Zpět

Vliv objemových změn na výskyt trhlin v betonových podlahách

Příspěvek popisuje vliv objemových změn na chování betonu. Charakterizuje jednotlivé typy objemových změn a možnosti jejich eliminace. Jsou popsány důsledky objemových změn na chování betonových podlahových desek i způsoby jak těmto rizikům čelit.

Publikováno: 29.07.2007
Rubrika:
Autor: (red)

Beton jako konstrukční materiál má už více než stopadesátiletou tradici průmyslového využití. Mezi přednosti patří především jeho:

  • snadná všeobecná dostupnost,
  • snadná tvarovatelnost,
  • cenová konkurenceschopnost,
  • velmi dobrá pevnost tlaku,
  • nehořlavost.

Mezi nevýhody je třeba uvést:

  • malou pevnost tahu,
  • objemové změny.

Beton je pružně plastická hmota jejíž vazná matrice vzniká postupnou hydratací slinkových minerálů obsažených v cementu. Jedná se tedy o materiál, jehož konečné vlastnosti jsou k dispozici po týdnech až měsících. To je specifikum, které se při návrhu betonových konstrukcí musí brát v úvahu.

Objemové změny betonu

Jednou z vlastností, kterou je nezbytné vzít v úvahu při návrhu a realizaci betonových prvků jsou objemové změny. Jedná se především o:

  • hydratační resp. chemické smrštění, které souvisí s úvodní chemickou reakcí, při které reaguje záměsová voda se slinkovými minerály za vzniku většinou amorfních kalciumsilikáthydrátových fází. Důsledkem těchto chemických reakcí je kontrakce, která souvisí s vznikem mimořádně pestrého pórového systému,
  • Smrštění spojené se změnou vlhkosti betonu. Beton pokud je exponován trvale pod vodou má tendenci k nabývání (kladným objemovým změnám) naopak při postupném vysychání se cementová matrice smršťuje, přičemž konečné hodnoty smrštění mohou závislosti na objemu cementové fáze dosahovat až tři promile (3 mm/m).
  • Klasická teplotní dilatace související se změnami teploty. Koeficient teplotní roztažnosti betonu je standardně uváděn hodnotou 10 × 10-6 × K-1 ve skutečnosti se však v závislosti na typu hrubých frakcí kameniva pohybuje v poměrně širokém rozmezí a to od 6 × 10-6 do 13 × 10-6.
  • Dotvarování – objemové změny vyvolané pružně plastickou deformací související se silovými účinky.
  • Objemové změny vyvolané degradačními procesy jako jsou např. síranová koroze nebo tzv. alkalická reakce.

Z praktického hlediska mají největší význam objemové změny související s vysycháním. Tyto objemové změny souvisejí z rychlostí odparu záměsové vody z betonu a jsou tedy v počátečních fázích významně závislé na způsobu jeho ošetřování. Běžným důsledkem těchto objemových změn je vznik tzv. smršťovacích trhlin, které vznikají během prvních desítek hodin po betonáži. Z počátku vlasové trhliny se rozšiřují a stávají se viditelné prostým okem. Objemové změny betonu nejsou jeho vadou, ale zcela přirozenou součástí procesu jeho zrání. Objemové změny betonu lze eliminovat prakticky pouze použitím speciálních přísad, které však při běžné průmyslové produkci betonové směsi jsou jen obtížně použitelné.
Reálně se proto objemovým změnám čelí hustým vyztužením, které zachytí síly resp. napětí vznikající v důsledku objemových změn a zajistí, že místo širších okem viditelných trhlin vznikne větší množství vlasových trhlin s šířkou pod 0,1 mm, které jsou z funkčního i estetického hlediska prakticky bezvýznamné.
Druhou praktickou možností je pak provedení řezaných či jinak vytvořených spar v betonovém prvku, které zajistí, že objemové změny resp. trhliny vzniknou v předem geometricky definovaných místech, tedy v půdorysně uspořádaném a esteticky akceptovatelném systému.
Samotné počáteční ošetřování betonu může objemové změny (jeho smrštění) pouze oddálit, nikoli však eliminovat. Objemové změny, které proběhnou jsou nevratné a vzniklé trhliny nemají tendenci se uzavírat, naopak velmi často se chovají jako teplotní delatace.

Návrh betonových podlah z hlediska objemových změn

Pro návrh betonových podlah má respektování objemových změn betonu zcela zásadní význam. Projekt i realizace musí zajistit, aby nedošlo na povrchu betonové podlahové desky ke vzniku nežádoucích esteticky i provozně nepřijatelných trhlin a současně musí zajistit, aby deformace související se smršťováním betonu negativně neovlivnily její rovinnost.

  1. Eliminace smršťovacích trhlin
    U betonových desek ať už se jedná o průmyslové podlahy, cementobetonové silniční či letištní vozovky se standartně čelí vzniku trhlin prováděním řezaných tzv. smršťovacích (kontrakčních) spár. Tyto smršťovací spáry musí být proříznuty velmi záhy, nejpozději 24 hodin po betonáži, tedy v době, kdy po počáteční rychlé ztrátě závěsové vody prudce narůstá dynamika smrštění. Jakékoliv opožděné řezání smršťovacích spár je již neúčinné, protože zárodečné vlasové i když okem dosud špatně viditelné trhliny v betonové desce již existují. Velmi často se pak stává, že vedle řezané spáry v různé vzdálenosti probíhá často paralelně smršťovací trhlina. Snahou dodavatele je obvykle interpretovat tuto situaci jako vznik poruchy i přesto, že řezání smršťovacích spár bylo provedeno dle projektu. Ve skutečnosti však to je vždy velmi pravděpodobných signálem toho, že smršťovací spáry byly řezány opožděně.
    Neméně závažným faktorem je návrh správného rastru smršťovacích spár. V tradiční koncepce, se smršťovací spáry řežou v osách sloupů, či v jiné modulové síti navazující na nosnou konstrukci. Obecně za dostatečnou vzdálenost smršťovacích spar se považuje 6m. Ve skuteč-nosti však je potřebná vzdálenost úzce vázána na tloušťku podlahové desky a podle aktuálních i když empirických poznatků se uvádí optimální vzdálenost řezaných smršťovacích spár jako dvaceti až třiceti násobek tloušťky desky. U silniční vozovky v tloušťce kolem 30 cm je tedy 6 m vzdálenost zcela přiměřená u podlahových desek poloviční tloušťky se však jedná o vzdálenost, při které s vysokou pravděpodobností dojde ke vzniku nežádoucích parazitních smršťovacích trhlin.
    Pokud jsou smršťovací spáry správně navrženy i provedeny, je posledním zásadním požadavkem, aby byly v optimálním časovém odstupu po provedení cca 1 měsíc vyplněny tuhou pouze částečně pružnou výplňovou hmotou. Vhodným řešením může být např. použití měkčeného epoxidu. Naopak zcela nevhodné jsou pružné výplně např. silikonovými, či podobnými materiály. Důvodem proč spáry musí být vyplněny relativně tuhým materiálem je pojezd dopravních prostředků přes oblast řezaných smršťovaných spár. Pokud není spára vhodným způsobem vyplněna, začne po čase docházet k olamování jejích hran, přičemž další pokračující pojezd neodpružených dopravních prostředků vede k dalšímu intenzivnímu zvětšování těchto poruch. Výsledkem pak může být po několika letech tedy ještě obvykle v záruční lhůtě taková devastace okrajů řezaných spár, že podlahová konstrukce je jen obtížně použitelná.
    Významným tématem bývá i sanace parazitních smršťovacích trhlin, které vzniknou v důsledku nedodržení projektových či prováděcích zásad. Je třeba zdůraznit, že estetická vizuální eliminace trhlin je prakticky nemožná. Jakékoliv dodatečné výplně trhlinu spíše zviditelní. Obtížně použitelná je aplikace jakéhokoliv „pružného“ nátěrového systému. Tažnost tohoto materiálu by musela být na úrovni několika set procent, což je u většiny povrchových úprav, které by současně měli odpovídat požadavkům na nezbytnou tvrdost a odolnost vůči abrazi nesplnitelný požadavek. Jedinou a nejúčinější eliminaci trhlin je tedy pečlivá projektová příprava a profesionální realizace.
  2. Vliv objemových změn na rovinost betonových podlahových desek
    Kromě efektu, který smrštění vyvolává v souvislosti se vznikem trhlin dochází u řady podlahových konstrukcí i k situaci, kdy nedojde sice ke vzniku nežádoucích smršťovacích trhlin současně okraje jednotlivých řezaných smršťovacích polí se mírně nadzvednou a vyvolají lokální nerovnost, která obvykle překračuje normami akceptovatelné diference.
    Mechanismus vzniku těchto deformací souvisí opět se smršťováním a to v důsledku prioritního smrštění tzv. horních vláken. Je zřejmé, že odpar vody bude nejintenzivněji u betonové podlahové desky probíhat na jejím povrchu. Zatímco tedy povrch intenzivně vysychá a smršťuje se, u spodního povrchu je tento jev významně oddálen. Představíme-li si deformaci betonové podlahové desky při zkrácení horních vláken, je zřejmé že dojde ke konkávnímu zaoblení, tedy ke zvednutí okrajů smršťovacího pole. Toto nadzvednutí nemusí být pouhým okem prakticky viditelné, citlivě ho však zaznamená obsluha dopravních prostředků, které po takovéto podlaze pojíždějí.
    Teoreticky by tomuto jevu mělo bránit vzájemné mechanické zakotvení jednotlivých polí vzhledem k tomu, že trhlina, která vznikne pod řezanou smršťovací sparou je podle obvyklých představ prostorově konfigurovaná. Pokud však nastane situace, že trhlina je relativně přímá a současně objemové změny nadstandarní, není v nevyztužené podlahové desce nijak zabráněno efektivnímu přenosu posouvajících sil z jednoho smršťovacího pole do druhého. V tomto případě není příliš efektivní ani drátková výztuž, protože jednotlivé drátky nejsou schopny svou příčnou tuhostí posouvající cílu účinně přenést. V současnosti se u těžkých průmyslových podlah i u betonových vozovek projektují v oblasti řezaných smršťovacích řezaných spár masivní kotvící trny, které přenos těchto posouvajících sil spolehlivě zajišťují. V případě standartních podlahových desek lze tomuto riziku čelit použitím klasické výztuže minimálně ve formě přiměřeně dimenzovaných Kari sítí.

Závěry

Je skutečností, že na negativní vliv objemových změn na funkčnost betonových podlah se naráží v praktických realizacích stále častěji. Souvisí to i s tím, že objemové změny betonu nejsou nijak normalizovány. Zákazník by si měl být vědom toho, že kupuje na betonárně be-tonovou směs u níž je velmi striktně garantovaná kvalita (třída), která se prokazuje zkouškami pevnosti betonu v tlaku na krychlích. Současně však nemá k dispozici žádnou informaci o objemových změnách nakupovaného betonu. I kdyby tyto objemové změny byl schopen vlastními silami měřit, nebude mít možnost porovnat zjištění údajů s normovým kritériem.
Tato situace by měla všechny kdo realizují zvláště větší výměry průmyslových betonových podlah vést k tomu, aby při návrhu počítali i s objemovými změnami, které se mohou lišit od běžného standardu. Objemové změny jsou dominantně ovlivňovány dávkou cementu, ale sou-časně i jeho mineralogickým složením resp. přítomností různých relativně stopových přísad. Obecně platí, že betony stejné třídy, tedy přibližně stejné pevnostní kategorie mohou mít vý-znamně odlišné objemové změny, které z hlediska betonové podlahové desky hrají mimořádný význam jak z hlediska estetického vzhledu (trhliny), tak i rovinosti.

 
Obrázek 1: Typické smršťovací trhliny v betonové desce s minerálním vsypem


Obrázek 2: Nevhodně vyplněné smršťovací spáry v betonové podlaze


Obrázek 3: Nevhodně vyplně-né smršťovací spáry v betonové podlaze II


Obrázek 4: Trhlina probíhající podél řezané smršťovací spáry – důsledek pozdního provedení řezaných spár


Obrázek 5: Ověření hloubky trhliny pomocí jádrového vývrtu


Obrázek 6: Odchylka na dvoumetrové lati, která je důsledkem nadzvednutí okrajů smršťovacích polí

Tento příspěvek byl prezentován na konferenci PODLAHY 2007.