeniom, pierwszy ulega uszkodzeniu ten, który jest najsłabszy oraz najmniej sprężysty. W murze ta zasada również obowiązuje, dlatego wytrzymałość zaprawy nie powinna przekraczać wytrzymałości elementów murowych. W Stanach Zjednoczonych zalecenia dotyczące budownictwa ogólnego rekomendują stosowanie najsłabszych zapraw cementowo-wapiennych przewidzianych przez projektanta obiektu. Dlaczego najsłabszych? Ponieważ nie należy zapominać o tym, że mur jest kompozytem.
Jeśli się nawet o tym pamięta, to i tak zwykle składniki muru traktuje się statycznie, a więc jako te, które pozostają niezmienne, niezależnie od tego, co dzieje się w otoczeniu muru. Jest to błędny osąd, gdyż mur reaguje na wszystko, co dzieje się w jego sąsiedztwie – na zmiany temperatury, wilgotności, deszcz, wiatr, obciążenia.
Gdy temperatura rośnie, to długość i wysokość konstrukcji murowej zwiększa się. Temperatura spada – wraz z nią kurczą się mury. Podobnie dzieje się przy zmianach wilgotności muru. Wilgotność rośnie – mur pęcznieje. Wilgotność spada – mur kurczy się. Te zmiany, liczone w dziesiętnych częściach milimetra na metr bieżący muru, mogą niekiedy doprowadzić do poważnego uszkodzenia konstrukcji murowej. Stąd mur dzielony jest na sekcje poprzez wprowadzenie przerw dylatacyjnych, których zadaniem jest umożliwienie zmian liniowych muru tak, aby do minimum ograniczać prawdopodobieństwo jego zarysowania. Ale w kompensowaniu tych naprężeń dużą, a może nawet należałoby powiedzieć, ogromną rolę odgrywają zaprawy.
Dodatkowo elementy muru podlegają naturalnym zmianom, które objawiają się jego skurczem (cegła silikatowa, beton komórkowy) lub ekspansją (cegła czerwona wypalana). Odpowiednie współczynniki charakteryzujące zachowanie się materiałów ściennych podane są w przywołanej uprzednio normie dotyczącej konstrukcji murowych.

Dzisiejsze zaprawy budowlane, to przede wszystkim cement, kruszywo (piasek) i domieszki. Tak jak w betonie. Jednak zaprawa budowlana to nie beton, a beton to nie zaprawa, więc równoważne traktowanie tych materiałów budowlanych jest nieuprawnione. To, co betonom nadaje wysokie walory użytkowe, a więc wytrzymałość i mrozoodporność, niekoniecznie musi być dobre dla zaprawy murarskiej. Powyżej, odwołując się do tego, że mur jest kompozytem, stwierdziłem, że zaprawa jest osnową, w której zatopione są elementy murowe. Charakterystyka mechaniczno-fizyczna tej osnowy zależy od tego, jaki materiał wiążący dominuje w składzie zaprawy murarskiej. Zarówno wapno, jak i cement, otrzymywane są z kamienia wapiennego. Ze względu jednak na różny skład surowcowy skały wapiennej, jaka trafia do pieca szybowego lub Maerza w zakładzie wapienniczym oraz do pieca obrotowego w cementowni, po wypale otrzymujemy dwa materiały wiążące o zupełnie odmiennych, wręcz przeciwstawnych właściwościach. Wapno jest materiałem wiążącym powietrznym, cement jest materiałem wiążącym hydraulicznym.

Tablica 2. Moduł Younga zapraw cementowo-wapiennych

Zaprawy otrzymane na bazie cementu są wytrzymałe. Charakteryzuje je wysoka wartość modułu Younga, przez co są sztywne, mało odkształcalne, krucho pękają. Dodatkowo mają wysoki współczynnik rozszerzalności termicznej. Przy dużej zawartości cementu w zaprawie jest on porównywalny ze współczynnikiem rozszerzalności termicznej betonu 13,5 x 10^-6/K.
Dla odmiany, zaprawy wapienne charakteryzują się małą początkową wytrzymałością na ściskanie, ale za to mają niski moduł Younga, co powoduje, że ich odkształcalność pod wpływem obciążeń jest zdecydowanie większa niż zapraw cementowych. Dodatkowo zaprawy wapienne mają mały współczynnik rozszerzalności termicznej 7,0 x 10^-6/K. Współczynnik ten jest zbliżony do wartości, jakie pomierzono dla cegły silikatowej, cegły wypalanej oraz betonu komórkowego, a więc materiałów należących do najczęściej w Polsce stosowanych.
Jeśli w zaprawie występują obok siebie oba składniki wiążące, a więc wapno i cement, to właściwości zaprawy zależą od udziału przeważającego składnika wiążącego. Ponieważ zaprawa ma pełnić m.in. rolę „poduszki” otulającej i chroniącej elementy murowe przed uszkodzeniem, dlatego osnowa zawierająca dużą ilość wapna (a przekłada się to na niski moduł Younga oraz mały współczynnik rozszerzalności termicznej) lepiej spisuje się i chroni elementy murowe przed uszkodzeniem niż mocne, sztywne zaprawy otrzymane na bazie cementu.
Na zdjęciach 1 i 2 pokazano uszkodzenia cegieł, gdy do spajania zastosowano zaprawę cementową (w tym przypadku z domieszką napowietrzającą). Dla porównania zaprezentowano również fragment muru klasztoru w Tyńcu (zdjęcia 3÷6).

  
Zdjęcia 1 i 2 – Zaprawa cementowa jest zbyt sztywna, aby pełnić rolę poduszki. Nie kompensuje naprężeń termicznych, lecz je powiększa. Nie tworzy szczelnej otuliny wokół cegły.

  
Zdjęcia 3 i 4 – Zaprawa wapienna pełni rolę poduszki i otuliny, dobrze chroniąc cegły przed zniszczeniem.

Zdjęcie 5. Fragment muru klasztoru w Tyńcu

Zdjęcie 6. Fragment muru klasztoru w Tyńcu

Nie tak odległe są czasy, gdy powszechnie na polskich budowach stosowano dwie podstawowe zaprawy cementowo-wapienne o objętościowych proporcjach składników (cement : wapno : piasek) 1 : 1 : 6 (dla elementów murowych mało i średnio nasiąkliwych) oraz 1 : 2 : 9 (dla elementów murowych o dużej nasiąkliwości).
Z badań konstrukcji murowych przeprowadzonych na Politechnice Śląskiej wynika, że zarysowania murów przy stosowaniu zaprawy cementowej 1 : 3 (cement : piasek) pojawiają się przy granicznym kącie odkształcenia postaciowego muru  F_cr = 0,760 miliradiana, a zniszczenie muru następuje przy kącie  F_u = 1,399 miliradiana. Gdy objętość cementu w zaprawie została zrównoważona przez taką samą objętość wapna, czyli zastosowano zaprawę 1 : 1 : 6, to odpowiednie kąty zarysowania i zniszczenia konstrukcji murowej wynosiły odpowiednio  F_cr = 3,421 oraz  F_u = 9,182. Mury wstępnie sprężono do wartości  s_c = 0,6 MPa.

Do równie ważnych właściwości zaprawy, jak sprężystość, należy jej przyczepność do cegły. Rozpatrując zagadnienie przyczepności zaprawy do podłoża należy brać pod uwagę trzy aspekty: zasięg, siłę, oraz trwałość. Zasięg, czyli na jakim obszarze istnieje bezpośredni kontakt zaprawy z elementem murowym. Trwałość, czyli jak długo utworzone połączenie zaprawa–cegła będzie sprawnie funkcjonować. Siła, czyli jak mocno zaprawa przywiera do podłoża. To, co dzieje się w strefie kontaktowej cegły i zaprawy, determinuje szczelność połączenia murarskiego, a co za tym idzie – ilość wody, która będzie dostawała się do muru podczas opadów deszczu. Jeśli dodatkowo wieje porywisty wiatr, to ilość wody, jaka może się dostać do konstrukcji murowej, znacząco wzrasta.

Stare mury budowane na zaprawach wapiennych dlatego przetrwały nieuszkodzone do dzisiejszych czasów, ponieważ zaprawy wapienne tworzą bardzo szczelną otulinę wokół cegły (porównaj zdjęcie 1.). Dzieje się tak, gdyż 70% cząsteczek wapna ma wymiary poniżej 10 µm, a to gwarantuje szczelne wypełnienie nawet najmniejszych nierówności, jakie znajdują się na powierzchni cegły lub bloczka. To powoduje z kolei, że zaprawa wapienna ściśle otacza elementy murowe, które niejako zostają w niej „zatopione”. Dodatkowo w zaprawach zawierających wapno występują efekty związane z tzw. zjawiskiem „samoleczenia” mikropęknięć oraz przerastania powierzchni podłoża przez kryształy CaCO₃. Wszystko to bardzo korzystnie wpływa na kondycję muru. Nie zapominajmy również, że zaprawy z wapnem są bardziej przepuszczalne niż zaprawy cementowe. Nie jest to jednak, jak wielu sądzi, ich wada, lecz ogromna zaleta. Dzięki temu, że zaprawy wapienne szybciej oddają wilgoć do otoczenia, mury po deszczach szybko schną.
 

Podsumowanie

Mur jest materiałem kompozytowym, a zaprawa nie jest betonem.
Pamiętajmy o tym zarówno na etapie projektowania, jak i wykonawstwa. To wapno, a nie cement kształtuje najbardziej korzystne właściwości zaprawy z punktu widzenia trwałości muru. Nadaje zaprawie sprężystość, zmniejsza odkształcalność termiczną, poprawia paro-przepuszczalność oraz szczelność połączenia murarskiego. Gdyby nie wapno i jego korzystny wpływ na kondycję budynków, nie mielibyśmy dzisiaj do czynienia z zabytkami, tylko z ruinami.
Mur jest kompozytem, a jego właściwości nie są sumą, czy średnią, właściwości zaprawy oraz cegły. Dlatego, mimo że zaprawy cementowe lepiej od zapraw wapiennych wypadają w laboratoryjnych testach mrozoodporności, to jednak zaprawy wapienne zdecydowanie lepiej chronią konstrukcje murowe przed zmianami temperatury, wilgotności. Przez swoją sprężystość lepiej też niwelują naprężenia występujące w murze. Bo w zaprawach nie chodzi o to, aby były jak skała – twarde i mało odkształcalne. Nie chodzi również o to, jak zaprawy wypadają w przeprowadzanych w laboratorium testach na beleczkach normowych, lecz jak się spisują w rzeczywiście istniejących obiektach. A tutaj zaprawy wapienne nie mają sobie równych, o czym możemy się przekonać obserwując kilkusetletnie zabytkowe kamienice, kościoły, zamki i porównując je z naszymi współczesnymi murami pełnymi rys, zawilgoconymi, zagrzybionymi, pokrytymi licznymi nalotami solnymi.
Wapno do lamusa? Skądże znowu!