Odporność na starzenie membran dachowych

W ostatnich latach dekarze coraz częściej zwracają uwagę na membrany stosowane w dachach skośnych, które ulegają uszkodzeniu już po kilku latach użytkowania, mimo że przeszły normatywną procedurę badania odporności na starzenie określoną w normie EN 13859-1. Norma z 2010 r. nie uwzględnia jednak istotnych wyników badań zachowania membran w długim okresie użytkowania, ponieważ te nie były jeszcze wówczas dostępne. Niedocenianym, lecz szkodliwym czynnikiem jest ruch powietrza pod pokryciem dachowym.

W normie EN 13859-1 podano właściwości istotne dla membran dachowych oraz wyszczególniono procedury badawcze, zgodnie z którymi są one określane. Jednym z najistotniejszych parametrów opisanych w normach dotyczących produktów o długiej funkcjonalności jest „trwałość po sztucznym starzeniu”. Badanie tej właściwości jest przeprowadzane zgodnie ze znormalizowanymi procedurami, ale pozostaje specyficzne dla danego produktu. Symuluje naturalny proces starzenia się w jak najkrótszych ramach czasowych.

W czasie opracowywania normy wyrobu dla membran dachowych wstępnego krycia dostępnych było niewiele wyników badań dotyczących starzenia w długim okresie. W obowiązującej do dziś wersji normy z 2010 r., w ramach sztucznego starzenia uwzględniono stosunkowo krótki okres bez pokrycia docelowego (336 godzin promieniowania UV/55MJ/m²) oraz pełny cykl życia pod pokryciem z zastosowaniem podwyższonej temperatury (90 dni w temp. 70°C).
Z biegiem lat okazało się, że nie wszystkie produkty, które pomyślnie przeszły normatywny proces starzenia, wykazują w praktyce wystarczającą odporność na to zjawisko. Dotyczy to również licznych przypadków, w których membrany nie były narażone na promieniowanie UV, ponieważ zostały natychmiast zasłonięte. Promieniowanie UV nie jest tu zatem głównym czynnikiem szkodzącym, a przyczyna problemu musi leżeć pod pokryciem dachowym.

Ustalanie czynników pod docelowym pokryciem dachowym

Firma Dörken, doświadczona w projektowaniu rozwiązań dla dachów skośnych, uważnie przyjrzała się warunkom, występującym pod docelowym pokryciem oraz ich wpływowi na proces starzenia się membran dachowych. Oprócz temperatury i wilgotności rejestrowano także ruch powietrza. Regularnie obserwowano, że prędkość powietrza pod pokryciem dachowym wzrastała wraz z pojawieniem się promieniowania słonecznego na powierzchni dachu i nierzadko dochodziła do 1 m/s. Jedną z przyczyn stosunkowo wysokich prędkości przepływu powietrza może być zatem promieniowanie słoneczne. Zauważono jednak, że porównywalne prędkości przepływu powietrza występują także w dni pochmurne. W tym przypadku czynnikiem wyzwalającym jest wiatr, który wtłacza powietrze bezpośrednio do otworu w okapie (wypływa w kalenicy), a powstały ciąg powoduje efekt kominowy pomiędzy twardym pokryciem dachowym a membraną dachową.

W jaki sposób ruch powietrza wpływa na proces starzenia?

Polimery wchodzące w skład materiału membran dachowych są poddawane procesowi utleniania o zmiennej intensywności. Ruch powietrza przyśpiesza ten proces, dlatego różne rodzaje membran dachowych poddano działaniu podwyższonej temperatury 70°C przy odmiennych prędkościach przepływu powietrza. W ciągu blisko dwóch lat, w regularnych odstępach czasu pobierano próbki i badano ich odporność na ciśnienie rosnącego słupa wody, który pozwala zwizualizować oznaki starzenia. Procesom starzenia materiałów z tworzyw sztucznych towarzyszy utrata elastyczności i odporności na rozerwanie (kruchość), dlatego w cienkich warstwach lub membranach można to rozpoznać po zmniejszającej się stabilności na działanie ciśnienia słupa wody. Ostatecznie wodoszczelność jest kluczową cechą produktu, która musi być zachowana na określonym poziomie przez cały okres eksploatacji dachu.

Na wykresie przedstawiono rozłożony w czasie proces opadania słupa wody przy trzech różnych prędkościach przepływu powietrza. Jako przykład wybrano standardowy produkt, który utracił funkcję wodoszczelności po trzech latach w warunkach praktycznych (W1, 200 mm wysokości słupa wody przez 2 h). Czerwona krzywa pokazuje badanie w podwyższonej temperaturze bez ruchu powietrza – w dużej mierze zgodnie z warunkami normy EN 13859-1 (2010), a dokładniej przy znikomej prędkości przepływu powietrza <0,05 m/s. Konsekwencje procesu starzenia uwydatniają się znacznie po 70 tygodniach. Produkt nie jest już w stanie wytrzymać nacisku słupa wody w takim stopniu, w jakim mógł, gdy był nowy. Po około dwóch latach sztucznego starzenia produkt ulega całkowitemu zniszczeniu. Zamontowany na dachu, ma rzeczywisty okres eksploatacji wynoszący zaledwie trzy lata.

Po zwiększeniu prędkości przepływu powietrza przez cały okres sztucznego starzenia do zaledwie 0,3 m/s już widać ogromny wpływ tego czynnika na trwałość użytkową produktu (zielona krzywa). Już po sześciu miesiącach sztucznego starzenia jakość produktu zaczyna się obniżać, co prowadzi do utraty wodoszczelności po upływie około jednego roku. W tym przypadku granice sztucznego starzenia określają możliwości czasowe: jeden rok badania w celu udowodnienia trzyletniego okresu użytkowania – ekstrapolując to na 25-letni okres eksploatacji dachu, oznaczałoby to okres badania wynoszący co najmniej osiem lat. To trwałoby zbyt długo.

Tworzenie „huraganu” w piecu

Aby rozwiązać ten problem opracowano piec do starzenia o średniej prędkości przepływu powietrza wynoszącej 5 m/s. Po 6-8 tygodniach można zaobserwować już skutki procesu starzenia (wykres: krzywa niebieska). W tak krótkim czasie widoczne jest obniżenie jakości produktu, który ulega uszkodzeniu po trzech latach praktycznego użytkowania, co w normatywnych warunkach starzenia można by osiągnąć dopiero po dwóch latach.

Co jednak z produktami, które ulegają uszkodzeniu po 10 lub 15 latach? Jak długo powinno trwać badanie w tych warunkach? Pomocna jest tu zasada trzech: jeśli trzy lata starzenia w praktyce przekładają się na sześć do ośmiu tygodni sztucznego starzenia, to dla bezpieczeństwa przez 25 lat należy przeprowadzić test starzenia trwający 64 tygodnie.

Firma Dörken wprowadziła badanie długotrwałej odporności membran na ruch powietrza w przestrzeni dachowej w dokumencie EAD jako cechę uzupełniającą do obecnej „trwałości po sztucznym starzeniu”.

Test ten jest już wykonywany przez niezależne instytuty badawcze. Daje to wszystkim producentom membran dachowych możliwość potwierdzenia klientom odporności ich produktów na starzenie. Należy mieć nadzieję, że dotychczas całkowicie niedoceniany ruch powietrza jako istotny czynnik wpływający na proces starzenia membran dachowych zostanie uwzględniony w przyszłych pracach nad normą, stając się stałym elementem badania „trwałości po sztucznym starzeniu”.

Dzięki zbadaniu wzajemnych powiązań i wynikającemu z tego doborowi odpowiednich materiałów i dodatków opracowano produkty, które są odporne na rzeczywiste warunki występujące pod pokryciem dachowym.

Grafika i zdjęcia: Dörken GmbH & Co. KG

dr Ronald Flaig
kierownik projektu ds. innowacji w firmie Dörken GmbH & Co. KG, Herdecke