Czy ceramika się rozszerza? Zaskakujące zachowanie materiałów budowlanych

11/07/2025

W świecie budownictwa, gdzie precyzja i trwałość są na wagę złota, często pomijane są zjawiska, które w znaczący sposób wpływają na kondycję wznoszonych konstrukcji. Jednym z takich zagadnień, które budzi wiele pytań, jest zachowanie ceramiki – materiału o tysiącletniej tradycji. Czy ceramika się rozszerza, czy może kurczy? Odpowiedź na to pytanie jest znacznie bardziej złożona, niż mogłoby się wydawać, i ma fundamentalne znaczenie dla stabilności oraz długowieczności każdego budynku. Wiele konstrukcji, nawet tuż po oddaniu do użytku, wykazuje niepokojące deformacje, pęknięcia czy przemieszczenia, które nie zawsze są wynikiem błędów wykonawczych czy przeciążeń. Często ich źródłem jest niedoszacowanie, lub wręcz ignorowanie, naturalnych ruchów materiałów budowlanych, wynikających ze zmian temperatury, wilgotności czy długotrwałych obciążeń. Zrozumienie tych procesów jest kluczem do projektowania budynków, które sprostają wyzwaniom czasu i środowiska.

W przeciwieństwie do powszechnego przekonania, problem rozszerzalności i skurczu materiałów budowlanych, w tym ceramiki, jest w literaturze fachowej, zwłaszcza anglosaskiej, traktowany z najwyższą uwagą. Polska Norma PN-B-03002 „Konstrukcje murowe – Projektowanie i obliczanie”, choć obszerna, poświęca temu zagadnieniu zaledwie kilka linijek. Nie jest to jednak wina jej twórców, a raczej jej przejściowego charakteru. Tymczasem rysy i przemieszczenia w obrębie budynku powstają nie tylko wskutek obciążeń, ale również dlatego, że nie uwzględniono, lub błędnie obliczono, zmienność wymiarową materiałów. Uszkodzenia mogą także wynikać z nieprawidłowego połączenia elementów o odmiennych właściwościach fizyko-mechanicznych, na przykład konstrukcji murowej ze stalową. Kluczem do sukcesu, czyli zaprojektowania budynku bez rys i przemieszczeń, jest zatem nie tylko obliczenie stanów granicznych nośności, ale przede wszystkim przewidywanie i uwzględnianie ruchów konstrukcji murowych oraz zachowania materiałów budowlanych w warunkach rzeczywistych, już na etapie projektowania.

Czynniki wpływające na zmiany wymiarów materiałów budowlanych

Zmiany wymiarów materiałów budowlanych zachodzą niezależnie od naszej woli. Musimy zaakceptować ich istnienie i nauczyć się z nimi pracować. Dopóki zmiana wymiarów materiału nie napotyka oporu, wszystko jest w porządku. Problemy zaczynają się, gdy ruch konstrukcji zostaje zablokowany. Wówczas dochodzi do lokalnego przekroczenia wytrzymałości, co skutkuje uszkodzeniami. Dlatego tak ważne są dylatacje, czyli celowe dzielenie budynku na mniejsze, niezależne fragmenty. Nieuwzględnienie tego aspektu lub nieumiejętne zablokowanie ruchu (np. brak dylatacji, zbyt wąska szczelina dylatacyjna, zbyt sztywny materiał w przerwie dylatacyjnej) w większości przypadków prowadzi do zarysowania konstrukcji murowej. Czynnikami odpowiedzialnymi za te zmiany są m.in.:

Obciążenia (sprężyste/niesprężyste deformacje/pełzanie)
Temperatura (rozszerzanie/kurczenie)
Wilgotność (pęcznienie/skurcz)
Krystalizacja soli rozpuszczalnych w wodzie (wzrost objętości)

Wpływ obciążeń na deformacje materiałów – pełzanie

W polskiej normie murowej wiele miejsca poświęcono obliczeniom stanów granicznych nośności, co ułatwia projektantom wyliczanie parametrów muru. Jednakże, norma ta nie podaje wartości pełzania ani plastycznej deformacji materiałów budowlanych poddawanych długotrwałym obciążeniom. Pełzanie to zjawisko, w którym pod wpływem stałego obciążenia dochodzi do nieodwracalnej deformacji konstrukcji. Wielkość odkształcenia zależy od obciążenia, czasu jego działania oraz wieku konstrukcji. Amerykańskie Stowarzyszenie Brick Industry Association podaje następujące wartości współczynnika pełzania:

Współczynniki pełzania dla różnych materiałów:

Konstrukcje murowe z ceramiki: Zjawisko pełzania dotyczy przede wszystkim spoiny. W wielu przypadkach wielkość tego ruchu może być pomijana w obliczeniach. Współczynnik pełzania dla tego typu konstrukcji murowej wynosi 0,10x10^-4 mm/mm per MPa.
Konstrukcje murowe z bloczków betonowych: Wykazują większy współczynnik pełzania ze względu na zawartość cementu w elementach murowych. Współczynnik pełzania wynosi 0,36x10^-4 mm/mm per MPa.
Beton: O ile w przypadku ceramiki i bloczków betonowych pełzanie jest na niewielkim poziomie, o tyle w budynkach opartych na konstrukcji szkieletu betonowego może stać się poważnym problemem. Pełzanie dla wysokowytrzymałych elementów betonowych jest mniejsze niż dla betonów o niskich wytrzymałościach. Jest również nieznacznie większe w betonach opartych na lekkich kruszywach niż w betonach ze standardowymi wypełniaczami. W wysokich budynkach, stawianych w technologii szkieletu, całkowite skurczenie się betonowych kolumn, wynikające z elastycznych i nieelastycznych deformacji oraz siły grawitacji, może być znaczące i wynosić powyżej 25 mm na każde 24 m wysokości. Takie wartości są na tyle duże, że nieuwzględnienie tego typu zachowania betonu zwykle prowadzi do uszkodzenia ścian wypełniających budynek.

Wpływ temperatury na rozszerzalność materiałów

Wszystkie materiały budowlane zwiększają swoje wymiary i kurczą się w rytm zmian temperatury otoczenia. Teoretycznie zmiany te są odwracalne. W konstrukcjach murowych, gdzie ruch związany ze zmianą temperatury zostaje zablokowany, pojawiają się naprężenia. Wielkość pojawiającego się naprężenia można wyliczyć, mnożąc współczynnik rozszerzalności termicznej przez różnicę temperatur oraz moduł Younga materiału budowlanego. Za różnicę temperatury należy przyjąć średnie wartości dla danego elementu budynku.

Temperatura na powierzchni materiału budowlanego zależy m.in. od orientacji ściany względem stron świata, koloru cegły oraz typu ściany (z izolacją lub bez). Należy brać pod uwagę fakt, że temperatura na powierzchni muru jest zwykle znacznie wyższa niż temperatura atmosfery. Ściany zlokalizowane w kierunku południowym, zbudowane z cegły o ciemnej powierzchni, mogą nagrzewać się do temperatury 60-65°C, podczas gdy powietrze jest nagrzane „tylko” do 38°C. Z drugiej strony, w niektórych regionach Polski temperatura zimą spada do -30°C. Stąd też, przy obliczaniu należy również uwzględniać lokalne warunki klimatyczne. W okolicach Suwałk temperatury zimą są znacznie niższe niż w okolicach Wrocławia, co oznacza, że różnice temperatur zima/lato przyjmowane do obliczeń będą różne.

Szczególną uwagę należy zwrócić na projektowanie narożników budynków. W tych miejscach bardzo często widoczne są uszkodzenia, wynikające z koncentracji naprężeń termicznych. Dylatację powinno umieszczać się w bezpośrednim sąsiedztwie narożnika, aby zminimalizować ryzyko pęknięć. Polska norma murowa podaje współczynniki ekspansji termicznej dla materiałów budowlanych, jednak nie podaje tej wartości dla zapraw. Współczynnik rozszerzalności termicznej zapraw zależy od rodzaju zastosowanych spoiw i waha się w granicach od 7,0 (zaprawa wapienna) do 13,5x10^-6/K (zaprawa cementowa). Pośrednie wartości występują dla mieszanek cementowo-wapiennych i zależą od proporcji składników wiążących.

Kluczowa rola wilgotności – ceramika a jej wymiary

Za wyjątkiem metali, większość materiałów budowlanych, w tym ceramika, pochłaniając wilgoć, zwiększa swoją objętość. Dla jednych materiałów zmiany te są nieodwracalne, dla innych odwracalne lub częściowo odwracalne. W kontekście cegły ceramicznej, której norma murowa przypisuje skurcz (-0,2 mm/m), pojawia się interesująca sprzeczność z danymi amerykańskimi i kanadyjskimi, które wskazują na rozszerzanie się ceramiki. Okazuje się, że obie strony mogą mieć rację, a klucz leży w zrozumieniu dwufazowego zachowania cegły.

W cegle ceramicznej występują dwa rodzaje zmian wymiarowych. Tuż po wyciągnięciu cegły z pieca, rzeczywiście obserwuje się niewielki skurcz materiału, związany ze spadkiem temperatury po procesie wypału. Jednak od momentu, gdy temperatura cegły zrówna się z temperaturą otoczenia, w wyniku pochłaniania wilgoci z atmosfery rozpoczyna się kolejny etap – zwiększanie się jej objętości. Jest to proces stały i nieodwracalny, o stopniowo zmniejszającej się szybkości. Największe zmiany objętości obserwuje się w ciągu pierwszych kilku tygodni „życia” cegły (do 50% całkowitej ekspansji). Pozostałe 50% jest osiągane w ciągu pierwszych 15 lat „życia” cegły. Wielkość i szybkość ekspansji cegły, a z nią również konstrukcji murowej, uzależniona jest m.in. od składu surowcowego cegły, w mniejszym stopniu od temperatury wypału. Na proces ten wpływa również sposób formowania cegły. Cegły o luźnej, mało zwartej strukturze wykazują większe zmiany objętościowe niż cegły prasowane o gęstej, zwartej strukturze. Poniższa tabela przedstawia współczynniki ekspansji dla poszczególnych typów cegieł:

Sposób produkcji cegły	Współczynnik ekspansji "e"
Wyciskanie	1,1 mm/m
Prasowanie	0,6 mm/m
Prasowanie na mokro	1,0 mm/m
Najwyższy zmierzony	> 1,6 mm/m

Krystalizacja soli rozpuszczalnych w wodzie

Krystalizacja soli wiąże się z dodatnimi zmianami objętości. Jeśli proces ten odbywa się wewnątrz materiału budowlanego (np. cegły, okładziny ściennej, tynku), rezultatem krystalizacji może być poważne uszkodzenie. Tego typu procesy są trudne do przewidzenia pod względem ich lokalizacji i wielkości zmian objętości. Dlatego lepiej jest im zapobiegać. Dużą rolę odgrywa tu wykonawca, który powinien prowadzić prace budowlane tak, aby po ich zakończeniu budynek zawierał jak najmniej wilgoci pochodzącej z wody technologicznej.

Jak przewidzieć ruchy konstrukcji murowych?

Dla dużej grupy budynków, ze względu na ich złożoność oraz szeroką gamę zastosowanych materiałów budowlanych, nie jesteśmy w stanie do końca przewidzieć i policzyć wszystkich zmian, jakie będą miały miejsce. Nie stoimy jednak na straconej pozycji. Niektóre czynniki, takie jak ekspansja materiału podczas zamrażania, możemy pominąć ze względu na ich znikomy wpływ. Poniższe równanie uwzględnia większość znaczących ruchów, jakie mogą wystąpić wewnątrz materiałów budowlanych. Powinno się je stosować, aby mieć pewność, że zaprojektowany budynek będzie zachowywał się zgodnie z naszymi przewidywaniami:

m_u = (k_e + k_f + k_t ΔT)L

gdzie:

m_u - zmiana wymiaru nieskrępowanej konstrukcji murowej
k_e - współczynnik ekspansji pod wpływem wilgoci
k_f - współczynnik ekspansji związanej z zamrażaniem (zwykle do pominięcia)
k_t - współczynnik ekspansji termicznej
ΔT - zmiana temperatury
L - długość konstrukcji murowej

Do obliczeń można przyjmować wartości średnie podawane w tablicach. Należy jednak pamiętać, że choć postępując w ten sposób nie popełniamy błędu, może to prowadzić do przeszacowania lub niedoszacowania wyników. Dlatego też bardziej właściwym postępowaniem jest sytuacja, kiedy projektant stara się dowiedzieć u producentów materiałów budowlanych jak najwięcej o oferowanych przez nich wyrobach. Im więcej wiemy, tym lepiej nie tylko dla nas, ale również dla konstrukcji murowej.

Często zadawane pytania (FAQ)

1. Czy wszystkie materiały budowlane rozszerzają się i kurczą?

Tak, z wyjątkiem niektórych metali, większość materiałów budowlanych podlega zmianom wymiarowym pod wpływem temperatury, wilgotności, obciążeń i innych czynników środowiskowych. Zmiany te mogą być odwracalne lub nieodwracalne.

2. Dlaczego dylatacje są tak ważne w budownictwie?

Dylatacje, czyli przerwy konstrukcyjne, pozwalają na swobodne ruchy materiałów budowlanych spowodowane zmianami temperatury, wilgotności czy pełzaniem. Ich brak lub nieprawidłowe wykonanie może prowadzić do powstawania niekontrolowanych naprężeń w konstrukcji, co objawia się pęknięciami, rysami i uszkodzeniami ścian.

3. Jakie są główne czynniki wpływające na deformację cegły ceramicznej?

Cegła ceramiczna po wypale początkowo kurczy się nieznacznie w wyniku stygnięcia. Następnie, przez długi czas (nawet 15 lat), nieodwracalnie rozszerza się pod wpływem absorpcji wilgoci z atmosfery. Na szybkość i wielkość tej ekspansji wpływa skład surowcowy, temperatura wypału oraz sposób formowania cegły (np. cegły wyciskane mają większą ekspansję niż prasowane).

4. Czym różni się naprężenie konwencjonalne od naprężenia rzeczywistego?

Naprężenie to miara wewnętrznych sił w materiale, definiowana jako siła na jednostkę powierzchni. Rozróżnia się dwa typy naprężenia w testach mechanicznych:

Naprężenie konwencjonalne (inżynierskie): Jest to przyłożone obciążenie podzielone przez oryginalną powierzchnię przekroju próbki. Jest łatwe do obliczenia i powszechnie stosowane w inżynierii, ale nie uwzględnia zmian powierzchni przekroju podczas deformacji materiału. Wzór to: σ = F / A₀, gdzie F to siła, a A₀ to oryginalna powierzchnia.
Naprężenie rzeczywiste (prawdziwe): Uwzględnia bieżącą (chwilową) powierzchnię przekroju materiału podczas deformacji pod obciążeniem. Jest to dokładniejsza miara naprężenia wewnątrz materiału, ale trudniejsza do obliczenia w praktyce. Wzór to: σ_t = F / A, gdzie F to siła, a A to rzeczywista powierzchnia przekroju pod obciążeniem.

Dla większości obliczeń inżynierskich stosuje się naprężenie konwencjonalne, ale w przypadku dużych deformacji lub dla materiałów o znaczących zmianach przekroju (np. metale ciągliwe), naprężenie rzeczywiste dostarcza dokładniejszego obrazu zachowania materiału.

5. Czy lokalne warunki klimatyczne mają znaczenie przy projektowaniu?

Absolutnie tak. Różnice temperatur między zimą a latem, a także ekspozycja ścian na słońce, znacząco wpływają na naprężenia termiczne w konstrukcji. Projektant musi uwzględniać te lokalne warunki, aby prawidłowo dobrać dylatacje i materiały.

Podsumowując, zrozumienie i uwzględnienie ruchów materiałów budowlanych, w tym ceramiki, jest absolutnie kluczowe dla trwałości i bezpieczeństwa każdej konstrukcji. Mam nadzieję, że ten artykuł skłoni projektantów do myślenia nie tylko o obciążeniach, ale również o temperaturze i wilgotności, w jakiej budynek będzie pracował. Mury, a za nimi całe budynki, reagują na to, co dzieje się w ich otoczeniu. Nieuwzględnianie tego, że wymiary budynków zmieniają się wraz ze zmianą temperatury i wilgotności, jak również tego, że niektóre elementy murowe w naturalny sposób kurczą się, a inne pęcznieją, może doprowadzić do poważnych i kosztownych uszkodzeń ścian. Projektując z myślą o dynamice materiałów, tworzymy budynki, które przetrwają próbę czasu.

Zainteresował Cię artykuł Czy ceramika się rozszerza? Zaskakujące zachowanie materiałów budowlanych? Zajrzyj też do kategorii Ceramika, znajdziesz tam więcej podobnych treści!