Bindemidlernes kemi

De bindemidler, der anvendes i det murede byggeri, er luftkalk, hydraulisk kalk og portlandcement. Luftkalk og hydraulisk kalk er normeret i DS/EN 459-1 Bygningskalk - Del 1: Definitioner, specifikationer og overensstemmelseskriterier. Cement er normeret i DS/EN 197-1.

Luftkalk

Brændt kalk (CaO), calciumoxid, (eng. quicklime, DS/EN 459: Q) fremstilles af hårde kalkstenstyper (CaCO3) ved opvarmning, brænding, til 800 – 900 oC. Ved denne temperatur undviger kuldioxid (CO2). Den kemiske proces er

CaCO3 ➔ CaO + CO2

Brændt kalk leveres som et finknust pulver, pulverkalk. Tidligere blev materialet leveret i de stykker, hvori det kom ud af kalkovnen; deraf navnet stykkalk.

Luftkalk, læsket kalk (Ca(OH)2), calciumhydroxid, (eng. hydrated lime, DS/EN 459: S) fremstilles ved at tilsætte vand til brændt kalk.

CaO + H2O ➔ Ca(OH)2

Processen kaldes læskning. Læsket kalk er bindemidlet luftkalk. Det hedder således, fordi det hærder ved at optage CO2 fra luften, hvorved der gendannes kalksten (CaCO3) og vand. Processen kaldes karbonatisering.

Ca(OH)2 + CO2 ➔ CaCO3 + H2O

Den hastighed, som karbonatiseringen foregår ved, afhænger af, hvor hurtigt CO2 kan trænge ind i mørtelen. Læskning er betegnelse på den proces at tilsætte vand til brændt kalk, hvorved der dannes læsket kalk, Ca(OH)2. Læskningen kan foregå på tre måder, ved tørlæskning, ved vådlæskning eller i læskemørtel.

Læs mere >> Afsnittet Produktion af bindemidler

Hydrauliske komponenter, klinkermineraler

Hydrauliske komponenter er uorganiske, kemiske forbindelser, som har den egenskab, at de kan hærde med vand. Processen kaldes hydratisering. Reaktionsprodukterne er nogle meget komplicerede forbindelser, såkaldte hydratiserede calciumsilikater.

De hydrauliske komponenter dannes af råmaterialer, som indeholder calciumkarbonat og silicium-, jern- eller aluminiumforbindelser. I kemien kaldes de hydrauliske komponenter for klinkermineraler. Kemisk set kan de beskrives som følger. Der bruges følgende forkortelser:

C = CaO, S = SiO2, A = Al2O3, F = Fe2O3 og H = H2O

De vigtigste klinkermineraler er følgende:

• C3S, kaldet alit. Udvikler hurtigt høj styrke
• C2S kaldet belit. Udvikler langsommere høj styrke
• C3A og C4AF. Underordnet styrkeudvikling.

Hydratiseringen af i de to vigtigste klinkermineraler kan beskrives således:

2C3S + 6H ➔ C3S2H3 + 3CH

2C2S + 4H ➔ C3S2H3 + CH

C3S2H3 er et calciumsilikathydrat, der kaldes tobermorit. Det giver bindemidlet dets styrke.

CH = Ca(OH) 2 calciumhydroxid, dannes i en ret stor mængde. Det gør cementpastaen stærkt basisk (pH på 12 - 13), hvilket er med til at beskytte armeringsjern i beton.

Hydraulisk kalk indeholder både luftkalk og hydrauliske komponenter, mest belit. En hydraulisk kalk vil derfor hærde både ved optagelse af CO2 fra luften (karbonatisering) og ved reaktion med vand (hydratisering).

Naturligt hydrauliske kalktyper (eng. natural hydraulic limes, DS/EN 459 NHL) er fremstillet af råmateriale, som i sig selv giver en passende fordeling af hydratkalk og hydrauliske komponenter ved brændingen. En af disse typer er naturlig cement, også kaldet romancement. Den indeholder 45-55 % hydrauliske komponenter.

Andre hydrauliske kalktyper (eng. hydraulic limes, DS/EN 459 HL) fremstilles af kalksten tilsat en passende mængde ler eller andre bjergarter, der indeholder silicium-, jern- eller aluminiumforbindelser. Der kan også tilsættes hvid cement efter læskningen. De hydrauliske kalktyper karakteriseres i henhold til DS/EN 459 ved forkortelserne NHL eller HL efterfulgt af et tal, som angiver styrken.

NHL 3,5 angiver således en naturlig hydraulisk kalk med en trykstyrke på 3,5 MPa i henhold til Euronormen. Svagt hydraulisk kalk har 5-10 % hydrauliske komponenter. NHL 2 og HL 2 hører til her.

Moderat hydraulisk kalk har 10-20 % hydrauliske komponenter. NHL 3,5 og HL 3,5 hører til her.

Højhydraulisk kalk har 20-30 % hydrauliske komponenter. NHL 5 og HL 5 hører til her.

Cement fremstilles af råmaterialer, der er sammensat i et sådant blandingsforhold, at der kun dannes hydrauliske komponenter ved brændingen. Derfor vil cementpulveret hærde alene ved reaktion med vand. Processen kaldes hydratisering. Aliten, C3S, give styrke inden for de første timer og dage, mens beliten, C2S, fortsætter styrkeudviklingen i måneder.

Den mest anvendte cementtype i Danmark er portlandcement. Nogle portlandcementtyper produceres med en meget høj trykstyrke, som bliver nedsat til et passende niveau ved at der indblandes kalkfiller (kf) i cementpulveret.

Figur 1 viser, principielt, en oversigt over hærdeprocesserne i luftkalk, hydrauliske kalktyper og cement. Den vandrette akse angiver sammensætningen af bindemidlerne med 100 % Ca(OH)2 til venstre og 100 % hydrauliske komponenter (klinkermineraler) til højre.

Luftkalk ligger således til venstre, cementer til højre og de hydrauliske kalktyper indimellem. Den lodrette akse viser, hvor stor en del af bindemidlerne der reagerer ved henholdsvis karbonatisering eller hydratisering. Nogle blandingsmørtlers bindemiddelsammensætning er vist.

Puzzolaner er glasagtige silikatmaterialer, som ikke i sig selv har bindemiddelegenskaber, men som i pulveriseret form kan reagere med calciumhydroxid og danne produkter med bindemiddelegenskaber. Som eksempel kan nævnes moler, vulkansk aske, tuf, trass og pimpsten. Navnet puzzolaner stammer fra en lokalitet, Puzzuoli, nær Vesuv i Italien, hvor romerske bygmestre fandt en aflejring af vulkanske udbrudsprodukter, tuf, som kan reagere som beskrevet.

Figur 1. Oversigt over bindemiddeltypernes hærdereaktioner. Når de hydrauliske kalktyper anvendes i blandingsmørtler (KKh-mørtler), rykker de til venstre i diagrammet.