Jak rozkłada się słoma cz.1

Autorzy: M.D. Summers, S.L. Blunk, B.M. Jenkins DRAFT 12/8/2003
EBNet Straw Bale Test Program www.ecobuildnetwork.org

Jak rozkłada się słoma: wpływ na budownictwo straw bale

1. Wprowadzenie
Słoma jest elementem naturalnym, który może przetrwać wiele tysięcy lat w określonym otoczeniu. Znajdowano przykładowo słomę w suchych warunkach grobowców egipskich czy zamarznietą w lodowcach. Jednakże, w innych warunkach, słoma powoli rozkłada się, podobie jak wszystkie naturalne materiały typu: drewno, papier, tkaniny bawełniane itp. Szybkość tych procesów wyraźnie zależy od warunków przechowywania, przede wszystkim od wilgotności i temperatury. Przy odpowiedniej trosce o poziom wilgotności dom z kostek słomy powinien przetrwać równie długo jak dom wykonany w technologii drewnianej szkieletowej.

Słoma to materiał strukturalny umożliwiający roślnie wzrost w pozycji pionowej. Strukturę włókna tworzy celuloza powiązana z hemicelulozą i ligniną. Niektóre słomy, np. ryżowa, zawierają wysoką ilość (do 20%) składników nieorganicznych jak układy krzemowe (Si02) służące jako wzmocnienie lub zwiększające odporność rośliny przeciw szkodnikom. Po ścięciu i wysuszeniu, struktura włókien pozostaje niezmieniona ale stopniowo ulega rozkładowi biologicznemu lub chemicznemu.

Słoma stanowi potencjalne pożywienie dla mikroorganizmów takich jak grzyby czy bakterie. We właściwych warunkach może to być najszybsza droga rozkładu słomy, podobnie jak to ma miejsce w kompostowaniu. Chociaż to niekoniecznie najlepsze źródło pożywienia, słoma ma wystarczająco dużo energii i substancji odżywczych aby zapewnić rozwój i przetrwanie tego typu organizmów. Zarodniki mikroorganizmów są balowane razem ze słomą z pola i w odpowiednich okolicznościach mogą zacząć się mnożyć. Cztery główne czynniki wpływające na intensywność wzrostu mikroogranizmów, a przez to na rozkład słomy to: składniki odżywcze zawarte w słomie, dostępność tlenu, temperatura słomy oraz wolna wilgoć w słomie. Zarówno z logiki, jak i z doświadczenia wynika, że bale słomy, które zamokły (np. w deszczu), wbudowane w ścianę wykazują wyższy poziom mikroorganizmów i ten sposób więcej zarodników znajduje się wewnątrz ściany, powodując większe prawdopodobieństwo ich rozwoju w przyszłości.

Ze strony składników odżywczych, słoma generalnie posiada ich mniej niż uważa się za optymalny poziom dla mieszanki kompostowej, przez co wolniej powstają i funkcjonują duże populacje mikrobów rozkładających słomę. Optymalny stosunek azotu do węgla w kompoście wynosi 1:20 do 1:40, podczas, gdy w słomie stosunek ten waha się w granicach od 1:70 do 1:120. Generalnie rośliny trawiaste mają wyższy poziom azotu niż słoma zbóż, a przez to stanowią lepsze źródło pożywienia. Kolejną zasadą jest, że im bardziej zielona jest słoma, tym wyższy jest w niej poziom azotu. Pozostawienie jej na dłuższy czas do wyschnięcia na polu może zmniejszyć ilość azotu w roślinie w czasie balowania słomy. Inne składniki odżywcze w słomie są typowe dla wzrostu biologicznego i nie ograniczają rozwoju mikrooranizmów.

Dostępność tlenu to kolejny ważny czynnik wpływający na wzrost mikroorganizmów. Podobnie jak zwierzęta, większość grzybów i bakterii wymaga tlenu do oddychania w czasie zużywania pożywienia i energii zawartej w słomie. Tlen zawarty wewnątrz bala zostanie szybko zużyty i zastąpiony przez dwutlenek węgla powstający w czasie aktywności oddechowej mikroorganizmów. Jeśli dyfuzja nowego tlenu do bala będzie ograniczona, tak jak to będzie miało miejsce po otynkowaniu ściany, będzie to wpływało na ograniczenie stopnia rozkładu. Chociaż nie było to badane ilościowo, to wiadomo że poziom rozkładu w gotowej ścianie typu straw bale będzie niższy niż w balu słomy otwartym na działanie środowiska, właśnie ze względu na ograniczenie w dostępności wolnego tlenu.

Ważnym czynnikiem dla wzrostu mikroorganizmów jest temperatura. Poniżej 0 stopni Celsiusza działa niewielka część form życia, ze względu na zamarzanie wody. Wiele grzybów i bakterii nie może przetrwać poniżej temperatury 10 stopni, więc ich wzrost nie jest zbyt intensywny w niskich temperaturach. W zakresie od 20 do 65 stopni grzyby i bakterie mogą rozkwitnąć, każdy z gatunków ma optymalny zakres temperatur dla rozwoju populacji. Powyżej 65 stopni większość gatunków nie może przetrwać i wzrost bakterii zostaje zatrzymany.

Wilgotność jest kluczowym czynnikiem inicjującym rozkład słomy i większość ludzi zdaje sobie sprawę z powiązania poziomu wilgoci z rozwojem np. pleśni. Jednym z kluczowych pytań dla budujących z bali słomy jest "Jak duża wilgotność jest już zbyt duża?". Przebadano dokładnie te zależności w przypadku żywności, w badaniach poziomu aktywności bakterii zależnie od wilgoci dla różnych typów produktów żywnościowych. Generalnie pleśnie nie zaczynają się rozwijać przy aktywności wody poniżej 0.7, w przypadku drożdży jest to 0.8, a bakterie przeważnie wymagają aktywności wody 0.9. Po przeliczeniu na interesujące nas kostki słomiane aktywność wody 0.7 odpowiada wilgotności 15-18% suchej masy (czyli 13-15% mokrej masy. Większość doświadczeń z badania właściwiej wilgoci oparta jest na wcześniejszych badaniach przemysłu zbożowego i doświadczeń budujacych z kostek słomy.

Niektóre nowe i trwające jeszcze doświadczenia przybliżają dokładniej wpływ wilgoci na rozkład słomy, co opisano poniżej. Generalnie zauważono, że słoma ryżowa może mieć wilgotność nawet 27% suchej masy (21% mokrej masy), co nie powoduje znaczącego rozwoju mikroorganizmów. W badaniach okazało się, że tylko wilgotność powyżej 40% suchej masy (28% mokrej masy) powodowała znaczny wzrost. Poziom ten odpowiada aktywności wody równej 1.0, co oznacza, ze włókna słomy są nasycone wodą i oprócz tego wolna wilgoć znajduje się na powierzchni słomy. Oznacza to, że słoma może stosunkowo dobrze przetrwać dużą wilgotność bez wyraźnego rozkładu. Dodatkowo wydaje się, że słoma może tolerować wilgotność wyższą niż 15%, chociaż w rzeczywistości wilgoć może migrować i kondensować się i ostateczna wilgotność nigdy nie jest taka sama w całym balu słomy. Powinno się unikać całkowitego poziom wilgotności większego niż 25% suchej masy (20% mokrej masy) dla zapewnienia marginesu bezpieczeństwa.

2. Testy wilgotności i temperatury

Ilość składników odżywczych i (temat opisany powyżej) dostępność tlenu nie są czynnikami które zmieniają się po wbudowaniu kostki słomy w ścianę. Co innego zawartość wilgoci i temperatura, te będą zmieniać się zależnie od klimatu na zewnątrz, warunków wewnątrz budynku, czy wypadków z wydostaniem się płynnej wody do wnętrza ściany. Najważniejsze dla budujących z bali słomy jest wyznaczenie jaki układ wilgoci i temperatury może powodować rozkład kostek już wbudowanych w ścianę.

Badania rozpoczęto pod kierunkiem Bryana Jenkinsa na Uniwersytecie Kalifornijskim, testując próbki słomy ryżowej, później większość testów dotyczyła słomy ryżowej i żytniej. W celu zmierzenia poziomu rozkładu z dużą dokładnością, próbki słomy były umieszczone w zamkniętych pojemnikach, wewnątrz których mierzono powstającą ilość dwutlenku węgla.
Poprzez pomiar ilości dwutlenku węgla wydzielanego ze słomy można zmierzyć dokładny poziom strat węgla w próbce. Przekładając to na praktyczne zastosowania budowlane, poziom węgla straconego określa ilość materii ogranicznej rozłożonej w słomie. Szybki poziom utraty materii ogranicznej wskazuje na znaczny rozkład i powinno się go unikać.
Inne objawy rozkładu to skład wydzielanych gazów, podniesiona lokalnie temperatura i odbarwienia towarzyszące przemianie materii organicznej słomy na dwutlenek węgla.

W pierwszym doświadczeniu słoma ryżowa pobrana z pola i wysuszona do wilgotności mniejszej niż 12% suchej masy (10% mokrej masy) była magazynowana przez kilka miesięcy. Jej wilgotność doprowadzono do różnych poziomów, od 12 do 150% suchej masy (10-60% mokrej masy) i zamknięto w szczelnych pojemnikach. Pojemniki umieszczono w temperaturach 10, 20 i 35 stopni Celsjusza i mierzono poziom wydzielania dwutlenku węgla przez okres 2 tygoni.

Podstawowe wyniki pierwszego badania wykazały, że poziom wydzielanego dwutlenku węgla był mniej więcej stały we wszystkich próbkach i generalnie zwiększał się wraz ze wzrostem temperatury i wilgotności. We wszystkich próbkach o wilgotności poniżej 39% suchej masy (28% mokrej masy) poziom rozkładu materii organicznej był niższy niż 0,009% dziennie, chociaż przydałoby się więcej danych w zakresie od 27 do 39% (21 do 28% wilgotnej masy). Jeśli poziom 0,009% dziennie przeliczymy na cały rok, okaże się, że strata materii organicznej w tym czasie wynosi 3%. W rzeczywistości ten poziom prawdopodobnie obniży się do bliskiego zeru, jako że większość łatwo rozkładalnych form materii organicznej po prostu się wyczerpie. Porzebne są jeszcze badania długoterminowe aby to potwierdzić.

Można założyć, że struktura słomy przetrwa w tych warunkach przez wiele (więcej niż 50) lat. Wyniki sugerują, że wilgotność sama w sobie nie jest znaczącym czynnikiem rozkładu ściany z kostek słomy, chociaż potrzeba więcej danych z zakresu wyższych wilgotności. Jednakże, wysoka wilgotność może powstawać w wyniku kondensacji pary wodnej wewnątrz ściany, przez co trzeba uwzględnić możliwy efekt wpływu wilgoci kondensacyjnej na rozkład słomy.

Rys. 1. Poziom straty substancji organicznych słomy ryżowej według określonych wilgotności słomy ryżowej, poniżej wilgotności nasycenia. Dane: Summers, Blunk et al. 2002.

Przy wilgotności ponad 39% suchej masy (28% masy mokrej) włókna słomy nasycają się wilgocią i na powierzchni słomy gromadzi się wolna woda. W opisywanym eksperymencie poziom rozkładu gwałtownie zwiększał się powyżej punktu nasycenia wilgocią (Rys. 2). Przy zawartości wilgoci od 40 do 150% suchej masy (30-60% masy mokrej) materia organiczna traciła dziennie od 0,5 do 2%, czyli rozkład postępował 50-200 razy szybciej niż w przypadku wilgoci niższej niż wilgotność nasycenia. Na tym poziomie znaczna ilość słomy zostanie rozłożona w krótkim okresie czasu. Słoma będzie również odbarwiona i straci właściwości strukturalne, jeśli taki poziom wilgoci utrzyma się przez czas kilku tygodni - miesięcy.

Rys. 2. Poziom utraty materii organicznej w próbkach słomy ryżowej przy wilgotności powyżej punktu nasycenia. Dane: Summers, Blunk et al. 2002.

Dalsze badania słomy ryżowej i żytniej trwają, ale można się spodziewać podobnych wyników, tzn. że wysoki poziom rozkładu występuje wyłacznie wtedy, kiedy wolna wilgoć pojawia się w słomie. Następujące wskazówki mogą być teraz wykorzystane przez budujących z kostek słomy.

3. Zarządzanie wilgocią w budynkach straw bale
Podstawowym pytaniem dla budujących z kostek słomy jest: jaki poziom wiglotności powinien być unikany, a jeśli go stwierdzimy to co należy robić? W oparciu o przeprowadzone badania i doświadczenia ze słomą powinno się postępować według poniższych wskazówek.

Do budowy powinniśmy używać wyłącznie bali słomy o całkowitej wilgotności poniżej 25% suchej masy (20% masy mokrej). Możemy dzięki temu się upewnić, że nie dostrarczamy do systemu ściany wolnej wody, a poziom wilgoci jest poniżej wymaganego dla wzrostu mikroorganizmów. Jeśli bale zamokły w trakcie transportu lub magazynowania, należy się upewnić, że wyschły w wystarczającym stopniu, zanim umieścimy je w ścianie. Wymaga to zastosowania próbnika wilgotności lub tekstów rdzenia, jako że powierzchnia kostki może wydawać się sucha, podczas gdy znaczna ilość wilgoci może być zgromadzona wewnątrz kostki. Kiedy kostka zostanie zabudowana w ścianie, jej wysychanie będzie organiczone.
Budujący powinni unikać wystawiania kostek na działalność wody w formie płynnej w czasie ich zbierania i transportu, ponieważ jest prawdopodobne, że zawierają dodatkowe szkodliwe zarodniki mikroorganizmów.

Zawartość wilgoci informuje o warunkach sprzyjających rozkładowi, ale podwyższona temperatura również jest wskaźnikiem aktywności procesów biologicznych w balu słomy, rozkład powoduje wydalanie dwutlenku węgla, ale również uwalnianie się ciepła. Jako że bale słomy są dobrym izolatorem cieplnym, ciepło to doprowadzi do wzrostu temperatury wewnątrz bala, podobnie jak to ma miejsce w przypadku kompostowania. Z doświadczeń wynika, że mokre bale zostawione na polu osiągały temperaturę wnętrza do 60 stopni Celsjusza w ciągu około 7 dni, i stopniowo temperatura się obniżała wraz z wysychaniem bala. Po ponownym zamoczeniu te same procesy znów miały miejsce.
Należy zauważyć, że wzrost temperatury zdarzał się w warunkach kiedy transport tlenu nie był ograniczony. Prawdopodpobnie wewnątrz ściany wzrost temperatury nie byłby aż tak wyraźny.

W przypadku skoszonych zbóż, kiedy temperatura wzrośnie powyżej 68 stopni, należy przechowywać je ze skrajną ostrożnością, ze względu na ryzyko samozapłonu. W badaniach nie osiągnięto nigdy tak wysokiej temperatury dla słomy i nie wydaje się, żeby mokra słoma po wymłoceniu ziarna mogła osiągnąć takie warunki jak słoma zawierająca jeszcze ziarno.
Jak wcześniej zaznaczono aby osiągnąć takie temperatury wymagany jest dostęp tlenu i wewnątrz ułożonych przy sobie kostek może być go zbyt mało. Jednak jeżeli stwierdzimy na stercie mokrych kostek tak wysokie temperatury, należy daną kostkę oddzielić i rozrzucić dla uniknięcia ryzyka. Wewnątrz otynkowanej ściany dostęp tlenu będzie zbyt mały, żeby osiągnąć takie temperatury.

Kiedy już stwierdzimy, że bale są mokre, to temperatura jest głównym wskaźnikiem aktywności rozkładu słomy i powinna być mierzona aż do wyschniecia. Temperaturę należy mierzyć wewnątrz bala, ponieważ z zewnątrz może się ona wydawać normalna. Można zastosować termomert do kompostu lub metalowy pręt umieszczony wewnątrz bala na 1-2 minuty. Jesli pręt jest gorący w dotyku wskazuje to na samoogrzewanie się kostki słomy.
Nigdy nie należy układać "nagrzanej" kostki w stertę lub wbudowywać w ścianę, ponieważ temperatura może wzrastać i utrudni się jej wysychanie.

Bale należy suszyć w otwartym terenie, a jeśli wyraźnie zamokną, nie można ich używać. W przeciwieństwie do tego co niektórzy zatrudnieni budowlańcy stosują, wymuszone suszenie powietrzem nie jest zalecane, gdyż może zwiększyć rozkład poprzez dostarczenie dodatkowego tlenu. Sytuacje gdy płynna wdoa dostaje się do wnętrza ściany słomianej lub znaczna ilość wilgoci może się w niej kondensować powinny być badane w sposób podobny do opisanego powyżej. Przede wszystkim ściana powinna być zbadana żeby określić głębokość i intensywność penetracji przez wilgoć. Jeśli wysoki poziom wilgoci ściany jest tylko na powierzchni bala pod tynkiem, można założyć, że wyschnie ona bez dodatkowych działań. Jeśli zaś wilgoć dostała się do wnętrza bala, należy mierzyć temperaturę do momentu aż bal wyschnie - może to potrwać tygodnie lub miesiące, zależnie od warunków na zewnątrz. Należy uważać, żeby w tym czasie nie zwiększać poziomu przewietrzenia ściany, ponieważ może to przyspieszyć rozkład. Jeśli do celów badawczych zrobiliśmy otwory w tynkach i kostkach, należy je szczelnie zakrywać, aby ograniczyć dostęp tlenu.

Pod żadnym warunkiem nie należy wymuszać przepływu powietrza, ponieważ może to spowodować dodatkowe nagrzewanie bala i jego rozkład. Chociaż jest to mało prawdopodobne, jeśli temperatura wewnątrz ściany osiągnie ponad 60 stopni, należy ją rozmontować ze względów bezpieczeństwa. Odbywa się to przez wycięcie gorącego obszaru i usunięcie go, przy czym należy przygotować mokry koc do zagaszenia ewentualnego płomienia, który może się pojawić kiedy tlen dostanie się do nagrzanej słomy.

Autorzy: M.D. Summers, S.L. Blunk, B.M. Jenkins DRAFT 12/8/2003
EBNet Straw Bale Test Program www.ecobuildnetwork.org