Wymagania dotyczące betonów fundamentowych w nowej normie PN-EN 206

Mieszanka betonowa powinna być dostosowana do technologii betonowania. W tzw. specjalnych robotach geotechnicznych, zwłaszcza w palach lub ścianach szczelinowych, układana jest w trudnych warunkach – pod zawiesiną bentonitową – i nie podlega zagęszczaniu wibratorami.

Betony i zaczyny fundamentowe powinny spełniać specyficzne wymagania, wynikające zarówno ze stosowanych technologii, jak i warunków użytkowania wykonanych konstrukcji. Różnią się one istotnie od wymagań wobec mieszanek, układanych w deskowaniach, przeznaczonych do formowania innych konstrukcji, szczególnie mostowych. Problemy te są dobrze znane wykonawcom fundamentów, natomiast często są niedoceniane przez nadzór robót, zwłaszcza że od lat pokutują błędne wymagania w przepisach budowlanych.

Doświadczenia dotyczące betonów w robotach fundamentowych znane są od wielu lat. Powszechną wiedzą podręcznikową są zasady betonowania podwodnego. Uwzględniały to norma PN-B-02483:1978 [8] i warunki techniczne [6]. Zasady te skodyfikowano w normach PN-EN [9, 10].

Nowa wersja normy PN-EN 206:2013 Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność [1, 2] jest oparta na doświadczeniach stosowania normy EN 206-1:2000 oraz nowych przepisach UE, np. dotyczących „zrównoważonego wykorzystania zasobów naturalnych”. Norma zawiera nowy załącznik D (normatywny) „Wymagania dodatkowe dotyczące specyfikacji i zgodności betonu do specjalnych robót geotechnicznych” regulujący właściwości betonów stosowanych w palach wierconych wykonywanych wg EN 1536, ścianach szczelinowych wg EN 1538, palach przemieszczeniowych formowanych w gruncie wg EN 12699 i mikropalach wg EN 14199.

Fot. 1 Badanie średnicy rozpływu mieszanki betonowej (fot. P. Kamiński)

Wymagania technologiczne stawiane betonom fundamentowym 

Mieszanka do betonowania w wodzie lub zawiesinie powinna mieć konsystencję ciekłą. Powinna być też odporna na segregację, spoista, o dobrej płynności i mieć zdolność samozagęszczania. Szczegółowe wymagania dotyczące betonu podane były w normach PN-EN 1536:2002 i PN-EN 1538:2002, znowelizowanych w 2010 r. [9, 10]. Załącznik D do normy PN-EN 206:2013 [2] stanowi, że beton do ścian i pali ogólnie powinien być zgodny z EN 206, jednak w przypadku rozbieżności postanowień stosuje się wymagania z załącznika D. Podkreś­lono, że w konstrukcjach geotechnicznych mogą być one odmienne niż w innych robotach.

Przy betonowaniu podwodnym metodą kontraktor najwcześniej wlane porcje mieszanki, ulegające zanieczyszczeniu zawiesiną, są wypychane przez następne porcje w górę aż na sam wierzch formowanego elementu. Dlatego mieszanka powinna zachować wystarczającą urabialność przez cały czas układania. Jest to istotne, gdyż przy dużych wymiarach i głębokości sekcji ścian, a także trudnościach w dostawie betonu proces betonowania może trwać nawet kilka godzin. Tylko mieszanka o odpowiednich właściwościach, układana przez rurę wlewową – a więc bez wibrowania – może wypełnić otwór lub szczelinę, zapewnić otulenie zbrojenia oraz wypchnąć zawiesinę bentonitową, szczególnie ze strefy styków sekcji i miejsc koncentracji zbrojenia.

Powinny być stosowane kruszywa naturalne, nie należy używać kruszywa łamanego,które stawia większy opór przepływowi mieszanki, klinuje się na zbrojeniu i pogarsza wypełnianie szczeliny. Kruszywo powinno zawierać odpowiednio dużo frakcji piaskowej i pyłowej. Skład mieszanki betonowej należy dobrać w sposób uniemożliwiający jej segregację podczas układania pomimo wysokiej ciekłości, zapewniający swobodny przepływ wokół zbrojenia, a po stwardnieniu uzyskanie materiału zagęszczonego i wodoszczelnego. Źle dobrana mieszanka może spowodować drastyczne pogorszenie jakości konstrukcji, np. pustki i „raki” w palach, lub niedostateczne wypełnienie szczeliny i brak otulenia zbrojenia, szczególnie narażone są strefy ścian w pobliżu elementu rozdzielczego.

Nowa norma PN-EN 206 uwzględnia fakt, że w masywnych fundamentach dość często objętości betonowania są duże,liczące nieraz ponad 500 m³. W takich warunkach następuje wydzielanie dużej ilości ciepła, co powoduje silne nagrzanie i spękania świeżego betonu. Zalecono wówczas stosowanie cementów o obniżonym cieple hydratacji lub dodatków je obniżających.

Dopuszczone rodzaje cementów

Cementy powinny spełniać wymagania wynikające z klasy ekspozycji w miejscu wbudowania i mieć potwierdzoną przydatność do zastosowań geotechnicznych. Zgodnie z załącznikiem D należy stosować rodzaje cementów określone według normy EN 197-1 lub tu podane:

– Portlandzkie: CEM I, żużlowy portlandzki CEM II/A-S i II/B-S, krzemionkowy CEM II/A-D, popiołowy CEM II/A-V i II/B-V, łupkowy CEM II/A-T i II/B-T, wapienny CEM II/A-LL oraz wieloskładnikowe CEM II/A-M (S-V) i CEM II/B-M (S-V) oraz CEM II/A-M (S-LL, V-LL) i CEM II/B-M (S-LL, V-LL).

– Hutnicze CEM III/A, III/B i III/C.

– Inne rodzaje cementów można użyć, jeśli je wypróbowano w porównywalnych warunkach wg PN-EN 206.

Norma PN-EN 1538:2010 dodatkowo nie dopuszcza stosowania cementu glinowego. Zalecane jest użycie cementów CEM II i CEM III lub częściowe zastąpienie CEM I przez dodatki typu II (popiołów lotnych, pyłów krzemionkowych lub granulowanego żużla), gdyż poprawiają one urabialność betonu, spowalniają wiązanie i zmniejszają wydzielanie ciepła, zwiększają trwałość betonu oraz redukują wydzielanie wody z mieszanki. Jednak należy się liczyć z tym, że cementy CEM III nie mają unormowanego, stabilnego składu dodatku żużli wielkopiecowych.

Fot. 2 Przykład skutków betonowania ściany szczelinowej zbyt gęstą mieszanką (fot. K. Grzegorzewicz)

Wymagana zawartość cementu

W załączniku D do PN-EN 206:2013 w tabl. D.1 wymagana jest minimalna zawartość cementu w betonie do pali wierconych i przemieszczeniowych układanym na sucho ≥ 325 kg/m³, a układanym podwodnie ≥ 375 kg/m³. Zawartość cząstek drobnych (< 0,125 mm łącznie z dodatkami i cementem) powinna być nie mniejsza od 400 kg/m³ lub 450 kg/m³, w zależności od wielkości kruszywa grubego.

W betonie półsuchym, ubijanym podczas formowania pali przemieszczeniowych, np. Franki, zawartość cementu należy przyjmować nie mniejszą niż 350 kg/m³. W mikropalach zawartość cementu i cząstek drobnych powinna wynosić co najmniej 375 kg/m³.

Norma wykonywania ścian szczelinowych PN-EN 1538:2010E określa minimalną zawartość cementu w zależności od największego wymiaru kruszywa od 350 do 400 kg/mł.

Skład kruszywa

Załącznik D do PN-EN 206:2013 podaje wymagania dotyczące kruszywa: w celu ograniczenia segregacji mieszanki powinno mieć ono uziarnienie ciągłe (bez luk wielkości ziaren), zalecane jest kruszywo otoczakowe. W specyfikacjach największy wymiar ziaren D_upper nie może przekraczać mniejszej z wartości:

– w palach wierconych i ścianach szczelinowych – 32 mm i Ľ rozstawu w świetle prętów podłużnych zbrojenia;

– w palach przemieszczeniowych – 32 mm i 1/3 rozstawu w świetle prętów podłużnych;

– w przypadku betonowania podwodnego – 1/6 średnicy wewnętrznej rury wlewowej lub przewodu pompy.

Dla ścian szczelinowych norma PN-EN 1538:2010E podaje dodatkowe wymagania: w przypadku największych ziaren 32 mm zawartość piasku (d ≤ 4 mm) większa od 40% ciężaru kruszywa oraz zawartość cząstek drobnych w mieszance (< 0,125 mm łącznie z cementem i innymi materiałami) od 400 do 550 kg/m³. Kruszywo nie powinno być zamarznięte ani zawierać lodu ani zmarzliny.

Wskaźnik wodno-cementowy i konsystencja mieszanki betonowej

Załącznik D przewiduje, by wskaźnik wodno-cementowy (w/c) był nie większy niż 0,6 oraz niż wartość wynikająca z klasy ekspozycji elementu. Podobne są wymagania norm [8, 9]. Konsystencję mieszanki należy określać, podając wartość średnicy rozpływu, opadu stożka lub obu tych wielkości. Wymagane wartości zestawiono w tabl. D.3 załącznika.

Odchyłki od wymaganych wartości mogą wynosić ±30 mm. W razie potrzeby wskazane jest podanie również wymaganej konsystencji po określonym czasie.

Dla betonów ciekłych właściwsze jest badanie rozpływu.Badanie stożkiem Abramsa wg PN-EN 12350-2:2011 mieszanek „tłustych” (wymaganych do betonowania rurą wlewową) przy opadzie ponad
180 mm zawyża ich ciekłość. W przypadku konsystencji „ciekłych” i betonów SCC zdecydowanie lepiej rzeczywistą konsystencję mieszanki wskazuje badanie na stoliku rozpływowym (fot. 1) wg PN-EN 12350-5:2011.

Wymagania w tabl. D.3 nie dotyczą betonów półsuchych, ubijanych przy formowaniu pali przemieszczeniowych, np. Franki. Wymagane jest, żeby miały one klasę wytrzymałości co najmniej C25/30.

Norma wykonywania ścian szczelinowych PN-EN 1538:2010 wymaga, aby mieszanka betonowa układana w zawiesinie była odporna na segregację, wysokoplastyczna, spoista, o dobrej płynności, samozagęszczająca. W przypadku długich betonowań sekcji zalecane jest, by mieszanka zachowała opad stożka co najmniej 100 mm po czterech godzinach od jej przygotowania.

Tabl. D. 3 załącznika Wartości konsystencji mieszanek betonowych wymagane w różnych warunkach

Betony w fundamentach konstrukcji mostowych

Złe doświadczenia z betonami epoki gierkowskiej, których jakość wielokrotnie powodowała konieczność gruntownych napraw lub nawet rozbiórki mostów już po kilkunastu latach, doprowadziły do zwiększenia wymagań, aby poprawić ich trwałość i odporność na korozję. Zapobiec temu miało wcześ­niej zarządzenie GDDP z 1990 r. dotyczące betonów mostowych, a później obowiązujące do dziś rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie (w tym tunele, ściany oporowe i inne podziemne części obiektów komunikacyjnych) [12]. Ustalają one klasy betonu, jego nasiąkliwość i mrozoodporność, a także żądają stosowania kruszywa łamanego, cementu „specjalnego” CEM I, niskich klas konsystencji mieszanki itp. Wymagania te są uzasadnione i realne do spełnienia w konstrukcjach betonowanych w deskowaniu i zagęszczanych wibracyjnie (choć niektóre wymagania są krytykowane i powinny być zmienione). Jednak nie są one ani potrzebne, ani możliwe (lub skrajnie trudne) do spełnienie w pewnych elementach fundamentów.

Niedostatki rozporządzenia [12] są powszechnie znane. W 2002 r. na zamówienie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad powołany w IBDiM zespół specjalistów z wielu ośrodków, kierowany przez nieżyjącą już mgr inż. Małgorzatę Faleńską, opracował opisany np. w [3] „wsad” do projektu zmian rozporządzenia, racjonalnie formułujący wymagania dotyczące betonów fundamentowych. Jednak plany legislacyjne uległy zmianie, a przestarzałe już wówczas wymagania rozporządzenia [12] nadal pokutują. Wykonawcy fundamentów mają konflikty z inspektorami nadzoru lub inżynierami budowy, którzy – wbrew rozsądkowi – rygorystycznie upierają się przy wymaganiach rozporządzenia. Instytut wielokrotnie opracowywał opinie wskazujące, że nie należy stosować wymagań rozporządzenia do betonów układanych podwodnie (a zatem – kuriozalnie – by nie przestrzegać prawa!).

W roku 2014 na stronie internetowej www.gddkia.gov.pl w zakładce „serwis GDDKiA” w odnośniku wzorcowe dokumenty kontraktowe (WDK) dla systemów „projektuj i buduj” i „utrzymaj standard” został opublikowany do konsultacji projekt „OSTM – 13.01.00 Beton konstrukcyjny w drogowym obiekcie inżynierskim”, opracowany z udziałem przedstawicieli przemysłu, dostawców materiałów i usług oraz środowiska naukowego, również IBDiM. W projekcie tym m.in. parametr nasiąkliwości został odrzucony jako nieistotny. Jednak dokument ten nie wspomina o betonach do fundamentów specjalnych.

Szczególnie niewłaściwe jest wymaganie, aby w obiektach mostowych i tunelach komunikacyjnych stosować betony mostowe (na kruszywie łamanym) także do ścian szczelinowych, baret i pali. Całkiem nieuzasadnione jest żądanie takiego betonu w częściach podziemnych, nienarażonych na agresywne działanie środowiska drogowego, a wręcz szkodliwe w konstrukcjach formowanych w gruncie metodą betonowania podwodnego (kontraktor). Postanowienia norm [8, 9] oraz załącznika D do normy [2] nie pozostawiają wątpliwości, że wymagania rozporządzenia [12] są przestarzałe i wymagają zmiany.

Beton ścian szczelinowych i pali powinien spełniać wymagania norm dotyczących rodzaju wykonywanej konstrukcji. Jednak niektóre wymagania, np. pochodzące z wycofanej normy betonowej PN-88/B-06250, sprawdzenia nasiąkliwości i mrozoodporności są obecnie uznawane za zbędne. Co więcej, usiłowanie ich przestrzegania skutkuje uzyskaniem mieszanek betonowych nieprzydatnych technologicznie. Ogólnie wystarczające jest wymaganie głębokości penetracji wody do 50 mm lub stopnia wodoszczelności W8.

Beton w ścianach narażonych na działanie mrozu

Doświadczenia ostatnich dziesięciu lat wykazały [5], że beton dający się układać podwodnie nie spełnia normowych wymagań mrozoodporności. Jeśli udaje się to w laboratorium projektującym mieszankę, to w warunkach produkcyjnych jest mało realne. Znane są przykłady ścian szczelinowych fatalnie zabetonowanych z powodu usiłowania uzyskania odporności na mróz. Prowadzi to do powstania defektów ścian trudnych do usunięcia w częściach odsłoniętych, a oczywiście nienaprawialnych w miejscach zakrytych. W ścianach mrozoodporność nie jest potrzebna taka jak belek czy słupów, bo ściany jednostronnie ogrzewa grunt i warunki pracy są łagodniejsze. W ścianach usytuowanych pod gołym niebem wymagania mrozoodporności należy ograniczyć do minimum, stosując inne rozwiązania zabezpieczające beton przed niszczeniem. Natomiast jakiekolwiek wymaganie mrozoodporności elementów trwale zagłębionych w gruncie nie ma logicznego uzasadnienia.

Dostosowanie składu mieszanki betonowej do jej zagęszczania pod wpływem wypływu z rury wlewowej (metodą kontraktor) powoduje, że nie spełnia już ona wymagań dla betonów mrozoodpornych. Próba pogodzenia wysokiej odporności mrozowej przez ograniczanie wskaźnika wodno-cementowego poniżej 0,45, z jednoczesnym napowietrzaniem struktury betonu zagęszczanego pod wpływem wypływu z rury wlewowej, prowadzi do poważnych uszkodzeń w stwardniałym betonie, a w konsekwencji do braku trwałości, szczelności, wytrzymałości, dużej porowatości otwartej lica betonu oraz braku należytego otulenia zbrojenia.

Beton wbudowany w ściany szczelinowe nie podlega takim obciążeniom środowiskowym wynikającym z klasy ekspozycji mrozowej jak elementy konstrukcyjne budowli nadziemnych. W większości przypadków oddziaływanie mrozowe na beton w ścianie szczelinowej jest znacznie łagodniejsze,a w związku z tym – mimo negatywnych wyników badania mrozoodporności – beton jest trwały i odporny na zamrażanie.

Kolejnym problemem jest pogodzenie walorów estetycznych eksponowanej ściany szczelinowej z korzystnym i ekonomicznym sposobem formowania elementu w gruncie. Często ze względów estetycznych projektanci wymagają otynkowania ściany. W efekcie zakrywa się styki sekcji. Jednak już nieznaczne zmiany termiczne spowodują zarysowania w miejscu styków sekcji lub samoistnych pęknięć. Wykonanie nacięć w nałożonym tynku nie zapewnia pęknięcia w tym miejscu. Doświadczenie wskazuje, że otynkowanie ścian szczelinowych z powodu odkształceń termicznych betonu kończy się nieestetycznymi spękaniami i zarysowaniami pomimo stosowania materiałów wysokiej jakości.

W przypadku potrzeby specjalnego wykończenia powierzchni ściany wskazane jest użycie materiałów niewrażliwych na odkształcenia podłoża. Może to być okładzina z elementów ułożonych na elastycznej zaprawie, dekoracyjne elementy mocowane śrubami albo – najlepiej – ekrany z materiałów dźwiękochłonnych. Pełnią one dodatkowo funkcję osłony termicznej i zmniejszają amplitudę zmiany temperatury. Konieczne jest przy tym odprowadzenie wody z przestrzeni międzywarstwowych.

Podsumowanie

Warunki wykonywania i wymagania technologiczne wobec betonów stosowanych w fundamentach są zasadniczo różne niż dla innych rodzajów konstrukcji. Wymagania te, wynikające z wieloletnich doświadczeń, zostały skodyfikowane w normach europejskich dotyczących wykonawstwa robót geotechnicznych [8, 9, 10, 11], a ostatnio w załączniku D do normy [2].

Do betonów geotechnicznych nie mogą być stosowane wymagania dotyczące tzw. betonów mostowych. Krajowe przepisy, a zwłaszcza rozporządzenie z 2000 r. [12], są przestarzałe i wymagają dostosowania do zasad sztuki budowlanej i zdrowego rozsądku. Nieracjonalne są wymagania dotyczące mrozoodporności betonu odsłoniętych ścian szczelinowych, a zwłaszcza fundamentów pozostających trwale w gruncie. Trudno wytłumaczyć bezradność organów państwowych, że przez ponad dziesięć lat nie zmieniły dobrze znanych błędnych postanowień rozporządzenia [12], pomimo uzgodnienia jeszcze w 2002 r. projektu jego zmian. Za skutki tego zaniedbania płacimy wszyscy. Odbijają się one negatywnie na jakości i trwałości budowanych konstrukcji oraz powodują absurdalne konflikty wykonawców i nadzoru robót.

dr inż. Bolesław Kłosiński

mgr inż. Przemysław Kamiński

Instytut Badawczy Dróg i Mostów

Piśmiennictwo

1. J. Bobrowicz, P. Szaj, Nowelizacja normy PN-EN 206-1, „Materiały Budowlane” nr 11/2013.

2. EN 206:2013 Concrete. Specification, performance, production and conformity.

3. M. Falińska, Projekt zmian w przepisach dotyczących betonów w inżynierii komunikacyjnej, „Budownictwo Technologie Architektura” nr październik–grudzień 2003.

4. K. Grzegorzewicz, B. Kłosiński, P. Rychlewski, Ł. Górecki, Ściany szczelinowe i barety, część I – Warunki techniczne wykonania i odbioru, Wyd. IBDiM, Warszawa 2014 (w druku).

5. K. Grzegorzewicz, P. Rychlewski, Ściany szczelinowe jako konstrukcje oporowe, „Inżynieria i Budownictwo” nr  7-8/2007.

6. B. Kłosiński, Warunki techniczne wykonywania ścian szczelinowych (wyd. II), Wyd. IBDiM, seria I: Informacje, instrukcje, z. nr 35, Warszawa 1992.

7. PN-78/B-02483 Pale wielkośrednicowe wiercone. Wymagania i badania.

8. PN-EN 1536:2010E Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych – Pale wiercone.

9. PN-EN 1538:2010E Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych – Ściany szczelinowe.

10. PN-EN 12699:2003P Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych – Pale przemieszczeniowe.

11. PN-EN 14199:2008P Wykonawstwo specjalnych robót geotechnicznych – Mikropale.

12. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z 30 maja 2000 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogowe obiekty inżynierskie i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 63, poz. 735).