Fundamenty domów mieszkalnych z betonu samozagęszczalnego

W budownictwie mieszkaniowym zwykle występują fundamenty bezpośrednio przekazujące obciążenia na grunt w postaci ław, stóp, ścian, ewentualnie płyt lub rusztów fundamentowych. Fundamenty takie najczęściej wykonuje się z betonu zbrojonego, co jest również zwykle najlepszym rozwiązaniem ze względów technicznych i ekonomicznych. Od jakości wykonania fundamentów zależą trwałość i bezpieczeństwo użytkowania budynku. Szczególne znaczenie ma tutaj dobór betonu o dostosowanych odpowiednio do warunków eksploatacji właściwościach oraz prawidłowe wykonanie procesu betonowania. Ryzyko niewłaściwego wykonania betonu w fundamentach można zminimalizować, stosując beton samozagęszczalny, uzyskując przy tym korzyści natury ekonomicznej. W artykule omówiono podstawowe zagadnienia związane zastosowaniem betonu samozagęszczalnego do wykonania fundamentów, ze szczególnym uwzględnieniem specyfiki jego projektowania i technologii wykonania.

Tabl. 1 Badania właściwości mieszanki samozagęszczalnej

Definicja i istota betonu samozagęszczalnego

Istotą technologii betonu samozagęszczalnego jest uzyskanie mieszanki, która oprócz zdolności do szczelnego wypełnienia formy i otulenia zbrojenia posiada także zdolność do zagęszczenia bez potrzeby zagęszczania mechanicznego, przez samoczynne wydalenie z jej objętości powietrza schwytanego przypadkowo podczas jej wytwarzania i transportu, z zachowaniem jednorodności i stabilności struktury, czyli braku segregacji. Skład i składniki tego betonu dobierane są przede wszystkim ze względu na konieczność uzyskania tych specyficznych właściwości mieszanki. Zgodnie z normą PN-EN 206:2016 beton samozagęszczalny definiuje się jako beton, który pod własnym ciężarem rozpływa się i zagęszcza, wypełnia deskowanie ze zbrojeniem, kanały, ramy itp., zachowując jednorodność. Impulsem do opracowania takich mieszanek było dążenie do poprawy jakości betonu przez zminimalizowanie wpływu czynnika ludzkiego na proces zagęszczania, poprawy warunków pracy przez wyeliminowanie zagrożenia wibracją i hałasem oraz zmniejszenia pracochłonności i energochłonności robót betonowych.

Rys. 1 Wymagane właściwości mieszanek samozagęszczalnych

Projektowanie betonu samozagęszczalnego

Projektowanie betonu samozagęszczalnego jest bardzo podobne do projektowania betonu zagęszczanego tradycyjnie, przy czym główne znaczenie ma spełnienie warunków samozagęszczalności. Podporządkowany temu jest dobór jakościowy i ilościowy składników.

W pierwszym etapie projektowania określa się przedział klas konsystencji mieszanki samozagęszczalnej ze względu na metody i warunki wykonania procesu betonowania. Określa się równocześnie minimalne wymagania wytrzymałości wynikające z projektu konstrukcji (klasa betonu) i wymagania trwałości wynikające z warunków pracy betonu w konstrukcji (klasa lub klasy ekspozycji).

Właściwości samozagęszczalnej mieszanki betonowej SCC określają:

– rozpływ swobodny stożka; opisuje się za pomocą rozpływu SF;

– lepkość – opór stawiany przez rozpływającą się mieszankę betonową; opisuje się za pomocą lepkości VF lub VS;

– chwilowa zdolność płynięcia, zdolność przepływu przez przeszkody (przepływalność) – zdolność mieszanki betonowej do przepływania, bez utraty jednorodności lub blokowania się, przez ograniczone przestrzenie i wąskie szczeliny, takie jak obszary gęsto zbrojone; opisuje się za pomocą przepływalności PL lub PJ;

– odporność na segregację – zdolność mieszanki betonowej do zachowania jednorodności; opisuje się za pomocą odporności na segregację SR.

Każda z wymienionych właściwości podlega ocenie wg odpowiedniej procedury badawczej oraz klasyfikacji wg normy PN-EN 206:2016 (tabl. 1).

Każdorazowo wykonuje się rozpływ swobodny, pozostałe natomiast wykonywane są w zależności od potrzeb i aplikacji betonu. Wymaganie właściwości mieszanki samozagęszczalnej do różnych rodzajów konstrukcji, w tym dla fundamentów przedstawiono na rys. 1 i w tabl. 2.

Klasa wytrzymałości betonu każdorazowo powinna zostać określona w projekcie budowlanym. Ze względu na wymagania wytrzymałościowe konstrukcji zwykle w budownictwie jednorodzinnym wystarczająca jest klasa C16/20, a w budynkach wielorodzinnych C25/30. Klasa ekspozycji to parametr betonu na fundamenty, który bywa pomijany w projektach domów mieszkalnych, a może mieć kluczowy wpływ na trwałość tego elementu. Klasa ekspozycji powinna zostać określona przez projektanta na podstawie aktualnej wiedzy na temat warunków panujących wokół fundamentu (np. obecność zasiarczonych wód) i warunków jego eksploatacji. Standardowo, w przypadku braku czynników korozyjnych, beton na fundament zbrojony powinien mieć klasę ekspozycji XC1 lub XC2 (karbonatyzacja), co wymusza stosowanie betonu klasy odpowiednio C20/25 lub C25/30, jednak czasami występuje konieczność przyjęcia klas ekspozycji XC4, XF1 (agresja mrozowa), XD1 (chlorki niepochodzące z wody morskiej) i/lub XA1 (środowisko agresywne chemicznie), co powoduje konieczność stosowania betonu klasy C30/37.

Drugim etapem projektowania jest jakościowy dobór składników i składu mieszanki betonowej. W przypadku betonów na fundamenty zwykle nie ma specjalnych wymagań co do rodzaju składników, na jakościowy dobór składników wpływają wymagania samozagęszczalności. W przypadku klas ekspozycji XC1 i XC2 wskaźnik w/c betonu powinien wynosić odpowiednio nie więcej niż 0,65 i 0,60, a ilość cementu powinna być odpowiednio większa niż 260 i 280 kg/m³. W przypadku innych klas ekspozycji wymagania co do składu są ostrzejsze, np. dla klas XF1 i XA1 wskaźnik w/c betonu powinien być nie większy od 0,55, a ilość cementu w betonie nie mniejsza niż 300 kg/m³.

W trzecim i ostatnim etapie projektowania dobiera się i optymalizuje skład betonu. Nie ma standardowej metody projektowania składu betonu, w tym również samozagęszczalnego. W odróżnieniu od betonu zwykłego skład betonu samozagęszczalnego warunkuje konieczność spełnienia wymagań samozagęszczalności. W związku z tym proporcje jego składników różnią się od tradycyjnej mieszanki (rys. 2), stwarzając warunki do uzyskania betonu o dużej wytrzymałości i trwałości. Ze względu na warunek odporności na segregację typowe betony samozagęszczalne charakteryzują się zwykle wskaźnikiem w/c < 0,50, zawartością frakcji pyłowych p (cement, dodatki mineralne, kruszywo frakcji < 0,125 mm) od 400 do 600 kg/m3 i wskaźnikiem w/p < 0,50 oraz objętością zaczynu od 350 do 450 dm³/m³. Kruszywo do betonów samozagęszczalnych powinno się charakteryzować ziarnami o regularnych kształtach i maksymalną wielkością 16 mm, a punkt piaskowy kruszywa powinien się zawierać w przedziale od 40 do 50%. Dodatki mineralne zwiększają ilość zaczynu bez potrzeby zwiększania ilości cementu ponad konieczne minimum. Do mieszanek samozagęszczalnych stosowanych do wykonania fundamentów o stosunkowo niewielkich wymaganiach względem wytrzymałości najlepiej stosować mączki kamienne (np. zmielony wapień, dolomit). Dodatki typu II – żużel, popiół lotny czy pył krzemionkowy – zwykle się stosuje wtedy, gdy wymagana jest wysoka odporność na oddziaływanie środowiska. Odpowiednią płynność mieszanki samozagęszczalnej uzyskuje się, stosując dodatek superplastyfikatora, najlepiej na bazie polikarboksylanów. Dobrze dobrany superplastyfikator powinien zapewniać wymagane właściwości mieszanki przez co najmniej 1-1,5 h. W celu zredukowania segregacji i wycieku zaczynu z mieszanki i zmniejszenia jej wrażliwości na zmiany warunków betonowania czasami się stosuje domieszki zwiększające lepkość. Ponieważ właściwości mieszanki samozagęszczalnej zależą od intensywności mieszania oraz objętości zarobu, w ostatnim etapie projektowania weryfikuje się skład mieszanki, przeprowadzając próby w wytwórni i w warunkach technicznych budowy.

Rys. 2 Specyfika składu betonu zwykłego i samozagęszczalnego

Technologia wykonania betonu samozagęszczalnego

Technologia betonu samozagęszczalnego opiera się na tych samych zasadach co technologia betonu zagęszczanego w sposób wibracyjny. Należy zaznaczyć, że beton samozagęszczalny jest wrażliwy na zmiany właściwości składników, składu, procedur i warunków technologicznych. W związku z tym konieczny jest wzmożony nadzór technologiczny, a pracownicy zaangażowani w proces produkcji i betonowania muszą być przeszkoleni w zakresie specyfiki wykonywania konstrukcji z betonu samozagęszczalnego. Dalej wskazano na najważniejsze różnice wynikające ze specyfiki wykonywania betonu samozagęszczalnego.

Konieczność ścisłego przestrzegania reżimu technologicznego sprawia, że mieszanki samozagęszczalne mogą być produkowane tylko w węzłach wyposażonych w odpowiednio dokładne dozowniki, dozowniki do domieszek oraz aparaturę do kontroli wilgotności kruszywa. Proces mieszania należy wykonywać w mieszalnikach o działaniu wymuszonym. Czas mieszania i kolejność dodawania składników powinny być dla danej mieszanki i mieszalnika optymalizowane doświadczalnie, a następnie ściśle przestrzegane w trakcie produkcji. Mieszanka samozagęszczalna wymaga zwykle dłuższego czasu mieszania od tradycyjnej.

Nie zaleca się układania mieszanki betonowej bezpośrednio w gruncie, konieczne jest wykonanie deskowań. Mieszanka samozagęszczalna charakteryzuje się bardzo wysoką płynnością, w związku z tym w przypadku jej stosowania deskowanie należy projektować przy założeniu pełnego parcia hydrostatycznego. Znaczący wpływ na parcie mieszanki ma prędkość jej układania, zaleca się, aby nie była ona większa niż 2 m/h, co odpowiada typowej prędkości układania tradycyjnych mieszanek betonowych. Należy jednak zwrócić uwagę, że problem parcia na deskowania w przypadku wykonywania fundamentów jest zwykle mniej ważny, gdyż dotyczy przypadków betonowania elementów o wysokości ponad 2 m, czyli ujawnia się głównie w przypadku wykonywania ścian fundamentowych. Wysoka płynność mieszanki sprawia, że należy szczególną uwagę zwrócić na szczelność deskowań.

Mieszanka samozagęszczalna w momencie jej układania w deskowaniach musi się charakteryzować założonymi w projekcie właściwościami i spełniać ustalone wymagania rozpływu, lepkości, zdolności do przepływu i odporności na segregację. Należy zaznaczyć, że ze względu na niepewny efekt i utrudnioną kontrolę jakości korygowanie składu mieszanki samo- zagęszczalnej na budowie powinno być traktowane jako wyjątek. Mieszanka samozagęszczalna musi być przewożona za pomocą samochodów z mieszalnikiem, a mieszanie podczas transportu powinno się odbywać w sposób ciągły i na wolnych obrotach mieszalnika. Mieszankę samozagęszczalną można układać w deskowaniach za pomocą rynny zsypowej bezpośrednio z samochodu mieszalnika, za pomocą zasobników (najlepiej wyposażonych w rury zasypowe) lub za pomocą pompy. Przy betonowaniu fundamentów szczególnie korzystny jest pierwszy sposób, gdyż nie jest konieczne angażowanie dodatkowego sprzętu. Należy jednak zapewnić wtedy swobodny dostęp do fundamentu, gdyż odległość między miejscami podawania mieszanki nie powinna być większa niż 10 m (należy ją dobierać zależnie od właściwości mieszanki i gęstości zbrojenia). Mieszankę samozagęszczalną należy układać bez przerw, mieszanka powinna uformować postępujący front o małym nachyleniu, otulać pręty zbrojenia bez formowania kieszeni powietrznych, a kruszywo grube powinno pozostawać blisko górnej powierzchni. Należy unikać swobodnego układania mieszanki. Mieszanka samozagęszczalna może w pewnych przypadkach wymagać większego ciśnienia pompowania niż mieszanka betonu zwykłego. Jest to konsekwencją wysokiej lepkości mieszanki samozagęszczalnej i laminarnego, nie korkowego jej przepływu w rurociągu. Przyspieszenie betonowania, wymieniane jako zaleta stosowania betonu samozagęszczalnego, ujawnia się wyraźnie głównie w przypadku betonowania elementów niskich i poziomych, czyli np. stóp i ław fundamentowych. Należy zwrócić uwagę, że zbyt szybkie układanie mieszanki w wyższych elementach pionowych (czyli np. ścianach fundamentowych), obok zwiększonego parcia na deskowania może utrudniać odpowiednie jej odpowietrzenie.

Specyficzne właściwości mieszanki umożliwiające jej samozagęszczenie wykluczają jednocześnie stosowanie zagęszczania wibracyjnego. Poddanie mieszanki nawet słabej wibracji powoduje wystąpienie bardzo silnej sedymentacji kruszywa. Jeśli mieszanka samozagęszczalna nie jest samopoziomująca, powinna być wyrównana za pomocą typowych narzędzi ręcznych bezpośrednio po zakończeniu układania. Słaba wibracja przy wykończeniu powierzchni górnej elementów jest możliwa tylko pod ścisłą kontrolą. Pielęgnację betonów samozagęszczalnych prowadzi się na ogólnych zasadach, a ze względu na dużą ilość zaczynu należy ją rozpoczynać bezpośrednio po ułożeniu mieszanki, kontynuować możliwie długo, powinna ona być możliwie intensywna.

Ekonomiczne aspekty stosowania betonu samozagęszczalnego

W przypadku typowych dla fundamentów klas betonu do C30/37 koszt betonu samozagęszczalnego jest zwykle większy od kosztu betonu zagęszczanego wibracyjnie, ze względu na większe koszty materiałów, produkcji i wzmożonego nadzoru technologicznego. W praktyce betony samozagęszczalne są często oferowane przez ich producentów w zbliżonej cenie do betonu zagęszczanego wibracyjnie. Stosowanie betonu samozagęszczalnego wymusza konieczność wzmacniania deskowań, stosowania deskowań o mniejszych elementach oraz uszczelniania ich połączeń. Mimo że w mniejszym stopniu dotyczy to deskowań fundamentów, należy się jednak liczyć z dodatkowym nakładem pracy, zwłaszcza na uszczelnienie połączeń. Stosowanie mieszanki samozagęszczalnej skraca czas wykonania betonowania fundamentów. Pracochłonność przy układaniu, zagęszczaniu i wykończeniu betonu samozagęszczalnego jest wyraźnie od 3 do 6 razy mniejsza niż przy wykonywaniu betonu w sposób tradycyjny. Równocześnie łatwość układania mieszanki i wyeliminowanie konieczności stosowania wibratorów zmniejszają energochłonność procesów betonowania. Biorąc pod uwagę powyższe, można stwierdzić, że koszt wykonania fundamentów z betonu samozagęszczalnego będzie zwykle wyraźnie mniejszy niż koszt ich wykonania z betonu zagęszczanego wibracyjnie. Jedynie w przypadku wykonywania wyższych ścian fundamentowych koszt ich wykonania może być zbliżony (głównie ze względu na większy koszt deskowań). Zasadność stosowania betonu samozagęszczalnego nie wynika jednak tylko z kosztu jego wykonania, ale przede wszystkim z efektów ekonomicznych i użytkowych eksploatacji konstrukcji z niego wykonanej. Należy podkreślić wyższą trwałość betonu samozagęszczalnego, co zasadniczo poprawia jakość wykonanych z niego fundamentów i zmniejsza koszty eksploatacji konstrukcji.

Na uwagę zasługują pośrednie aspekty ekonomiczne stosowania betonu samozagęszczalnego: poprawa warunków pracy, która się przekłada na trudne wprawdzie do wyliczenia, ale oczywiste zmniejszenie kosztów opieki zdrowotnej, zwolnień lekarskich, rent i odszkodowań oraz możliwość szerokiego wykorzystania do betonu samozagęszczalnego materiałów odpadowych, co przyczynia się do ochrony środowiska i zmniejszenia kosztów związanych z jego użytkowaniem.

Podsumowanie

Wybór beton samozagęszczalnego do wykonania fundamentów w budynkach mieszkalnych jest bardzo trafnym wyborem. Stosowanie go przynosi korzyści wykonawcy w postaci skrócenia czasu i mniejszego kosztu wykonania procesów betonowania fundamentów oraz poprawy warunków pracy. Pomimo możliwego większego kosztu materiałów całkowity koszt wykonania konstrukcji fundamentów jest mniejszy, a dzięki specyfice składu uzyskuje się wytrzymały i odporny na oddziaływanie środowiska beton, co bardzo korzystnie się przekłada na trwałość i jakość budynku. Należy przy tym pamiętać, że prawidłowe wykonanie betonu samozagęszczalnego wymaga ścisłego przestrzegania procedur technologicznych i zmiany pewnych nawyków nabytych przy wykonywaniu betonów w tradycyjny sposób, co wiąże się z koniecznością wzmożonej kontroli. Można jednak sądzić, że problem ten wraz z upowszechnianiem stosowania betonu samozagęszczalnego będzie się zmniejszać.

dr hab. inż. Jacek Gołaszewski, prof. nzw. w Pol. Śl.

Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa Katedra Inżynierii Materiałów i Procesów Budowlanych