Pielęgnacja betonu – niedoceniany problem

Materiał budowlany z udziałem cementu wykonany z najwyższej jakości składników staje się bezwartościowy, jeśli się nie zadba o jego prawidłową pielęgnację. Szczególnie dotyczy to betonu. Mimo że problem pielęgnacji jest szeroko opisany w dostępnej literaturze specjalistycznej [1-3], ciągle jest to jeden z podstawowych problemów na placu budowy.

Pielęgnacja betonu – co należy przez to rozumieć?

Jest to szereg czynności, których celem jest wspomaganie procesu twardnienia cementu w betonie, aby uzyskać zamierzone właściwości stwardniałego betonu, tj. odporności na oddziaływanie środowiska w cyklu życia (klasy ekspozycji wg PN-EN 206:2014 Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność). Zazwyczaj dotyczy to poziomu właściwości mechanicznych, mrozoodporności i odporności na agresję chemiczną. Właściwa pielęgnacja polega na kontrolowaniu temperatury i migracji wilgoci zarówno z betonu, jak i do niego. Pielęgnację betonu przeprowadza się w celu: eliminacji skurczu plastycznego, zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości powierzchniowej betonu, zabezpieczenia przed szkodliwym działaniem czynników atmosferycznych i zamarzaniem, zabezpieczenia przed drganiami, uderzeniami lub uszkodzeniami. Odpowiednia pielęgnacja betonu polega na:

– zapewnieniu optymalnych warunków termiczno-wilgotnościowych w dojrzewającym betonie (zapewnienie odpowiedniej wilgotności do przebiegu procesów hydratacji cementu lub cementu i dodatku typu II i zakresu temperatur dla właściwego dojrzewania betonu);

– ochronie zabudowanego betonu przed szkodliwym wpływem promieniowania słonecznego, wiatru oraz opadów atmosferycznych;

– przeciwdziałaniu skurczowi spowodowanemu utratą wilgoci z betonu, w tym osiadaniu plastycznemu;

– ograniczeniu naprężeń termicznych wywołanych różnicą temperatur między powierzchnią a wnętrzem dojrzewającego elementu (konstrukcji) betonowego (naprężenia mogą skutkować zarysowaniami i spękaniami – niższa trwałość).

Sposób pielęgnacji powinien być szczegółowy określony i opisany w specyfikacji wykonawczej.

Tab. 1 Klasy pielęgnacji betonu

*Pod warunkiem że wiązanie nie trwa dłużej niż 5 godzin, a temperatura powierzchni betonu jest równa 5°C lub wyższa.

Kiedy rozpoczynamy pielęgnację betonu?

Pielęgnację betonu rozpoczynamy natychmiast po zabudowie mieszanki betonowej w konstrukcji (elemencie) budowlanej. Należy pamiętać, że temperatura powierzchni betonu nie może być niższa niż 0°C do momentu, gdy strefa powierzchniowa osiągnie wytrzymałość minimum 5 MPa, natomiast temperatura wnętrza betonu nie powinna być wyższa niż 70°C.

Rys. 1 Wytrzymałość na ściskanie zapraw normowych w różnych temperaturach [5]

Jak długo pielęgnujemy beton?

Czas trwania pielęgnacji powinien być jak najdłuższy. Zależy on od rodzaju zastosowanego cementu, a także wielkości i kształtu elementu budowlanego. Warunki pielęgnacji młodego betonu są szczegółowo określone w PN-EN13670:2011 [4]. Długość okresu pielęgnacji zależy od temperatury, która ma wpływ na kształtowanie się właściwości betonu w strefie powierzchniowej. Rozwój właściwości betonu określony jest klasami pielęgnacji, definiowanymi za pomocą czasu pielęgnacji, lub procentem wymaganej wytrzymałości charakterystycznej na ściskanie po 28 dniach (tab. 1) [4]. Rozwój wytrzymałości betonu jest mierzony stosunkiem średniej wytrzymałości na ściskanie po dwóch dniach do średniej wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach, wyznaczonych w badaniach wstępnych lub na podstawie znanych właściwości betonu o porównywalnym składzie. W tab. 2 podano stosunek wytrzymałości na ściskanie dla wybranych cementów (badania wykonano na zaprawach normowych) [5]. Można postawić tezę, że rodzaj cementu ma także znaczenie dla okresu pielęgnacji betonu. W przypadku cementów o szybkim rozwoju wytrzymałości będzie on najkrótszy. Także podwyższona temperatura pozwala uzyskać pożądany poziom wytrzymałości betonu w krótszym czasie, dotyczy to wszystkich rodzajów cementu (rys. 1).

Planowana do zastosowania klasa pielęgnacji powinna być określona w specyfikacji wykonawczej. W tab. 3-5 podano zalecenia dotyczące czasu pielęgnacji podane w załączniku F do normy PN-EN 13670 [4], uwzględniają one m.in. temperaturę powierzchni betonu i rozwój wytrzymałości betonu. Zaleca się, aby w temperaturze poniżej 5°C czas pielęgnacji podany w tab. 3-5 był wydłużony o czas, w którym temperatura jest poniżej 5°C.

Tab. 2 Stosunek wytrzymałości na ściskanie R2/28 dla wybranych cementów

Pielęgnacja betonu w podwyższonych (lato) i obniżonych temperaturach zewnętrznych (zima)

W warunkach klimatycznych Polski istotna jest zwłaszcza pielęgnacja w okresie letnim (podwyższonych temperatur zewnętrznych) i okresie zimowym (obniżonych) temperatur zewnętrznych.

Betonowanie w okresie letnim stwarza wiele problemów związanych z wysoką temperaturą betonu oraz z szybszym odparowywaniem wody z zabudowanej mieszanki betonowej. Podwyższona temperatura przyspiesza proces hydratacji cementu, czego efektem jest krótszy czas wiązania betonu i szybkość narastania wytrzymałości (rys. 1). Podwyższona temperatura w okresie początkowej fazie dojrzewania może skutkować niższą wytrzymałością normową. Szybsze odparowywanie wody może stanowić utrudnienie w zachowaniu odpowiedniej konsystencji w określonym czasie (rys. 2).

Szybkie parowanie wody z mieszanki betonowej może być powodem spękań i pęknięć także od skurczu plastycznego. Krytyczna szybkość parowania to 1,0 kg/wody z metra kwadratowego powierzchni w ciągu godziny [1]. Sytuację pogarsza także wiatr o szybkości powyżej 4,5 m/s.

Tab. 3 Minimalny okres pielęgnacji dla klasy pielęgnacji 2

Tab. 4 Minimalny okres pielęgnacji dla klasy pielęgnacji 3

Rysy mogą też powstać w wyniku zjawiska osiadania i pękania plastycznego betonu. Zjawisko to występuje, w okresie gdy beton posiada jeszcze właściwości plastyczne, a proces wiązania nie został rozpoczęty. Przyczyną tworzących się pęknięć jest powstrzymywanie swobodnego osiadania zabudowanej mieszanki betonowej przez znajdujące się w niewielkiej odległości od powierzchni ziarna kruszywa grubego lub pręty zbrojeniowe [3]. Zjawisku temu można zapobiec m.in. przez stosowanie osłon zmniejszających odparowanie wody z zabudowanej mieszanki betonowej [3]. Czynnościami pozwalającymi uniknąć negatywnych zjawisk podczas betonowania w okresie podwyższonych temperatur zewnętrznych są: modyfikacja składu mieszanki betonowej (niższa zawartość cementu, stosowanie cementów o niższym cieple hydratacji CEM II-CEMV i o niższych klasach wytrzymałościowych), optymalizacja ilości cementu przez stosowanie dodatku typu II), chłodzenie składników mieszanki betonowej (najczęściej kruszywa lub wody zarobowej), ochrona dojrzewającego betonu przed nasłonecznieniem, działaniem wysokich temperatur, silnego wiatru, promieniowania słonecznego, właściwa pielęgnacja wilgotnościowa betonu. Najczęściej stosowanymi metodami pielęgnacji w okresie wysokich temperatur zewnętrznych są: nawilżanie powierzchni betonu przez polewanie (zraszanie) wodą, zalewanie całej powierzchni betonu wodą, nakrywanie powierzchni betonu wilgotnymi matami (np. jutowymi), stosowanie preparatów do pielęgnacji ograniczających odparowanie wody (środki natryskowe), osłanianie lub okrywanie betonu folią (np. folia PE, namioty).

Tab. 5 Minimalny okres pielęgnacji dla klasy pielęgnacji 4 (w odniesieniu do powierzchniowej wytrzymałości betonu równej 70% określonej wytrzymałości charakterystycznej)

Prowadzenie robót budowlanych z betonem w okresie obniżonych temperatur polega na stworzeniu takich warunków, w których będzie przebiegał proces hydratacji cementu i narastanie wytrzymałości betonu. Głównymi zagrożeniami dla mieszanki betonowej (betonu) w okresie obniżonych temperatur są [3]:

– Spowolnienie procesów wiązania i twardnienia betonu – niska temperatura spowalnia zachodzenie procesu hydratacji cementu, wydłużeniu ulega czas wiązania, przez co opóźnia się uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości (rys. 1) betonu w konstrukcji (elemencie). Jak pokazują liczne doświadczenia praktyczne, spadek temperatury mieszanki betonowej o 10°C wydłuża dwukrotnie czas wiązania cementu. W najbardziej negatywnym scenariuszu (temperatura krytyczna) znaczące lub całkowite zamarznięcie wody może zatrzymać proces hydratacji cementu i narastanie wytrzymałości zabudowanego betonu.

– Uszkodzenie powstałej mikrostruktury betonu przez zamarzającą wodę – zwiększająca swoją objętość zamarzająca woda rozrywa słabe wiązania powstające w początkowym okresie procesu hydratacji, powodując zniszczenie struktury młodego betonu, przez co stwardniały beton charakteryzuje się obniżoną trwałością (zwiększoną nasiąkliwością, obniżoną szczelnością), a tym samym niższą mrozoodpornością (trwałością).

Rys. 2 Wpływ temperatury mieszanki betonowej na konsystencję [2]

Według normy PN-EN 13670:2011 [4] temperatura powierzchni betonu nie powinna spadać poniżej 0°C, dopóki wytrzymałość na ściskanie w jego warstwie przypowierzchniowej nie osiągnie wartości co najmniej 5 MPa. Proces zamarzania mieszanki betonowej rozpoczyna się w temperaturze od -1°C do -3°C. Jest to tzw. temperatura krytyczna, przy której w betonie zamarza blisko 50% wody wolnej. Po rozmrożeniu świeżo zabudowanego betonu i podwyższeniu temperatur twardnienie jest kontynuowane, przebiega jednak wolno i beton osiąga znacznie mniejszą wytrzymałość [7]. W celu prowadzenia prac w obniżonych temperaturach zewnętrznych stosowane są wymienione niżej zabiegi technologiczne:

– Modyfikacja składu mieszanki betonowej przez – zmianę rodzaju cementu, np. jeśli stosowano cement hutniczy CEM III/A, należy zamienić go na cement portlandzki wieloskładnikowy CEM II lub cement portlandzki CEM I; zmianę klasy wytrzymałościowej cementu – jeśli stosowano cement klasy wytrzymałościowej 32,5 R(N), należy zmienić na klasę wytrzymałościową 42,5 R(N) lub 52,5R(N), np. cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 32,5R na cement portlandzki żużlowy CEM II/B-S 42,5N(R) lub klasy wytrzymałościowej 52,5N (tab. 6) [6]; stosowanie w okresie niskich temperatur większej ilości cementu o 5-15% w składzie mieszanki betonowej w stosunku do ilości przeznaczonej do użycia w normalnych warunkach temperaturowych (działanie takie musi być akceptowane przez specyfikującego i nadzór budowy), obniżenie stosunku w/c w mieszance betonowej (tab. 6), stosowanie domieszek przyspieszających proces wiązania i twardnienia cementu, napowietrzanie mieszanki betonowej.

Tab. 6 Wpływ klasy wytrzymałościowej cementu i stosunku w/c na osiągnięcie wytrzymałości dającej odporność na proces zamarzania wody w betonie (5 MPa) [6]

– Podgrzewanie składników mieszanki betonowej lub samej mieszanki betonowej, najczęściej podgrzewana jest woda lub kruszywo (należy pamiętać, aby temperatura zabudowywanej mieszanki betonowej nie przekraczała 30°C).

– Ochrona dojrzewającego betonu przed działaniem ujemnych temperatur, tym celu stosuje się następujące metody:

– metodę zachowania ciepła – wykorzystuje ciepło zakumulowane w kruszywie i wodzie oraz ciepło wydzielone podczas reakcji egzotermicznych z hydratacji cementu w betonie, dodatkowo należy stosować osłony i izolacje w celu wyeliminowania straty ciepła;

– metodę podgrzewania betonu – podgrzewanie ciepłym powietrzem, parą niskoprężną lub za pomocą instalacji elektrycznej; metodę stosuje się w celu przyspieszenia procesów wiązania i twardnienia betonu;

– metodę cieplaków – stosowanie osłon, które całkowicie izolują beton, ograniczając straty ciepła, a także chronią przed czynnikami zewnętrznymi, pozwalają na stworzenie dowolnych warunków dojrzewania betonu; metoda ta jest najskuteczniejsza, jednak bywa również bardzo droga.

W każdej z tych metod należy zwracać szczególną uwagę na kontrolę stanu wilgotności betonu i różnicę temperatur między wnętrzem a zewnętrzną powierzchnią (naprężenia termiczne).

W tab. 7 podano wymagania temperaturowe dla zabudowywanej mieszanki betonowej w okresie obniżonych temperatur z uwzględnieniem rodzaju i ilości cementu [8]; natomiast w tab. 8 – wymagania dla temperatury mieszanki betonowej w zależności od temperatury powietrza i wielkości wznoszonego elementu konstrukcyjnego [2].

Betony na kruszywach lekkich mogą być, ze względu na niższe ciepło przenikania, chłodniejsze przy układaniu.

Tab. 7 Wymagania dotyczące temperatury zabudowywanej mieszanki betonowej [8]

Tab. 8 Wymagania temperaturowe dla mieszanki betonowej w zależności od temperatury powietrza i wielkości elementu budowlanego [2]

Podsumowanie

Pielęgnacja betonu jest jednym z etapów robót monolitycznych. Jest tak samo ważna jak właściwe zaprojektowanie mieszanki betonowej, wytworzenie, transport i zabudowa na placu budowy.

Szczególną uwagę do pielęgnacji należy przykładać przy prowadzeniu robót budowlanych w okresie obniżonych (zima) i podwyższonych temperatur zewnętrznych (lato). Wyjątkowej troski wymaga zapewnienie świeżo zabudowanej mieszance betonowej warunków (temperatury zimą, wilgoci latem) do wiązania i twardnienia. Jest wiele sposobów i środków prowadzących do tego celu. Jedno jest pewne betonowanie w warunkach zimowych i letnich jest pracochłonne, skomplikowane technologicznie i kosztowne.

prof. Zbigniew Giergiczny

Politechnika Śląska, Górażdże Cement S.A.

Literatura

1. A.M. Neville, Właściwości betonu, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2012.

2. Design and Control of Concrete Mixtures. Portland Cement Association, 2002.

3. Vademecum technologa betonu, Górażdże Cement S.A, 2015.

4. PN-EN 13670:2011 Wykonywanie konstrukcji z betonu.

5. Poradnik „Cement, Kruszywa, Beton”, Górażdże Cement S.A., Chorula 2015.

6. Beton Technische Daten 2014.

7. D. Bebłacz, J. Kamiński, Betonowanie w warunkach obniżonych temperatur, „Builder”.

8. DIN 1046-3:2001 Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton – Bauausfuhrung.

9. „Instrukcja pielęgnacji świeżego betonu”, Pater Sp. z o.o., Brzeźnica.