Beton architektoniczny. Dobrej jakości beton architektoniczny - co to oznacza w praktyce?

Beton architektoniczny to ponadczasowy materiał wykończeniowy. Pełni głównie funkcję dekoracyjną. Współczesna inżynieria materiałowa otwiera nowe możliwości wykorzystania właściwości betonu jako materiału nie tylko konstrukcyjnego, ale kształtującego też formę budowli oraz ich wnętrz. Co decyduje o trwałości i wyglądzie betonu architektonicznego?

Beton architektoniczny

Pod nazwą beton architektoniczny (fasadowy, elewacyjny) rozumie się powierzchnie betonowe o zdefiniowanych wymaganiach pod względem wyglądu. Beton taki gwarantuje parametry trwałości i wytrzymałości przy równoczesnym uzyskaniu estetycznych powierzchni, niewymagających pokrycia warstwą tynku lub inną powłoką wykończeniową. Aby osiągnąć ten cel, należy zapewnić szczególną staranność produkcji i wbudowywania betonu. W literaturze spotyka się szereg uwag dotyczących technologii wykonania betonu architektonicznego. Niestety, brakuje wiążącego opisu jakąkolwiek normą lub przepisem budowlanym, jak też wytycznymi branżowymi.

• Czytaj też: Beton specjalny. Rodzaje betonu, właściwości i zastosowanie w budownictwie inżynieryjnym

O ostatecznym wyglądzie betonu architektonicznego decyduje wiele czynników - zarówno w trakcie produkcji betonu, jak i jego montażu. Są one trudne do przewidzenia i kontrolowania w trakcie realizacji inwestycji. Chodzi tu o materiał i technologię produkcji, a wśród nich jako główne należy wymienić:

• kształt i rysunek szalunku,
• zastosowany środek antyadhezyjny,
• warunki pielęgnacji betonu,
• temperaturę powietrza podczas prowadzenia prac betoniarskich,
• wskaźnik wodno-cementowy mieszanki betonowej,
• rodzaj cementu,
• domieszki chemiczne modyfikujące właściwości mieszanki betonowej,
• różnice w uziarnieniu piasku.

Wymagania stawiane betonowi architektonicznemu dotyczą efektu końcowego, widzianego oczami architekta. Aby w jednoznaczny sposób postawić te wymagania przyszłym producentom betonu i firmom wykonawczym, należy je rozpatrywać w trzech kategoriach:

• kryteria materiałowe ograniczające się do zaprojektowania odpowiednich mieszanek betonowych,
• kryteria technologiczno-organizacyjne dotyczące: technologii i organizacji produkcji mieszanki w węźle betoniarskim; transportu mieszanki betonowej na plac budowy; podawania mieszanki na placu budowy i wbudowywania w szalunki; stosowania odpowiednich środków antyadhezyjnych do szalunków; sposobu wbudowywania betonu w przygotowane szalunki; sposobu zagęszczania betonu; sposobu pielęgnacji świeżego betonu; wyboru odpowiedniego systemu szalunków;
• kryteria przeprowadzania kontroli.

Kryteria materiałowe dla betonu architektonicznego

Dla zachowania trwałości betonu architektonicznego konieczne jest uzyskanie materiału szczelnego. Gwarantuje to ograniczenie nasiąkliwości, co w przypadku betonu architektonicznego fasadowego zabezpiecza go przed niszczącym działaniem wody, rozpuszczonych w niej agresywnych związków chemicznych oraz przed karbonatyzacją. Ponadto niska nasiąkliwość znacznie ogranicza efekt zmiany koloru fragmentów fasady na skutek zawilgocenia ściany. Głębokość wnikania wody w tego typu betonie nie powinna przekraczać 20-30 mm.

Trzy główne grupy składników w betonie muszą stanowić mieszankę o szczelnej strukturze:

• kruszywo,
• stwardniały zaczyn cementowy (kamień cementowy),
• faza przejściowa kruszywo-zaczyn.

Zwykle brak wodoszczelności wynika z porowatej struktury fazy przejściowej kruszywo-zaczyn, spowodowanej nadmiarem wody i brakiem frakcji pylastych w mieszance. Dla betonów fasadowych w celu zredukowania ilości wody zarobowej i uzyskania odpowiedniej konsystencji należy stosować jako domieszki modyfikujące plastyfikatory na bazie lignosulfonianów wapniowych lub magnezowych i/lub superplastyfikatory melaminowe, naftalenowe lub ich mieszanki, a nawet upłynniacze najnowszej generacji na bazie eterów polikarboksylowych.

Plastyfikatory i upłynniacze mają za zadanie zmniejszenie ilości dozowanej wody do mieszanki betonowej, a równocześnie uzyskanie dobrej plastyczności i urabialności mieszanki betonowej. Dzięki temu dobrze wypełnia ona szalunki, nie pozostawiając raków (pustych przestrzeni), daje się też łatwiej zagęścić, co pozwala na otrzymanie zwartej struktury. Obniżony wskaźnik wodno-cementowy będzie korzystnie wpływać na ograniczenie skurczu i na inne cechy mające znaczenie dla trwałości betonu stwardniałego.

Rozwój technologii betonu w ostatnich trzydziestu latach, zwłaszcza w dziedzinie domieszek chemicznych (głównie plastyfikatory i upłynniacze), umożliwił niezależne od wartości wskaźnika wodno-cementowego regulowanie konsystencji mieszanki betonowej - nie tylko w wytwórni betonu towarowego, ale również na placu budowy.

• Czytaj też: Domieszki do betonu. Rodzaje domieszek do betonu, za jakie właściwości betonu odpowiadają

Stosowanie domieszek upłynniających, dużych ilości cementu oraz dodatku pyłów krzemionkowych pozwoliło wytwarzać betony wysokowytrzymałe (fc >100 N/mm²). Betony takie, szczególnie te z ograniczonym maksymalnym wymiarem ziaren kruszywa grubego, charakteryzują się cechami reologicznymi nieobserwowanymi w betonach zwykłych. Dają się one łatwo wprowadzać do elementów konstrukcyjnych o gęstym zbrojeniu, szczelnie i dokładnie wypełniają przestrzenie w deskowaniu bez zagęszczania wibratorami, wykazują własności samopoziomujące.

Dalszy rozwój upłynniaczy i wdrożenie nowych możliwości technologicznych przez największe koncerny budowlane doprowadziły przed blisko 15 laty w Japonii do rozwoju technologii betonu samozagęszczalnego (self compacting concrete - SCC). Jego szczególne właściwości to przede wszystkim:

• silne upłynnienie i homogenizacja mieszanki betonowej,
• prawie całkowite wyprowadzenie powietrza z mieszanki podczas upłynnienia,
• zdolność do łatwego wypełnienia wszystkich przestrzeni wewnątrz deskowań i szczelnego otulenia zbrojenia bez konieczności stosowania pracochłonnego procesu zagęszczania.

Wymienione tu właściwości są możliwe do osiągnięcia dzięki znacznie podwyższonej zawartości cząstek drobnych (poniżej 0,125 mm), które wraz z wodą i silnym upłynniaczem tworzą jednorodną zawiesinę o wysokiej lepkości. Zawartość zawiesiny frakcji drobnej musi przekraczać 40% objętości stosu okruchowego kruszywa. Dzięki takiej proporcji grubsze składniki nie zwiększają tarcia wewnętrznego mieszanki betonowej.

Szerokie zastosowanie możliwych kombinacji w systemie pięcioskładnikowego kompozytu pozwala na uzyskanie betonu o normalnej klasie wytrzymałościowej (beton w zakresie konsystencji od K1 do K5) lub betonu SCC oraz betonu o wysokiej wytrzymałości aż po reactive powder concrete (RPC) czyli kompozyt z największym ziarnem wypełniacza do 0,5 mm, charakteryzujący się właściwościami samozagęszczalnymi i o wytrzymałości na ściskanie przekraczającej 200 N/mm².

Oddzielnym zagadnieniem jest temperatura otoczenia. Jej wzrost przyspiesza wiązanie cementu. Skutkuje to wprawdzie szybkim przyrostem wytrzymałości wczesnej ale też mniejszą osiąganą wytrzymałością końcową. Wpływa to również na barwę betonu. Konieczne jest wówczas spowalnianie procesu hydratacji przez dozowanie środków opóźniających. Takie postępowanie zapobiega także powstaniu mikrorys spowodowanych odkształceniami termicznymi wywołanymi ciepłem hydratacji. Należy jednak mieć świadomość, że dozowanie opóźniacza w różnych ilościach zależnie od temperatury otoczenia może być przyczyną różnic w zabarwieniu betonu. Dotyczy to również dozowania opóźniacza w celu uniknięcia powstawania styków roboczych pomiędzy kolejnymi warstwami układanego betonu. Należy wtedy rozważyć dozowanie środków opóźniających wiązanie na zbliżonym poziomie do wszystkich partii betonu, aby utrzymać jednolitość barwy.

• Czytaj też: Cementownie w Polsce. Które cementownie w Polsce są największe? Ile produkują cementu?

Również wybór rodzaju cementu jest istotny w przypadku wykonywania betonu architektonicznego. Należy rozważyć stosowanie cementów hutniczych (CEM III), które dają betonowi jasny, stosunkowo równomierny kolor. Zaletą tych cementów jest spowolniona hydratacja, co ogranicza spękanie betonu, wywołane ciepłem twardnienia. Ponadto betony na cemencie hutniczym są bardziej odporne na siarczany, oddziałujące na fasady jako czynniki atmosferyczne. Wadą cementów hutniczych jest spowolniony proces narastania wytrzymałości, co wiąże się z koniecznością dłuższego utrzymywania betonu w szalunkach.

Beton architektoniczny - kryteria technologiczno-organizacyjne

Szczególnie w przypadku betonów architektonicznych, gdy każda zmiana surowców może mieć wpływ na kolor i strukturę betonu, należy zapewnić dostawy identycznych składników mieszanki betonowej przez cały okres betonowania. Jest to istotny problem, bowiem poszczególne partie materiałów z kolejnych dostaw mogą różnić się między sobą, przy czym na przykład w przypadku cementu rezultatem będą różnice w kolorze betonu wykonanego ze spoiwa z różnych dostaw. Faktura betonu zależy od zawartości drobnych frakcji piasku. Wahania i zmiany stosu okruchowego mogą mieć wpływ na jednorodność powierzchni. Stosowanie frakcjonowanego kruszywa pozwala odpowiednio dobrać stos okruchowy - piasek 0-2 mm, i kruszywa 2-8, 8-16 i ewentualnie 16-32 mm, w zależności od wymiarów betonowanych konstrukcji. Kruszywo powinno być okrągłe lub w kształcie foremnym (niewydłużone i płaskie).

Mieszanka betonowa powinna być tak podawana do szalunków, aby powstała dobrze zagęszczona, jednorodna struktura. Należy zwracać uwagę, aby beton nie spadał ze zbyt dużej wysokości (maks. 1 m), w przeciwnym razie może dojść do segregacji składników. Materiał powinien być układany równomiernie w szalunki, a nie rozgarniany wibratorami. Grubość warstw betonu nie powinna przekraczać 50 cm - gdy stosowane są wibratory wgłębne i 30 cm - przy wibratorach przyczepnych. W przeciwnym razie utrudnione będzie odpowietrzenie przy powierzchni szalunków, co spowoduje powstawanie pustek, pęcherzy i raków powierzchniowych.

• Czytaj też: Materiały do produkcji prefabrykatów betonowych

Proces zagęszczania mieszanki jest szczególnie istotny w przypadku betonów architektonicznych i decyduje o jakości betonu oraz wyglądzie końcowym. Jednak decydującą rolę w uzyskiwaniu jednorodnej i zamkniętej powierzchni odgrywają środki antyadhezyjne stosowane do szalunków.

Równie ważnym elementem betonowania jest pielęgnacja świeżego betonu, to znaczy ochrona świeżego tworzywa aż do uzyskania wystarczającej twardości i wytrzymałości. Przede wszystkim chodzi tu o ochronę przed wysychaniem, czyli przed ucieczką wody z powierzchni betonu, w rezultacie czego dochodzi do zwiększenia ilości kapilar w betonie i ostatecznie zmniejszenia jego trwałości.

Podczas pielęgnacji betonu należy pamiętać o kilku najważniejszych zabiegach:

• utrzymywaniu zabetonowanych elementów w szalunkach w stanie wilgotnym,
• okrywaniu ich wilgotnymi matami jutowymi, przykrytymi dodatkowo foliami,
• stosowaniu płynnych środków do pielęgnacji, rozpylanych na powierzchni betonu bezpośrednio po zdjęciu szalunków,
• prowadzeniu pielęgnacji standardowo przez 3 dni.

Przy zastosowaniu cementów mieszanych (CEM II) czy hutniczych (CEM III) okres pielęgnacji należy wydłużyć.

Beton architektoniczny - kryteria przeprowadzania kontroli

Przy tak znacznej liczbie koniecznych do spełnienia wymagań istotne jest zorganizowanie sprawnego systemu kontroli. Trzeba sobie zdawać sprawę, że musi to być wiarygodny system wybiegający znacznie poza wymagania normowe wobec zwykłego betonu. Należy badać jakość i powtarzalność zarówno surowców do produkcji mieszanki betonowej, jak i betonu na poszczególnych etapach (węzeł betoniarski, transport, szalunki i zbrojenie przed podaniem pompą, układanie i zagęszczanie w szalunkach). Istotna jest ilość wody w mieszance, którą należy sprawdzać także na budowie. Ponadto należy mieć pod ciągłą kontrolą cały proces technologiczny łącznie z pielęgnacją świeżego betonu.

Przytoczone powyżej wymagania są kluczowymi kryteriami, których spełnienie pozwala uzyskać dobrej jakości beton architektoniczny. Poruszone zagadnienia świadczą o tym, że nie jest to zadanie łatwe, co jednak nie powinno stać się barierą ograniczającą możliwości, jakie ten materiał daje architektom.