Kamień naturalny w budownictwie

Kamień naturalny jest materiałem charakteryzującym się bogactwem właściwości fizycznych i mechanicznych. Daje mu to nieograniczony potencjał zastosowania w szeroko rozumianym budownictwie: nie tylko przy budowie dróg i mostów, ale także innych obiektów budowlanych. I mimo iż obecnie dominują beton, stal i szkło, kamień często wydaje się być niezastąpionym materiałem, podnoszącym także rangę obiektu, wzrasta także popyt na ten materiał budowlany.

Skały magmowe, metamorficzne i osadowe są wykorzystywane jako kamienie budowlane i drogowe. Wykazują odpowiednią odporność na działanie czynników klimatycznych, takich jak: wilgoć, mróz czy agresywne składniki powietrza, oraz wytrzymałość na ściskanie i ścieranie. Kamieniami wiodącymi prym w naszym kraju są granity i marmury, występujące wyłącznie na Dolnym Śląsku oraz piaskowce różnych odmian, występujące również na Dolnym Śląsku, w Górach Świętokrzyskich i Karpatach.

W ostatnich latach w Polsce wzrósł również import budowlanych elementów kamiennych. W największych ilościach sprowadzamy granity z RPA i Szwecji, w nieco mniejszych – marmury oraz wapienie dekoracyjne z Włoch, Turcji i Grecji. Wzrostowi wykorzystania kamienia w budownictwie sprzyja także rozwój technologii jego obróbki. Nowoczesne urządzenia diamentowe, techniki komputerowe – wspomagające projektowanie i obsługę maszyn obróbczych oraz kontrolę produkcji, łączące w sobie czynności obróbcze znane od wieków z czynnościami wykonywanymi choćby przez skanery 3D – wpływają niewątpliwie na wzrost wydajności i jakości produktów budowlanych z tego materiału.

Fundamenty z kamienia naturalnego

Kojarzone głównie z budownictwem rejonu Podhala oraz Warmii i Mazur. Są pierwszym ze znanych sposobów posadowienia budynków oraz budowli. Łatwo dostępny, tani i trwały materiał, będący jednocześnie bardzo odporny na działanie warunków atmosferycznych i biologicznych, był doskonałym rozwiązaniem problemu konstrukcyjnego, jakim jest sposób osadzenia obiektu na gruncie. Fundamenty takie jeszcze kilkadziesiąt lat temu powszechnie stosowane były w budownictwie jednorodzinnym i zagrodowych budynkach inwentarskich.

Do zalet fundamentów kamiennych można zaliczyć: dużą wytrzymałość na ściskanie, odporność materiału na działanie środowiska, powszechną dostępność taniego materiału. Natomiast wadami są: nieregularny kształt, trudność w obróbce – przycinaniu, połączenia między kamieniami – najczęściej z zaprawy o niskiej jakości i parametrach wytrzymałościowych, głównie na bazie wapna gaszonego.

Do wykonania fundamentów z kamienia stosowano lokalny materiał, niestety nie zawsze nadający się do użycia. Początkowo stanowił on luźną strukturę ułożoną warstwowo. Z czasem rozwinięciem tej technologii stała się konstrukcja układana warstwowo, łączona różnego rodzaju zaprawami, najczęściej na bazie wapna i popiołów. Fundament taki nie był zabezpieczony w żaden sposób przed wilgocią, która w tego typu realizacjach rozchodzi się głównie za sprawą zaprawy o porowatej strukturze, powodującej podciąganie kapilarne

Wzmacnianie fundamentów z kamienia naturalnego

Prawie we wszystkich przypadkach kompleksowych remontów budynków zwiększone zostaje obciążenie przekazywane na fundament i grunt. Dodatkowe obciążenie konstrukcji wynika np. ze zmiany typu stropów (strop drewniany zastąpiony monolitycznym, żelbetowym) czy nadbudowy lub zagospodarowania poddasza na cele użytkowe. Takie sytuacje występują również w przypadku budynków z fundamentami kamiennymi. W celu przygotowania fundamentów do przenoszenia większych obciążeń wykonuje się ich poszerzenie lub podbicie (rzadziej). Poszerzenie stosuje się również, aby zachować dotychczasową nośność zniszczonych w wyniku działania czynników środowiskowych konstrukcji lub projektowaną nośność w warunkach gruntowych, które uległy znacznej zmianie na przestrzeni lat.

Poszerzenie fundamentów może mieć różny charakter w zależności od warunków posadowienia budynku i jego lokalizacji. W przypadku gdy znajdują się w sąsiedztwie fundamentów budynku przyległego, wykonuje się poszerzenie jednostronne (rys. 1) z uwagi na brak dostępu do ławy z obu stron. Natomiast gdy dostęp do ławy możliwy jest z obu jej stron, realizuje się poszerzenie obustronne (rys. 2), bardziej zalecane niż jednostronne.

Rys. 1. Poszerzenie jednostronne fundamentu kamiennego (opracowanie własne). Rys. 2. Poszerzenie obustronne, schodkowe fundamentu kamiennego (opracowanie własne)

Zdarza się, że konieczne staje się wykonanie głębszego posadowienia budynku. W tym wypadku robi się tak zwane podbicie fundamentowe. W przypadku fundamentów z kamienia najlepszym sposobem ich pogłębienia jest zrealizowanie dwustronnie pali wierconych pod kątem (rys. 3). Jest to dużo bezpieczniejsze rozwiązanie niż np. podkopywanie fundamentów w szalunku lub wykonanie pali pionowych i zintegrowanie ich z istniejącą konstrukcją, tworząc tym samym fundament pośredni. Pogłębienia fundamentów kamiennych wykonuje się niezmiernie rzadko, gdyż jest to działanie bardzo skomplikowane i niebezpieczne dla konstrukcji budynku.

Rys. 3. Pogłębienie fundamentów kamiennych z zastosowaniem pali wierconych (opracowanie własne). Rys. 4. Elewacja wentylowana z płyt kamiennych (opracowanie własne na podstawie [1])

Fundamenty z kamienia naturalnego w nowo wznoszonych obiektach

Fundamenty kamienne projektowane są także w nowo powstających budynkach (fot. 1). Wybierane są ze względu na chęć utrzymania lokalnego stylu architektury. Jednakże nie są to elementy, których zasadnicza budowa składa się z dużych głazów. Wykonywane są jako konstrukcja żelbetowa, a jej widoczne, zewnętrzne powierzchnie formowane są z kamieni. Są to potocznie nazywane fundamenty z oblicówką kamienną, z wyglądu łudząco podobne do kamiennych. Różnica polega na tym, że konstrukcję nośną stanowi zbrojony beton, a nie kamień. Współczesne konstrukcje fundamentów z wykorzystaniem kamienia są lepiej przystosowane do funkcjonowania w warunkach gruntowych danego terenu, a także łatwiejsze i szybsze w wykonawstwie, zabezpieczeniach termicznych oraz hydroizolacyjnych. Ponadto przez zastosowanie zbrojenia są bardziej odporne na działanie zmiennych kierunków sił i naprężeń.

Elewacje i obudowy z kamienia naturalnego

Okładziny elewacyjne z kamienia są bardzo chętnie wybierane przez inwestorów i architektów. Znaczny wpływ na to ma charakter wybranego materiału. W zależności od użytego kamienia elewacja może być jednolita i regularna lub zmieniać się wraz z występującymi w płytach licznymi żyłami i przewarstwieniami, dzięki którym tworzy się niejednolita gra barw oraz kontrastów. Okładziny kamienne często są stosowane z uwagi na ich trwałość, ponadczasowość oraz z powodu szerokiego spektrum możliwości przywracania im blasku i pierwotnego efektu wizualnego po wielu latach użytkowania.

Elewacje z płyt kamiennych

Kamienne okładziny na elewacjach budynków dodają prestiżu oraz powagi. Kojarzą się z czymś trwałym i ponadczasowym. Można podzielić je na dwa typy: wentylowane oraz niewentylowane. Podział ten znacząco determinuje technologię montażu i wykonania poszczególnych elementów. W elewacjach wentylowanych (rys. 4) są używane płyty kamienne o grubości min. 3 cm i znaczących wymiarów. Ich montaż odbywa się za pośrednictwem stalowych kotew umieszczanych w sposób niewidoczny w spoinach pionowych między płytami. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość demontażu pojedynczych elementów celem np. prowadzenia instalacji w pustce powietrznej, oraz wymiany elementów zniszczonych czy uszkodzonych. Elewacje wentylowane stosuje się przede wszystkim w budynkach biurowych oraz użyteczności publicznej. Zastosowanie tej technologii w domach jednorodzinnych jest ograniczone, gdyż ten sposób montażu sprzyja przede wszystkim dużym powierzchniom, o licznych powtarzalnych elementach. Nie jest natomiast przystosowany do wielu nieregularnych docięć, występujących w przypadku małych obiektów.

W elewacjach niewentylowanych (rys. 5) płyty mogą mieć znacznie mniejsze wymiary oraz mniejszą grubość, bo już ok. 1 cm. Płytki mocowane są na zaprawie klejowej. Te o większych rozmiarach powinny być dodatkowo kotwione – zapobiegnie to ich ewentualnemu odspojeniu się, np. pod wpływem drgań. W tego typu elewacjach demontaż pojedynczego elementu wiąże się z koniecznością jego wykucia, bez możliwości ponownego użycia, po wykonaniu prac pod jego powierzchnią, Jest to pewna wada i ograniczenie w stosowaniu, zwłaszcza w obiektach, w których konieczne jest częste wykonywanie tego typu prac. Ten sposób montażu sprzyja natomiast obiektom o małej powierzchni. Możliwe są liczne docięcia i dopasowania, na co pozwala stosowanie małych elementów, łatwych do układania oraz dopasowywania.

Rys. 5. Elewacja niewentylowana, kamienna z cokołem kamiennym (opracowanie własne na podstawie [1])

Elewacje kamienne wykonywane są zarówno w dużych, reprezentacyjnych obiektach, jak i w małych domach prywatnych. Najczęściej nie stanowią całości pokrycia ścian, tylko pewną ich
część. Podkreślają tym samym architekturę budynku i jednocześnie zabezpieczają np. jego strefę wejściową przed szybkim zniszczeniem (regularne oraz intensywne jej użytkowanie).

Okładziny z kamienia naturalnego

Kamień naturalny jest też bardzo często stosowany we wnętrzach, najczęściej w połączeniu z posadzką kamienną (fot. 2 i 3). Wykonuje się z niego dekoracyjne lamperie jak i pokrywa się nim całe powierzchnie ścian. Przy układaniu płyt kamiennych wewnątrz obiektów stosuje się tylko technikę klejenia płytek. W przypadku większych elementów klejenie wspomaga się kotwami stalowymi, podobnie jak w przypadku elewacji. Najczęściej stosuje się ten sam rodzaj kamienia co przy posadzkach, różni się on tylko sposobem wykończenia powierzchni. Ściany często wykonywane są z płyt wypolerowanych na wysoki połysk. Pozwala to na łatwe utrzymanie ich w czystości i daje korzystny efekt wizualny.

Fot. 2. Kamienna okładzina w budynku Politechniki Krakowskiej (fot. autora)

Fot. 3. Okładzina kamienna schodów w budynku Politechniki Krakowskiej (fot. autora)

Rozwój technologii obróbki kamienia pozwolił na zastosowanie w wykończeniu wnętrz forniru kamiennego. Zwykłe płytki kamienne wymagają solidnego podłoża i mocnych klejów montażowych, z uwagi na ich znaczną masę. Ponadto mają ograniczenia co do kształtowania elementów, np. obudowa okrągłych filarów, łuków i załamań. Fornir kamienny, czyli cienka (rzędu milimetrów) warstwa kamienia, jest pewnym rozwiązaniem tych zagadnień.

Fornir jako okładzina doskonale sprawdza się w przypadku dużych powierzchni nieregularnych kształtach i załamaniach. Jednakże proces jego pozyskania oraz układania jest skomplikowany i wymagający, przez co wzrasta też jego koszt. Natomiast uzyskany efekt jest niemożliwy do powtórzenia w przypadku zwykłych płytek.

Posadzki z kamienia naturalnego

Dużo mówi się o posadzkach betonowych [2, 3], tymczasem znaczną popularnością cieszą się także posadzki kamienne, zwłaszcza w obiektach użyteczności publicznej (fot. 4).

Fot. 4. Posadzka w budynku Politechniki Krakowskiej (fot. autora)

Wynika to z faktu, że wykonane poprawnie z dobrze dobranego materiału są bardzo odporne na intensywne użytkowanie przez wiele lat. Najczęściej stosowanym kamieniem jest granit. Może on być zmatowiony, np. przez płomieniowanie (wykonywanie faktury łuszczonej), dzięki czemu uzyskujemy szorstką, trwałą powierzchnię, odporną na ścieranie. Zmatowienie utrzymuje się bardzo długo, przez co posadzka jest bezpieczna w użytkowaniu. Zarządca budynku może mieć pewność, że zrealizowane w ten sposób schody nie staną się z czasem śliskie. W ramach wykończenia takich podłóg stosuje się cokoły, wykonywane z tego samego rodzaju kamienia, jednakże polerowane. Pozwala to w łatwy sposób utrzymać czystość w obiekcie, dając jednocześnie dobry efekt wizualny – w postaci lekkości dużej powierzchni posadzki. Jednocześnie materiał kamienny stosowany na posadzki jest łatwy w polerowaniu. Posadzki polerowane realizowane są np. w reprezentacyjnych aulach i holach budynków o różnym przeznaczeniu (fot. 5).

Fot. 5. Przykład posadzki kamiennej polerowanej (fot. autora)

Technologia wykonania posadzek kamiennych

Realizacja posadzki z płytek kamiennych wymaga precyzji i zachowania kilku zasad. Płytki z mineralnego materiału skalnego, pomimo dużej odporności na działania środowiskowe, są stosunkowo wrażliwe na błędy wykonawcze, w tym użycie źle dobranych materiałów, zapraw wyrównujących, klejów i fug oraz często pomijanych, dobrze dobranych silikonów. Poprawne wykonanie posadzki z wysokiej jakości materiałów gwarantuje jej długą żywotność i zachowanie ładnego wyglądu nawet przy bardzo intensywnym użytkowaniu w obiektach użyteczności publicznej, biurach i obiektach sakralnych. Prawidłowo zrealizowana podłoga kamienna jest łatwa do odrestaurowania po wielu latach użytkowania, ale zaniedbanie na dowolnym etapie jej wykonania może spowodować trwałe uszkodzenie powierzchni i doprowadzić do zniszczenia cennego materiału. Najczęściej błędy wykonawcze są nie do naprawienia bez konieczności wymiany elementów lub zastosowania drogiej technologii. Pierwszym etapem realizacji posadzki jest właściwe przygotowanie podłoża. Musi ono być równe i wypoziomowane oraz odpowiednio wysezonowane, tzn. o odpowiedniej wilgotności (do 2%). Zwiększona wilgotność może prowadzić do powstania przebarwień i słabej wytrzymałości na powierzchni klejenia. Podłoże musi być oczyszczone z zabrudzeń i pyłu. Dodatkowo posadzka powinna być zagruntowana preparatem zwiększającym przyczepność zaprawy klejowej oraz wyrównującym wchłanianie
wilgoci do jednakowego poziomu na całym jej obszarze.

Kolejnym etapem jest klejenie płytek kamiennych. W tym celu stosujemy specjalne zaprawy klejowe do materiałów kamiennych. W porównaniu do zwykłych zapraw do płytek różnią się one szybkością wiązania, a co za tym idzie szybkością schnięcia. Jest to szczególnie istotne, ponieważ kamień odbarwia się wskutek działania wody. Dlatego do rozrabiania tych klejów używa się minimalnej ilości wody zarobowej, a plastyczność zaprawy uzyskuje się przez dodatki plastyfikujące.

Łatwo zauważyć, że wybór standardowego kleju do glazury spowodował powstanie przebarwień w wyniku dużej ilości wody zarobowej oraz czasu wiązania, schnięcia zaprawy. Przebarwienia te mogą zniknąć wskutek odparowania wody, jednakże mogą również pozostać z uwagi na wytrącenie pod wpływem wody związków mineralnych, pozostających w strukturze kamienia.

Samo poprawne ułożenie posadzki nie uchroni jej od dalszych przebarwień. Przebarwienia bowiem mogą powstać na krawędziach płytek wskutek złego dobrania masy do fugowania spoin. Uwzględniać należy zalecenia podobne do tych względem kleju. O wymaganiach zapraw klejących i wypełniających fug mówią normy PN-EN 12004-1:2017-03 Kleje do płytek ceramicznych oraz PN-EN 13888:2010 Zaprawy do spoinowania płytek. Zgodnie z tymi normami klej do płytek kamiennych musi być odpowiedniej klasy, określany oznaczeniem C2 S2 lub C2 S1, a spoina do fugowania – CG 2 W Ar lub CG 2 W.

Należy również zwrócić uwagę na sposób wypełniania dylatacji i wykańczanie spoinami plastycznymi, tzw. silikonami. Silikony dostępne w sklepach budowlanych nie nadają się w większości do wykończenia płytek kamiennych, gdyż w ich składzie występuje aceton. Wchodzi on w reakcję chemiczną z minerałami znajdującymi się w kamieniu i powoduje trwałe odbarwienia wzdłuż krawędzi, przy których jest stosowany.

Ostatnim etapem jest czyszczenie i impregnacja gotowej posadzki. Do czyszczenia posadzki przed jej impregnacją należy stosować środki o małej agresywności chemicznej, głównie delikatne detergenty, czyszczące i odtłuszczające. Przed impregnacją podłoga musi być dokładnie wyczyszczona oraz odtłuszczona. Ewentualne niewielkie odbarwienia muszą być usunięte specjalistycznymi środkami chemicznymi, gdyż po wykonaniu impregnacji nie będzie to możliwe. Przy realizacji posadzki kamiennej ważna jest dbałość o szczegóły i estetykę. Kamień, potocznie mówiąc, nie wybacza błędów wykonawczych, a ich usunięcie staje się bardzo skomplikowane oraz żmudne. Jednocześnie poprawnie zrealizowana posadzka gwarantuje użytkowanie jej w nienaruszonym stanie przez bardzo wiele lat, niezależnie od intensywności eksploatacji. Główne zużycie podłogi kamiennej widoczne jest w jej wytarciu, co w szczególności zauważalne jest w zabytkowych kościołach i na często używanych schodach oraz w zużyciu impregnatu, jego przyciemnieniu i zmatowieniu.

Renowacja posadzek z kamienia naturalnego

Wiele lat intensywnego użytkowania podłóg skutkuje ich zużyciem. Nie inaczej jest w przypadku posadzek kamiennych. Główną tego oznaką jest wytarcie i utrata pierwotnie nadanej struktury powierzchni (zmatowienie poleru, wygładzenie antypoślizgu). Najlepszym przykładem posadzek wymagających renowacji są te znajdujące się w budynkach sakralnych oraz innych obiektach zabytkowych. Szczególnie widoczne uszkodzenia występują przy wejściach oraz na schodach. Często wymagają również naprawy ubytki, powstałe odbarwienia oraz konieczna jest wymiana
warstwy powłoki zabezpieczającej (o ile taka została zastosowana). Schemat naprawy posadzki jest zależny od konkretnych w danym przypadku uszkodzeń / ubytków, ale można go uogólnić do pewnych etapów.

Pierwszą czynnością jest szlifowanie zgrubne papierem o niskiej gradacji. Ma ono na celu wyrównanie powierzchni, nadanie jej odpowiedniej płaszczyzny. Etap ten konieczny jest w przypadku bardzo zniszczonych posadzek. Przy takich robotach, poza nierównościami, usuwana jest także warstwa powłoki zabezpieczającej. Znikają również drobne, powierzchniowe zabrudzenia.

Kolejny etap to usuwanie powstałych plam, odbarwień i naprawa ubytków oraz spoin fugowych. Plamy oraz odbarwienia, których nie uda się usunąć poprzez szlifowanie, wywabiane są z użyciem środków chemicznych. Stosuje się je w ostateczności, ponieważ powodują dalszą degradację kamienia i zwiększają jego podatność na zabrudzenia oraz uszkodzenia. Skuteczniejszą metodą jest żmudne szlifowanie powierzchni oraz zwiększanie gradacji papieru. Jest to też niezbędne do usunięcia rys po szlifowaniu zgrubnym i do przygotowania powierzchni do impregnacji oraz polerowania. Impregnowanie posadzki zależne jest od rodzaju użytego materiału do jej wykonania. Preparaty do zabezpieczania produkowane są na bazie żywic epoksydowych, związków krzemu oraz silikonów. Każdy rodzaj kamienia w zależności od porowatości i składu chemicznego wymaga użycia innego rodzaju preparatu, dlatego też nie istnieją preparaty do uniwersalnego stosowania. Dodatkowo nie każdy kamień potrzebuje tego zabiegu. W przypadku granitu impregnaty mają poprawić zachowanie poleru na jego powierzchni, toteż ich stosowanie może być pominięte w niektórych przypadkach.

Ostatnim etapem jest odtworzenie stanu pierwotnego powierzchni posadzki. Wszelkie prace go poprzedzające powinny być do niego dostosowane, np. rodzaj i gradacja szlifowania w kontekście powierzchni, jaką chcemy uzyskać. Najczęściej na posadzce wykonywany jest poler. W zależności od rodzaju obiektu ustala się jego ostateczny wygląd. Podstawowym problemem jest zachowanie dostatecznie dużej wartości współczynnika szorstkości, przy uzyskaniu efektu połysku. Posadzka nie może być zbyt śliska, gdyż stałaby się niebezpieczna dla osób ją użytkujących.

Naprawa podłóg kamiennych jest procesem żmudnym, wymagającym specjalistycznej wiedzy oraz dużego doświadczenia. Przed przystąpieniem do prac powinien zostać opracowany jednolity sposób oraz specyfikacja techniczna naprawy. Kompleksowe odnowienie posadzki zapewnia całkowite przywrócenie jej wyglądu oraz parametrów podłogi nowo wykonanej. Gwarantuje więc użytkowanie jej przez kolejne lata.

W zależności od wielkości oraz rodzajów zniszczenia kamień możemy poddawać renowacji kilka lub nawet kilkanaście razy. Liczba możliwych napraw uzależniona jest od bieżącego utrzymania. Posadzka naprawiana i konserwowana w odpowiednim momencie z pewnością przetrwa dłużej niż taka, która doprowadzana jest do stanu skrajnego zużycia. Stan podłogi przed jej naprawą znacząco wpływa na czas trwania oraz koszt naprawy.

Bibliografia

Praca zbiorowa pod kierunkiem B. Stefańczyk, Budownictwo ogólne tom 1, Materiały i wyroby budowlane, Arkady, Warszawa, styczeń 2005.

W. Drozd, M. Kowalik, Współczesne posadzki przemysłowe, „Materiały kompozytowe" 1/2016.

W. Drozd, Uszkodzenia, naprawy i remonty posadzek przemysłowych, „Nowoczesne hale" nr 2/2016.

Wojciech Drozd, Mateusz Niebielski
Instytut Zarządzania w Budownictwie, Politechnika Krakowska