Beton hydrotechniczny – projektowanie i wykonawstwo

Beton hydrotechniczny jest betonem specjalnym, różniącym się przeznaczeniem i wieloma właściwości od betonu zwykłego. Dla laików nazwa „hydrotechniczny” kojarzy się przede wszystkim z wodoszczelnością, podczas gdy fachowcy, znający dobrze pojęcie stopni wodoszczelności, wiedzą, że wcale tak być nie musi. Trudno jest podać krótką i zwięzłą definicję betonu hydrotechnicznego, można jednak podjąć następującą, przytoczoną w [5], próbę syntezy jego przeznaczenia i właściwości podanych zarówno w opracowaniach krajowych (np. normy i wytyczne [2] i [3], publikacje [8] i [9]), jak i zagranicznych (np. wytyczne japońskie [18]).

W przypadku betonów wykonywanych inną techniką (np. beton natryskowy lub wałowany), a także podlegających odrębnym przepisom ze względu na miejsce stosowania (np. beton w środowisku morskim, beton górniczy lub beton dla zastosowań wojskowych) mogą obowiązywać dodatkowe uregulowania prawne, być może nadrzędne w stosunku do obowiązujących w budownictwie hydrotechnicznym.

Fot. stock.adobe/Alessandro Calzolaro

Historia powstawania w naszym kraju norm i wytycznych regulujących projektowanie i wykonawstwo betonu hydrotechnicznego, opisana skrótowo w [6], nie doprowadziła niestety do powstania jednoznacznych i zwięzłych uregulowań prawnych. Podstawowym zaniechaniem była rezygnacja z wprowadzenia bardzo dobrego projektu normy branżowej BN-88/6738 [3] na rzecz wprowadzenia jego tylko wybranych zapisów do normy PN-88/B-06250 [12], która następnie, po wprowadzeniu norm europejskich EN 206 (aktualna wersja PN-EN 206+A1:2016-12 [14] oraz jej krajowego rozszerzenia PN-B-06265:2018-10 [13]), stała się normą archiwalną. Norma europejska [14] odnosi się do betonów zwykłych o trwałości do 50 lat, zaznaczono w niej jednak, że „uzupełniające wymagania lub inne procedury badań mogą być określone dla specjalnych rodzajów betonu i zastosowań, na przykład – betonu do konstrukcji masywnych (np. zapór)”. W jej rozszerzeniu krajowym [13] zlikwidowano jednak dotychczas stosowane na podstawie projektu [3] i [12] stopnie wodoszczelności W, przerzucając na projektanta obowiązek określenia maksymalnej dopuszczalnej penetracji wody pod ciśnieniem, ale przy badaniu już wg normy europejskiej EN 12390-8:2011 [17], tj. przy stałym ciśnieniu 0,5 MPa i przez czas zaledwie 72 godzin. Stopnie mrozoodporności M, badane metodą hydrotechniczną, również nie zostały w niej uwzględnione, pozostawiono jedynie stopnie mrozoodporności F, a więc badane metodą zwykłą.

Problemy związane z normalizacją betonu hydrotechnicznego w Polsce były często przedstawiane w wielu publikacjach od momentu odstąpienia od wdrożenia projektu normy branżowej w 1988 r. [8] przez okres wdrażania norm europejskich w latach 2001-2005 [9] aż do chwili obecnej, gdy jej praktyczny brak prowadzi do zamieszania już na etapie projektowania i badań wstępnych [5, 6]. Nadal jedynym w miarę kompleksowym, choć mocno już przestarzałym, dokumentem odniesienia pozostają „Warunki techniczne wykonania i odbioru robót w dziedzinie gospodarki wodnej w zakresie konstrukcji hydrotechnicznych z betonu” z 1994 r. [2], dalej: WTWiO, odwołujące się w szerokim zakresie do niewdrożonego (więc trudno dostępnego) projektu normy branżowej [3].

Beton hydrotechniczny – klasy wytrzymałości

Opisana wyżej sytuacja często prowadzi do problemów już na etapie projektowania. Modne jest obecnie posługiwanie się klasami ekspozycji wg [14], jednak ich przywołanie wprost oznacza od razu spore zagrożenie zastosowania minimalnych ilości cementu, które będą o wiele za duże dla masywnych konstrukcji hydrotechnicznych, ich elementów i pojedynczych bloków betonowania. Nie podano żadnej metody redukcji ilości cementu w zależności od maksymalnego wymiaru kruszywa, co zwłaszcza w przypadku betonu masywnego z kruszywem gruboziarnistym powinno być obowiązkowe. Z przyjętych klas ekspozycji wynikają następnie minimalne klasy wytrzymałości, jednak trzymając się domyślnie odwołań do norm europejskich, powinniśmy badać wytrzymałość wg PN-EN 12390-2:2011 [15] i PN-EN 12390- 3:2011 [16], a następnie określać jej klasy wg [14], czyli w sposób odmienny, niż podano w WTWiO. Warto zaznaczyć, że dopiero w krajowym uzupełnieniu normy europejskiej [13] jednoznacznie „zalegalizowano” badania wytrzymałości po czasie innym niż 28 dni, a w przypadku typowych dla betonu hydrotechnicznego cementów o niskim cieple hydratacji standardem powinny być badania po 90 dniach (praktycznie po 91 dniach, gdyż jest to liczba podzielna przez 7) – dotyczy to też oczywiście badań pozostałych właściwości betonu. Jeżeli badamy wytrzymałość na ściskanie, odwołując się do normy europejskiej [16], próbki należy zgodnie z [15] przechowywać aż do momentu badania w wodzie o temperaturze 18-20^oC. Jeżeli odwołamy się do WTWiO, należy je przechowywać w warunkach laboratoryjnych, tj. w temperaturze 16-20^oC i wilgotności względnej powietrza min. 90%, czyli w praktyce na ruszcie nad wodą. Wyniki są wtedy z reguły wyraźnie wyższe. W pierwszym przypadku beton klasyfikuje się do klasy wytrzymałościowej Cxx/yy na podstawie wytrzymałości charakterystycznej, w drugim – do klasy wytrzymałościowej BHyy na podstawie wytrzymałości gwarantowanej. W praktyce możemy otrzymać wyniki różniące się o klasę, a nawet o dwie.

Zobacz też:

• Beton towarowy w Polsce – sytuacja producentów w 2020 roku
• Domieszki do betonu – kompatybilność z cementem i innymi domieszkami
• Regulacja szybkości wiązania betonu za pomocą domieszek
• Produkty budowlane

Beton hydrotechniczny – wodoszczelność

Niejasna może być również sprawa wodoszczelności betonu hydrotechnicznego. Parametr ten nie jest w normie europejskiej [14] przywołany wprost, a w rozszerzeniu krajowym wskazano jako metodę badania wodoszczelności metodę opisaną w normie europejskiej [17] – badanie głębokości wnikania wody pod stałym ciśnieniem 0,5 MPa w czasie zaledwie 72 godzin, przy czym próbki do momentu badania również przechowywane są w wodzie. Obowiązek określenia wartości kryterialnej – dopuszczalnej głębokości wnikania wody – przerzucono na projektanta, nie podając jednak, na podstawie jakich danych powinien ją określić. Przy odwołaniu się do WTWiO obowiązują natomiast stopnie wodoszczelności. Według normy archiwalnej [12] lub projektu branżowej [3] są one tam określane identycznie, w funkcji stosunku wysokości słupa wody do szerokości przegrody. Należy zwrócić uwagę, że w obu przypadkach posługujemy się odmiennymi wielkościami kryterialnymi: głębokością wnikania wody, badając beton jak beton zwykły oraz badając beton jak beton hydrotechniczny; liczbą próbek, na której może nastąpić przesiąknięcie wody na wylot.

Beton hydrotechniczny – mrozoodporność: stopnie M czy F?

Z punktu widzenia trwałości w naszym klimacie najważniejszą właściwością betonu hydrotechnicznego jest jego mrozoodporność. Dotyczy to też krajów alpejskich, chociaż obserwuje się tam wyraźnie mniejszą liczbę przejść temperatury przez 0^oC. W Austrii dominujące typy uszkodzeń zapór to lokalne uszkodzenia mrozowe oraz przecieki na szwach roboczych [11]. W normie europejskiej [14] podano jedynie, że aby spełnić wymagania dla określonej klasy ekspozycji XF, należy beton napowietrzyć do poziomu co najmniej 4%, i to niezależnie od jego uziarnienia, przy czym dla najbardziej typowej dla budowli wodnych śródlądowych klasy ekspozycji XF3 wymagane są: minimalna klasa wytrzymałości C30/37, maksymalne w/c = 0,50 oraz minimalna ilość cementu 320 kg/m³. W przypadku masywnych bloków betonu hydrotechnicznego taka ilość cementu jest zbyt duża, nawet gdy stosowany jest cement hutniczy o niskim cieple hydratacji (LH). Rozszerzenie krajowe tej normy [13] poprawiło pierwszy z tych błędów zapisem o możliwości stosowania kruszyw o różnym uziarnieniu maksymalnym oraz uzależniając wymagane minimalne napowietrzenie betonu od maksymalnego uziarnienia kruszywa, tak jak podawała to norma archiwalna [12]. Niestety nie wykonano w nim podobnego zabiegu, jeśli chodzi o minimalną ilość cementu. Implikacje tego mogą być poważne, gdyż beton w próbkach laboratoryjnych może spełnić wymagania dla mrozoodporności, natomiast beton w konstrukcji masywnej, dojrzewający w zbyt wysokiej temperaturze, może doznać mikrouszkodzeń obniżających istotnie jego mrozoodporność. Jako podstawową metodę badania mrozoodporności strukturalnej betonu w wodzie w rozszerzeniu krajowym przywrócono metodę zwykłą wg normy archiwalnej, zaznaczając wyraźnie – i słusznie – że próbki do badań mają być przechowywane nie w wodzie, ale w warunkach laboratoryjnych, w wilgotności co najmniej 90%. Niestety metoda zwykła wprowadza stopnie mrozoodporności F, co oznacza, że podstawową wielkością kryterialną jest spadek wytrzymałości na ściskanie, a nie względny spadek wartości siły rozłupującej, charakteryzujący odpowiednie dla betonu hydrotechnicznego stopnie mrozoodporności M. Stopnie M wymagane są jednoznacznie w projekcie normy branżowej na beton hydrotechniczny. Inaczej jest niestety w przypadku WTWiO. Posługujący się tym dokumentem projektant trafia na pokazane kolejno w tab. 1:

• tablice 3-1 i 3-3, na podstawie których do projektowania powinien przyjąć stopnie F (jak dla betonu zwykłego);
• tablicę 6-4, która uzależnia maksymalne w/c w betonie od wymaganego stopnia mrozoodporności M (już jak dla betonu hydrotechnicznego);
• odnoszącą się do kontroli zgodności tablicę 20-3, która przywołując projekt normy branżowej [3], wymaga kontroli stopnia mrozoodporności M (czyli jak dla betonu hydrotechnicznego).

Tab. 1. Stopnie mrozoodporności F i M (odmienne metody badań) podane w tablicach 3-1, 3-3, 6-4 i 20-3 dokumentu WTW iO [3]

Najczęściej spotykanym rezultatem tego stanu rzeczy jest wyspecyfikowanie przez projektanta betonu hydrotechnicznego o wymaganym stopniu mrozoodporności F (czyli badanego metodą zwykłą jak dla betonu zwykłego). Wątpliwości pojawiają się potem przy projektowaniu składu betonu i ustalaniu maksymalnego dopuszczalnego stosunku w/c, który przyporządkowany jest już do założonych stopni mrozoodporności M (czyli badanego metodą hydrotechniczną). Z kolei konfrontacja obu metod na etapie kontroli jakości może się okazać bardzo nieprzyjemna w skutkach, gdyż w przypadku betonów hydrotechnicznych z kruszywem gruboziarnistym metoda hydrotechniczna jest z reguły o wiele bardziej wymagająca od metody zwykłej: beton zaprojektowany i przebadany na stopień mrozoodporności F200 z reguły nie spełnia wymagań dla stopnia mrozoodporności M200.

Jedynym sposobem zachowania jednocześnie litery prawa oraz poprawności merytorycznej wydaje się być zatem przyjęcie do projektowania stopnia mrozoodporności F, badanego metodą zwykłą, a potem niezwłoczne zweryfikowanie tego na etapie projektowania betonu przez zbadanie stopnia mrozoodporności M metodą hydrotechniczną. Jest to niestety jeden z efektów zaniechania normalizacji betonu hydrotechnicznego w Polsce. Należy zatem dołożyć wszelkich starań, aby 25-letni już dokument WTWiO został jak najszybciej znowelizowany.

Rys. 1. W yniki badań betonu dla stopni mrozoodporności od F50 do F200 metodą zwykłą – wartość kryterialna spadku wytrzymałości na ściskanie 20%

Brak wyraźnej korelacji między wynikami badań mrozoodporności betonu hydrotechnicznego metodami zwykłą i hydrotechniczną oraz fakt, że metoda hydrotechniczna jest bardziej wymagająca, były już od wielu lat podkreślane w publikacjach, np. [9]. Potwierdziło to wykonane w latach 2013-2014 studium technologiczne betonu hydrotechnicznego [1], którego efektem były również pierwsze spostrzeżenia związane ze stosowaniem popiołu lotnego i jego wpływem na mrozoodporność. Dla jego potrzeb przebadano m.in. wzorcową recepturę betonu hydrotechnicznego BH25 M150 W8 o konsystencji KH3, zbliżoną do stosowanej podczas budowy zapory w Świnnej Porębie. Stosowano dwa cementy klasy wytrzymałościowej 32,5 o niskim cieple hydratacji: hutniczy CEM III/A (zawierający żużel wielkopiecowy) oraz mieszany CEM V/A (zawierający mieszankę żużla wielkopiecowego oraz popiołu lotnego). Obydwa rodzaje betonu osiągnęły zbliżone wytrzymałości na ściskanie oraz stopień wodoszczelności W8. Betony te przebadano następnie pod kątem osiągnięcia stopni mrozoodporności F50, F100, F150 i F200 oraz M50, M100, M150 i M200, uzyskując wyniki zilustrowane na rys. 1 i 2.

Rys. 2. W yniki badań betonu dla stopni mrozoodporności od M50 do M200 metodą hydrotechniczną – wartość kryterialna spadku siły rozłupującej 25%

Wyniki te można podsumować krótko w następujący sposób:

• beton z cementem CEM III/A osiągnął stopień mrozoodporności F200, z cementem CEM V/A – F100;
• ten sam beton z cementem CEM III/A osiągnął stopień mrozoodporności M150, z cementem CEM V/A nie osiągnął nawet stopnia M50;
• metoda hydrotechniczna jest dla tego typu betonów bardziej wymagająca niż metoda zwykła;
• popiół lotny zawarty w cemencie CEM V/A radykalnie obniża mrozoodporność takiego betonu.

Należy jednak wyraźnie podkreślić, że w przypadku betonów specjalnych innych niż omawiane może być zupełnie inaczej. Przykładem takiej sytuacji były opublikowane w [7] wyniki badań napowietrzanych, pompowalnych betonów mostowych. Betony takie zawierają znacznie większe ilości bardziej kalorycznych cementów i płukane kruszywa grysowe wysokiej jakości, a także napowietrzane są one w stopniu pozwalającym na osiągnięcie wskaźnika rozkładu porów L na poziomie niższym niż 0,200 mm. Badania przeprowadzone w latach 2016-2017 wykazały, że w tym przypadku sytuacja była odwrotna: metoda hydrotechniczna dawała korzystniejsze wyniki niż metoda zwykła (badano rodzinę dziewięciu betonów C35/45 różniących się rodzajem cementu i piasku – we wszystkich przypadkach po 200 cyklach stwierdzono wzrost wartości siły rozłupującej). Spostrzeżenie to potwierdza tylko starą, sprawdzoną zasadę, że różne rodzaje betonów specjalnych wymagają odmiennych, odpowiednich dla nich metod badań.

W dalszej części artykułu:

• Beton hydrotechniczny – konsystencja i metody wbudowania
• Klasyczny, masywny beton hydrotechniczny – jak projektować?

Artykuł ukazał się pierwotnie w książce Monitoring i bezpieczeństwo budowli hydrotechnicznych, wydanej przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej pod red. Jana Wintera.

dr inż. Witold Jawański Sika Poland Sp. z o.o.

mgr inż. Maciej Wiśniewski Sika Poland Sp. z o.o.

Bibliografia

1. M. Batog, Z. Giergiczny, W. Jawański, Z. Kledyński, J. Szuba, Studium technologiczne betonu hydrotechnicznego na bazie wybranych cementów i kruszyw, „Gospodarka Wodna” nr 9/2014, SIGMA-NOT, Warszawa.
2. G. Bialik, Cz. Kempa, W. Misiak, S. Strzemiecki, Warunki techniczne wykonania i odbioru robót w dziedzinie gospodarki wodnej w zakresie konstrukcji hydrotechnicznych z betonu, Ministerstwo Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, Warszawa 1994.
3. Cz. Kempa, J. Chrzanowski, Z. Kledyński, K. Łady- żyński, BN-88/6738 Beton hydrotechniczny – projekt normy po ankietyzacji, Warszawa 1989.
4. W. Jawański, Doświadczenia ze stosowania cementów żużlowych w budownictwie hydrotechnicznym, materiały sympozjum naukowo-technicznego „Beton cementowy w obiektach hydrotechnicznych”, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska/Górażdże Cement S.A., Wydawnictwo Instytut Śląski, Opole 2006.
5. W. Jawański, Modelowanie fizyczne betonów hydrotechnicznych z kruszywem gruboziarnistym, praca doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2017.
6. W. Jawański, Wpływ popiołu lotnego na mrozoodporność strukturalną masywnego betonu hydrotechnicznego, referat na X Konferencję „Dni Betonu 2018”, Polski Cement, Kraków.
7. W. Jawański, A. Michalik, R. Stachowicz, Wpływ doboru cementu i piasku na charakterystykę napowietrzenia oraz rzeczywistą mrozoodporność pompowalnego betonu mostowego, referat na X Konferencję „Dni Betonu 2018”, Polski Cement, Kraków.
8. Z. Kledyński, Kilka uwag o betonie hydrotechnicznym w aspekcie normalizacji, „Gospodarka Wodna” nr 5/1988, SIGMA-NOT, Warszawa.
9. Z. Kledyński, Beton hydrotechniczny w świetle aktualnych wymagań normowych, „Gospodarka Wodna” nr 10/2005, SIGMA-NOT, Warszawa.
10. K. Ładyżyński, Specyfika projektowania i produkcji betonów hydrotechnicznych oraz wykonawstwa budowli wodnych, materiały sympozjum naukowo-technicznego „Beton cementowy w obiektach hydrotechnicznych”, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska/ Górażdże Cement S.A., Wydawnictwo Instytut Śląski, Opole 2006.
11. W. Pichler, Langzeitverhalten von Talsperrenbeton, „Oesterreichische Wasser- und Abwasserwirtschaft” 7-8/13, Springer Verlag, 2009, https://link.springer.com.
12. PN-88/B-06250 Beton zwykły, norma archiwalna, wydanie 2, PKNMiJ, Warszawa 1993.
13. PN-B-06265:2018-10 Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność. Krajowe uzupełnienie PN-EN 206+A1:2016-12,PKN, 2018.
14. PN-EN 206+A1:2016-12 Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność, PKN, 2017.
15. PN-EN 12390-2:2011 Badania betonu. Część 2: Wykonywanie i pielęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych PKN, 2011.
16. PN-EN 12390-3:2011 Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badań, PKN, 2011.
17. PN-EN 12390-8:2011 Badania betonu. Część 8: Głębokość penetracji wody pod ciśnieniem, PKN, 2011.
18. Standard Specifications for Concrete Structures – Dam Concrete, 2010, JSCE Guidelines for Concrete No. 18, Japan Society of Civil Engineers, Tokyo 2007, https://jsce.or.jp.
19. Zhu Qifeng, XiLuoDu Dam Project, Telebelt TB110G at the World’s Third Largest Hydropower Station, materiały informacyjne firmy Putzmeister, Good News nr 100818, 2009, https://putzmeister.com.cn.
20. A. Żabówka, Kilka uwag o praktyce zapewniania trwałości betonów hydrotechnicznych, materiały sympozjum naukowo-technicznego „Beton cementowy w obiektach hydrotechnicznych”, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska/Górażdże Cement S.A., Wydawnictwo Instytut Śląski, Opole 2006.