Ocieplenie ścian zewnętrznych płytami styropianowymi - wybrane aspekty wykonawcze

Do podstawowych metod ocieplenia ścian zewnętrznych można zaliczyć:

• metodę ciężką mokrą polegającą na oklejeniu całych powierzchni ścian styropianem, zawieszeniu na stalowych bolcach siatek konstrukcyjnych z prętów stalowych i wykonaniu wyprawy zewnętrznej z trójwarstwowego tynku cementowo-wapiennego na siatce stalowej podtynkowej,
• metodę lekką mokrą polegającą na wykonaniu ocieplenia najczęściej ze styropianu, a następnie pokryciu go powłoką zewnętrzną, w skład której z reguły wchodzi warstwa zbrojona tkaniną szklaną oraz cienkowarstwowa wyprawa tynkarska lub okładzina ceramiczna; systemy oparte na tej technologii można podzielić na kilka podstawowych typów, opisanych szczegółowo w [1],
• metodę lekką suchą opierającą się na wykonywaniu robót budowlanych bez prac mokrych; wykonywanie ocieplenia polega na przymocowaniu do ścian budynku rusztu drewnianego lub metalowego, ułożeniu między elementami rusztu materiału termoizolacyjnego i zamocowaniu gotowych elementów elewacyjnych.

Specyfika technologii ETICS

Technologia ETICS polega na przymocowaniu do ściany systemu warstwowego, składającego się z materiału termoizolacyjnego oraz warstwy zbrojonej i wyprawy tynkarskiej. System mocowany jest do ściany za pomocą zaprawy klejącej i dodatkowo łącznikami mechanicznymi.

Zasadniczą funkcję w tym systemie pełni materiał termoizolacyjny, który powinien charakteryzować się następującymi cechami [1]:

• niską wartością współczynnika przewodzenia ciepła λ  ≤  0,04 W/(m·K),
• niską wilgotnością i nasiąkliwością zarówno w trakcie wbudowania, jak i użytkowania,
• odpowiednią wytrzymałością mechaniczną,
• odpornością na działanie ognia: niepalnością, trudnozapalnością – odpowiednią klasą reakcji na ogień,
• odpornością na wpływy biologiczne,
• odpornością na działanie materiałów, z którymi będzie się stykać po wbudowaniu,
• brakiem trwałego zapachu i brakiem szkodliwego oddziaływania na ludzi i zwierzęta,
• znaczną trwałością w zmiennych warunkach eksploatacyjnych,
• małym obciążeniem środowiska naturalnego podczas produkcji i utylizacji materiałów rozbiórkowych.

W ETICS jako izolację termiczną stosuje się fasadowe płyty styropianowe, fasadowe płyty z wełny mineralnej oraz materiały uzupełniające, przeznaczone do ocieplenia cokołowej i podziemnej części ściany w postaci płyt polistyrenowych o zmniejszonej nasiąkliwości.

Płyty styropianowe w systemach ociepleń

Płyty styropianowe EPS powstają w wyniku spienienia (ekspandowania) granulek polistyrenu metodą dwuetapową: produkcja w dużych blokach, z których (po odpowiednim okresie sezonowania) wycina się płyty o odpowiednim wymiarze. Jednak często stosuje się także metodę polegającą na produkcji pojedynczych płyt w oddzielnych formach za pomocą wtrysku (powierzchnia płyt płaska lub profilowana).

Istnieją także płyty styropianowe modyfikowane grafitem, nazywane szarym styropianem, charakteryzujące się lepszą izolacyjnością cieplną. Płyty izolacyjne ze styropianu grafitowego (szarego) mogą być stosowane zarówno do ocieplania całej elewacji, jak i tylko w przypadku wybranych elementów (loggii i balkonów). Izolacja wykonana z szarego styropianu jest o znacznie mniejszej grubości od popularnych i tradycyjnych płyt styropianowych. Jednak często przy ociepleniu ścian zewnętrznych można zaobserwować wiele dokuczliwych problemów, będących skutkiem zjawiska „przegrzewania”, typowego dla szarego styropianu.

Jako odpowiedź na ten problem pojawiły się na rynku płyty styropianowe składające się z dwóch różnych rodzajów styropianu, zespolonych w jedną płytę (zewnętrznej wykonanej ze styropianu białego i wewnętrznej ze styropianu grafitowego). Ponadto produkowane są płyty styropianowe perforowane w celu zwiększenia przepuszczalności pary wodnej. Krawędzie płyt styropianowych mogą być: proste, do łączenia na zakład, do łączenia na pióro–wpust.

Przy doborze płyt styropianowych EPS w systemie dociepleń ETICS należy uwzględnić szczególnie następujące cechy:

• gęstość objętościowa ρ_ob. [kg/m3],
• współczynnik przewodzenia ciepła λ [W/(m·K)],
• wytrzymałość na ściskanie [kPa].

Do mocowania płyt styropianowych do podłoża i wykonywania warstwy zbrojonej mogą być stosowane następujące wyroby [2]:

• masy na spoiwie dyspersyjnym tworzywa sztucznego nadające się do użycia bez dodatkowych zabiegów,
• masy na spoiwie dyspersyjnym tworzywa sztucznego wymagające wymieszania z cementami,
• zaprawy klejące, wykonywane z suchej mieszanki cementu, piasku i dodatków organicznych, wymagające wymieszania z wodą.

Ponadto do mocowania płyt do ściany może być stosowany klej (pianka) poliuretanowy. Jednak najpopularniejsza jest zaprawa klejąca w postaci suchej mieszanki zarabianej [1].

Do mocowania płyt z wełny mineralnej do podłoża ściennego oraz wykonywania warstwy zbrojonej należy stosować zaprawę klejącą wykonywaną z suchej mieszanki cementu, piasku i dodatków organicznych. Według [2] masy klejące na organicznym spoiwie dyspersyjnym z wypełniaczami mineralnymi oraz masy klejące na organicznym spoiwie dyspersyjnym wymagające wymieszania z cementem nie uzyskują klasyfikacji materiału niepalnego.

Oprócz podstawowych zapraw na bazie cementu szarego do wykonania warstwy zbrojącej produkuje się zaprawy z cementu białego. Warstwa zbrojona wykonana z użyciem takiej zaprawy może nie wymagać stosowania środka gruntującego przed nałożeniem tynku cienkowarstwowego [3].

Bardzo istotne jest także poprawne ułożenie płyt z materiałów termoizolacyjnych w celu minimalizacji wpływu nieszczelności w warstwie izolacji cieplnej. Na etapie projektowania zakłada się poziom nieszczelności (ΔU”) oraz dodatek uwzględniający wpływ nieszczelności w warstwie izolacji cieplnej (ΔUg) na wartość współczynnika przenikania ciepła Uc według normy PN-EN ISO 6946:2008 [4].

Łączniki mechaniczne (kołki) wraz z zaprawą klejącą mocującą płyty termoizolacyjne do warstwy konstrukcyjnej ściany zewnętrznej zapewniają wymaganą stateczność konstrukcyjną układu ocieplającego od działania obciążenia wiatrem (ssanie wiatru) oraz sił ścinających wynikających z ciężaru własnego systemu ocieplenia. Kołki powinny także zapobiegać przed tzw. wybrzuszeniem się płyt izolacyjnych pod wpływem zmiany warunków cieplno-wilgotnościowych. Deformacja płyt może wystąpić wskutek braku swobody wydłużania się ich na styku z sąsiadującymi elementami.

Podstawowym zidentyfikowanym czynnikiem destrukcyjnym są silne naprężenia termiczne występujące w płytach styropianowych podczas nagrzewania w okresie maksymalnego nasłonecznienia i chłodzenia przez zimny mur konstrukcyjny. Taka sytuacja doprowadza do powstawania destrukcyjnych naprężeń odrywających. Intensyfikacja tego zjawiska następuje w okresach występowania znaczących różnic temperatur między dniem a nocą. Opisane powyżej naprężenia są związane z "przegrzewaniem" szarego styropianu (czyli nagrzaniem powyżej 80°C).

Dodatkowe mocowanie mechaniczne w obrębie krawędzi, jak również pośrodku płyty zapewnia dobre połączenie ze ścianą i zabezpiecza przed tzw. miksowaniem płyt i pękaniem wyprawy tynkarskiej w wyniku tego zjawiska [1] (RYS. 1-2).

Dodatkowe mocowanie płyt izolacyjnych wykonuje się w miejscach dochodzenia do siebie krawędzi trzech płyt izolacyjnych. Taki układ łączników bywa nazywany kołkowaniem na "T". W niektórych przypadkach zamiast kołkowania na "T" zaleca się stosować kołkowanie na "W". W tym zakresie należy się kierować zaleceniami producenta wybranego systemu ocieplenia ścian. Z mocowania w spoinach "T" można zrezygnować w przypadku stosowania płyt izolacyjnych łączonych na piór i wpust.

W praktyce stosuje się różne rozwiązania łączników mechanicznych:

• łączniki rozprężne z trzpieniem (których główki wykonane są z tworzywa sztucznego o zwiększonej izolacyjności cieplnej z wycięciami),
• łączniki mocowane przez wbicie w ścianę osadzonego w nich krótkiego trzpienia, mającego korpus w kształcie dużej komory powietrznej, w znaczący sposób ograniczającej straty ciepła w miejscu wbicia kołka,
• kołki wkręcane w płyty izolacyjne lub umieszczone w gniazdach, zasłanianych następnie krążkami z materiału termoizolacyjnego.

Należy pamiętać, aby w przypadku stosowania łączników mechanicznych nie dopuszczać do nadmiernych strat ciepła wynikających z ich występowania, co ilustruje tzw. efekt biedronki widoczny często na elewacjach budynków ocieplonych metoda lekką mokrą.

W ścianach dwuwarstwowych stosuje się łączniki mechaniczne wykonane z tworzyw sztucznych natomiast w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych wykonane ze stali lub stali nierdzewnej. Procedurę uwzględniania wpływu łączników mechanicznych (ΔU_f) na wartość współczynnika przenikania ciepła U_c według normy PN-EN ISO 6946:2008 [4].

Do ocieplania ścian mogą być stosowane siatki zbrojące z włókna szklanego, metalowe lub z tworzywa sztucznego. Gdy konieczne jest wzmocnienie dolnych części budynku, stosuje się tzw. siatki pancerne. W systemie ocieplenia powinny być stosowane materiały niepalne, w związku z tym nie należy używać siatek z tworzyw sztucznych [2].

Od strony zewnętrznej należy zastosować tynk zewnętrzny - cienkowarstwowy (w przypadku ścian dwuwarstwowych) lub warstwę elewacyjną (w przypadku ścian trójwarstwowych i szczelinowych). 

W przypadku ścian dwuwarstwowych zaleca się stosowanie tynków cienkowarstwowych, które można podzielić [6]:

• ze względu na spoiwo: mineralne, silikatowe (krzemianowe), silikonowe, silikatowo-silikonowe, polimerowe (akrylowe),
• ze względu na technikę wykonywania: naciągane pacą, zacierane, cyklinowane, wytłaczane, natryskowe, nakrapiane,
• ze względu na rodzaj faktury: gładkie, drapane, ziarniste (tzw. baranek), modelowane, mozaikowe.

Analiza wybranych aspektów wykonawczych

Ocieplenie ścian zewnętrznych płytami styropianowymi, oparte na metodzie lekkiej mokrej, wykonywane jest w Polsce bardzo często. Podstawowym kryterium jest fakt, że ocieplenie i wykończenie elewacji budynku jest tańsze i łatwiejsze w wykonaniu niż w przypadku innych stosowanych metod dociepleń.

Zgodnie z instrukcjami ITB w Warszawie, dotyczących bezspoinowych systemów dociepleń, do podstawowych elementów systemów należą:

• zaprawa klejąca,
• termoizolacja (płyty styropianowe EPS, płyty styropianowe grafitowe - szare),
• łączniki mechaniczne,
• warstwa zbrojąca,
• warstwa elewacyjna,
• elementy uzupełniające (materiały do wykończenia detali, np. listwy startowe, materiały uszczelniające, inne niezbędne akcesoria).

Każdy z wymienionych elementów pełni istotną rolę, wpływającą na jakość docieplenia ścian zewnętrznych. Jednak należy podkreślić, że znaczące jest mijankowe ułożenie płyt termoizolacyjnych oraz poprawna obróbka narożników ścian zewnętrznych.

Na FOT. 1 przedstawiono charakterystyczny dla styropianu szarego efekt odpadania płyt od fasady na skutek przegrzania.

Niezgodne z instrukcją mocowanie materiału termoizolacyjnego do istniejącego podłoża dodatkowo pogorszyło sytuację.

Stateczność systemu docieplenia zapewnia zaprawa klejąca oraz łączniki mechaniczne. Klejenie powinno się odbywać w formie tzw. placków oraz dodatkowo na obwodzie płyt styropianowych. Jednak istotne znaczenie, szczególnie w przypadku zastosowania płyt ze styropianu grafitowego (szarego), ma także oddziaływanie zmiennych warunków atmosferycznych - znaczne nasłonecznienie w trakcie dnia i gwałtowny spadek temperatury po zachodzie słońca. Wahania temperatury i znaczne nasłonecznie, szczególnie od strony południowej, może spowodować odpadanie lub klawiszowanie płyt styropianu szarego. W wielu przypadkach zaprawa klejowa pozostaje na warstwie muru, ale można także zauważyć sytuacje, w których odpada płyta styropianowa wraz z zaprawą klejową. Osłony przeciwsłoneczne oraz precyzyjny montaż płyt mogą zminimalizować i wykluczyć efekt odpadania i klawiszowania.

Na FOT. 2 przedstawiono kolejny możliwy skutek przegrzania styropianu szarego - efekt skurczu płyt styropianowych, który jest odpowiedzialny za powstawanie szczelin powietrznych w warstwie materiału termoizolacyjnego, tj. liniowych mostków cieplnych, powodujących występowanie dodatkowych strat ciepła, a co za tym idzie – obniżenia jakości cieplnej ściany zewnętrznej po dociepleniu. Takie zjawisko występuje w wyniku zmiany temperatury powietrza zewnętrznego, szczególnie zauważalne na elewacjach południowych ścian zewnętrznych.

Na FOT. 3 przedstawiono efekt wygięcia płyt styropianowych, które spowodowane są także oddziaływaniem zmiennych warunków atmosferycznych (temperatura, nasłonecznienie i opady atmosferyczne).

W ramach pracy przeprowadzono także analizę oddziaływania czynników atmosferycznych (szczególnie wysokich temperatur i znaczącego nasłonecznienia) na pojedyncze płyty styropianu szarego (grafitowego) (FOT. 4-5).

Wielkość naruszenia struktury płyt styropianowych zależy intensywności nasłonecznienia. Należy zauważyć, że efekt wytapiania płyt z szarego (grafitowego) styropianu powoduje zniszczenie fragmentów płyt, wygięcie krawędzi płyt i osłabienie przekroju płyt, co powoduje osłabienie parametrów technicznych (gęstość, współczynnik przewodzenia ciepła, współczynnik oporu dyfuzyjnego) oraz parametrów mechanicznych, np. wytrzymałość na ściskanie i zginanie. Nieodpowiednie składowanie płyt styropianowych w hurtowniach i placach budowy może doprowadzić do ich lokalnego zniszczenia.

Wykonanie izolacji termicznej w postaci płyt z szarego (grafitowego) styropianu pozwala na zastosowanie mniejszej grubości dzięki niższej wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ niż np. izolacja z płyt styropianowych EPS. Jednak, ze względu na powyżej opisane problemy wykonawcze zaobserwowane podczas procesu ocieplania ścian zewnętrznych lub przechowywania płyt styropianowych, należy bezwzględnie przestrzegać wymogu prawidłowego osłaniania fasady podczas aplikacji ocieplenia.

Podstawowym problemem w trakcie wykonywania termoizolacji z szarego styropianu jest występowanie silnych naprężeń termicznych. Po przymocowaniu płyt do ścian za pomocą zaprawy klejącej szara powierzchnia fasadowa jest narażona na oddziaływanie promieni słonecznych - bardzo szybko się nagrzewa i może osiągnąć bardzo wysokie (niebezpieczne) temperatury. Natomiast druga strona płyty od strony ściany jest chłodzona. Przegrzanie szarego styropianu oraz duża różnica temperatur między powierzchniami płyty prowadzą do powstawania destrukcyjnych naprężeń odrywających - powodujących:

• odpadanie płyt styropianowych (FOT. 1),
• skurcz i powstawanie szczelin w warstwie izolacji termicznej (FOT. 2),
• wygięcie płyt i powstanie nierównych powierzchni fasady elewacyjnej (FOT. 3),
• wytopienie płyt styropianowych (FOT. 4-5).

Osłonięcie elewacji budynku z ociepleniem w postaci płyt styropianowych (grafitowych) może zminimalizować opisane powyżej oddziaływania.

Innym rozwiązaniem opisanego problemu naprężeń termicznych jest zastosowanie płyt zespolonych, w których szary rdzeń jest chroniony przed przegrzewaniem przez białą warstwę odbijającą promieniowanie cieplne.

Podsumowanie i wnioski

Ocieplenie ścian zewnętrznych budynków istniejących i nowo projektowanych, uwzględniając wymagania w zakresie oszczędności energii i ochrony cieplnej budynków, traktuje się jako prosty zabieg - doklejenia odpowiedniej grubości materiału termoizolacyjnego.

W projektach wykonawczych brakuje pełnej analizy energetycznej, uwzględnienia wpływu mostków cieplnych (projektowych i wykonawczych), szczegółowych rysunków (detali architektoniczno-budowlanych) oraz instrukcji - wytycznych w zakresie wykonania prac termoizolacyjnych.

Wprowadzenie nowego materiału, np. grafitowego styropianu, pozwala na zmniejszenie grubości termoizolacji, ale może spowodować w trakcie prac wykonawczych wiele niekorzystnych zjawisk:

• odpadanie i wygięcie płyt,
• skurcz płyt
• oraz wytapianie płyt.

Dodatkowo można także zidentyfikować błędy i uchybienia podczas realizacji:

• niewłaściwe przygotowanie podłoża,
• brak listwy startowej przy cokołach budynku,
• błędny sposób klejenia płyt (zbyt mała ilość kleju, pominięcie zasady pasmowo-punktowej, brak łączników lub ich niedostateczna liczba),
• nieprawidłowe ułożenie płyt materiału termoizolacyjnego,
• nieprawidłowe wykonanie lub brak warstwy zbrojącej,
• niewłaściwe wykonanie warstwy wykończeniowej.

Problematyka docieplenia ścian zewnętrznych metodą lekką mokrą jest zjawiskiem złożonym i aktualnym rozpatrywanym także w pracach [7, 8].

Wprowadzenie nowego wyrobu w postaci płyt styropianowych zespolonych (szary - biały) pozwala na minimalizację defektów termicznych podczas docieplania ścian zewnętrznych, jednak wymaga przeprowadzenia obliczeń symulacyjnych w zakresie zjawisk cieplno-wilgotnościowych oraz wykonania prac zgodnie z aprobatami i instrukcjami technicznymi.

Celem prowadzonych badań było sprawdzenie, na ile 6 mm warstwa styropianu białego doklejona warstwy szarego (grafitowego) styropianu oraz wprowadzenie nacięć kompensacyjnych mogą obniżyć naprężenia wewnętrzne powstające w płycie szarego styropianu EPS pod wpływem jednostronnie działającego promieniowania cieplnego.

Badaniom poddano płyty zespolone (szary - biały) fasada oraz porównawczo płyty styropianu szarego (grafitowego) fasada o zbliżonej gęstości, wyprodukowane w całym przekroju na surowcu z dodatkiem grafitu. Oba typy płyt poddano jednostronnemu działaniu promieniowania cieplnego o mocy 700-750 W/m2.

Po przeprowadzeniu badania można sformułować następujące wnioski:

1. Jednostronne obciążenie płyt styropianowych promieniowaniem cieplnym wywołuje w nich naprężenia wewnętrzne. Ocena skali tych naprężeń, sprawdzona na podstawie wielkości siły nacisku odkształcających się płyt wywieranych na stolik wago wykazała, że siła nacisku płyt zespolonych (szary–biały) fasada, w pierwszych 5 minutach działania promieniowana cieplnego była średnio o 53% niższa niż płyt styropianu szarego (grafitowego) fasada, a maksymalna zarejestrowana siła nacisku przy stabilizacji odkształceń płyt była niższa średnio o 38%.

2. W toku całego badania, w żadnej z płyt zespolonych (szary - biały) fasada, nie zaobserwowano nadtopień styropianu, podczas gdy w płytach styropianu szarego (grafitowego) fasada pojawiły się one już w pierwszych 5-7 minutach działania promieniowania cieplnego.

W związku z powyższym należy podkreślić, że modyfikacje wprowadzone w płycie zespolonej (szary - biały) w postaci warstwy białego styropianu EPS od zewnątrz płyty oraz nacięcia kompensacyjne, w przypadku jednostronnego obciążenia płyt promieniowaniem cieplnym, istotnie redukują naprężenia odrywające oraz zabezpieczają płyty EPS przed wytopieniem, co najmniej dla promieniowania cieplnego o natężeniu 750 W/m² lub niżej [9].

Literatura

1. M. Gaczek, J. Jasiczak, M. Kuiński, M. Siewczyńska, "Izolacyjność termiczna i nośność murowanych ścian zewnętrznych. Rozwiązania i przykłady obliczeń", Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2011.
2. Z. Rydz, J.A. Pogorzelski, M. Wójtowicz, "Bezspoinowy system ocieplania ścian zewnętrznych budynków", "Instrukcje, Wytyczne, Poradniki" nr 334, ITB, Warszawa 2002.
3. Kreisel Technika Budowlana, katalog produktów, 2010.
4. PN-EN ISO 6946:2008, "Komponenty budowlane i elementy budynku. Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła. Metoda obliczania".
5. Ejot, WDVS-Dübel, 2008.
6. M. Gaczek, S. Fiszer, "Tynki", XVIII Ogólnopolska Konferencja Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, Ustroń 2003.
7. A. Kaliszuk-Wietecka, "Ocieplenie elewacji w systemie ETICS", "Materiały budowlane" 9/2018, s. 62-64.
8. P. Krause, "Defekty termiczne ścian pełnych z ociepleniem ETICS", "Materiały budowlane" 9/2018, s. 66-68.
9. Raport z badań nr LZM00-01502/18/R60NZM, Instytut Techniki Budowlanej w Warszawie.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!