45 3 • 2008 kgh

BI­BLI­D 0350–1426 (206) 37:3 p. 45–48

NEPEČENA STABILIZOVANA ZEMLJA – GRAĐEVINSKI MATERIJAL BUDUĆNOSTI

1. UvodGlobalno stanje prirodne sredine na planeti Zemlji tera ljud-sku zajednicu da radikalno menja svoje ponašanje u cilju transformacije potrošačkog društva u društvo koje se bazira na očuvanju i recirkulaciji materijalnih i energetskih resursa [1]. U praksi to obično znači redukciju potrošnje i emisije i energije i materijalnih dobara.

Uštede energije se mogu postići u procesu proizvodnje ma-terijala, građenja i eksploatacije objekta [2].

Proizvodnja materijala napravljenog na bazi nepečene zemlje (sirovinskog kompozita), uz određeni procenat dodataka, daje velike uštede jer se ne peče na visokim tem-peraturama (≈ 950oC) kao što se peče klasična opeka na bazi gline. Proizvodi na bazi zemlje očvršćavaju prirodnim

sušenjem. Za proizvodnju zidova od naboja i čerpića (ne-pečena zemlja) troši se 5 do 10 puta manje energije nego za proizvodnju obične cigle.

U toku gradnje objekta na bazi elementa napravljenih od zemlje, odnosno naboja, najveće uštede su u korišće-nju materijala koji se pravi na objektu ili u njegovoj blizi-ni (uštede u transportu). Za gradnju objekata na bazi ovih materijala potreban je velik utrošak radne snage, što je sa stanovišta potrošnje energije iz prirodnih resursa (nafta, električna energija) poželjna situacija. Proces sušenja iz-građenog objekta je prirodan.

Osim direktne uštede energije u pripremi građevinskog ma-terijala, značajna ušteda u energiji nastaje i tokom eksploa-tacije zgrada napravljenih od nepečene zemlje (sirovinskog kompozita). Procenjuje se da ovi objekti troše oko 30–50% manje energije od sličnih kuća sagrađenih od klasične ope-ke, zbog postizanja veće debljine/mase zida, što za posle-dicu ima veću termičku inerciju (termički kapacitet zidova). Vrednost koeficijenta toplotne provodljivosti je u rangu sa pečenom opekom na bazi gline. Elementi na bazi zemlje

BULDI­NG BY USE OF EARTH – HI­STORY AND FUTUREExperiences of several countries in the world in building are presented by use of some traditional and modernized technologies using the raw earth materials for buildings with different purposes, sizes and floors. It is emphasized the favorability of usage stabilized raw earth materials with addition of portland cement and lime (3–5 mass%) and other natural organic materials. These materials are specially suitable for building in Serbia and Vojvodina because of specific climatic conditions and deposits of high quality clay minerals and long tradition in building by such materials.

KEY wORDS: raw earth materials; stabilized raw earth material; low energy constructions

U radu su prikazana iskustva više zemalja u svetu u primeni starih i novih tehnologija gradnje nepečenom zemljom, objekata različite namene, veličine i spratnosti. Naglašena je posebna pogodnost rešenja u kojima je primenjena mešavina sirove gline i dodataka malog procenta cementa ili kreča (3–5%) i nekih drugih prirodnih organskih dodataka. Prikazana je podobnost primene ovakvih materijala na prostorima Srbije i posebno Vojvodine, gde postoje prirodne i klimatske pogodnosti, nalazišta veoma kvalitetne gline, kao i duga tradicija u ovakvom načinu građenja.

Ključne reči: nepečena zemlja; stabilizovana nepečena zemlja; niskoenergetske zgrade i konstrukcije

Prof. dr SlOBODAn KrnjeTin i VlADiMir MrKAjiĆ, dipl. inž. Fakultet tehničkih nauka, institut za zaštitu životne sredine, novi Sad

Rad je rezultat rada na projektu Građenje nikoenergetskim pri-rodnim materijalima na bazi zemlje (IPEE 283006), koji finansira-ju Ministarstvo za nauku i Ministarstvo za zaštitu životne sredine Republike Srbije.

46kgh 3 • 2008

imaju poseban kvalitet izražen kroz sposobnost prirodne re-gulacije vlažnosti vazduha u prostorijama objekta. Za posti-zanje osećaja ugodnosti boravka u nekoj prostoriji, vlažnost prostorije treba da se kreće u granicama između 40 i 70%. Postoje hemijske i fizičke metode za regulaciju vlažnosti, ali je najbolje koristiti porozne materijale koji imaju sposob-nost da ne apsorbuju vodenu paru iz vazduha kada relativ-na vlažnost vazduha padne ispod 40%, a ako naraste iznad 70%, onda počinje apsorpcija. Ovo svojstvo imaju materija-li sa velikom količinom kapilarnih pora (sa prečnikom pora između 3,2 i 7,4 nm). Zemlja u svojoj strukturi ima pore ve-ličine potrebne za regulaciju vlažnosti. U Srbiji i Crnoj Gori, u klasično građenim objektima, troši se prosečno oko 250 kWh/m2 godišnje za održavanje klime (temperature i vlažnosti vazduha), a u predloženim ener-getski efikasnijim objektima od nepečene zemlje očekuje se potrošnja od oko 130 kWh/m2 godišnje. (U Nemačkoj su krajem 20. veka sazidane kuće od zemlje koje troše 77–95 kWh/m2). Može se izračunati da klasično građena kuća od 120 m2 potroši oko 30 000 kWh energije godišnje, a ista ta-kva kuća građena od novih, predloženih prirodnih, materija-la potroši oko 15 600 kWh energije godišnje. (Ako se uzme cena 0,038 €/kWh, to u roku pet godina donosi uštedu od 2710 €). Ako se uzme u obzir da je za građenje ovakvih privatnih kuća lokalnim materijalima (zemlja/glina) moguć i veći manuelni rad–veće radno angažovanje budućih kori-snika, to je početno ulaganje novca u gradnju manje nego za uobičajene kuće.

2. Osobine objekata napravljenih od stabilizovane zemljeZgrade koje se prave od nepečene zemlje imaju sledeće karakteristike:– Mala je potrošnja energije za proizvodnju građevinskog

materijala i toplotnu regulaciju zgrade–mikroklimu.– Zemlja kao materijal nema posebno povoljne termoizola-

cione osobine, ali armiranjem zemlje vlaknima biljnog po-rekla, postižu se znatno bolja izolaciona svojstva.

– Zemljani zidovi su dobar regulator vlažnosti. Najstarija zgrada od naboja u centralnoj Evropi nalazi se u Montbri-sonu; datira iz 1270. godine. U njoj se nalazi biblioteka u kojoj se čuvaju knjige osetljive na vlagu.

– Visoki akustični komfor‑zemljani zidovi, zahvaljujući svo-joj gustini i debljini, pokazali su se kao izvanredni izolatori od spoljašnje buke. Dostignute vrednosti gubitka zvučne energije od 57 decibela veoma su impresivne u poređe-nju sa materijalima.

– Zgrade su otporne na požar i kada je sirovina pomešana sa vlaknima organskog porekla.

– Ekološke prednosti: propustljivost zidova za gasove koji zagađuju atmosferu je mala. Kada kuća izgubi svoju funkciju, lako se reciklira–vraća u prvobitno stanje.

– Čvrstoća pri pritisku i savijanju materijala na bazi zemlje je mala, pa se to kompenzuje debljim zidovima.

– Građenje zemljom je opravdano samo u lokalnim uslovi-ma, jer je transport na veće daljine neekonomičan.

– Korišćenje ovog materijala podrazumeva veliku zastu-pljenost manuelnog rada, a zbog jednostavnosti omogu-ćava gradnju u sopstvenoj režiji.

3. Priprema osnovnih materijalaOd sirovinskog kompozita‑zemlje proizvode se sledeći ele-menti: čerpić (tradicionalan, semistabilizovan, potpuno sta-bilizovan, presovan, pečeni čerpić) i naboj. Ovi elementi se proizvode od zemlje sa određenim procentom glinenih mi-nerala. Glineni minerali imaju čestice manje od 0,002 mm. Površina glinenih čestica, vezujući za sebe vodu, poveća-va zapreminu. Kako se ova sirovina obrađuje i ugrađuje

u vlažnom stanju, mora se računati da će nakon sušenja smanjiti zapreminu. Za vreme procesa sušenja ona se ne sme kvasiti, a naročito ne sme biti izložena dejstvu mraza. Iz tog razloga se gradnja može izvesti samo u vremenu od maja do septembra meseca. U cilju dobijanja zidova sa bo-ljim termoizolacionim osobina, sa većim čvrstoćama i ve-ćom otpornošću na seizmičke uticaje, dodaju se organski materijali koji treba da budu u suvom stanju (pleva, slama, itd.), kao i materijali neorganskog porekla (pesak, šljunak, drobljena opeka). Da bi se povećala otpornost na dejstvo vode, dodaju se sta-bilizatori: cement, elektrofilterski pepeo, kreč, katran i bitu-men, tresetni mulj kao i materijali koji sadrže belančevine (kazeini, albumini, razni otpaci kožne i alkoholne industrije), granulisana zgura pomešana sa manjom količinom kreča, gips itd. Dodatak cementa povećava otpornost na dejstvo atmosferilija. Kreč kao dodatak sporije očvršćava, ali daje zidu bolju propustljivost za gasove. Kod nekih glinenih mi-nerala, kao što je montmorilonit, uputnije je koristiti elektro-filterski pepeo kao stabilizator umesto cementa. Naime, u prisustvu cementa čestice montmorilonita apsorbuju jone Ca, što smanjuje sposobnost hidratacije cementa [3]. Kada se kao dodaci koriste katran i bitumen, onda je neophodno prvo napraviti mešavinu sa gustim glinenim testom, a po-tom sa sirovinskim kompozitom‑zemljom. Mešanje ovih sta-bilizatora je moguće samo ako se stabilizatori i sirovinski kompozit zagreju. Dodavanjem ovih stabilizatora poveća-va se i vodootpornost polazne sirovine. Za kuće od naboja (nabijene zemlje), sirovinska masa treba da je dobro mle-vena, homogenizovana i sa oko 12 mas% glinenih minera-la. Ovaj sastav obezbeđuje dobro oblikovanje i minimalno skupljanje pri sušenju.Sirovine koje imaju do 30 mas% glinenih minerala osetljive su na skupljanje, a one sa manje od 12 mas% glinenih mi-nerala mogu se upotrebiti uz dodatak finog mulja. Sa sirovi-nama koje imaju veću količinu glinenih minerala, optimalan sastav se može postići dodavanjem peska. Za izradu čer-pića (opeka od nepečene zemlje) potrebna je masnija glina sa oko 40 mas% glinenih minerala. Ako se u blokove doda-je slama kao regulator procesa sušenja, onda treba više gli-nenih minerala od prethodno navedene vrednosti.Vlakna za armiranje prirodnog porekla koriste se za sirovi-ne koje sadrže dosta glinenih minerala, kako bi redukova-li skupljanje i povećali izolaciona svojstva. Korišćenje samo oko 4 vol% ovih vlakana dalo bi pozitivne rezultate u pogle-du skupljanja i izolacionih svojstava objekata. Najčešće se koriste u količini od 10 do 20 vol%. Za zaštitu od vode ele-menti se premazuju rastvorom 5% vodenog stakla.

4. Osnovna tehnološka rešenja Ljudi su oduvek koristili zemljani materijal za izgradnju kuća i drugih objekata. Iskustva u građenju zemljanim materija-lom postoje na svim kontinentima, u skoro svim zemljama sveta. Tibet, Peru, Egipat, Kina, Evropa, Amerika pružaju mnoge primere građenja zemljanim materijalom. Procenju-je se da oko 1,7 milijardi ljudi od ukupne svetske populacije živi u kućama od zemlje. Od toga 50% u zemljama u razvo-ju i najmanje oko 20% u urbanim i suburbanim delovima.Do sada najstariji objekat od zemljanog materijala smatra se Ramasseum (izgrađen od nepečenih zemljanih eleme-nata – čerpića), star 3300 god., u starom gradu Thebesu (Egipat, leva obala Nila, naspram Luxora) (slika 1).Pri kraju XIX veka veština građenja zemljanim materijalom progresivno se smanjuje. Do sredine XX veka, izgradnja zemljanim materijalom postaje marginalna, a od tog vre-mena do sada imamo renesansu primene ovog materijala. Svet duguje zahvalnost egipatskom arhitekti Hassanu Fat-hyu za renesansu primene ovog materijala.

47 3 • 2008 kgh

Zemunice. Iskopavanjem zemlje pravi se utočište. Mnoga utočišta su dobijena iskopavanjem mekog zemljišta, tufova i dr. U zavisnosti od morfologije terena, zemlja je iskopava-na u dubinu ili u brda. Horizontalni iskop daje kaverne na stranama brega, kojima se prilazi stepeništem i galerijama. Primer škole Fenghua u regiji Xiang (Kina), slika 2.U Kini oko 10 miliona stanovnika živi u domovima isko-panim u lesnom sloju na ravnom terenu; nekoliko metara iskop, a onda bočni iskop za formiranje pojedinačnih pro-storija. Ovih primera ima sada u Turskoj, Kini i Tunisu.

Kuće od rezane zemlje. U regionima gde je zemlja do-voljno kohezivna i sadrži karbonatne konkrecije, zemlja se seče u blokove i kao takva direktno koristi. Ovaj slučaj je tipičan za tropska područja. Sirovina je prirodno meka ze-mlja, koja hemijski očvršćava u kontaktu sa vazduhom (pro-ces karbonatizacije – zapadna obala Indije), ili je prirodno okoreno zemljište (Burkina Faso u Africi i Orissa u Indiji). U ostalim područjima sveta, sa običnim zemljištima, bez veće kohezije, koristio se i koristi gornji sloj u originalnom stanju sa travom, za dobijanje blokova koji su se kao takvi stavlja-li direktno jedan na drugi. Ovaj oblik je ranije tradicionalno često korišćen u Engleskoj, južnom delu SAD i u Skandi-naviji (slika 3).

Zemlja kao ispuna. Vlažna zemlja je tradicionalno korišće-na za ispunu drvenog prepleta ili drvenog grilaža koju obič-no nosi drvena konstrukcija (tzv. bondruk sistem) rešetke (primena u zapadnoj Evropi i kod nas). Tu je služila kao ter-mička masa kod lake noseće konstrukcije i zvučna izolacija. U poslednje vreme koristi se sirova zemlja koja ispunjava vreće ili dugačke tube od sintetičkog tekstila, postavljene jedna na drugu (slika 3).

Savremeni naboj. U sadašnje vreme izrada naboja je me-hanizovana. Tradicionalni drveni nabijači su zamenjeni pneumatskim, koji omogućuju bržu i kvalitetniju izradu na-boja. Oplata je savremena, od drvenih ploča sa ojačanjima, a često i od čelika ili aluminijuma. Konstrukcije se izrađuju od zidova u celini po visini, što utiče na projektovanje ovih konstrukcija. Stabilizacija zemlje dodacima je uobičajena.

U širokoj upotrebi u Nemačkoj, Francuskoj, zapadnom delu SAD i Australiji (slika 5).

Kompresovani zemljani blokovi. Zemlja se kompresuje na različite načine kako bi povećala zbijenost. Podaci uka-zuju da je izrada ovakvih blokova pokrenuta u Francuskoj gde je Francois Cointeraux oko 1803. godine fabrikovao male blokove nabijene zemlje. Korišćeni su drveni ručni na-bijači za zbijanje zemlje u drvenim modlama pridržavanim nogama. Sada se izrađuju metalne prese koje daju blokove regularnog oblika, veće zbijenosti, čvrstoće i otpornosti na vlagu u odnosu na običan čerpić. Primena kompresovanih zemljanih blokova omogućila je renesansu zemljanih kon-strukcija u XX veku. Obično je zemlja stabilizovana dodaci-ma (najčešće cement ili kreč) (slika 6).

5. Značaj objekata izrađenih od zemljeZgrade za stanovanje jedan su od najznačajnijih sekto-ra potrošnje energije. Godišnja potrošnja energije u ovom sektoru u zemljama OECD‑a (Organisation for Economic Cooperation and Development) iznosi blizu 20% od uku-pne potrošnje energije. Takođe, veoma je veliko povećanje potrošnje energije u ovom sektoru. U periodu 2000–2005. godine povećanje je iznosilo 6,6%. Potrošnja energije u stambenom sektoru u zemljama koje ne pripadaju OECD‑u mnogo je manja. U 2003. godini potrošnja energije u stam-benom sektoru per capita uglavnom je šest puta veća u zemljama OECD‑a nego u zemljama koje ne pripadaju OE-CD‑u, prosečno u odnosu od 24,9 miliona Btu prema 4,1 miliona Btu po osobi [4].Energija u stambenom sektoru koristi se za zagrevanje i hlađenje, osvetljenje, toplu vodu i električne uređaje. Pre-ma informacijama Fonda za uštedu u stanogradnji u Srbi-ji se 60% energije u zgradama troši na grejanje prostorija, a oko 70% energije u zgradama ’beži’ kroz spoljne zido-ve i prozore.Izgradnjom kuća od zemlje, pored činjenica o uštedi ener-gije iznetih u uvodnom razmatranju, utiče se i na smanjenje emisije CO2 u atmosferu. Ova činjenica mogla bi biti jedna od bitnijih pri planiranju celokupne politike energetske efika-snosti jedne zemlje i sprovođenja Protokola iz Kjota.

Slika 1. Objekat Ramasseum star 3300 god., u Egiptu

Slika 2. Škola Fenghu u Kini Slika 3. Objekat u Nemačkoj

Slika 4. Dvorac u Francuskoj, XVIII vek (trad. naboj)

Slika 5. Savremena kuća od naboja (Francuska)

Slika 6. Pozornica načinjena od stabilizovanog čerpića (Indija)

48kgh 3 • 2008

Oblast Vojvodine je pogodna za izgradnju stambenih obje-kata od zemlje, što se potvrđuje i samom tradicionalnom izgradnjom kuća na ovim prostorima sve do pedesetih go-dina prošlog veka. Pored mnogobrojnih činjenica koje idu u prilog izgradnji ovakvih objekata, neophodno je izvršiti po-pularizaciju među stanovništvom. Država bi morala jasnom politikom da stimuliše i pospešuje izgradnju ovih objekata.

Literatura[1] ishida, e. H., Shannelling the Forces of Nature – Hu-

man and Earth Conscious Materials May Create New Waves, Qualicer 2004, Castellon (Spain), G. C. – 3/23 (2004).

[2] Berg, B., The Ecology of Building Materials, Published by Elsevier Science, Oxford, 2003.

[3] Temimi, M., K. Ben Amor, j. P. Camps, Making buil-ding products by extrusion and cement stabilization: li-mits of the process with montmorillonite clay, Applied Clay Science 13 245–253 (1998).

[4] Santamouris, M., K. Kapsis, D. Korres, i. livada, C. Pavlou, M. n. Assimakopoulos, On the realation between the energy and social characteristics of the re-sidential sector – Group Building Environmental Studi-es, Physics Department, University of Athens, Greece, November 2006.

kgh