Světová novinka - stabilizované venkovní hliněné omítky
Úvod o použití hlíny jako stavebního materiálu
Nepálenou hlínu jako stavební materiál nezná téměř žádná norma, výjimku tvoří pouze pár historických norem a standardů. I proto musíme náš článek začít definicí, co to vlastně nepálená hlíne je.
Zeminy (nebo směsi zemin s dalšími příměsemi vhodnými pro stavební účely) obsahující jílové až prachové částice jako pojivo a pískové až štěrkové částice spolu s příměsemi jako plnivo/ostřivo ve vhodných poměrech, se nazývají nepálená hlína.
Nepálená hlína je jedním z nejstarších stavebních materiálů. Pro své ekologické a pozitivně-mikroklimatické vlastnosti se postupně dostává do obliby také dnes.Její nepřetržitá obliba mezi staviteli na určitých částech naší planety se datuje na zhruba 10 000 let. U nás byl tento "lidový" materiál vytlačen až kruhovou pecí na kontinuální a tedy i levný výpal cihel. Materiál tak postupně ustupoval na venkov, až byl téměř vytlačen. Další rány osudu zasadila betonářská a ocelářská lobby a to především v druhé polovině 20. století s rozmachem industrializace a (pseudo)moderního urbanismu. Na druhou stranu právě stavby z betonu a oceli paradoxně přispěly svým silně negativním mikroklimatem, zejména pak vlhkostním, k renesanci nepálené hlíny, alespoň ve formě omítek a příčkovek.Nepálená hlína je totiž schopna pojmout až 6x více vlhkosti než vápenné omítky a tím působí jako stabilizační prvek v regulaci vlhkosti. Tyto absorpční vlastnosti se projevují také v oblasti pachů, prachu a alergenů.
autor: Franco Folini at Flickr
Nevýhodou nepálené hlíny bez stabilizace je však náchylnost na působení vody. Nepálená hlína, respektive jíly obsažené v ní jako pojivo, při styku s vodou v kapalné fázi bobtnají a při sesychání se smršťují. Toto způsobuje spolu s mechanickou sílou dopadající a stékající vody rozrušování struktury nazývané eroze. Proti použiti nepálené hlíny jako nosné mluví její snížená pevnost v mokrém stavu. Běžným způsobem ochrany proti erozi je hutnění, volba vhodných jílů, rozptýlená výztuž, použití stabilizačních pojiv nebo kombinace výše uvedeného.
Hlína a venkovní prostředí
photo byRyan Greenberg at Flickr
Hliněné konstrukce je třeba chránit proti účinkům povětrnosti. Historicky nejznámější ochranou je ochrana architekturou. Architektonické prvky v historii nevnikaly bezduše za účely designu, jako je tomu dnes, nýbrž jsou výplodem pokusů o hospodárnou konstrukci splňující požadavky ochrany jednotlivých často přírodních materiálů. V případě ochrany střech se jedná o velké přesahy střech, valby a dolní polovalby. Nesmíme opomenout vhodně zpracovaný detail (okna, dveře, vikýře, …). Tento způsob ochrany je vhodné neopomenout a kombinovat ho s dalšími způsoby, a to již z důvodů účelu i architektonicko-urbanistického hlediska. Další možností ochrany je opakovaná obnova venkovních hliněných omítek, která se provádí cca jedenkrát za deset let dle kvality návrhu viz výše. Tato ochrana se u nás často kombinuje s líčením tj. malbou vápnem. Vápenný nátěr je vhodný pro svůj nízký difuzní odpor. Další alternativou je omítka jiným materiálem či obklad. U omítky jiným materiálem je třeba dbát na difuzní vlastnosti a soudržnost vrstev. U obkladu je nutno volit vhodné materiály s co nejnižší údržbou; často však nevyhoví estetické hledisko. Jako podmíněně vhodný se dá uvažovat obklad modřínovým dřevem.
Novou možnost ochrany představují omítky se stabilizovanou nepálenou hlínou. Pro tuto stabilizaci se nehodí běžné stabilizátory jako vápno a cement, nýbrž určité druhy polymerních pojiv se specifickými vlastnostmi.
Malé intermezzo - úvaha na téma moderní výstavba, vnitřní mikroklima budov a ideální stěna
V tomto okamžiku se nemůžeme nezmínit o kvalitativních hlediscích moderní architektonické výstavby a urbanismu obecně. Stále častěji se hovoří o tzv. syndromu nemocných budov (Sick Building Syndrome – SBS)a to zejména v případech, kdy nám vnitřní prostředí těchto objektů po zdravotní stránce nevyhovuje. Uživatelé pak často pociťují bolesti hlavy a další příznaky, které jsou většinou shodné s příznaky nachlazení. Syndrom by se měl přesněji nazývat syndrom nemoci z budov (Building Related Illness – BRI), jak jej v České republice také nazývají odborníci z oboru hygieny. Faktem zůstává, že tento fenomén bývá pozorován převážně v moderních budovách, statisticky mnohem méně pak ve starší zástavbě. [1]
Jak si tedy můžeme definovat ideální stěnu nebo zeď v dnešní moderní době? Ideální stěnu z hlediska architektonického a funkčního můžeme definovat jako prvek, která má splňovat hned několik logických požadavků. V prvé řadě každá stěna dělá něco výjimečně pozitivního pro majitele - vymezuje a zároveň ochraňuje určitý prostor. Za druhé by taková zeď neměla být příliš drahá z hlediska stavebního a měla by naopak ještě šetřit energie. A za třetí by měla zatěžovat minimálně životní prostředí. Moderní stěna má však také napomáhat spoluvytváření ideálního mikroklimatu v místnosti či budově a splňovat nízkoenergetické požadavky. V neposlední řadě by taková stěna měla být postavena z dostupných a pokud možno místních materiálů, které jsou z obnovitelných zdrojů nebo recyklovatelné. Zároveň by se stěna, potažmo celá budova, měla dát vybudovat průmyslovým způsobem.
Jak sami vidíme, požadavky na moderní stěnu nebo stavbu 21. století nejsou zrovna malé. Do ekonomické rozvahy či kalkulace za takovou stěnu je však nutné navíc započítat také další náklady mimo samotných nákladů na pořízení a stavbu. Jsou to náklady na údržbu a v neposlední řadě také náklady na likvidaci, pokud možno likvidaci dokonalou. Tedy úplné navrácení materiálu do koloběhu a ne pouhé uložení stavebního odpadu (odložení problému na další generace). Je pak více než zvláštní a paradoxní, že v dnešní době platíme recyklační poplatek například u spotřební elektroniky, nicméně ani kalkulace a projekty našich předních ekonomů či mnohých architektonických studií s tímto "vícenákladem" nepočítají.
Právě vlastnosti jako jsou schopnost spoluvytváření vhodného vnitřního mikroklimatu, recyklovatelnost, relativně nízké náklady na znovupoužitelnost či velmi malá "ekologická stopa" [3] stavebních prvků z hlíny činí z těchto znovuobjevených materiálů velmi zajímavé téma pro moderní architekturu 21. století. Pevně věříme, že tomuto trendu můžeme napomoci jak osvětou, tak spojováním moderních vědeckých a technologických metod s osvědčenými materiály a historicky ověřenými pracovními postupy. A jedním z prvních výsledků tohoto spojení jsou právě stabilizované venkovní (polymerní) hliněné omítky CLAYGAR.
Výběr vhodné suroviny pro stavební materiály z hlíny
Začít musíme pár větami z geologické teorie. Plnivem v nepálené hlíně jsou písková až štěrková zrna spolu s příměsemi. Pojivem jsou pak jílové částice. Jílové minerály jsou krystalické destičkovité útvary vyznačující se polárními elektromagnetickými silami. Tyto destičky se vzájemně přitahují. Spojení však není pevné a je schopné mezi destičky vpouštět, respektive přitahovat molekuly vody. Tím dochází k bobtnání jílů. Různé jíly bobtnají různě, což je dané stavbami jednotlivých vrstev z oktaedrů a tetraedrů. Vše je podrobně popsáno v odborné literatuře. Podstatné je pro nás především mineralogické složení použité hlíny, pokud je tedy dostupné. Míra bobtnání nám v pořadí kaolinit, illit, montmorilonit stoupá, avšak vaznost nám v tomto pořadí klesá. Z toho vyplývá, že hlína nemá obsahovat v pojivu příliš montmorilonitu z důvodu bobtnání a moc málo illitu z důvodů vaznosti. V praktických situacích se však často stavíme před otázku vhodnosti jílu či hlíny bez mineralogického průzkumu či rozboru oxidů a jiných chemických informací. Dle lety osvědčených postupů nám postačí jednoduché zkoušky. Podle prof. Niemeyera postačí u budov s jedním podlažím (nebo u výplní a omítek – poznámka autora) správně zhodnotit výsledky:
a) zkoušky vaznosti,
b) zkoušky smrštění,
c) zkoušky odolnosti proti působení vody. [2]
Zkoušky jsou v citované literatuře dobře popsány, a proto si řekneme jen stručně k čemu slouží.
Zkouška vaznosti je vlastně zkouškou pevnosti v tahu v mokrém stavu. Provádí se s osmičkami na zkoušení vaznosti cementu, a proto je jednotka v [g/5cm2]. Vaznost nám určuje, jak je hlína tučná či hubená. Nejedná se o lidové pojmy, ale o přesně definované termíny. Pro omítky je vhodná hlína mírně hubená až tučná. Pokud hlína i bez ostření nedosahuje vaznosti 250 g/5cm2, je hlína moc hubená a je pro stavební účely nevhodná – pravděpodobně převažuje kaolinitický jíl.
Zkouška smrštění nám vypovídá o vlastnostech jílových minerálů a o množství plniva. Vhodné smrštění je od 1,5 do 2 %. Pokud je hlína zostřena již velkým množstvím plniva (nelze ho dát více, neboť by již nedošlo k obalení zrn či klesla vaznost pod 250 g/5cm2) a stále dochází ke smrštění přes 2 %, je hlína nevhodná a s velkou pravděpodobností obsahuje velké množství montmorilonitu oproti ostatním obsaženým druhům jílů.
Správně zostřená hlína se podrobí ještě zkoušce odolnosti na působení vody. Hlína je umístěná v extrémních podmínkách – je zavěšena pod hladinu vody a vlastní tíhou se snaží vzorek přetrhnout. Tato zkouška je však pouze informační (více bude využita až při testování dávek stabilizátoru).
Mezi další zajímavé a jednoduché zkoušky patří sítový rozbor. Jeho význam oceníme především při volbě vhodného ostřiva, o druhu jílového pojiva však neříká zcela nic a není tedy žádoucí dle tohoto ostřivo dávkovat. Zrnitostní křivka by měla být plynulá, a je proto vhodné doplňovat chybějící frakce. Celkovou sumu ostřiva však stanovujeme podle zkoušek vaznosti a smrštění.
Výběr vhodného stabilizačního pojiva (pro venkovní omítky)
Mezi běžná a standardně používaná stabilizační pojiva patří vápno a cement. Mezi další sádra, asfalt, různé přírodní výtažky, fermentace. Ochrana se dále zajišťuje nátěry vápnem, kaseinem, silikonovými nátěry apod. V případě vápna a cementu jsou nevýhody zejména z hlediska difuzního odporu, snížení pevností, změna barvy a nároků na ošetřování. Dávkují se v množství 3 až 6 % hmotnosti nepálené hlíny. Pojivová schopnost cementu se projevuje spíše na úrovni prachových a pískových zrn. Vhodné jsou však jen na cihly a bloky, nikoliv na vnitřní či vnější omítky. Nevýhodou stabilizace sádrou je její náchylnost na vodu a vlhkost obecně, podobně jako u hlíny samotné; asfalt zvyšuje difuzní odpor a mění barvu; přírodní výtažky a fermentace téměř neúčinkují; nátěry se musí obnovovat.
autor: Yaruman5 at Flickr
Zajímavý způsob stabilizace je stabilizace termitím sekretem. Ta je používána v oblastech, kde se vyskytují termiti a jejich nadzemní termitiště, mimo jiné zajímavá svojí přirozenou klimatizací. A právě výskyt termitů je hlavní překážkou ve využití této stabilizace. Lidé tyto termitiště rozebírají a hlínu používají na svá vlastní obydlí a termiti mají „kupodivu“ stejnou strategii. Byly provedeny pokusy o vývoj podobné chemické látky, která by již termity nezajímala; její cena byla však příliš vysoká. A tak je tato stabilizace používána pouze místními a termity. Jejich obydlí se tak neustále a vzájemně recyklují.
Myšlenka na stabilizaci hliněných materiálů na obdobné bázi nás provází již několik let a to včetně možnosti reuse – znovupoužití. Od počátku naší badatelské činnosti v hledání alternativ v oblasti stabilizace nepálené hlíny nám bylo jasné, že se bude jednat o pojivo rozpustné ve vodě. Pojivo musí dokonale spolupůsobit s jílem – ve struktuře nesmí být dvojí systém. Pojivo nesmí vyplňovat póry a tím zvyšovat difuzní odpor. Musí být zároveň po zatvrdnutí odolné vodě. Nemělo by měnit barvu výsledného produktu a může zvyšovat pevnosti. Najít takovéto stabilizační pojivo se dlouho zdálo jako nemožné. Většina současných pojiv buď vyplňuje póry a zvyšuje tak difuzi, nebo nejsou na bázi vody. Rozhodli jsme se tedy prostudovat a vypsat veškerou stavební chemii na bázi vody. V úvahu nejlépe připadala skupina pojiv pro disperzní barvy. Tyto barvy jsou v současné době na vzestupu zejména pro své ekologické vlastnosti a pro svůj nízký difuzní odpor. Sehnat konkrétní výrobek vhodný pro užití v hliněné omítce byl problém vzhledem k vyšší ceně.
Po delším hledání "ve slepých uličkách" jsme se vrátili k tématu hledání v oblasti disperzních polymerních pojiv a některé jsme začali testovat. Jako zkoušku pro srovnávání jsme použili výše zmíněnou zkoušku odolnosti na působení vody. Jistý účinek byl zaznamenán, avšak ve srovnání s cementem se jednalo jen o malý pokrok. Zajímavé však bylo zvýšení tahových pevností, což svými silami působícími proti silám bobtnání působilo pozitivně na udržení částic pohromadě. Posun však přišel až s myšlenkou na zabránění samotné podstatě problému. Hlína degraduje účinky vody – voda vniká do struktury a způsobuje bobtnání. Myšlenka tedy zní: Zkusme hlínu hydrofobizovat. Ani tyto výsledky se však nezdály příliš jednoznačné.
Některá hydrofobní činidla pění, některá mění barvu, způsobují výkvěty, některá působí málo nebo jen vevnitř vzorku, anebo naopak vytváří mastný povrch či snižují vaznost a tedy i soudržnost. Určité hydrofobní prostředky jsou však do jisté míry vhodné. Zlomový bod přišel až s myšlenkou tyto dva principy spojit: Stabilizace je založena na dvojí ochraně – zvýšení tahových pevností a hydrofobizaci. Zvýšení tahových pevností zachycuje síly od bobtnání jílů, zejména v povrchové vrstvě, a hydrofobizace zamezuje vniku vody do hloubky. Největším překvapením pak bylo, že jsme toho schopni dosáhnout současně přímo disperzním polymerním pojivem, jež je i nositelem hydrofobního účinku. Postačující dávka je okolo 1% hmotnostně, což je při přibližné ceně kolem 120 kč bez DPH za kilogram přijatelné.
V současné době testujeme již třetí přípravek s těmito hledanými vlastnostmi. Od standardní nestabilizované hlíny nelze stabilizovaná hlína rozeznat a to jak při zpracování, tak po zatvrdnutí. Hlavní funkční rozdíl se projeví až tehdy, když u nestabilizované varianty nastane eroze, nejčastěji vlivem povětrnostních podmínek. Stabilizace hliněných omítek polymerním pojivem nepřináší žádné nebezpečné vlastnosti. Reologické vlastnosti, barva, vůně zůstávají de facto totožné, stabilizovaná hlína má po zatvrdnutí smáčivý povrch. Technologie je prováděna formou suchých směsí. Možnosti znovupoužití nejsou zatím testovány, naděje na dobré výsledky jsou však velmi vysoké.
Využití venkovních hliněných omítek CLAYGAR
Venkovní hliněné omítky stabilizované polymery najdou v současné době uplatnění jak v oblasti rekonstrukcí hliněných domů, tak i nízkoenergetických či enviromentálních novostaveb. Hliněných domů je nemalé množství v České republice, zejména pak na Moravě. Tyto domy jsou velmi často nevhodně opraveny a i díky nevhodně zvolené technologii postupně degradují. V horším případě na vhodnou rekonstrukci teprve čekají. V historii se tyto domy opravovaly původními postupy a přečkaly po generace. Oprava polymery stabilizovanou nepálenou hlínou může díky svým vlastnostem zajistit velice kvalitní rekonstrukci a to včetně zateplovacích systémů na bázi přírodních izolací. Mezi hlavní přednosti patří odolnost vodě, nízká nasákavost, nízký difuzní odpor, vyšší pevnost a nezměněná barva.
Další možnou aplikaci představují omítky domů izolovaných slámou. Tato stabilizace byla dokonce původně pro tyto domy prioritně vyvinuta, i když těžiště současného využití leží především v rekonstrukcích. Návrh "slaměných domů" je velice náročný již na architekta, projektanta, ale také na autorský dozor či stavebníka. Slaměné konstrukce vykazují velmi nízký difuzní odpor a proto je nutné vhodně zvolit difuzní vlastnosti ostatních vrstev. Vzhledem k rizikovým mikrobiologickým vlastnostem je nutný kvalitní návrh konstrukce s přihlédnutím na detail a stavební kázeň při provádění. Tyto "slaměné domy" však podle našeho přesvědčení představují budoucnost v ekologickém nízkoenergetickém stavebnictví a v neposlední řadě také poskytují luxusní a zdravé mikroklima pro bydlení.
Závěrem
Tímto převratným objevem se nám snad podařilo vyřešit odvěký problém hliněných staveb a tím je náchylnost použitých hliněných materiálů na přímou vlhkost a na erozi. Naše patentově chráněné řešení stabilizované nepálené hlíny tak snad přispěje k výraznému a rychlejšímu rozšíření využití hlíny v moderní architektuře a nízkoenergetickému stavebnictví.
autoři: Ing. Michal Procházka, Ing. Libor Chaloupka - CLAYGAR s.r.o.
Aktuality Claygar Světová novinka - stabilizované venkovní hliněné omítky