Smršťování betonu, platné normy a betonové podlahy

V úvodu jsou popsány rozhodující faktory ovlivňující velikost smršťování betonu, hlavní pozornost je věnována přístupu platných norem k této problematice, s důrazem na navrhování a provádění betonových podlah.

Pojem smršťování betonu se obvykle používá ve spojitosti s vlhkostními objemovými změnami, případně s objemovými změnami hydratačními. Vlhkostní objemové změny - nabývání při dotaci vlhkosti, respektive smršťování při vysychání - se rozdělují podle doby, kdy je beton vystaven změně vlhkosti. V případě vyzrálého betonu jsou vlhkostní objemové změny vratné a velmi malé. V naprosté většině případů (na rozdíl například od dřeva) nepředstavují pro konstrukci žádné riziko. Zcela opačná však je situace v případě zrání betonu, protože v tomto případě se jedná o objemovou změnu nevratnou a současně relativně velkou. U obvyklých betonových směsí se při standardních podmínkách (v tzv. normálním laboratorním prostředí) smršťování pohybuje na úrovni přibližně 0,7 mm/m. V případě jemnozrnných nebo nevhodně složených směsí však nejsou zcela výjimečné ani hodnoty okolo 2,5 mm/m.

Hydratační objemové změny jsou vyvolány chemickou reakcí cementu s vodou, protože hydratační produkty v systému portlandský cement a voda mají objem významně menší, než je objem nezhydratovaného portlandského cementu a vody vstupující do reakce. Toto tzv. chemické smrštění dosahuje značných hodnot. Uvádí se, že pro úplnou hydrataci 1 kg portlandského cementu je potřeba zhruba 250 g vody. Výsledný hydratační produkt pak je menší o přibližně 60 ml (tj. přibližně o krychli o hraně 40 mm) [1]. Naštěstí se celé chemické smrštění nepromítne do změny vnějších rozměrů prvku, ale převážná jeho část se realizuje vznikem nebo zvětšením vnitřních pórů.

Změna vnějších rozměrů prvku, způsobená chemickým smrštěním, se nazývá autogenní smrštění. Přímý vztah mezi velikostí chemického smrštění a velikostí autogenního smrštění bohužel neexistuje a je závislý na konkrétním typu cementu a na složení betonové směsi (například vodním součiniteli). Autogenní smrštění může být významné zejména u betonů s velmi nízkým vodním součinitelem, které vykazují relativně malé smrštění v důsledku ztráty vlhkosti. Například pro vysokopevnostní beton s vodním součinitelem nižším než 0,3 se uvádí autogenní smrštění na úrovni přibližně 0,2 až 0,4 mm/m [2].

Z hlediska převážné většiny podlahových konstrukcí v průmyslových objektech, které jsou tvořeny železobetonovými deskami, a rovněž cementových potěrů v občanské a bytové výstavbě, představuje smršťování betonu (respektive cementového potěru) v době jeho zrání jedno z hlavních rizik vzniku závažných poruch. Typickými projevy jsou zejména vznik trhlin a tzv. zkroucení desek (curling), při kterém se nadzdvihnou rohy a hrany smršťovacích polí (obr. 1).

Obr. 1 - Smršťovací trhliny v betonové desce

ČSN EN 1992-1-1 eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí - Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby

Eurokód 2 je normou pro navrhování betonových konstrukcí určenou primárně pro práci projektantů. V normě se uvádí, že smršťování betonu závisí na okolní vlhkosti, na rozměrech prvku a na složení betonu. Celkové smrštění betonu pak počítá jako součet smršťování od vysychání a smršťování autogenního. Pro betony vyrobené z cementu třídy N je velikost smrštění od vysychání tabelována a příslušnou hodnotu lze zjistit na základě znalosti pevnostní třídy betonu a relativní vlhkosti prostředí, ve kterém bude beton umístěn. Pomocí součinitele je dále zahrnut vliv "masivnosti" konstrukce. Variantně lze smrštění od vysychání spočítat pomocí vztahu, kde je navíc zahrnut vliv třídy cementu S, N nebo R.

Ze vzorce pro výpočet autogenního smrštění pak vyplývá, že eurokód 2 vychází z předpokladu, že velikost autogenního smrštění závisí pouze na pevnostní třídě betonu.

Například pro beton pevnostní třídy C20/25 z cementu třídy N jsou tabelované hodnoty konečného smrštění od vysychání v rozmezí 0,62 ‰ (při 20procentní relativní vlhkosti vzduchu) až po 0 (při 100procentní relativní vlhkosti vzduchu). Autogenní smrštění stejného betonu pak vychází 0,025 ‰. Tedy při 20procentní relativní vlhkosti vzduchu vychází celkové smrštění betonu 0,645 ‰, tj. 0,645 mm/m. V případě betonů vyšších pevnostních tříd předpokládá eurokód 2 menší smrštění od vysychání a větší smrštění autogenní.

Ve výpočtu smršťování podle eurokódu 2 tedy nejsou zahrnuty vlivy odrážející konkrétní složení betonové směsi, které však mají na smršťování betonu zásadní vliv (viz předchozí text). Zejména se jedná o skutečnost, že jemnozrnné betony a betony s vyšším množstvím cementu mají výrazně větší smrštění než betony hrubozrnné, a to při stejné pevnosti v tlaku. Vliv použitých přísad a sklonu použitého cementu ke smršťování rovněž není zahrnutý.

ČSN P ENV 13 670-1 Provádění betonových konstrukcí - Část 1: Společná ustanovení

V normě se pro provádění betonových konstrukcí v kapitole Ošetřování a ochrana uvádí, že "beton se musí v raném stáří ošetřovat a chránit, aby se minimalizovalo plastické smršťování, aby se zajistila dostatečná pevnost povrchu, aby se zajistila dostatečná trvanlivost povrchové vrstvy, musí se chránit před mrazem a před škodlivými otřesy, nárazy nebo před poškozením". V závislosti na rychlosti nárůstu pevnosti betonu a na teplotě povrchu betonu jsou předepsány minimální doby ošetřování betonu (obr. 3).

Obr. 2 - Detail trhliny

Obr. 3 - Trhliny způsobené nedostatečným ošetřováním betonu

Norma tedy po dodavateli betonové konstrukce nepožaduje, aby ošetřováním betonu omezoval smrštění betonu od vysychání. Požaduje pouze, aby zabránil vzniku trhlin od plastického smršťování, což je pouze část smrštění od vysychání, která probíhá na samém počátku zrání betonu.

ČSN EN 206-1 Beton - Část 1: Specifikace, vlastnosti, výroba a shoda

Základní norma pro výrobu betonu se věnuje problematice smršťování pouze okrajově. V normě se nacházejí pouze dvě zmínky o smršťování betonu, obě ve změně Z3 z dubna 2008. První je v národní příloze v článku 5.2.9, který platí pouze v České republice a věnuje se obsahu jemné moučky v betonu. Článek patří do kapitoly Základní požadavky na složení betonu. V národní poznámce je zde uvedeno, že při vyšším obsahu moučky v betonu se spolu s obsahem vody zvětšují objemové změny betonu (smrštění) a zvyšuje se nebezpečí vzniku trhlin.

Druhá zmínka je významnější a nachází se v národní příloze v článku 6.2.3, který vyjmenovává doplňující požadavky pro specifikaci betonu. Smrštění betonu je právě jedním z těchto doplňujících požadavků. Ve všeobecných požadavcích na specifikaci betonu norma požaduje, aby specifikátor betonu (kterým je v našich podmínkách obvykle projektant) zajistil, že všechny příslušné požadavky na vlastnosti betonu budou zahrnuty ve specifikaci, která se předkládá výrobci betonu. Specifikace typového betonu musí obsahovat vždy všechny základní požadavky a podle potřeby požadavky doplňující.

S ohledem na naši problematiku smršťování betonu lze tedy vyvodit, že norma ČSN EN 206-1 požaduje po specifikátorovi betonu, aby doplňující požadavek na velikost smršťování betonu ve specifikaci typového betonu uvedl vždy, kdy to konkrétní situace konstrukce vyžaduje. Vzhledem k tomu, že smršťování betonu je jednou z hlavních a nejčastějších příčin vzniku poruch betonových podlah, měl by, podle našeho názoru, tento požadavek být součástí specifikace betonu pro podlahy vždy.

ČSN EN 197-1 Cement - Část 1: Složení, specifikace a kritéria shody cementů pro obecné použití

Základní norma pro výrobu cementu pro stavební použití se problematice smršťování cementu vůbec nevěnuje a smršťování tedy vůbec není parametrem, který by se pro cement deklaroval. Někdy bývá smršťování cementu zaměňováno s tzv. objemovou stálostí cementu, která se zkouší pomocí Le Chatellierových objímek. Konstrukce Le Chatellierových objímek však umožňuje zjistit pouze sklon cementu k nabývání, kdy je registrováno rozevření objímky. Zkouška probíhá ve vodní lázni, která se po dobu cca 3 hodin vaří. Tato zkouška je určena pro sledování množství volného vápna ve slínku, které v minulosti představovalo významný problém.

ČSN 74 4505 Podlahy - Společná ustanovení

V základní normě pro navrhování a provádění podlahových konstrukcí se problematika smršťování betonu řeší zavedením pojmu smršťovací spára. Tato spára je vytvořena tak, aby umožnila kontrolovaný vznik smršťovacích trhlin, a tedy proběhnutí objemových změn betonu bez vzniku nežádoucích, tzv. divokých trhlin či jiných nepříznivých dopadů smršťování. V normě se dále požaduje, aby v návrhu podlahy (jak průmyslové, tak občanské a bytové výstavbě) bylo definováno rozmístění smršťovacích spár v podlaze a jejich následná úprava. Pro průmyslové podlahy, které jsou prakticky vždy tvořeny monolitickou železobetonovou deskou, jsou uvedeny požadavky na maximální vzdálenost smršťovacích spár (maximálně třicetinásobek tloušťky desky, maximálně 6 m) s tím, že větší vzdálenosti smršťovacích spár musí být podloženy statickým výpočtem. Výjimkou jsou specifické případy speciálních syntetických povrchových úprav podlah (obr. 4), (obr. 5).

Obr. 4 - Podlaha s nadzdviženými rohy

Obr. 5 - Detail podlahy s nadzdviženými rohy

Pro cementové potěry často používané v občanské a bytové výstavbě se podobná konkrétní doporučení v normě neuvádějí. S určitou opatrností lze využít požadavky pro průmyslové podlahy, je však třeba si uvědomit, že jemnozrnné cementové potěry mají obvykle větší smršťování než hrubozrnné betony.

Shrnutí přístupu norem

Z uvedeného přehledu normativních ustanovení je zřejmé, že stávající normová úprava klade hlavní odpovědnost za opatření bránící vzniku poruch způsobených smršťováním betonu na projektanty. ČSN 74 4505 požaduje, aby autor návrhu podlahy (obvykle projektant) předepsal rozmístění smršťovacích spár po podlaze. To je, spolu s vyztužením betonové desky, hlavním konstrukčním opatřením bránícím vzniku nežádoucích smršťovacích poruch. ČSN EN 206-1 zároveň po specifikátorovi betonu (obvykle projektantovi) požaduje, aby specifikoval veškeré relevantní parametry betonu, v případě podlahových konstrukcí by tedy neměl zapomenout na doplňkový parametr smrštění betonu. Pro formulaci tohoto požadavku nedává norma žádné vodítko, a je tedy třeba ho s dodavatelem betonu dohodnout tak, aby parametry betonu odpovídaly parametrům uvažovaným v projektu, respektive návrhu podlahy (viz ČSN EN 1992-1-1).

Úkol dodavatele betonové směsi vyrobit specifikovaný beton rovněž není jednoduchý, protože pracuje s materiály s variabilními vlastnostmi. Mezi ně je, vedle kameniva a příměsí, třeba zahrnout i cement. Zmíněná cementářská norma ČSN EN 197-1 nezahrnuje smršťování cementu mezi jeho parametry a výrobci cementu ho tedy nemusejí vůbec sledovat, a tedy ani garantovat míru smršťování u jednotlivých typů cementů, ani to, že smršťování cementu během jeho zrání je u různých dodávek stále stejné.

Úkolem prováděcí firmy pak je beton do podlahy správně uložit, včas nařezat smršťovací spáry a ošetřovat tak, aby v počáteční fázi zrání nevznikly trhliny od plastického smršťování.

V současnosti tedy výrobci betonu neznají hodnoty smršťování vyráběných betonů a současně nemají srovnatelné informace k používaným cementům. Tento stav je zcela nelogický a dlouhodobě neudržitelný.

FOTO: archiv autorů

Autoři se věnují odborné, konzultační a znalecké činnosti ve firmě BETONCONSULT, s.r.o.

Literatura

1. Hošek, J.: Měření počátečních objemových změn betonu v pryžové vlnovcové formě. In: Stavební výzkum, roč. 3, 1986, s. 28-32.
2. Tazawa, E.: Committee Report. Proceedings of the International Workshop organized by JCI (Japan Concrete Institute) - Autogenous Schrinkage of concrete (Hiroshima, June 13.-14. 1998) - p. 1-68. London: E&FN Spon, 1999.