Innowacyjne rozwiązania materiałowe w konstrukcjach stropodachów

Stropodachem określa się strop nad najwyższą kondygnacją, który jednocześnie pełni funkcję dachu. Stropodachy charakteryzują się spadkiem połaci dachu z zakresu od 0% do 10%. Tak niewielki kąt pochylenia połaci skutkuje koniecznością wykonania o wiele szczelniejszej oraz odpornej na działanie czynników atmosferycznych izolacji przeciwwodnej i przeciwwilgociowej. Dodatkowo, poprawnie wykonany stropodach powinien zapewnić komfort użytkowania pomieszczeń, ograniczyć przegrzewanie pomieszczeń latem oraz przechłodzenie pomieszczeń zimą.

Stropodachy ze względu na obecność termoizolacji dzieli się na ocieplone i nieocieplone (RYS. 1-4). Z kolej stropodachy ocieplone ze względu na budowę dzieli się na:

• stropodachy pełne - niewentylowane,
• stropodachy powietrzne,
• stropodachy wentylowane.

Kolejnym kryterium podziału jest sposób użytkowania stropodachów, według którego stropodachy dzieli się na:

• nieużytkowe - dostęp ogranicza się do prac konserwacyjnych;
• użytkowe - dostępne dla ludzi i ruchu kołowego;
• zielone, użytkowane w sposób ekstensywny lub intensywny (RYS. 5).

Więcej informacji dotyczących budowy dachów płaskich oraz stosowanychw nich materiałów można znaleźć m.in. się w pracach "Zastosowanie materiałów zmiennofazowych w budownictwie" [1] i "Budownictwo ogólne" [2].

Aby zapewnić odpowiednie funkcjonowanie dachów płaskich, należy zastosować właściwą izolację termiczną, przeciwwilgociową oraz przeciwwodną. Ze względu na niewielki kąt pochylenia dachu należy zwracać szczególną uwagę na staranność wykonania poszczególnych warstw. W zależności od sposobu wykorzystania stropodachu trzeba odpowiednio wykończyć zewnętrzną powierzchnię stropodachu, takby umożliwić m.in. sprawne odprowadzenie wody deszczowej.

Na FOT. 1-2 przedstawiono dwa sposoby wykończenia stropodachów, FOT. 2 przedstawia złe wyprofilowanie płaszczyzny stropodachu.

Izolacja termiczna

Do zapewnienia odpowiedniej izolacji termicznej zazwyczaj stosowane są materiały o wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,022-0,050 W/(m∙K). Są to materiały, które w swojej strukturze zawierają wiele porów zamkniętych, dzięki czemu w znaczny sposób ograniczają straty ciepła przez przewodzenie.

Najczęściej stosowanymi w budownictwie materiałami termoizolacyjnymi są:

• wełna mineralna (skalna),
• wełna szklana,
• polistyren ekspondowany (EPS),
• polistyren ekstrudowany (XPS) (FOT. 3),
• pianki PIR,
• pianki PUR,
• płyty rezolowe.

Wełna mineralna (skalna)

Materiał ten wytwarzany jest z kruszywa bazaltowego, gabra, dolomitu, kruszywa wapiennego lub materiału pochodzącego z recyklingu,np. brykietu mineralnego. Gotowy produkt charakteryzuje się gęstością objętościową z zakresu 20 kg/m3, w przypadku wełny w postaci granulatu do 180 kg/m3 dla najtwardszych płyt.

Wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ wynosi między 0,034-0,050 W/(m∙K) i zależy od technologii produkcji oraz gęstości własnej produktu. Ponadto powyższe materiały cechują się:

• niepalnością i ognioodpornością,
• zdolnością do pochłaniania dźwięków,
• stabilnością kształtów i wymiarów (zależy od gęstości produktu),
• sprężystością i wytrzymałością mechaniczną (zależy od gęstościproduktu),
• odpornością biologiczną i chemiczną,
• hydrofobowością i paroprzepuszczalnością

Wełna szklana

Charakteryzuje się podobnymi właściwościami co wełna skalna, z tym że wełna szklana wytwarzana jest z piasku kwarcowego i tłuczki szklanej pochodzącej z recyklingu. Wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ wynosi 0,038-0,042 W/(m∙K), przy czym gęstość objętościowa wełny szklanej jest mniejsza niż skalnej.

Wełna szklana podobnie jak skalna odznacza się wysoką chłonnością akustyczną oraz niewielką sztywnością dynamiczną, co świadczy o ich dobrej izolacyjności akustycznej. Niemniej, jeśli porównać wyroby z wełny mineralnej i szklanej o tej samej gęstości, te ostatnie posiadają lepsze parametry akustyczne. Z kolei włókna wełny szklanej cechują się mniejszą odpornością na wysoką temperaturę (600°C-700°C), przy czym wełna skalna wytrzyma 1000°C.

Nasiąkliwość wyrobów z wełny szklanej jest zbliżona do tych z wełny skalnej i wynosi 0,65-1,00 kg/m2 przy krótkotrwałym zanurzeniu w wodzie i do 1-3 kg/m2 przy długotrwałym zanurzeniu. Dodatkowo wełna szklana charakteryzuje się niższą wytrzymałością na ściskanie w stosunku do wełny skalnej, co jest spowodowane jej stosunkowo niewielką gęstością.

Polistyren ekspondowany (EPS)

W budownictwie stosowany jest w formie płyt zbudowanych z granulek polistyrenowych. Płyty charakteryzują się gęstością z przedziału od 10 kg/m3 do 40 kg/m3 oraz wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ z zakresu między 0,032 W/(m∙K) a 0,038 W/(m∙K), który zależy m.in. od gęstości płyty. Ponadto charakteryzują się:

• mniejszą ognioodpornością niż wełny mineralne;
• brakiem odporności na działanie wielu rozpuszczalników organicznych, np. acetonu, związków aromatycznych, olejów oraz smarów;
• stosowane są do tłumienia dźwięków uderzeniowych;
• brakiem odporności na działanie promieniowania UV;
• możliwością utlenienia po dłuższym okresie czasu;
• mniejszą sprężystością w porównaniu z wełną mineralną;
• odpornością na działanie czynników biologicznych;
• paroprzepuszczalnością (w niewielkim stopniu);
• nasączeniem wodą po dłuższym czasie przebywania w jej środowisku.

Polistyren ekstrudowany (XPS)

Materiały te wytworzone są ze sprężonego polistyrenu. Cechują się gęstością z zakresu 28-40 kg/m3 i zbliżonymi wartościami współczynnika przewodzenia ciepła λ, jak w przypadku polistyrenu ekspondowanego EPS. Dodatkowo charakteryzują się:

• większą twardością oraz odpornością na zawilgocenie w porównaniu z EPS,
• wrażliwością na działanie niektórych rozpuszczalników organicznych,
• hydrofobowością,
• wyższą odpornością na ogień w stosunku do EPS,
• odpornością na czynniki biologiczne,
• większą odpornością na utlenienie w stosunku do EPS.

Pianki poliuretanowe (PUR) i poliizocyjanuratowe (PIR)

Poliizocyjanurat to udoskonalona wersja poliuretanu. Jest stosowanydo produkcji twardych płyt piankowych stosowanych jakotermoizolacja budynków. Płyty PIR charakteryzują się dużo lepszymi właściwościami fizyko-chemicznymi niż płyty PUR w następujących przypadkach:

• płyty PIR cechują się stosunkowo dobrą odpornością termiczną (w krótkim czasie do 200°C, natomiast stale mogą funkcjonować w zakresie od -50°C do + 110°C);
• są niepalne;
• posiadają niską wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,022 W/(m∙K).

Płyty rezolowe

Materiały te stanowią sztywne płyty, składające się z zamkniętych porów. Rdzeń płyty wytworzony jest z żywicy fenylowo-formaldechydowej, który następnie pokrywa się szklanym welonem. Materiał ten charakteryzuje się wartością współczynnika przewodzenia ciepła z zakresu 0,021-0,024 W/(m∙K), w zależności od grubości płyty.

Dzięki zamkniętym porom produkt jest bardziej odporny na działanie wilgoci oraz wody w stosunku do wełny mineralnej oraz szklanej. Płyty przez swoją budowę są sztywne i nie pozwalają na dopasowanie do innych elementów, jak w przypadku wełny szklanej. Niemniej cechują się wysoką wytrzymałością na ściskanie (ok. 100 kPa) przy odkształceniu 10%, przy gęstości do 35 kg/m3. Dodatkowo są odporne na działanie ognia oraz wysokiej temperatury.

Izolacja przeciwwodna 

Odpowiednie zabezpieczenie przed wodą konstrukcji dachów płaskich jest konieczne ze względu na utrudnione odprowadzanie wody z połaci dachu. Do najpopularniejszych materiałów należą:

• papy łączone spoiwem bitumicznym,
• papy termozgrzewalne,
• płynne folie (pokrycie bezspoinowe),
• impregnaty na bazie żywic epoksydowych,
• impregnaty polimerowe.

Niezwykle ważne jest, aby zastosowana hydroizolacja była odpornana działanie czynników atmosferycznych, takich jak promieniowanie UV, wysokie dobowe amplitudy temperatury oraz uszkodzenia mechaniczne. Podczas doboru odpowiedniej izolacji przeciwwodnej należy uwzględnić (poza lokalnymi warunkami klimatycznymi, sposób przyszłego wykorzystania stropodachu oraz koszty wykonania izolacji i użytych materiałów.

Izolacja przeciwwilgociowa

Do najczęściej stosowanych izolacji przeciwwilgociowej zalicza się:

• folie przeciwwilgociowe;
• bezspoinowe pokrycie w formie impregnatów polimerowych, na bazie kauczuku lub żywic epoksydowych. W takim wypadku izolacja przeciwwodna pełni również funkcję przeciwwilgociową.

Innowacyjne materiały budowlane 

W poprawie efektywności energetycznej stropodachów coraz większą rolę zaczynają odgrywać materiały zmiennofazowe PCM (ang. Phasechange Materials) oraz produkty zawierające aerożel.

Aerożel to materiał, który w 90-99,8% objętości składa się z powietrza, natomiast resztę jego objętości stanowi szkielet zbudowany z tlenku krzemu SiO2. Jest to materiał niepalny, obojętny chemicznie, posiadający wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ = 0,014 W/(m∙K), o bardzo dużej wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie, o olbrzymiej zdolności do pochłaniania węglowodorów nienasyconych. Stosowany jest w budownictwie w postaci granulatu lub mat wysyconych granulatem jako bardzo dobry termoizolator (FOT. 4-5).

Poza zastosowaniem w branży budowlanej aerożele wykorzystywane są w przemyśle chemicznym, medycynie oraz do budowy statków kosmicznych. Dokładniejszy opis tych materiału przedstawiono m.in. w pracach "Izolacje aerożelowe" [3] oraz "Aerożele krzemionkowe jako komponent nowoczesnych izolacji cieplnych" [4]. W 2013 r. chińscy badacze przedstawili otrzymany przez nich aerożel na bazie grafenu [5]. Cechuje się on gęstością zbliżoną do powietrza, półprzezroczystością oraz wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ na poziomie 0,002 W/(m∙K).

Materiały zmiennofazowe PCM (ang. Phasechange Materials) stosowane są w budownictwie m.in.w celu magazynowania ciepła wewnątrz przegrody budowlane jw systemie dobowym i obniżenia dobowej amplitudy temperatury powietrza w pomieszczeniu. Substancje te wchodzą w skład: związków nieorganicznych (uwodnione sole litowców i berylowców), mieszanin eutektycznych oraz związków organicznych, takich jak alkany, estry, kwasy tłuszczowe, alkohole oraz niektóre polimery.

Najczęściej w budownictwie stosowane są związki pochodzenia organicznego, które charakteryzują się:

• stabilnością związków w przypadku wielu przemian związków,
• wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ w stanie stałym w zakresie 0,15-0,30 W/(m∙K),
• wartością ciepła przemiany fazowej w zakresie 100–280 J/g.

Materiały PCM stosuje się, aby zwiększyć bezwładność cieplną przegrody oraz wykorzystać zyski od promieniowania słonecznego, aby dogrzewać pomieszczenie w nocy oraz nie dopuścić do przegrzania pomieszczenia w ciągu dnia. Właściwości oraz przykładowe zastosowania materiałów PCM w budownictwie opisano w pracy "Zastosowanie materiałów zmiennofazowych w budownictwie" [1]. Na FOT. 6-7 przedstawiono dwie przykładowe formy PCM stosowanew budownictwie.

Podsumowanie

Stropodachy są rozwiązaniem właściwym w wielu sytuacjach, o ile prace budowane zostały wykonane niezwykle starannie i przy użyciu materiałów o odpowiednich właściwościach. Zastosowanie innowacyjnych materiałów w konstrukcji stropodachów, takich jak aerożel lub materiały zmiennofazowe, może zwiększyć efektywność energetyczną, a co z tym związane obniżyć koszty funkcjonowania budynku. Chociaż są to materiały rzadko stosowane i droższe od konwencjonalnych, czasem warto ponieść wyższe koszty w trakcie realizacji budowy, aby obniżyć koszty późniejszego funkcjonowania budynkui potencjalnych napraw.

Literatura

1. M. Musiał, "Zastosowanie materiałów zmiennofazowych w budownictwie", "IZOLACJE", nr 4/2015.
2. "Budownictwo ogólne", t. 3, Arkady, Warszawa 2010.
3. J. Szyszka, "Izolacje aerożelowe", "IZOLACJE", nr 9/2009.
4. B. Pietruszka, "Aerożele krzemionkowe jako komponent nowoczesnych izolacji cieplnych", "IZOLACJE", nr 10/2012.
5. Strona internetowa: www.graphene-info.com.
6. M. Musiał, "Rozwiązania konstrukcyjne budynków z dachami płaskimi", "IZOLACJE", nr 3/2016.
7. L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning, "Chemia w budownictwie", Arkady, Warszawa 2010.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!