Risk of interstitial condensation in outer walls made of hemp-lime composite in Polish climatic conditions

• Autorzy: Gołębiewski Michał , Pietruszka Barbara

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.138489

Warianty tytułu

PL

Ryzyko kondensacji wgłębnej w ścianach zewnętrznych wykonanych z kompozytu wapienno-konopnego w polskich warunkach klimatycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The present paper presents results of a study on hemp-lime composite - a novel building material which is gaining attention thanks to its pro-ecological values, as well as interesting hygrothermal characteristics. The thermal conductivity and vapour permeability tests were performed on composites which varied in terms of composition and density as a result of use of various binders, different proportions of ingredients in a mixture and different compaction level during manufacturing with the use of the tamping method. The results obtained, indicating low thermal conductivity and very high vapor permeability, were tabulated with results of compressive strength obtained in the previous study on the same types of composites. The conclusions emphasise supreme importance of apparent density on properties of material, rather than binder composition - which exerts a significant effect only on compressive strength. The results of the performed tests were applied for determination of external walls’ construction, which were subjected to analysis of risk of interstitial water vapor condensation according to Glaser method. For locations in all Polish climatic zones, no condensation or only a small amount thereof, in which case it does not accumulate in subsequent years, was found.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań kompozytów konopno-wapiennych (hempcrete) - nowego materiału budowlanego, który zyskuje zainteresowanie dzięki swoim zaletom proekologicznym (niska energia wbudowana i ślad węglowy) oraz ciekawym właściwościom cieplno-wilgotnościowym. Hempcrete jest wytwarzany poprzez zmieszanie paździerza konopnego (łodygi rośliny Cannabus Sativa L poddanej obróbce mechanicznej), spoiwa wapiennego (najczęściej mieszaniny różnych spoiw o największym udziale wapna hydratyzowanego) oraz wody. Źródła literaturowe wskazują, że materiał charakteryzuje się niewielką wytrzymałością na ściskanie (w zakresie 0,1÷0,9 MPa), niskim przewodnictwem cieplnym (0,07÷0,14 W/(m·K)) i niewielkim oporem dyfuzyjnym (μ = ok. 5). Podstawowym zastosowaniem materiału jest wypełnienie ścian o drewnianym szkielecie nośnym. Stosuje się także mieszanki o mniejszym udziale spoiwa do wykonywania poziomych warstw izolacji termicznej oraz o większym udziale spoiwa do warstw izolacyjnych w podłodze na gruncie, a także mieszanki tynkarskie. Badania wykonano na kompozytach różniących się składem i gęstością w wyniku zastosowania różnego spoiwa (spoiwa specjalnego i jego zamiennika z ogólnodostępnych substancji wiążących), różnych proporcji składników w mieszance (większy i mniejszy udział spoiwa) oraz zróżnicowanego stopnia zagęszczenia podczas wytwarzania metodą ubijania. Wyniki wskazujące na współczynnik przewodzenia ciepła (określony wg EN 12664:2002) w zakresie 0,09÷0,13 W/(m·K) dla gęstości 323÷430 kg/m3 oraz bardzo mały współczynnik oporu dyfuzyjnego (określony wg EN ISO 12572:2016) - w zakresie 2,8÷4,7 dla gęstości 308÷415 kg/m3. Otrzymane wyniki podkreślają nadrzędne znaczenie gęstości objętościowej dla właściwości materiału; rodzaj spoiwa ma istotny wpływ jedynie na wytrzymałość na ściskanie, lecz niewielkie znaczenie dla wartości λ i μ w badanych zakresach. Zauważalne jest także znaczenie porowatości - kompozyt o bardziej zwartej strukturze charakteryzują wyższe wartości λ i μ niż kompozyt mniej zwarty o tej samej gęstości objętościowej. Wyniki badań laboratoryjnych posłużyły do określenia konstrukcji dwóch ścian zewnętrznych o współczynniku przenikania ciepła równym 0,2 W/(m2·K), które następnie poddano analizie ryzyka wgłębnej kondensacji pary wodnej dla 6 lokalizacji w Polsce należących do stref klimatycznych I-V. Analiza metodą Glasera wg EN ISO 13788:2012 wykazała niewielką ilość kondensacji w ścianie jednowarstwowej (wykończonej tynkiem glinianym od wewnątrz i tynkiem wapiennym od zewnątrz) w 2 lokalizacjach: Olsztyn (strefa IV) i Suwałki (strefa V), niemniej obliczono, że cały kondensat odparowuje w okresie wiosenno-letnim, a także brak kondensacji w ścianie warstwowej z pustką powietrzną w każdej z analizowanych lokalizacji. Wyniki wskazują na możliwość spełnienia wymagań przepisowych zawartych w „Warunkach Technicznych”, aczkolwiek konieczne są dalsze badania nad trwałością przegród oraz analiza kondensacji z zastosowaniem modeli fizycznych uwzględniających dużą pojemność wilgotnościową materiału.

Słowa kluczowe

EN

hemp-lime composite; hempcrete; sustainable construction; thermal conductivity; vapor permeability; interstitial condensation

PL

kompozyt wapienno-konopny; hempcrete; budownictwo zrównoważone; przewodność cieplna; paroprzepuszczalność; kondensacja wgłębna

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 4
• Strony: 107--121
• Opis fizyczny: Bibliogr. 47 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Gołębiewski Michał

• Warsaw University of Technology, Faculty of Architecture, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7206-0369

autor

Pietruszka Barbara

• Building Research Institute, Department of Thermal Physics, Acoustics and Environment, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3268-7997

Bibliografia

• [1] S. Allin, “Building with Hemp”, 2nd ed., Ireland: Seed Press, 2012.
• [2] R. Bevan and T. Woolley, “Hemp Lime Construction: A Guide to Building with Hemp Lime Composites”, Bracknell: Ihs Bre Press, 2010.
• [3] W. Stanwix and A. Sparrow, “The Hempcrete Book: Designing and building with hemp-lime”, Green Books, 2014.
• [4] W. Cierpucha (ed.), “Technologia uprawy i przetwórstwa konopi włóknistej”, Poznań: IWNiRZ, 2013.
• [5] P. Brzyski, “Kompozyt wapienno-konopny jako materiał ścienny spełniający zasady zrównoważonego rozwoju w budownictwie”, Ph.D. thesis, Lublin University of Technology, Poland, 2018.
• [6] S. Amziane and M. Sonebi, “Overview of bio-based building material made with plant aggregate”, RILEM Technical Letters, vol. 1, pp. 31-38, 2016, DOI: 10.21809/rilemtechlett.2016.9.
• [7] G. Balĉiũnas, S. Véjelis, S. Vaitkus, and A. Kairyté, “Physical Properties and Structure of Composite Made by Using Hemp Hurds and Different Binding Materials”, Procedia Engineering, vol. 57, pp. 159-166, 2013, DOI: 10.1016/j.proeng.2013.04.023.
• [8] B. Mazhoud, F. Collet, S. Pretot, and C. Lanos, “Mechanical Properties of Hemp-clay and Hemp Stabilized Clay Composites”, Construction and Building Materials, vol. 155, pp. 1126-1137, 2017, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.08.121.
• [9] L. Kidalova, E. Terpakova, and A. Sicakova, “Use of magnesium oxide-cement binder in composites based on hemp shives”, Journal of Environmental Science and Engineering, vol. 5, no. 6, pp. 736-741, 2011.
• [10] N. Stevulova, L. Kidalova, J. Cigasova, J. Junak, A. Sicakova, and E. Terpakova, “Lightweight Composites Containing Hemp Hurds”, Procedia Engineering, vol. 65, pp. 69-74, 2013, DOI: 10.1016/j.proeng.2013.09.013.
• [11] G. Balĉiũnas et al., “Assessment of structure influence on thermal conductivity of hemp shives composite”, Environmental Engineering and Management Journal, vol. 15, no. 3, pp. 699-705, 2016, DOI: 10.30638/eemj.2016.075.
• [12] L. Arnaud and E. Gourlay, “Experimental Study of Parameters Influencing Mechanical Properties of Hemp Concretes”, Construction and Building Materials, vol. 28, no. 1, pp. 50-56, 2012, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2011.07.052.
• [13] F. Collet and S. Pretot, “Thermal Conductivity of hemp concretes: Variation with formulation, density and water content”, Construction and Building Materials, vol. 65, pp. 612-619, 2014, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.05.039.
• [14] F. Collet et al., “Comparison of a hygric behaviour of three hemp concretes”, Energy and Buildings, vol. 62, pp. 294-303, 2013, DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.03.010.
• [15] P. Glé, E. Gourdon, and L. Arnaud, “Acoustic properties of materials made of vegetable particles with several scales of porosity”, Applied Acoustics, vol. 72, no. 5, pp. 249-259, 2011, DOI: 10.1016/j.apacoust.2010.11.003.
• [16] S. Benfratello et al., “Thermal and structural properties of a hemp-lime biocomposite”, Construction and Building Materials, vol. 48, pp. 745-754, 2013, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2013.07.096.
• [17] W. Piątkiewicz, P. Narloch, and B. Pietruszka, “Influence of hemp-lime composite composition on its mechanical and physical properties”, Archives of Civil Engineering, vol. 66, no. 3, pp. 485-503, 2020, DOI: 10.24425/ace.2020.134409.
• [18] S. Elfordy et al., “Mechanical and thermal properties of lime and hemp concrete (‘hempcrete’) manufactured by a projection process”, Construction and Building Materials, vol. 22, no. 10, pp. 2116-2123, 2008, DOI:10.1016/j.conbuildmat.2007.07.016.
• [19] N. Stevulova et al., “Effect of hemp shive sizes on mechanical properties of lightweight fibrous composites”, Procedia Engineering, vol. 42, pp. 496-500, 2012, DOI: 10.1016/j.proeng.2012.07.441.
• [20] P. Brzyski et al., "Influence of hemp shiv size on hygro-thermal and mechanical properties of a hemp-lime composite", Materials, vol. 13, no. 23, p. 5383, 2020, DOI: 10.3390/ma13235383.
• [21] R. Walker, S. Pavia, and R. Mitchell, “Mechanical properties and durability of hemp - lime concretes”, Construction and Building Materials, vol. 61, pp. 340-348, 2014, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.02.065.
• [22] M. Gołębiewski and G. Adamczewski, “Wytrzymałość na ściskanie kompozytów konopno-wapiennych wytworzonych metodą ubijania”, Materiały Budowlane, vol. 552, pp. 86-88, 2018, DOI: 10.15199/33.2018.09.24.
• [23] V. Cerezo, “Proprietes mecaniques, thermiques et acoustiques d’un materiau a base de particules vegetales: approche experimentale et modelisation theorique”, Ph.D. thesis, Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat, L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, France, 2005.
• [24] R. Walker and S. Pavia, “Moisture transfer and thermal properties of hemp - lime concretes”, Construction and Building Materials, vol. 64, pp. 270-276, 2014, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.04.081.
• [25] E. Gourlaym and L. Arnaud, “Comportement hygrothermique des murs de beton de chanvre”, Proceedings of the Actes du congres SFT, Le Touquet, France, 2010.
• [26] A. Evrard, “Sorption behaviour of lime-hemp concrete and its relation to indoor comfort and energy demand”, The 23rd Conference on Passive and Low Energy Architecture, Geneva, Switzerland, 2006.
• [27] P. Daly, P. Ronchetti, and T. Woolley, “Hemp lime bio-composite as a building material in Irish construction, STRIVE Report 2009-ET-DS-2-S2”, Environmental Protection Agency, Ireland, 2009.
• [28] International Energy Agency and the United Nations Environment Programme, “2018 Global Status Report: Towards a zero-emission, efficient and resilient buildings and construction sector”, 2018.
• [29] P. Narloch and P. Woyciechowski, “Assessing cement stabilized rammed earth durability in a humid continental climate”, Buildings, vol. 10, no. 2, p. 26, 2020, DOI: 10.3390/buildings10020026.
• [30] M. Pervaiz and M.M. Sain, “Carbon storage potential in natural fibre composites”, Resources, Conservation and Recycling, vol. 39, no. 4, pp. 325-340, 2003, DOI: 10.1016/S0921-3449(02)00173-8.
• [31] S. Piotrowski and M. Carus, “Ecological benefits of hemp and flax cultivation and products”, Hürth: nova-Institut, 2011.
• [32] I. Bócsa and M. Karus, “The cultivation of hemp: botany, varieties, cultivation and harvesting”, Sebastopol (CA): Hemptech, 1998.
• [33] S. Montford and E. Small, “A comparison of the biodiversity friendliness of crops with special reference to hemp (Cannabis sativa L.)”, Journal of the International Hemp Association, vol. 6, no. 2, pp. 53-63, 1999.
• [34] European Environment Agency, “Estimating the environmentally compatible bioenergy potential from agriculture - Technical Report No. 12.2007”, Kopenhagen: European Environment Agency, 2007, DOI: 10.2800/13734.
• [35] E. Hirst, “Characterisation of hemp-lime as a composite building material”, Ph.D. thesis, University of Bath, UK, 2013.
• [36] S. Pretot, F. Collet, and C. Garnier, “Life cycle assessment of a hemp concrete wall: Impact of thickness and coating”, Building and Environment, vol. 72, pp. 223-231, 2014, DOI: 10.1016/j.buildenv.2013.11.010.
• [37] M.P. Boutin et al., “Analyse du cycle de vie de: Compounds thermoplastiques chargés fibres de chanvre et, Mur en béton de chanvre banché sur ossature en bois”, Lille: INRA, 2015.
• [38] N. Miskin, “The Carbon sequestration potential of hemp - binder. A study of embodied carbon in hemp-binder compared with dry lining solutions for insulating solid walls”, MSc. thesis, University of East London, UK, 2010.
• [39] B. Pietruszka, M. Gołębiewski, and P. Lisowski, “Characterization of hemp - lime composite”, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 290, 2019, DOI: 10.1088/1755-1315/290/1/012027.
• [40] EN 12664:2002 Thermal performance of building materials and products - Determination of thermal resistance by means of guarded hot plate and heat flow meter methods - Dry and moist products of medium and low thermal resistance.
• [41] EN ISO 12572:2016 Hygrothermal performance of building materials and products - Determination of water vapour transmission properties - Cup method.
• [42] Regulation of the Minister of Infrastructure of 12 April 2002 on technical conditions to be met by buildings and their location, Journal of Laws 2002, no. 75, item. 690 as amended.
• [43] EN ISO 10456:2007 Building materials and products - Hygrothermal properties - Tabulated design values and procedures for determining declared and design thermal values.
• [44] https://www.rockwool.com/pl/produkty-i-rozwiazania/produkty/SUPERROCK/?selectedCat=dokumentacja%20produktowa#DokumentacjaTechniczna [access 20.04.2021].
• [45] G. Minke, “Building with Earth”, Basel: Birkhäuser, 2006.
• [46] EN ISO 6946:2007 Building Components and building elements - Thermal resistance and thermal transmittance - Calculation methods.
• [47] EN ISO 13788:2012 Hygrothermal performance of building components and building elements - Internal surface temperature to avoid critical surface humidity and interstitial condensation - Calculation method.