Pokanje in vihanje betonskih tlakov iz portlandskega cementa

 

Cement je hidravlično vezivo, ki se kljub številnim novim gradbenim materialom še vedno najpogosteje uporablja v gradbeništvu. Navaden cement, ki je na voljo na trgu, imenujemo portlandski cement. Tako ga je poimenoval Joseph Aspdin (leta 1824) po barvi kamna z otoka Portland, ki je bila enaka rdečkasto rumeni barvi strjenega cementa. Vezivo je pripravil tako, da je mešanico apnenca in gline sušil in pekel, dokler se ni iz nje izločil ves ogljikov dioksid.

Pozneje je Charles Johnson ugotovil pravo mešalno razmerje osnovnih surovin, apnenca in gline, ter optimiral njihovo žganje (sintranje) ob primerni temperaturi. Tak portlandski cement po več kot 170 letih uporabljamo še danes. Pravzaprav je kljub številnim slabim lastnostim predvsem pri nas še vedno najbolj razširjen cement.

 

Običajna lastnost portlandcementnega betona, ki je gradbeniki ne marajo, je, da se pri daljšem izsuševanju na zraku z normalno relativno vlago krči. Če napetosti, ki nastanejo zaradi krčenja, po jakosti presežejo natezno trdnost betona, se pojavijo razpoke. Te so precej izrazite in hkrati moteče v oblogah – tankoslojnih tlakih iz drobnozrnatega betona oziroma cementne malte. Tehnološko krčenje tankoslojnih betonskih tlakov zaradi izsuševanja namreč spremljajo tudi močne deformacije v vertikalni smeri, ki so ob razpoki najbolj vidne. To imenujemo vihanje.

 

Vihanje je posledica neenakomernega krčenja tlaka, ki je zaradi intenzivnejšega izsuševanja večje na površini in manjše ob stiku s podlago. Ta proces se iz istega razloga dogaja tudi ob drugih robovih ali prekinitvah tlaka ter je še opaznejši pri nekoliko bolj segregabilnem (posedanje delcev) betonu, ki pri kompaktiranju krvavi. Izločanje odvečne zamesne vode proti betonski površini v isti smeri povečuje krčenje zaradi izsuševanja ter zmanjšuje natezno in tlačno trdnost betona.

 

Na žalost gradbeniki še niso zadosti seznanjeni s tem, da je bilo zaradi različne uporabe doslej razvitih veliko vrst cementov, ki jih pridobivajo v nekaterih cementarnah (in podobnih polindustrijskih obratih) ali s spremembo mineraloške sestave klinkerja ali z dodatki k cementnemu klinkerju kot osnovi. Pokanju in vihanju tlakov se lahko izognemo s pravilnim izborom materialov in tehnologij, s katerimi je mogoče izničiti večino subjektivnih napak tako pri projektiranju kot pri izvedbi betonskih tlakov iz cementnega betona.

 

Prikaz pomanjkljivosti portlandcementnega betonskega tlaka

Nastanek razpoke zaradi napetosti, ki jih ni prevzela armatura (oziroma kompenzirala rega) in so posledica nepravilnega armiranja in dilatiranja tlaka oziroma krčenja tlaka zaradi izsuševanja.

 

Neskrčljivi betonski tlaki iz ekspanzivnega cementa ne pokajo

 

Material za skrčljive betonske tlake navadno sestavljajo portlandcementno vezivo, polnilo (agregat) in zamesna voda. Kadar uporabljamo agregat zrnavosti 0/4 milimetre, govorimo o cementni malti, ki ji včasih rečemo tudi drobnozrnati beton. Kadar je zrnavost uporabljenega agregata 0/8 milimetrov ali več, je to beton. Talno oblogo, v katero vgradimo cementno malto ali beton, imenujemo betonski tlak, včasih manj natančno tudi estrih.

 

Krčenje in padec nateznih in tlačnih trdnosti na betonski površini tlaka večkrat poskušamo zmanjšati tako, da na račun slabše obdelavnosti zmanjšamo delež potrebne zamesne vode. Pri tem si pomagamo tudi s superplastifikatorji, s katerimi pa navedene težave le omilimo.

 

Najpreprostejši in najučinkovitejši način preprečevanja nezaželenega krčenja cementnega betona in njegovih posledic (pokanja) je modificiranje cementnega veziva s posrednim spreminjanjem njegove mineraloške sestave, tako da mu dodamo minerale, ki pri hidrataciji povečujejo svojo prostornino. To so kalcijevi aluminati in sulfoaluminati, kalcijevi oksidi in sulfati in drugi. Kadar cement vsebuje navedene minerale, ekspandira, še preden pride do krčenja zaradi izsuševanja. Zato ga imenujemo ekspanzivni, včasih tudi samoprednapenjajoči.

 

V cementnem betonu, pripravljenem iz ekspanzivnega cementa, ustrezna dinamika in zadostna stopnja ekspanzije izničita napetosti, ki nastanejo pri krčenju zaradi izsuševanja. Tak ekspanzivni beton se dimenzijsko širi v vseh smereh v nasprotju s preostalimi, ki se pri strjevanju in izsuševanju krčijo. Pomembno je, da je ekspanzija betona vsaj tolikšna, kolikršno je pozneje, ko je beton izpostavljen izsuševanju, krčenje.

 

* Ekspanzija s kalcijevim sulfoaluminatom (kleinitom)
(nabrekanje v plastičnem in otrdelem stanju)

 

* Optimiranje sestave za pravilno dinamiko in stopnjo ekspanzije:

– priprava vzorca za kontrolo dinamike ekspanzije po ASTM C 845,

– stopnja ekspanzije je lahko največ 0,1 odstotka; R = 45 odstotkov (stopnja zreagiranosti).

 

Ekspanzivni cement K ali ekspanzivni dodatek EX 45 (K) za izdelavo neskrčljivih betonskih tlakov, ki jih ni treba dilatirati

 

V svetu je že približno 50 let znana uporaba ekspanzivnega cementa vrste K. Pred leti smo ga razvili in optimirali za uporabo tudi pri nas. Črka K označuje mineral kleinit po A. Kleinu, ki je prvi modificiral sestavo navadnega portlandskega cementa s kalcijevim sulfoaluminatom.

 

Mehanizem ekspanzije takšnega cementa temelji na tvorbi etringita, ki nastane pri hidrataciji kleinita ob prisotnosti kalcijevih in sulfatnih ionov. Etringit je mineral, ki lahko zaradi značilne strukture veže veliko količino vode in nabreka. Prostornina etringita, ki nastaja pri hidrataciji cementa, je nekajkrat večja od prvotnih mineralov.

 

Ekspanzivni cement K pri nas pripravljamo tako, da k osnovnemu portlandskemu cementu dodamo ekspanzivno vezivo. To proizvajamo s podobnim tehnološkim postopkom kot portlandski cement: z mešanjem osnovnih surovinskih komponent v izračunanem razmerju, granuliranjem surovinske moke, žganjem v rotacijski peči, ohlajanjem granul in mletjem na določeno finost.

 

Priprava ekspanzivnega cementa K:

• granuliranje surovine,

• žganje in

• ohlajanje SAK.

 

Nadzor kakovosti aktivnosti sulfoaluminatnega klinkerja (kleinita):

• pregled žganih granul,

• informativna ekspanzija cementne paste,

• ekspanzija cementne malte po ASTM C 806.

Ekspanzivno vezivo, ki se pri nas imenuje ekspanzivni dodatek EX 45 (K), lahko dodajamo v določeni količini tudi neposredno v suho maltno ali betonsko mešanico. Betone z ekspanzivnim cementom K ali dodatkom ekspanzivnega veziva na osnovi kleinita, kot je EX 45 (K), pripravljamo in vgrajujemo enako kot normalne portlandcementne betone, pri čemer pa je površina posameznih segmentov, ločenih z delovnimi stiki, precej večja kot pri normalnih betonih in znaša celo več kot 1000 kvadratnih metrov. Pravzaprav je lahko tolikšna, kolikršno lahko vgradimo v enem delovnem dnevu. Navidezne rege torej v tlakih, ki jih pripravljamo z ekspanzivnim betonom, sploh niso potrebne, če geometrijsko razmerje stranic površine tlaka (dolžina : širina) ni večje od 3 : 1. Betonski tlaki, ki jih projektiramo in vgradimo z ekspanzivnim betonom, kljub enopotezni vgradnji tako velikih dimenzij, kot je 1000 kvadratnih metrov in več, ne pokajo zaradi krčenja. Zato se upravičeno imenujejo neskrčljivi.

 

* Odprava pomanjkljivosti betonskega tlaka iz portlandskega cementa

Uporabimo ekspanzivni cement E-1 (K) ali mineralni dodatek na osnovi kleinita EX 45 (K), ki se doda portlandskemu cementu v količini od 10 do 15 odstotkov.

 

* Pomanjkljivost portlandcementnega betonskega tlaka

Uporaba portlandskega cementa zahteva obvezno dilatiranje, izvedbo navideznih reg in pozneje še stičenja!

 

Betoni, pripravljeni z ekspanzivnim dodatkom EX 45 (K), se lahko pripravljajo v bolj plastični konsistenci kot normalni betoni, a vseeno ne izkazujejo znojenja. Zato sta vgrajevanje in površinska obdelava neskrčljivega tlaka lažja. Stopnjo ekspanzije, ki je potrebna za kompenzacijo krčenja betona v fazi izsuševanja, določimo za vsak primer posebej. Odvisna je od vrste uporabljenega agregata in njegove zrnavosti, od debeline tlaka ter od armiranja. Priporočamo uporabo narebrene armaturne mreže, ki naj bo položena čim bolj pri površini tlaka. Pri tem mora biti nad armaturo zagotovljeno betonsko prekritje v zadostni debelini, ki pri drobnozrnatih betonih 0/4 in 0/8 milimetrov znaša vsaj toliko, kot je trikratni premer največjega zrna v uporabljenem betonu.

 

 

Izvedba neskrčljivega armiranega betonskega tlaka

Armiranje in transport ekspanzivnega betona MB 45 E-1 (K), 0/8 mm, h = 6–8 cm, mreža Q 139

 

Nekateri avtorji menijo, da je pri tlakih iz drobnozrnatega betona, kadar gre le za tehnološko krčenje, klasično armiranje z mrežami bolje nadomestiti z mikroarmaturo iz kovinskih, polimernih ali steklenih vlaken. Sam mislim, da vlakna ne morejo ustrezno nadomestiti armaturne mreže oziroma armaturnih palic, s katerimi sta tako ekspanzija (pri ekspanzivnih betonih) kot tudi krčenje mnogo bolj nadzorovana (kot je razvidno tudi iz grafičnega prikaza).

 

 

Ekspanzija – krčenje armiranih neskrčljivih cementnih malt

Drobnozrnat beton – cementna malta 0/2 mm (ekspanzija po ASTM C 806)

 

Poleg tega sem se velikokrat srečal z nekakovostno uporabo mikroarmature v betonskem tlaku (slabo razmešana kepasta in z betonsko matrico nesprijeta polipropilenska vlakna, zarjavela, navpično kot bodice štrleča kovinska vlakna, alkalno neodporna steklena vlakna, ki po določenem času razpadejo). Primeri neustrezno ali nekakovostno uporabljene (mikro)armature so možno korozijsko žarišče, zato je predvsem pri projektiranju industrijskih tlakov, ki so mehansko ali kemijsko nekoliko bolj obremenjeni, primerneje predvideti klasično armiranje z vsemi potrebnimi opozorili, na primer za dodatno diagonalno armiranje ob vogalih sten, stebrov ali jaškov, za pravilno namestitev (tehnološke) armature v zgornjo tretjino (ali vsaj polovico) tlaka z uporabo distančnikov, za zagotavljanje kontinuirnega armiranja s preklopi …

 

Neskrčljiv monolitni tlak

Enopotezno vgrajevanje brez navideznih reg; površinsko zaglajevanje in tlak po enopotezni izvedbi (1 delovni dan – 1 polje najmanj 30 x 12 m)

 

Vezni sloj za monolitno povezavo betonskega tlaka z AB-ploščo (BE-POX 91 D)

 

Betonski tlaki so glede na povezavo s podlago plavajoči (oziroma na ločilni plasti) in vezni. Vezni betonski tlak vgrajujemo na betonsko podlago z lepljenjem. S sidranjem dodatno učinkovito preprečujemo vihanje tlaka na robovih in vogalih, hkrati pa omogočimo boljše (monolitno) sodelovanje tlaka s podlago. Lepljenje svežega betonskega tlaka izvajamo s polimernimi ali polimerno modificiranimi mineralnimi vezivi, pri čemer mora biti sprijemna natezna trdnost dodanega materiala s podlago najmanj 1,5 megapascala. S polimerno modificiranim vezivom, ki ga mešanega z agregatom in vodo imenujemo »pačok«, se takšna sprijemljivost izredno težko doseže, še posebno, kadar je betonska podlaga nekoliko bolj gladka oziroma premalo hrapava. Še teže je takrat, ko ne uporabljamo armaturnih mrež ali ekspanzivnega betona in napetosti, ki so nastale zaradi krčenja, presežejo trdnost lepljenega stika. Zato uporaba polimernocementnih »pačokov« za povezavo betonskih tlakov s podlago ni priporočljiva.

 

Neskrčljiv monolitni tlak:

• idranje,
• nanos EP-premaza za dolepljanje sveže ekspanzivne cementne malte na betonsko podlago,
• armiranje,
• dobetoniranje (enopotezno vgrajevanje).

 

   

Neskrčljiv monolitni tlak (lepljenje)

Povezava (lepljenje) dobetoniranega tlaka s podlago; ploskovni nanos EP-premaza za dolepljanje

Nanos z valjčkom pred armiranjem à

 

Zanesljiva monolitna povezava sveže betonske obloge z betonsko podlago po vsej površini se doseže le z uporabo visoko kakovostnega epoksidnega lepilnega premaza, katerega sprijemna natezna trdnost presega napetosti, ki se pojavijo pri krčenju betonskega tlaka zaradi izsuševanja. Celo na najbolj gladkih površinah znaša več kot 3 megapascale.

 

Epoksidni vezni premaz se pri nas imenuje BE-POX 91 D. Tako kot vsi epoksidni sistemi je dvokomponenten in se pripravlja z mešanjem obeh komponent v predpisanem razmerju. Na površino (prej pripravljeno podlago) se nanaša s kovinsko gladilko ali valjčkom, postopno in le toliko, kolikor se lahko naenkrat in enopotezno vgradi armaturnih mrež in sveže betonske mešanice. Debelina epoksidne vezne plasti mora biti tolikšna, da prekrije betonsko površino, pri čemer je to zlasti nujno na vogalih in robovih oziroma robovih prekinitev betoniranja.

 

Sveža betonska mešanica se na epoksidni sloj nanaša takoj, ko je ta nanesen na betonsko površino. Premaz je mogoče nanašati pri temperaturah podlage in okolja od +5 do +25 stopinj Celzija. Čas, ki lahko preteče od nanosa premaza do začetka vgradnje sveže betonske mešanice, je odvisen od temperature okolja. Pri nižjih temperaturah (manj kot 20 stopinj Celzija) je nanesen premaz uporaben dalj časa (več kot 120 minut) kot pri višjih temperaturah. Če občasno ni mogoče zagotoviti pravočasnega nanosa svežega betona na naneseni premaz, se ta posuje z enofrakcijskim suhim (manj kot 1 odstotek vlage) peskom zrnavosti od 1 do 2 milimetra. Naneseni premaz je uporaben, dokler izkazuje lepljivost na otip in ni strdel. Če postane trd in tog, je treba nanesti novo svežo plast.

 

Premaz se lahko nanaša na površino (betonsko ali kovinsko podlago) tudi, ko je armaturna mreža že postavljena oziroma vgrajena. V tem primeru se za nanos namesto gladilke ali valjčka uporabi pleskarski čopič.

 

 

  

Neskrčljiv monolitni tlak (lepljenje)

Povezava (lepljenje) dobetoniranega tlaka s podlago; točkovni nanos EP-premaza za dolepljanje

Nanos s čopičem po armiranju à

 

Pred nanosom epoksidnega veznega premaza je treba betonsko površino očistiti prahu, ostankov malte, nevezanih ali slabo vezanih plasti betona, cementne skorjice in drugega. Čiščenje podlage in odstranjevanje labilnih betonskih plasti se opravita z brušenjem, peskanjem ali vodnim curkom pod visokim pritiskom od 250 do 300 barov. Kakovost tako pripravljene podlage se ugotavlja vizualno in z merjenjem natezne trdnosti površine po metodi »pull off«, ki mora znašati najmanj 1,5 megapascala.

 

Neskrčljiv monolitni tlak (podlaga)

Nadzor kakovosti podlage pred dobetoniranjem veznega (monolitnega) neskrčljivega tlaka po metodi »pull off« (> 1,5 MPa)

 

Sidranje betonskega tlaka z epoksidno zalivno maso BEPOX 318 Z

 

Subjektivne (pa tudi objektivne) dejavnike, ki vplivajo na kakovost zlepljenosti vgrajenega tlaka s podlago, izničimo z vgrajevanjem sider v betonsko podlago. Priporočamo sidra iz rebrastega železa (vsaj f 8R mm). Razporejamo jih po robovih polj dvoredno po 8 do 10 kosov na kvadratni meter tako, da je razdalja od roba polja do sidra približno 10 centimetrov, med sidri pa do 40 centimetrov. V posameznih segmentih so 1 do 3 kosi sider na kvadratni meter na razdalji okoli 70 centimetrov. Sidra vgradimo v izvrtane vrtine mer najmanj f 10 milimetrov do globine najmanj 7 centimetrov tako, da jih zalijemo s fino epoksidno zalivno maso BE-POX 318 Z. To je dvokomponentni sistem, s katerim dosežemo kakovostno zlepljenost stika med sidrom in steno vrtine v betonski podlagi. Zunanji del sidra po strditvi epoksidne mase ukrivimo prek armaturne mreže.

 

Neskrčljiv monolitni tlak (sidranje):

• povezava (sidranje) dobetoniranega neskrčljivega tlaka s podlago,
• izsesavanje prahu iz vrtin,
• vlivanje epoksidne mase v vrtine,
• vstavljanje sider.

 

Nega betonskih tlakov

 

V fazi strjevanja betona je obvezna vlažna nega tlaka. Pomembno je, da betonski tlak dobi dovolj vlage v času hidratacije cementnega veziva v betonu predvsem, ko je dinamika razvoja trdnosti najbolj izrazita, to je prvih 7 dni od vgradnje. Vlažna nega s prhanjem naj bo enakomerna po vsej površini. Tlake dodatno zaščitimo s paroprepustno folijo, filcem, ob zmrzovanju pa s toplotno zaščitno oblogo. Prav tako je potrebna zaščita tlakov pred pregrevanjem zaradi morebitnega osončenja, pred pospešenim izsuševanjem zaradi prepiha in tako naprej. Vlažna nega in zaščita betonskega tlaka pred prehitrim izsuševanjem potekata po vsej površini pri čim bolj enakomerni temperaturi toliko časa, da vgrajeni beton pridobi najmanj 70 odstotkov končne trdnosti.

 

Neskrčljiv monolitni tlak (nega, ravnost)

Sedem dni vlažne nege s filcem, po potrebi tudi s toplotno zaščito

Uporaba laserja (zahteve v skladu z DIN 18202)

            

Boštjan Gerbec, univ. dipl. inž. kem. tehn.

Gradbeni inštitut ZRMK, d. o. o.