Artykuł: Betonowanie zimą. Domieszki do betonów.

1. Wprowadzenie Betonowanie w okresie obniżonych temperatur jest w naszych warunkach klimatycznych bez mała koniecznością. Dążenie do skracania czasu realizacji budowy, pełnego wykorzystania maszyn i siły roboczej, obniżenia kosztów funkcjonowania firmy prowadzi do konieczności realizacji robót betonowych w niskich temperaturach zarówno powietrza jak i podłoża, a przede wszystkim betonu. Proces wiązania betonu, jak wiadomo, jest procesem chemicznym ściśle zależnym od temperatury. Niższe temperatury spowalniają bieg reakcji, a wyższe przyspieszają. Wynika stąd prosty wniosek, że betonowanie w okresie obniżonych temperatur, a w szczególności zimą będzie czynnością trudniejszą i droższą. Zebrane doświadczenia pozwalają określić warunki, które należy spełnić, by realizowana zimą konstrukcja betonowa w pełni odpowiadała wymogom technicznym.

2. Co stanowi zagrożenie przy betonowaniu w niskich temperaturach ?

 Aby odpowiedzieć na to pytanie musimy  ściśle określić, co rozumiemy pod pojęciem niskich temperatur dla prowadzenia robót betonowych.

Za takie warunki uważa się  temperatury poniżej + 5° C, przy czym mogą je potęgować opady śniegu i wiatr. Negatywny wpływ tych warunków można określić w czterech podstawowych punktach:

  • spowolnienie reakcji hydratacji

przy betonowaniu w niskich temperaturach występuje opóźnienie wiązania i obniżenie wytrzymałości początkowej. Przykładowo w temperaturze + 5° C beton potrzebuje dwa razy więcej czasu by uzyskać taką wytrzymałość jak w temperaturze + 20° C. Można przyjąć, że w czasie mrozu proces wiązania praktycznie ustaje.

  • zamarzanie wody w betonie

obecna w świeżym jeszcze betonie woda zamarzając zwiększa swoją objętość o ok. 9%, co może wywołać ciśnienie wewnętrzne powodując rozluźnienie struktury betonu lub nawet jej rozsadzenie. Tworzenie się kryształków lodu w młodym betonie może wystąpić od temperatury – 3° C. Drugim niekorzystnym efektem jest to, że zamarznięta woda nie może brać udziału w reakcji hydratacji, co zakłóca przebieg tej reakcji

  • zaśnieżenie lub zalodzenie podłoża

warstwa śniegu lub lodu może znacznie ograniczyć związanie nowego betonu z podłożem lub zbrojeniem. Ponadto ilość wody w tym obszarze wzrasta, obniża to wartość w/c w warstwie styku ze wszystkimi tego konsekwencjami (porowatość, obniżenie wytrzymałości, mniejsza trwałość itd.).

  • różnice temperatur w przekroju warstwy betonowej

sprzyja to powstawaniu rys temperaturowych, gdy w zimie dochodzi do przechłodzenia powierzchni i wystąpienia znacznej różnicy temperatur między rdzeniem elementu betonowego grzanego ciepłem hydratacji, a jego powierzchnią.

Uwarunkowania te były podstawą wyznaczenia granicznych warunków zabudowy betonu, które podajemy w tabeli :

 

Temperatura powietrza

Min. temperatura świeżego betonu

+ 5° C do - 3° C

ogólnie + 5° C

+ 10° C gdy zawartość cementu < 240 kg/m3

i przy cementach niskoalkalicznych

poniżej - 3° C

+ 10° C musi być utrzymana przez min. 3 dni

Betonowanie zimą domieszka.

Warto znać proces działania domieszki przeciwmrozowej, która powoduje że można w trudniejszych warunkach podjąć prace betonowania.

3. Jak projektować i zabudowywać beton odporny na przemarzanie ?

 Nasze działania winny być ukierunkowane na:

  • wyeliminowanie ewentualnych szkód wywołanych przez mróz w młodym betonie
  • osiągnięcie w wyznaczonym czasie wytrzymałości mrozowej oraz wytrzymałości 28 –dniowej
  • racjonalne posługiwanie się deskowaniami, co ma istotne znaczenie dzierżawieniu szalunków

W związku z tym należy przyjąć następujące zasady:

  • beton po zabudowaniu należy utrzymywać w temperaturze powyżej + 10° C praktycznie przez kolejne trzy dni, albo do czasu, aż osiągnie ok. 40% swojej projektowej wytrzymałości końcowej (tzn. np. 12 N/mm2 przy projektowanej wytrzymałości β28  = 30 N/mm2 ). Aby ułatwić to zadanie należy stosować szybkowiążące cementy portlandzkie CEM I 32,5 R, CEM I 42,5 R, CEM I 52,5
  • w przypadku ataku mrozu beton musi mieć minimalną wytrzymałość 5 N/mm2, należy jednak zaznaczyć, że ta wytrzymałość wystarcza przy jednorazowym ataku mrozu, ale nie jest wystarczająca w powtarzających się cyklach zamrażania i rozmrażania
  • stosować kruszywa o możliwie niskiej wodożądności (krzywe przesiewu A i B ). Ponadto przy produkcji betonów mrozoodpornych należy stosować kruszywa odporne na działanie mrozu , a w przypadku betonów odpornych na działanie soli rozmrażających stosowanie kruszyw odpornych na działanie tych soli 
  • należy projektować beton o maksymalnym stosunku w/c = 0,50 , a jeszcze lepiej poniżej 0,50 
  • ograniczyć ilość wody w betonie poprzez stosowanie plastyfikatorów np. SIKA seria BV lub preparatów upłynniających np. SIKA seria FM, Sika ViscoCrete 
  • zastosować domieszkę zimową SIKA FS 1.
  • podnieść minimalną zawartość cementu do 270 kg/m
  • głębokość wnikania wody ew  winna być mniejsza od 50 mm 
  • przy projektowaniu betonów odpornych na działanie soli rozmrażających należy poprzez dodatek preparatów napowietrzających np. SIKA seria LP  3,5 % obj. przy max. ziarnie kruszywa do 63 mm zapewnić w betonie średnie zawartości powietrza:
    • 3,5 % obj. przy max. ziarnie kruszywa do 63 mm
    • 4,0 % obj. przy max. ziarnie kruszywa do 32 mm
    • 4,5 % obj. przy max. ziarnie kruszywa do 16 mm
    • 5,5 % obj. przy max. ziarnie kruszywa do 8 mm

 Prowadząc zaś roboty betonowe w temperaturach poniżej + 5° C należy przedsięwziąć następujące kroki:

  • podnieść zawartość cementu i stosować cementy szybkowiążące
  • surowce składować w ogrzewanej hali. Jeżeli jest to możliwe ogrzewać kruszywa parą, kontrolować ich wilgotność i uwzględniać w recepturze tak wprowadzaną ilość wody. Stosowanie przemrożonych kruszyw jest niedopuszczalne
  • podgrzewać wodę zarobową do 70-80° C, a w skrajnych wypadkach do mieszania stosować parę
  • produkować mieszankę betonową o temperaturze do + 30° C
  • skracać czasy transportu i ograniczać utratę ciepła w czasie transportu
  • szalunki, zbrojenie itp. nie mogą być pokryte śniegiem
  • nie wolno betonować na przemrożony podkład
  • uszkodzone mrozem elementy usunąć przed dalszym betonowaniem
  • zabudowany beton chronić przed utratą ciepła poprzez stosowanie mat, osłon, folii itp., stosowanie namiotów, nagrzewania, nadmuchu ciepłego powietrza itp.
  • czas pielęgnacji betonu przedłużyć o okres temperatur poniżej 0° C
  • notować w dzienniku budowy panujące temperatury w czasie doby, czasy rozszalowań, temperatury mieszanki betonowej, czas pielęgnacji

W rozpatrywaniu wymagań określonych tabelą nr 1 należy brać pod uwagę różnice temperaturowe między dniem i nocą.  W przypadku krótkotrwałych nocnych spadków temperatury poniżej - 3° C nie jest wymagane ani przerwanie prac ani podejmowanie nadzwyczajnych środków technicznych. Wystarczy utrzymanie temperatury betonu na poziomie + 5° C. Graniczna wartość ujemnych temperatur, która wymaga przerwania robót betonowych dotyczy prowadzenia robót drogowych (drogi, lotniska, place betonowe, płyty mostowe ) wynosi < -3° C. Doświadczenie uczy, że nawet zastosowanie domieszek zimowych jako powierzchniowej ochrony betonu jest nieskuteczne, dlatego roboty należy wstrzymać.

4. Przy jak niskich temperaturach powietrza można jeszcze prowadzić roboty betonowe i jak zapewnić właściwą temperaturę betonu w momencie jego wbudowania ?

W sytuacjach awaryjnych – przy każdych, w innych przypadkach zależy to od rachunku ekonomicznego. Przy temperaturach - 5° C w dzień, nocne spadki temperatur nie przekraczają zazwyczaj granicy – 12 do - 15° C. Te warunki uważamy za racjonalne z uwagi na sprawność sprzętu, koszt mieszanki betonowej, pracę ludzi i możliwość utrzymania temperatury betonu.

W tym zakresie prowadzone były badania w Politechnice Poznańskiej. Wyniki tych badań były podstawą uzyskania przez nasze domieszki zimowe aprobaty technicznej.

Istotną sprawą jest kontrolowanie temperatury betonu i jego wytrzymałości. Kontrola   wytrzymałości odbywa się praktycznie w ten sposób, że przy spodziewanych mrozach, równolegle do betonowania na budowie wykonuje się kilka kostek , które należy pozostawić w takich samych warunkach jak zabudowany beton i dokonywać kontrolnych zgnieceń.

Czas twardnienia betonu aż do osiągnięcia mrozowej wytrzymałości  przedstawia się następująco:

 

Rodzaj cementu

Stosunek w/c

Niezbędny czas wiązania w dniach

   5° C                      12° C                   20°C

CEM I 52,5, CEM I 42,4 R

0,4

1/2

1/4

1/4

jw.

0,6

3/4

1/2

1/2

CEM I 42,5, CEM I 32,5 R

0,4

1

3/4

1/2

jw.

0,6

2

1 1/2

1

CEM I 32,5

0,4

2

1 1/2

1

jw.

0,6

5

1 1/2

2

Ważne jest też odpowiednio długie utrzymywanie szalunków.

   

Rodzaj cementu

Ściany, słupy, podpory

 Stropy

Długie wiszące płyty

 

        CEM I 32,5 NA

 

 

3

 

8

 

20

 

CEM I 32,5 R,

        CEM I 42,5 R

 

 

 

2

 

 

5

 

 

10

 

CEM I 42,5 R,

        CEM I 52,5

 

 

                 1

 

            3

 

               6

 

Wymóg wbudowania betonu o temperaturze min. + 5° C przenosi się na konieczność wyprodukowania betonu o znacznie wyższej temperaturze. Temperatura ta musi być tym wyższa im większa jest różnica pomiędzy temperaturą betonu a temperaturą zewnętrzną. Spadek temperatury betonu na godzinę w czasie transportu wynosi ok. 25 % różnicy temperatur między  mieszanką betonową a powietrzem. Korzystając z prostego wzoru jesteśmy w stanie obliczyć wymaganą temperaturę betonu w mieszalniku w zależności od:

  • wymaganej temperatury betonu w momencie jego wbudowywania (+ 5°C lub + 10 °C)
  • czasu składowania betonu (transportu) określonego w godzinach.

Przykład:

Tb – temperatura mieszanki wbudowanej +10° C

T1 – temperatura powietrza – 5 ° C

 ta – czas transportu – 1,5 h

Tbo- temperatura betonu w mieszance

 

                Tb – 0,25 Ta x T 1

T bo  =   ----------------------------

                        1 - 0,25

 

     Po podstawieniu danych do wzoru wymagana temperatura betonu w mieszalniku wynosi

     Tbo =  19° C

 

     Pozostaje pytanie jak wyprodukować beton o określonej temperaturze. Przede wszystkim należy zadbać o:

  • ocieplenie silosów z cementem
  • zabezpieczenie kruszywa przed zamarznięciem
  • zabezpieczenie kruszywa przed wystąpieniem brył lodu
  • wyposażenie węzła betoniarskiego w urządzenia do podgrzewania wody

Uzyskanie wymaganej temperatury betonu poprzez stosowanie  nie przemarzniętych składników betonu  oraz podgrzewanej wody jest najprostszym sposobem uzyskania wymaganej temperatury świeżego betonu. Przy czym dla przypomnienia wodę można podgrzać max. do 80 ° C, a temperatura świeżego betonu może wynosić maksimum + 30° C.

Korzystając ze wzoru [1] możemy zatem znając czas transportu betonu określić najniższą temperaturę powietrza, przy której ułożymy beton o wymaganej temperaturze. Dla powyższego przykładu temperatura ta wynosi T1= - 23° C. Czy przy tak niskich temperaturach warto betonować ? Chyba nie. Z drugiej strony jest to odpowiedź na często zadawane pytanie „do ilu stopni można betonować korzystając z określonych domieszek”

Doświadczenia naszej firmy wykazują, że betonowanie w temperaturach niższych niż-10° C jest nieefektywne i technicznie trudne do wykonania.

5. Jakie efekty przynosi stosowanie domieszek zimowych SIKA ?

Badania efektywności działania domieszek zimowych  SIKA FS 1 prowadzone przez Politechnikę Poznańską dają potwierdzenie przydatności i efektywności tych domieszek.

Na bazie tych badań IBD i M dopuścił stosowanie domieszki SIKA FS 1 do  betonów mostowych w okresach obniżonych temperatur.

Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że domieszki SIKA, w przeciwieństwie do większości domieszek stosowanych w warunkach zimowych , nie powodują spadku wytrzymałości betonu na ściskanie w terminie 28-dniowym, zarówno w warunkach obniżonej temperatury, jak i w warunkach laboratoryjnych. Aby zwiększyć skutek działania domieszek zimowych należy łączyć ich działanie ze stosowaniem domieszek plastyfikujących lub upłynniających.

 Przyrosty wytrzymałości wczesnej (R3) osiągane na próbkach kontrolnych sięgają odpowiednio dla konsystencji plastyfikator + domieszki zimowe oraz superplastyfikator + domieszki zimowe 121% i 140% w stosunku do próbek bez domieszek zimowych.

Uwaga:

a)  powyższe warunki osiągnięto przy stosowaniu domieszki  SIKA FS 1 w ilości 1%, temperatura świeżej masy betonowej +5° C

b) próbki przechowywano w temperaturze +5° C przez pierwsze 24 godz. Potem próbki umieszczono w temp. -5° C

c) badania przeprowadzono na cementach grupy CEM I klasy 32,5 oraz MSR 42,5

 

Główną korzyścią wynikającą ze stosowania domieszek zimowych jest skrócenie wymaganego czasu utrzymania wymaganej temperatury w okresie twardnienia betonu a zatem ograniczenia pracochłonnego i kosztownego procesu podgrzewania lub izolowania elementu. 

6. Jak chronić beton przed utratą ciepła ?

 

Ochrona betonu przed tratą ciepła jest warunkiem absolutnie koniecznym dla uzyskania końcowego sukcesu. Metody ochrony betonu winny być dostosowane do rodzaju elementu oraz warunków jego dojrzewania. Najczęściej stosowane:

  • ochronna bierna – okrywanie foliami termoizolacyjnymi i włókninami. Metoda wystarczająca przy dużych blokach betonowych
  • ochrona aktywna - oprócz okrywania także podgrzewanie elementów poprzez stosowanie dmuchaw,  pary czy elektronagrzewu.

Ochronę termiczną betonu możemy zakończyć gdy wytrzymałość betonu osiągnie 40% wytrzymałości 28-dniowej.

Sika Poland.

SikaCem Winter Domieszka do betonu przyśpieszająca wiązanie

Sika Antifreeze FS 1 Domieszka do betonu przyśpieszająca wiązanie

SikaCem Plast - Wapno w płynie

Domieszka do zapraw murarskich i tynkarskich zastępująca wapno.

Sikacem Level - Domieszka na ogrzewanie podłogowe

Sikament MM3 Domieszka do betonu redukująca ilość wody/uplastyczniająca Zastosowanie Podstawowa domieszka do betonów towarowych o normalnym czasie utrzymywania konsystencji.