A szalmabálák építészeti alkalmazása ellen elsősorban a tűzvédelmi paramétereit (tűzvédelmi osztály, tűzállósági határérték) kérdőjelezik meg, ugyanakkor a szalma hőszigetelő képessége, kis energia igényű előállítása az alkalmazás mellett szól. Magyarországon szalmabálából készült teljes falszerkezetre már végzett tűzállósági vizsgálatot az ÉMI (Építésügyi Minőségellenőrző Innovációs Nonprofit Kft.). Nem készült vizsgálat az EN 11925-2 szerint szalmabálára mint alapanyagra, ami nem feltétele szalmabála falak építésének, de számos tűzvédelmi sajátosság megállapítható lenne a vizsgálat eredményeiből. Kísérleteink célja az volt, hogy megismerjük a szalmabála mint építőanyag viselkedését pontszerű gyújtóforrás hatására, ezzel előkészítsük a szalmából készülő szerkezetek további fejlesztését és szabványos vizsgálatát.
Kísérleteinkhez a szalmabálából 15x15x15 cm-es, tömörített próbatesteket alakítottunk ki. A tömörítésnél figyelembe vettük az építkezésre szánt szalmabála irányadó halmazsűrűségét, ami 80-120 kg/m3. Összesen 8 vizsgálatot végeztünk. A szalma égése során megállapítható, hogy az elszenesedett szalmaréteg nemcsak az oxigén bejutást gátolja, hanem hőszigetelő réteget is képez a próbatesten, így a hőátadást is lassítja. Ez a jelenség hasonló a fa égésekor tapasztaltakhoz, ahol az elszenesedett réteg védelmet nyújt a fa belsőbb részeinek.
Bevezetés
A szalmabálás építés nagymértékben környezetbarát, mert mezőgazdasági mellékterméket hasznosít újra, valamint primer energiaigénye rendkívül alacsony. A szalmabálás építési módnak további előnye, hogy a szalmabála kiváló épületfizikai tulajdonságokkal rendelkezik, különösen kedvező a hővezetési tényezője (λ=0,0337−0,086 W/mK). A hővezetési tényező függ a bálák sűrűségétől, fektetési irányától, valamint nedvességtartamától. A szalmabála ma is több vizsgálat tárgyát képezi, de tűzállósági vizsgálatot keveset végeztek. A szalmabálából épült szerkezetek tűzvédelmi megfelelősségét vizsgálták már Ausztriában, Dániában, az Egyesült Államokban, Magyarországon. A fenti kísérletek többségének tárgya szalmabálát is tartalmazó kötött rétegrenddel rendelkező teljes szerkezet volt. A teljes szerkezetek vizsgálatával szemben mi fontosnak éreztük, hogy a szalmabála mint alapanyag tűzvédelmi tulajdonságait is megismerjük. A kísérletekeinket kisméretű próbatestekkel végeztük.
Cikkünk első felében a rendelkezésünkre álló mérési jegyzőkönyvek alapján ismertetjük a rétegrenddel rendelkező szalmabála falszerkezetek tűzállósági vizsgálatát. Második felében a három, legtöbb információt adó, saját kísérletünket mutatjuk be.
Szalmabála leírása
A szalma jelentése: a gabona (búza, rozs, árpa, zab, köles) vagy szálas növények (len, kender, rizs) száraz szára. Másként fogalmazva a növény gyökér és kalász közötti levelektől és a virágoktól megtisztított része. A szalma kiszárítva a fához hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, magas szilíciumdioxid tartalmának köszönhetően nagyon lassan rothad. Bálázásra a legalkalmasabb a búza, a tönkölybúza valamint a rozs szalmája. A bálázhatósághoz a szalma szárának legalább 15 cm-nek kell lennie, az optimális méret 30 – 45 cm.
A szalmát különböző méretben és formában bálázzák. Az építkezésre szánt bálák kötözése szempontjából megkülönböztetünk kéthuzalos és háromhuzalos hasáb bálákat. A szalmabálás építkezéshez alkalmazható (kéthuzalos) bálák méretei: 32 – 35 x 50 x 50 – 120 cm. Az átlag hosszúság 80 és 90 cm között mozog, ami főként annak tudható be, hogy ma már nem gyártanak kisebb bálázó gépeket. A bálák átlagos halmazsűrűsége ρ = 80 – 120 kg/m3 [1]. Novák Ágnes tapasztalatai szerint Magyarországon 40 x 50 x 80 cm méretű bálák az elterjedtek [2].
Építési alkalmazásuk során fontos, hogy a bálák, amennyire csak lehetséges, sűrűek és tömörítettek legyenek. A bálák tömege 15-30 kg között mozog. A szalmabálákat huzal szorítja össze. A huzalok anyagának a legjobb a polipropilén, a természetes anyagú kender, valamint a fém drót. A jól elkészített báláknál a huzalok annyira feszesek, hogy a bála és a zsineg közé az ember ujja nem fér be. A huzalok kb. 10 cm-re helyezkedjenek el a szélektől, a megfelelő formatartás miatt [3]. Az építkezésre szánt bála nedvességtartalmának kisebbnek kell lennie, mint 15 m%. Az építés helyszínén a bálákat le kell takarni, mindennemű nedvességhatástól óvni kell, mindezek mellett az oldalirányú szellőzés megoldása is szükséges.
Szalmabála anyagú falak tűzállósági vizsgálatai
Az MSZ EN 13501-1 szabvány szerint F tűzvédelmi osztályba sorolhatók azok az anyagok, amelyek tűzvédelmi paramétereit nem ismerjük vagy nem teljesítették az E tűzvédelmi osztály elérésére szükséges vizsgálatokat. Ide tartozik a természetes építőanyagok egy része (pl. nád, zsúp, kender). Ahhoz, hogy egy építőanyag E tűzvédelmi osztályba sorolást kapjon az EN 11925-2 vizsgálaton kell, hogy megfeleljen. Ezt a vizsgálatot Magyarországon szalmabálán még nem végezték el. Azon esetekben, amikor az európai kontinensen az építésre alkalmas szalmabálát vizsgálták, azokat mindig kötött rétegrenddel – jellemzően a tűzkitét felől vakoltan, tűzállósági teszttel – vizsgálták. A vakolatlan szalmabála nem rendelkezik az építési termékekre vonatkozó európai megfelelőségi igazolással – ETA (European Technical Approval) – vagy hazai megfelelőségi igazolással (ÉME). A magyarországi tűzvédelmi vizsgálatok is csak kötött rétegrenddel, teljes szerkezetre történtek, amit az ÉMI (Építésügyi Minőségellenőrző Innovációs Nonprofit Kft.) 2009-ben vizsgált [4].
Szalmabálákból épült fal esetén kielégítő tűzállóságú szerkezetről csak akkor beszélhetünk, ha a szalmafal mindkét oldalára teherviselő aljzaton vakolatot hordtak fel. A szalmabála falak vakolatát kétoldali deszkázatra vagy vakolaterősítő hálóra hordják fel. A kétoldali vakolat, illetve annak erősítése biztosítja a teljes szerkezet tűzzel szembeni megfelelő ellenállását.
Az alábbi pontokban a korábbi vizsgálatokat és azok eredményeit tekintjük át.
ASTM E-119-es vizsgálata vakolt és cement vakolatú bálaszerkezeten
1993-ban két kisméretű (small scale), nem teherhordó bálaszerkezetű fal ASTM E-119 vizsgálatát végezték el, Albuquerque-ben, New Mexico államban (USA). Az ASTME E-119 az USA-ban használatos vizsgálati szabvány, mellyel az építési anyagok és termékek tűzállóságát mérik szabványosított körülmények között. A próbatest 3 sornyi szalmabálából állt, az alsó és a felső teljes bála, míg a középső 2 db félbála, mely a bálacsatlakoztatási csomópontot modellezi. A szabvány szerint a vizsgálat során 3 lépcsőben kell a hőmérsékletet emelni, a tűrési tartomány ±10 %. Az első öt percben 1000°F-re (539°C), majd 1550°F-re (843°C) a harmincadik percben, míg végül 1750°F-re (954°C) 1 óra múltán. Az egyik próbatest egy vakolatlan szalmabála falszerkezet, a másik próbatest már mindkét oldalán kohósalak adalékanyagú, aluminátcement kötőanyagú vakolattal ellátott szalmabála falszerkezet volt.
Vakolatlan bálafal vizsgálati eredményei
A tűzhatásnak nem kitett oldalon az átlaghőmérséklet a harmincadik perc után 11,5°C-kal (52,8°F) emelkedett. Egyetlenegy termoelemen sem lépte át a megengedett határértéket, a 250°F-et (121,1°C). A vizsgálat első 30 perce alatt sem láng, sem forró gáz nem jutott át a szerkezeten. A vizsgálatot a 34. percben leállították, mert a középső szalmarétegben a függőleges illesztésnél lángáttörést tapasztaltak. A szalma tűzeset alatti viselkedését figyelő nyílásokon, a vizsgálat teljes időtartama alatt figyelemmel kísérték. A kemencéből való kiemelés után is megvizsgálták a próbatesteket. A kiemelés után a bálák lassan izzottak, de nem kaptak lángra. Az elszenesedett szalmabála külső rétegei elzárták az égést tápláló levegő (oxigén) bejutását a bála belsejébe, így lassítva az égést. A kemencében mért legmagasabb hőmérséklet 1691°F (921,7°C) volt [4].
Vakolt bálafal vizsgálati eredményei
A 120 perces vizsgálat alatt a vakolt szalmabálák tűztől mentett oldalán mért legnagyobb hőmérsékletemelkedés 63,1°F (17,3°C) volt. A legnagyobb hőmérséklet a belső oldalon 1942 °F (1061°C) volt. A vizsgálat alatt lángáttörés nem következett be. A vizsgálat végén (a 120. percben) egy 2,5 inch (6,35cm) átmérőjű tömlőből vizet locsoltak a szerkezetre, amely semmilyen károsodást vagy állagvesztést nem okozott (ún. Hose-stream test). Megfigyelték azonban, hogy a 120 perces vizsgálat közben a vakolat fokozatosan megrepedt, ahogy a lánghatás a szerkezetet érte [4].
ASTM E-119-es vizsgálata cement és agyag vakolatú bálaszerkezet vizsgálata
Az USA-ban nem teherhordó szalmabála falszerkezetet ASTM E-119 szerint vizsgáltak 2006-ban. A próbatest 3×3 méter, míg az egyes bálák mérete 35 x 45 x 91 cm volt, amelyeket téglakötésben helyeztek egymásra. A bálák összeerősítése bálánként 2 darab polipropilén huzallal (PolyLine 430-as Greenlee gyártmány) készült. A bálákat az oldalukra fektették, hogy a huzalok a legnagyobb hőmérsékleti igénybevételnek legyenek kitéve; a huzalok mind a tűzhatásnak kitett, mind a tűztől elzárt oldallal érintkeztek. A bálák csatlakozási csomópontjait sár és szalma keverékkel fedték, valamint, amennyire lehetséges volt, a hézagokat kitöltötték. A szalmafalra horganyzott vakolaterősítő hálót rögzítettek, amelyet levezettek a bálasorok alá. A háló átfedései legalább 10 cm-esek voltak. A vakolatot kézzel, 2 rétegben hordták fel ½ inch (1,27 cm) vastagságban. A vakolat receptúrája 1 rész mész, 3 rész Portland cement, 10 rész homok, és víz volt, a keveréshez szükséges mennyiségben. A falszerkezetet vakolás után 36 nappal vizsgálták, amely kiállta a 120 perces tűzterhelést, valamint a kötött oltóvízhatás által okozott igénybevételt is. A szerkezeten 120 percen belül sem láng, sem annyi mennyiségű forró hő nem tört át, hogy akár egy vattadarabot is meggyújtson. A tűztől mentett oldalon az átlaghőmérséklet nem haladta meg a 250°F-t (120°C), valamint egyetlen egy pontban sem lépte át a 325°F-t (162°C). A vizsgálat során a szerkezet 120 perces tűzállósági minősítést kapott [5].
Az agyagtapasztású, nem teherhordó szalmabála-falszerkezet ASTM E-119-es vizsgálatát is elvégezték 2006-ban az USA-ban. A vizsgálat megegyezik ez előző kísérletben leírtakkal. A próbatest méretei: 4,3 m x 3,6 m, és a bálák fektetése megegyezik az előző vizsgálatban alkalmazott nem teherhordó falszerkezetével. Az agyagréteget is 2 rétegben hordták fel ½ inch-es (1,27 cm) vastagságban. Az agyagvakolat receptúrája: 3 rész agyag, 2 rész vágott szalma, 6 rész homok, és a permetezéshez szükséges vízmennyiség. A próbatest 28 napos korban mért nedvességtartalma 11,1%-os volt. A vizsgálat eredményeként a szerkezet 60 perces tűzállósági besorolást kapott [6].
Agyagtapasztású szalmabála-falszerkezet ausztriai vizsgálata
Agyagtapasztású nem teherhordó szalmabála falszerkezet vizsgáltak 2001-ben Bécsben, a Technische Universität-en. A próbatest méretei: 2280×2500 mm, vastagság 43 cm. A próbatest mindkét oldalára 2 cm agyagvakolatot hordtak fel. A vizsgálatot az ÖNORM 3800-2 szerint hajtották végre, amely szerint a felmelegedési határállapot eléréséhez a tűztől mentett oldalon legfeljebb 140°C átlaghőmérséklet és egy ponton 180°C hőmérséklet megengedett. A tűzállósági határérték vizsgálata után egy 15 kg tömegű acélgolyót ütköztettek a szerkezetnek 20 Nm ütőmunkával (ún. Impact test). A vizsgálat megállapította, hogy a szerkezet 90 perces tűzállósági határértékre felelt meg [7].
Saját kísérletek
A kísérletünk célja a szalmabála, mint építőanyag vizsgálata volt, nem egy szerkezeti elem vizsgálata. Hazai viszonylatban eddig ilyen jellegű kísérletet nem végeztek. Kísérleteink célja az volt, hogy előkészítsük a szalmabálából készülő szerkezetek további fejlesztését és szabványos vizsgálatát. Természetesen tisztában vagyunk azzal, hogy ezek a kísérletek nem a vonatkozó vizsgálati szabványokban rögzített feltételek szerint zajlottak, valamint a vizsgálati eredményekből szabványos következtetéseket sem lehet levonni. A kísérleteket a Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszékén végeztük el. A vizsgálatok elvégzése során törekedtünk az MSZ EN ISO 11925-2-2002 szabvány legfontosabb alapelveinek követésére. Következtetéseink arra alkalmasak, hogy a szalmabálák szabványos kislángos vizsgálatának megtervezését előkészítsék.
A kísérlet módja
A szalmabálákat őstermelőtől szereztük be. A bálákat a felhasználás előtt 2 hétig száraz raktárban tároltuk. A szalmabálából 15x15x15 cm-es, tömörített próbatesteket alakítottunk ki, acél kockasablonok felhasználásával. A tömörítésnél figyelembe vettük az építkezésre szánt szalmabála irányadó halmazsűrűségét, ami 80-120 kg/m3. A próbatestek tömörítését a kívánt halmazsűrűség eléréséig végeztük, így a próbakockák tömege
0,270-0,405 kg-ra adódott. A megfelelő tömörséget csömöszölő fa alkalmazásával értük el. A tömörítést és a kötözést kézi erővel végeztük el. Összesen 14 darab próbakockát készítettünk. Egy szalmakockát kötöztünk általános műanyag kötözővel, egy szalmakockát acélhuzallal, 12 darabot kötöző spárgával. A műanyag és az acéllal kötözött próbatesten kívül a 12 darab spárgával kötözött szalmakocka közül véletlenszerűen kiválasztottunk 6 darabot, és ezen a 8 kockán végeztük el a kísérleteket. A vizsgálat során a hőmérsékletet
K-típusú termoelemekkel mértük. A vizsgálatot a hőmérséklet csökkenésekor állítottuk le. A következőkben az elvégzett 8 vizsgálatból a 3 legfontosabb vizsgálatot mutatjuk be.
Első vizsgálat
A vizsgálatot 2009. október 5-én végeztük, amikor 15 °C volt és enyhe szél fújt. A próbatest tömege 270 g volt, ami 80 kg/m3-es halmazsűrűséget jelent. A vizsgálatot 2 perc 58 sec után leállítottuk. A próbatest a polipropilén műanyag kötöző anyag elégése miatt szétesett (1. ábra). Ennek következtében a próbatest belső rétegeibe is elegendő levegő jutott, az égés intenzitása felgyorsult. Feltételezésünk helyesnek bizonyult, hogy ha csak műanyag kötözőt használunk, akkor a kötöző tűzállósági paramétereit is figyelembe kell venni, ahogy ezt a
3.2-es pontban ismertetett kísérletnél tették.
Második vizsgálat
A második vizsgálatot szintén 2009. október 5-én végeztük. A próbatest tömege 300 g (90 kg/m3) volt. A dróthuzallal átkötött bálával végzett kísérletet a 20. percben felfüggesztettük (2. ábra), mert a hőmérséklet a próbatestben fokozatosan csökkent. A megerősített (acél) kötözés miatt a próbatest nem esett szét. A próbatest széleinél 3-5 cm-es elszenesedés látszódott. Megállapítható, hogy az elszenesedett szalmaréteg nemcsak az oxigén bejutást gátolta, hanem hőszigetelő réteget is képezett a próbatesten, így a hőátadást is lassította. Ez a jelenség hasonló a fa égésekor tapasztaltakhoz, ahol az elszenesedett réteg védelmet nyújt a fa belsőbb részeinek [9].
Harmadik vizsgálat
A vizsgálatot 2009. október 21-én hajtottuk végre. A külső hőmérséklet 16°C volt, enyhe szél fújt. A 370 g-os próbatest halmazsűrűsége 110 kg/m3 volt. A szalma a tűz indukálásának helyén azonnal izzani kezdett, a lángok a kiálló tarlókon oldal irányban terjedtek. A szalma azonnal kezdett elszenesedni, a tarlók tovább égtek. A láng a próbakocka mindkét oldalára elterjedt. 15 sec elteltével a gázlángot elzártuk. A kiálló tarlók tovább égtek ugyan, de a gázláng elzárása után 3 perc elteltével a tűz kialudt (3. ábra).
Megállapítások
1) A kötöző anyag minősége alapvetően befolyásolja a szalmabálák tűzeseti viselkedését. Látható, hogy amennyiben a kötöző anyag nem áll ellen a tűzhatásnak (4. ábra), illetve éghető anyagból készül, károsodásakor a szalmabála szétesik és elegendő mennyiségű oxigén jut az égéshez, így az égési folyamat gyorsan végbemegy.
Elsődleges feladat tehát építésre szánt szalma bálázásánál, illetve a további fejlesztéseknél a tűz szempontjából is megfelelő kötöző anyag megválasztása. Legmegfelelőbbnek a horganyzott acél huzalt tartjuk (5. ábra). A tűzzel szembeni ellenállás növelésére további módszer lehet a szalmabálák fektetési irányának meghatározása (építészeti módszer). A legjobb megoldás, ha a kötöző huzalok az esetleges tűznek kitett felülettől a lehető legmesszebb kerülnek. A rövidebb oldalukra fektetett bálák alkalmazása tűzvédelmi szempontból kerülendő.
2) A tömörség növelése kedvezően befolyásolja a szalmabálák tűzzel szembeni ellenállóságát. A szalmabálákra vonatkozó magyar szabvány hiányában nincs előírás az építkezésre szánt szalmabálák tömörségére vonatkozóan. Kaliforniában, a helyi szabályzatnak (building code) megfelelően, csak a 110 kg/m3 (7 font/köbláb), vagy ennél nagyobb tömörségű bálák használhatók építkezésre [8]. A kísérletek rámutattak, hogy a szalmabála mint anyag tűzzel szembeni ellenállósága a tömörség növelésével javítható. Továbbá megfigyelhető volt az összes nagytömörségű próbatest esetében, hogy a kötöző anyag alatt el sem szenesedett a próbatest, mert a tömörség itt jóval nagyobb, mint a próbatest többi részén.
3) A nagyobb tömörségű szalmabálák nyílt lánggal égés helyett elszenesedéssel reagálnak a tűzhatásra. Az elszenesedett külső rétegek (6. ábra) csökkentik az oxigén bejutását a próbatest belső részébe. Az elszenesedés mértéke függ a lánghatás (7. ábra) és a kötözők helyzetétől. Megállapítható, hogy az elszenesedett szalmaréteg nemcsak az oxigén bejutást gátolja, hanem hőszigetelő réteget is képez a próbatesten, így a hőátadást is lassítja. Ez a jelenség hasonló a fa égésekor tapasztaltakhoz, ahol az elszenesedett réteg védelmet nyújt a fa belsőbb részeinek [9].
4) A próbakockákról szándékosan nem távolítottuk el a kiálló szálakat (tarlókat). Ez azt eredményezte, hogy tűz hatására elsőként a kiálló szálak kaptak lángra, ennek ellenére a próbatest nem égett át. A próbatest belsejében még a kiálló szálak ellenére sem tapasztaltunk károsodást, elszenesedést.
Összefoglalás
A szalmabálák építészeti alkalmazása ellen elsősorban a tűzvédelmi paramétereit kérdőjelezik meg, ugyanakkor a szalma hőszigetelő képessége, kis energia igényű előállítása az alkalmazás mellett szól. Magyarországon az MSZ EN ISO 11925-2 vizsgálatot szalmabálára még nem végeztek el, ami feltétele a szalmabála széleskörű építőipari felhasználásának. Kísérleteink célja az volt, hogy előkészítsük a szalmából készülő szerkezetek további fejlesztését és vizsgálatát.
Kísérleteinkhez a szalmabálából 15x15x15 cm-es, tömörített próbatesteket alakítottunk ki. A tömörítésnél figyelembe vettük az építkezésre szánt szalmabála irányadó halmazsűrűségét, ami 80-120 kg/m3. Összesen 8 vizsgálatot végeztünk.
A kísérleteink alapján megállapítottuk, hogy
• a kötöző anyag minősége alapvetően befolyásolja a tűzeseti viselkedést,
• a tömörség növelése kedvezően befolyásolja a szalmabálák tűzzel szembeni ellenállóságát,
• a nagyobb tömörségű szalmabálák nyílt lánggal történő égés helyett elszenesedéssel reagálnak a tűzhatásra,
• a kiálló tarlók kapnak elsőnek lángra, de ez nem eredményezi a bálatest átégését.
Irodalmi hivatkozások
[1] Gernot Minke, Friedemann Mahle: Building with straw; Birkhauser Verlag, 2005, ISBN 3764371714[2] Novák Ágnes.: Szalmabála építészet; E-misszió Természet és környezetvédelmi Egyesület
[2] Information Guide to Straw Bale Building; http://www.cob.gr/cob_files/strawbaleguide.pdf és http://www.amazonails.org.uk/ 2009. május 1. és 2009. november 29.
[3] A-1/2008-I sorszámon kiadott ÉME; www.emi.hu; 2009. november 22.
[4] Summary of New Mexico ASTM E-119 Small Scale Fire Tests On Straw Bale Wall Assemblies; http://www.dcat.net/resources/ASTM_E119.pdf; 2009. szeptember 15.
[5] 2-hr Fire Test of a Non-Load Bearing Wheat Straw Bale Wall; http://www.ecobuildnetwork.org/pdfs/Cement_Stucco_Wall.pdf, 2010. január 26.
[6] 1-hr Fire Test of a Non-Load Bearing Wheat Straw Bale Wall; http://www.dcat.net/resources/Non-Bearing_Clay_Wall.pdf, 2010. január 26.
[7] Prüfbericht das Brandverhalten einer Strohballenwand , A Gruppe Angepabte Technologia – Technische Universität, Wien (mit Innen- und Aussenputz)
[8] California Straw Bale Code, http://www.dcat.net/resources/California_Straw_Bale_Code.pdf 2010. jan. 28.
[9] Buchanan A. H.: Structural Design for Fire Safety,Wiley-VCH Verlag, Germany, 2002, ISBN 0471889938
{vsig}eletmod/szalma{/vsig}