Silikaty – właściwości i zastosowanie

W artykule: 

• Gęstość wyrobów silikatowych 
• Właściwości mechaniczne 
• Izolacyjność akustyczna 
• Akumulacyjność cieplna 
• Odporność na czynniki zewnętrzne 
• Wpływ wyrobów silikatowych na zdrowie 
• Zastosowanie silikatów 

***

Silikaty to wyroby produkowane z naturalnych surowców, tj. piasku kwarcowego, wapna oraz wody. Dzięki prostemu składowi oraz wysokim parametrom technicznym, silikaty należą do grupy najczęściej stosowanych elementów murowych. W niniejszym artykule szczegółowo omówione zostały właściwości silikatów, ich parametry mechaniczne, chemiczne oraz akustyczne, a także możliwości zastosowania, uwzględniając obowiązujące normy techniczne oraz wymagania wykonawcze.

Silicates – properties and applications

Silicates are products made from natural raw materials, namely quartz sand, lime, and water. Due to their simple composition and high technical parameters, silicates belong to the group of the most commonly used masonry elements. This article provides a detailed discussion of the properties of silicates, including their mechanical, chemical, and acoustic parameters, as well as their possible applications, taking into account the applicable technical standards and construction requirements.

***

Gęstość wyrobów silikatowych 

Bloczki silikatowe produkowane są w klasach gęstości 1,4–2,2 określonych zgodnie z normą PN-EN 771-2 [1], co oznacza, że ciężar 1 m³ wyrobów wynosi od 1210 (klasa 1,4 to gęstości z zakresu 1210–1400 kg/m³) do nawet 2200 kg (TABELA 1), dlatego też doskonale nadają się one do wznoszenia konstrukcji wymagających dużej sztywności.

Gęstość silikatów wpływa bezpośrednio na ich wyróżniające się właściwości użytkowe, tj. wysoką wytrzymałość na ściskanie, wysoką izolacyjność akustyczną, wysoką akumulacyjność cieplną, wysoką ognioodporność czy niską nasiąkliwość.

Na gęstość wyrobu silikatowego wpływa m.in. liczba drążeń, gdyż są one produkowane jako elementy:

• drążone (z drążeniami, otworami przelotowymi, opcjonalnie wnękami chwytowymi),
• pełne (z otworami przelotowymi, opcjonalnie wnękami chwytowymi),
• o podwyższonej izolacyjności akustycznej (nieposiadające drążeń i wnęk chwytowych, o najwyższej gęstości produktu).

Łączna objętość wszystkich otworów w elemencie silikatowym, zgodnie z normą PN-EN 1996-1-1 [2], pozwala na zaklasyfikowanie ich do elementów murowych grupy 1 oraz grupy 2.

Czytaj też: Zastosowanie wyrobów silikatowych do budowy przegród przeciwpożarowych

Grupa 1 obejmuje elementy murowe o pełnym przekroju lub takie, w których objętość otworów nie przekracza 25% całkowitej objętości elementu. Elementy tej grupy są preferowane w konstrukcjach, gdzie istotna jest wytrzymałość na ściskanie.

Grupa 2 obejmuje elementy murowe, w których objętość otworów wynosi od 25% do 55% całkowitej objętości. Elementy te, ze względu na swoją strukturę, charakteryzują się nieco niższą wytrzymałością na ściskanie, jednak zapewniają lepsze właściwości izolacyjne oraz mniejszy ciężar własny. Są one często stosowane tam, gdzie ważne jest zredukowanie ciężaru budynku lub poprawa izolacyjności termicznej.

Ze względu na obecnie obowiązujące standardy projektowania, silikaty produkowane są jako wyroby grupy 1. Zakwalifikowanie wyrobów silikatowych do jednej z tych grup pozwala z kolei na właściwe określenie współczynnika K, niezbędnego do wyznaczenia parametrów wytrzymałościowych muru podczas projektowania konstrukcji.

Właściwości mechaniczne 

Silikaty jako wyroby budowlane cechują się dużą wytrzymałością na ściskanie w klasie od 10 do nawet 40 MPa. Wytrzymałość tę określa się zgodnie z normą PN-EN 772-1 [3]. Znormalizowana wartość wytrzymałości na ściskanie (f_b) pozwala na wyznaczenie podstawowych parametrów muru potrzebnych do właściwego zaprojektowania murowych elementów konstrukcyjnych zgodnie z normą PN-EN 1996-1-1 [2].

Aby spełnić wszelkie wymagania związane z trwałością i bezpieczeństwem konstrukcji, niezbędne staje się wyznaczenie charakterystycznej oraz obliczeniowej wytrzymałości muru na ściskanie, która zależy m.in. od rodzaju zastosowanego elementu murowego.

Sposób obliczania charakterystycznej wytrzymałości muru na ściskanie został przedstawiony w załączniku NA do normy PN-EN 1996-1-1 [2]. W odniesieniu do wyrobów silikatowych należących przede wszystkim do elementów murowych grupy 1 (pozwalające w najpełniejszy sposób wykorzystać dobre parametry wytrzymałościowe produktu), dla murów wykonanych na zaprawie do cienkich spoin, charakterystyczna wytrzymałość na ściskanie nie jest zależna od klasy użytej zaprawy i wyznaczana jest z zależności:

Dla murów wykonanych na zaprawie do ogólnego przeznaczenia (tzw. zaprawie zwykłej) wytrzymałość na ściskanie (zależna od klasy użytej zapraw) wyznaczana jest z zależności:

W powyższych wzorach przyjęto następujące oznaczenia:

f_k – charakterystyczna wytrzymałość muru na ściskanie [N/mm²],
f_b – charakterystyczna wytrzymałość elementu murowego na ściskanie [N/mm²],
f_m – charakterystyczna wytrzymałość zaprawy na ściskanie [N/mm²],
K – współczynnik zależny od grupy elementów murowych oraz rodzaju użytej zaprawy, wyznaczany zgodnie z TABELĄ 2.

Obliczeniową wytrzymałość muru na ściskanie wyznacza się z zależności uwzględniającej współczynnik bezpieczeństwa, którego wartość zależy od rodzaju zaprawy, kategorii elementów murowych oraz kategorii wykonania robót na budowie, określonej wzorem:

gdzie:

f_k – charakterystyczna wytrzymałość muru na ściskanie [N/mm²],
f_d – obliczeniowa wytrzymałość muru na ściskanie [N/mm²],
γ_m – współczynnik bezpieczeństwa, wyznaczony według danych zawartych w TABELI 3.

Powszechnie stosowane wyroby o wytrzymałości w klasie 15 MPa spełniają wymagania dla większości budynków mieszkalnych zgodnie z normą PN-EN 1996-1-1 [2]. Dzięki temu mają one zastosowanie w budynkach wielokondygnacyjnych jako elementy nośne.

Izolacyjność akustyczna 

Dla obiektów o najwyższych wymaganiach projektowych w asortymencie wyrobów silikatowych znajdują się również te o podwyższonych parametrach akustycznych. Wyroby te charakteryzują się najwyższą klasą gęstości i zredukowaną liczbą drążeń, co wpływa na ich ostateczną masę i doskonałe właściwości akustyczne. Dzięki temu prawidłowo wykonane jednowarstwowe ściany z bloczków pełnych o szerokości 18 cm (RA1 ≥ 54 dB) spełniają wymagania dotyczące ścian międzylokalowych (R’A1 ≥ 50 dB), a elementy o szerokości 8 i 12 cm zastosowane w jednowarstwowych ścianach działowych zapewniają komfort akustyczny w obrębie tego samego mieszkania, co ma istotne znaczenie w kontekście higieny akustycznej i spełnienia norm akustycznych dla budynków. Dzięki swojej zdolności do tłumienia hałasu, silikaty są często stosowane w budynkach użyteczności publicznej, takich jak szkoły, biura czy szpitale.

Akumulacyjność cieplna 

Silikaty znajdują zastosowanie w budownictwie energooszczędnym i pasywnym. Dzieje się tak dzięki wysokiej akumulacyjności cieplnej, zapewniającej stablilność cieplną przegrody budowlanej, a tym samym względnie stałą temperaturę powierzchni wewnętrznej ścian przy zmianach temperatur zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynku. Najbardziej odczuwalna jest ona w przypadku chwilowych spadków temperatury lub przerw w ogrzewaniu. Ściany pomieszczeń wykonane z silikatów latem powoli absorbują ciepło, a zimą długo je oddają. Dzięki temu temperatura wewnątrz pomieszczeń przez cały rok utrzymywana jest na poziomie komfortowym dla organizmu – latem użytkownicy odczuwają przyjemny chłód, a zimą są zabezpieczeni przed gwałtownym spadkiem temperatury.

Wymagania dotyczące izolacyjności cieplnej przegród budowlanych od 31 grudnia 2020 r. zostały znacznie zaostrzone, co zapewnia odpowiedni poziom izolacyjności cieplnej i efektywność energetyczną budynków. Wartości współczynnika przenikania ciepła UC ścian, dachów, stropów i stropodachów dla wszystkich rodzajów budynków zostały określone w Warunkach Technicznych [5]. W odniesieniu do ścian zewnętrznych przy ti = 16°C, wartość UC nie powinna przekraczać 0,20 W/(m²·K) dla budynków mieszkalnych jednorodzinnych oraz wielorodzinnych. Z tego względu niemalże każdy materiał wykorzystywany do wznoszenia ścian zewnętrznych wymaga dodania odpowiedniej izolacji termicznej. W przypadku silikatów deklarowana wartość współczynnika przewodzenia ciepła λ, charakterystyczna dla wyrobów silikatowych, zawiera się w przedziale od ok. 0,46 do 1,37 W/(m·K) w klasach gęstości odpowiadających odpowiednio 1,4 oraz 2,2. W tym zakresie przy przegrodzie o grubości 24–25 cm wzniesionej z silikatów, wartość U znacznie przekracza te standardy. Wykonanie przegrody zewnętrznej jako dwuwarstwowej przy izolacji termicznej o grubości 20 cm, której wartość λ osiąga 0,04 W/(m·K), przegrodę zewnętrzną charakteryzuje współczynnik przenikania ciepła zdecydowanie niższy od stawianych wymogów (TABELA 4).

Odporność na czynniki zewnętrzne 

Silikaty wykazują doskonałą odporność na działanie niekorzystnych warunków atmosferycznych, w tym zmiennych temperatur czy wilgotności, co jest jednym z kluczowych aspektów ich szerokiego zastosowania w budownictwie. Są one szczególnie przydatne w konstrukcjach narażonych na trudne warunki środowiskowe – dzięki niskiej nasiąkliwości zachowują właściwości mechaniczne po poddaniu 50 cyklom zamrażania i rozmrażania, zgodnie z normą PN-EN 772-18 [5]. Ich naturalny skład oraz proces produkcji sprawiają, że wyroby te można stosować również w wybranych warunkach środowiska agresywnego – nie reagują z większością kwasów organicznych i nieorganicznych, co czyni je odpornymi na korozję chemiczną w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Z tego powodu silikaty stosuje się również w budynkach przemysłowych, gdzie istotne jest zapewnienie odporności na agresywne substancje chemiczne. Mimo to, przed zaprojektowaniem konstrukcji, należy przeprowadzić indywidualną analizę uwzględniającą stopień ich narażenia na działanie mediów agresywnych w danym rozwiązaniu konstrukcyjnym (TABELA 5).

Wpływ wyrobów silikatowych na zdrowie 

Silikaty wykazują jeden z najniższych poziomów promieniowania naturalnego wśród materiałów budowlanych. Zarówno surowce, jak i gotowe produkty silikatowe charakteryzują się poziomami promieniowania nawet dziesięciokrotnie niższymi niż określone przez normy europejskie limity, co jest potwierdzane przez dwa współczynniki laboratoryjne: f1 i f2. Współczynnik f1 odnosi się do ekspozycji całego ciała na promieniowanie gamma generowane przez radionuklidy geologiczne obecne w materiale budowlanym, takie jak potas K-40, rad Ra-226 i tor Th-228. Z kolei współczynnik f2 dotyczy narażenia nabłonka płuc na promieniowanie alfa emitowane przez radon 

Rn-222 oraz jego pochodne, co może mieć istotny wpływ na zdrowie użytkowników budynków. W przypadku silikatów, dzięki zastosowanym surowcom i technologii produkcji, stężenia radionuklidów są znacznie niższe niż limity określone dla elementów murowych (TABELA 6). To sprawia, że silikaty są jednym z najbezpieczniejszych materiałów budowlanych pod względem naturalnej promieniotwórczości.

Silikaty posiadają także zdolność do regulacji wilgotności powietrza wewnątrz pomieszczeń. Ich specyficzna struktura pozwala na pochłanianie nadmiaru wilgoci z powietrza, a następnie jej oddawanie, gdy powietrze staje się zbyt suche. Efektem tego jest utrzymywanie wilgotności na stabilnym poziomie (ok. 60%), co tworzy korzystny mikroklimat wewnątrz budynku. Taka naturalna regulacja wilgotności ma pozytywny wpływ na zdrowie mieszkańców. Dodatkowo obecność wapna sprawia, że silikaty mają silnie zasadowy odczyn, co przyczynia się do ich wysokiej odporności na korozję biologiczną i uniemożliwia rozwój mikroorganizmów w ich strukturze. Z tego względu silikaty są również doskonałym materiałem do wykonania murów pomieszczeń, tj. łazienki, pralnie czy kuchnie.

Naturalny skład silikatów sprawia również, że w warunkach wysokich temperatur nie wydzielają one żadnych szkodliwych substancji wpływających na poziom dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia. Z uwagi na brak w ich składzie substancji palnych, zgodnie z Decyzją Komisji Europejskiej 2000/605/WE [7] silikaty klasyfikuje się w najbezpieczniejszej klasie A1 reakcji na ogień (są produktami pochodzenia nieorganicznego, niepalnymi, niewytwarzającymi dymu).

Zastosowanie silikatów 

Silikaty mają szerokie zastosowanie w budownictwie. Są powszechnie stosowane jako elementy konstrukcyjne i wypełniające. Służą do wznoszenia ścian nośnych, działowych oraz fundamentowych. Wysoka wytrzymałość na ściskanie czyni je odpowiednimi do konstrukcji zarówno budynków mieszkalnych, jak i przemysłowych. Doskonale sprawdzają się one w konstrukcji ścian pomiędzy lokalami mieszkalnymi w budownictwie wielorodzinnym i działowych, głównie ze względu na ich dobre właściwości akustyczne. Wysoka mrozoodporność oraz niska nasiąkliwość sprawiają, że silikaty są odpowiednim wyborem do zastosowań w fundamentach oraz ścianach piwnic narażonych na bezpośredni kontakt z wilgocią. Ze względu na swoją odporność chemiczną, silikaty są stosowane w budynkach przemysłowych, gdzie mogą być narażone na działanie substancji agresywnych. Silikaty z powodzeniem stosowane są również do wznoszenia obiektów sportowych, w tym największych polskich stadionów.

Zdjęcia: Stowarzyszenie „Białe murowanie” 

Literatura

1. PN-EN 771-2 +A1:2015-10, „Wymagania dotyczące elementów murowych. Część 2: Elementy murowe silikatowe”.
2. PN-EN 1996-1-1: 2023-08 – Eurokod 6, „Projektowanie konstrukcji murowych. Część 1-1: Reguły ogólne dla zbrojonych i niezbrojonych konstrukcji murowych” z uwzględnieniem PN-EN 1996-1-1 +A1:1013-05/Ap2.
3. PN-EN 772-1 + A1:2015-19, „Metody badań elementów murowych – Część 1: Określenie wytrzymałości na ściskanie”.
4. PN-EN ISO 12354-4:2017-10, „Akustyka budowlana – Określenie właściwości akustycznych budynków na podstawie właściwości elementów – Część 4: Przenikanie hałasu z budynku do środowiska”.
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2022 r., poz. 1225, tj. ze zm.)
6. PN-EN 772-18:2011, „Metody badań elementów murowych. Część 18: Określenie odporności na zamrażanie-odmrażanie elementów murowych silikatowych (ang.)”.
7. Decyzja 2000/605/WE zmieniająca decyzję 96/603/WE