• kötőanyagok

Szervetlen kötőanyagok: agyag, gipsz, mész, dolomit, hidraulikus kötőanyagok

A szervetlen kötőanyagok nyersanyagai a természet­ben is előforduló kőzetek. Ebben az összefüggésben a kőzet szó alatt olyan ásványtanilag és kémiailag többé-kevésbé állandó összetételű, geológiailag önállónak tekinthető anyagokat értünk, amelyek a természetben nagyobb mennyiségben fordulnak elő, és amelyekből a földkéreg felépül. A kőzetek besorolhatók a konzisztenciának megfelelően, így megkülönböztethetünk laza kőzeteket (pl. homok, agyag stb.), ill. szilárd kőzeteket (pl. mészkő, gránit, agyagpala stb.), azonban osztályozhatók a keletke­zésük körülményei szerint is.

Utóbbi osztályozási módszer szerint különbséget tehetünk magmatikus kőzetek (izzón folyó szilikátos olvadékból keletke­zett, kikristályosodott kőzetek), üledékes kőzetek (amelyek keletkezhetnek természetes bepárlás útján gipszből, sókból stb., vagy lehetnek ún. csapadékos kőzetek), ill. metamorf kőzetek (más néven átala­kult kőzetek), között, amelyek a föld belsejében uralkodó nyomás, hőmérséklet, jelen lévő gázok stb. hatására alakultak át, és amelyek az idők során legalább részben átkristályosodtak.

Az agyagos kötőanyag nyersanyaga

Annak ellenére, hogy a mi régiónkban az agyag a kötőanyagok között közel nem akkora jelentőségű, mint például a mész, a cement és/vagy a gipsz, ér­demes ezt az anyagot részletesebben megismerni, hiszen a világszerte felépített épületek jelentős hányada ebből a nyersanyagból készül.

Az agyag és a homokos agyag laza kőzet. A homokos agyag tulajdonképpen rugalmatlan ásvá­nyokból (kvarc, földpát, csillám, vas-oxidok stb.) és szennyezett agyagásványokból (kaolin, illit, montmorillonit) áll. A homokos agyagok és az agyagok tulajdonképpen a legkülönbözőbb kőzetek, ezek közül is elsősorban szilikátos kőzetek időjárás okozta elmállása során keletkeznek. Az agyagokat és így a homokos agyagok ásványi összetételének egy bizonyos százalékát is, lényegében ezen kőzetek vékony, lemezes alakja jellemzi, a lemezkék pedig igen gyakran hatszögletűek. A részecskék átmérőjé­nek felső értékhatára 20 |um, azonban méretük igen gyakran 1 μm-nél is lényegesen kisebb.

Ezeket a jól formázható agyagásványokat az jellemzi, hogy az egyes rétegek felszínén víz kötődik meg, ami megkönnyíti az egyes részecskék egymáson való elcsúszását. így alakulhat ki az agyagra jellemző könnyű formálhatóság, ami azt jelenti, hogy a homokos agyagokból és az agyagokból víz hozzá­adása után gyakorlatilag szinte bármilyen alakzat megformázható, és a kialakított forma száradás után is megmarad.

A megszáradt agyagok és homokos agyagok szilárdsága összetételüktől függően a kö­zepestől az egészen magas értékig terjedhet. Ez a viszonylag nagy szárazszilárdság, amelyet levegőn való szárításkor nyersszilárdságnak is neveznek, teszi lehetővé, hogy az agyag és a homokos agyag felhasználható legyen mint kötőanyag vagy mint építőanyagok alapanyaga.

Ezen szervetlen kötőanyagok leglényegesebb tulajdonsága, hogy a megszilárdulás a víz elpárolgásával jön létre már egészen kis hőmérsékleten, jóval 100 °C alatt. Ebben a tulajdonságában az agyag különbözik az összes többi szervetlen kötő­anyagtól, mert megszilárdulásának folyamata nem tekinthető kristályosodási folyamatnak. Amikor a víz elpárolog az egyes részecskék felületéről, azok szorosan egymás mellé rendeződnek, így lehetővé válik, hogy az egyes kristályok között uralkodó gyenge vonzóerők hatékonyak legyenek.

Természetes gipsz

A gipsz természetes építőanyag, Egyiptomban már a Kr. e. 3. évezred kezdetén is használták építő­anyagként. Használták a piramisok óriási faragott kövei közé fugázóhabarcsnak, de vakoltak is vele. Úgy tűnik, hogy a gipsz mint kötőanyag az ókori Görögországban és az ókori Rómában feledésbe merült, hiszen majd csak a 13. és 14. században jelenik meg újra a gipszhabarcs stukkógipsz for­májában. Meglepő módon a középkorból származó gipszhabarcsokon elvégzett kísérletek eredménye szerint ezek a habarcsok csekély vízfelvétel mellett magas nyomószilárdságúak voltak.

A kőzetek időjárás hatására történő elmállása során legvégül minden oldott anyag a tengerekbe és az óceánokba jut. Gipszkőzet akkor keletkezik, ha a tengervíz geológiai értelemben véve hosszú idő alatt és speciális földrajzi körülmények mellett részben vagy egészben elpárolog. Nagyon száraz klimatikus viszonyok mellett a medencékben maradt vízben megnövekszik a sókoncentráció, ami az egyes sók kicsapódásához vezet.

Ha a tengervízben magas a sókoncentráció, többek között a következő sók csa­pódhatnak ki: kalcium- és magnézium-karbonátok, kalcium-szulfátok, kősó, epsomit, kainit vagy bisofit stb. Mivel ezen ásványok kicsapódása nem egy időben következik be, a lerakódások az egyes ásványoknak megfelelően rétegződnek és csoportosulnak. A víz párolása (bepárlódás) során igen nagy tömegben képződhet gipsz. További természetes jelenség, hogy miközben a kipárolgás végbemegy, a medencékbe agyagásványok kerülnek, így a természetes gipsz tisztaságára nagy ingadozás jellemző.

Előfordulás

A természetben nagyobb mennyiségben elő­forduló kalcium-szulfátok a gipsz (CaS0₄2H₂0) és az anhidrit (CaS0₄). Az anhidrit kizárólag a mélyebb rétegekben fordul elő és a felszínen gipsszé hidratálódik, ezért gyakran a gipszet egyfajta anhidritszármazéknak is tekintik. A gipsz és az anhidrit előfordulása igen gyakori a Földön. A túltelített vizes oldatból való kiváláskor az oldható­ságoknak megfelelően először a karbonátok, őket követően a szulfátok és legvégül a kloridok csapód­nak ki.

A különböző földtörténeti előzmények folytán az egyes gipszkőzetek különböznek egymástól tisztasági fokukban, színükben és szerkezeti fel­építésükben is. Az egyes gipszfajták természetes szennyezője minden olyan üledék, amely a gipsz kiválásával egy időben csapódik ki az egykori tengerekből, mint például a mészkő, márga, agyag és alkalmanként a homok, bitumen és különféle sók. A gipsz- és anhidritkőzetek szerkezete igen különböző lehet, a természetben előfordulhatnak granulált, tömör vagy akár szálas formában is, ill. nagy, összefüggő táblás kőzetrétegként. Létezik olyan gipszkőzet, amely finomszemcsés szerkezetű, de olyan is, amely több négyzetméteres táblákból áll.

A gipsz nagyobb méretű kristályai jól hasít­hatok, korábban ezeket előszeretettel használták szentképek befedésére és ablaktáblák helyett, innen származik a „máriaüveg” elnevezés (így nevezik a víztiszta gipsz nagy, táblás kristályait). Az ún. szálas gipsz többnyire agyag- vagy márgarétegek közé ágyazott kompakt szálas képződményekből áll. A tiszta fehér színű, áttetsző gipsz neve alabást­rom, amely elnevezés a felső-egyiptomi lelőhely, Alabastron nevére vezethető vissza. A gipsz Mohs-féle keménységi foka 1,5, ez igen alacsony érték, a gipsz körömmel is könnyedén karcolható. A gipsz 2,3-as fajsúlya szintén elég kicsi. 2 g/l oldhatósága viszonylag nagynak tekinthető. A gipsz átlagos nyomószilárdsága 40 N/mm², míg szakítószilárd­sága 4 N/mm².

Az anhidrit keménysége a Mohs-féle skálán 3-3,5, ez lényegesen magasabb érték, mint a gipsz keménysége. Az anhidrit a gipszhez hasonlóan jól hasítható, azonban szinte egyáltalán nem fordul elő nagy, áttetsző, sima kristályok formájában. 2,8-3-as fajsúlya lényegesen nagyobb, mint a gipszé. 2,9-es sűrűség felett az anhidrit áttetszővé-átlátszóvá válik. Vízben való oldhatósága jóval kisebb, mint a gipszé. A természetben víz hatására lassan gipsszé alakul át, a folyamat mintegy 30%-os térfogat­-növekedéssel jár. Az anhidrit nyomószilárdsága elérheti a 90-150 N/mm²-t is.

Mész és dolomit

A mészkő elsősorban kalcitkristályokból áll. Ezek mérete kicsi, rendszerint 0,1 mm alatti. A márvány olyan metamorf mész, vagyis mészkő, amely a geológiai mozgások során nagyobb nyomásnak és hőmérsékletnek volt kitéve, ezáltal átkristá­lyosodott. A folyamat során a kalcitszemcsék jelentősen megnövekednek, méretük meghaladja a 0,5 mm-t, a szemcsék mérete rendszerint 1-3 mm között van, de kivételes esetekben elérheti az 1 cm-t is.

A mészkővel ellentétben, amelyben még találhatók fosszilis maradványok, a márvány már nem tartalmaz fosszíliákat, mivel a metamorf átalakulás szétroncsolja a mészkőben esetlegesen előforduló fosszilis anyagokat. Az égetett mész, mint ahogyan a neve is elárulja, mészégetés során keletkezik, míg a mésztej a kalcium-hidroxidot takarja. A dolomit egy bizonyos magnézium­kalcium-karbonát és a dolomitmész pedig do­lomittartalmú mészkő. A hidraulikus meszet, az erősen hidraulikus meszet és az ún. román meszet a természetes, nem tiszta mész 1100-2000 °C-on történő égetésével állítják elő.

A mészkövek üledékes kőzetek, biológiai vagy csapadékos eredetűek. Meszes üledékben gyakran kisebb mennyiségben jelen van dolomit is. A külön­böző csapadékos reakciókban keletkező mésziszap az ún. diagenezis útján szilárdul meg. A diagenezis folyamata akkor kezdődik el, amikor az üledékréte­get újabb és újabb rétegek fedik be, majd a nyomás hatására a rétegek megszilárdulnak. A diagenezis hajtóereje a pórusokban visszamaradt víz, ill. az oldott anyagok, továbbá a hőmérséklet. A folyama­tot elsősorban a többletnyomás váltja ki. Az amorf anyagok kikristályosodnak, a karbonátok pedig kalcittá alakulnak, de keletkezhetnek új ásványok is, ilyen például az illit. A diagenetikus elváltozások lényegében megfordíthatatlanok, míg ezzel szemben fosszíliák esetén az anyagok nem alakulnak át.

Az üledékek és a csapadékos termékek a keletkezés körülményeinek megfelelően nem mindig tiszták, gyakran tartalmaznak egyéb szennyezőanyagokat. A metamorfózis során a szilikátokban gazdagabb mész­ből ún. szilikátmárvány képződik.

Hidraulitok

A hidraulit fogalmat Ottó Gráf vezette be. A szó tulajdonképpen az ún. puccolánokra utal, amelyek használatáról léteznek már ókori fel­jegyzések is. Természetes eredetű hidraulitok például a rómaitrassz és a bajortrassz. A szinte­tikus hidraulitok a Si0₂-ban gazdag, de kalcium­oxidban és magnézium-oxidban szegény salakok és hamuk, amelyeknek magas az üvegtartalma. Ezek leglényegesebb ismertetőjegye, hogy magas Si0₂-tartalommal kell rendelkezniük. Ezeknél az anyagoknál a Si0₂ fajtája nagyon sok féle lehet, ami nagyban meghatározza a reakciókészséget.

A Si0₂-módosulatok egy egész sorában dominálhat­nak bizonyos hidraulitok (az opálok). Különösen az ún. vulkáni hamu tartalmaz erősen reakcióképes Si0₂-t. Az ásványok egy adott csoportja (ilyenek a zeolitok is) nagyon gyorsan reakcióba lép a kalcium-hidroxiddal, ezzel szemben az olyan szilikátok, mint például a kvarc és a földpát, csak igen gyengén reaktívak, ilyenkor erősen javasolt az őrlés. Ez azt jelenti, hogy el kell érni a 20-50 m²/g fajlagos felületet.

A hidraulikusan aktív Si0₂ sztöchiometrikus mennyiségben reagál a Ca(OH₂)-dal, vagyis a le­vegőn kötő mésszel. A hidraulitokban önmagukban nem indul meg a kötési folyamat, tehát klasszikus értelemben véve nem kötőanyagok, hanem csupán szervetlen kötőanyagok rakciópartnerei. Ezenkívül azt is nagyon fontos szem előtt tartani, hogy sem a természetes, sem a mesterséges hidraulitok nem csupán reaktív komponenseket tartalmaznak. A természetes hidraulitokban megjelenhetnek a kvar­cok, földpátok stb., ezek az anyagok nem mutatnak reakciókészséget. Ugyanígy a téglaporban, amely egy mesterséges hidraulit, vannak nemreaktív komponensek (pl. kvarc, vas-oxidok stb.).

Éppen ezért van nagy jelentősége annak, hogy pontosan meghatározzuk a reaktív Si0₂-komponensek mennyiségét, és ne az általános analízis eredményét vegyük alapul a sztöciometriához, ami csak annyit határoz meg, hogy mennyi kalcium-hidroxidot kell a keverékhez adni. Ez úgy történhet meg, hogy különböző keverékek felhasználásával próbates­teket kell készíteni, és bizonyos idő elteltével meg kell határozni a szilárdság növekedését/alakulását. Alternatív megoldást jelenthet, ha a hidraulithoz adjuk a kalcium-hidroxid egy bizonyos részét, majd különböző idő elteltével pótoljuk a hiányzó mennyiséget.

Látens hidraulikus kötőanyagok

A látens hidraulikus kötőanyagokra az a jellemző, hogy a főkomponenst egy ún. aktivátor mellék­komponenssel vegyítik el vagy őrlik össze. A fő-komponens önmagában egyáltalán nem vagy csak nagyon lassan kötne meg. Azonban amennyiben a kötési folyamatot aktiválja a mellékkomponens, az egy gyors kötési folyamatot eredményez – ez annyit jelent, hogy felgyorsul a kristályképződés folyamata. Az aktiválás lehet akár lúgos (pl. kalci­um-hidroxid), akár savas (pl. kalcium-szulfátok). A lényegi eltérés a hiraulitoktól abban áll, hogy a látens hidraulikus kötőanyag és a mellékkomponens között nem sztöciometrikus az arány, a mellék­komponens csupán a gyorsabb kristályképződési folyamat aktivátora.

A kalcium-oxid-tartalom mindig lényegesen magasabb, mint a hidraulitok esetében. Az alábbi táblázat néhány kiválasz­tott salak és hamu kémiai összetételét mutatja.

A kohászati homokot sok esetben használják mint látens hidraulikus kötőanyagot. Ez a termék úgy készül, hogy a megolvadt kohósalakot vízben hirtelen lehűtik és granulálják. Kedvező tulajdonságainak legmeghatározóbb oka a 95%-os üvegtar­talom, amely a hirtelen lehűtés során alakul ki, ill. a kalcium-oxid-tartalma.

Hidraulikus kötőanyagok

Hidraulikus kötőanyag alatt – ha a szó valódi értelmét nézzük – azokat a kötőanyagokat értjük, amelyek akkor keletkeznek, ha mésztartalmú nyersanyagot égetnek ki szilikáttartalmú kompo­nenssel, szintereződési hőmérsékleten. Ezeket a nyersanyagokat folytonos átmenet jellemzi a tiszta mészkőből a márgán keresztül a márgás vagy akár a tiszta agyagig.

A víz alatt kötő mész, a cementmész és a római­mész a hidraulikus meszek családjába tartoznak, a rómaimész irányába nő a hidraulikus tulajdonságok mértéke. A hidraulikus mész nem oltható. Ezek már teljesen hidraulikus kötőanyagok, azonban kémiai összetételükből és az alacsony égetési hő­mérsékletből fakadóan (max. 1200 °C) hiányoznak belőlük bizonyos komponensek, mint például a trikalcium-szilikátok, amelyek nagymértékben képesek növelni a szilárdságot.

A természetben a hidraulikus kötőanyagok nyersanyagai csak ritkán fordulnak elő az ép­pen kívánt kémiai összetételben. Sok esetben a megfelelő ásványi összetétel elérése érdekében először keverést alkalmaznak. A keverési mű­velet agyag vagy homokos agyag adagolásával tiszta meszet, vagy épp ellenkezőleg, a kívánt mértékben szennyezett meszet eredményezhet. A szennyezőkomponensek lényegében szilikátokból állnak, mint például az agyagásványok, a csillám, a földpát stb. Az aluminátcementek nyersanyagai tulajdonképpen tiszta mészkő és bauxit (alumíni­um-hidroxid) keverékét jelentik. A fehércementeket vasban és mangánban szegény mészből állítják elő úgy, hogy vasban szegény kaolint és kvarcot kevernek hozzá.