Wymagania stawiane betonom do ścian szczelinowych

Ściany szczelinowe stosowane są od ponad 60 lat jako obudo­wy wykopów, fundamenty i inne konstrukcje w różnych dziedzinach budownictwa. Jest to zatem tech­nika w pełni dojrzała i zgromadzono wiele doświadczeń, które znalazły wy­raz w normach i innych dokumentach. Z doświadczeń tych wynikają szcze­gólne wymagania stawiane betonom do formowania ścian szczelinowych. Wymagania można podzielić na dwie grupy:

– konstrukcyjne decydujące o wytrzy­małości i trwałości ścian, ogólnie dobrze znane projektantom;

– technologiczne warunkujące właści­we formowanie ścian.

Betony stosowane w tzw. specjal­nych robotach geotechnicznych, zwłaszcza w palach i ścianach szcze­linowych, powinny spełniać specyficz­ne wymagania, np. [5]. Wynikają one zarówno z cech stosowanych techno­logii, jak i warunków użytkowania kon­strukcji. Wymagania te są zasadniczo odmienne od wymagań wobec miesza­nek układanych z reguły w deskowaniach, przeznaczonych do formowania innych elementów, a szczególnie kon­strukcji mostowych. Problem ten jest dobrze znany wykonawcom ścian, lecz nadzór robót często go nie docenia, zwłaszcza że pokutujące od lat błęd­ne wymagania w przepisach budowla­nych nie mogą się doczekać zmian. Użycie niewłaściwej technologicznie mieszanki zwykle powoduje bardzo poważne konsekwencje. Mieszanka betonowa układana w zawiesinie ben­tonitowej powinna zapewniać wypływ przez rurę wlewową, a także pełne wypchnięcie zawiesiny (lokalnie zgęst­niałej), dokładne wypełnienie szczeliny i całkowite otulenie prętów zbrojenia. Znane są przykłady obiektów, przy budowie których nie przestrzegano zasad lub stosując się do nieracjo­nalnych wymagań, wytworzono kon­strukcje z nienaprawialnymi defektami w nieodkopywanych częściach ścian.

Fot. 1 Brak otulenia zbrojenia spowodowany zbyt gęstą mieszanką betonową

Specjalne wymagania stawiane betonom do ścian szczelinowych

Zasady betonowania podwodnego są powszechną wiedzą podręcznikową. Wymagania związane z wykonywaniem ścian szczelinowych zawierały już np. warunki techniczne [4] z 1992 r. Zasady te zostały skodyfikowane w normach PN-EN 1538:2002 i PN-EN 1538:2010E oraz w PN-EN 206:2014E [1, 6]. Warto dodać, że obie te normy zostały ostatnio zno­welizowane i obecne wersje są do­stępne w PKN tylko po angielsku. W nowej wersji normy EN 206:2013 wprowadzono normatywny załącznik D „Wymagania dodatkowe dotyczą­ce specyfikacji i zgodności betonu do specjalnych robót geotechnicznych”. Zawiera on postanowienia dotyczące właściwości betonów stosowanych w palach wierconych wg EN 1536, ścianach szczelinowych wg EN 1538, palach przemieszczeniowych for­mowanych w gruncie wg EN 12699 i mikropalach wg EN 14199. Wyraź­nie zaznaczono, że w przypadku wy­mienionych zastosowań decydujące są szczegółowe postanowienia w za­łączniku D. W załączniku wskazano, że w konstrukcjach geotechnicznych wymagania te mogą być odmienne niż w innych robotach.

Truizmem jest stwierdzenie, że mie­szanka betonowa powinna być do­stosowana do technologii betono­wania. Podczas formowania ścian szczelinowych mieszanka układana jest w trudnych warunkach – pod za­wiesiną bentonitową – i nie podlega zagęszczaniu wibratorami. Mieszan­ka powinna mieć konsystencję ciekłą. Powinna być też odporna na segre­gację, spoista, o dobrej płynności. Ponieważ nie można jej zagęszczać wibracyjnie, powinna mieć zdolność samozagęszczania. Przy betonowa­niu podwodnym metodą kontraktor najwcześniej wlane porcje mieszanki, doznające zanieczyszczenia zawiesi­ną w wyniku ścierania osadu bentoni­towego ze ścian szczeliny i zbrojenia, są wypychane przez następne porcje w górę aż na sam wierzch formowa­nego elementu. Dlatego mieszanka powinna zachować wystarczającą urabialność przez cały czas jej ukła­dania. Jest to istotne, gdyż przy dużych wymiarach i głębokości sekcji ścian, a także trudnościach w płynnej dostawie betonu proces betonowania może trwać nawet kilka godzin. Tylko mieszanka o takich właściwościach, układana przez rurę wlewową, a więc bez wibrowania, może wypełnić szczelinę, opłynąć i otoczyć zbrojenie oraz wypchnąć zawiesinę bentonito­wą ze wszystkich miejsc, szczególnie ze strefy styku sekcji i miejsc kon­centracji zbrojenia.

Powinny być stosowane kruszywa na­turalne, nie należy używać kruszywa łamanego, które stawia większy opór przepływowi mieszanki, klinuje się na zbrojeniu i pogarsza wypełnianie szczeliny. Kruszywo powinno zawie­rać odpowiednio dużo frakcji piasko­wej i pyłowej. Skład mieszanki beto­nowej [5] powinien być tak dobrany, aby zapobiec jej segregacji podczas układania pomimo wysokiej płynno­ści, zapewniając swobodny przepływ wokół zbrojenia, a po stwardnieniu uzyskanie materiału zagęszczone­go i dostatecznie wodoszczelnego. Wieloletnia praktyka wykazała, że jest to możliwe. Wykonawcy ścian często określają dostawcom betonu wymagania zapewniające właściwe formowanie. Wskazane jest użycie betonu od zaufanego, niekoniecznie najtańszego, producenta. Skutkiem źle dobranej mieszanki bywa dra­styczne pogorszenie jakości kon­strukcji, np. pustki i „raki”, lub niedo­stateczne wypełnienie szczeliny i brak otulenia zbrojenia (fot. 1). Szczegól­nie narażone są strefy w pobliżu sty­ków sekcji (fot. 2) i elementu rozdziel­czego, gdzie mieszanka ma dłuższą drogę do przebycia, lub przy innych elementach osadzonych w zbrojeniu sekcji.

Poważne defekty ścian, często trudne do wykrycia, powoduje za­klinowanie zbyt gęstej mieszanki w rurze wlewowej. Trzeba wówczas ją wyciągnąć i oczyścić oraz możli­wie niezwłocznie starannie wzno­wić betonowanie. Tym niemniej nie­uniknione jest powstanie w sekcji przewarstwienia zanieczyszczonego zawiesiną lub ze zgęstniałej zawiesi­ny, co radykalnie zmniejsza nośność konstrukcji i może powodować też znaczną jej nieszczelność.

Fot. 2 Brak otulenia zbrojenia betonem w pobliżu styków sekcji

Dobór cementów

Rodzaj cementu powinien być dosto­sowany do klasy ekspozycji w miej­scu wbudowania i mieć potwierdzoną przydatność do zastosowań geotech­nicznych. Należy stosować rodzaje cementów określone według normy EN 197-1 lub wymienione niżej:

– portlandzkie: CEM I, żużlowy port­landzki CEM II/A-S i II/B-S, krze­mionkowy CEM II/A-D, popiołowy CEM II/A-V i II/B-V łupkowy CEM II/A-T i II/B-T, wapienny CEM II/A-LL oraz wieloskładnikowe CEM II/A-M (S-V) i CEM II/B-M (S-V) oraz CEM II/A-M (S-LL, V-LL) i CEM II/B-M (S-LL, V-LL);

– hutnicze CEM III/A, III/B i III/C.

Innych rodzajów cementu można użyć, jeśli je wypróbowano w porów­nywalnych warunkach wg EN 206. Nie dopuszcza ona stosowania cementu glinowego. Preferowane jest użycie cementów CEM II i CEM III lub czę­ściowe zastąpienie CEM I przez do­datki typu II (popiołów lotnych, pyłów krzemionkowych lub granulowanego żużla), gdyż poprawiają one właści­wości betonu: jego urabialność, dają spowolnienie wiązania i zmniejsze­nie wydzielania ciepła, zwiększenie odporności chemicznej i trwałości betonu oraz redukują wydzielanie wody z mieszanki. Należy się jednak liczyć z tym, że cementy CEM III, chociaż formalnie zgodne z normą, nie mają stabilnego składu dodatku popiołów, co może wpływać na ich właściwości.

Zgodnie z załącznikiem D do EN 206:2013 w betonie pali wierconych i ścian szczelinowych układanym pod­wodnie minimalna zawartość cemen­tu ≥ 375 kg/m³. Ze względu na dobre „smarowanie” i rozpływanie się mie­szanki minimalna zawartość cząstek drobnych (< 0,125 mm łącznie z do­datkami i cementem) wynosi:

–  przy kruszywie grubym D_lower  > 8 mm i D_upper > 8 mm ≥ 400 kg/m³,

–  przy kruszywie grubym D_lower ≥ 4 mm i D_upper ≤ 8 mm ≥ 450 kg/m³.

Dobór kruszywa

W załączniku D do EN 206:2013 podano wymagania dotyczące kru­szywa: w celu ograniczenia segre­gacji mieszanki powinno mieć ono uziarnienie ciągłe (bez luk wielkości ziaren), zalecane jest kruszywo otoczakowe. Zaznaczono, że użycie kru­szywa z destruktu betonowego lub porowatego może wpływać na zmia­ny konsystencji mieszanki w czasie. Największy wymiar ziaren D_upper nie może przekraczać mniejszej z war­tości: 32 mm i 1/4 rozstawu w świe­tle prętów podłużnych zbrojenia oraz 1/6 średnicy wewnętrznej rury wle­wowej lub przewodu pompy. W spe­cyfikacjach należy też określić dolny wymiar ziaren D_lower.

Norma dla ścian szczelinowych PN­-EN 1538:2010E zawierała dodat­kowe wymagania: w przypadku naj­większych ziaren 32 mm zawartość piasku (d ≤ 4 mm) większa od 40% ciężaru kruszywa oraz zawartość cząstek drobnych w mieszance (< 0,125 mm łącznie z cementem i innymi materiałami) od 400 do 550 kg/m³. Kruszywo zamarznięte należy podgrzać, by nie zawierało lodu ani zmarzliny.

Konsystencja mieszanki betonowej

W załączniku D podano, że konsy­stencję mieszanki należy określać, podając wartość średnicy rozpływu, opadu stożka lub obu tych wielkości. Wymagane wartości zestawiono w tablicy D.3 załącznika. Dla mie­szanek do betonowania przez rurę wlewową pod zawiesiną stabilizującą wymagane są:

– średnica rozpływu wg EN 12350-5 -600 mm,

– opad stożka wg EN 12350-2 -200 mm.

Odchyłki od wymaganych wartości mogą wynosić ±30 mm. W razie po­trzeby wskazane jest podanie również wymaganej konsystencji po określo­nym czasie.

Do badania konsystencji betonów „ciekłych” zalecane jest badanie rozpływu [5]. Badanie opadu stożka Abramsa wg PN-EN 12350-2:2011 mieszanek „tłustych” (wymaganych do betonowania rurą wlewową) przy opadzie ponad 180 mm nie umożli­wia właściwego określenia konsy­stencji. Kształt stożka sprzyja śliz­ganiu się mieszanki po ściankach, przez co jej ciekłość jest zawyżana.

Badanie to sprawdza się w betonach o niższych punktach piaskowych (do 39%). Stolik rozpływowy wg PN-EN 12350-5:2011 przy konsysten­cjach „ciekłych” i betonach SCC jest zdecydowanie lepszy – oddaje rze­czywistą konsystencję mieszanki. Ponadto z widoku rozlanej mieszanki można wnioskować o jej spoistości – nie powinna się wydzielać woda lub zaczyn.

Norma dotycząca wykonywania ścian szczelinowych PN-EN 1538:2010 zawierała jeszcze wymagania, by mieszanka betonowa układana w za­wiesinie była odporna na segrega­cję, spoista, o dobrej płynności, samozagęszczająca; o wskaźniku w/c do 0,6. W przypadku długotrwałych betonowań sekcji zalecane jest, aby mieszanka zachowała opad stożka co najmniej 100 mm po czterech godzi­nach od jej przygotowania.

Bardzo kontrowersyjnym zagadnie­niem jest szczelność ścian szczeli­nowych. Norma PN-EN 1538:2002 wyraźnie stanowi: Nie można ocze­kiwać, że ściany szczelinowe będą całkowicie wodoszczelne, gdyż prze­cieki mogą się pojawić w stykach, przy wnękach lub przez materiał ściany. W normalnych warunkach nie można uniknąć wilgotnych plam i kropelek wody na powierzchni ścia­ny. Każdy beton zawiera mikropory, przez które odbywa się migracja wody i gazów. Właściwie zaprojek­towany i wykonany beton konstruk­cyjny zazwyczaj jest szczelny. Prze­siąkanie lub przecieki najczęściej występują w stykach sekcji lub nieciągłościach ściany i połączeniach z innymi elementami oraz w miej­scach rys i spękań. Rzadko wilgoć przenika przez pole sekcji w postaci plam lub „rosy”. Zapewnienie cał­kowitej szczelności wymaga spe­cjalnych zabiegów, które powodują wzrost kosztu i czasu robót. Wysokie wymagania wodoszczelności należy stosować z rozwagą. Dlate­go wprowadzono pojęcie klas szczel­ności ścian. W podstawowej klasie szczelności (ściany bez dodatkowej izolacji) dopuszczalne są wilgotne plamy i drobne kropelki (roszenie) na powierzchni ściany, natomiast niedopuszczalne są strużki wody i mierzalne przecieki. Pojedyncza plama nie może być większa niż 4 m², a całkowita powierzchnia plam niż 5% widocznej powierzchni ścia­ny. Ewentualne nieszczelności są usuwane po odkopaniu ścian, np. uszczelniając je zastrzykami ce­mentowymi, chemicznymi, tworzyw sztucznych albo wykonując zaprawy betonu ścian. Wskazane jest pewne odczekanie z wykonaniem napraw aż do wystąpienia pełnych odkształceń ścian. W klasach ulepszonej i spe­cjalnej na zamówienie inwestora stosuje się specjalne środki i zabie­gi. Szczelność ścian można oceniać dopiero po zamknięciu budynku lub pomieszczeń i uszczelnieniu płyty dennej oraz po ich osuszeniu, aby wyeliminować napływ wód opado­wych lub technologicznych oraz zjawisko roszenia pary na zimnych ścianach.

Ściany szczelinowe w pomieszcze­niach podziemia ogólnie nie powin­ny być tynkowane. Jeśli względy estetyczne wymagają gładkich po­wierzchni, można je przykryć pane­lami demontowanymi, gdy ściana wykazuje zawilgocenia wymagające naprawy. Na ścianie bez tynku łatwo można ustalić poszukiwane miejsce. Ściana otynkowana utrudnia odna­lezienie nieszczelności. Działania naprawcze wymagają wtedy usu­nięcia tynku, a po ich zakończeniu powtórnego otynkowania. Może się też okazać, że zabieg był niesku­teczny i trzeba go ponowić. Panel może być wielokrotnie zdejmowany, a po każdej interwencji niezwłocznie założony.

Wymagania dotyczące betonu w fundamentach konstrukcji mostowych

Od konstrukcji mostowych oczekuje się większej niezawodności niż w in­nych dziedzinach. Obowiązują wobec nich zwiększone wymagania, ma­jące poprawić zwłaszcza trwałość i odporność na korozję. Określają one klasy betonu, jego nasiąkliwość i mrozoodporność, a także żąda­ją stosowania kruszywa łamanego, cementu „specjalnego” CEM I, ni­skich klas konsystencji mieszanki itp. Korzenie tych wymagań sięgają złych doświadczeń z betonami epo­ki gierkowskiej, których niewłaści­wa jakość wielokrotnie powodowała konieczność gruntownych napraw lub nawet rozbiórki mostów już po kilkunastu latach. Zapobiec temu miało wcześniej zarządzenie GDDP z 1990 r., a później obowiązujące do dziś rozporządzenie [7] w sprawie warunków technicznych, jakim po­winny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie (w tym tunele, ściany oporowe i inne podziemne części obiektów komunikacyjnych). Wyma­gania podane w rozporządzeniu są uzasadnione i realne do spełnie­nia w konstrukcjach betonowanych w deskowaniu i zagęszczanych wi­bracyjnie (choć niektóre wymaga­nia są krytykowane i powinny być zmienione). Jednak nie są one ani potrzebne, ani możliwe (lub skraj­nie trudne) do spełnienie w pewnych elementach fundamentów.

Stosowanie wymagań dotyczących betonu mostowego (na kruszywie łamanym) do ścian szczelinowych, baret i pali w obiektach mostowych i tunelach komunikacyjnych jest błęd­ne. Takie wymaganie wynika z roz­porządzenia [7]. Wymaganie betonu mostowego jest właściwe w nad­ziemnych elementach konstrukcji obiektów mostowych, ale całkiem nieuzasadnione jest żądanie takiego betonu w częściach podziemnych, nienarażonych na agresywne działa­nie środowiska drogowego, a wręcz szkodliwe w konstrukcjach formowa­nych w gruncie metodą betonowania podwodnego (kontraktor).