Vývoj a vlastnosti cihel HELUZ vyplněných polystyrenem

Vylehčené cihly a cihelné bloky s otvory se v ČR začaly vyrábět počátkem 70. let minulého století. Po uvolnění trhu v 90. letech k nám začaly přicházet nové výrobní technologie, které stimulovaly i vývoj ve firmě HELUZ.

Začaly se vyrábět cihly typu pero – drážka, počet přepážek v cihelných blocích se zvyšoval. Ve vývoji šlo vždy o to, aby nové výrobky především zlepšovaly tepelněizolační vlastnosti stavěné budovy. Po cihlách označených P+D (1998) a STI (2003) byla v roce 2009 zahájena výroba nové řady broušených cihel pro zdivo nízkoenergetických domů bez dodatečného zateplení s názvem HELUZ Family. Díky dalšímu vylehčení cihelného střepu, novému tvaru per a drážek a zvýšení počtu řad otvorů se podařilo u těchto cihel dosáhnout zlepšení tepelněizolačních parametrů o více než 20 % v porovnání s řadou produktů označených STI.

Cihly s izolantem
Co se týká počtu řad otvorů, těch bylo výrobkovou řadou cihel Family dosaženo maximum a jediná schůdná cesta, jak ještě zvýšit tepelněizolační parametry cihel, byla v plnění otvorů izolantem. Čtvrtá generace cihel HELUZ označená Family 2in1, která je na trhu od roku 2011, má žeber a řad otvorů největší množství a všechny otvory jsou vyplněny drobnými kuličkami polystyrenu. Na způsob řešení a plnění cihel byly zapsány tři patenty.

Právě plnění cihel s velkým počtem malých otvorů odlišuje cihly HELUZ od konkurence na českém i evropském trhu. Konkurenční výrobky totiž mají velké otvory, do kterých se například zasouvají špalíky polystyrenu nebo minerální vaty nebo se otvory plní PUR pěnou či směsí perlitu a lepidel, které posléze v otvorech tuhnou.

Vyplněním otvorů cihel Family polystyrenem bylo dosaženo zvýšení jejich tepelněizolačních parametrů o 40 %. Zdivo z těchto cihel šířky 500 mm má stejné tepelněizolační vlastnosti jako 7 m tlustá zeď z klasických plných cihel nebo 36 cm polystyrenu. Součinitel prostupu tepla zdiva je 0,11 W/m².K.

Významnou předností cihel HELUZ Family 2in1 je výhodná kombinace nízkého součinitele tepelné vodivosti, objemové hmotnosti cihel a měrné tepelné kapacity. Díky tomu se dosahuje velice výhodného fázového posunu – 13 hodin – a extrémně vysokého teplotního útlumu. Tyto veličiny mají velký vliv na tepelnou stabilitu jak v zimním, tak i v letním období. Stěny z cihel s integrovaným polystyrenem nejen dobře izolují, ale navíc velmi pomalu vychládají v zimním období. V horkém letním období stěny z nového typu cihel nepropouštějí teplo do místností a teplo naakumulované přes den v noci „vyzařují“ do chladnějšího venkovního prostředí.

Vlastnosti plněných cihel
Certifikaci nového výrobku cihel HELUZ Family 50 2in1 a jeho uvedení na trh v roce 2011 předcházela řada zkoušek. Zde následuje výčet těch nejdůležitějších spolu s jejich výsledky:
● Zkouška reakce na oheň podle EN 13501-1 + A1; Pavus, a. s., Veselí nad Lužnicí – Třída reakce na oheň B-s1, d0;
● Stanovení tepelného odporu fragmentu zdiva podle EN 1745; CSI, a. s., Praha – Tepelný odpor zdiva R = 8,64 m².K/W a součinitel prostupu tepla U = 0,11 W/m².K (při vlhkosti 1,0 % hm.);
● Stanovení difuzních vlastností částí tvarovek podle EN ISO 12572; CSI, a. s., Praha – faktor difuzního odporu cihel neplněných μ = 9,30, faktor difuzního odporu cihel plněných polystyrenem μ = 9,71;
● Zkouška stavební akustiky podle EN ISO 10140-1, 2, 4, 5 a EN ISO 717-1; TAS Bauphysik, Leonding – Vážená vzduchová laboratorní neprůzvučnost R_w (C, C_tr) = 44 (–1; –2) dB;
● Posouzení zdravotní nezávadnosti; SZÚ, Praha – Osvědčení o shodě výrobku: cihly HELUZ Family 50 vyplněné pěnovým polystyrenem vyhovují pro použití v interiérech budov.
● Ověření trvanlivosti polystyrenové výplně v dutinách cihel HELUZ Family 50 2in1, Vysoké učení technické v Brně, Centrum materiálového výzkumu, Brno;
● Protokol o zkoušce požární odolnosti nosné stěny z tvarovek HELUZ Family 38 2in1 vyzděné na maltu SB-C; Pavus, a. s., Veselí nad Lužnicí – Požární odolnost REI 90.

Reakce na oheň a požární odolnost
Pokud se zaměříme na reakci na oheň cihel HELUZ Family 2in1, je nutno říci, že cihla patří z pohledu zatřídění do třídy reakce na oheň A1. Provedli jsme zkoušky cihel plněných samozhášivým polystyrenem. Podle výsledků těchto zkoušek by bylo možné zařadit takto upravené cihly i do třídy A2. Jenže podle normy, která bere v úvahu přítomnost organické látky nehomogenně rozptýlené, tedy otvory plněné částicemi s větším průměrem než je 1 mm, což je náš případ, nelze výrobek klasifikovat ve třídě A2, i když má parametry odpovídající tomuto zařazení. V případě našeho výrobku jde o objem 55–57 % polystyrenu, v objemovém poměru k ostatnímu materiálu. Hmotnostně to představuje 300 g polystyrenu z 20 kg váhy celého cihelného bloku, tj. 1,5 % hm. Vzhledem k malému množství polystyrenu je energie uvolněná při hoření minimální, netvoří se kouř ani kapky, které by mohly odkapávat z výrobku při možném požáru stavěné budovy. Finální třída, do které je tedy výrobek nakonec zařazen, je B-s1, d0.

Podobné zjištění bylo i po zkouškách požární odolnosti, kdy stěna z cihel HELUZ Family 2in1 zatížená na maximum odolávala ohni více než 90 minut. Po tuto dobu si zachovala nosnost, celistvost i izolační vlastnosti. Vzhledem k tomu, že třída reakce na oheň je B-s1, d0, vychází celková klasifikace s přihlédnutím k národní normě REI 90 DP3.

Tyto informace nás inspirovaly k poměrně netradičním zkouškám, kdy jsme si ověřili, jakým způsobem počet nevyplněných řad otvorů v cihle ovlivní výslednou požární odolnost. Výsledky zkoušek ukázaly, že pokud se nevyplní pět řad otvorů, lze nosnou stěnu zatřídit jako REI 90 DP1, tj. jako konstrukci z nehořlavých materiálů. Nevyplnění pěti řad otvorů sníží tepelněizolační vlastnosti pouze o 5 %, což je dobrým kompromisem.

Trvanlivost polystyrenové výplně
Jak prokázala studie z Centra materiálového výzkumu VUT v Brně, je životnost polystyrenu v dutinách cihel minimálně 80 let. Tento závěr byl konstatován na základě zkoušek trvanlivosti výplně expandovaného polystyrenu (EPS) v dutinách cihel HELUZ Family 50 2in1. Provedené zkoušky zahrnovaly změny výšky od referenční roviny definované horní plochou cihly, strukturní změny analyzované s použitím metod infračervené spektroskopie a termické analýzy a dále zhodnocení morfologie celulární struktury EPS kuliček vystavených působení zvýšené teploty a vlhkosti či působení ze střepu vyluhovaných rozpustných látek v kombinaci s teplotami pod bodem mrazu.

Z provedených zkoušek vyplývá, že při předpokládané životnosti stavby 80 let a za podmínek běžného užívání se rozměrová změna EPS výplně v dutinách cihel pohybuje v hodnotách řádu několika desetin milimetrů a je zcela zanedbatelná. Výrazně negativní vliv působení roztoku ze střepu vyluhovaných látek zjištěn nebyl, a to ani v kombinaci s cyklickým vystavením teplotám pod bodem mrazu.

Díky malému množství izolantu je velice příznivé i environmentální hodnocení výrobku. Pokud bychom totiž místo polystyrenu použili minerální vatu, byly by jí potřeba až 3 kg pro naplnění jedné cihly. Toto pak představuje desetkrát větší potřebu primární energie na výrobu izolantu a vznik desetkrát vyššího množství emisí CO₂ než při použití polystyrenu.

Šíření vlhkosti – difuzní vlastnosti a tepelně-vlhkostní zkoušky
V akreditované laboratoři CSI Praha byl proveden porovnávací test propustnosti vodní páry – stanovení hodnoty součinitele difuzní vodivosti a ekvivalentního faktoru difuzní vodivosti – na vzorcích cihel HELUZ Family bez zabudované izolace a vzorcích cihel HELUZ Family 2in1. Dosažené výsledky prokázaly v podstatě shodu a potvrdily, že u cihel HELUZ Family 2in1 byla zachována pro cihly samozřejmá difuzní otevřenost (viz tabulka 1).

Tabulka 1: Difuzní vlastnosti cihel HELUZ Family

Kromě stanovení základního parametru pro šíření vodní páry byl proveden unikátní test v uznávané rakouské laboratoři BTI Linz, kde byly cihly HELUZ Family a HELUZ Family 2in1 podrobeny testům při simulaci reálných tepelně- vlhkostních podmínek ve speciálních klimatických komorách. Při tomto dlouhodobém testu bylo sledováno množství vzniklého kondenzátu v různých typech cihel. V klimatických komorách bylo na jedné straně zdi simulováno vnější zimní období a na vnitřní straně běžné vnitřní prostředí. Množství akumulované vlhkosti bylo velmi malé, dokonce u cihel HELUZ Family 2in1 bylo nižší než u běžných cihel HELUZ Family. To je způsobeno výrazným zvýšením izolačních vlastností cihel s integrovanou izolací, neboť přenos vlhkosti souvisí výrazně i s tepelněizolačními vlastnostmi – mluvíme o společném šíření tepla a vlhkosti. Množství kondenzátu za sledované období bylo nižší než 0,35 % hmotnostní vlhkosti, což téměř odpovídá sorpčním vlastnostem cihelného střepu. Obsah vlhkosti byl tedy výrazně nižší, než uvádí např. norma ČSN EN ISO 10456 nebo norma ČSN 73 0540-3.

Vysychání cihel 2in1
Zkušenosti s vysycháním neplněných cihel jsou velké. Naopak zkušenosti s vysycháním cihel plněných polystyrenem nejsou zatím příliš popsány. Proto jsme se rozhodli provést tři testy, při kterých bychom získali základní data o tomto problému.

První test se týkal cihel, které během provádění zmoknou. Ač v našich doporučeních informace o přikrývání zdiva figuruje již několik let, stále se setkáváme se situacemi jako na obr. 5.

Zdivo zmokne nebo ze stropu stéká voda po zdivu a způsobí jeho lokální promočení. Pro tento účel jsme si obstarali cihlu ze stavby, která sice nebyla zabudovaná, ale byla na rozbalené paletě a po dobu 84 dnů byla vystavena povětrnostním vlivům.

Cihla byla zvážena a uložena v laboratoři, aby mohla vysychat. Za 51 dnů cihla vyschla z původních 4,6 % hm. vlhkosti na 1,0 % hm. vlhkosti (obr. 6, 9).

Druhý pokus simuloval případ, kdy cihly nasají vodu z kaluže na základové desce. Při této situaci je cihelný střep dokonale nasycen vodou, ale ve výplni ke vzlínání vody nedochází. Vše by vyřešil zpětný spoj z hydroizolace. Tento stav byl simulován postavením cihly do kádě s vodou, kde byla udržována hladina 5 cm. Cihla zde byla ponechána po dobu tří dnů a potom byla zvážena a umístěna v laboratorním prostředí, kde vysychala. Po vyjmutí cihly z vody a jejím okapání bylo patrné, že na střep je plně saturován vodou, ale polystyrenové kuličky, resp. prostor mezi nimi, je prázdný. Zbytky vody byly pozorovány pouze na rozhraní mezi cihlou a polystyrenem. Celkově však cihla z původních 46 % hm. vlhkosti vyschla za 46 dní na 1,8 % hm. vlhkosti (obr. 7, 10).

Poslední zkouška byla extrémním testem. Cihla byla vhozena do kádě s vodou, kde zůstala do úplné saturace cihelného střepu vodou. Pak byla vyjmuta z kádě, ponechala se okapat a následně byla zabalena do fólie a zvážena (obr. 8). Tato cihla byla průběžně vážena a výsledky jsou zpracovány do grafu (obr. 11).

Závěr
1. Cihly 2in1 zmoklé na stavbě dokážou vyschnout za cca 51 dní na 1,0 % hm. vlhkosti.
2. Cihly nasáknuté vodou z desky vyschnou za 46 dní na 1,8 % hm. vlhkosti.
3. Extrémní test ukázal, že za dobu 3,4 roku poklesne vlhkost v cihlách na 2,0 % hm. vlhkosti.

Toto odpovídá zkušenostem ze staveb, kde se uvádí, že stavby lze považovat za zcela vyschlé po 3–5 letech.

MIROSLAV VACEK
HELUZ cihlářský průmysl, v. o. s.

 Ing. Miroslav Vacek, Ph.D., (*1975)
absolvoval VŠCHT v Praze. Od roku 2002 pracuje ve firmě HELUZ cihlářský průmysl, v. o. s., jako technický manažer.