Technologia białej wanny (część I)

Zabezpieczenie wodochronne budynków, budowli oraz obiektów inżynierskich to wymóg bezwzględny. Skutecznie funkcjonujące hydroizolacje to nie tylko komfort użytkowania, przy bardziej skomplikowanych obiektach to także bezpieczeństwo ich użytkowania (fot. 1). Na wybór rozwiązania technologiczno-materiałowego zabezpieczenia wodochronnego mają wpływ przede wszystkim następujące podstawowe czynniki:

– warunki gruntowo-wodne,

– obecność agresywnych wód gruntowych,

– rozwiązanie konstrukcyjne obiektu (rodzaj fundamentu, sposób posadowienia, wysokość kondygnacji w gruncie itp.),

– obecność dylatacji, przejść rurowych itp. trudnych i krytycznych miejsc.

Jednym ze sposobów zabezpieczenia obiektu przed wodą/wilgocią jest tzw. technologia białej wanny. Biała wanna to ogólna nazwa konstrukcji betonowej o podwyższonej odporności na przenikanie wody. Łączy ona funkcję nośną z funkcją uszczelniającą. Podstawą takiego założenia jest ograniczenie głębokości wnikania wody w żelbetowe przegrody budowanego obiektu. Dotyczy to jednak nie tylko samych przegród, lecz także dylatacji, przerw roboczych, przejść rurowych, ewentualnych rys itp. Dlatego zaprojektowanie takiej konstrukcji nie może się ograniczać tylko do zastosowania odpowiedniej mieszanki betonowej. Beton wodonieprzepuszczalny to beton o ograniczonej zdolności do penetracji wody. Sposób jego działania pokazano na rys. 1a. Powierzchnia betonu nie jest wodoszczelna jak powłoka hydroizolacyjna. Parcie hydrostatyczne wody jak również właściwości samego betonu powodują, że woda jest w stanie wniknąć w element. Głębokość tej strefy zależy od wielu czynników, przede wszystkim od wielkości parcia hydrostatycznego i jakości samego betonu (stosunku w/c, pielęgnacji betonu, jego wieku itp.). Woda jest w stanie wniknąć w konstrukcję na głębokość 2,5 cm i ten obszar traktowany jest jako strefa oddziaływania wody pod ciśnieniem. Druga strefa to obszar, w który woda wnika na skutek penetracji w kapilary. Szerokość tej strefy jest zależna od jakości betonu, czasu obciążenia wodą oraz wilgotności samego betonu. Dla betonów klasy C30/37 lub wyższej można przyjąć, że nie jest ona szersza niż 7 cm. Kolejną strefą jest tzw. rdzeń, gdzie występuje swego rodzaju równowaga w transporcie wilgoci (nie ma tu przewodzenia wody). Warunkiem jest jednak odpowiednia grubość samego elementu.

Fot. 1 Dylatacja konstrukcyjna stropodachu garażu podziemnego pomiędzy sprężonymi belkami nośnymi uszczelniona od wewnątrz. Ewidentny błąd wykonawczy (fot. autora)

Od strony wnętrza znajduje się strefa oddawania wilgoci na skutek dyfuzji pary wodnej do powietrza. Dla betonów klasy C30/37 lub wyższej jej szerokość wynosi 4-8 cm.

Reasumując, idea betonu wodonieprzepuszczalnego polega na założeniu, że przy określonej grubości elementu i niezarysowanym przekroju woda nie jest w stanie przedostać się od strony zewnętrznej do wnętrza konstrukcji. Warunkiem jest odseparowanie od siebie (na skutek minimalnej grubości samego elementu) strefy kapilarnego transportu wody i strefy oddawania nadmiaru wilgoci.

Poprawność takiego założenia i skuteczność tego typu zabezpieczenia zależą od odpowiedniego wykonania samego betonu i całej konstrukcji. W projektowaniu i wykonaniu konstrukcji uwzględnić trzeba:

– zaprojektowanie betonu wodonieprzepuszczalnego;

– optymalizację występujących w konstrukcji naprężeń, co pozwala uniknąć rys lub ograniczyć szerokość ich rozwarcia (kształt konstrukcji nie powinien generować dodatkowych naprężeń skurczowych i jednocześnie powinien minimalizować koncentrację naprężeń – rys. 1b, odpowiednia szerokość strefy ściskanej przekroju);

– konieczność wykonstruowania i uszczelnienia dylatacji;

– konieczność odpowiedniego betonowania konstrukcji, zagęszczania i pielęgnacji betonu;

– zagadnienia fizyki budowli (izolacyjność termiczna, akustyczna, wymagania użytkowe, wilgoć w obiekcie).

Algorytm postępowania przy projektowaniu konstrukcji z betonów wodonieprzepuszczalnych przedstawić można następująco:

1) wyznaczenie obliczeniowego poziomu wody gruntowej i klasy obciążenia wodą/wilgocią oraz klasy ekspozycji;

2) określenie tzw. klasy użytkowania;

3) określenie wymagań eksploatacyjnych z uwzględnieniem fizyki budowli;

4) obliczenie minimalnej grubości przegród konstrukcji;

5) określenie obciążeń i obliczeniowe wyznaczenie szerokości rozwarcia rys;

6) optymalizacja konstrukcji ze względu na obciążenia/wytężenia i charakter pracy;

7) zaprojektowanie układu dylatacji, przerw roboczych i rys wymuszonych (zaplanowanie etapów betonowania) i wybór systemu uszczelnienia;

8) zaprojektowanie uszczelnienia detali (dylatacje, przejścia rurowe itp.);

9) zaprojektowanie składu mieszanki betonowej.

Rys. 1a Zasada funkcjonowania betonu wodonieprzepuszczalnego (model dla betonu klasy C30/37 i w/c < 0,55), opis w tekście [1]

Rys. 1b Technologia białej wanny. Kształt konstrukcji z betonu wodonieprzepuszczalnego nie powinien generować dodatkowych naprężeń skurczowych i jednocześnie powinien minimalizować koncentrację naprężeń (Planungsschritte fur wasserundurchlassige Bauwerke aus Beton, Max Frank GmbH & Co. KG (www.maxfrank.de), 2014)

Punktem wyjścia jest określenie klasy obciążenia wodą/wilgocią, co jest związane z tzw. obliczeniowym poziomem wody gruntowej. Nie musi to być (a nawet nie powinien) maksymalny pomierzony poziom wody gruntowej. Należy tu uwzględnić możliwość wystąpienia sytuacji wyjątkowej polegającej na podniesieniu się poziomu wód gruntowych powyżej maksymalnego dotychczas zaobserwowanego stanu. Wytyczne [4] pozwalają na przyjmowanie obliczeniowego poziomu wody gruntowej na poziomie otaczającego terenu, jeżeli nie ma wcześniejszych pomiarów w długim okresie, jak również w sytuacji gdy nie ma możliwości oceny wpływu potencjalnych przyszłych robót na warunki gruntowo-wodne. To zalecenie należy jednak traktować jako sytuację wyjątkową. Przyjęcie takiego założenia może być celowe z ekonomicznego punktu widzenia, gdy koszty ustalenia obliczeniowego poziomu wody gruntowej są wyższe niż oszczędności wynikające z zaprojektowania obiektu dla niższego poziomu wody.

Wytyczne [1] wyróżniają dwie klasy obciążenia wodą/wilgocią:

1) klasę obciążenia (wodą), która obejmuje następujące przypadki:

– obciążenie wodą pod ciśnieniem

– wodą gruntową, wodą z zalań (powodzi) itp., która wywiera hydrostatyczne parcie (także ograniczone w czasie);

– obciążenie wodą bezciśnieniową

– wodą płynącą po powierzchni elementu, lecz niewywierającą ciśnienia hydrostatycznego lub wywierającą niewielkie parcie hydrostatyczne (do 10 cm słupa wody);

– obciążenie chwilowo się gromadzącą wodą infiltracyjną;

2) klasę obciążenia (wilgocią), która obejmuje następujące przypadki:

–  obciążenie wilgocią – warunkiem jego występowania jest posadowienie budynku w niespoistym i dobrze przepuszczalnym gruncie (możliwość szybkiego wsiąkania wody opadowej w grunt poniżej poziomu posadowienia budynku i wykluczenie wystąpienia wysokiego poziomu wód gruntowych) – współczynnik wodoprzepuszczalności gruntu (współczynnik filtracji) k > 10^-4 m/s;

–  obciążenie niezalegającą wodą opadową – przypadek występuje, gdy w poziomie posadowienia i poniżej występują grunty spoiste uniemożliwiające szybkie wsiąkanie wody opadowej (k ≤ 10^-4 m/s), przy czym jej nadmiar jest odprowadzany przez skutecznie działający drenaż).

Rys. 2 Technologia białej wanny. Przegrody z betonu wodonieprzepuszczalnego, minimalne grubości podano w tab. 2 [1]

Trzeba także zwrócić uwagę na ewentualną agresywność wód gruntowych.

Z drugiej strony konieczne jest określenie klasy użyłkowania. Jest to nic innego jak zdefiniowanie wymogów stawianych dla konkretnego obiektu wynikających z warunków jego użytkowania/eksploatacji. Chodzi przede wszystkim o stan wilgotności powierzchni przegród oraz wilgotność powietrza w obiekcie.

Wytyczne [1] określają dwie klasy użytkowania:

– Klasa A – standard odpowiadający budynkom mieszkalnym oraz pomieszczeniom magazynowym/ użytkowym o podwyższonych wymaganiach. Oznacza to, że niedopuszczalne są fizyczne przecieki wody zarówno przez powierzchnię elementu, jak również przez ewentualne rysy (wyklucza się wilgotne plamy, perlenie się wody itp.), możliwa jest jednak kondensacja powierzchniowa.
– Klasa B – dopuszczalne są lokalne zawilgocenia (wilgotne plamy), np. na skutek przenikania wody przez rysy. Wyklucza się jednak gromadzenie się wody na powierzchni na skutek przecieków/przenikania przez przegrodę. Możliwa jest kondensacja powierzchniowa. Do tego typu klasy obciążeń zaliczyć można obiekty, takie jak garaże podziemne, magazyny o niskich wymaganiach, szyby instalacyjne itp. Ta klasa użytkowania nie wyklucza jednak spełnienia pozostałych indywidualnie określonych warunków wynikających z innych przesłanek.

Tab. 1 Zróżnicowanie klasy użytkowania A [1] ze względu na wymagania cieplno-wilgotnościowe [3]

¹⁾ Betony mogą być przyporządkowane do klasy użytkowania B.

Dla klasy użytkowania A [1] wytyczne [3] definiują dodatkowe wymagania związane przede wszystkim z koniecznością ograniczenia/wyeliminowania punktu rosy (tab. 1). To zjawisko nie ma niczego wspólnego z wodonieprzepuszczalnością betonu, jest zależne od temperatury i wilgotności względnej powietrza jak również od temperatury powierzchni przegrody. Likwidacja punktu rosy wymaga podjęcia innych działań (np. termoizolacja, wentylacja).

Nie oznacza to jednak, że w obiektach z betonu wodonieprzepuszczalnego nie ma potrzeby stosowania izolacji.

Rys. 3 Zależność między maksymalnym uziarnieniem kruszywa mieszanki betonowej a minimalną szerokością przekroju (Szczelne konstrukcje żelbetowe, materiały firmy Jordahl & Pfeiffer Technika Budowlana, 2014)

Rozróżnić należy tu dwie kwestie. Zastosowanie wewnątrz obiektu elementów szczelnych dla pary wodnej (np. posadzka żywiczna, paroszczelne wykładziny z PVC) może w czasie eksploatacji doprowadzić do zaniku strefy odparowania wilgoci i w konsekwencji do przecieków i uszkodzeń warstw wykończeniowych/użytkowych. Znajdująca się w przegrodzie wilgoć, która nie może odparować, tworzy swoisty zator, co niweczy całą zasadę funkcjonowania wodo- nieprzepuszczalnej przegrody. Druga sytuacja to zastosowanie materiałów dyfuzyjnych, ale wrażliwych na wilgoć. Dyfuzja pary wodnej może doprowadzić do utraty właściwości użytkowych takich warstw (np. parkietu drewnianego). Decyzja o zastosowaniu dodatkowych warstw hydroizolacyjnych i/lub paroizolacyjnych musi jednak być podjęta indywidualnie dla konkretnej sytuacji.

Minimalna grubość przegród związana jest ze stanem naprężeń elementu, hydrostatycznym parciem słupa wody, układem zbrojenia i grubością otuliny, wybranym systemem uszczelnień dylatacji, przerw roboczych i rys wymuszonych oraz uziarnieniem mieszanki betonowej.

Ze względu na opisany sposób blokowania wody przez przegrodę wytyczne [1] zalecają, aby zachować minimalne grubości przegród (tab. 2, rys. 2).

Tab. 2 Technologia białej wanny. Minimalne grubości przegrody z betonu wodonieprzepuszczalnego w zależności od klasy obciążenia wilgocią/wodą [1]

* Możliwe pod warunkiem zastosowania specjalnych betonów, np. o konsystencji F6 lub samozagęszczających się.