Wg literatury [1] już w VII wieku p.n.e. pojawiły się pierwsze piece służące do wypalania wapna.  Technikę wypału i modyfikacji wapna udoskonalili starożytni Rzymianie. Stosowali modyfikatory naturalnego pochodzenia, aby polepszyć właściwości spoiwa wapiennego. Były to na początku modyfikatory takie jak np. krew bydlęca czy młode wino figowe. Największym osiągnięciem było wykorzystanie popiołów wulkanicznych. Był to pierwszy dodatek pucolanowy. Budowle takie jak Panteon, Koloseum i inne do tej pory istniejące antyczne zabytki, powstały właśnie przy użyciu zapraw wapiennych. Z kolei Chińczycy budując Wielki Mur dodawali naturalne żywice do wapna. Także w Indiach, jako modyfikator spoiwa wapiennego dodawano mączkę roślin strączkowych [1].

Obecnie wapno znalazło nowe zastosowanie – spoiwo w ekologicznym materiale budowlanym – tzw. betonie konopnym. W przeważającej części wykorzystywane w tym celu jest wapno powietrzne, w postaci wapna hydratyzowanego. Beton konopny jest materiałem składającym się z paździerzy konopnych pozyskanych z konopi włóknistych, wapna i wody (rys.1). Służy przede wszystkim jako izolacyjne wypełnienie przegród wykonanych w drewnianej konstrukcji szkieletowej – głównie ścian (rys.2), ale również dachów i podłóg.

Otrzymywanie wapna i procesy wiązania
Wapno określane jest często jako spoiwo naturalne i ekologiczne. Związane jest to z pełnym cyklem życia, który przechodzi wapno w budownictwie. Produkcja wapna powietrznego składa się z następujących etapów:

-wydobycie skały wapiennej – węglanu wapnia CaCO3 (rys.3)

-wypalenie skały w temperaturze około 800-900°C. Podczas wypalania uwalnia się dwutlenek węgla zawarty w strukturze skały, a także ten powstały na skutek spalania paliwa na potrzeby wypalenia skały wapiennej. Proces ten można opisać równaniem reakcji chemicznej: CaCO3  CaO + CO2

-gaszenie otrzymanego w procesie wypalania tlenku wapnia CaO, czyli tzw. wapna palonego. Gaszenie może odbywać się za pomocą dużej ilości wody, małej ilości wody, lub za pomocą pary wodnej. Gaszenie można opisać równaniem reakcji chemicznej: CaO + H2O  Ca(OH)2

-otrzymany w wyniku procesu gaszenia wodorotlenek wapnia Ca(OH)2, zwany wapnem gaszonym lub hydratyzowanym (rys.4) jest końcowym produktem wykorzystywanym obecnie w budownictwie jako spoiwo w zaprawach, tynkach a także w kompozycie wapienno-konopnym (betonie konopnym).

Proces wiązania i twardnienia wapna jest procesem złożonym i długotrwałym. Wiązanie i twardnienie zachodzi po zmieszaniu z wodą w obecności powietrza. Po zmieszaniu wapna z wodą następuje proces krystalizacji. Polega ona na zrastaniu się ze sobą uwodnionych kryształków wodorotlenku wapnia wraz z postępującą utratą wody na skutek jej odparowywania. Proces ten jest odwracalny. Kiedy spoiwo osiągnie odpowiedni poziom wilgotności rozpoczyna się kolejny proces – karbonatyzacja. Reakcja chemiczna karbonatyzacji polega na przyłączaniu dwutlenku węgla z atmosfery do wodorotlenku wapnia w obecności wilgoci. Reakcja ma postać: Ca(OH)2 + CO2 + H2O  CaCO3 + 2H2O

Produktem reakcji karbonatyzacji jest węgla wapnia, czyli skała wapienna, z której wapno hydratyzowane zostało pozyskane. Spoiwo zatem powraca do swojej postaci wyjściowej, zatacza krąg w swoim cyklu życia (przedstawiony na rys.5). Jest to główny aspekt, za sprawą którego wapno nazywane jest spoiwem naturalnym. Natomiast pochłanianie dwutlenku węgla w czasie wiązania i twardnienia jest ekologicznym aspektem wykorzystania tego spoiwa w budownictwie.Właściwości wapna korzystne dla betonu konopnego
Wapno jest spoiwem o wysokim pH wynoszącym około 12, tworzy wysoce zasadowe (alkaliczne) środowisko. Właściwość ta wykorzystywana jest np. w rolnictwie przy odkwaszaniu gleb, a także w charakterze bakteriobójczym, chroniąc przed rozwojem pleśni. Jest to właściwość pożądana w przypadku betonu konopnego, w którym dominującym składnikiem jest materiał organiczny – paździerze konopne. Dokładnie otoczone spoiwem wapiennym paździerze konopne są w naturalny sposób chronione przed rozwojem korozji biologicznej. Powłoka wapna dodatkowo zapewnia ognioodporność kompozytu wapienno-konopnego.

Istotną właściwością spoiwa wapiennego, przy zastosowaniu go w kompozycie wapienno-konopnym jest paroprzepuszczalność. Wg normy PN-EN ISO 10456 opór dyfuzyjny dla tynku wapiennego wynosi 10. Przegroda budowlana wykonana z materiałów zawierających składniki organiczne, powinna być otwarta dyfuzyjnie a tym samym wolna od kondensacji, która mogłaby doprowadzić do obniżenia trwałości materiału budowlanego, głównie przez możliwość rozwoju pleśni. Beton konopny zawierający spoiwo na bazie wapna hydratyzowanego charakteryzuje się oporem dyfuzyjnym rzędu 5-6 [3], który umożliwia swobodny przepływ pary wodnej przez ścianę na zewnątrz budynku (przy zachowaniu warstw wykończeniowych nie ograniczających paroprzepuszczalności).

Wapno w połączeniu z celulozą zawartą w paździerzach konopnych, oddziałuje pozytywnie na mikroklimat panujący w pomieszczeniach. Pozwala akumulować ciepło, polepszając stateczność cieplną przegród, a zdolności higroskopijne pozwalają na regulacje poziomu wilgotności w pomieszczeniu, utrzymując wilgotność względną na poziomie optymalnym dla człowieka.

Spoiwo wapienne charakteryzuje również mniejsza sztywność w porównaniu z cementowym. Tynki wapienne są bardziej podatne na odkształcenia bez ryzyka pękania aniżeli tynki cementowe. Właściwość ta jest istotna w przypadku betonu konopnego, gdyż spoiwo umożliwi dostosowanie się betonu konopnego do odkształceń pracującego drewnianego szkieletu.

Spoiwo wapienne w połączeniu z paździerzami konopnymi po zakończeniu cyklu życia betonu konopnego, np. po rozbiórce budynku, może być wykorzystane jako nawóz.

Modyfikowanie wapna hydratyzowanego
Wapno jako spoiwo powietrzne jest materiałem wiążącym o niskich parametrach mechanicznych, twardniejącym w długotrwałym procesie karbonatyzacji. Przeobrażeniu w CaCO3 ulegają tylko powierzchowne warstwy materiału, mające bezpośredni kontakt z atmosferą. Dostęp dwutlenku węgla obecnego w powietrzu jest ograniczony dla głębszych warstw. Poprawie wytrzymałości spoiwa wapiennego w inny sposób niż karbonatyzacja mogą służyć modyfikacje, np. dodatki pucolanowe i hydrauliczne. Przyspieszą one wiązanie, umożliwią wcześniejsze zdjęcie deskowania, doprowadzą do polepszenia charakterystyki wytrzymałościowej (zwłaszcza wczesną wytrzymałość), ale również wpływać mogą na właściwości użytkowe świeżych mieszanek. Pomysł na połączenie pucolan z wapnem pochodzi ze starożytnego Rzymu, gdzie wykorzystywano w tym celu pucolanę naturalną – lokalne popioły wulkaniczne [1].

Pucolana jest materiałem naturalnym lub sztucznym zawierającym krzemionkę lub krzemionkę i tlenek glinu w postaci reaktywnej. Sam materiał pucolanowy nie wykazuje właściwości wiążących, lecz w postaci drobnoziarnistej i w obecności wilgoci reaguje chemicznie z wodorotlenkiem wapnia, tworząc związki mające właściwości wiążące. Krzemionka zawarta w materiale pucolanowym powinna być amorficzna (szklista), ponieważ krzemionka w fazie krystalicznej jest w małym stopniu reaktywna [4]. Pucolany wykorzystywane są jako dodatek do wapna hydratyzowanego w mieszankach wapienno-konopnych.
Materiałami hydraulicznymi stosowanymi w modyfikacji spoiwa wapiennego jest cement portlandzki, wapno hydrauliczne lub cement romański.

Cement to spoiwo hydrauliczne - twardniejące pod wodą jak i w powietrzu, otrzymywane przez wypał margli, wapieni, gliny w temperaturze >1200°C. Produkt wypału do klinkier. Jest on mieszany z gipsem (który opóźnia wiązanie) i w ten sposób otrzymuje się cement portlandzki. Jest to spoiwo szczelne, odporne na wodę, o słabej paroprzepuszczalności. Cement dodawany jest do spoiwa wapiennego w betonie konopnym w niewielkich ilościach w celu przyspieszenia wiązania, aby osiągnąć wystarczającą wczesną wytrzymałość, tak aby rozformowana ściana mogła przenieść swój ciężar własny. Spoiwo to cechuje się wysokim śladem węglowym.

Wapno hydrauliczne otrzymywane jest poprzez wypalenie naturalnych kamieni – wapieni marglistych które naturalnie zawierają domieszki ilaste. Domieszki te mogą zostać wprowadzone również sztucznie (mowa wtedy o wapnie hydraulicznym sztucznym). To one po wypaleniu odpowiadają za hydrauliczne właściwości wapna. W składzie chemicznym wypalonego kamienia dominuje tlenek wapnia CaO, ale za sprawą obecności domieszek występuje też tlenek krzemu SiO2 , glinu Al2O3 lub, w mniejszym stopniu, żelaza Fe2O3. Są to związki reaktywne chemicznie. Pod dodaniu wody wymienione wyżej związki łączą się z nią w reakcji hydratacji tworząc hydrauliczne związki – uwodnione krzemiany i gliniany wapnia.

Wapno hydrauliczne stosowane jest w betonie konopnym jako samodzielne spoiwo lub częściowo wymieszane z wapnem hydratyzowanym.

Cement romański otrzymywany jest z wypału określonych skał marglistych, zawierających sporo minerałów ilastych. Skały te są specyficzne, gdyż charakteryzują się doskonałym geochemicznym wymieszaniem tlenków w naturalnym surowcu. Pod wpływem ściśle określonego czasu oraz temperatury wypału uzyskuje on niezwykłe właściwości hydrauliczne – bardzo szybki czas wiązania i bardzo wysoką wytrzymałość wczesną. Rzadkość występowania złóż tych skał oraz bardzo precyzyjny sposób produkcji sprawia, że cement naturalny nie należy do najtańszych spoiw. Spotyka się (głównie w Wielkiej Brytanii), że cement romański stosowany jest jako samodzielne spoiwo w betonie konopnym.

Istnieją gotowe mieszanki spoiwa specjalnie przeznaczone do betonu konopnego, o składzie niejawnym, zastrzeżonym przez producentów. Ciągle badane są nowe rozwiązania spoiw wykazujące jak najniższy ślad węglowy oraz jak najlepiej współpracujących z paździerzami konopnymi.

Mgr inż. Przemysław Brzyski
Politechnika Lubelska, Wydział Budownictwa i Architektury
Ogólnopolskie Stowarzyszenie Budownictwa Naturalnego
Budynki z konopi (www.budynkizkonopi.pl)

Artykuł z #58 numeru Gazety Konopnej SPLIFF

Literatura
 [1] Osiecka E.: Wapno w budownictwie - tradycja i nowoczesność, Kraków, 2006.
[2] www.wkg.pl
[3] Walker R., Pavía S.: Moisture transfer and thermal properties of hemp–lime concretes. Construction and Building Materials 64 (2014) 270–276.
[4] Neville A.M.: Właściwości Betonu. Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2012