Stabilizace nepálené hlíny disperzními polymery

Tato práce ukazuje na jeden ze způsobů úpravy hliněných omítek pro venkovní použití. Je potřeba si uvědomit, že zatím s tímto způsobem úpravy nejsou žádné dlouhodobé praktické zkušenosti!!!!!
 

Michal Procházka

Klíčová slova: nepálená hlína, jíl, hliněná, omítka, adobe, stabilizace, prodyšná

Keywords: loam, clay, earthen, plaster, adobe, stabilization, permeable, air-permeable

Úvodem

Zeminy nebo směsi zemin a dalších příměsí vhodné 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 a pro své ekologické a pozitivně-mikroklimatické vlastnosti je oblíbená i dnes. Její nepřetržitá obliba mezi staviteli na určitých částech naší planety se datuje na zhruba 10 000 let. U nás byl tento materiál vytlačen až kruhovou pecí na kontinuální a tedy i levný výpal cihel. Materiál postupně ustupoval na venkov, až byl téměř vytlačen. Další rány osudu zasadila betonářská a ocelářská lobby. Téměř až paradoxně stavby z betonu a oceli přispěly svým silně negativním (zejména vlhkostním) mikroklimatem k renesanci nepálené hlíny, alespoň ve formě omítek a příčkovek.

Často se hovoří o tzv. Syndromu nemocných budov (Sick Building Syndrome – SBS), jestliže nám vnitřní prostředí těchto objektů po zdravotní stránce nevyhovuje – uživatelé pociťují bolesti hlavy a další příznaky většinou shodné s příznaky nachlazení. Syndrom by se měl tedy přesněji nazývat Syndrom nemoci z budov (Building Related Illness – BRI), jak jej u nás také nazývají odborníci z oboru hygieny. Vyskytuje se převážně v moderních budovách, mnohem méně než ve staré zástavbě. [1]

Nepálená hlína je totiž schopna pojmout až 6x více vlhkosti než vápenné omítky a tím působí jako stabilizační prvek v regulaci vlhkosti. Tyto sorpční vlastnosti se projevují i v oblasti pachů, prachu a alergenů.

Nevýhodou nepálené hlíny bez stabilizace je však náchylnost na působení vody. Nepálená hlína, respektive jíly obsažené 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 je hutnění, volba vhodných jílů, rozptýlená výztuž, použití stabilizačních pojivnebo kombinace výše uvedeného.

Výběr vhodné suroviny – zeminy, směsí zemin

Plnivem v nepálené hlíně jsou písková až štěrková zrna spolu s příměsemi. Pojivem jsou 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 pro nás je 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 pro mne pouze informační a více bude využita až při testování dávek stabilizátoru.

Mezi další zajímavé a jednoduché zkoušky patří sítový rozbor. Jeho význam spatřuji 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 stabilizačního pojiva pro venkovní aplikace

Mezi běžné 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. Pojiva 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 podobně jako u hlíny samotné; asfalt zvyšuje difuzní odpor a mění barvu; přírodní výtažky a fermentace téměř neúčinkují; nátěry se musí obnovovat.

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 stále vzájemně recyklují.

Myšlenka na podobnou stabilizaci mne již provází několik let včetně možnosti reuse – znovupoužití.

Od počátku mé činnosti v oblasti hledání alternativ v oblasti stabilizace nepálené hlíny mi bylo jasné, že se bude jednat o pojivo rozpustné ve vodě. Pojivo musí dokonale spolupůsobit s jílem – nesmí být ve struktuře 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.

Obr. 1 Struktura materiálu (500x a 2000x)

Najít takovéto stabilizační pojivo se zdálo jako nemožné. Většina současných pojiv buď vyplňuje póry a zvyšuje tak difuzi nebo nejsou na bázi vody. Rozhodl jsem 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“ jsem se vrátil k tématu hledání v oblasti disperzních polymerních pojiv a začal některé testovat. Jako zkoušku pro srovnávání jsem použil výše zmíněnou zkoušku odolnosti na působení vody. Jistý účinek jsem zaznamenal, 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. Tyto výsledky se též 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 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 něco přes 100 kč bez DPH za kilogram přijatelné.

V současné době testuji již třetí přípravek s těmito vlastnostmi. Od nestabilizované hlíny nelze stabilizovaná hlína rozeznat jak při zpracování, tak po zatvrdnutí až doby, než u nestabilizované varianty nastane eroze. Reologické vlastnosti, barva, vůně – nic se neliší; hlína má po zatvrdnutí smáčivý povrch. Stabilizace nepřináší žádné nebezpečné vlastnosti. Technologie je prováděna formou suchých směsí.

Obr. 2 Po 60 minutách a po vyjmutí

Možnosti znovupoužití nejsou zatím testovány, naděje na dobré výsledky jsou však vysoké.

Využití v současnosti a budoucnosti

Stabilizace nepálené hlíny byla vyvinuta speciálně pro účely nízkoenergetických domů z přírodních materiálů a s dokonalým mikroklimatem. Tyto stavby však zatím představují možnost pro budoucnost, neboť respektují právo budoucích generací na trvale udržitelný rozvoj. V současné době se jedná o experimentální domy. Dle mého odhadu se první aplikace na úrovni menšíchdeveloperských projektů odehrají za cca 5 let.

Těžiště současného použití se jeví v aplikacích při rekonstrukcích starých a historických objektů. Je jen otázkou, zda památkáři připustí opravu nepůvodní recepturou s přihlédnutím k dokonalým vlastnostem a nulové vizuální rozlišnosti. Těchto domů se na území České republiky a zejména jižní Moravy nachází nemalé množství. Místně se jedná o většinový typ objektu vůbec. Mnoho těchto objektů je opraveno nevhodnými omítkami nebo se opakovaně opravují omítkami hliněnými. Často tyto nevhodné omítky udržují vlhkost ve zdivu. Objekt se stává poté vlhkým a studeným, tvoří se plísně na vnitřní straně konstrukce. Nebo tyto objekty stojí neopravené a hliněné zdivo nám mizí doslova před očima. Často tyto přístupy vedou u laické ale i odborné veřejnosti k názorům, že se tedy jedná o nevhodný a nekvalitní materiál. Přitom mnohdy stačí svést spodní vodu do drenáže bez nutnosti zdivo podřezávat, vlhkost (případně i radon) z pod podlahy odvést komínkem, stěny opatřit zvenku takto stabilizovanou omítkou a opravit střechu tak, aby nedocházelo ke stékání vody po zdivu. Dovedu si takto představit dům opravený na 50 let dopředu. Interiér takto opravených domů představuje z hlediska mikroklimatického hodnotný nadstandard v oblasti bydlení.

Závěrem

Stabilizovaná nepálená hlína s nízkým difuzním odporem je přihlášeným vynálezem i užitným vzorem a bude tedy chráněna dle patentového zákona. Pro možnosti aplikace na experimentálních domech či rekonstrukcích kontaktujte mne jako původce vynálezu. Spolupráce vítána na kontaktu hrochi MOCHR post MOCHR2 cz či telefonu 606218533. Neriskujete tak soudní postih a nemůže tak dojít k nežádoucí diskreditaci tohoto materiálu nevhodnou aplikací. Jednotliví výrobci hliněných omítek budou kontaktováni s nabídkou licence po přidělení užitného vzoru. Patent bude rozšířen i do zahraničí na základě práva přednosti a posléze bude rozšířena nabídka licencí i tam. Část zisku bude použita na další výzkum přírodních materiálů ve stavebnictví.

Literatura

[1] JOKL, Miroslav. Zdravé obytné a pracovní prostředí. Academia, Praha. 2002. 262 stran. ISBN 80-200-0928-0.

[2] HAVLÍČEK, Vladimír – SOUČEK, Karel. Stavby z nepálené hlíny. Státní zemědělské nakladatelství, Praha. 1958. 98 stran. ISBN nemá.

Michal Procházka, Ing., ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra technologie staveb, Thákurova 7, 166 29 Praha 6 - Dejvice,hrochi MOCHR post MOCHR2 cz

Další článek na téma hliněných fasád naleznete zde