preskočiť na hlavný obsah

Zimná betonáž

ohrev betónu
Betón, najrozšírenejší stavebný materiál, je citlivý na okrajové podmienky od čerstvého stavu až do (a počas) mladého veku. Podmienky počas tuhnutia a tvrdnutia betónu ovplyvňujú všetky úžitkové vlastnosti betónu, životnosť a jednoducho povedané celkovú kvalitu betónovej konštrukcie. Existujú podmienky, ktoré sa považujú za ideálne pre hydratáciu a vytváranie pevnej štruktúry. Mladý betón by sa mal uchovávať v ideálnych podmienkach, teplota okolo 20 °C, 100 % relatívna vlhkosť a žiadne prúdenie vzduchu, tobôž nie prievan. V snahe o splnenie týchto okrajových podmienok vedome vykonávame určité činnosti, ktoré sa v literatúre označujú súhrnným pojmom „ošetrovanie".

Podľa teploty, mimochodom rozhodujúceho činiteľa, rozlišujeme medzi ošetrovaním proti vysokej a proti nízkej teplote. Zatiaľ čo ošetrovanie vletnom období chráni betón pred neželanými objemovými zmenami, ktoré sú kritické napríklad z hľadiska životnosti betónových vozoviek atď., ošetrovanie v zimnom období chráni betón proti prerušeniu hydratácie a následnému poklesu únosnosti konštrukcie alebo proti úplnému zastaveniu hydratácie. Kľúčové slová:

•    zimná betonáž,
•    hydratácia,
•    tuhnutie,
•    teplota prostredia,
•    pevnosť

Teória hydratácie a vplyv (teploty) prostredia

Hydratácia cementu je súbor navzájom nezávislých chemických reakcií jednotlivých slinkových minerálov svodou. Tento pojem zahŕňa všetky javy a zmeny, chemické i fyzikálne, ktoré nastávajú ak cement prechádza z nestabilnej (dehydratovanej) sústavy do sústavy stabilnej (hydratovanej). Ak chceme využiť tieto poznatky v technologickej praxi, hydratácia je najzaujímavejšia v jej počiatočnej, najdynamickejšej fáze. Čerstvý cementový tmel sa z počiatku viditeľne nemení (dôsledok prítomnosti síranu vápenatého), neskôr ale začína strácať plasticitu - tuhnúť (štandardne 45 - 90 min.) a tvrdnúť. Tvrdnutie sa prejavuje nárastom pevnosti už vzniknutých väzieb.

Keďže hydratácia je chemicko-fyzi-kálna reakcia, je pochopiteľné, že jej priebeh je determinovaný nielen vlastnosťami a dávkou reaktantov prípadne prídavných činiteľov, ale aj vplyvmi okolia, a to najmä teplotou. Vplyv vlastnosti a dávky reaktantov alebo iných činitevmetódach umožňujúcich zimnú betonáž. Vplyv teploty (obr. 1) je rozhodujúcou vlastnosťou prostredia, pretože má priamy účinok na teplotu reagujúcich látok a reagujúcej sústavy. Hydratácia prebieha prakticky len za prítomnosti vody v kvapalnej fáze. Limitujúcim faktorom preto je prípadná nízka teplota spôsobujúca zastavenie hydratácie ak dôjde k zamrznutiu vody.

Zastavenie hydratácie pri nízkych teplotách

Za obdobie s nízkou teplotou sa zhľadiska betonáže podľa ACI 306 [4] považuje obdobie, kedy počas aspoň troch po sebe idúcich dní nevystúpi priemerná denná teplota nad 5 °C a teplota vzduchu nevystúpi nad 10 °C na viac ako pol dňa v ktoromkoľvek 24 hodinovom intervale. Slovensko sa nachádza v klimatickom pásme, kde takéto podmienky bežne nastávajú (obr. 2 a 3) a je preto opodstatnené sa téme ošetrovania betónu v zimnom období venovať.

Význam tohto typu ošetrovania rastie priamo úmerne s povrchovým modulom betónovanej konštrukcie. Inými slovami, čím subtílnejšiu konštrukciu betónujeme, tým väčšou plochou odovzdáva teplo prostrediu a zvyšuje sa riziko zamrznutia.

Pod zamrznutím sa vo všeobecnosti rozumie pokles teploty vody pod 0 °C. V cementovom tmele je však voľná voda vo forme pórového roztoku, čo znižuje teplotu bodu mrazu na približne -3 až -4 °C [6]. Ak predsa len teplota betónu klesne pod túto kritickú hodnotu, dôjde k zmene fázy pórového roztoku na pevnú, čo so sebou prináša zväčšenie jej objemu o cca 9,1 %. Zamrznutie betónu je vždy nežiaduce, no nie vždy má fatálne následky. Podľa stavu betónu, (v dobe) keď k zamrznutiu došlo rozlišujeme tri scenáre zamrznutiu betónu ešte pred začiatkom formovania prvých kryštálov budúceho cementového kameňa. Udáva sa limitná pevnosť betónu 0,1 MPa [9]. Ak zvážime, že nositeľom pevnosti v počiatočnom veku je tuhnúci cementový tmel, potom môžeme za začiatok tuhnutia považovať kritérium 0,5 MPa podľa [11]. Nakoľko pevnosť pri začiatku tuhnutia (0,5 MPa) je päťnásobkom limitnej hodnoty 0,1 MPa pre zamrznutie vody, kedy nedôjde k významnému poškodeniu betónu je jasné, že pri pevnosti betónu do 0,1 MPa sa ešte hydratácia nerozbehla. Zamrznutie vody spôsobí len vyššiu permeabilitu a nižšiu odolnosť proti zmrazovacím arozmrazovacím cyklom [4].

•    Druhou možnosťou je zamrznutie betónu počas tuhnutia. Tuhnutie
je podľa [9] charakterizované intervalom pevnosti (0,5 - 5,0) MPa ([4] udáva do 3,5 MPa). Hodnota 5,0 MPa sa označuje ako zmrazovacia pevnosť. Napätia z objemovej zmeny vody (cca 9,1%) vysoko prevyšujú ipevnosť v tlaku a štruktúra betónu sa deštruuje (obr. 6). V závislosti od stupňa zatuhnutia cementového tmelu v čase zamrznutia je možná len čiastočná schopnosť betónu dosiahnuť predpokladané pevnosti. Po rozmrazení betónu možno očakávať len čiastočné pokračovanie hydratácie a dosiahnutie pevností maximálne do 50 % z návrhových [4].

•    Poslednou možnosťou je zamrznutie betónu po dosiahnutí pevnosti
12 až 15 MPa (bezpečne nad 5,0 MPa). Zatuhnutý betón môže jedenkrát zamrznúť bez porušenia štruktúry a bez zníženia jeho výsledných pevností. Viacnásobné zamrznutie výsledné pevnosti však zníži [9]. Aj preto sa v praxi stretávame s odporúčaním dodržania minimálnej teploty prostredia na úrovni cca 5 °C, ato aspoň do doby než pevnosť betónu nadobudne min. 3,5 MPa [6] resp. teplota nad 0 °C až do dosiahnutia pevnosti betónu 5,0 MPa [9]. Podľa [10] zase platí všeobecné pravidlo, že betón musí byť proti účinkom mrazu ošetrovaný minimálne 24 hodín od uloženia. Dodržanie požiadaviek na minimálnu teplotu možno dosiahnuť jednou z príslušných metód ošetrovania.

Metódy umožňujúce zimnú betonáž

Známych je mnoho metód umožňujúcich betonáž aj vo všeobecne nevhodných podmienkach spôsobených nízkou teplotou. V nasledujúcich bodoch si predstavíme (zopakujeme) metódy a opatrenia, s ktorými sa v bežnej praxi môžeme priamo alebo nepriamo stretnúť.

•    Úprava receptúry pre zimnú betonáž predstavuje najmä voľbu vhodného druhu (obr. 7) a triedy cementu (R - rýchlotuhnúci), voľbu jemnosti cementu keďže s rastúcou jemnosťou sa zvyšuje tempo hydratácie, a tým aj nábehu počiatočných pevností (obr. 8) a návrh nižšieho vodného súčiniteľa, ktorým možno skrátiť dobu tuhnutia cementového tmelu keďže sa podarí dostať zrnká cementu bližšie k sebe (obr. 9).

•    Úprava receptúry pridaním Prísady. Pre zimnú betonáž sú vhodné urýchľovacie a protizmrazovacie prísady. Urýchľovacie prísady sú látky katalyticky pôsobiace na hydratáciu cementu a v počiatočnom štádiu urýchľujú tvorbu cementového kameňa. Rozdeľujú sa na urýchľovače tuhnutia, čiže prechodu cementového tmelu z plastického do tuhého stavu aurýchľovače tvrdnutia, ktoré urýchľujú vývin počiatočných pevností betónu bez skracovania doby tuhnutia. Z chemického hľadiska sa podľa aktívnej látky rozdeľujú na skupinu pôsobiacu chloridovými iontami askupinu pôsobiacu alkalickými kremičitanmi a uhličitanmi. Protizmrazovacie prísady sú látky umožňujúce hydratáciu cementu aj pri teplotách pod bodom mrznutia vody (rádovo -15 až -25 °C). Môžu znižovať teplotu bodu mrznutia tekutej fázy betónu (prísady na báze CaCl, NaNO2 alebo viacmocných alkoholov) alebo môžu mierne znížiť teplotu bodu mrznutia tekutej fázy, no výrazne urýchlia tuhnutie a tvrdnutie cementového tmelu (prísady na báze FeSO4 a/alebo
CaCl2).

•    Úpravou miešania je možné ovplyvniť priebeh tvrdnutia betónu. V snahe ourýchlenie tvrdnutia je potrebné hydratáciu cementu aktivovať, čomu pomáha aj rýchle (tzv. aktivačné) miešanie.

•    Ohrev zložiek je tiež jednou z možností, ako zabezpečiť požadovanú teplotu betónu priamo vo výrobni a to až do doby, kedy mu prípadné zamrznutie neublíži. Metóda vychádza z navrhovanej receptúry betónu, návrhovej teploty prostredia, rýchlosti pravy a betonáže, dopravnej vzdialenosti na stavenisko a z tepelných strát po zabudovaní betónu cez teplovmenné plochy. Vypočítaná strata tepla sa nahradí miešaním predhriatych zložiek na vypočítanú teplotu - najvhodnejšie je zohrievať zložky s najväčšou tepelnou kapacitou (tab. 1). Priamo na stavenisku resp. na mieste zabudovania je potrebné podľa [9] vykonať také opatrenia, aby nedošlo k zamrznutiu (celkovému alebo lokálnemu) betónu. Podklad (hornina, debnenie) musia mať takú teplotu, aby nespôsobila zamrznutie betónu. Rovnako je potrebné z debnenia a/alebo výstuže odstrániť ľad, sneh alebo prípadne výraznú námrazu, aby nedošlo k lokálnemu zhoršeniu kvality betónu.

Obalenie a ochrana konštrukcie tepelnými izoláciami pred stratou tepla. Obdobnou metódou je aj vytvorenie uzavretého priestoru, ktorý sa vykuruje na požadovanú teplotu (obr. 10 a 11). Princípom je vytvorenie takej teploty prostredia pre tuhnutie a tvrdnutie betónu, aby nedošlo k jeho zamrznutiu alebo aby sa dosiahlo požadované tempo nárastu pevností. Tento spôsob sa zvykne využívať napríklad pri betonáži stropov tak, že sa vykuruje priestor pod aktuálne betónovaným stropom. Princíp elektroohrevu spočíva vo využití prúdového odporu, ktorý kladú použité vybrané odporové vodiče priechodu elektrického prúdu, čím dochádza k ich riadenému ohriatiu na vopred stanovenú teplotu. Elektrický odporový ohrev sa realizuje pomocou elektrického odporového vodiča a s použitím vhodného transformátora. Jedným transformátorom sa dá ohriať plocha 50 - 60 m2 (cca 10 m3). Na transformátor sa napájajú samostatné sekundárne vinutia, na každé možno zapojiť jeden okruh vodiča - jednu slučku. Výhrevný drôt sa upevňuje na výstuž zo strany debnenia pomocou ôk tak, aby výhrevný drôt neležal priamo na výstuži. Zároveň musí výhrevný drôt pokrývať plochu betónovej konštrukcie rovnomerne. Vzdialenosť vodičov od seba by mala byť 15 - 25 cm, aby nenastávali nedovolené rozdiely teplôt v betónovej konštrukcii. Drôt zostáva trvalo zabetónovaný v konštrukcii. Ohrievanie konštrukcie pomocou výhrevného drôtu a priebeh teploty pri tomto ohreve má najbližšie k trojfázovému režimu (obr. 11). Dochádza pri tom k ohrievaniu konštrukcie na predpísanú teplotu (max 65 °C), následné udržiavanie konštantnej teploty pomocou transformátorov s plynulou reguláciou a pomalému chladnutiu.

Záver

Zimná betonáž je, nielen na Slovensku, problematická aj vďaka prevládajúcej snahe o navrhovanie subtílnych monolitických konštrukcií. Nie je ale nemožná, o čom sa presviedčame každú zimu. Možno viac ako inokedy je dôležitá technologická príprava a optimalizácia prijímaných opatrení pre zefektívnenie výstavby.

Ing. Peter Briatka, TSÚS, Bratislava Ing. Lenka Strigáčová, SvFSTU, Bratislava Recenzent: Doc. Ing. Vladimír Benko, PhD. SvF STU, Bratislava Foto: archív autorov

Literatúra:
[1]Juríček, I.: Technológia pozemných stavieb - hrubá stavba, Jaga, Bratislava, 2001
[2]Bajza, A., Rouseková, I.: Technológia betónu, Jaga, Bratislava, 2006
[3]Schindler, A.K.: Effect of temperature on hydration of cementitious materials, Technical paper, ACI Materials Journal/January - February, American Concrete Institute, USA, 2004
[4]ACI 306R-88: Cold Weather Concreting - Technical Report, American Concrete Institute, Farmingtonhills,
Reapproved 2002, p. 23
[5]SHMÚ: Klimatodiagrami,
http://www.shmu.sk/sk/?page= 1611
[6]NRMCA: Concrete In Practice 27 -Cold Weather Concreting, National Ready Mixed Concrete Association, Silverspring, 2010, p. 2
[7]Briatka, P.: Optimalizácia technológie realizácie priemyselných podláh -písomná časť dizertačnej skúšky, Stavebná fakulta STU, Bratislava, 2009, p. 200
[8]Wylie, K.: Cold-Weather Concreting, NMRMCAA meeting in Albuquerque, USA, November 7, 2007
[9]STN P ENV 13670-1:2001 - Zhotovovanie betónových konštrukcií. Časť 1: Spoločné ustanovenia
[10] Cement Concrete & Aggregate Australia: Cold-Weather Concreting
- Data Sheet, CCAA, Sydney, 2004,
p. 4
[11] STN EN 1015-9/A1 - Metódy skúšania mált na murovanie. Stanovenie času spracovateľnosti čerstvej malty a jeho spresnenie.
[12] Českomoravský beton: Beton -suroviny, výroba, vlastnosti, 2. vydanie, 2005
[13] Altner W, Reichel W.: Urýchľovanie tvrdnutia betónu. Alfa Bratislava,
1982
[14] Použitie elektroohrevu v praxi: http://betonbohemia.cz/sluzby_pro-najem

Páčil sa vám článok?

áno: 220     nie: 199

Odporúč

pošli na vybrali.sme.sk

 

Odporúč známemu


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všetky práva vyhradené. Ochrana údajov –  Podmienky poskytnutia služby