Sorpční vlastnosti stavebních konstrukcí a jejich vliv na vnitřní mikroklima

1. Úvod

Kvalitní vnitřní prostředí v budovách významně ovlivňuje zdraví, pohodlí a celkovou spokojenost uživatelů budov [1]. Relativní vlhkost (RH) je jedním z klíčových ukazatelů kvality vnitřního mikroklimatu. Při nízkých hodnotách relativních vlhkosti vzduchu v interiéru dochází k vysychání pokožky, sliznice a dýchacích cest. Vysoká hladina relativní vlhkosti může vést k růstu plísní a bakterií a může způsobit problémy s kondenzací vodní páry na studeném povrchu konstrukcí [2]. Pórovité stavební materiály a konstrukce disponují adsorpční kapacitou vzdušné vlhkosti. Tento potenciál lze využít jako aktivní faktor pro pasivní regulaci vzdušné vlhkosti v objektech [3].

V souladu s principy udržitelní výstavby sílí v současnosti snaha využívat v co největší míře přírodní materiály a konstrukce na jejich bázi s cílem snižovat negativní vliv stavebnictví na životní prostředí nejen při výstavbě, ale i při provozu a při případné demolici stavby na konci jejího životního cyklu. V této souvislosti je snaha znovu používat tradiční přírodní materiály a využít jejich vlastností z hlediska pozitivního vlivu na vnitřní prostředí. Z tohoto pohledu se často hovoří o přínosu surových přírodních jílů aplikovaných např. ve formě hliněných omítek, zdiva z režných nepálených cihel nebo např. monolitických konstrukcí z dusané hlíny. V porovnání s běžnými stavebními materiály lze surové jílové materiály v závislosti na jejich mineralogickém složení efektivně využít k udržování stálé úrovně relativní vlhkosti v interiéru. Mimo to jsou také jílové materiály a hliněné konstrukce šetrné k životnímu prostředí díky příznivým environmentálním parametrům jako např. nižší hodnoty svázaných emisí CO₂ a SO₂ a svázané energie, tzv. zabudované energie, snadná a energeticky nenáročná recyklace atd. Tyto materiály mají navíc neomezenou životnost a na konci životního cyklu budovy je lze jednoduše, plně a s minimálními energetickými nároky recyklovat.

Moderní aplikace těchto tradičních materiálů u nás i v zahraničí ukazují, že i v moderním stavebnictví a architektuře mají tyto materiály místo (Obr. 1, 2, 3) a mohou objektivně přispět k tvorbě kvalitního vnitřního prostředí. Na druhou stranu někdy je přínos a význam těchto materiálů nekriticky nadhodnocován. Cílem dlouhodobého projektu zpracovávaného na Katedře konstrukcí pozemních staveb FSv ČVUT v Praze a v Univerzitním centru energeticky efektivních budov UCEEB ČVUT v Praze a je ověřit skutečné chování stavebních konstrukcí využívajících přírodní materiály a jejich porovnání s běžnými stavebními konstrukcemi.

Obr. 1. Ricola Herb Centre, Laufen, Švýcarsko, 2013 (Herzg&de Meuron, Lehm Ton Erde) – Skladovací prostory firmy Ricola určené pro sušení bylin používaných jako přísady do bonbónů. Nosný ŽB skelet je opláštěný prefabrikovanými panely z dusané hlíny rozměrů cca 1,6 × 2,5 × 0,6 m. Masivní obvodový plášť s dusané hlíny vytváří tepelně vlhkostní stabilní mikroklima pro sušení bylin a významně snižuje energetické nároky na provoz skladu (foto: Jan Růžička).

Obr. 2. NE RD Plzeň Výsluní, ČR, 2011 (studio AEROPLAN, hliněná konstrukce J. Růžička, Kamil Staněk). Objekt je navržen jako dřevostavba systému „2by4“. Stěna z prefabrikovaných panelů s jádrem z nepálené hlíny plní dělicí a akumulační funkci jak z hlediska tepelné stability lehké dřevostavby, tak z hlediska sorpce vlhkosti (foto: atelier AEROPLAN, Jan Růžička).

Obr. 3. PAS RD Ptice, ČR, 2011 (atelier KUBUS) Dřevostavba 2×4 s vnitřními akumulačními stěnami z nepálených cihel a hliněnými omítkami (foto atelier KUBUS).

2. Soprpční vlastnosti stavebních konstrukcí a dynamická soprce

2.1 Experimentální metody, test dynamické sorpce

Adsorpci a desorpci vzdušné vlhkosti ovlivňuje řada faktorů: porozita, sorpční izoterma, hloubka penetrace a samotná struktura materiálů [6]. Na množství sorbované vlhkosti má také velký vliv aktivní tloušťka konstrukce [4]. Zároveň je třeba brát v úvahu rozdíl mezi chováním vlastních materiálů a celých konstrukcí a konstrukčních skladeb, jejichž výsledné vlastnosti jsou ovlivněny řadou konstrukčních a technologických souvislostí.

Samotnou otázkou tedy je, jak vlastně objektivně stanovit chování stavebních konstrukcí z hlediska sorpčních vlastností. Důležitým parametrem jsou adsorpční a desorpční křivky stavebních materiálů, které ukazují jejich potenciál z hlediska přijímání a vydávání vzdušné vlhkosti. Nicméně reálný vliv na vnitřní prostředí je dán také způsobem jejich zabudování do stavebních konstrukcí. Významný vliv mají kromě samotné tloušťky vrstvy také např. materiály, se kterými jsou v přímém kontaktu, např. nosné vrstvy omítek, atd.

Jako optimální by se mohlo jevit měření v reálním prostředí, tj. v reálných stavbách s rozdílnými konstrukcemi případně jejich povrchovými úpravami. Zde je ale problémem vliv okrajových podmínek, jako např. objem měřeného prostoru, vliv neměřených konstrukcí (podlahy, stropy, podhledy…), míra produkce vzdušné vlhkosti vlivem provozu (osoby, květiny, vaření, hygiena, sušení prádla, atd.), vliv vybavení (koberce, nábytek…), tj. takováto srovnávací měření nejsou v reálných stavbách realizovatelná.

Možným řešením by bylo vytvoření referenčních prostor (místností), které by měly shodné okrajové podmínky (identické vybavení, provoz…) a lišily by se pouze porovnávanými konstrukcemi. Takovýto experiment by byl velmi náročný, proto byla vyvinuta a vyzkoušena metoda tzv. dynamické sorpce, která tento postup imituje v menším meřítku a je tedy jednodušeji realizovatelná a umožňuje porovnávat větší škálu zkušebních vzorků.

Cílem testu tzv. dynamické sorpce je postihnout rozdíly v chování stavebních konstrukcí v tzv. reálných podmínkách, které co nejlépe modelují běžná situace při reálném provozu budov. Navržená metodika postihuje adsorpční i desorpční dynamické chování vzorků a modeluje následující situace:

• Stav 1: Vnitřní prostředí je v ustáleném stavu o teplotě 23 °C a relativní vlhkosti vzduchu 45 %.
• Stav 2: Relativní vlhkost v interiéru při konstantní teplotě 23 °C nárazově vzroste na úroveň 95 % (v reálném provozu může být způsobeno např. vařením, koupel, sprcha, praní a sušení prádla…) a je udržována po dobu 60 minut.

Následují 2 scénáře experimentu:

• VAR I: Po odstavení zdroje vlhkosti po 60 minutách je místnost intenzivně vyvětrána (cca 20 minut) na původní úroveň relativní vlhkosti 45 %. Během procesu, kdy byl v interiéru intenzivní zdroj vlhkosti, byla absorbována vodní pára do konstrukce (desorpční potenciál) a nyní je pozorována schopnost konstrukce vracet tuto naakumulovanou vlhkost zpět do prostředí. (Obr. 1 vlevo)
• VAR II: Po odstavení zdroje vlhkosti po 60 minutách je sledován potenciál konstrukcí regulovat (snižovat) zvýšenou vlhkost prostředí, tj. jejich adsorpční potenciál (Obr. 1 vpravo).

Graf 1. Dynamický desorpční test (vlevo) a dynamický adsorpční test (vpravo)

2.2 Zkušební vzorky, testované materiály a konstrukce

Chování vybraných stavebních konstrukcí bylo zkoumáno měřením tzv. dynamické sorpce na výsecích reálných skladeb stěn. Porovnávány byly následující skladby: panel z dusané hlíny, neomítnutá stěna z nepálených hliněných cihel, stěna z nepálených hliněných cihel omítnutá hliněnou omítkou a jako referenční vzorek byla použita stěna z keramických tvárnic s vápennou omítkou.

Velkoformátová zkouška dynamických sorpčních vlastností reálných stavebních konstrukcí byla testována v klimatické komoře na vzorcích o velikosti 820 × 750 mm. Tloušťky vzorků odpovídají reálným konstrukčním skladbám. Zkoušky byly provedeny v klimatické komoře WEISS WK3-1000/0-S, její vnitřní objem je 1,3 m³. V průběhu experimentu byla měřena kontinuálně teplota a relativní vlhkost vzduchu v klimatické komoře a v prostředí laboratoře. Dále bylo měřeno množství vody spotřebované klimatickou komorou k dosažení a udržení relativní vlhkosti na úrovní 95 %.

Zkušební vzorky byly instalovány do dřevěného rámu, zadní strany vzorků byly z důvodu tuhosti při manipulaci zakryty OSB deskou tl. 12 mm. Zadní a vnitřní strany vzorku byly zakryty PE fólií Gutta, aby bylo zamezeno transportu vlhkosti do dřevěného rámu. Spoje byly přelepeny hliníkovou páskou a utěsněny tmelem Isocell Airstop Sprint. Po vyrobení byly zkušební vzorky po dobu 2,5 měsíce kondicionovány v laboratoři při relativní vlhkosti 45 ± 10 % a teplotě 23 ± 2 °C.

Testovány byly následující skladby:

• Stěna z dusané nepálené hlíny, tl. 100 mm (směs C_S10/W10 [8]).
• Režná stěna z nepálených cihel Heluz Nature Energy 12/25 tl. 120 mm na hliněnou maltu.
• Stěna z nepálených cihel Heluz Nature Energy 12/25 tl. 120 mm s hliněnou omítkou Picas Econom tl. 22 mm.
• Stěna z keramických tvárnic Heluz 8 tl. 80 mm s vápennou omítkou Hasit 160 Fein Kalkputz.
• Plexistěna – referenční vzorek s nulovou sorpční schopností, kterým byla kalibrována zkouška a sestava měřicích zařízení.

a

b

c

d

Obr. 5. Testované vzorky v klimatické komoře – (a) režné zdivo z nepálených cihel Heluz, (b) nepálené cihly Heluz s hliněnou omítkou Picas, (c) keramické cihly Heluz s vápennou omítkou, (d) stěna z dusané hlíny (směs C_S10/W10 [8]) (foto Jakub Diviš)

2.3 Výsledky

Výsledky zkoušek jsou uvedeny v Grafech 2 a 3. Z průběhu křivek vlhkosti v klimatické komoře je patrné rozdílné chování jednotlivých zkušebních těles a jejich potenciál sorbovat vzdušnou vlhkost z prostředí. Vzorek s plexisklem je referenční a slouží k ověření funkčnosti experimentu. Podle očekávání má nejvyšší potenciál panel z dusané nepálené hlíny a zdivo z režných nepálených cihel, což je dáno vysokým obsahem jílů ve směsi. Hliněná omítka podle předpokladů díky vysokému podílu písku ve směsi z důvodu omezení smršťování vykazuje nižší sorpční potenciál. Vzorek z keramických tvárnic s vápennou omítkou vykazuje nejnižší schopnost sorpce.

Graf 2. Průběh relativní vlhkosti a množství spotřebované vody v komoře při desorpčním testu

Graf 3. Průběh relativní vlhkosti a množství spotřebované vody v komoře při adsorpčním testu

Zajímavou informací je pak množství spotřebované vody po dobu 60 min pro udržení úrovně 95 % RH, které koresponduje se sorpčním potenciálem vzorků. Nejvíce vody bylo spotřebováno při měření panelů z dusané hlíny a nejméně u stěny z keramických cihel s vápennou omítkou. K udržení relativní vlhkosti v klimatické komoře na hodnotě 95 % po dobu 60 minut bylo při zkoušce s dusanou nepálenou hlínou spotřebováno třikrát více vody než v případě keramických cihel s vápennou omítkou.

3. Závěr

Výsledky i průběh experimentu ukazují, že tzv. test dynamické sorpce může prokázat reálné chování stavebních konstrukcí z hlediska jejich vlivu na relativní vlhkost vnitřního prostředí. Z tohoto pohledu se navrhovaná metodiky jeví jako dostatečně průkazná a vhodná pro další rozpracování.

Samotná naměřená data prokazují rozdílné chování stavebních konstrukcí vystavených nárazovým skokovým změnách relativní vlhkosti v prostředí, ve kterém se nacházejí, i jejich odezvu v delších časovém horizontu. Výsledky zkoušek pak potvrzují rozdílné chování jednotlivých stavebních konstrukcí. Největší potenciál sorbování vzdušné vlhkosti do konstrukce a následnou distribuci zpět do prostředí vykazuje dle předpokladů dusaná hlína vzhledem k vysokému podílu jílů. Zajímavé výsledky přináší režné zdivo z nepálených cihel HELUZ, které vykazuje také výborné parametry. Podle očekávání nejnižší sorpční potenciál z porovnávaných materiálů představuje keramické zdivo s vápennou omítkou. Zajímavá je kombinace nepálené cihly HELUZ s hliněnou omítkou PICAS. Tato kombinace je z hlediska porovnání s běžnou konstrukcí z keramických tvárnic s vápennou omítkou z hlediska sorpčních vlastností výkonnější, na druhou stranu pokles sorpčního potenciálů vlivem hliněné omítky s vysokým podílem písku jako ostřiva proti smršťování je oproti režnému zdivu z nepálených cihel HELUZ také patrný.

Zároveň příklady realizovaných reálných projektů ukazují, že i v moderním stavitelství a architektuře jsou tradiční materiály za určitých podmínek dobře využitelné a mohou významný přínos v kvalitě budov.

Poděkování

Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 a ČVUT grantu SGS16/129/OHK1/2T/11 „Hydrophobic modification of natural materials in order to preserve the original sorption and thermal-technical properties“.

Literatura

1. Arundel AV, Sterling EM, Biggin JH, Sterling TD. (1986). Indirect health effects of relative humidity in indoor environments. Environ Health Perspect; 65: 351.
2. Jokl, M. (1991). Teorie vnitřního prostředí budov (Indoor Environmental Quality). 2. ed., Prague: CTU in Prague, (in Czech).
3. Padfield T. (1998). The role of absorbent building materials in moderating changes of relative humidity. In: Department of Structural Engineering and Materials. Lyngby: Technical University of Denmark.
4. Maskell D., Thomson A., Walker P., Lemke M. (2018). Determination of optimal plaster thickness for moisture buffering of indoor air. Building and Environment 130, 143–150.
5. Rode, C. (2005) Moisture Buffering of Building Materials. Technical report. The Technical University of Denmark (2005). Available online: http://orbit.dtu.dk/fedora/objects/orbit:75984/datastreams/file_2415500/content.
6. Richter, J., Stanek, K., Ruzicka, J., Havlik, F. (2014). Stabilization of indoor humidity by rammed earth. Advanced Material Research, Vol. 1000 Ecology and New Building Materials and Products, pp. 342–345.
7. Diviš, J., Růžička, J. (2018) Sorpční vlastnosti nepálené hlíny a její vliv na vnitřní mikroklima. Konference Zdravé domy 2018, FA VUT Brno.