CZASOPISMO INŻYNIERII LĄDOWEJ, ŚRODOWISKA I ARCHITEKTURY JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING, ENVIRONMENT AND ARCHITECTURE JCEEA, t. XXXIII, z. 63 (4/16), paździrnik-grudziń 2016, s. 33-42 Przmysław BRZYSKI 1 Stanisław FIC 2 KONDENSACJA W PRZEGRODZIE ŚCIENNEJ Z KOMPOZYTU WAPIENNO-KONOPNEGO OCENA MOŻLIWOŚCI WYSTĄPIENIA Obcność składników organicznych w matriałach budowlanych, dcyduj o ich wrażliwości na wilgoć, a dłuższj prspktywi na ich korozję biologiczną, jśli ni zostaną odpowidnio zabzpiczon przd czynnikami atmosfrycznymi. Przgrody powinno się projktować zwracając uwagę na ryzyko wystąpinia powirzchniowj oraz międzywarstwowj kondnsacji pary wodnj. W artykul przdstawiono analizę przgrody ścinnj, wykonanj z kompozytu wapinnokonopngo. Założono grubość ściany 40 cm oraz po 2 cm tynku po obu stronach. Kompozyt składa się z modyfikowango spoiwa wapinngo oraz paździrzy konopnych pozyskanych z konopi przmysłowych. Paramtry matriału, potrzbn do analizy (współczynnik przwodności ciplnj oraz paroprzpuszczalność) wyznaczono doświadczalni w badaniach własnych. W części analitycznj artykułu przdstawiono oblicznia tmpratury powirzchni konicznj do uniknięcia krytycznj wilgotności powirzchni wwnętrznj ściany oraz okrślono możliwość wystąpinia kondnsacji międzywarstwowj w analizowanj ściani. Oblicznia wykonano zgodni z normą PN-EN 13788. Przyjęto warunki brzgow dla lokalizacji Lublin. Misiącm krytycznym, w którym przgroda jst najbardzij narażona na kondnsację jst styczń. Z uwagi na dobr paramtry trmoizolacyjn przgrody, jj budowę ryzyko rozwoju plśni na wwnętrznj powirzchni ściany ni występuj. Kondnsacja wwnętrzna występuj w przgrodzi w okrsi grudziń luty. Natomiast już w marcu zgromadzony kondnsat ulga całkowitmu odparowaniu. Przgroda odpowidnij grubości, wykonana z kompozytu wapinnokonopngo, z uwagi na swoją wysoką paroprzpuszczalność oraz niski przwodnictwo cipln ni jst narażona na długotrwał i niszcząc oddziaływani skraplającj się wwnątrz pary wodnj. Słowa kluczow: paroprzpuszczalność, przwodnictwo cipln, wypłniacz organiczn, wapno, ściana zwnętrzna 1 Autor do korspondncji / corrsponding author: Przmysław Brzyski, Politchnika Lublska, Katdra Budownictwa Ogólngo, ul. Nadbystrzycka 40, 20-618 Lublin; tl. 815384448; p.brzyski@pollub.pl 2 Stanisław Fic, Politchnika Lublska, Katdra Budownictwa Ogólngo, ul. Nadbystrzycka 40, 20-618 Lublin; tl. 815384443; s.fic@pollub.pl
34 P. Brzyski, S. Fic 1. Wstęp Zrównoważon budownictwo związan jst ściśl z ogranicznim zużycia nrgii w tym sktorz gospodarki jakim jst budownictwo. Jdnym z możliwych sposobów jst stosowani matriałów pochodznia roślinngo w produkcji matriałów budowlanych. Do grupy matriałów pochodznia naturalngo można zaliczyć: słomę zbożową [1], paździrz lnian [2], sizal [3], któr w czasi swgo wzrostu pochłaniają dwutlnk węgla, a ich wykorzystani w budownictwi zwykl ni jst nrgochłonn. W przciągu ostatnich lat szroko zaczęto wykorzystywać paździrz konopn w produkcji matriału budowlango, płniącgo funkcję wypłninia ścian szkiltowych [4,5]. Obcność składników organicznych w matriałach budowlanych, dcyduj o ich wrażliwości na wilgoć, a w dłuższj prspktywi na ich korozję biologiczną, jśli ni zostaną odpowidnio zabzpiczon przd czynnikami atmosfrycznymi. W pracy przdstawiono analizę przgrody ścinnj budynku miszkalngo, wykonanj z kompozytu wapinno-konopngo, obustronni otynkowanj. Obliczono tmpraturę powirzchni konicznj do uniknięcia krytycznj wilgotności powirzchni wwnętrznj ściany oraz okrślono możliwość wystąpinia kondnsacji międzywarstwowj w analizowanj ściani zwnętrznj. 2. Matriały wykorzystan w analizi W analizi wykorzystano własn badania kompozytu wapinno-konopngo. Składał się on z spoiwa (wapno hydratyzowan (70% wagowo) z dodatkim pucolany (15%) i cmntu portlandzkigo (15%)) oraz paździrzy konopnych, pochodzących z odmiany Białobrzski. Oprócz kompozytu, warstwami przgrody były tynki: wapinny od zwnątrz, gliniany od wwnątrz. Konstrukcję ściany stanowi szkilt drwniany słupy 50x100mm rozstawion co 500mm, usytuowan cntralni względm grubości ściany. W obliczniach wilgotnościowych pominięto wpływ drwnianych lmntów konstrukcji na analizowan paramtry. Na rysunku 1 przdstawiono schmat analizowanj przgrody, natomiast na rysunku 2 rzczywisty modl ściany. Paramtry kompozytu wapinno-konopngo taki jak współczynnik przwodności ciplnj, paroprzpuszczalność okrślono doświadczalni, natomiast paramtry tynków przyjęto na podstawi obowiązujących norm [6] oraz katalogu producnta [7].
Kondnsacja w przgrodzi ścinnj z kompozytu wapinno-konopngo 35 Rys. 1. Schmat analizowanj przgrody ścinnj (zwnętrznj) Fig. 1. Schm of analyzd xtrnal wall Rys. 2. Modl ściany z kompozytu wapinnokonopngo (archiwum autorów) Fig. 2. Hmp-lim wall modl 3. Wyznaczni paramtrów kompozytu wapinno-konopngo 3.1. Współczynnik przwodności ciplnj Badani współczynnika przwodności ciplnj λ kompozytu wykonano w oparciu o PN ISO 8302:1999 na próbkach o wymiarach 300x300x50 mm, po 28 dniach dojrzwania, przy pomocy aparatu płytowgo Bocka Fox 314. Przd umiszcznim próbk w urządzniu zostały on wysuszon do stałj masy w tmpraturz 60 C. Wynikim tstu był śrdni współczynnik przwodności ciplnj matriału z szściu pomiarów. 3.2. Paroprzpuszczalność Pomiar współczynnika paroprzpuszczaloności wykonano na podstawi PN- EN 12086:2013 w warunkach izotrmicznych, umiszczając badaną próbkę między dwoma różnymi środowiskami, różniącymi się wilgotnością względną otaczającgo powitrza. Jdnym z nich było powitrz w ksykatorz nad roztworm soli (K 2CO 3) zapwniającj okrśloną wilgotność względną (ok. 43%). Drugim środowiskim było powitrzn wwnątrz naczynia, w którym znajdował się żl krzmionkowy, który pozwolił uzyskać wilgotność względną 0%. Naczyni przkryt zostało badaną próbką i obwodowo uszczlnion. Poprzz ważni naczynia w okrślonych odstępach czasu ustalono przyrost masy substancji higroskopijnj. Przdstawiona mtodyka badania jst opisana takż przz [8]. Wyznaczając współczynnik paroprzpuszczalności δ oparto się na prawi Ficka, wg wzorów:
36 P. Brzyski, S. Fic δ = gϑ [kg/(m s Pa)] (1) P ϑ m gϑ = [kg/(m 2 s)] (2) A T gdzi: grubość próbki [m]; g ϑ gęstość struminia wilgoci [kg/(m 2 s)]; P ϑ gradint ciśninia pary wodnj [Pa]; A pol powirzchni próbki [m 2 ]; T zmiana tmpratury [ C]; m zmiana masy [kg]. Na podstawi współczynnika δ okrślono współczynnik oporu dyfuzyjngo µ, co pozwoliło ustalić, il razy opór stawiany przz dany matriał przpływowi pary wodnj jst większy od oporu powitrza, co wyrażono bzwymiarową zalżnością: δ = (3) δ µ 0 gdzi: δ 0- opór powitrza, równy 2 10-10 kg/(m s Pa) W tabli 1 zstawiono wyznaczon (uśrdnion) lub pobran z litratury paramtry matriałów wykorzystanych w analizowanj przgrodzi. Tabla 1. Paramtry matriałów wchodzących w skład analizowanj przgrody Tabl 1. Th paramtrs of matrials includd in th analyzd partition Matriał Współczynnik przwodności ciplnj Współczynnik paroprzpuszczalności Współczynnik oporu dyfuzyjngo [W/mK] [kg/(m s Pa)] [-] Kompozyt 0,083 3.64x10-11 5,5 Tynk wapinny 0,80 2x10-11 10 Tynk gliniany 0,91 2.5x10-11 8 4. Obliczni tmpratury powirzchni konicznj do uniknięcia krytycznj wilgotności powirzchni Przgrody zwnętrzn powinny być zaprojktowan z uwzględninim ryzyka wystąpinia powirzchniowj kondnsacji pary wodnj. Na wwnętrznj powirzchni niprzzroczystj przgrody zwnętrznj ni dopuszcza się wystąpinia kondnsacji pary wodnj umożliwiającj rozwój grzybów plśniowych. Opirając się na normi PN-EN ISO 13788 [9] warunk tn sprawdzono poprzz obliczni współczynnika tmpraturowgo f Rsi. Ściana zwnętrzna, wg zalcń
Kondnsacja w przgrodzi ścinnj z kompozytu wapinno-konopngo 37 w/w normy powinna charaktryzować się współczynnikim tmpraturowym ni większym niż jgo wartość krytyczna f Rsi.kryt. Współczynnik tmpraturowy obliczono wdług wzorów: θ = θ si,min f Rsi, min (4) θ i θ f Rsi R si,min = 1 (5) R T,min f Rsi f Rsi, kryt gdzi: θsi,min tmpratura powirzchni wwnętrznj [ C]; θi tmpratura powitrza wwnętrzngo [ C]; θ tmpratura powitrza zwnętrzngo [ C]; Rsi,min opór przjmowania cipła na wwnętrznj powirzchni przgrody (0,25 m 2 K/W); RT,min najniższy opór ciplny skcji wydzilonj z komponntu budowlango [m 2 K/W] Aby możliw było sprawdzni warunku > koniczn jst wyznaczni ciśninia pary wodnj nasyconj p sat, ciśninia rzczywistgo pary wodnj na powirzchni zwnętrznj p i wwnętrznj p i przgrody, oraz obliczni minimalnj dopuszczalnj tmpratury θ si,min będącą najniższą tmpraturą powirzchni wwnętrznj, poniżj którj zaczyna rozwijać się plśń. Aby uniknąć rozwoju plśni, wilgotność względna na powirzchni ni powinna przkraczać wartości 0,8. Wartości t obliczono wg wzorów: p sat = 17,26 θ 237,5+ θ 610,5 dla θ 0 C (6) p sat = 21,875 θ 265,5+ θ 610,5 dla θ <0 C (7) p p i = ϕ p sat = p + 1, 1 p (8) (9) gdzi: p nadwyżka ciśninia zgodni z oczkiwanym sposobm ksploatacji budynku [Pa]; pi p sta( θ si, min ) = (10) 0,8
38 P. Brzyski, S. Fic psat 237,5 ln 610,5 θ si,min = dla p sat(θsi,min) 610,5 Pa (11) psat 17,269 ln 610,5 Analizy stanu wilgotności ściany w budynku miszkalnym całorocznym dokonano przyjmując jako lokalizację miasto Lublin. W tabli 2 przdstawiono dan wyjściow oraz wyniki obliczń. Tabla 2. Warunki brzgow do obliczń oraz wyniki obliczń Tabl 2. Th boundary conditions for calculation and th rsults of calculation M-c θ φ φi p p pi psat(θsi,min) θsi,min frsi,min [ C] [%] [%] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [ C] I -2,6 87 61 428 915 1435 1794 15,8 0,814 II -1,9 86 61 449 887 1424 1780 15,7 0,803 III 3,2 81 59 624 680 1373 1716 15,1 0,709 IV 9,2 73 57 844 437 1326 1657 14,6 0,496 V 14,4 73 62 1205 227 1454 1818 16,0 0,287 VI 16,2 78 68 1430 154 1599 1999 17,5 0,343 VII 16,9 78 70 1495 126 1633 2041 17,8 0,301 VIII 16,9 77 70 1487 126 1625 2032 17,8 0,277 IX 12,8 83 66 1221 292 1542 1927 16,9 0,572 X 8,5 84 62 928 466 1440 1800 15,8 0,639 XI 1,3 89 61 598 757 1431 1789 15,8 0,773 XII -2,1 88 62 453 895 1438 1797 15,8 0,811 Projktowaną tmpraturę wwnętrzną przyjęto jako θi=20 C frsi 0,95 Misiącm krytycznym z względu na poziom f Rsi jst styczń. Obliczony współczynnik tmpraturowy dla misiąca stycznia wyniósł 0,814, nico mnijszą wartość współczynnika uzyskano dla grudnia 0,811. W tym przypadku współczynnik tmpraturowy f Rsi wyniósł 0,950. Jst on większy od współczynnika krytyczngo, więc warunki dla rozwoju plśni na powirzchni wwnętrznj ściany ni występują przz cały rok. 5. Okrślni możliwości wystąpinia kondnsacji międzywarstwowj Opirając się na normi PN-EN ISO 13788 dla każdgo misiąca obliczono tmpratury na styku warstw przgrody, ciśnini pary nasyconj i rozkład pary w przgrodzi. Ścianę podzilono na szrg równolgłych, jdnorodnych warstw, dla których okrślono się opory cipln R oraz równoważn dyfuzyjni warstwy powitrza s d wg wzoru:
Kondnsacja w przgrodzi ścinnj z kompozytu wapinno-konopngo 39 s d = µ d (12) gdzi: µ współczynnik oporu dyfuzyjngo [-]; d- grubość warstwy matriału [m]. Zgodni z normą [9], warstwy o znacznym oporz ciplnym (R>0,25 m 2 K/W) podzilono na pwną liczbę warstw o takim samym oporz ciplnym, niprzkraczającym 0,25 m 2 K/W. Następni obliczono narastający opór ciplny i grubość warstwy niruchomgo powitrza o takim samym oporz dyfuzyjnym od strony zwnętrznj do każdj powirzchni stykowj n, wg równań:, = + + (13) Tmpraturę na każdj powirzchni styku matriałów obliczono z równania:,, =, (14) = + ( ) (15) Strumiń kondnsacji jst różnicą między ilością wilgoci prznoszonj do powirzchni stykowj a ilością wilgoci prznoszonj od powirzchni stykowj, na którj występuj kondnsacja pary wodnj: = ( ) (16),,, Na rysunku 3 pokazano rozkład tmpratury oraz ciśninia pary wodnj w dwóch przgrodach w przykładowym misiącu - styczniu. Kondnsacja zachodzi wwnątrz warstwy kompozytu jdyni pomiędzy 21 a 22 warstwą stykową wytworzonych warstw obliczniowych (styk kompozytu wapinnokonopngo z tynkim zwnętrznym), czyli bliżj powirzchni zwnętrznj w przgrodzi. Tmpratura ujmna utrzymuj się w obliczniowych warstwach stykowych 19-21 (czyli w rzczywistości w obszarz 60 mm grubości kompozytu od strony zwnętrznj) oraz w warstwi stykowj nr 22, czyli w obszarz tynku zwnętrzngo. Na rysunku 4 pokazano wartości struminia kondnsacji oraz ilość zakumulowango kondnsatu w poszczgólnych misiącach. Najwyższy sumaryczny strumiń kondnsacji g c występuj w misiącu grudniu i jst równy 0,0157 kg/m 2, natomiast maksymalna ilość kondnsatu pary wodnj
40 P. Brzyski, S. Fic przypada na styczń, w ilości 0,0259 kg/m 2. Kondnsacja występuj w misiącach grudziń-marzc. Począwszy od misiąca kwitnia skroplony kondnsat ulga całkowitmu odparowaniu na skutk wzrostu tmpratury zwnątrz rozpatrywanj przgrody. Rys. 3. Rozkład ciśninia pary wodnj w analizowanj przgrodzi w misiącu styczniu Fig. 3. Distribution of watr vapor prssur in analyzd partition in January Rys. 4. Strumiń kondnsacji (gc) i zakumulowana wilgoć (Ma) w analizowanj ściani Fig. 4. Strams of condnsation (gc) and accumulatd moistur (Ma) in analyzd wall 6. Podsumowani Kompozyt wapinno-konopny z uwagi na swoj dobr paramtry trmoizolacyjn jst w małym zakrsi objęty strfą ujmnych tmpratur oraz podwyższonj wilgotności. Za sprawą niskigo współczynnika oporu dyfuzyjngo, nibzpiczństwa związan wzrostm wilgotności w wyniku kondnsacji międzywarstwowj są niwilki. Kondnsacja w przgrodzi występuj, jdnak w misiącach wiosnnych kondnsat ulga całkowitmu odparowaniu. Ściana zwnętrzna wykonana z naturalnych matriałów, takich jak kompozyt wapinnokonopny moż być wolna od ryzyka rozwoju plśni i ngatywnych skutków w wyniku kondnsacji, która występuj w przgrodzi w małym stopniu. Przprowadzon badania własn mogą być pomocn w praktycznych zastosowaniach w przypadku wykonywania przgród ścinnych zwnętrznych na bazi kompozytu wapinno-konopngo.
Kondnsacja w przgrodzi ścinnj z kompozytu wapinno-konopngo 41 Podziękowania: Badania zostały sfinansowan w ramach działalności statutowj S/14/2016. Litratura [1] Mink G., Mahlk F.: Building with Straw, Birkhäusr Architctur, Grmany 2005. [2] Fic S., Brzyski P.: Badani kompozytu opartgo na lkkich wypłniaczach (ln i prlit) do zastosowań w budownictwi jako matriał ścinny, Przgląd Budowlany, vol.2, 2015. [3] Izquirdo I.S., Ramalho M.A.: Elmnts of structural masonry rinforcd with sisal fibrs, Journal of Civil Enginring and Architctur, vol.7, 2013. [4] Barnat-Hunk D., Smarzwski P., Fic S.: Mchanical and thrmal proprtis of hmp-lim composits, Composits Thory and Practic, vol. 15/1, 2015, pp. 21-27. [5] Fic S., Barnat-Hunk D., Smarzwski P., Zadrożniak B.: Dvlopmnt of tchnology for th construction of clan and nrgy fficint hous with composit filling timbr fram, Biała Podlaska. Vol.1, 2015. [6] PN-EN ISO 10456: Matriały i wyroby budowlan. Właściwości ciplnowilgotnościow. [7] www.tirrafino.pl, dostęp 15-05-2015. [8] Walkr R., Pavía S.: Moistur transfr and thrmal proprtis of hmp lim concrts, Construction and Building Matrials, vol. 64, 2014; pp. 270 276. [9] PN-EN ISO 13788:2003: Ciplno-wilgotnościow właściwości komponntów budowlanych i lmntów budynku. EVALUATION OF THE POSSIBILITY OF CONDENSATION PHE- NOMENON IN WALL MADE OF HEMP LIME COMPOSITE S u m m a r y Th prsnc of organic componnts in building matrials, dcids on thir snsitivity to moistur, and th long-trm impact on thir biological corrosion, if thy ar not adquatly protctd against th wathr. Partitions should b dsignd with attntion to th risk of surfac and intrstitial condnsation. Th articl prsnts an analysis of th xtrnal wall, mad of hmp-lim composit with a thicknss of 400 mm, plastrd on both sids (a thicknss of plastr was 20 mm). Th composit consists of a modifid lim bindr and hmp shivs obtaind from th industrial hmp. Th paramtrs of th matrial ndd for analysis (thrmal conductivity cofficint and watr vapor prmability) was dtrmind xprimntally in th own rsarch. In th analytical part of th papr prsnts th calculation of th intrnal surfac tmpratur to avoid critical surfac humidity and dfins th possibility of intrstitial condnsation in th analyzd wall. For th calculations it was applid th mthodology according to PN EN 13788 Standard. Analysis of th walls wr mad taking Lublin city as location (boundary conditions). Th critical month, in which th partition is th most xposd to condnsation was January. Du to th good thrmal insulation of partition, its construction, th risk of mold growth on th innr wall surfac dos not occur. Th intrstitial condnsation occurs in th priod of Dcmbr - Fbruary. Th accumulatd condnsat is compltly vaporatd in March. Th appropriat thicknss of partition mad of hmp-lim
42 P. Brzyski, S. Fic composit, du to its high watr vapor prmability and low thrmal conductivity is not xposd to long-lasting and dvastating impact of watr vapor condnsation. Kywords: watr vapor prmability, thrmal conductivity, organic fillrs, lim, xtrnal wall DOI:10.7862/rb.2016.245 Przsłano do rdakcji: 10.07.2016 r. Przyjęto do druku: 20.12.2016 r.