Monolityczne podłogi betonowe – jak unikać błędów

STRESZCZENIE

Podłogi przemysłowe ja jednym z najczęściej naprawianych fragmentów budynku. Zamierzeniem przedstawianego artykułu jest zasygnalizowanie, zdaniem autora, ważniejszych elementów, które należy mieć na uwadze w trakcie konstruowania, realizacji oraz eksploatacji. Tak też usystematyzowano opisywaną problematykę rozpoczynając od prac projektowo-koncepcyjnych, poprzez zagadnienia związane z wykonawstwem, następnie nadzorem, diagnostyką i kontrolą, a kończąc wskazówkami dotyczącymi użytkowania podłóg.

ABSTRACT

Industrial floors are one of the most frequently repaired elements of the building. The aim of this article is to indicate what are, according to the author, important aspects that should be taken into account during construction, implementation and use. The issues addressed in the article have been presented in a similar way, starting from design and conceptual works, through construction, then supervision, diagnosis and inspection, and ending with tips on the use of floors.

Fot. alexanderbeck – pixabay.com

Podłoga przemysłowa stanowi jeden z najważniejszych elementów w obiektach budownictwa przemysłowego i użyteczności publicznej. Jest tą częścią budowli, która podlega najbardziej intensywnym obciążeniom użytkowym. Prawidłowo zaprojektowana, wykonana oraz właściwie eksploatowana jest zawsze wizytówką zakładu. Niestety najczęściej wykazuje ona dużo więcej uszkodzeń w porównaniu z innymi elementami konstrukcyjnymi. Rodzi się pytanie, jakie wymagania należy spełnić i na jakie elementy należy szczególnie zwrócić uwagę, aby uzyskać bezawaryjną podłogę przemysłową i żeby ilość jej usterek była jak najmniejsza.

Według [7]¹ ponad 50% uszkodzeń posadzek powstaje z powodu niewłaściwej jakości podkładu betonowego lub jego nieodpowiedniego przygotowania. Kolejne 25% uszkodzeń jest spowodowane niewłaściwymi warunkami użytkowania (np. zbyt wczesnym włączaniem posadzki do eksploatacji), a także istotnymi, w stosunku do projektowanych, zmianami warunków użytkowania. Przyczyny uszkodzeń podłóg przemysłowych (rys. 1) można podzielić na konstrukcyjne, materiałowe, technologiczne i eksploatacyjne [4].

Rys. 1

Często trudno jest jednoznacznie ocenić przyczynę powstania błędów. Zwykle jest to zespół czynników, który jest odpowiedzialny za powstanie zjawisk destrukcyjnych.

Zagadnienie jest bardzo obszerne.

W niniejszym artykule zasygnalizowano wybrane, zdaniem autora, bardzo istotne elementy, na które trzeba zwrócić uwagę w procesie konstruowania, wykonywania i użytkowania podłóg przemysłowych.

Prace koncepcyjno-projektowe

Nawierzchnie przemysłowe muszą przejmować i przenosić na warstwy podbudowy znaczne obciążenia od maszyn i składowanych produktów.

Na wierzchniej warstwie podłogi przemysłowej – posadzce – koncentruje się najwięcej oddziaływań eksploatacyjnych, potencjalnie zagrażających jej trwałości i jakości. Podłogi są najczęściej remontowanymi elementami obiektów budowlanych. Jednym z poważniejszych błędów jest niedostosowanie założeń projektowych do rzeczywistych warunków eksploatacyjnych, dlatego należy w pierwszej kolejności ustalić, jakie konieczne wymogi musi spełniać posadzka oraz jakie obciążenia będą na nią oddziaływać w trakcie użytkowania. Oprócz obciążeń statycznych posadzki muszą przejmować także obciążenia dynamiczne, np. siły wywołane przejazdami wózków podnośnikowych i samochodów. Innym typem obciążeń są oddziaływania mechaniczne, klimatyczne czy chemiczne, pochodzące od kwasów, płynów itd. Ważnymi wymaganiami stawianymi wierzchnim warstwom podłóg przemysłowych są kryteria związane z użytkowaniem: przeciwpoślizgowość, wytrzymałość na ścieranie, łatwość pielęgnacji, przeciwpyłowość, równość powierzchni itd. Dobór właściwego kryterium jest przede wszystkim uzależniony od przewidywanego profilu produkcji. Trwałość podłóg przemysłowych zależy też od prawidłowości wykonania i przestrzegania ustalonych warunków eksploatacji, które powinny być dokładnie określone na etapie projektowania. Bardzo istotna jest ścisła współpraca między wszystkimi uczestnikami procesu produkcyjnego: projektantem, inwestorem, wykonawcą, geotechnikiem, dostawcami zbrojenia, betonu i użytkownikiem, mająca na celu przeprowadzenie oceny oraz doboru systemu pod konkretne potrzeby (rys. 2). Kluczowe znaczenie ma włączenie do procesu powstawania jak największej liczby stron uczestniczących w przedsięwzięciu. Brak lub niepełna analiza, błędy projektowe, wadliwe wykonawstwo, zły nadzór prowadzą do powstawania uszkodzeń i usterek. Aby ostateczny koszt wykonania nie był dla nikogo zaskoczeniem, a dobór powłoki nie okazał się chybiony, niezbędna jest również ścisła współpraca projektantów z technologami i dostawcami materiałów na warstwy posadzki. Współpraca z wykonawcą i dostawcami materiałów pozwala nie tylko na urealnienie kosztów, ale także na przyjęcie systemu możliwego technicznie. Bieżące informowanie inwestora o różnych możliwościach wykonania nawierzchni pozwala na osiągnięcie kompromisu między granicznymi wymogami użytkowymi a ceną przyszłej nawierzchni.

Rys. 2. Strony zaangażowane w powstawanie nowej podłogi przemysłowej

Prace budowlane powinny być prowadzone zgodnie z projektem budowlanym oraz opracowanym do tego celu projektem wykonawczym. Projektowanie podłóg przemysłowych jest zagadnieniem niełatwym, wymagającym dużej wiedzy oraz rutyny. Ważne jest, aby prace te zlecać doświadczonym projektantom. Należy wymagać, aby w projekcie były zawarte co najmniej następujące informacje:

• opis projektowanej podłogi wraz z opisem technologicznym, w którym powinny być podane rodzaje i kolejność układanych poszczególnych warstw, np. izolacji przeciwwilgociowych, cieplnych, dźwiękochłonnych;
• wymagania, jakie powinno spełniać podłoże gruntowe i podbudowa podłogi wraz ze sposobem ich przygotowania;
• wymagania, jakie powinien spełniać betonowy podkład pod warstwę wierzchnią;
• opis projektowanej posadzki z podaniem rodzaju i kolejności układania poszczególnych jej warstw;
• wytyczne dotyczące rozpoczęcia użytkowania;
• wytyczne kontroli i użytkowania;
• rysunki rzutów poszczególnych kondygnacji z zaznaczeniem rodzaju posadzki w danym pomieszczeniu, rozmieszczenie szczelin dylatacyjnych, odpływów, studzienek, kanalików, spadków i innych szczegółów;
• rysunki przekrojów obiektu z zaznaczeniem rodzajów konstrukcji podłogi wraz z posadzką i jej poszczególnych elementów, np. warstw izolacyjnych, podkładów pod posadzki;
• rysunki sposobów wykonania szczegółów zabezpieczeń, np. szczelin dylatacyjnych, połączeń z innymi podłogami.

Najczęściej spotykany układ warstw podłogi pokazano na rys. 3. Niestabilność choćby jednego z tych elementów powoduje ograniczoną współpracę całości i odbija się negatywnie na trwałości podłogi [10].

Przed przystąpieniem do projektowania konieczne jest wykonanie rozpoznania podłoża gruntowego. Badania należy prowadzić na podstawie rozporządzenia [17], w którym określono szczegółowe zasady ustalania geotechnicznych warunków posadawiania obiektów budowlanych polegające m.in. na: zaliczeniu obiektu budowlanego do odpowiedniej kategorii geotechnicznej, przygotowaniu oceny przydatności gruntów stosowanych w budowlach ziemnych, ustaleniu wzajemnego oddziaływania obiektu budowlanego i podłoża w różnych fazach budowy i eksploatacji, wzajemnego oddziaływania obiektu budowlanego z obiektami sąsiadującymi, wyborze metody wzmacniania podłoża.

Rys. 3. Układ warstw w typowej podłodze przemysłowej

Parametry podłoża należy ustalać na podstawie wierceń, wykopów badawczych, sondowań, innych badań polowych, badań makroskopowych, badań laboratoryjnych oraz w przypadkach koniecznych całej gamy badań szczegółowych i specjalistycznych, jak: badań presjometrycznych, dylatometrycznych, hydrogeologicznych, geofizycznych i próbnych obciążeń podłoża. Zakres czynności wykonywanych przy ustalaniu geotechnicznych warunków posadawiania zależy od zaliczenia obiektu do odpowiedniej kategorii geotechnicznej.

Grunty niespełniające wymogów muszą zostać poprawione. Jest bardzo wiele metod stosowanych w tym celu. Ich użycie zależy przede wszystkim od rodzaju gruntu, wielkości i znaczenia inwestycji, posiadanych środków finansowych, dostępnego czasu na wykonanie prac, możliwości technicznych – dostępnego sprzętu budowlanego, lokalizacji inwestycji itd. Decyzja o wyborze sposobu wzmocnienia podłoża powinna być podejmowana wspólnie przez konstruktora, architekta, geotechnika i inwestora. Wskazany jest również udział wykonawcy prac ziemnych. Wzmocnienie podłoża wiąże się ze znacznym wzrostem kosztów. Szacuje się [13], że wymiana gruntów może zwiększyć koszty wykonania nawierzchni nawet o ok. 30%.

Kolejnym kluczowym elementem decydującym o właściwej pracy podłogi jest prawidłowe zaprojektowanie i wykonanie podbudowy. Jest to warstwa umożliwiająca bezpieczne przeniesienie obciążeń z płyty betonowej w podłoże gruntowe. Wybór rodzaju podbudowy i jej grubości jest uzależniony głównie od sposobu przygotowania podłoża gruntowego oraz obciążeń, jakim będzie poddawana podłoga przemysłowa. Najczęściej decydujące jest obciążenie punktowe. Istotne tutaj są zarówno krótkotrwałe obciążenia dynamiczne pochodzące od poruszających się pojazdów (wózków widłowych, samochodów), jak również obciążenia długotrwałe – od regałów wysokiego składowania, kontenerów.

Zalecane minimalne wartości modułu odkształcenia wtórnego podłoża gruntowego i podbudowy pokazano w tabeli. Zadaniem płyty betonowej jest przejęcie obciążeń i oddziaływań oraz przekazanie ich, przez podbudowę, do podłoża gruntowego.

Tab. Zalecane minimalne wartości modułu odkształcenia wtórnego podłoża gruntowego i podbudowy w zależności od oczekiwanych maksymalnych obciążeń punktowych [11]

⁽¹⁾ musi zostać spełniony warunek E_v2/E_v1 ≤ 2,5

⁽²⁾ musi zostać spełniony warunek E_v2/E_v1 ≤ 2,2

Kluczowym wymogiem w projektowaniu i wykonawstwie płyty nośnej podłóg przemysłowych jest minimalizacja powstawania rys. Szczególnie dla płyt zlokalizowanych w miejscach nasłonecznionych, na wolnym powietrzu, ryzyko zarysowania jest znaczne, gdyż mogą występować duże oddziaływania wskutek różnic temperatur.

Na wytrzymałość płyt betonowych, charakteryzowanych przez klasę betonu, mają wpływ:

• wskaźnik wodno-cementowy (w/c) mieszanki betonowej,
• zastosowany typ cementu i jego klasa,
• zawartość cementu,
• rodzaj i uziarnienie kruszywa,
• stosowane dodatki.

Poprawny dobór składników mieszanki betonowej oraz właściwa technologia wykonawstwa są gwarantem wytrzymałości i trwałości nawierzchni. Płyty betonowe powinny być wykonywane z betonu klas nie niższych niż C20/25 lub C25/30.

Na bazie wytycznych od projektanta wykonawca powinien uzgodnić recepturę z technologiem betonu. Poniżej zamieszczono przykładowe wytyczne odnośnie do mieszanki betonowej dla płyty, wykonywanej w lecie, wewnątrz hali magazynowej, w której spodziewane jest występowanie środowiska cyklicznie mokrego i suchego:

• klasa betonu: C30/37 (B37);
• klasa ekspozycji XC4;
• stosunek w/c ≤ 0,5;
• zawartość alkaliów w cemencie zgodnie z wymaganiami dotyczącymi niskoalkalicznego cementu (NA), określonymi w normie PN-B-19707;
• cement CEM III/A, zwartość cementu maks. 350 kg/m³;
• kruszywo o uziarnieniu ≤ 16 mm;
• kruszywo musi być odporne na reakcję alkaliczną, nie może posiadać żadnych zanieczyszczeń organicznych, ziaren cegieł, zaprawy oraz nasiąkliwych skał węglanowych; dobór krzywej uziarnienia i składników mieszanki betonowej musi gwarantować niewystępowanie zjawiska wydzielania się wody czy mleczka cementowego w procesie układania betonu;
• zawartość frakcji ≤ 0,25 mm – ok. 4%;
• punkt piaskowy ok. 35-37%;
• łączna ilość cementu i kruszywa frakcji ≤ 0,25 mm ≥ 535 kg/m³;
• bez dodatku popiołów lotnych;
• napowietrzenie mieszanki < 3%;
• zaleca się zastosowanie stabilizatorów betonu w ilości ok. 5 kg/m³ betonu w celu utrzymania jednorodnej konsystencji oraz ograniczenia skurczu fizykochemicznego w betonie w okresie letnim;
• przed wykonaniem mieszanki betonowej należy wykonać zaroby próbne.

Nawierzchnie narażone na wpływy atmosferyczne – przygotowywane na wolnym powietrzu – powinny być wykonane z betonu klasy nie niższej niż C30/37 z minimalną zawartością cementu 340 kg/m³, maksymalnym wskaźnikiem w/c = 0,45 i minimalną zawartością powietrza 4%. Podobne wymagania jak poprawnie wykonana podłoga przemysłowa muszą spełniać jej dylatacje.

Stosowanie szczelin dylatacyjnych ma na celu przeciwdziałanie pękaniu płyty spowodowanemu skurczem betonu i siłami termicznymi. Wymiary płyty dobiera się tak, aby siły powstające w nawierzchni pod wpływem oddziaływań nie przekraczały wytrzymałości na rozciąganie betonu lub żelbetu. Już na etapie prac koncepcyjnych powinno się ustalić, czy podłoga będzie posiadała standardowe dylatacje czy też zostanie przyjęty system bezspoinowy. Według badań autora jednym z najczęstszych błędów jest niewłaściwy czas przystąpienia do nacinania szczelin dylatacyjnych – prawie w 30% analizowanych podłóg. Niewłaściwe wykonanie dylatacji naroży wklęsłych i krzywo osadzone dyble były przyczyną usterek w 20% ogółu badanych podłóg. Natomiast układ szczelin dylatacyjnych niezgodny z warunkami technicznymi stał się zalążkiem uszkodzeń w 15% rozpatrywanych podłóg.

W ostatnich latach coraz powszechniejsze się stają tzw. podłogi bezspoinowe.

To rozwiązanie cechujące się minimalną długością dylatacji roboczych, dylatacjami obwodowymi, oddzielającymi płytę od innych elementów oraz brakiem nacinanych szczelin skurczowych. Wykonanie pola o wymiarach 30 x 30 m i większych w jednym cyklu roboczym powoduje dodatkowe problemy wynikające z konieczności uwzględnienia naprężeń skurczowych w płycie betonowej. Choć występowanie skurczu w betonie, a w konsekwencji zarysowania, jest zjawiskiem ściśle z nim związanym, jednak poprawne projektowanie, wykonanie i pielęgnacja pozwalają na znaczne ograniczenie rys skurczowych. Umożliwia to redukcję kosztów utrzymania podłóg oraz poprawia ich trwałości [8]. Na wielkość współczynnika skurczu wpływa wiele czynników, w szczególności skład mieszanki betonowej, rodzaj cementu, warunki klimatyczne wykonania podłogi [2]. Wartość wskaźnika w/c nie powinna przekraczać 0,48-0,50, ilość cementu 300-350 kg/m³, a beton powinien mieć klasę nie niższą niż C25/30 [19]. Bardzo istotne jest także uzyskanie maksymalnie równej podbudowy – dopuszczalne nierówności do 10 mm na 2-metrowej łacie [20]. Stosunek boków pola roboczego nie powinien być mniejszy niż 1,5, a najlepiej, żeby miał kształt zbliżony do kwadratu. Zaleca się, aby grubość płyty betonowej nie była mniejsza niż 18 cm (zwykle 20-25 cm), co wynika z warunku uzyskania dostatecznej sztywności, związanego z przeciwdziałaniem paczeniu się płyty. Szczególnie starannie należy zazbroić rejony słupów i naroży, w których występują kumulacje naprężeń, co w konsekwencji często skutkuje rysami. W celu zapewnienia poślizgu płyty należy ułożyć na podłożu dwie warstwy folii PE co najmniej 0,2 mm. Choć koszty budowy takiej podłogi są nieco większe niż ze standardowym układem dylatacji, to jednak w przypadku poprawnej realizacji późniejsze zyski na etapie użytkowania często wielokrotnie przewyższają początkowe wydatki. Można uniknąć kłopotliwych napraw dylatacji, które są zmorą w tradycyjnych systemach. Dodatkowo łatwiejsze jest utrzymanie czystości powierzchni i możliwa jest większa swoboda w zagospodarowaniu podłogi.

Rodzaj i grubość podbudowy, klasa, grubość i sposób zbrojenia płyty betonowej oraz rozstaw szczelin dylatacyjnych powinny być przyjmowane w zależności od przeprowadzonych obliczeń statyczno-wytrzymałościowych.

W zależności od typu płyty nośnej nawierzchni (betonowa, fibrobetonowa, żelbetowa, sprężona) wymiarowanie należy przeprowadzać w stanie sprężysto-liniowym (niezarysowanym) lub plastycznym (po zarysowaniu).

Konieczne jest sprawdzenie konstrukcji w stanie granicznym nośności i stanie granicznym użytkowania. Sprawdzenie stanów granicznych nośności polega na wykazaniu, że wartości sił wewnętrznych wywołanych działaniem obciążeń obliczeniowych są nie większe od nośności konstrukcji lub podłoża wyznaczonej dla obliczeniowych wytrzymałości lub innych obliczeniowych cech mechanicznych materiałów i obliczeniowych parametrów geofizycznych podłoża gruntowego.

Sprawdzenie stanów granicznych użytkowania polega na wykazaniu, że wartości odkształceń konstrukcji, szerokości rozwarcia rys itp., wywołanych działaniem obciążeń charakterystycznych przy założeniu charakterystycznych wartości cech mechanicznych materiałów i charakterystycznych wartości parametrów geofizycznych, są nie większe od wartości uznanych za graniczne. Wartości graniczne odkształceń, a przede wszystkim szerokości rozwarcia rys, powinny być uzależnione od skutków gospodarczych i ujemnych reakcji użytkowników.

mgr inż. Piotr Hajduk

Biuro Konstrukcyjno-Budowlane HAJDUK

¹ Literatura zostanie podana w cz. II artykułu