Kostki słomy jako materiał termoizolacyjny ścian zewnętrznych

Przedmiotem artykułu jest wykorzystanie kostek słomy jako materiału termoizolacyjnego ścian zewnętrznych. Autor przedstawia rodzaje słomy wykorzystywane w technice Strawbale, a następnie omawia techniki budowania z użyciem tego materiału, właściwości termiczne kostek słomy, jej paroprzepuszczalność i odporność ogniową ścian z kostek słomy. Przytacza również ekologiczne aspekty wykorzystania słomy w budownictwie.

Straw cubes as a thermal insulation material for external walls

The subject of the article is the use of straw cubes as a thermal insulation material for external walls. The author presents the types of straw used in the Strawbale technique, and then discusses the techniques of building with the use of this material, thermal properties of straw cubes, its vapour permeability and fire resistance of straw cube walls. He also mentions the ecological aspects of using straw in construction industry.

***

Nowoczesne techniki budowania ze słomy zapoczątkowano w Nebrasce w 1880 r. Słoma wykorzystywana jest w budownictwie głównie jako wypełnienie ścian o konstrukcji szkieletowej. Stosowana jest w postaci sprasowanych kostek różnej wielkości, wiązanych drutem stalowym lub sznurkiem z tworzywa sztucznego. Kostki wykorzystywane są także jako materiał ścienny nośny, przenoszący obciążenia z dachu i stropu. Istnieją również elementy prefabrykowane składające się z drewnianego szkieletu wypełnionego słomą i stanowiące segmenty ścian o różnych wymiarach. Artykuł skupia się na charakterystyce kostek słomy oraz na opisie głównych technik izolowania ścian tym materiałem.

Rodzaje słomy wykorzystywane w technice strawbale

Słoma jest to sucha łodyga skoszonego zboża (pszenicy, żyta, jęczmienia, owsa, ryżu, prosa) albo roślin włóknistych (lnu, konopi). Głównymi składnikami słomy są celuloza, lignina i krzemionka. Zawartość surowej celulozy w suchej masie słomy zbożowej wynosi ok. 40–50% [1]. Składnik celulozowy poprawia stabilność i izolacyjność termiczną słomy. Obecność ligniny polepsza parametry wytrzymałości mechanicznej materiału [1]. Warstwa zewnętrzna słomy charakteryzuje się woskowatymi, hydrofobowymi właściwościami. Zawartość krzemionki odpowiada za zwiększenie odporności na rozkład. W budownictwie najczęściej stosowane są kostki ze słomy pszenicznej, orkiszowej i żytniej. Kostki ze słomy jęczmiennej i owsianej charakteryzują się mniejszą stabilnością i są mniej odpowiednie do zastosowań budowlanych jako materiał izolacyjny ścienny.

Czytaj też: Termoizolacja budynków narażonych na dużą wilgotność

Powinno się stosować nieuszkodzone łodygi, bez zawartości chwastów, o złotożółtym kolorze i bez oznak korozji biologicznej. Skoszona słoma nie może pozostawać na deszczu, staje się bowiem łamliwa i bardziej narażona na korozję biologiczną. Małe kostki mają zwykle od 40 do 110 cm długości, 46 cm szerokości i 36 cm wysokości [2]. Według innego źródła zakres długości kostek waha się od 30 do 120 cm, szerokość wynosi 41 cm, a wysokość 31 cm [3]. Przykładowo masa kostki słomy o wymiarach 40×50×90 cm, o gęstości objętościowej 117 kg/m³, waży 20 kg [4].

Techniki budowania

Najbardziej rozpowszechnionym sposobem budowania ścian z kostek słomy jest wypełnienie nimi drewnianego szkieletu konstrukcyjnego. Kostki pełnią wtedy funkcję izolacji termicznej, nie przenosząc obciążeń od konstrukcji dachu i stropu. Słupy są zazwyczaj ustawiane w dwóch rzędach – są zlicowane z wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią ściany. Rozwiązanie to nazywa się dwugałęziowym układem słupów (FOT. 1). Wewnętrzny i zewnętrzny słupek połączony jest przewiązkami, tworząc tzw. drabinkę.

Innym sposobem jest nośne wykorzystanie kostek słomy, bez konstruowania szkieletu. W tej technice ściana ze skompresowanych kostek słomy zakończona jest drewnianym wieńcem, na którym opierają się drewniane elementy konstrukcyjne dachu i stropu (FOT. 2 na górze).

Wieniec powinien być przewiązany z podwaliną na przykład gwintowanym prętem przechodzącym przez środek grubości warstwy kostek, w rozstawie około 180 cm. Możliwe jest wykorzystanie również innych elementów ściągających, np. pasa napinającego. Takie sprężanie ściany pozwala w czasie użytkowania zredukować problem osiadania. Zalecany przy nośnym zastosowaniu kostek maksymalny stosunek grubości ścian do ich wysokości wynosi 1:6. Z kolei zalecane maksymalne obciążenie ścian wynosi 20 kN/m². Kostki powinny charakteryzować się gęstością objętościową rzędu 110 kg/m³, a także możliwie jak największymi wymiarami w celu zapewnienia właściwego rozkładu obciążeń [3].

Powierzchnię ścian z kostek słomy wykańcza się zwykle tynkami glinianymi od strony wewnętrznej, z uwagi na brak odporności na wodę (FOT. 3), oraz tynkami wapiennymi od strony zewnętrznej (FOT. 4). Mogą być one modyfikowane dodatkiem materiałów włóknistych, np. sieczki słomianej. Są to tynki charakteryzujące się niskim współczynnikiem oporu dyfuzyjnego rzędu 8–10 [3, 7], dlatego też nie blokują otwartości dyfuzyjnej ściany.

Tynki stanowią zabezpieczenie przed czynnikami atmosferycznymi (zewnętrzne), głównie wodą deszczową, a także przed wdmuchiwaniem zimnego wiatru. Pomimo dobrych właściwości termoizolacyjnych kostki słomy bez zamknięcia ich (w tym przypadku tynkami) nie spełniałyby funkcji izolacji termicznej, ponieważ byłyby narażone na przedmuchiwanie wiatrem. Wiatr znacząco obniża opór cieplny przegród izolowanych materiałami włóknistymi [8]. Tynki, zwłaszcza zewnętrzne wapienne, z uwagi na wysoki odczyn pH stanowią ochronę przegrody przed korozją biologiczną. Ich gruba warstwa (ok. 50 mm) chroni również przed dostępem gryzoni do wypełnienia izolacyjnego. Tynki zapewniają także dodatkowe wzmocnienie ściany. Wytrzymałość otynkowanej kostki słomy zależy głównie od wytrzymałości na ściskanie i grubości tynku [9]. Możliwe jest również wykończenie ścian elementami drewnianymi, np. deskami elewacyjnymi.

Właściwości termiczne kostek słomy

Słoma zbożowa, podobnie jak inne materiały włókniste (np. drewno lub paździerze konopne), jest materiałem anizotropowym. W zależności od kierunku działania czynnika zewnętrznego wykazuje ona inne właściwości. Dobrym przykładem pokazującym takie zachowanie jest przepływ strumienia ciepła przez kostkę słomy. Źdźbła słomy skierowane prostopadle do kierunku przepływu ciepła charakteryzują się niższym współczynnikiem przewodzenia ciepła niż w przypadku skierowania ich równolegle do przepływu ciepła. Kolejne ścianki źdźbeł słomy stanowią bowiem bariery dla strumienia cieplnego (RYS. 1–2).

Podczas zagęszczania kostek słomy źdźbła mają tendencję to układania się w kierunku prostopadłym do kierunku zagęszczania, dlatego też w kostce słomy źdźbła nie są ukierunkowane przypadkowo, choć z uwagi na łamliwość nie są też skierowane idealnie w konkretnym kierunku. Kostkę można jednak układać zarówno na płasko, jak i na rąb, uzyskując różną przenikalność cieplną. Zgodnie z niemiecką aprobatą techniczną uzyskano następujące wartości współczynnika przewodności cieplnej:

• w przypadku równoległego przepływu ciepła do łodyg 0,08 W/(m·K) oraz
• w przypadku prostopadłego przepływu ciepła do kierunku ułożenia łodyg 0,052 W/(m·K) [3].

Wg raportu Instytutu Techniki Budowlanej, wykonanego dla Ogólnopolskiego Stowarzyszenia Budownictwa Naturalnego, współczynnik przewodności cieplnej kostki słomy o łodygach skierowanych równolegle do kierunku przepływu ciepła wynosił 0,073 W/(m·K) [11]. W artykule przeglądowym [9] przedstawiono zakres przewodności cieplnej słomy od ok. 0,043 W/(m·K) do ok. 0,082 W/(m·K) przy gęstościach w zakresie ok. 58–125 kg/m³.

Generalnie współczynnik przewodności cieplnej wzrasta wraz ze wzrostem gęstości objętościowej słomy, jednak w pracach badawczych wykazywano różne korelacje [9].

Ścianki słomy zbożowej charakteryzują się porowatą strukturą (FOT. 5), a wymiary porów (o kształcie zbliżonym do sześciokąta) w ściankach słomy pszenicznej wg przykładowych badań [12] wahają się w przedziale od 7 do 20 μm, natomiast grubość ścianki od 90 do 130 μm.

Poza porowatością ścianek łodyg, za dobre parametry termoizolacyjne kostek słomy odpowiadają też pory pomiędzy docelowo zagęszczonymi źdźbłami, jak również przestrzenie powietrzne wewnątrz źdźbeł. Całkowita porowatość zagęszczonej słomy w postaci kostki zależy od jej gęstości objętościowej. Wg przykładowych badań [12] słoma o gęstości objętościowej w zakresie 30–47 kg/m³ charakteryzowała się porowatością rzędu 94–97%.

Porowatość równą 93% wykazała też wg innych badań słoma o gęstości 100 kg/m³ [13]. Jednak wg literatury [14] typowy zakres gęstości kostek to 74–103 kg/m³ oraz, wg innego źródła [15], 81–106,3 kg/m³. Podobnie jak w przypadku innych materiałów izolacyjnych, przewodność cieplna słomy wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i zawartości wilgoci.

Zgodnie z obliczeniami zawartymi w raporcie [16], współczynnik przenikania ciepła U ściany z kostek słomy o grubości 43,5 cm, pokrytej tynkiem wapiennym o współczynniku przewodności cieplnej równym 0,8 W/(m·K), wyniósł 0,16 W/(m²·K), a zatem przy zastosowaniu klasycznej grubości ścian z kostek słomy możliwe jest spełnienie aktualnych wymagań cieplnych stawianych przez Warunki Techniczne [17].

Kolejnym istotnym parametrem cieplnym jest ciepło właściwe/pojemność cieplna słomy. Wielkość tego parametru wpływa na poziom zdolności akumulowania ciepła przez materiał.

Wg badań [18] objętościowy współczynnik pojemności cieplnej słomy pszennej wzrósł z 164 kJ/(m³·K) do 276 kJ/(m³·K) przy wzroście gęstości z 82 kg/m³ do 138 kg/m³. Z kolei ciepło właściwe rozdrobnionej słomy, badane skaningowym kalorymetrem różnicowym (DSC), rosło wraz ze wzrostem temperatury od wartości 1075 ± 204 J/(kg∙K) przy 0°C do 2025 ± 417 J/(kg∙K) przy 40°C [19].

Paroprzepuszczalność

Paroprzepuszczalność materiałów wyraża się przy użyciu współczynnika przepuszczalności pary wodnej δ [kg/m/s/Pa] oraz współczynnika oporu dyfuzyjnego μ, który jest bezwymiarowy. Wartości tych parametrów zależą generalnie od gęstości i struktury porów danego materiału, jednak na podstawie pracy przeglądowej [9] nie stwierdzono istotnej korelacji między gęstością a przepuszczalnością pary wodnej.

W pracy tej zaprezentowano wartość współczynnika oporu dyfuzyjnego słomy w zakresie od ok. 2,5 do 5,2 w przypadku gęstości z zakresu 75–120 kg/m³. Z kolei zgodnie z wytycznymi zawartymi we francuskim dokumencie [20] współczynnik oporu dyfuzyjnego suchej kostki słomy o gęstości 100 kg/m³ wynosi 1,15. W przypadku materiału zawierającego składniki pochodzenia roślinnego, które są podatne na rozwój korozji biologicznej, zdolność przepuszczania pary wodnej na zewnątrz jest istotna, ale również warstwy wykończeniowe nie powinny tej zdolności ograniczać.

Odporność ogniowa ścian z kostek słomy

Luźno ułożona słoma zbożowa jest materiałem łatwo zapalnym. Po przyłożeniu płomienia materiał zapala się, a po jego usunięciu pali się dalej. Jednak jej zagęszczenie do postaci kostki słomy, używanej jako materiał izolacyjny w ścianach, stwarza większą odporność na rozprzestrzenianie się ognia, ponieważ skompresowane łodygi słomy tworzą strukturę utrudniającą dopływ do wnętrza kostki tlenu, koniecznego do podtrzymania rozprzestrzeniającego się ognia. Odporność ogniową ścian z kostek słomy w dużym stopniu poprawiają obustronne tynki gliniane i wapienne.

W klasyfikacji odporności ogniowej uwzględnia się limit czasu w minutach 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 lub 360, który pokazuje czas spełnienia kryteriów wydajności podczas znormalizowanej próby ogniowej.

Zgodnie z badaniami ściany nośne z kostek słomy poddane obciążeniu użytkowemu, otynkowane z obu stron tynkiem glinianym o średniej grubości 3–5 cm, uzyskały odporność ogniową trzydziestominutową. W Austrii, w wyniku testu ściany z kostek słomy otynkowanej od strony zewnętrznej tynkiem wapiennym, a od strony wewnętrznej tynkiem glinianym, uznano odporność ogniową dziewięćdziesięciominutową [3].

W USA przeprowadzono badanie odporności ogniowej [21] zgodnie z ASTM 119 [22]. Był to godzinny test odporności ogniowej nienośnej ściany z kostek słomy otynkowanej tynkiem glinianym (FOT. 6–9). Wymiary ściany to: 425×365 cm (szerokość×wysokość), natomiast wymiary kostek to: 91,5×46×36,5 cm (długość×szerokość×wysokość), a ich masa to 19,2 kg.

Tynk został nałożony w dwóch warstwach o grubości 13 mm każda. Nośna rama ściany była obciążona ciężarem 8,75 kN/m. Przenikanie ciepła przez ścianę w czasie testu nie podniosło średniej temperatury przeciwległej powierzchni ściany (niewystawionej na działanie temperatury pożarowej) o więcej niż 121°C oraz o więcej niż 165°C, uwzględniając indywidualne punkty pomiarowe ściany. Badana ściana została uznana za posiadającą odporność ogniową 60 min.

W innych badaniach [21], wykonanych zgodnie z EN 1363-1 [23] oraz EN 1365-1 [24], analizie poddano ściany z kostek słomy otynkowane od zewnątrz tynkiem wapiennym oraz od wewnątrz tynkiem glinianym. Przy obciążeniu ściany równym 12 kN/m wytrzymała ona oddziaływanie pożaru przez 2 godz. i 26 min. Pod względem kryteriów nośności, szczelności i izolacyjności ściana wykazała odporność ogniową 120 min. Natomiast podczas obciążenia równego 20 kN/m wytrzymała oddziaływanie pożaru przez 1 godz. i 6 min, co odzwierciedla klasę odporności ogniowej 60 min.

Ekologiczne aspekty wykorzystania słomy w budownictwie

• Słoma zbożowa jest to surowiec pozyskiwany corocznie i szeroko dostępny z uwagi na duże powierzchnie upraw zbóż w Polsce.
• Słoma wykorzystywana jest w stanie surowym, bez obróbki powodującej zwykle dodatkowe nakłady energetyczne.
• Po rozbiórce ścian związanej z zakończeniem cyklu życia kostek słomy możliwa jest ich biodegradacja w dość krótkim czasie, włączająca materiał w obieg materii. Słoma może być wykorzystana jako nawóz w uprawie roślin. W przeciwieństwie do materiałów wysokoprzetworzonych, eliminuje się w ten sposób problem z utylizacją odpadów budowlanych.
• Kostki słomy wbudowywane są w szkielet drewniany bez użycia zaprawy lub innych połączeń opartych na materiałach wiążących, dlatego też w łatwy sposób możliwe jest odłączenie ich od elementów konstrukcyjnych w czasie rozbiórki. Powierzchnie ścian zwykle pokryte są tynkami glinianymi lub wapiennymi, które również nie stanowią problemu związanego z utylizacją.
• Literatura podaje, że tona słomy zawiera ok. 420 kg zmagazynowanego węgla poprzez pochłanianie dwutlenku węgla w czasie wzrostu. Kilogram słomy w czasie wzrostu jest w stanie wchłonąć w procesie fotosyntezy ok. 1,5 kg CO₂. Jest to przykład materiału o ujemnym, czyli korzystnym śladzie węglowym [3].
• Zawartość energii wbudowanej kostek małych obliczono na poziomie 63 kWh/t. Udział procesu wytworzenia kostek prasą stanowi 29%, załadowanie kostek na polu, ich transport i rozładowanie w gospodarstwie stanowi 19%, natomiast największy udział energii wbudowanej wykazała obecność materiału sztucznego, tj. sznurka poliamidowego (52%) potrzebnego do związania kostek [3].

Podsumowanie

Izolacja termiczna z kostek słomy może stanowić alternatywę dla innych stosowanych materiałów termoizolacyjnych ściennych w budownictwie szkieletowym. Niska gęstość kostek oraz porowata struktura słomy zapewniają dobre parametry izolacyjności cieplnej. Jest to materiał niskoprzetworzony o ujemnym śladzie węglowym. Pomimo braku odporności słomy na korozję biologiczną oraz oddziaływanie ognia, stosowanie grubych warstw tynków wapiennych i glinianych zapewnia zabezpieczenie przed tymi czynnikami. Wzrastająca świadomość potrzeby stosowania przy wznoszeniu budynków mieszkalnych materiałów zapewniających prozdrowotny mikroklimat zamieszkania powoduje, że tego typu materiały są coraz częściej wybierane przez inwestorów.

Literatura

 1. G. Tlaiji, S. Ouldboukhitine, F. Pennec, P. Biwole, „Thermal and mechanical behavior of straw-based construction: A review”, „Construction and Building Materials”, 316, 2022, 125915.
 2. R. Wimmer, H. Hohensinner, L. Janisch, M. Drack, „Wandsysteme aus nachwachsenden Rohstoffen Wirtschaftsbezogene Grundlagenstudie”, 2001. www.hausderzukunft.at
 3. G. Minke, B. Krick, „Podręcznik budowania z kostek słomy”, Cohabitat, Łódź, 2015/ Przekład oryginału pt. „Handbuch Strohballenbau”, wyd. 3, 2014.
 4. F. Nicholson, D. Kindred, A. Bhogal, S. Roques, J. Kerley, S. Twining, T. Brassington, P. Gladders, H. Balshaw, S. Cook, S. Ellis, „Straw incorporation review”, HGCA, 2014. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.2364.2721
 5. www.la-vie-en-paille.over-blog.com
 6. www.pajaconstruction.com
 7. PN-EN ISO 10456, „Materiały i wyroby budowlane. Właściwości cieplno-wilgotnościowe. Tabelaryczne wartości obliczeniowe i procedury określania deklarowanych i obliczeniowych wartości cieplnych”.
 8. P. Kosiński, P. Brzyski, Z. Suchorab, G. Łagód, „Heat Losses Caused by the Temporary Influence of Wind in Timber Frame Walls Insulated with Fibrous Materials”, „Materials”, 13(23), 2020, 5514.
 9. C.H.A. Koh, D. Kraniotis, „A review of material properties and performance of straw bale as building material”. Construction and Building Materials”, 259, 2020, 12038.
10. www.costka.com
11. „Raport z badania współczynnika przewodzenia ciepła kostek słomy”, Instytut Techniki Budowlanej, 2015 (LFS00-02236/15/ZOONF).
12. M. Bouasker, N. Belayachi, D. Hoxha, M. Al-Mukhtar, M. Bouasker, N. Belayachi, D. Hoxha, M. Al-Mukhtar, „Physical Characterization of Natural Straw Fibers as Aggregates for Construction Materials Applications”, „Materials”, 7, 2014, 3034–3048.
13. A. Louis, A. Evrard, B. Biot, L. Courard, F. Lebeau, „De l’expérimentation à la modélisation des propriétés hygrothermiques de parois isolées en paille”, „Annales Du Batiment et Des Travaux Publics” 2013, 34–40.
14. J.-Ph. Costes, A. Evrard, B. Biot, G. Keutgen, A. Daras, S. Dubois, F. Lebeau, L. Courard, „Thermal Conductivity of Straw Bales: Full Size Measurements Considering the Direction of the Heat Flow”, „Buildings”, 7/4, 2017, 11.
15. K.C. Watts, K.I. Wilkie, K. Tompson, J. Corson, „Thermal and mechanical properties of straw bales as they relate to a straw house”, Canadian Society of Agricultural Engineering, 1995.
16. C. Rye, C. Scott, „The spab research report 1 U-value report”, 2012.
17. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU Nr 75, poz. 690 z późniejszymi zmianami). Stan prawny aktualny na dzień: 22.02.2023.
18. T. Ashour. „The use of renewable agricultural by-products as building materials”. Scholars’ Press, 2003.
19. B. Marques, A. Tadeu, J. Almeida, J. Antonio, J. Brito, „Characterisation of sustainable building walls made from rice straw bales”, „Journal of Building Engineering”, 28, 2019, 101041.
20. SCM Lejeune, „La construction en paille: construire en paille, construire l’avenir”, „Reseau Francais de La Construction Paille (RFCP) et SCM Lejeune”, 2015, www.rfcp.fr
21. S. Dzidic, „Fire Resistance of the Straw Bale Walls”, SerbiaVolume: Book of Proceedings, Subotica 2017.
22. ASTM E119, „Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials”.
23. EN 1363-1, „Fire resistance tests. Part 1: General requirements”.
24. EN 1365-1, „Fire Resistance Tests for Loadbearing Elements. Part 1: Walls”.