22/06/2017
W świecie budownictwa, gdzie innowacje często idą w parze z poszukiwaniem bardziej ekologicznych i zrównoważonych rozwiązań, powrót do materiałów naturalnych staje się coraz bardziej popularny. Glina i słoma, choć znane i używane od tysięcy lat, wciąż zaskakują swoimi właściwościami i potencjałem. Niniejszy artykuł zagłębi się w charakterystykę tych dwóch niezwykłych surowców, analizując ich przepuszczalność, izolacyjność termiczną oraz inne kluczowe cechy, które sprawiają, że są one niezastąpione w nowoczesnym, świadomym ekologicznie budownictwie.
Glina: Materiał O Złożonej Przepuszczalności
Glina, często kojarzona z ceramiką i lepieniem, jest również niezwykle ważnym materiałem w inżynierii gruntów i budownictwie. Jej właściwości są unikalne, a zrozumienie ich jest kluczowe dla prawidłowego zastosowania. Jedną z najbardziej intrygujących cech gliny jest jej przepuszczalność dla wody.
Przepuszczalność Zagęszczonej Gliny
Mimo że glina jest materiałem wysoce porowatym, charakteryzuje się bardzo niską przepuszczalnością. Oznacza to, że choć w jej strukturze znajduje się wiele przestrzeni (porów), to jednak połączenia między nimi są na tyle małe i kręte, że woda ma trudności z swobodnym przepływem. W kontekście inżynierii gruntów, próbki gleby gliniastej charakteryzują się współczynnikiem przepuszczalności (k) wynoszącym od 1,10-7 do 1,10-9 m/s. Ta niska wartość jest powodem, dla którego glina często działa jako akwitar, czyli warstwa geologiczna, która utrudnia, a wręcz prawie uniemożliwia, przepływ wody, w przeciwieństwie do warstw wodonośnych, takich jak żwir czy piasek, które są zarówno porowate, jak i wysoce przepuszczalne.
Zdolność gliny do ograniczenia przepływu wody jest wykorzystywana w wielu zastosowaniach, na przykład do budowy barier izolacyjnych na składowiskach odpadów czy w uszczelnianiu zbiorników wodnych. Badania laboratoryjne, takie jak te mierzące zawartość ołowiu, chromu, manganu i żelaza w dopływie i odpływie reaktora laboratoryjnego, pozwalają określić szybkość usuwania tych pierwiastków przez naturalną, zagęszczoną i skonsolidowaną glebę gliniastą. To dowodzi, że glina nie tylko ogranicza przepływ wody, ale także może odgrywać rolę w procesach oczyszczania i retencji substancji chemicznych.
Słoma: Rewolucja w Izolacji Termicznej
Słoma, będąca odpadem z upraw zbóż, takich jak żyto czy pszenica, jest przykładem surowca roślinnego, który idealnie wpisuje się w zasady zrównoważonego rozwoju w budownictwie. Jej wykorzystanie jako materiału termoizolacyjnego ścian zewnętrznych, znane jako technika Strawbale, zyskuje na popularności dzięki swoim wyjątkowym właściwościom termicznym i ekologicznym.
Początki i Rodzaje Słomy w Budownictwie
Nowoczesne techniki budowania ze słomy zapoczątkowano w Nebrasce w 1880 roku. Słoma jest suchą łodygą skoszonego zboża (pszenicy, żyta, jęczmienia, owsa, ryżu, prosa) lub roślin włóknistych (lnu, konopi). Jej głównymi składnikami są celuloza (stanowiąca około 40–50% suchej masy słomy zbożowej), lignina i krzemionka. Celuloza odpowiada za stabilność i izolacyjność, lignina poprawia wytrzymałość mechaniczną, a krzemionka zwiększa odporność na rozkład. Zewnętrzna warstwa słomy charakteryzuje się woskowatymi, hydrofobowymi właściwościami, co dodatkowo wspomaga jej funkcje.
W budownictwie najczęściej stosuje się kostki ze słomy pszenicznej, orkiszowej i żytniej. Słoma jęczmienna i owsiana jest mniej stabilna i rzadziej wykorzystywana jako materiał izolacyjny. Kluczowe jest, aby skoszona słoma nie pozostawała na deszczu, ponieważ staje się wtedy łamliwa i bardziej podatna na korozję biologiczną. Dobrej jakości słoma powinna mieć złotożółty kolor, być wolna od chwastów i oznak korozji.
Kostki słomy są sprasowane i wiązane drutem stalowym lub sznurkiem z tworzywa sztucznego. Ich wymiary mogą się różnić, ale typowo małe kostki mają od 40 do 110 cm długości, 46 cm szerokości i 36 cm wysokości. Inne źródła podają zakres długości od 30 do 120 cm, szerokość 41 cm i wysokość 31 cm. Przykładem jest kostka o wymiarach 40×50×90 cm i gęstości objętościowej 117 kg/m3, ważąca około 20 kg.
Techniki Budowania ze Słomy
Istnieją dwie główne techniki budowania ścian z kostek słomy:
- Wypełnienie szkieletu drewnianego: Jest to najbardziej rozpowszechniony sposób. Kostki słomy pełnią funkcję izolacji termicznej, nie przenosząc obciążeń od konstrukcji dachu i stropu. Słupy szkieletu są często ustawiane w dwóch rzędach, tworząc tzw. drabinkę, co zapewnia stabilność i miejsce na wypełnienie.
- Nośne wykorzystanie kostek słomy: W tej technice ściana ze skompresowanych kostek słomy sama przenosi obciążenia z dachu i stropu. Na szczycie ściany umieszcza się drewniany wieniec, który jest przewiązany z podwaliną np. gwintowanym prętem lub pasem napinającym. Takie sprężanie ściany redukuje problem osiadania w trakcie użytkowania. Zaleca się, aby stosunek grubości ścian do ich wysokości nie przekraczał 1:6, a maksymalne obciążenie ścian wynosiło 20 kN/m2. Dla tej techniki kostki powinny mieć gęstość objętościową rzędu 110 kg/m3 i możliwie największe wymiary, aby zapewnić właściwy rozkład obciążeń.
Powierzchnie ścian z kostek słomy wykańcza się zazwyczaj tynkami. Od strony wewnętrznej stosuje się tynki gliniane, które są paroprzepuszczalne, ale nieodporne na wodę. Od strony zewnętrznej używa się tynków wapiennych, które zapewniają ochronę przed czynnikami atmosferycznymi, głównie wodą deszczową. Tynki te, często modyfikowane dodatkiem materiałów włóknistych, takich jak sieczka słomiana, charakteryzują się niskim współczynnikiem oporu dyfuzyjnego (rzędu 8–10), co nie blokuje otwartości dyfuzyjnej ściany.
Tynki pełnią również funkcje ochronne: zabezpieczają przed wdmuchiwaniem zimnego wiatru (który znacząco obniża opór cieplny przegród izolowanych materiałami włóknistymi), chronią przed korozją biologiczną (szczególnie tynki wapienne z uwagi na wysoki odczyn pH) oraz przed gryzoniami (gruba warstwa, ok. 50 mm). Dodatkowo, tynki zwiększają wytrzymałość ściany, zależną od ich grubości i wytrzymałości na ściskanie. Alternatywnie, ściany mogą być wykończone elementami drewnianymi, np. deskami elewacyjnymi.
Właściwości Termiczne Kostek Słomy: Sekret Efektywnej Izolacji
Słoma zbożowa, podobnie jak inne materiały włókniste, takie jak drewno, jest materiałem anizotropowym. Oznacza to, że jej właściwości różnią się w zależności od kierunku działania czynnika zewnętrznego, w tym przypadku przepływu strumienia ciepła. Ta cecha ma fundamentalne znaczenie dla jej efektywności jako izolatora.
Współczynnik Przewodzenia Ciepła (λ)
Źdźbła słomy skierowane prostopadle do kierunku przepływu ciepła charakteryzują się niższym współczynnikiem przewodzenia ciepła niż w przypadku skierowania ich równolegle do przepływu. Dzieje się tak, ponieważ kolejne ścianki źdźbeł stanowią bariery dla strumienia cieplnego. Podczas zagęszczania kostek słomy źdźbła mają tendencję do układania się prostopadle do kierunku zagęszczania, co wpływa na orientację w gotowej kostce. W praktyce, kostkę można układać zarówno na płasko, jak i na rąb, uzyskując w ten sposób różną przenikalność cieplną.
Zgodnie z niemiecką aprobatą techniczną, współczynniki przewodności cieplnej (λ) wynoszą:
- 0,08 W/(m·K) w przypadku równoległego przepływu ciepła do łodyg.
- 0,052 W/(m·K) w przypadku prostopadłego przepływu ciepła do kierunku ułożenia łodyg.
Raport Instytutu Techniki Budowlanej dla Ogólnopolskiego Stowarzyszenia Budownictwa Naturalnego podaje wartość 0,073 W/(m·K) dla kostki słomy z łodygami skierowanymi równolegle do przepływu ciepła. Ogólnie, przewodność cieplna słomy mieści się w zakresie od około 0,043 W/(m·K) do 0,082 W/(m·K) przy gęstościach objętościowych w zakresie od około 58 do 125 kg/m3. Zazwyczaj współczynnik przewodności cieplnej wzrasta wraz ze wzrostem gęstości, jednak badania wykazywały różne korelacje.
Struktura Porowata i Porowatość
Ścianki słomy zbożowej mają porowatą strukturę z porami o kształcie zbliżonym do sześciokąta. Przykładowe badania słomy pszenicznej wykazały, że wymiary porów wahają się od 7 do 20 μm, a grubość ścianki od 90 do 130 μm. Oprócz porowatości samych ścianek łodyg, za doskonałe parametry termoizolacyjne odpowiadają również pory między zagęszczonymi źdźbłami oraz przestrzenie powietrzne wewnątrz źdźbeł. Całkowita porowatość zagęszczonej słomy w postaci kostki zależy od jej gęstości objętościowej. Badania wykazały, że słoma o gęstości 30–47 kg/m3 charakteryzowała się porowatością rzędu 94–97%, natomiast słoma o gęstości 100 kg/m3 wykazała porowatość 93%. Typowy zakres gęstości kostek słomy to 74–103 kg/m3 lub 81–106,3 kg/m3.
Warto pamiętać, że przewodność cieplna słomy, podobnie jak w przypadku innych materiałów izolacyjnych, wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i zawartości wilgoci. Dlatego kluczowe jest utrzymanie słomy w suchym stanie.
Współczynnik Przenikania Ciepła (U) i Pojemność Cieplna
Zgodnie z obliczeniami, współczynnik przenikania ciepła U dla ściany z kostek słomy o grubości 43,5 cm, pokrytej tynkiem wapiennym (o współczynniku przewodności cieplnej 0,8 W/(m·K)), wyniósł 0,16 W/(m2·K). Taka wartość pozwala na spełnienie aktualnych wymagań cieplnych stawianych przez Warunki Techniczne w Polsce, co dowodzi, że słoma jest materiałem spełniającym rygorystyczne normy energetyczne.
Kolejnym istotnym parametrem jest ciepło właściwe, czyli pojemność cieplna słomy, która wpływa na zdolność materiału do akumulowania ciepła. Badania wykazały, że objętościowy współczynnik pojemności cieplnej słomy pszennej wzrósł z 164 kJ/(m3·K) do 276 kJ/(m3·K) wraz ze wzrostem gęstości z 82 kg/m3 do 138 kg/m3. Ciepło właściwe rozdrobnionej słomy, badane za pomocą skaningowego kalorymetru różnicowego (DSC), rosło wraz ze wzrostem temperatury od 1075 ± 204 J/(kg∙K) przy 0°C do 2025 ± 417 J/(kg∙K) przy 40°C. Ta wysoka pojemność cieplna przyczynia się do stabilizacji temperatury wewnątrz budynku, co jest szczególnie korzystne w okresach wahań temperatur zewnętrznych.
Paroprzepuszczalność i Odporność Ogniowa Słomy
Dwa kolejne kluczowe aspekty, które decydują o bezpieczeństwie i trwałości budynków ze słomy, to jej paroprzepuszczalność i odporność ogniowa.
Paroprzepuszczalność
Paroprzepuszczalność materiałów wyraża się za pomocą współczynnika przepuszczalności pary wodnej (δ) oraz bezwymiarowego współczynnika oporu dyfuzyjnego (μ). Wartości tych parametrów zależą od gęstości i struktury porów materiału. Chociaż nie stwierdzono jednoznacznej korelacji między gęstością a przepuszczalnością pary wodnej, wartość współczynnika oporu dyfuzyjnego słomy mieści się w zakresie od około 2,5 do 5,2 dla gęstości od 75 do 120 kg/m3. Francuski dokument podaje wartość μ = 1,15 dla suchej kostki słomy o gęstości 100 kg/m3. Zdolność do przepuszczania pary wodnej na zewnątrz jest niezwykle ważna, zwłaszcza dla materiałów pochodzenia roślinnego, które są podatne na rozwój korozji biologicznej. Dlatego też warstwy wykończeniowe (tynki) nie powinny ograniczać tej zdolności, aby zapewnić zdrowy mikroklimat i trwałość konstrukcji.
Odporność Ogniowa
Mimo że luźno ułożona słoma zbożowa jest materiałem łatwo zapalnym, to jej zagęszczenie do postaci kostki znacząco zwiększa ognioodporność. Skompresowane łodygi słomy tworzą strukturę, która utrudnia dopływ tlenu do wnętrza kostki, co jest niezbędne do podtrzymania rozprzestrzeniającego się ognia. Dodatkowo, obustronne tynki gliniane i wapienne, którymi wykańcza się ściany ze słomy, w znacznym stopniu poprawiają ich odporność ogniową.
W klasyfikacji odporności ogniowej, czas spełnienia kryteriów wydajności podczas znormalizowanej próby ogniowej wyraża się w minutach (np. 15, 30, 60, 90, 120). Badania wykazały, że nośne ściany z kostek słomy, poddane obciążeniu użytkowemu i otynkowane obustronnie tynkiem glinianym o średniej grubości 3–5 cm, uzyskały odporność ogniową trzydziestominutową. W Austrii, w wyniku testu ściany z kostek słomy otynkowanej od strony zewnętrznej tynkiem wapiennym, a od strony wewnętrznej tynkiem glinianym, uznano odporność ogniową dziewięćdziesięciominutową. W USA przeprowadzono godzinny test odporności ogniowej nienośnej ściany z kostek słomy otynkowanej tynkiem glinianym, który również potwierdził jej dobre właściwości w przypadku pożaru.
Porównanie Właściwości Termicznych Słomy
Poniższa tabela przedstawia kluczowe właściwości termiczne kostek słomy w zależności od orientacji źdźbeł oraz gęstości, co podkreśla znaczenie odpowiedniego układania i zagęszczania materiału.
| Właściwość | Orientacja/Gęstość | Wartość | Jednostka |
|---|---|---|---|
| Współczynnik przewodności cieplnej (λ) | Łodygi równoległe do przepływu ciepła | 0,08 / 0,073 | W/(m·K) |
| Współczynnik przewodności cieplnej (λ) | Łodygi prostopadłe do przepływu ciepła | 0,052 | W/(m·K) |
| Zakres λ (dla gęstości 58–125 kg/m³) | Różne orientacje | 0,043 – 0,082 | W/(m·K) |
| Typowa gęstość objętościowa kostek | 74–106,3 | kg/m³ | |
| Współczynnik przenikania ciepła (U) dla ściany 43,5 cm | Z tynkiem wapiennym | 0,16 | W/(m²·K) |
| Objętościowa pojemność cieplna | Dla gęstości 82–138 kg/m³ | 164–276 | kJ/(m³·K) |
| Ciepło właściwe | 0°C | 1075 ± 204 | J/(kg∙K) |
| Ciepło właściwe | 40°C | 2025 ± 417 | J/(kg∙K) |
Najczęściej Zadawane Pytania
- Czy glina jest całkowicie nieprzepuszczalna dla wody?
- Nie, glina nie jest całkowicie nieprzepuszczalna, ale charakteryzuje się bardzo niskim współczynnikiem przepuszczalności (od 1,10-7 do 1,10-9 m/s dla zagęszczonej gliny). Jest porowata, ale jej pory są bardzo małe i słabo połączone, co sprawia, że woda ma duży opór w przepływie. Dlatego glina często działa jako akwitar, czyli warstwa ograniczająca przepływ wody.
- Jakie są główne zalety słomy jako materiału budowlanego?
- Słoma jest materiałem odnawialnym, ekologicznym, o doskonałych właściwościach termoizolacyjnych (niski współczynnik przewodzenia ciepła). Jest również paroprzepuszczalna, co sprzyja zdrowemu mikroklimatowi w budynku, oraz, po odpowiednim zagęszczeniu i otynkowaniu, charakteryzuje się dobrą odpornością ogniową.
- Czy ściany ze słomy są odporne na ogień?
- Tak, mimo że luźna słoma jest łatwopalna, to zagęszczone kostki słomy używane w budownictwie, szczególnie po otynkowaniu grubymi warstwami tynków glinianych lub wapiennych, wykazują wysoką odporność ogniową. Testy wykazały odporność od 30 do nawet 90 minut, co jest wynikiem porównywalnym z tradycyjnymi materiałami.
- W jaki sposób orientacja źdźbeł słomy wpływa na jej izolacyjność?
- Słoma jest materiałem anizotropowym, co oznacza, że jej właściwości termiczne zależą od kierunku przepływu ciepła względem orientacji źdźbeł. Gdy ciepło przepływa prostopadle do źdźbeł, współczynnik przewodzenia ciepła jest niższy (lepsza izolacja), ponieważ ścianki źdźbeł stanowią bariery. Gdy ciepło przepływa równolegle, izolacyjność jest nieco gorsza.
- Czy słoma w ścianach może pleśnieć lub być atakowana przez szkodniki?
- Ryzyko pleśnienia słomy jest minimalne, jeśli jest ona odpowiednio sucha w momencie budowy (wilgotność poniżej 15%) i ściana jest zaprojektowana tak, aby mogła swobodnie "oddychać" (być paroprzepuszczalna). Tynki wapienne, dzięki wysokiemu pH, dodatkowo chronią przed rozwojem mikroorganizmów. Grube warstwy tynków (około 50 mm) skutecznie zabezpieczają również przed dostępem gryzoni do słomy.
Podsumowując, zarówno glina, jak i słoma to materiały o niezwykłych właściwościach, które, choć znane od wieków, wciąż znajdują nowe zastosowania w budownictwie XXI wieku. Glina, ze swoją niską przepuszczalnością, jest idealna do zastosowań wymagających szczelności i retencji, natomiast słoma, dzięki swoim wyjątkowym parametrom termoizolacyjnym i ekologicznym, staje się filarem zrównoważonego budownictwa. Wykorzystanie tych naturalnych surowców to krok w stronę bardziej ekologicznej, energooszczędnej i zdrowej przyszłości naszej planety i naszych domów.
Zainteresował Cię artykuł Glina i Słoma: Naturalne Materiały w Budownictwie? Zajrzyj też do kategorii Materiały, znajdziesz tam więcej podobnych treści!