Silikaty w budownictwie tradycyjnym i niskoenergetycznym

Budynki niskoenergetyczne to obiekty o wysokiej charakterystyce energetycznej, które powinno cechować znacząco niskie i ograniczone do ok. 30-50% zapotrzebowanie na ciepło w stosunku do budynków tradycyjnych, wznoszonych zgodnie z obowiązującymi przepisami [2], [3].

W art. 5 ust. 1 Prawa budowlanego [3] zapisano, że obiekt budowlany należy projektować i budować w sposób określony w przepisach, w tym techniczno-budowlanych, oraz zgodnie z zasadami wiedzy technicznej, zapewniając mu w przewidywanym czasie użytkowania m.in. oszczędną gospodarkę energią i wysoką izolacyjność cieplną. W ust. 2 tego samego artykułu ustawodawca wymaga, aby wspomniany obiekt był użytkowany w sposób zgodny z jego przeznaczeniem i wymaganiami ochrony środowiska oraz utrzymywany w należytym stanie technicznym i estetycznym, tak aby nie dopuścić do nadmiernego pogorszenia właściwości użytkowych obiektu i sprawności technicznej. Zastosowanie nowoczesnych materiałów w rozwiązaniach przegród budowlanych powinno zapewnić im nie tylko pożądane parametry ciepłochronne, ale jednocześnie sprawność techniczną w jak najdłuższym okresie eksploatacji.

W budownictwie niskoenergetycznym i powszechnym nie należy rozpatrywać przegród pionowych wyłącznie w aspekcie ich wymaganej ciepłochronności oraz nośności, ponieważ sprawność techniczna tych elementów będzie zależała również od innych czynników i uwarunkowań. Obecnie, pomimo ułatwionego dostępu do zaawansowanych narzędzi projektowych oraz nowoczesnych technologii wykonawczych, nowo powstające obiekty budowlane, a tym samym ich części składowe, nadal obarczone są wieloma wadami, powszechnie utożsamianymi z niedbalstwem wykonawczym, natomiast dopiero w dalszej kolejności z błędnym ich zaprojektowaniem. Bardzo często się zapomina o najdłuższym i najcięższym okresie próby, jakim dla nich jest etap eksploatacji, niejednokrotnie w skrajnych warunkach klimatu zewnętrznego i wewnątrz obiektu. Na równi ze spełnieniem wymagań stanu granicznego nośności i użytkowalności powinno się stawiać wymagania dotyczące ich odporności na zachodzące w nich stale procesy fizykalne, przewidując ich konsekwencje. Będą one miały znaczący wpływ na zużywanie się techniczne budynków i budowli. Jednym z popularnych wyrobów stosowanych w tradycyjnych konstrukcjach murowych (obok ceramiki oraz betonu komórkowego) jest cegła wapienno-piaskowa, wytwarzana z trzech składników, tj. piasku o dużej zawartości krzemionki, wapna palonego i wody (rys. 1), przypominająca swoją strukturą piaskowiec, tj. skałę występującą naturalnie w skorupie ziemskiej.

Rys. 1. Silkiaty – skład surowcowy

Zobacz:

• Jak zbudować kanały wentylacyjne przy pomocy elementów silikatowych?
• Murowanie z betonu komórkowego i silikatów
• Jak uniknąć docięć przy wznoszeniu przegród murowych z silikatów?

Fot. H+H Polska

Technologia produkcji wyrobów silikatowych została opatentowana w 1880 r. przez Wilhelma Michaelisa, a od 1894 r. datuje się ich produkcję na skalę przemysłową [1]. Dokumentem normatywnym, precyzującym wymagania stawiane materiałom silikatowym, jest norma PN-EN 771-2 Wymagania dotyczące elementów murowych – Część 2: Elementy murowe silikatowe, jak również wiele innych i mających bardziej ogólny charakter aktów prawnych, w tym ustawa z dnia 16 kwietnia 2014 r. o wyrobach budowlanych. Cegła silikatowa, zasadniczo różniąca się składem i technologią produkcji od cegły ceramicznej, z niemałym sukcesem przetrwała w budownictwie do dzisiaj, a jej popularność stale rośnie ze względu na posiadane właściwości, tj. wysoką wytrzymałość (10-40 MPa), mrozoodporność, bezwładność cieplną, szczelność, ognioodporność (klasa A1 wg PN-EN 13501-1) oraz niską nasiąkliwość i jedną z najniższych wśród materiałów budowlanych promieniotwórczość naturalną (grupa 1). Te właśnie cechy przekonują inwestorów do częstego wyboru silikatów na podstawowy materiał przeznaczany do wznoszenia ścian. Mimo że parametry ciepłochronne silikatów nie przedstawiają się imponująco w porównaniu z betonem komórkowym czy też ceramiką poryzowaną, nie oznacza to, że nie mogą one być silną stroną budownictwa niskoenergetycznego, a nawet pasywnego. W praktyce budowlanej nie tylko parametry ciepłochronne decydują i będą decydowały o charakterze niskoenergetycznym i pasywnym całych budynków i ich przegród. Silikaty charakteryzuje jedna z najwyższych paroprzepuszczalności wśród materiałów budowlanych (współczynnik oporu dyfuzyjnego p = 5/10 i 5/25). Ponadto wapno będące spoiwem w wyrobach silikatowych naturalnie zabezpiecza ich powierzchnie przed pojawianiem się i rozwojem mikroorganizmów oraz grzybów. Ściany wykonane z cegieł silikatowych są w pewnym sensie regulatorem wilgotności w pomieszczeniach, przyjmując nadmierną wilgoć z otaczającego powietrza i oddając ją z powrotem, gdy poziom wilgotności w pomieszczeniach ulegnie obniżeniu, co pozwala na jej stabilizację na poziomie 40-60%. Dzięki swojej dużej gęstości (1500-2000 kg/m³) charakteryzują się również wysoką zdolnością akumulacji ciepła, porównywalną do takich materiałów, jak beton i cegła ceramiczna pełna (rys. 2).

Rys. 2. Porównanie pojemności cieplnej materiałów stosowanych w budownictwie

Wykonanie pionowych przegród budynku z użyciem wyrobów silikatowych pozwala na magazynowanie w nich nadmiaru ciepła przy wzroście temperatury w jego pomieszczeniach i jednocześnie oddawanie jego zapasu w momencie jej obniżenia się. Umożliwia to regulację i zaoszczędzenie energii cieplnej w okresach chłodnych, natomiast w okresach cieplejszych – utrzymywanie przyjemnego mikroklimatu (chłodu) w pomieszczeniach. Mimo że silikaty nie cechuje zbyt wysoki opór cieplny, to jednak wpisują się one proces oszczędzania energii w budownictwie, na co pozwalają ich inne właściwości, w tym m.in. wspomniana wyżej pojemność cieplna i przede wszystkim trwałość. Wymienione wyżej cechy materiałów budowlanych powinny być brane pod uwagę na etapie projektowania budynków, a następnie w fazie ich wznoszenia, lecz nie może to być równoznaczne z rezygnacją ze stosowania niezależnych ich zabezpieczeń, np. przed uszkodzeniami mechanicznymi czy też wilgocią zewnętrzną, w tym pochodzącą z gruntu. Zawilgocony materiał traci swoje pierwotne właściwości cieplne i staje się podatniejszy na zagrożenia mikrobiologiczne. Projektowanie budynków energooszczędnych z silikatów nie odbiega od zasad projektowania takich samych obiektów z innych materiałów. Ściany z silikatów wykonuje się podobnie jak tradycyjne z użyciem zwykłych zapraw (cementowo-wapiennych), łączonych na zwykłe spoiny poziome i pionowe lub też cienkowarstwowe o grubości ok. 3 mm. Ostatnio powszechnie stosowane w budownictwie mieszkaniowym zewnętrzne przegrody jednowarstwowe, wykonywane z materiałów o współczynniku przewodzenia ciepła λ i gęstości znacznie niższej niż wyroby silikatowe, wykazują również wysoce obniżoną w stosunku do ww. bezwładność cieplną (rys. 2 i 3).

Rys. 3. Przykład ściany wykonanej z drążonych pionowo, poryzowanych cegieł ceramicznych

Ponadto pozbawione dodatkowej, zewnętrznej warstwy chroniącej przed utratą ciepła będą go znacznie szybciej oddawały do otoczenia niż np. ściany dwuwarstwowe. Brak zewnętrznej izolacji cieplnej powoduje „przemieszczenie” się strefy niskich temperatur w głąb przekroju przegrody, która szybko się wychładza, co pokazano na przykładzie cegieł/pustaków pionowo drążonych, stosowanych w ścianach jednowarstwowych (rys. 3 i 4). W takim przypadku maleje objętość i masa przekroju ściany mogąca kumulować ciepło i regulować temperaturę wnętrza pomieszczeń.

Rys. 4. Porównanie parametrów ciepłochronnych przegród wykonanych z różnych materiałów

Dla porównania na rys. 4 zamieszczono przykłady rozkładu temperatury w przekrojach ścian jednowarstwowych, wykonanych z ceramiki poryzowanej (λ = 0,095 W/(mK)), bloczków betonu komórkowego (λ = 0,095 W/(mK)) oraz silikatów o λ = 0,5 W/(mK) (jednowarstwowej i dwuwarstwowej z dociepleniem zewnętrznym o λ = 0,035 W/(mK)). Wszystkie te przegrody spełniają wymagania rozporządzenia [2] w zakresie ciepłochronności, które obowiązują od stycznia 2021 r. (tabl.), z wyjątkiem ściany pokazanej na rys. 4c. Pierwsze trzy przegrody (rys. 4a, 4b, 4c) wykonano cegieł/bloczków na zaprawie ciepłochronnej o λ = 0,012 W/(mK) o grubości 48 cm.

Pomieszczenie ogrzewane – pomieszczenie, w którym na skutek działania systemu ogrzewania lub w wyniku bilansu strat i zysków ciepła utrzymywana jest temperatura, której wartość została określona w § 134 ust. 2 rozporządzenia [2]. ti – temperatura pomieszczenia ogrzewanego zgodnie z § 134 ust. 2 rozporządzenia [2]. *Zmiana Warunków Technicznych

W założeniach do sporządzenia modelu ściany, zamieszczonym na rys. 4d, przyjęto zewnętrzną warstwę termoizolacji wykonaną z lekkiego materiału o niskim współczynniku λ, pozwalającą na zmniejszenie przekroju konstrukcyjnego ściany, a tym samym na zaoszczędzenie kosztów produkcji i dostaw wyrobów silikatowych, przy jednoczesnym zachowaniu bezpiecznego poziomu nośności tych przegród. We wszystkich przypadkach pokazanych na rys. 4 spełniony został warunek uniknięcia niepożądanej kondensacji powierzchniowej. Oznacza to, że wielkość współczynnika temperaturowego f_Rsi dla każdej ze ścian przewyższa jego wartość krytyczną f_Rsi.kryt = 0,72 [2]. Prawidłowo ułożona termoizolacja powinna zapewnić ciągłość i jednorodność cieplną przegrody, co pozwoli na wyeliminowanie lub złagodzenie negatywnego wpływu mostków cieplnych, np. w miejscach oparcia konstrukcji stropów, wokół ościeży stolarki otworowej, w miejscach „przejść” instalacji.

Wartości współczynnika przenikania ciepła U_C w tym przypadku dla ścian zewnętrznych [2] – uwzględniające poprawki ze względu na pustki powietrzne w warstwie izolacji, łączniki mechaniczne przechodzące przez warstwę izolacyjną – obliczone zgodnie z Polskimi Normami, dotyczącymi obliczania oporu cieplnego i współczynnika przenikania ciepła, nie mogą być większe niż wartości U_C(max) określone w tablicy (ograniczono ją tylko do przegród zewnętrznych).

Bardzo istotnym elementem decydującym o energooszczędności obiektów jest właściwa budowa ich zewnętrznych przegród, zapewniająca uzyskanie na wymaganym poziomie współczynnika przenikania ciepła U, o wartościach niższych od podanych w tablicy [2]. Dobrze zaprojektowane i wykonane przegrody budowlane będą warunkiem koniecznym do zapewnienia stabilizacji cieplnej budynku, jednak mogą się okazać też niewystarczające do tego, aby zapewnić komfort użytkowy pomieszczeń na wymaganym poziomie i jednocześnie nie doprowadzić do zagrożenia biologicznego oraz ich degradacji. Budowa jedno- lub wielowarstwowych przegród powinna w maksymalnym stopniu zapobiegać wychładzaniu się pomieszczeń zimą i ich przegrzewaniu latem [2]. Mogą one w okresach grzewczych przyjmować pewną ilość wilgoci, natomiast w okresach ciepłych (kwiecień – wrzesień) powinny się pozbywać ich nadmiaru. Bilans wilgoci powinien utrzymywać się na stałym poziomie w cyklach rocznych (rys. 5). W innym przypadku może nastąpić trwała jej kondensacja we wnętrzu przegród, która w końcu może doprowadzić do ich wewnętrznej degradacji i jednocześnie obniżenia zdolności ciepłochronnych.

Rys. 5. Rozkład wilgoci w narożniku ściany wykonanej z cegły silikatowej o grubości 18 cm na zwykłej zaprawie cementowo-wapiennej z zewnętrzną warstwą izolacji cieplnej grubości 16 cm
i obustronnym tynkiem

Prawidłowa eksploatacja przegród wymaga również zapewnienia odpowiedniego komfortu cieplnego w pomieszczeniach, czyli temperatury na wymaganym poziomie [2] oraz odpowiedniej ilości wymian zużytego powietrza (wg PN-83/B-03430 Wentylacja w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej – zmiana Az3), przez wyposażenie budynków w stosowne instalacje.

Wymiana powietrza w pomieszczeniach jest zjawiskiem zarówno negatywnym, jak i pozytywnym. Jej negatywność polega na konieczności stałego ogrzewania lub podgrzewania wymienianego powietrza, natomiast sprawna wentylacja reguluje bilans cieplno-wilgotnościowy zarówno w ogrzewanych pomieszczeniach, jak i w ich przegrodach.

Żadna przegroda budowlana nie będzie pozbawiona wilgoci, nawet w warunkach jej pełnego możliwego zabezpieczenia przed środowiskiem zewnętrznym i prawidłowego utrzymywania. Materiały budowlane zawierają w sobie pewną ilość wilgoci początkowej, natomiast ich wbudowywanie w elementy obiektów budowlanych dostarcza jej dodatkowych porcji, będących efektem „mokrych” procesów technologicznych, a następnie fizykalnych. Kolejnym znaczącym dostawcą wilgoci do przegród jest człowiek (jego procesy życiowe i czynności domowe) oraz otoczenie dostarczające ją w postaci opadów atmosferycznych, przenikającej pary wodnej oraz wody podciąganej kapilarnie z gruntu. Wilgoć występująca we wnętrzu przegród sprzyja obniżeniu ich termoizolacyjności, dlatego jest zjawiskiem niepożądanym, wymagającym prawidłowego ich zaprojektowania i wykonania, a następnie monitorowania w czasie eksploatacji obiektów, chociaż woda będąca dobrym przewodnikiem ciepła może okresowo podwyższać akumulację cieplną materiałów, pozwalając na przyjęcie z otoczenia większych porcji ciepła.

Jak już wspomniano, w eksploatacji przegród bardzo istotną rolę odgrywa nie tylko stabilizacja cieplna, lecz także stabilizacja wilgotnościowa. Na rys. 5 przedstawiono rozkład wilgoci w narożniku ścian budynku wykonanych z silikatów dla dwóch skrajnych okresów klimatycznych: letniego i zimowego.

Dwa górne wykresy (rys. 5) przedstawiają rozkład wilgoci w warstwach narożnika ścian. Wyraźnie na nich odznacza się przyrost wilgoci w okresie zimowym, co znajduje swoje potwierdzenie w dolnym wykresie, który przedstawia 10-letni okres wskazujący na wilgotnościową stabilność przegrody, bez trwałego jej przyrostu w kolejnych latach. Tynk zewnętrzny pełni tu funkcję bariery zabezpieczającej przed przenikaniem wilgoci opadowej oraz sorpcyjnej, natomiast wewnętrzny pełni funkcję regulatora wilgoci od strony wnętrza pomieszczenia.

Silikaty. Podsumowanie

Jak już wspomniano na wstępie, silikat nie jest materiałem o wysokich właściwościach ciepłochronnych, porównywanych z materiałami porowatymi, takimi jak beton komórkowy czy ceramika poryzowana. Niemniej jednak jego inne cechy opisane w tym artykule predysponują go do roli materiału bardzo przydatnego w procesie wznoszenia budynków niskoenergetycznych, a nawet pasywnych, choćby tylko ze względu na możliwości akumulacyjne ciepła, odporność na zagrożenia mikrobiologiczne, odporność na wilgoć oraz wysoką wytrzymałość, przez co można ograniczać grubość konstrukcyjną ścian i jednocześnie zużycie surowca oraz energii wykorzystywanej do produkcji wyrobów. Właściwości te, przy odpowiednim doborze zewnętrznej warstwy termoizolacji (rodzaj, grubość i trwałość), czynią ten materiał sprzyjającym późniejszym użytkownikom jak również korzystnym dla środowiska (wszystkie składniki naturalne), regulującym mikroklimat pomieszczeń, a przy tym o wysokiej trwałości. Podane w artykule charakterystyki cieplne ścian są przykładowe, obecnie niektóre przegrody jednowarstwowe cechuje już wyższa izolacyjność cieplna, natomiast przyjęcie grubości termoizolacji równiej 16 cm dla ostatniego przypadku, pokazanego na rys. 4d, miało na celu przedstawienie korzystnych stron związanych z zastosowaniem silikatów w przegrodach wielowarstwowych nowoczesnego budownictwa.

Literatura

1. Bajno, Oszczędność energii i ochrona cieplna. Regulacje prawne, obliczenia i rozwiązania konstrukcyjne na przykładzie ścian z silikatów, SPS Białe Murowanie, Warszawa 2018.

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. Dz.U. z 2019 r. poz. 1065).
3. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (t.j. Dz.U. z 2019 r. poz. 1186 ze zmianami: Dz.U. z 2019 r. poz. 1309, 1524, 1696, 1712, 1815, 2166, 2170).

Dariusz Bajno

Sprawdź: Produkty budowlane