Kleje do płytek ceramicznych. Rodzaje, właściwości, zastosowanie

W artykule:

• Co o klejach do płytek mówi norma?
• Właściwości cementowych zapraw klejowych
• Stosowanie klejów tzw. elastycznych
• Kleje żelowe – właściwości i zastosowanie

Co o klejach do płytek mówi norma?

Norma PN-EN 12004-1 [1] dzieli kleje na trzy podstawowe rodzaje:

• kleje cementowe;
• kleje dyspersyjne;
• kleje reaktywne.

Kleje dyspersyjne są gotowymi do użycia masami składającymi się zasadniczo z wodnych dyspersji środków wiążących, mineralnych wypełniaczy oraz dodatków. Wiążą przez odparowanie wody. Ich zaletą jest to, że są od razu gotowe do użycia (wymagają jedynie przemieszania przed zastosowaniem), wadą natomiast ograniczona odporność na działanie wody i związane z tym ograniczone zastosowanie.

Kleje reaktywne (zwykle na bazie żywic epoksydowych lub poliuretanowych) charakteryzują się bardzo dużą wytrzymałością mechaniczną (wytrzymałość na ściskanie rzędu kilkudziesięciu MPa, przyczepność rzędu kilku MPa). Stosowane są szczególnie w warunkach zwiększonej agresji chemicznej (myjnie samochodowe, laboratoria, akumulatorownie, zakłady przemysłowe, baseny solankowe i kąpielowe, mleczarnie itp.) lub przy dużych obciążeniach mechanicznych. Ich wadą jest trudniejszy sposób aplikacji. Kleje te charakteryzują się ponadto szybkim przyrostem wytrzymałości. Można je stosować również na niekorodujących lub zabezpieczonych antykorozyjną epoksydową powłoką podłożach metalowych.

Kleje cementowe. Najpopularniejsze kleje do okładzin ceramicznych to materiały, w których spoiwem jest cement, a wypełniaczem odpowiednio dobrane uziarnienia kruszyw kwarcowych. Skład takich zapraw klejowych modyfikuje się dodatkami chemicznymi powodującymi np. uelastycznienie zaprawy, przyspieszenie czasu wiązania, zapobiegającymi zbyt szybkiemu oddawaniu wody przez zaprawę, ograniczającymi skurcz wiązania zaprawy itp. Od zapraw stosowanych na ścianach wymaga się, aby płytka ułożona na świeżej warstwie zaprawy nie obsuwała się, natomiast ślad zębów w świeżej zaprawie podłogowej powinien pod lekkim naciskiem układanej płytki równomiernie rozpłynąć się pod całą powierzchnię płytki, zapewniając tym samym jej całopowierzchniowe podparcie (chyba że płytki układamy tzw. metodą kombinowaną, nakładając klej w trzech etapach, zwłaszcza jeżeli spodnia część płytki jest ryflowana). Jest to zasadnicza różnica pomiędzy zaprawami typu podłogowego a ściennymi. Na zaprawie klejowej do okładzin ściennych da się ułożyć płytki podłogowe, natomiast klej podłogowy nie nadaje się do wykonywania okładzin na powierzchniach pionowych i o dużym pochyleniu.

Właściwości cementowych zapraw klejowych

O właściwościach zapraw klejowych często informują określenia typu: „elastyczna zaprawa klejowa”, „superelastyczny klej do płytek” itp. Te słowa w wielu przypadkach są jedynie deklaracjami producentów, ale nie oznacza to jednak, że są nieprawdziwe. Problem polega na zdefiniowaniu mierzalnych brzegowych warunków i parametrów, które pozwalałyby na obiektywne zdefiniowanie tych określeń. Najwięcej dyskusji czy kontrowersji wzbudzało nazwanie kleju „elastycznym”.

Aby odpowiedzieć na pytanie, o co chodzi z tą elastycznością, trzeba przeanalizować rodzaj obciążeń wymuszających stosowanie kleju pozwalającego na przenoszenie przez niego odkształceń. Z drugiej strony niezbędna jest podstawowa wiedza, jakie składniki znajdują się w suchej zaprawie klejowej i jaki jest ich wpływ na końcowe parametry związanej zaprawy klejowej, jak również analiza wymagań normowych klejów i metodyki ich oznaczania.

Z analizy wymagań stawianych klejom cementowym wynika, że norma wyróżnia kleje klasy C1 oraz C2. Różnica między nimi polega na przyczepności do podłoża i jest to jedyny obligatoryjny parametr rozróżniający te dwie klasy klejów. Dla klejów klasy C1 deklarowana przyczepność (po 28 dniach, początkowa, po starzeniu termicznym, po zanurzeniu w wodzie oraz po cyklach zamrażania–rozmrażania) nie może być niższa niż 0,5 MPa, dla klejów klasy C2 jest to 1 MPa.

Patrząc tylko na tę klasyfikację, wszystkie kleje jednej klasy są identyczne. I jest to prawda. Jednak przy doborze kleju do przyklejania płytek najważniejszym kryterium powinny być parametry techniczne kleju dobrane dla docelowego miejsca zastosowania kleju, czyli do warunków eksploatacji okładziny ceramicznej. Dlatego zdefiniowanie tylko przyczepności nie wystarcza. Norma [1] definiuje jeszcze:

• Odkształcalność poprzeczną: kleje odkształcalne (klasa S1 – ugięcie ≥ 2,5 mm oraz < 5 mm) oraz o wysokiej odkształcalności (klasa S2 – ugięcie ≥ 5 mm).
• Przyczepność wczesną. Parametr tylko dla klejów szybkowiążących (F) – niezależnie od klasy (C1, C2) – przyczepność do podłoża po czasie nie większym niż 6 godzin musi wynosić przynajmniej 0,5 MPa.
• Spływ. Badany na płytkach o wymiarach 10×10 cm, dla klejów o obniżonym spływie (T) musi być ≤ 0,5 mm.
• Czas otwarty. Jest to maksymalny czas po naniesieniu kleju na podłoże, w ciągu którego należy przykleić płytki, tak aby uzyskały wymaganą przyczepność (0,5 MPa dla kleju klasy C1 oraz 1 MPa dla kleju klasy C2). Jest to jedyny parametr powiązany z wytrzymałością po 28 dniach. Dla klejów o wydłużonym czasie otwartym (E) nie może on być krótszy niż 30 minut, dla klejów klasyfikowanych dodatkowo jako szybkowiążące (F) nie może on być krótszy niż 10 minut. Dla pozostałych klejów (nieklasyfikowanych jako (F) lub (E) jest to 20 minut. Jeżeli jednak wykonawca „skorzysta” z czasu otwartego, przyczepność docelowa kleju (także klasy C2) może spaść do 0,5 MPa.

Możliwe są kombinacje powyższych klas i oznaczeń. W rezultacie w ramach klasy C1 lub C2 teoretycznie można mieć kilkanaście różnego rodzaju klasyfikacji. W praktyce tak duża liczba kombinacji nie występuje.

Zaprawy klejowe swoje właściwości zawdzięczają cementowi, który jest głównym składnikiem masy klejowej. Na podłożu porowatym cząsteczki zaprawy wnikają w zagłębienia i następuje mechaniczne zakotwienie. W typowych sytuacjach (typowe podłoże, a więc nie niskonasiąkliwe płytki, brak szokowych obciążeń termicznych), połączenie takie, pomimo słabych sił adhezji, ma wystarczającą wytrzymałość. 

W przypadku podłoża nienasiąkliwego o wytrzymałości na styku podłoże–klej zaczynają decydować tylko siły adhezji – zaprawa klejowa nie ma możliwości zwilżenia takiego podłoża i nie następuje „mechaniczne” zakotwienie cząstek zaprawy w porach podłoża. Podobnie dzieje się w przypadku obciążeń różnicami temperatur. Stosunkowo słabe i sztywne wiązanie cementowe nie jest w stanie przenieść tego typu obciążeń. Zatem o wytrzymałości takiego połączenia zaczyna decydować ilość i jakość polimerów w masie kleju. Polimery te (tworzywa sztuczne – zazwyczaj redyspergowalne kopolimery tworzyw sztucznych dodawane w postaci suchego proszku i mieszane wraz z innymi składnikami zapraw lub, w przypadku klejów dwuskładnikowych, dodawane w postaci płynnej) tworzą sieć swoich własnych wiązań – dodatkowe „mostki sczepne” pozwalające na przeniesienie znacznych nieraz naprężeń na styku warstw.

Mamy wówczas dwa rodzaje wiązań: jedno – słabe cementowe i drugie – decydujące o jakości połączenia – z żywic. Wiązania te uzupełniają się nawzajem, tworząc wspólnie bardzo trwałe połączenia. Zwiększona zawartość polimerów wpływa dodatkowo na zwiększenie elastyczności kleju (następuje zmniejszenie modułu sprężystości), co umożliwia przeniesienie najbardziej niebezpiecznych naprężeń rozwarstwiających i ścinających na styku klej–podłoże. Kleje takie można nazwać także wysoko modyfikowanymi, w porównaniu do klejów na typowe podłoża charakteryzują się przede wszystkim dużo większą przyczepnością oraz elastycznością i są to najważniejsze parametry decydujące o jakości i trwałości połączenia.

Stosowanie klejów tzw. elastycznych

Analizując obszar stosowania klejów określanych jako „elastyczne”, daje się zauważyć pewną prawidłowość. Kleje te mają zdolność przenoszenia ograniczonych deformacji podłoża. Oznacza to, że jeżeli trzeba się liczyć z ograniczonymi odkształceniami podłoża, zastosowanie tego typu klejów minimalizuje ryzyko powstania ewentualnych późniejszych uszkodzeń. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku okładzin na tarasach i balkonach, gdzie grubość warstwy kleju wynosi zazwyczaj 2–4 mm (stosuje się tu wyłącznie kleje cienkowarstwowe), i ta grubość warstwy musi przenieść wszystkie naprężenia między płytką a podłożem. Tylko odpowiednio modyfikowana zaprawa klejowa jest w stanie przenieść odkształcenia wynikające z obciążeń termicznych. Podobnie w przypadku płyt wielkoformatowych (np. 1,20×2,40 m) czy ogrzewania podłogowego zatopionego w kleju w postaci mat elektrycznych.

Trzeba to jednak przełożyć na wymagania normowe. Nie istnieje klasyfikacja klejów pod względem elastyczności, można jedynie mówić o odkształcalności poprzecznej (klasa S1 lub S2). Jak ma się ona jednak do rzeczywistych warunków pracy kleju? Badanie odkształcalności polega na uginaniu beleczki kleju (fot. 1). Natomiast na balkonach czy tarasach mamy do czynienia z przemieszczeniami poziomymi pomiędzy podłożem a płytką. Na skutek zmian temperatury powstają naprężenia ścinające na styku okładzina ceramiczna–podłoże wynikające z różnicy współczynników rozszerzalności termicznej okładziny ceramicznej i podłoża. I te naprężenia muszą zostać przeniesione przez klej (w pewnym stopniu odkształcenia te przenosi także elastyczny szlam uszczelniający).

Współczynniki rozszerzalności liniowej przedstawiają się następująco:

• Płytki ceramiczne: 0,4×10–5 – 0,8×10–5 [1/K].
• Beton: 1×10–5 – 1,3×10–5 [1/K].
• Zaprawa cementowa 1×10–5 – 1,3×10–5 [1/K].

Na przykład dla odległości między dylatacjami 3 m i różnicy temperatur 50°C (dobowa zmiana temperatury okładziny ceramicznej i jastrychu) zmiana długości takiego odcinka jastrychu wynosi od 1,5 do 1,95 mm, natomiast dla okładzin ceramicznych w tych samych warunkach zmiana długości 3-metrowego odcinka wynosi od 0,6 do 1,2 mm, co w podczas szokowego schładzania powierzchni balkonu czy tarasu w lecie na skutek gwałtownej burzy powoduje różnicę zmian długości okładziny ceramicznej i jastrychu wynoszącą od 0,3 do nawet 1,35 mm i to tylko dla zdylatowanego odcinka o długości 3 m. Biorąc pod uwagę roczny gradient temperaturowy (zima–lato) równy 100°C, różnica zmian długości 3-metrowego odcinka okładziny i jastrychu wynosi od 0,6 do 2,7 mm.

Badanie odkształcalności polega jednak na ugięciu beleczki, nie do końca odzwierciedla zatem rzeczywiste warunki pracy zaprawy klejowej. Skutkiem uginania beleczki jest zmiana długości krawędzi rozciąganej vs. ściskanej, co ma symulować odkształcenie porzeczne klejów podczas pracy w zmiennych warunkach termicznych.

Podobna sytuacja występuje w przypadku płyt wielkoformatowych, choć tam zmiany temperatury są znacznie mniejsze (o ile nie ma ogrzewania elektrycznego matami zatopionymi w kleju). Jednak ze względu na znaczne wymiary samej płytki (choć lepiej tu użyć słowa płyty) stosowanie klejów odkształcalnych jest obligatoryjne. Obecność maty grzewczej powoduje w momencie włączenia znaczny skok temperatury; bezwładność termiczna oraz różne współczynniki rozszerzalności termicznej płytek i podłoża generują znaczne naprężenia ścinające.

Określenie „kleje elastyczne” jest kalką z języka niemieckiego. Niemieckie wytyczne [2] bazowały na ówczesnych normach EN 12004 oraz EN 12002 (ta ostatnia dotyczyła oznaczenia odkształcenia poprzecznego dla klejów cementowych i zapraw do spoinowania). Sformułowanie „Flexmörtel” można przetłumaczyć jako elastyczna zaprawa. Wytyczne te „klejem elastycznym” nazywały klej sklasyfikowany jako C2 według EN 12004, tzn. charakteryzujący się przyczepnością do podłoża nie mniejszą niż 1 N/mm² oraz spełniający wymogi klasy przynajmniej S1 według EN 12002.

Dość ciekawym badaniem, znacznie lepiej odzwierciedlającym rzeczywiste warunki pracy klejów na tarasach czy balkonach, byłoby badanie według DIN 18156 [3] (rys. 1, fot. 2). Pomiar odkształcenia, przy którym nastąpi zniszczenie tak przygotowanej próbki znacznie lepiej odzwierciedla rzeczywisty charakter pracy płytek i podłoża przy intensywnych i zróżnicowanych obciążeniach termicznych. Wykres odkształceń (rys. 2) dodatkowo pokazuje, na ile niebezpieczne jest traktowanie jako „elastycznego” kleju klasy C2, bez badania odkształcalności.

Kleje żelowe – właściwości i zastosowanie

Analizując komunikację związaną z klejami do glazury, kilka lat temu dało się zauważyć pojawianie się określeń sugerujących nowy rodzaj klejów, mianowicie kleje żelowe. Opisy na etykiecie i wyznaczniki w kartach technicznych niekiedy wręcz sugerują, że mamy tu do czynienia z zupełnie nowym spoiwem, o właściwościach różnych od dotychczas stosowanych. Te wątpliwości rozwiewa deklaracja właściwości użytkowych samych klejów, są one klasyfikowane jako C1 lub C2, co oznacza, że ich spoiwem jest cement.

Jakie są więc przewagi klejów żelowych i z czego one wynikają? Paradoksalnie analiza najważniejszych dokumentów odniesienia (deklaracji właściwości użytkowych) nic nie powie. Klej żelowy według DWU to klej cementowy klasy C1 albo C2 z opcjonalną klasyfikacją typu S1, T, F albo E, czyli… żadna różnica w porównaniu do „tradycyjnych, czyli nieżelowych”, cementowych klejów do płytek.

Podstawowa cecha podkreślająca przewagę klejów żelowych, komunikowana przez większość producentów, to retencja wody. Według zapisów w kartach technicznych, wpływa ona na:

• Poszerzenie zakresu aplikacji klejów do temperatury +35°C.
• Umożliwienie zmiany konsystencji kleju (podłogowy, ścienny) za pomocą zmiany ilości wody zarobowej, z zachowaniem deklarowanych parametrów kleju.
• Wydłużenie czasu otwartego.
• Zwiększenie odporności na błędy w przygotowaniu podłoża (nierównomierna lub zbyt wysoka chłonność).

Pomijam w tym miejscu typowo marketingowe określenia, które nie mają żadnego wpływu na rzeczywiste parametry, cechy i właściwości zapraw klejących. Taka komunikacja wynika z faktu, że głównym składnikiem klejów jest cement. Aby klej uzyskał projektowane parametry wytrzymałościowe, musi być aplikowany w warunkach gwarantujących prawidłowy przebieg procesu hydratacji. Z tym wiąże się wymóg zapewnienia przez odpowiednio długi czas wilgoci niezbędnej do przebiegu wspomnianej reakcji. Ilość wody zarobowej jest wypadkową wymaganej ilości wody niezbędnej do hydratacji, wymaganej przez domieszki i dodatki oraz niezbędnej do nadania konsystencji. W tym miejscu warunki laboratoryjne i warunki budowy „rozjeżdżają się”. Temperatura aplikacji klejów cementowych wynosi od +5 do +25°C. Dotyczy to zarówno powietrza, jak i podłoża. W lecie zachowanie wymaganej temperatury podłoża jest w wielu sytuacjach wręcz niemożliwe i powinno się przerwać pracę.

Na co więc zwrócić uwagę, wybierając klej żelowy? Przyjmując za punkt wyjścia wymienione zalety technologii żelowej, z analizy kart technicznych wynika, że:

• Nie wszystkie kleje, określane mianem „żelowych” mogą być stosowane w poszerzonym zakresie temperatur. Dla niektórych zapraw klejących podana temperatura aplikacji była identyczna jak dla „tradycyjnych” klejów cementowych: od +5° do +25°C, dla innych górną granicą było +30°C oraz +35°C.
•  Konsystencja regulowana jest ilością wody zarobowej. Uzyskanie konsystencji umożliwiającej aplikację na powierzchniach pionowych oraz konsystencji rozpływnej wymaga znacznego zróżnicowania ilości dodawanej wody. Ilość ta musi być podana w treści karty technicznej. Należy mieć na uwadze, że dla każdego cementowego materiału producent przewiduje zwykle niewielkie (rzędu kilku procent) widełki wody zarobowej. W przypadku klejów żelowych jest to rząd wielkości kilkudziesięciu procent. Nie wszyscy producenci podają widełki wody zarobowej, niektórzy ograniczają się do podania jednej, szacunkowej ilości.
• Z ilością wody zarobowej wiąże się długość czasu otwartego. Parametr ten zależy także od temperatury aplikacji, dlatego powinien być podawany dla różnych warunków brzegowych.

Czas otwarty jest parametrem wpływającym bezpośrednio na komfort pracy, a w niektórych sytuacjach wręcz umożliwiających pracę. Dotyczy to przede wszystkim okładzin z płyt wielkoformatowych (formaty rzędu 100×200 cm i większe). Montaż takich płyt wymaga specjalnego stanowiska roboczego, umożliwiającego przycięcie płyt, nałożenie kleju także na płytę oraz manewrowanie płytą z nałożoną warstwą kleju.

Nierzadko stanowisko robocze znajduje się w innym miejscu, niekiedy nawet na innej kondygnacji. Gotową do montażu płytę (przyciętą i z nałożoną zaprawą klejową) trzeba wnieść do pomieszczenia, w którym ma być montowana. W wysokich temperaturach może się okazać, że czas otwarty kleju „nieżelowego” zostałby przekroczony, co wymuszałoby konieczność nałożenia nowej warstwy kleju – przy wykonywaniu prac w podwyższonych temperaturach i/lub przy niskiej wilgotności czas otwarty ulega skróceniu (proszę zwrócić uwagę, że gdy nie ma podanej temperatury aplikacji i wilgotności powietrza wszelkie parametry podaje się dla tzw. warunków normalnych).

Skoro nie ma normowej klasyfikacji definiującej klej żelowy, to jedynym rozwiązaniem jest szczegółowa analiza kart technicznych. Podanie w karcie technicznej dodatkowych mierzalnych parametrów i cech świadczy o tym (a przynajmniej powinno), że producent przeprowadził dodatkowe własne badania i testy (karta techniczna po deklaracji właściwości użytkowych jest oficjalnym dokumentem producenta, mówiącym o możliwości zastosowania kleju i jego właściwościach). W razie wątpliwości należy próbować uzyskać (pisemnie) dodatkowe informacje. Należy także mieć na uwadze, że wszystkie badania laboratoryjne przeprowadzane są w znormalizowanych warunkach i na znormalizowanym podłożu. Z doświadczenia wiadomo, że warunki laboratoryjne oraz warunki na budowie mogą być skrajnie różne.

Klejów żelowych nie wolno jednak traktować jako panaceum na wszelkie problemy. Zwiększona ilość wody skutkuje jej dłuższym oddziaływaniem na podłoże i na płytki oraz ma wpływ na moment spoinowania. Dotyczy to szczególnie sytuacji, gdy montowane są płyty wielkoformatowe, gdy klej jest zarabiany wodą w jej górnych widełkach lub gdy podłoże jest wrażliwe na wilgoć. 

Dysproporcje między wielkością płyt wielkoformatowych (powierzchnia rzędu nawet 3 m² i większa) i grubością (nawet kilka milimetrów) powodują, że odparowanie wilgoci przez spoiny jest znacznie utrudnione. Dla typowych płytek (np. 30×30 cm) udział spoin w powierzchni okładziny wynosi około 2,5%, dla okładziny wielkoformatowej (np. 1×1,5 m) będzie to już niecałe 0,5%, a zatem pięć razy mniej. A powierzchnią odparowania nadmiaru wody zarobowej są spoiny. Zatem nadmiar wody zarobowej zostanie usunięty w podłoże. Dlatego płyt wielkoformatowych nie wolno układać na podłożach gipsowych. Samopoziomujące jastrychy anhydrytowe należy traktować jako podłoża krytyczne. 

Jeżeli nie ma możliwości wykonania podłoża cementowego, to należy stosować specjalne grunty odcinające na bazie np. żywicy epoksydowej (zagruntowanie musi być absolutnie bezbłędne). Wykluczone są tynki gipsowe i płyty gipsowo-kartonowe. Analogiczny problem związany z potencjalnym oddziaływaniem wilgoci ma miejsce w przypadku innych podłoży podatnych na wilgoć (drewniane, drewnopochodne). Takie podłoża należy traktować jako krytyczne i sto­sować odpowiednie zabezpieczenie powierzchni (hydroizolacja, gruntowanie odcinające) i przyjmować maksymalną, akceptowalną technicznie, szerokość spoin lub, o ile to możliwe, unikać. Korzystne może być zarabianie kleju nie na maksymalnej ilości wody zarobowej (z tym się wiąże konieczność nakładania metodą kombinowaną).

W przypadku konglomeratów kamiennych wydłużone oddziaływanie wody zarobowej może spowodować dodatkowe odkształcenia samej płyty polegające na podniesieniu się naroży. Na to zjawisko mogą być podatne także płyty z kamieni naturalnych. Należy jednak zauważyć, że problem ten dotyczy w ogóle klejów cementowych, trudno zatem doszukiwać się w tym „winy” klejów żelowych.

Także przy spoinowaniu okładzin podłogowych, zwłaszcza przy rozpływnej konsystencji kleju i epoksydowej zaprawie do spoinowania, trzeba brać poprawkę na większą ilość wody w zaprawie klejącej.

Kleje żelowe pozwalają na rozszerzenie zakresu temperaturowego prac okładzinowych i powodują, że są one mniej wrażliwe na mankamenty podłoża, żaden jednak klej nie będzie odporny na indolencję wykonawcy, lekceważenie przez niego zasad sztuki budowanej czy praw fizyki.

Literatura

1. PN-EN 1 2004-1:2017-03: „Kleje do płytek ceramicznych. Część 1: Wymagania, ocena, klasyfikacja, znakowanie i weryfikacja stałości właściwości użytkowych”.
2. „Richtlinie für Flexmörtel. Definition und Einsatzbereiche“, VI 2001.
3. DIN 18156, Teil 3, „Stoffe für keramische Bekleidungen in Dünnbettverfahren. Dispersionklebstoffe“.
4. M. Rokiel, „Projektowanie i wykonywanie okładzin ceramicznych. Warunki techniczne wykonania i odbioru robót“, Grupa Medium, Warszawa 2016.
5. M. Rokiel, „Poradnik Hydroizolacje w budownictwie. Projektowanie. Wykonawstwo”, wyd. III, Grupa ­MEDIUM, Warszawa 2019.