Badania systemów ociepleń na bazie EPS w dużej skali z uwzględnieniem pasów MW

Jednym z najważniejszych aspektów związanych z bezpieczeństwem pożarowym elewacji, pełniącej najczęściej również funkcję ocieplenia, jest wybór materiału izolacyjnego, będącego jej podstawowym składnikiem i mającym potencjalnie największe znaczenie dla rozwoju pożaru.

Rynek systemów ociepleniowych zdominowany jest przez dwa podstawowe materiały termoizolacyjne: wełnę mineralną i styropian:

• wełna mineralna jest materiałem stosowanym przede wszystkim na budynkach wysokich, dla których określono wymagania w zakresie palności stosowanych materiałów,
• styropian kładziony jest na budynkach niższych, zgodnie z obowiązującymi wymaganiami prawnymi w kraju zastosowania, przykładowo w Polsce do 25 m [2].

Styropian dopuszczony do zastosowania na elewacjach musi posiadać klasę reakcji na ogień co najmniej E, co odpowiada definicji materiału palnego, samogasnącego [2], natomiast wełna jest z definicji materiałem niepalnym, najczęściej klasy reakcji na ogień A1. Styropian posiada więc gorsze cechy w zakresie odporności na działanie ognia i pod jego wpływem topi się.

Aby zwiększyć bezpieczeństwo pożarowe systemów ociepleniowych z użyciem EPS, w wielu krajach Unii Europejskiej zalecane jest stosowanie systemów mieszanych (RYS. 1).

W różnych krajach w zależności od wysokości budynku stosowane są pasy międzykondygnacyjne, zabezpieczenia nad otworami okiennymi i drzwiowymi lub całe pasy z wełny wzdłuż ciągów komunikacyjnych. Rozwiązanie to obarczone jest wadami, które widoczne są podczas normalnego użytkowania systemu.

Stosowanie takich rozwiązań może skutkować:

• spękaniami warstwy zbrojącej i tynkarskiej w związku z różną rozszerzalnością cieplną materiałów pod wpływem czynników zewnętrznych np. temperatury,
• przebarwieniami elewacji związanymi z różną nasiąkliwością materiałów izolacyjnych.

Najważniejszy jest jednak cel, dla którego stosuje się takie rozwiązania.

Z uwagi na brak informacji na temat skuteczności takich rozwiązań w Łukasiewicz - Instytucie Ceramiki i Materiałów Budowlanych, Oddział w Krakowie przeprowadzono wstępne badania systemów z zastosowaniem pasów z wełny mineralnej w zakresie bezpieczeństwa pożarowego.

Badania

Badania rozprzestrzeniania ognia w dużej skali wykonano zgodnie z normą BS 8414-1:2015+A1:2017 [4]. Określa ona metodę oceny zachowania wobec ognia nienośnej okładziny zewnętrznej systemu mocowanej do ściany murowanej budynku, gdy jest narażona na ogień w kontrolowanych warunkach. Ta ekspozycja jest reprezentatywna zarówno dla zewnętrznego źródła ognia, jak i w pełni rozwiniętego pożaru wewnętrznego, który jest rozprzestrzeniany przez otwory okienne lub inne, prowadząc do narażenia systemu termoizolacyjnego (okładzin) na działanie płomieni zewnętrznych. Schemat stanowiska badawczego wraz z rozmieszczeniem termoelementów przedstawiono na RYS. 2.

Pożar jest symulowany przez spalanie drewna w komorze spalania, które wytwarza około 4500 MJ energii w trakcie 30-minutowego testu.
Podstawowym kryterium jest stopień rozprzestrzeniania się płomienia w czasie. Badanie wymaga, aby temperatura na poziomie 2 nie przekroczyła 600°C w czasie 15 min. Czas ten liczony jest od momentu osiągnięcia temperatury 200°C na poziomie 1.

Do 24 h po badaniu (po wychłodzeniu próbki) należy również dokonać oględzin systemu w celu określenia zakresu zniszczeń, takich jak: odpryski, stopienie, zniekształcenie i rozwarstwienie (nie uwzględniając osmolenia dymem i przebarwień). Do oceny może okazać się konieczne częściowe rozebranie systemu.

Należy opisać następujące aspekty:

• zasięg płomieni na powierzchni systemu okładzin (w pionie i poziomie),
• zasięg płomieni oraz uszkodzenia w pośrednich warstwach (w pionie i poziomie),
• szacowany zasięg płomieni oraz uszkodzenia w szczelinie, w przypadku istnienia takiej szczeliny (w pionie i poziomie),
• zakres, w jakim zewnętrzna powierzchnia systemu okładzin uległa spaleniu lub odpadła,
• szczegóły odpadnięcia częściowego lub całościowego systemu okładzin.

Rozmieszczenie termoelementów pomiarowych na badanej ścianie badawczej widocznej na RYS. 2 i FOT. 1:

• poziom 1 - A - termoelementy usytuowane 2,5 m nad komorą palenia na zewnątrz ściany,
• poziom 2 - B - termoelementy usytuowane 5 m nad komorą palenia na zewnątrz ściany,
• poziom 2 - C - termoelementy usytuowane 5 m nad komorą palenia w warstwie zbrojonej,
• poziom 2 - D - termoelementy usytuowane 5 m nad komorą palenia w warstwie materiału izolacyjnego.

Próbki do badań

Celem badania była ocena skuteczności zabezpieczenia ocieplenia wykonanego ze styropianu pasami z wełny mineralnej zastosowanymi w nadprożu komory badawczej. W tym celu wykonano dwa badania porównawcze ścian badawczych z ociepleniem EPS i EPS z pasem wełny o szerokości 20 cm na całej długości nadproża komory spalania. Wszystkie pozostałe materiały do badań, tj. składniki systemu ociepleń oraz materiały pomocnicze, jak również system montażu i grubości warstw, były jednakowe w obu próbkach.

Ściana I - system EPS

Na RYS. 3 przedstawiono schemat wykonanej ściany z izolacją z EPS. Przeprowadzone badania ilustrują FOT. 2, FOT. 3, FOT. 4, FOT. 5 i FOT. 6.
Wyniki pomiarów temperatury w trakcie badania ściany EPS przedstawiono na RYS. 4, RYS. 5, RYS. 6 i RYS. 7.

Obserwacje

• W pierwszych minutach badania zaobserwowano wzrosty temperatur mierzonych przez termoelementy zewnętrzne na poziomie 1. 
• Znaczny wzrost temperatury na poziomie 2 nastąpił po ok. 6 min, tj. wówczas gdy stos drewna palił się w całej objętości. W tym czasie nie zaobserwowano istotnego wzrostu temperatury w warstwie zbrojonej i w materiale izolacyjnym.
• Po ok. 12 minutach zaobserwowano pęknięcie warstwy zbrojonej, co pozwoliło przedostać się płomieniowi pod siatkę i zapoczątkowało palenie styropianu - nagły wzrost na termoparach w materiale izolacyjnym i warstwie zbrojącej. Widoczny był również wyciek stopionego styropianu, co podsycało palenie się stosu drewna. Potwierdza to wzrost temperatur na poziomie 2 w termoparach zewnętrznych.

Ściana II - system EPS z nadprożem MW

W rozwiązaniu tym zastosowano barierę ogniową w nadprożu komory spalania wykonaną z wełny mineralnej klasy reakcji na ogień A1, pas o szerokości 20 cm. Przeprowadzone badania ilustrują FOT. 7, FOT. 8, FOT. 9, FOT. 10 i FOT. 11.

Na RYS. 8 przedstawiono schemat ściany z izolacją z EPS.

Wyniki pomiarów temperatury w trakcie badania ściany EPS z nadprożem MW przedstawiono na RYS. 9, RYS. 10, RYS. 11 i RYS. 12.

Obserwacje

• W trakcie palenia zaobserwowano przedostanie się płomienia pod warstwę zbrojąca z tynkiem przez powstałe szczeliny. Towarzyszył temu wzrost temperatury po około 13 minutach badania widoczny na wykresach zmian temperatury w warstwie zbrojącej. Nie zaobserwowano jednak wypływającego stopionego EPS.
• Na RYS. 12 widoczny jest wzrost temperatur w 20 min palenia.
• Po rozsypaniu się stosu drewna, czyli kiedy płomień od źródła ognia nie działał już na badaną próbkę, zaobserwowano dalsze palenie pod warstwą zbrojoną (RYS. 11). Uszkodzenie warstwy zbrojonej nastąpiło od wnętrza ocieplenia nad belką.

Na RYS. 13 przedstawiono porównanie średnich temperatur, mierzonych przez poszczególne termoelementy umieszczone w materiale izolacyjnym (porównanie wyników zamieszczonych na RYS. 7 i RYS. 12).

Na podstawie przedstawionego zestawienia można stwierdzić, że średnie temperatury zmierzone w warstwie izolacji są zauważalnie wyższe w przypadku pomiarów dla ściany z nadprożem z MW.

Istotny wzrost temperatury zmierzonej przez termoelementy zamocowane w warstwie izolacji w tej próbce stwierdzono po około 20 minutach badania.

Uwzględniając porównanie wyników pomiarów temperatury na poziomie 1, czyli 2,5 m ponad komorą spalania (porównanie na RYS. 14), można wykluczyć wpływ warunków zewnętrznych czy też wzrostu temperatury wynikającego z kaloryczności lub intensywności spalania drewna.

Wnioski

Na uwagę zasługuje fakt, że oba systemy spełniły kryteria określone w normie BS 8414-1 dla ścian nierozprzestrzeniających ognia, tj. temperatura na poziomie 2 nie przekroczyła 600°C w czasie określonym normą.

Porównując wyniki obydwu przeprowadzonych badań, nie można stwierdzić korzyści z zastosowania pasów z wełny mineralnej o szerokości 20 cm w nadprożu otworu, z którego wydostaje się płomień. W obu przypadkach badanych próbek ocieplenia, tj. z EPS i EPS z nadprożem z wełny mineralnej, styropian wypalił/wytopił się całkowicie na całej wysokości ściany. Nie wynikało to jednak z rozprzestrzeniania ognia przez system. W przypadku ściany z nadprożem MW w końcowym etapie badania zaobserwowano przy tym większy wzrost temperatury na poziomie 2.

Zaobserwowano również, że stopiony styropian spływający na powierzchnię wełny mineralnej pali się intensywniej niż kiedy spływa na powierzchnię materiału niepalnego o zwartej strukturze i małej zawartości części organicznych jakim jest np. warstwa zbrojona. Można to zdefiniować jako efekt "knota" obserwowany wcześniej w wielu badaniach w małej skali.

Badania te, które zostaną omówione w kolejnym opracowaniu, potwierdzają również, że stosowanie przegród z materiałów niepalnych w formie wklejonych belek/płyt MW pomiędzy płytami styropianowymi nie będzie poprawiać bezpieczeństwa pożarowego elewacji, jeżeli szerokość tych przegród jest na tyle mała, że płomień sięga powyżej materiału niepalnego.

Należy jednocześnie zaznaczyć, że przeprowadzone badania w dużej skali dotyczą pojedynczych próbek - ścian badawczych. Jednoznaczne stwierdzenie braku korzyści, a nawet pogorszenia warunków bezpieczeństwa pożarowego przy zastosowaniu takich rozwiązań wymaga przeprowadzenia szerszego programu badań pozwalającego dokonać statystycznej analizy wyników oraz badań uzupełniających.

Literatura

1. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, z późniejszymi zmianami (DzU z 2017 r. poz. 2285).
3. PN-EN 13501-1:2017, "Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków. Część 1: Klasyfikacja na podstawie badań reakcji na ogień".
4. BS 8414‑1:2015+A1:2017, "Fire performance of external cladding systems".

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!