Zaniedbania podczas prowadzenia robót betonowych w zimie mogą doprowadzić nawet do katastrofy budowlanej.
Zagrożenia zimowe dla betonu
Problem prowadzenia robót betonowych w warunkach obniżonych temperatur cyklicznie powraca wraz z nadejściem pierwszych jesiennych chłodów, a wraz z pierwszymi mrozami staje się tzw. problemem palącym. Mało jest inwestorów i wykonawców, którzy byliby do tej sytuacji dostatecznie wcześnie i dostatecznie dobrze przygotowani. Rozpoczyna się wtedy działania z pogranicza paniki – co zrobić, jak zrobić – aby zapewnić sobie przede wszystkim święty spokój, wybierając rozwiązania niekoniecznie najlepsze w danych uwarunkowaniach budowy – ani pod względem technicznym, ani pod względem ekonomicznym. Zaniedbania natomiast mogą doprowadzić nawet do katastrofy budowlanej.
Źródłem zagrożenia jest możliwość zamarznięcia świeżo wbudowanego betonu, a w ślad za tym jego uszkodzenie, powodowane prostym zjawiskiem fizycznym związanym ze zwiększeniem się (o 9,2%) objętości wody (cieczy) w trakcie przemiany fazowej w lód (ciało stałe). Jeśli w trakcie zamarzania woda ma swobodę odkształcania, to po prostu zamarznie, odkształci się, nie czyniąc żadnych szkód. Jeśli natomiast jest uwięźnięta w zamkniętym naczyniu (przestrzeni), a takim właśnie są pory w betonie, rozsadza je, gdy tylko naprężenia wywołane pęcznieniem przekroczą wytrzymałość otaczającej materii na rozciąganie.
W świeżym betonie występuje kumulacja zjawisk negatywnych. Po pierwsze, struktura przesycona jest wodą, bo jeszcze nie zdążyła wejść w reakcję z cementem i jeszcze nie zdążyła odparować. Nie zdążyła odparować, bo przy niskich temperaturach tempo parowania jest mniejsze, a poza tym kłóci się to z zasadą koniecznej pielęgnacji betonu wykluczającej wysychanie jego powierzchni. Po drugie, wytrzymałość betonu na rozciąganie (która jest co najmniej kilkukrotnie mniejsza od wytrzymałości na ściskanie) w początkowej fazie jest znikoma, prawie niezauważalna. Wobec tego ze względu na stan betonu istotne jest, kiedy zamarznie on po raz pierwszy.
Powszechnie uważa się za najgorszy do zamarznięcia okres dojrzewania betonu od chwili określanej jako początek wiązania, do momentu, kiedy osiągnie on wytrzymałość krytyczną. Jest to dlatego najgorszy czas, gdyż zrywane są te pierwsze, najważniejsze więzy krystaliczne świeżo budującej się struktury hydratyzującego cementu. Zniszczenie ich powoduje nieodwracalne negatywne skutki dla wytrzymałości betonu na ściskanie. Wymaga się zatem, aby beton w momencie pierwszego zamarznięcia wykazywał wytrzymałość co najmniej 5 MPa. Jest to wartość najczęściej podawana w literaturze i jest także wymagana w normie PN-EN 13670 [1], w której zapisano: temperatura powierzchni betonu nie powinna spadać poniżej 0ºC, dopóki wytrzymałość na ściskanie w jego warstwie powierzchniowej nie osiągnie wartości co najmniej 5 MPa.
Często uważa się, że nie jest szkodliwe zamarznięcie betonu przed rozpoczęciem procesu wiązania. Istotnie, nie następuje wtedy destrukcja struktury, bo nie zaczęła się ona jeszcze budować – woda po zamarznięciu powiększa swoją objętość i rozpulchnia strukturę mieszanki betonowej. Stając się ciałem stałym, praktycznie wyhamowuje procesy hydratacji. Po rozmrożeniu reakcje przyspieszają i przebiegają dalej normalnie. Nie można jednak wymagać, aby zamrożenie w ogóle nie zaszkodziło betonowi. Rozpulchnienie mieszanki w znacznej swej części jest nieodwracalne, musi więc skutkować zmniejszeniem wytrzymałości na ściskanie. Znaczącemu pogorszeniu ulegają natomiast parametry betonu, ważne ze względu na jego trwałość, tj. nasiąkliwość, wodoszczelność czy mrozoodporność.
Istotne jest także, że wszystkie powyższe uwagi dotyczą zjawiska pojedynczego zamarznięcia dojrzewającego betonu. Nie można tych zagadnień mylić (a ma to często miejsce) z mrozoodpornością betonu, czyli odpornością na cykliczne zamrażanie i odmrażanie.
Betonowanie zimą
fot. autora
Czy można betonować w ujemnych temperaturach?
Odpowiadając w skrócie, trzeba stwierdzić, że przede wszystkim bez względu na zewnętrzne temperatury atmosferyczne należy pozwolić betonowi dojrzewać, tzn. należy mu stworzyć takie warunki, aby po prawidłowym procesie wbudowania betonu w konstrukcję mogły się realizować procesy hydratacji.
Pierwszy do rozwiązania problem to zapewnienie w danych warunkach temperatur zewnętrznych możliwości wyprodukowania odpowiedniej ilości betonu o określonej temperaturze – norma PN–EN 206-1 [2] wymaga zapewnienia minimalnej temperatury wbudowywanego betonu na poziomie +5ºC. Instalacja do podgrzewania kruszyw czy wody musi być odpowiednio wydajna i musi zapewniać ciągłość procesu podgrzewania. Większy spadek temperatury zewnętrznej to wzrost gradientu temperatury betonu w stosunku do otoczenia, to z kolei oznacza znaczący wzrost strat ciepła na każdym etapie procesu produkcyjnego. Istotne zatem jest, czy materiały składowe podgrzewane są w większych porcjach (np. zasiekach dla kruszywa) czy raczej w sposób ciągły (w zasobnikach operacyjnych), a także czy nie przegrzewane są pewne porcje (zwłaszcza początkowe).
Następny problem to transport wytworzonej mieszanki przy zapewnieniu minimalnej temperatury wbudowywanego betonu +5ºC. Im większy gradient pomiędzy temperaturą transportowanego betonu a temperaturą otoczenia, tym większe straty ciepła. Zwrócić należy uwagę, czy betonomieszarki samochodowe zapewnią zminimalizowanie tych strat, czy droga transportu (czas transportu) nie jest zbyt długa, czy zapewniona jest ciągłość dostaw zapewniająca ciągłość pracy pompy do betonu. Wszystkie części pompy (betonomieszarek także) to małogabarytowe przekroje metalowe, narażone na duże straty ciepła i zamarzanie betonu wewnątrz, ale również na „obrastanie” zamarzniętym betonem na zewnątrz. Powinno być zapewnione miejsce do rozmrażania sprzętu transportowego, tak by jak najszybciej przywrócić go do pracy w przypadkach awaryjnego zamarznięcia mieszanki betonowej (np. niespodziewane przerwy technologiczne).
Następnym etapem jest wbudowywanie – front robót i deskowanie muszą być wystarczająco przygotowane i zabezpieczone, aby mieszanka betonowa nie przymar-zała do metalowych części. Grunt, podbudowa, chudy beton, na którym oparte jest deskowanie, nie mogą być zamarznięte. Musi być zapewnione systematyczne, bieżące czyszczenie zbrojenia, przez które przelatuje mieszanka betonowa i może do niego przymarzać.
Ostatni etap – dojrzewanie betonu, dla którego należy zaprogramować, przygotować i prawidłowo przeprowadzić pielęgnację betonu, tak aby nie dopuścić do zamarznięcia powierzchni betonu przed osiągnięciem wymaganej wytrzymałości zapewniającej odporność na zamrożenie. Sprzyjać temu będzie dobór odpowiedniej do warunków betonowania receptury betonu (rodzaj i ilość cementu, wskaźnik w/c, domieszki do betonu, w tym domieszki tzw. przeciwmrozowe). Sama pielęgnacja natomiast to odpowiednie materiały do osłonięcia betonu (deskowania) – folie, włókniny, materiały izolacyjne – lub sprzęt do podgrzewania (nagrzewnice, dmuchawy, instalacje podgrzewające, np. elektryczne).
Większość wytycznych wykonywania robót budowlanych w okresie zimowym sugeruje, aby dla tak specyficznych warunków prowadzenia robót przygotowany był wcześniej projekt ich prowadzenia, uwzględniający stopień zagrożenia. Można je podzielić na warunki:
? od +5oC do –3oC,
? od –3oC do –10oC,
? od –10oC do –15oC.
Zaleca się przy tym, aby betonowania konstrukcji w temperaturach poniżej –15oC na wolnym powietrzu nie wykonywać w ogóle. Widać więc, że inwestowanie w naszym klimacie w roboty w tak ciężkich warunkach jest nieopłacalne.
Zważając na przedstawiony obszerny zakres zagadnień koniecznych do zrealizowania, jako jeden z wielu elementów ochronnych pojawia się użycie domieszek do betonu. Tymczasem stosowanie domieszek przeciwmrozowych uważane jest często za jedyny i wystarczający zabieg chroniący beton dojrzewający w warunkach obniżonych temperatur bądź zimowych. Jest to niestety przekonanie błędne.
Ochrona betonu
fot. autora
Czym są domieszki przeciwmrozowe?
Stosowanie określenia „przeciw-mrozowe” w nazwie domieszek nie ma obecnie formalnego uzasadnienia, gdyż w aktualnej systematyce wprowadzonej normą PN-EN 934-2 [3] takie domieszki nie są zdefiniowane. Nazewnictwo to spotyka się jednak często w piśmiennictwie technicznym, a także w poprzedniej wersji Polskiej Normy [4]. Domieszki przeciwmrozowe zdefiniowane są tam jako:
(…) produkty umożliwiające przebieg reakcji cementu z wodą w ujemnych temperaturach, i są to substancje powodujące:
– przyspieszenie wydzielania się ciepła hydratacji cementu i podwyższenie temperatury betonu,
– obniżenie temperatury zamarzania wody w świeżym betonie,
– zmniejszenie ilości wody zarobowej przy zachowaniu przyjętej konsystencji,
– wytwarzanie w świeżej mieszance dużej liczby mikroskopijnych pęcherzyków powietrza;
domieszki te to związki nieorganiczne i organiczne wywierające działania fizyczne i chemiczne w procesach hydratacji.
Domieszkami przeciwmrozowymi mogą więc być domieszki sklasyfikowane według normy [3] jako przyspieszające wiązanie, przyspieszające twardnienie, redukujące lub silnie redukujące wodę zarobową oraz napowietrzające.
Z określeniem „domieszka przeciw-mrozowa” spotykamy się także często w kartach katalogowych lub technicznych wielu producentów domieszek. Jeśli nie użyto takiej nazwy, to często w opisie technicznym produktu pojawia się zdanie: „domieszka umożliwia betonowanie w temperaturze do –10ºC” lub „domieszka umożliwiająca betonowanie w niskich temperaturach” lub „domieszka przyspieszająca” itp.
Domieszki przyspieszające wiązanie czy twardnienie to przeważnie związki chemiczne (sole) bezchlorkowe (zwłaszcza dla żelbetu). Mają własności przyspieszające te reakcje, a przy tym zasadniczym ich oddziaływaniem jest obniżenie temperatury zamarzania wody zarobowej w betonie. Woda zarobowa w przeciętnym betonie zamarza przy temperaturze poniżej 0ºC, co jest skutkiem stężenia roztworu soli będących składnikami cementu. Dodatkowe wprowadzenie domieszki do betonu, która także jest roztworem soli, powoduje zwiększenie stężenia i dalsze obniżenie temperatury zamarzania.
Ochronne działanie domieszek napowietrzających polega na tym samym mechanizmie, który zapewnia mrozoodporność betonu. Są to zresztą te same domieszki. Duża ilość mikroskopijnie małych banieczek powietrza staje się przestrzenią dla powiększającej się w trakcie zamarzania objętości wody zarobowej.
W przypadku domieszek uplastyczniających lub upłynniających następuje zmniejszenie ilości wody w mieszance betonowej. Efekt w sensie ochrony jest dwojaki. Po pierwsze, wpływa na zwiększenie „zapasu” wytrzymałości, która może być „stracona” wskutek dojrzewania w niskich temperaturach. Po drugie, duże znaczenie ma zmiana właściwości fizycznych cieczy zarobowej – jest jej mniej, więc stężenie jest większe, a to obniża temperaturę jej zamarzania (podobnie jak dla domieszek solnych przyspieszających procesy wiązania lub twardnienia). Dodatkowo maleje ilość wody, która może zamar-znąć, zwiększając swoją objętość.
Wpływ domieszek na obniżenie temperatury zamarzania świeżego betonu
Literatura fachowa podaje, że woda zarobowa w przeciętnym betonie zamarza przy temperaturze od –1ºC do –3ºC, jako efekt stężenia roztworu soli będących składnikami cementu. Wprowadzając do betonu domieszki, stężenie roztworu wody zarobowej wzrasta. Jest to skutek dodatkowego wprowadzenia stężonego roztworu soli (w przypadku domieszek przyspieszających) lub zmniejszenia ilości wody (przy zastosowaniu plastyfikatorów czy superplastyfikatorów). Według poradników ma to obniżyć temperaturę zamar-zania wody zarobowej o kolejne 1–3°, dając przy niektórych domieszkach wartości nawet –10°C. Informacje takie dają nadzieję wykonawcom robót czy producentom betonu, że zastosowanie domieszek może w pełni zabezpieczyć beton przed zamarznięciem w okresie ujemnych temperatur. Tymczasem dane są zbyt optymistyczne i mogą doprowadzić do zasadniczych błędów wykonawczych. Różnice te w rzeczywistości są niewielkie i sięgają najwyżej kilku dziesiątych stopnia, a tym samym nie dają możliwości znacznego obniżenia temperatury zamarzania mieszanki betonowej w wyniku dodania domieszki – osiąga się temperaturę zamarzania na poziomie od –0,5 do –0,7ºC.
Podsumowanie
Zaprezentowana problematyka wyraźnie wskazuje, że jedynym środkiem ochronnym betonu wbudowywanego w warunkach ujemnych temperatur jest zapewnienie, by nie zamarzł, zanim uzyska wytrzymałość na ściskanie co najmniej 5 MPa. Jego temperatura w tym okresie nie może się obniżyć poniżej 0°C (wymóg normowy!). Rola domieszek w osiągnięciu tak określonego celu może być jedynie wspomagająca prawidłowo prowadzoną pielęgnację i ochronę – nieznacznie obniżając temperaturę zamarznięcia betonu lub przyspieszając tempo narastania wytrzymałości w porównaniu do betonu niemodyfikowanego (przyspieszenie hydratacji lub obniżenie wskaźnika w/c) [5, 6]. Najważniejsze jest zapewnienie odpowiedniej temperatury dostarczonej do wbudowania mieszanki betonowej, a później tak długie utrzymanie jej powyżej 0°C, aż beton osiągnie wymaganą wytrzymałość [1, 7]. Odpowiadając na pytanie postawione w tytule – samo zastosowanie domieszek nie rozwiąże problemów betonowania zimowego.
dr inż. Grzegorz Bajorek
Politechnika Rzeszowska
Centrum Technologiczne Budownictwa przy Politechnice Rzeszowskiej
Piśmiennictwo
1. PN-EN 13670 Wykonywanie konstrukcji z betonu.
2. PN-EN 206-1 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
3. PN-EN 934-2 Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu. Część 2: Domieszki do betonu. Definicje, wymagania, zgodność, oznakowanie i etykietowanie.
4. PN-85/B-23010 Domieszki do betonu. Klasyfikacja i określenia.
5. G. Bajorek, J. Bobrowicz, Problemy prowadzenia robót betonowych w warunkach zimowych, Konferencja Dni Betonu, Wisła 2006.
6. G. Bajorek, Wspomaganie robót betonowych w okresie zimowym domieszkami do betonu, Konferencja Dni Betonu – Tradycja i nowoczesność, Wisła 2008.
7. Instrukcja ITB nr 282/2011 Wykonywanie robót budowlanych w okresie obniżonych temperatur, Warszawa 2011.
