4/8.2 Výroba betonových a železobetonových konstrukcí v zimních podmínkách 1. Podmínky a předpoklady zimní betonáže Úvod V porovnání s mnohými stavebními procesy, které můžeme v nepříznivých zimních podmínkách provádět bez omezení, musíme výrobu, dopravu, zpracování a ošetřování čerstvého betonu při nízkých teplotách považovat za jednu z nejobtížnějších výrobních činností při realizaci navrženého stavebního objektu. Betonáž v období, kdy klesá průměrná teplota pod +5º C, klade náročné požadavky na úplné a komplexní zajištění nejen vlastního procesu betonáže, ale i celé stavby. Znamená to, že je třeba ochránit proti mrazu a nízkým teplotám celý rozsáhlý soubor technologických prvků stavební výroby. Jde o zabezpečení jednotlivých složek betonu, jako jsou skládky kameniva, cementu, vody, míchacího centra betonárky. Následně je nutné zajistit vhodnou dopravu na místo uložení, upravit průběh ukládání čerstvého betonu do konstrukce a ošetřování tvrdnoucího betonu. Často je nutné zabezpečit před chladem celou vytvořenou konstrukci po dobu, kdy dochází k tuhnutí (hydrataci cementu) a tvrdnutí betonu. Klimatické poměry v České republice Zimní betonáž vyžaduje od všech pracovníků, kteří ji připravují, realizují a kontrolují, bezpečnou znalost chování čerstvého betonu spolu s potřebnými znalostmi technickými a technologickými. Ne všechny způsoby zimní betonáže které jsou ve světě používány, lze totiž beze zbytku aplikovat na klimatické poměry České republiky. Průběh zimního období v převažujících oblastech ČR a průměrný počet dnů, které mají zásadní vliv na výrobu a ukládání betonu je v následující tab. č.1 Počet dnů v roce s průměrnou teplotou začátek období konec období nižší než +5º C 146 28.10. 4.4. nižší než 0º C 74 3.12. 28.2. nižší než 0,1º C 34 nárazově leden - únor Tab.1: Klimatické poměry v ČR (průměr)
K charakteristickému průběhu zimy na většině našeho území navíc patří časté a značné kolísání teplot, kdy se střídají mrazy s oblevami a kolísání teplot během dne a noci. Z tabulky je jasně vidět, že betonáž v chladném a zimním období nemůže být v ČR považována jenom za okrajový problém, protože ohrožení betonáže nízkou teplotou je reálné téměř po dobu šesti měsíců. Z klimatických poměrů v naší zemi dále vyplývá, že celý proces od výroby betonu až po jeho ochranu v konstrukci je nutné zvláštními opatřeními zabezpečovat před mrazem po celé tři měsíce. Zjištění místních podmínek Opatření pro zajištění normou požadovaného průběhu betonářských prací znamenají ve všech případech vyšší náklady na stavební činnost. Je tedy jen na dodavateli betonových konstrukcí, která z možných opatření zvolí. Prvním krokem musí vždy být upřesnění klimatických podmínek pro danou polohu staveniště. Potřebné údaje sdělí Český hydrometeorologický ústav. Dotaz může být doplněn i žádostí o sdělení dalších potřebných údajů, kterými jsou sněhové podmínky, (obvyklá doba trvání sněhové pokrývky, její výška apod.), nebo převažující směry a síla větru. Poté lze zvolit optimální řešení zimních opatření tak, aby byla zajištěna odpovídající jakost hotové betonové konstrukce s minimalizováním nákladů na provedení konstrukce. Kontrola technickým dozorem investora V zemích s vyspělým tržním hospodářstvím je rozhodnutí o zimní betonáži většinou přenecháváno na objednateli stavebního díla. Ten, souběžně s určením požadovaných termínů dodávky, souhlasí i s navýšením rozpočtové části stavby o náklady na opatření umožňující betonáž za nízkých teplot. Panuje názor, že zimní období je téměř ideální pro betonáže velkých kubatur do masivních konstrukcí, s přiměřenou ochranou před účinky nízkých teplot. V těchto případech je podíl nákladů na tepelnou ochranu, vztažený k objemu betonu, většinou velmi malý a tedy rovněž ekonomicky únosný. Na stavbě, kde podle projednaného časového plánu bude zhotovitel monolitické konstrukce provádět betonáž za nízkých teplot, by měl technický dozor investora vyžadovat od odpovědného zástupce dokumentaci jeho přípravy na zimní betonáž. Je totiž smutnou skutečností, že mnohé (zejména menší a nespecializované) stavební firmy neváhají riskovat v krátkém období kolísání teplot mezi mrazem a táním a provádějí betonáž bez dokonalého zajištění stavby proti mrazu. Dopady na kvalitu a bezpečnost konstrukce mohou být v takovém případě katastrofální. Velmi proto záleží na osobních kvalitách dozorového orgánu, který musí vždy trvat na
splnění normových podmínek. Technický dozor investora by měl proto se zhotovitelem monolitické konstrukce spolupracovat již při výběru nezbytných opatření pro betonáž za nízkých teplot a teplot pod bodem mrazu. Pří výrobě důležitých nosných prvků by pak oba partneři měli v přípravné fázi konzultovat návrh i s dalšími odborníky (betonáři, statiky, energetiky atp.) Normy pro betonáž za nízkých teplot Zařazení výrobního procesu betonování konstrukce lze doporučit do teplotně vyhovujícího období roku. Přesto je betonáž v nepříznivých zimních podmínkách mnohdy nevyhnutelná a v celé řadě zeměpisných oblastí ve světě je proto běžnou technologií. Legislativně však není nikde podchycena samostatná direktiva nezbytných konkrétních opatření pro možnosti betonáže za nízkých teplot a zejména betonáže pod bodem mrazu. Prakticky na celém světě však panuje shoda ve stanovisku, že hydratační proces v betonu s cementovým pojivem může probíhat pouze za teploty, která je vyšší než + 5º C. K tomu je třeba vytvořit podmínky a tomu musí odpovídat také příslušná opatření k zateplení konstrukce nebo k jejímu nezbytnému ohřevu. Stav poznání této problematiky je v ČR vyjádřen ČSN EN 13670 (73 2400) Provádění betonových konstrukcí a částečně i ČSN EN 206-1 (73 2403). Z cizích norem je zapotřebí uvést německou DIN 1045 Beton und Stahlbeton, Bemessung und Ausführung. Dále je problematika ošetřování betonu za nízkých teplot zpracována v Richtlinie zur Nachbehandlung von Beton, Fassung Februar 1984. (Deutscher Ausschuß für Stahlbeton - DAfStb). V ČSN 13670 se vymezují zásady a opatření při betonování za nízkých teplot již v těch případech, kdy průměrná teplota prostředí v průběhu alespoň 3 dnů po sobě je nižší než +5º C v těch případech, kdy se provádí konstrukce z betonů s portlandskými cementy. U konstrukcí z betonů ze směsných cementů je tato hranice +8º C, přičemž nejnižší denní nebo noční teplota neklesne pod 0º C Průměrná teplota prostředí Jak působí chlad a mráz na čerstvý beton? Je třeba vycházet z toho, že totální zpomalení hydratace cementu začíná již při teplotě +5º C a při jejím dalším poklesu se úplně zastavuje. Při teplotách pod bodem mrazu dochází navíc ke změně skupenství vody obsažené v betonu a tím ke zvětšení jejího objemu o známou hodnotu na výsledný objem 1,09 -krát. Znamená to,
že zhutněný a zpracovaný čerstvý beton (cementový) v konstrukci, která zmrzla v době před započetím procesu hydratace nebo v jejím počátku, se o uvedenou hodnotu nakypří. Tím změní svou objemovou hmotnost a v konečném výsledku rovněž i celkovou pevnost. Platí to zejména v těch případech, kdy velmi rychle a intenzívně zmrzne celý objem položeného čerstvého betonu, jak tomu může být např. u tenkých konstrukcí. Zmrzne-li však v konstrukci pouze část položeného betonu, pak se valnou většinou tato část v celém svém novém zmrzlém objemu oddělí od nezmrzlého objemu betonu. Přestože následně dojde k hydrataci i v této kvalitativně odlišné části, homogenita konstrukce je již výrazně porušena oddělovacími trhlinkami a může proto dojít k vážným poruchám konstrukce, případně až k její destrukci. Podmínky pro dobrý průběh zrání betonu Ke klidnému průběhu hydratačního procesu je třeba vytvořit podmínky a tomu musí odpovídat také příslušná opatření k zateplení konstrukce nebo k jejímu nezbytnému ohřevu. Lze konstatovat a zdůraznit, že v žádném případě nesmí být porušena zásada umožnit hydrataci cementu zajištěním potřebné teploty. Základem je přitom požadavek, aby čerstvý beton při ukládání do konstrukce měl teplotu, která zajistí započetí hydratačního procesu po jeho uložení a zabezpečí po dobu nejméně 170 hodin trvalou teplotu nad hodnotou vyšší, než je +5º C. To znamená, že při počátku tuhnutí, kdy je zahájena hydratace cementu musí být stále teplota uloženého betonu nad hodnotou +5º C, přičemž beton musí být zajištěn proti případnému vnějšímu ochlazování, které by mohlo zastavit hydrataci cementu, nebo následně způsobit zmrznutí nevázané volné vody v uloženém betonu. Kritickým dnem bývá 3. až 4. den po betonáži, kdy pevnost betonu je ještě malá, avšak počáteční bouřlivá hydratace spojená s nárůstem teploty je ukončena a beton již proto nevyvíjí dostatečnou teplotu. Ze záměsové vody je pro hydrataci cementu dosud spotřebována pouze část, uložený beton je přesycen vodou a může tedy dojít k omrznutí povrchu ještě mladého betonu. 2. ZPŮSOBY BETONÁŽE V ZIMNÍCH PODMÍNKÁCH Betonování v zimě není otázkou pouze zajištění vhodné teploty místa ukládání čerstvého betonu do konstrukce, ale je to celý komplex souvisejících činností a opatření, bez kterých je tento způsob betonáže prakticky jen složitě uskutečnitelný. Pro zimní betonáže se používá celá řada opatření ve vzájemné kombinaci od výroby
teplých až horkých betonů, přes přímý či nepřímý ohřev uloženého čerstvého betonu a následně tvrdnoucího betonu až po použití přísad bránících zmrznutí vody ve zpracovaném betonu tam, kde to konstrukce a její následné užití dovoluje. Způsoby zajištění betonáže za zimních podmínek Dostupné způsoby užívané při betonáži za zimních podmínek: a) Způsoby upravující vlastnosti vyráběného čerstvého betonu 1. použití výhradně portlandských, případně rychlovazných cementů; 2. zvýšení dávky cementu za současného snížení vodního součinitele; 3. vyrobení teplého (horkého) čerstvého betonu a využití jeho tepelné setrvačnosti a) ohřevem záměsové vody, b) ohřevem některé frakce kameniva, c) ohřevem všech složek až na teplotu vyrobeného betonu + 60º C 4. použití chemických prostředků proti zmrznutí vody v betonu; 5. použití chemických prostředků pro urychlení hydratačního procesu; b) Způsoby udržující vyhovující podmínky pro tuhnutí a tvrdnutí betonu 1. nepřímý ohřev uloženého betonu horkým vzduchem; 2. nepřímý ohřev uloženého betonu horkou párou; 3. přímý ohřev uloženého betonu vyhřívaným bedněním; 4. přímý ohřev uloženého betonu tepelnými matracemi; 5. přímý ohřev uloženého betonu vnitřním vytápěním provedeného prvku a) trubkovým rozvodem teplé vody, b) trubkovým rozvodem páry, c) využitím elektrického odporu ocelové výztuže, d) topnými elektrickými vodiči. Všechny uváděné způsoby zajištění zimní betonáže vyžadují kromě jiného pečlivé zateplení vytvářené betonované konstrukce. Tepelná energie, ať již vyvozená normální nebo urychlenou hydratací nebo dodaná jiným zdrojem tepla, musí být izolována od vnějšího chladného nebo mrazivého prostředí. Je zapotřebí si znovu a znovu uvědomovat, že přípravu pro betonáž v zimě je nutné zajišťovat dle předpokládaného rozsahu výroby v celém souhrnu navazujících opatření. Využití pouze části některých způsobů, nebo opomenutí hlavních zásad je velmi riskantní a zpravidla vede k nekvalitnímu výsledku.
3. ZIMNÍ OPATŘENÍ PŘI VÝROBĚ BETONU Opatření ve výrobně betonu Pro výrobu betonu v zimním období je nezbytné zajistit na betonárce tato opatření: 1. Zateplit míchací jádro betonárky tepelnou izolací, případně zajistit jeho ohřev horkým vzduchem. 2. Zajistit vodní hospodářství proti zamrznutí izolací, případně vyhřívacími kabely, nebo obojím. 3. Zajistit pravidelné sledování počasí, nejlépe přes internet a zaznamenávat předpověď teploty minimálně na tři dny dopředu. 4. Průběžně sledovat v místě teploty ovzduší kontinuálním nebo digitálním zapisovačem teplot po dobu 24 hodin denně a denně je vyhodnocovat. 5. Sledovat minimálně 4x denně teplotu kameniva, vody, cementu, případně i dalších složek směsi a teplotu vyrobeného čerstvého betonu v době betonáže. 6. Při teplotách nižších než +3º C zajišťovat skládky kameniva proti sněhu a mrznoucí vodě nejlépe plachtami. 7. Zajistit ohřev záměsové vody přidávané do míchačky, nejlépe až na teplotu +80º C 8. Při poklesu teploty kameniva na méně než -1º C zajistit ohřev alespoň frakce drobného těženého kameniva párou nebo horkým vzduchem až na teplotu max. +30º C. 9. Při předpokládaném poklesu teploty na méně než + 5º C používat zásadně čistý portlandský cement nejlépe třídy I. 42,5 "R" a při předpokládaném dalším poklesu teplot zvýšit dávkování cementu proti původnímu návrhu až o 10%. 10. Přeprogramovat postup dávkování složek do míchačky a při použití horké vody prodloužit míchací cyklus voda - kamenivo před přidáním cementu až na 90 sek Pro získání požadované teploty míchaného čerstvého betonu za nízkých teplot je nutné ohřívat buď záměsovou vodu, nebo kamenivo anebo obojí. Výpočet potřebné teploty je následující: Předběžná kontrola stavbyvedoucím Při odběru betonu formou transportbetonu je nezbytné, aby odběratel (stavba) velmi pečlivě prověřil možnosti výrobny betonu a ověřil si, zda je výrobna betonu schopna i za nízkých teplot plnit požadované parametry vyráběného betonu, tedy zajistit výše uvedená opatření pro výrobu betonu za nízkých až záporných teplot.
Použití výhradně portlandských, případně rychlovazných cementů Čisté portlandské cementy bez obsahu příměsí (označované CEM I) mají poměrně rychlý nárůst pevnosti a s tím spojený vývin hydratačního tepla. Příměsi v cementu, jako např. vysokopecní struska, případně jiné kompozitní materiály s hydratační schopností prakticky ve všech případech zpomalují jak nárůst počátečních pevností, tak i vývin hydratačního tepla. Cementy s příměsmi nejsou proto dobré k výrobě betonů v zimním období, neboť jejich použití je nejvhodnější právě v těch případech, kdy je vývin hydratační teploty v betonu třeba omezovat. Vliv vodního součinitele Čistý portlandský cement třídy I. 42,5 R při vodním součiniteli (poměr vody a cementu) w = 0,4 dokáže vyvinout hydratační teplo až o +28º C vyšší, než tentýž cement s vodním součinitelem w = 0,5, jak ukazuje graf na obr.1. To znamená, že při běžném kamenivu a dávce 400 kg cementu na 1 m 3 dojde hydratací ke zvýšení teploty uloženého betonu až o +12º C. Vyšší vodní součinitel nejenže zpomaluje nárůst počátečních pevností, ale také hydratační teplo je výrazně nižší. Obr. 1: Vliv vodního součinitele w na vývoj hydratačního tepla cementu třídy I.42,5 R Aby bylo možné pro zimní období zajistit toto poměrně nízké číslo vodního součinitele w a současně zachovat požadovanou zpracovatelnost, je naprosto nutné použít plastifikující, případně ztekucující přísady. Vyplývá z toho také, že určitým zvýšením množství cementu v čerstvém betonu a použitím plastifikujících přísad lze částečně zvýšit i celkovou teplotu betonu. Horký čerstvý beton Jedním ze způsobů umožňujících betonáž v zimním období je využití tepelné setrvačnosti čerstvého betonu, který je při výrobě předehřát na určitou dosažitelnou teplotu. Tento způsob má však své specifické podmínky, které musí být pro zajištění požadovaných vlastností betonu respektovány. Jak vyplývá z výše uvedeného
výpočtového vzorce je možno teplotu směsi zajišťovat několika způsoby jednotlivě, nebo v kombinaci. V každém případě však pro výrobu betonu ohřevem kterékoliv složky směsi je naprosto nezbytné změnit postup dávkování složek do míchacího jádra betonárky. Standardním postupem se musí stát zásada, že cement jako hlavní hydratační složka bude dávkován do míchačky jako poslední. Ohřívá-li se pouze záměsová voda, pak je třeba, aby do míchacího jádra bylo nadávkováno nejprve kamenivo a následně asi 80% potřebné vody, která je ohřátá (vřelá). V takovém případě není totiž její teplota omezena. Mícháním s kamenivem předá část své teploty kamenivu a zbaví je případných zmrazků a ledových krystalů. Doba míchání směsi kameniva s 80% záměsové vody je minimálně 60 sek. Teprve následně je možné přidávat příslušné množství cementu a po dalších 60 sek. míchání lze směs doplnit o zbývající vodu společně s dávkou případných přísad. Teplota doplňkové vody by neměla překračovat +60º C. Doba zbytkového míchání je opět 60 sek. Jeden míchací cyklus v betonárce bude tedy trvat minimálně 3 minuty a to i za předpokladu, že vyrobený beton je přepravována dále autodomíchávačem. Při ohřevu některé z frakcí kameniva je postup obdobný. Z míchaných složek kameniva se předehřáté kamenivo dávkuje do míchacího jádra jako poslední. Následně je dodáváno potřebných 80 % záměsové vody, která může být rovněž předehřátá. Po 60 sec. míchání je jako poslední dávkován cement a zbytek záměsové vody s přísadami. Při dávkování suchých přísad musí být doba míchání po jejich nadávkování do směsi minimálně dalších 90 sek. Samozřejmě lze ohřívat všechny složky čerstvého betonu až na výslednou teplotu betonu + 60º C. V tomto případě je postup dávkování jednotlivých složek do míchacího jádra betonárky stejný. Ovšem ani cement, ani přísady nesmí být do míchaného kameniva dávkovány s vyšší teplotou než 60º C. Chemické prostředky proti zmrznutí betonu Přísady proti zmrznutí betonu umožňují betonáž za poměrně velmi nízkých teplot, často až do -10º C. Princip jejich užití spočívá v tom, že za mrazu přísada znemožňuje, až do určité kritické záporné teploty, změnu skupenství vody v čerstvém betonu z kapalného na pevné. Za těchto okolností nedojde u zhutněného a zpracovaného betonu k jeho nakypření mrazem. Beton si zachovává svůj tvar, neboť hydratace cementu je zastavena. Teprve v době zvýšení teploty prostředí nad +5 ºC pokračuje hydratační proces bez jakýchkoliv následků dále.
Jedná se vesměs o přísady na bázi močoviny, které nijak neovlivňují ani spojení oceli s betonem, ani možnost korose oceli. Dle množství použité dávky však zabraňují zmrznutí záměsové vody v čerstvém betonu velmi účinně až do teploty -10º C. Omezení užití přísad na bázi močoviny Dochází přitom ale k rozkladu diamidu kyseliny uhličité v alkalickém prostředí betonu a k jeho chemické reakci s hydroxidem vápenatým Ca (OH) 2 obsaženým v hydratujícím cementu. Při reakci se uvolňuje plynný amoniak a provedené objekty jsou vzhledem k zápachu neobyvatelné, přestože tyto čpavkové výpary jsou poměrně hluboko pod mezí zdravotní škodlivosti. Proto o použití takto vymezených přísad je možné uvažovat pouze u objektů a staveb, kde aplikace přísad na bázi močoviny nemůže snižovat jejich užitnou hodnotu. Musí to tedy být objekty otevřené, spíše inženýrského charakteru. Zde jsou výpary amoniaku snadno rozptylovány do volného prostředí. K vyčerpání uvedené chemické reakce dochází dle množství použité přísady proti zmrznutí betonu do jednoho roku až do dvou let. Chemické prostředky pro urychlení hydratace Nejběžnějšími přísadami jsou chemické prostředky, které ve svém principu urychlují hydratační proces a tím způsobují i rychlejší a větší vývin hydratačního tepla. Jsou vyráběny na bázi chloridů, které urychlují tuhnutí a tvrdnutí cementu, nebo jsou vyráběny na bázi jiných chemických aktivátorů, které rovněž umožňují rychlejší nastartování hydratačního procesu a současně jeho rychlejší průběh. Omezení užití přísad na bázi chloridů Jak ukázala praxe, je jejich použitelnost přísně omezena skutečností, že přísady na bázi chloridů vysoce ovlivňují korozi oceli a nelze je proto použít do železobetonových konstrukcí. Jiné přísady, např. na bázi rhodanidu (thiokyanatanu) a dalších chemických látek, jsou pro užití vhodnější. Lze je užít i v obytných budovách neboť nevylučují žádné škodlivé výpary. Nabídka na trhu a certifikace V současné době je na českém stavebním trhu velké množství přísad pro zimní betonáž do betonu. Jsou různé kvality i ceny. Skutečností však zůstává, že značná část z těchto přísad není doposud pro použití v České republice certifikována schvalovacím orgánem. Při sporu objednatele se zhotovitelem může být použití takovéto neschválené přísady rozhodujícím faktorem pro stanovení míry zavinění nevyhovující jakosti provedené stavby. Pro dozorové orgány z této skutečnosti vyplývá povinnost důsledně vyžadovat potřebné doklady od dodavatele čerstvého
betonu a zároveň si ověřit, zda použitá přísada neobsahuje výše uvedené látky, které omezují její použití pouze na některé druhy konstrukcí. Zimní opatření při dopravě betonu Při přepravě teplého čerstvého betonu autodomíchávači na staveniště v zimě, není úbytek teploty během dopravy zvláště výrazný. Podmínkou ovšem je, aby autodomíchávač byl zaplněn betonem na plnou hmotnost své štítkové kapacity. Hodnoty poklesu teploty jsou v tabulce č.2 Tabulka č. 2 doba jízdy [min] 10 až 20 20 až 40 vnější teplota výchozí teplota [º C] betonu [º C] pokles teploty [º C] 0 až -5 20 0 až 1-5 až -10 20 0 až 2-10 až - 15 20 1 až 2 0 až -5 20 0 až 2-5 až -10 20 1 až 2-10 až -15 20 2 až 3 Ztráta teploty čerstvého betonu při vyprazdňování a dopravě otevřeným žlabem na vzdálenost ne delší než 5 m a při vnější teplotě prostředí -10º C činí cca 2 až 3º C. Za předpokladu nepřetržitého pohybu betonu v potrubí má ztráta teploty při dopravě betonu čerpadlem přibližně stejnou hodnotu a zateplování (izolace) potrubí se zpravidla neprovádí 4. ZIMNÍ OPATŘENÍ PŘI UKLÁDÁNÍ BETONU DO KONSTRUKCE Betonáž na přirozeném zemním podkladu Provádí-li se betonáž na přirozeném zemním podkladu, pak v celém období před betonáží nesmí dojít k jeho zmrznutí. Mrazem se totiž nakypří původně zhutněný podklad do velmi nepravidelné hloubky. Při zvýšení teploty nad bod mrazu nastane jeho nepravidelné sesedání, které může způsobit porušení celistvosti uloženého betonu. Betonáž na zeminu je proto nutné zajistit včasnou tepelnou ochranou podloží v dostatečném předstihu před příchodem mrazů a započetím betonářských prací.
Betonáž do bednění Závažným problémem je betonáž tenkých desek na promrzlý podklad. Zde nejde o betonáž na zmrzlou základovou spáru při betonování na zemní podloží, ale též o problematiku betonáží na ztracené bednění, kterým jsou dnes zejména filigránové desky stropních konstrukcí. V těchto případech je vždy naprosto nezbytné, aby i ztracená bednění měla při pokládce betonu teplotu vyšší, než +5º C. Tu si musí udržet po celou dobu 72 hodin (viz níže bod 5)! Jednou z nejdůležitějších činností pro zajištění výsledné kvality díla je ukládání betonu do konstrukce (do bednění), jeho ochrana a rovněž následné ošetřování. V zimním období jsou základními prvky této činnosti: 1. Zateplení bednění stěn a stropů. Důležitá je zejména ochrana proti větru a proti silnému proudění studeného vzduchu. 2. Odstranění sněhu, ledových zmrazků a jinovatky z bednění a z dříve položeného betonu. Provede se nejlépe se proudem horkého vzduchu z teplovzdušného agregátu. 3. Využití teplovzdušného agregátu k ohřevu kontaktních ploch podkladu a bednění na teplotu alespoň +5º C. 4. Zabránění odparu vody položením ochranné folie z měkčeného PVC na povrch betonu již uloženého a zpracovaného je nutné zejména u vodorovných a šikmých konstrukcí. Povrch lze opatřit případně také ochranným postřikem, který spolehlivě zabraňuje odparu vody z uloženého betonu. 5. Využití položené ochranné folie jako podkladu k položení tepelné izolace. K ochraně proti zvlhnutí je tepelnou izolaci třeba vždy překrýt další folií. 6. Vytvoření takových podmínek, aby uložený beton byl udržován v kladných teplotách nad +5º C po dobu nejméně 72 hodin. Pokud došlo během této doby k poklesu teploty v uloženém betonu do oblasti teplot nižších než +5º C, musí být doba udržování teploty o celou dobu poklesu prodloužena. 7. Kontrola průběhu nárůstu pevnosti betonu od počátku betonáže nedestruktivními zkouškami a číselné nebo grafické zaznamenání (dokladování) zjištěného průběhu 8. Zabránění vzniku tepelného šoku uloženého betonu. Zpracovaný beton nesmí být při následném ohřevu šokován vyšší teplotou, než je jeho stávající teplota v době ošetřování. Pokud je použito následného proteplování, musí se zajistit pozvolný nárůst teploty proteplovaného betonu.
9. Pro určení vhodnosti betonáže a provádění příslušných opatření jsou rozhodující průměrné denní teploty, nikoliv krátkodobé výkyvy teploty zaznamenávané zejména v časných ranních hodinách. Na to je třeba pamatovat při sledování průběžných denních teplot Pasivní tepelná ochrana konstrukcí před zmrznutím při tuhnutí a tvrdnutí Pro usnadnění tepelné ochrany stavby je mnohdy třeba změnit stavební postupy oproti běžným zvyklostem tak, aby byly jednotlivé části stavěného objektu postupně uzavírány a získala se tím možnost přiměřeného vyhřívání vybudovaných celků. V praxi se používá celá řada tepelných zabezpečení konstrukce, od jejího celkového obalení tzv. teplákem a temperování jeho vnitřního prostoru, až po individuální ochranu jednotlivých částí, např. oboustrannou tepelnou isolací bednění. Samozřejmě, že rozhodujícím činitelem určujícím rozsah tepelné ochrany konstrukce bude dané zimní období, ve kterém je betonáž prováděna a předpokládaná teplota v následujících 70 (minimálně) hodinách po uložení betonu do konstrukce. Vhodnou tepelnou ochranou bednění jsou polystyrénové desky, případně jiné tepelně isolační hmoty. Musí se použít v tloušťce, která odpovídá potřebnému koeficientu tepelné prostupnosti pro udržení požadované teploty v konstrukci. V tabulce č.3 jsou uvedeny použitelné materiály s uvedením jejich tepelné prostupnosti a hodnoty pro hmoty používané na bednění, dle ČSN 73 05 42. Tabulka č. 3 Materiál Objemová hmotnost [kg.m -3 ] Součinitel tepelné prostupnosti (W.m -1.K -1 ) pěnový polystyren 40 0,043 pěnový polyuretan 40 0,043 minerální vata volná 60 0,091 minerální rohože 270 0,081 ve stlačeném stavu hobra 230 0,076 dřevotřískové desky 500 0,085 třískocementové desky 800 0,36 heraklit 1000 0,34 voda 1000 0,55 filigránové desky *) 2400 1,57 beton 2300 1,43 *) filigránové desky jsou uvedeny k ilustraci jejich malé tepelně isolační schopnosti Při použití jakékoliv tepelné izolace je naprosto nezbytné, aby byla chráněna proti možnému zvlhnutí, či proti úplnému nasycení vodou, protože součinitel její tepelné
prostupnosti by pak byl roven nebo by se blížil uvedenému součiniteli pro vodu ( =0,55). Ohřev uloženého betonu Nepřímý ohřev uloženého betonu horkým vzduchem Velmi častým a účinným prostředkem pro zajištění zimní betonáže je vytápění betonovaného objektu horkým vzduchem. Tento způsob lze použít zejména v takových případech, kdy lze zabezpečit objekt, nebo jeho část vhodným teplákem, který vytváří ochranu proti teplotě vnějšího prostředí a zejména proti větru. Současné teplovzdušné agregáty mají dostačující kapacity vývoje teplého vzduchu pro jakékoliv objekty. Nevýhodou tohoto způsobu ohřevu je nebezpečí možného přeschnutí betonu v době hydratace vyšším odparem vody. Zároveň platí pravidlo, že zhotovená betonová konstrukce nesmí být po dobu minimálně 200 hodin přehřáta na teplotu vyšší než +60º C. Nepřímý ohřev uloženého betonu horkou párou Z nepřímých ohřevů je tento způsob jedním z nejlepších. Vyžaduje podstatně menší ochranu vybudovanými teplákovými konstrukcemi, než je tomu u horkého vzduchu. Při jeho užití platí stejné zásady jako u nepřímého ohřevu horkým vzduchem. Nevýhodou nepřímého ohřevu horkou párou je skutečnost, že pára vyvíjená velkokapacitními vyvíječi páry znemožňuje přítomnost pracovníků v párou zaplňovaných částech objektu. Vzhledem k vysoké kondenzaci par na ochlazovaných částech tepláku, kde kondenzát mrzne a značně zatěžuje vybudovanou konstrukci, musí návrh i vlastní provedení pomocných konstrukcí z hlediska pevnosti a únosnosti s touto skutečností stále počítat. U nepřímých ohřevů dále platí, že přenos tepla do uloženého betonu bednicím pláštěm z materiálů na bázi dřeva (prkna, desky) je díky nízkému součiniteli tepelné prostupnosti tohoto materiálu relativně nízký. Nepřímé ohřevy proto např. u stropních konstrukcí spíše zamezují prochládání betonu ze strany bednění a slouží k udržení teploty čerstvého betonu. Tímto způsobem zpravidla nelze docílit zvýšení teploty, je-li ho z nějakých důvodů zapotřebí. Přímý ohřev uloženého betonu vyhřívaným bedněním Uložený beton je možné přímo ohřívat pomocí vyhřívaného bednění. Podle vybavení stavby lze bednění vyhřívat celou řadou systémů, které dovoluje zařízení staveniště.
Užívá se k tomu speciálního systémového dvouplášťového bednění, které je z vnější strany opatřeno tepelnou ochrannou isolací. K ohřevu bednění se používá topných elektrických kabelů, trubek z polyetylénu jako teplovodního vedení apod. Ohřev musí být zajištěn tak, aby ani při tomto způsobu ohřevu nepřekročila teplota betonu hodnotu 60º C. Vyhřívané bednění je mimořádným opatřením, které je zapotřebí vždy konzultovat s firmou, která bednění vyrábí a prodává (půjčuje). Obvykle je vhodnější a hospodárnější použít metody přímého ohřevu vnitřním vytápěním. Přímý ohřev uloženého betonu vyhřívacími matracemi Tento způsob ochrany má své užití při betonáži plošných vodorovných konstrukcí. Vzápětí po betonáži stropů se upravený povrch betonu překryje elektricky vytápěnými matracemi. Tak lze udržovat určitou regulovanou teplotu po celou dobu tuhnutí a tvrdnutí betonu. Matrace jsou zpravidla v přímém kontaktu s uloženým betonem, jejich účinnost je ovšem snižována přirozeným tokem tepla, který jde proti směru ohřevu. Proto tento způsob ohřevu často vyžaduje ještě dodatečnou ochrannou tepelnou izolaci jak položených matrací, tak bednění na spodním (odvráceném) líci konstrukce, případně kombinaci s nepřímým ohřevem prostoru pod bednění horkým vzduchem. Přímý ohřev uloženého betonu vnitřním vytápěním Tento ohřev má celou řadu modifikací, které jsou vesměs dány charakterem stavby. Samozřejmě lze použít kterýkoliv z možných způsobů rozvodu tepla v konstrukci, ale především se jedná o otázku projektového řešení, dispozice stavby, jejího účelu a zejména o navýšení nákladů proti původním rozvahám. Z běžných možností ohřevu se zdrojem uvnitř konstrukce lze použít: - ohřev trubkovým rozvodem teplé vody, - ohřev trubkovým rozvodem páry, - ohřev využitím ocelové výztuže, - ohřev rozvodem topnými elektrickými vodiči. Všechny uvedené rozvody tepla vytváří podmínky pro vnitřní ohřev položeného čerstvého betonu. Před konečnou volbou způsobu ohřevu je třeba pouze prověřit, zda v projektovém řešení budované konstrukce není jako trvalé zabezpečení budoucího vytápění a ohřevu konstrukce uvažována některý z nich.v běžné stavební praxi se nejčastěji jedná o systém vnitřního vyhřívání betonu v budoucí konstrukci stavby přímým elektroohřevem topnými vodiči. Je třeba si ale uvědomit, že systém
podlahového vytápění je většinou umísťován do vrstvy plovoucí podlahy a je tedy mimo nosnou konstrukci stropů. Pokud však je tento způsob vytápění součástí projektového řešení, je samozřejmě možné jej za určitých okolností v plné míře využít. Elektroohřev betonu zabudovanými topnými vodiči O užití vnitřního elektroohřevu betonu pro zimní betonáž musí být rozhodnuto daleko dříve, než dojde k realizací. Jak již bylo uvedeno, jde totiž o jedno opatření z celé řady, které nelze použít bez samostatně bez dalších opatření zejména v úpravě vlastností čerstvého betonu. Proto je třeba zvážit, zda očekávaná průměrná teplota prostředí a hmotnost betonové konstrukce nejsou spolu s dostatečnou tepelnou ochranou společně schopny odolat nízkým teplotám po celou dobu potřebných 170-200 hodin. Předpokládáme-li, že se betonáž uskutečňuje z čerstvého betonu o výchozí teplotě při ukládání a zpracování +10º C, bude se ve všech případech jednat pouze o udržení této teploty případně o její malé zvýšení, a to i za předpokladu vnějších teplot prostředí až pod bodem mrazu -20º C. Teprve když se prokáže, že zásahy do výroby betonu a tepelná ochranu konstrukce nepostačuje, je třeba přistoupit k vnitřnímu elektroohřevu. Pro výrobu je třeba předložit takový návrh systému elektrického ohřevu betonu v konstrukci, který vykazuje nejmenší náklady a pracnost. Zimní elektroohřev betonu by však v žádném případě neměl být chápán a užíván jako klasický systém UTB (urychlování tvrdnutí betonu ohřevem). V zimě totiž mohou tepelná pnutí při vysokých teplotních rozdílech betonu a vnějšího prostředí po ukončení ohřevu negativně ovlivnit chování ještě mladého nezralého betonu. Princip vnitřního elektroohřevu Celý systém spočívá v myšlence, že pro jednorázové použití elektroohřevu betonové, nebo železobetonové konstrukce je možné použít odporového drátu určitého průřezu, který po ukončení ohřevu zůstává trvale zabudován v konstrukci bez dalšího užití. Napájení se uskutečňuje přes transformátor napětím 42 V, případně 24 V, nebo přes jiný ekvivalentní zdroj. Pro konstrukce z prostého betonu, nebo tam, kde to rozmístění výztužných vložek dovoluje, lze použít neisolovaný odporový drát. Pro konstrukce ze železobetonu s hustou statickou výztuží je třeba použít odporový drát isolovaný. Hlavní zásady elektroohřevu
Platí zásada, že čím slabší vodič, tím větší odpor a tím kratší smyčka. Vzhledem k tomu, že pro elektroohřev betonu požadujeme teplotu, která nemá překročit hodnotu 60º C, nesmí ani odporový drát tuto teplotu překročit. Překročení této teploty může mít za následek prudký odpar hydratační vody v okolí vodiče. Nedostatek vody by pak mohl ovlivnit zrání a následnou lokální pevnost betonu v konstrukci. Dále platí, že instalovaná smyčka topného vodiče musí být dokonale obklopena betonem, který vytvoří odpovídající tepelný svod a smyčka nesmí být v žádném případě vyváděna mimo betonovaný prvek. V takovém případě vzduch, jako špatný vodič tepla může způsobit přehřátí vodiče a jeho následné zlomení. Proto musí být vyvedení vodiče ke zdroji energie mimo beton uskutečněno vždy vodičem z materiálu s malým elektrickým odporem, který je připojen na topný vodič prostřednictvím spojky umístěné ještě v betonu. Zdrojem napájecího napětí může být bezpečnostní transformátor, používaný běžně k přenosným ponorným vibrátorům. Transformátor obsahuje i předepsané jištění a odpovídá příslušným ČSN. Vstupní primární napětí je 420 V, příp.230 V, výstupní napětí je 42 V, příp. 24 V - 2500 VA. Jednoduché dimenzování rozvodu Jako topný vodič lze použít nejlépe železný odporový drát o průměru cca 2 mm. Pokud je ukládán do železobetonové konstrukce, je k zajištění jeho funkce třeba, aby byl opatřen minimální izolací. Maximální délku smyčky z daného drátu, která zaručí teplotu nepřekračující hodnotu 60º C, zjistíme přímo na stavbě tak, že 1 m posuzovaného vodiče zapojíme oběma konci na regulovatelný napájecí zdroj (nabíječku), min. 3 V a 10 A. Na drát v některém bodě umístíme kontaktní teploměr a pomalu otáčíme regulátorem proudu tak dlouho, až na kontaktním teploměru odečteme teplotu 60º C. Při dosažení požadované teploty zjistíme na ampérmetru procházející elektrický proud I k. Ten pak dosadíme do vzorce Ohmova zákona. kde U R I k R - odpor vodiče [ ] U - napětí na zdroji [V] I k - proud, který protéká vodičem při 60ºC [A] Na drátu 2 mm v délce 1 m jsme uvedeným způsobem zjistili při pozvolném Příklad: dosažení teploty 60º C odpor 0,09135 Teplotě 60º C odpovídá proud 15 A. Aby
procházel proud 15 A smyčkou, je třeba, aby smyčka měla při napětí 42 V celkový odpor 42 R R 2, 8 15 Potřebnou délku smyčky zjistíme tak, že vypočtený celkový odpor smyčky vydělíme zjištěným odporem jednoho metru vodiče, který je 0,09135. Délka jedné smyčky potom bude: 2,8 / 0,09135 = 30,65 m. Uspořádání Na obrázku 2 je znázorněno uspořádání jednotlivých součástí vnitřního ohřevu betonu. Odporový drát tvořící smyčku musí být zásadně celý obklopen betonem. Jeho výstup mimo bednění je prostřednictvím spojky a vhodného vodiče. Z výpočtových hodnot vyplývá skutečnost, že jeden běžně užívaný transformátor se třemi vývody 42 V obstará 3 smyčky v délkách cca 30 m, což odpovídá ploše přibližně 12,5 m2 vyhřívané stropní konstrukce. Vzájemná vzdálenost odporových vodičů, které tvoří zdroj tepla, je úměrná tepelné vodivosti betonu, to jest jeho schopnosti přenést vydávané tepla na co největší vzdálenosti od zdroje. Cementový beton je relativně dobrý vodič tepla a to umožňuje stanovit v závislosti na hmotě betonu s dostatečnou přesností potřebnou vzájemnou vzdálenost vodičů tepla. Dosah účinnosti tepelného vodiče, který tvoří odporový drát 2-3 mm s minimálním ztrátovým gradientem, lze stanovit v čerstvém a tvrdnoucím betonu na 80 100 mm. U vodorovných konstrukcí (stropy do tl. 200 mm) je možno rozmístit vodiče do středu průřezu desky ve vzájemné vzdálenosti 140 150 mm. Obr. 2 Půdorysné schéma vyhřívací smyčky z odporového drátu Průběh ohřevu
Převod tepla ze zdroje je v počátečních fázích hydratace cementu ve zpracovaném betonu úměrný množství záměsové vody v betonu. V průběhu hydratace se toto množství s časem mění podle toho, kolik vody z celkového množství je již hydratačním procesem vázáno. V okamžiku zahájení elektroohřevu čerstvě položeného a zpracovaného betonu je hlavním přenosovým médiem tepla voda obsažená v betonu. S postupem hydratace a tvrdnutí betonu se stávají přenosovým médiem tepla pevné složky betonu a později přenáší teplo celý beton jako pevná hmota. To je jedním z důvodů, proč není vhodné, aby nástupní teplota ohřevu byla příliš vysoká. Způsobila by rychlejší odpar vody a s tím spojené kapilární otevírání struktury betonu ještě před počátkem tvrdnutí. Trvalým následkem je potom snížení pevnosti a zkrácení životnosti betonu. V prvé fázi elektroohřevu zdroj tepla zajišťuje udržení teploty záměsové vody (s relativně malou tepelnou vodivostí 0,55 W.m - 1.K -1 ) nad hodnotou +5º C nebo v hodnotě dosažené při výrobě betonu. V další fázi, tj. v době po začátku hydratace, lze již uvažovat s poměrně dobrou vodivostí tvrdnoucího betonu ( 1,43 W.m -1.K -1 ) Tato skutečnost ovlivňuje udržení poměrně značné teploty tvrdnoucího betonu i v případě nízké vnější teploty prostředí. Proto musí být teplota průběžně odečítána a ohřev regulován tak, aby nemohlo dojít k přehřátí betonu, případně během minimálně 70 hodin naopak k jeho zmrznutí. K nárůstu teploty přispívá samozřejmě i vývin hydratačního tepla cementu uvnitř hmoty betonu. Povrchová teplota pod tepelnou izolační ochranou by měla být udržována na hodnotě 20 až 30º C, nesmí překročit 60º C a pro zdárný vývoj hydratačního procesu nesmí klesnout pod hodnotu 15º C. 4. OŠETŘOVÁNÍ BETONU
Je jen na technické a odborné připravenosti vedoucích pracovníků betonáže, který z výše popsaných technologických způsobů zajištění zimní betonáže zvolí. Je pochopitelné, že betonáž v období krátkodobých teplotních poklesů nebudou zabezpečovat pracnými opatřeními vyžadujícími velké náklady, ale budou se snažit pro zdárný průběh hydratace využívat chemické, či jiné přísady. Přitom je zapotřebí si stále uvědomovat, že nezbytná opatření začínají již na skládkách jednotlivých složek betonové směsi a končí minimálně 7 dní po zpracování betonu jeho ošetřováním v konstrukci. 5. ZÁVĚR Všechny obory stavební činnosti dnes vyžadují kvalifikovaný přístup. Obor výroby železobetonových konstrukcí z této skutečnosti nelze vyjmout zejména proto, že v současnosti beton a železobeton tvoří největší objemy stavebních prací celkem. Dobrý beton se vyrábí z kvalitního kameniva, cementu, vody a přísad. Špatný beton se vyrábí z těch samých složek. Jestliže víme, že v regionu České republiky po 5 měsíců v roce vzniká nebezpečí poklesu teplot vnějšího prostředí pod +5º C, pak se při stavební činnosti vždy musíme zabývat otázkou zajištění betonáže tak, aby její průběh odpovídal nutným podmínkám pro čerstvý beton a jeho zrání. Přes některé odlišnosti je betonáž v zimním období běžnou technologickou záležitostí vyžadující jen důslednou organizaci stavebních prací při zajištění všech nezbytných opatření