Realizácia betónových základových konštrukcií technológiou Foundation Flow Concrete

Základové konštrukcie patria medzi najdôležitejšie konštrukcie hrubej stavby. Pri pozemných objektoch, ako sú rodinné domy, prípadne bytové domy, predstavujú náklady na realizáciu základových konštrukcií 5 až 15 % z celkových nákladov na hrubú stavbu a skladajú sa z výdavkov na materiál a na realizáciu. Čas spracovania čerstvého betónu, počet strojných zariadení a pracovníkov predstavujú činitele, ktoré ovplyvňujú náklady na vyhotovenie základových konštrukcií. Správnou voľbou vhodnej technológie spracovania, resp. ukladania čerstvého betónu potom možno dosiahnuť zvýšenie efektívnosti celého procesu.

Použitie technológie FFC

Tento druh betónu je vhodné použiť najmä vo forme transportbetónu. Už z jeho názvu (tečúci betón pre základové konštrukcie) vyplýva, že jeho dôležitou vlastnosťou je tekutosť čerstvého betónu. Aby betón vyhovoval podmienkam technológie FFC, musí mať isté vlastnosti. Ak sa dosiahne ich požadovaná úroveň, betón sa prakticky samovoľne rozleje do celého výkopu základovej konštrukcie (obr. 1c). Technológia FFC sa oproti bežne používanému spôsobu ukladania vyznačuje najmä rýchlou realizáciou betonáže. Pri klasickej betonáži sa čerstvý betón premiestni z automiešačky, resp. autodomiešavača do betónovaného výkopu napr. pomocou nakladača (1), (2) (obr. 1a). Na stavenisku tak treba mať ďalší stroj (napr. nakladač) s obsluhou, čo zvyšuje celkové náklady realizácie. Takisto počas vyprázdňovania celého autodomiešavača je toto zariadenie blokované pre ďalšie použitie a celý proces je časovo náročnejší. Ďalšou možnosťou je použitie betónovej pumpy (obr. 1b), čo je však pre firmy, ktoré toto strojné zariadenie nevlastnia, z hľadiska vysokej ceny prenájmu v podmienkach výstavby rodinných, prípadne bytových domov menšieho rozsahu finančne náročnejšie.

	Obr. 1 Spôsoby ukladania čerstvého betónu do výkopov základových konštrukcií a) pomocou lopaty nakladača, b) pomocou betónovej pumpy, c) priamo z autodomiešavača pri betóne FFC

Okrem toho, že pri použití technológie FFC sa betón samovoľne roztečie do celého výkopu, má aj čiastočne samozhutňujúce vlastnosti, a to vďaka plastifikačnej prísade použitej pri výrobe čerstvého betónu. Prakticky celá dodávka čerstvého betónu sa môže uložiť na jeden záber bez použitia dodatočných zariadení či pracovníkov. Vzhľadom na použité zložky (pozri časť Zloženie čerstvého betónu) a vhodne navrhnutú receptúru má základová konštrukcia po 24 hodinách tuhnutia a tvrdnutia dostatočnú pevnosť, aby sa mohlo pokračovať vo výstavbe napr. realizáciou murovaných konštrukcií (7).

Pri ukladaní čerstvého betónu technológiou FFC treba zabezpečiť, aby sa vo výkope nenachádzala voda, pretože by mohlo dôjsť k „rozriedeniu“ uloženého betónu, a tým k zníženiu jeho pevnosti. Čerstvý betón dopravený na stavenisko musí spĺňať špecifikované požiadavky, predovšetkým z hľadiska spracovateľnosti. V prípade potreby (napr. pri vysokej alebo nízkej teplote prostredia) je nutné uložený betón typu FFC ošetrovať rovnakým spôsobom ako obyčajný betón.

Experimentálne overenie vlastností betónu FFC

Technicky významné vlastnosti čerstvého aj zatvrdnutého betónu typu FFC sa experimentálne overili laboratórnymi skúškami. Vzhľadom na požadované vlastnosti betónu FFC sa konzistencia čerstvého betónu stanovovala prostredníctvom modifikovanej skúšky rozliatia (bez striasania dosky stola). Požiadavka na priemer rozliatia sa stanovila na 600 mm (stupeň F5 podľa BS EN 206-1, resp. STN EN 206-1). Aby sa pri návrhu receptúry zohľadnil aj čas dopravy čerstvého betónu na stavenisko, skúška rozliatia sa opakovala po 30 minútach od zamiešania čerstvého betónu. Okrem konzistencie sa určil aj obsah vzduchu a objemová hmotnosť čerstvého betónu podľa príslušných noriem BS STN (4), (5), (6).

Z čerstvého betónu sa vyrobili vzorky s rozmermi 100 × 100 × 100 mm, ktoré sa nezhutnili. Po odformovaní sa uložili do vodného prostredia s teplotou 20 °C. Vzorky sa podrobili skúške pevnosti v tlaku po 24 hodinách a po 3, 7 a 28 dňoch.

Zloženie čerstvého betónu

Pri príprave receptúry betónu druhu FFC sa použili materiály z lokality Severného Írska. Použilo sa kamenivo štyroch rôznych frakcií – kamenivo s Dmax 20 mm, Dmax 10 mm, jemné kamenivo (Rock fines) a piesok. Kamenivo pochádzalo z kameňolomu Mallusk a piesok z dna jazera Lough Neagh. Hrubé kamenivo s Dmax 20 mm predstavovalo 32 %, kamenivo s Dmax 10 mm 14 % a jemné kamenivo spolu s pieskom 54 % z celkového objemu kameniva. Ako spojivo sa použil cement CEM I 52,5N v objeme 240 kg na 1 m³ čerstvého betónu. Na dosiahnutie požadovaných vlastností čerstvého i zatvrdnutého betónu sa použila plastifikačná prísada, superplastifikátor tretej generácie na báze polykarboxyléteru v objeme 0,8 % z množstva cementu a prevzdušňovacia prísada v objeme 0,3 % z množstva cementu. Vodný súčiniteľ navrhnutého betónu bol 0,54.

Vyhodnotenie

Vysoký podiel jemných zŕn kameniva spolu s účinkom superplastifikátora priaznivo ovplyvnil reologické vlastnosti čerstvého betónu. Nameraný priemer rozliatia čerstvého betónu bol 610 mm, dosiahol teda požadovanú konzistenciu so stupňom rozliatia F5 (bez utriasania), pričom nedochádzalo k takmer žiadnemu nepriaznivému odlučovaniu vody. Rozliatie čerstvého betónu po 30 minútach bolo 600 mm – strata spracovateľnosti bola minimálna. Objemová hmotnosť čerstvého betónu bola 2 280 kg/m³ a obsah vzduchu 7,8 %. Pevnosť v tlaku vzoriek po 24 hodinách dosiahla 4,5 až 6,0 N/mm². Betón už po jednom dni tuhnutia a tvrdnutia dosahoval dostatočnú pevnosť v tlaku, aby sa mohlo pokračovať vo výstavbe. Pevnosť v tlaku vzoriek po 28 dňoch bola 34,2 N/mm². Betón, ktorý sa navrhol na použitie na základové konštrukcie, mal triedu pevnosti C16/20, a teda s rezervou spĺňal pevnostné požiadavky.

Vzhľadom na to, že vyše polovicu celkového množstva kameniva tvorili jemné častice, celkový špecifický povrch pevných častíc bol pomerne vysoký. Špecifický povrch je dôležitou charakteristikou kameniva, od ktorej závisí množstvo vody potrebné na ovlhčenie kameniva, množstvo cementovej kaše potrebnej na pokrytie povrchu zŕn a množstvo cementovej kaše v objemovej jednotke betónu (2). Preto bolo množstvo zámesovej vody, aj napriek použitiu plastifikačnej prísady, pomerne vysoké, nie však natoľko, aby dochádzalo k nadmernému odlučovaniu vody a segregácii zložiek vplyvom superplastifikátora. Odlučovanie vody bolo čiastočne zredukované použitím prevzdušňovacej prísady, ktorá však zároveň spôsobila mierne zníženie spracovateľnosti čerstvého betónu. Primárna úloha prevzdušňovacej prísady však spočíva vo zvýšení mrazuvzdornosti zatvrdnutého betónu, keďže betón typu FFC je určený na základové konštrukcie.

Vysoká tekutosť čerstvého betónu, a tým aj lepšia spracovateľnosť značne zvyšujú efektivitu jeho ukladania. Porovnanie niektorých dôležitých charakteristík čerstvého a zatvrdnutého betónu je uvedené v tab. 1. Porovnané sú významné charakteristiky obyčajného betónu, ktorý sa najčastejšie používa na výrobu základových konštrukcií, s charakteristikami betónu FFC. V tabuľke sú na porovnanie uvedené aj hodnoty samozhutniteľného betónu (SCC), ktorý sa na základové konštrukcie zvyčajne nepoužíva. Tento druh betónu sa uvádza len na porovnanie niektorých vlastností s charakteristikami betónu FFC.

Tab. 1 Schematické porovnanie charakteristík (vlastností a nákladov) pre obyčajné betóny a FFC betóny používané na základové konštrukcie

Pozn.: Porovnanie finančných nákladov vychádza z cenovej úrovne v Severnom Írsku.

Z grafického porovnania v tabuľke vidieť, že betón FFC kombinuje technologické a technické výhody samozhutniteľného betónu a nízke materiálové a realizačné náklady obyčajného betónu. V pravej časti tabuľky sú uvedené niektoré faktory, ktoré ovplyvňujú príslušné charakteristiky čerstvého a zatvrdnutého betónu.

Na overenie časovej efektivity spracovania čerstvého betónu sa uskutočnilo aj porovnanie časovej efektivity spracovania čerstvého betónu obyčajného a typu FFC. Modelová základová konštrukcia z obyčajného betónu sa realizovala pomocou nakladača a čas výstavby bol 30 minút. Pri použití technológie FFC sa čas spracovania skrátil na 2 minúty, čo predstavuje úsporu času, a teda aj nákladov.

Záver

Z nameraných hodnôt konzistencie a pevnosti v tlaku vyplýva, že navrhnutá a experimentálne overená receptúra spĺňa podmienky pre betón FFC. Dosiahnutím týchto podmienok možno využiť špecifické vlastnosti tohto druhu betónu, akými sú predovšetkým jeho tekutosť, ale aj čiastočná samozhutniteľnosť. Tieto vlastnosti umožňujú zvýšiť efektívnosť výroby základových konštrukcií, a to z hľadiska času i nákladov spojených s ich realizáciou. Daná receptúra je z hľadiska použitých zložiek a ich množstva kombináciou obyčajného a samozhutňujúceho betónu. Použitím plastifikačnej prísady sa dosiahne vyššia tekutosť, a tým aj lepšia spracovateľnosť čerstvého betónu. Vďaka nižším požiadavkám na pevnosť betónu v tlaku základových konštrukcií možno použiť menšie množstvo cementu v porovnaní s typickým samozhutniteľným betónom, a preto sú náklady na vstupné suroviny pomerne nízke. Použitím prevzdušňovacej prísady sa zvýši odolnosť betónovej konštrukcie proti účinkom mrazu, čo je dôležité najmä v studených oblastiach, v ktorých je väčšia nezamŕzajúca hĺbka.

Vzhľadom na nutnosť použitia plastifikačnej prísady sa mierne zvýšia náklady na výrobu čerstvého betónu. Podľa druhu plastifikačnej prísady môžu byť materiálové náklady na výrobu čerstvého betónu asi o 3 až 7 % vyššie v porovnaní s nákladmi na obyčajný betón. Toto zvýšenie nákladov ovplyvní aj použitie vyššieho množstva jemného kameniva. Použitím superplastifikátora sa taktiež zvyšujú nároky na návrh vhodnej receptúry, aby sa zabránilo segregácii zložiek, prípadne aby nedochádzalo k odlučovaniu vody. Pri návrhu receptúry betónu FFC treba tiež zohľadniť vzdialenosť staveniska od centrálnej betonárne, aby sa čo najpresnejšie nastavil účinok plastifikátora.

Ing. Matej Špak, Gary Hewitt
Recenzent: Ing. Ľubica Pišťanská
Foto: archív autorov

Matej Špak je doktorandom na Katedre technológie stavieb Stavebnej fakulty Technickej univerzity v Košiciach.
Gary Hewitt je technológom vo firme CEMEX v Belfaste v Severnom Írsku.

Literatúra:
(1)    Neville, A. M.: Properties of Concrete. Fourth and Final Edition. John Wiley & Sons, Inc. New York, 1997. ISBN 0470235276
(2)    Crompton, S.: Production of readymixed concrete. In: Advanced Concrete Technology. Part 3: Processes. Butterworth-Heinemann. Burlington 2003. ISBN 0750651059
(3)    Bajza, A., Rouseková, I.: Technológia betónu. Bratislava: JAGA GROUP, s. r. o., 2006. ISBN 80-8076–032-2
(4)    BS EN 206-1: 2000 Concrete. Specification, performance, production and conformity.
(5)    BS EN 12350-6: 2000. Testing fresh concrete. Density.
(6)    BS EN 12350-7: 2000. Testing fresh concrete. Air content. Pressure methods.
(7)    Readymix Foundation Flow. http://www.cemex.co.uk/re/re_co_sf_rf.html