Betonas tiltų infrastruktūroje – tvari ir ilgaamžė jungtis

Betonas jau ne vieną amžių naudojamas infrastruktūros objektuose. Tiltai – ne išimtis. Ši medžiaga išsiskiria savo tvirtumu, patvarumu ir universalumu, tačiau ilgai buvo kritiškai vertinta dėl tvarumo kriterijų. Tai jau tampa praeitimi. Jau kuris laikas mokslininkai atlieka daugybę tyrimų, kurdami mažiau taršų ir ilgaamžį betoną, šiandien atveriantį naujų, modernių infrastruktūros plėtros galimybių.

Betonas tiltams – patikimas ir ilgaamžis sprendimas

Betonas iki šiol yra viena universaliausių ir labiausiai paplitusių statybinių medžiagų tiltams dėl savo fizikinių ir mechaninių savybių bei ilgaamžiškumo.

• Gniuždymo stipris. Betoniniai tiltai gali atlaikyti itin dideles apkrovas, sunkią ir karinę techniką.
• Aukštas betono gniuždymo stipris. Betonas tiltams būtinas, kad konstrukcija atlaikytų dideles vertikalias apkrovas.
• Klojinių ir formų lankstumas. Betonas gali būti liejamas įvairiomis formomis, todėl tinka net sudėtingiems tiltų architektūriniams sprendimams.
• Ilgaamžiškumas. Tinkamai suprojektuotos ir prižiūrimos betono konstrukcijos gali tarnauti 100 metų ar ilgiau.
• Atsparumas aplinkos poveikiui. Naudojant tinkamas sudėtis, betonas gali atlaikyti šalčius, drėgmę, chloridus ir kitus agresyvius veiksnius.

Pagrindiniai etapai betonuojant masyvias monolitines konstrukcijas

Masyvios betoninės konstrukcijos apima masyvius plokštuminius pamatus, užtvankas ir kitas betonines konstrukcijas, kurių plotis arba gylis viršija vieną metrą. KTU Statybos ir architektūros fakulteto profesorius Mindaugas Daukšys išskiria pagrindinius etapus betonuojant masyvias betono monolitines konstrukcijas.

• Tinkamos ir tvarios betono mišinio sudėties parinkimas (cemento tipas ir jo kiekis, naudojamos betono įmaišos, užpildai).

• Betonavimo technologija (nepertraukiamo betonavimo technologija, klojamų sluoksnių storis ir eiliškumas).

• Betono priežiūra kietėjimo metu (konstrukcijos vėsinimas arba izoliavimas dengiant dembliais, priklausomai nuo metų laiko).

Nors KTU jau prieš kelerius metus sukurtas ypač tvirtas betonas, jis tiltų statyboje dar nenaudojamas. „Tačiau kuriant betono mišinių sudėtis buvo atsižvelgta į tvarumo kriterijų. Sudėtims pasirinkti betono rišikliai, kurių gamybos metu į aplinką išmetamas daug mažesnis CO₂ kiekis“, – sako M. Daukšys.

Svarbiausi kriterijai tiltų konstrukcijoms skirtam betonui

Naujausios technologijos, nuolatiniai bandymai leidžia sukurti vis tvaresnį betoną, išlaikantį savo svarbiausias savybes. Europos Sąjungoje ir kitose šalyse stiprėja reikalavimai mažinti betono gamybos CO₂ pėdsaką – tai skatina inovacijas ir alternatyvių rišamųjų medžiagų naudojimą. Todėl ir Lietuvos mokslininkai vis aktyviau dalyvauja tyrimuose, siekdami kurti mažiau taršų ir ilgaamžiškesnį betoną.

Tiltų konstrukcijoms naudojamas betonas turi atitikti itin aukštus reikalavimus tiek stiprio, tiek atsparumo aplinkos poveikiui atžvilgiu. Remiantis statinio PO-1001 statybos projekto konstrukcinės dalies SK-05.01, parengtos UAB „Processoffice“ bei UAB „Kelprojektas“, rostverkų Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3, Nr. 4 ir liemens Nr. 1 bei Nr. 5 betonavimui buvo numatyta naudoti C35/45 XC4 XD3 XF4 betoną.

• XC4 – betonas atsparus karbonizacijai, kai drėgna, bet ne nuolat šlapia aplinka (pavyzdžiui, tiltų atramos).
• XD3 – atsparus chloridų poveikiui, taip pat nuo druskų, naudojamų žiemą (pavyzdžiui, chloringu vandeniu aptaškomos tiltų dalys).
• XF4 – atsparus šalčiui, kai ant paviršiaus kaupiasi vanduo ar sniegas (pavyzdžiui, tiltų dalys, veikiamos šalčio, vandens purslų).

Taip pat nurodyta, kad rostverkams ir atramoms betonuoti skirtas betono mišinys turi būti gaminamas naudojant cementus, kurie hidratacijos metu išskiria mažesnį šilumos kiekį, bei betono įmaišos, kurios leistų iki 50 proc. sumažinti betono susitraukimo deformacijas. 

Tvarumo aspektai, padedantys mažinti CO₂ tiltų statyboje

Projektuotojai ir gamintojai nuolat ieško būdų, kaip sumažinti anglies dioksido pėdsaką, naudojant betoną tiltų statybai. Siūlomas sprendimas – rinktis mažesnę hidratacijos šilumą išskiriantį ir tvaresnį cementą, pavyzdžiui, II tipo portlandcementį arba III tipo cementą pagal LST EN 197-1:2011/P:2013 „Cementas. 1 dalis. Įprastinių cementų sudėtis, techniniai reikalavimai ir atitikties kriterijai“.

M. Daukšys išskiria kitus svarbius kriterijus, kurių reikia laikytis įrengiant tiltų betono monolitines konstrukcijas.

• Lakieji pelenai. Betono mišinio sudėtyje turi būti F klasės lakiųjų pelenų arba šlakinio cemento. F klasės lakiųjų pelenų paprastai dedama 25–40 proc., nes jų išskiriama hidratacijos šiluma yra maždaug per pusę mažesnė nei cemento. Taip pat gali būti naudojami C klasės lakieji pelenai.
• Šlakinis cementas. Juo dažnai galima pakeisti 50–75 proc. cemento, o jo hidratacijos šiluma paprastai yra nuo 70 iki 90 proc. mažesnė, palyginti su cemento.
• Vanduo. Vandens ir cemento santykis turi būti kuo mažesnis. Minimalus gali būti 0,35–0,40. Siekiant užtikrinti reikiamą mišinio konsistenciją ir apdirbamumą, siūloma naudoti betono įmaišas.
• Rišamosios medžiagos. Kad būtų pasiektas reikiamas betono gniuždymo stipris, bendras rišamųjų medžiagų kiekis turi būti kuo mažesnis. Tai sumažins šilumos energiją ir maksimalią temperatūrą betonavimo metu.
• Užpildai. Tinkamai parinkta užpildų granuliometrinė sudėtis sumažina rišamųjų medžiagų kiekį, reikalingą tam tikram betono stipriui pasiekti. Didžiausias užpildų dydis priklauso nuo tarpų tarp armatūros strypų dydžio ir apsauginio betono sluoksnio storio. Užpildų dydis turėtų būti maždaug trys ketvirtadaliai mažesnis už tarpus tarp armatūros strypų. Siekiant sumažinti šiluminį plėtimąsi ir temperatūrinių plyšių atsiradimo galimybę, reikia naudoti tokius užpildus kaip trupintas žvirgždas, granitas ar bazaltas.

Masyvių konstrukcijų betonavimo iššūkis – temperatūrų skirtumai

Tiltų rostverkai ir atramų liemenys priskiriami prie masyvių gelžbetoninių konstrukcijų, kurioms taikomi specifiniai betonavimo ir priežiūros reikalavimai (ACI 207-1R-05 rekomendacijos, LST EN 206:2013+A1:2017, LST 1974:2012 ir LST EN 13670:2010 standartai).

KTU profesoriaus M. Daukšio teigimu, temperatūrų skirtumai – vienas svarbiausių iššūkių betonuojant masyvias konstrukcijas: „Dėl cemento hidratacijos metu išskiriamos šilumos masyvios betono konstrukcijos vidinė temperatūra kyla ir konstrukcija plečiasi, o išorinis konstrukcijos paviršius vėsta ir traukiasi. Jei temperatūrų skirtumas yra didelis, betone gali atsirasti plyšių.

Minėtas temperatūrų skirtumas negali viršyti 20 °C. Įtrūkimas iš karto atsiranda, kai betono įtempiai viršija betono tempimo stiprį. Šis įtrūkimas pasireiškia dėl temperatūrinių skirtumų.“

Pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos masyvios betono konstrukcijos temperatūros svyravimams:

• konstrukcijos dydis; 
• aplinkos oro temperatūra; 
• cemento rūšis ir cemento kiekis mišinyje;
• pradinė betono mišinio temperatūra klojimo bei kietėjimo priežiūros metu.

Betonas ir toliau išlieka nepakeičiama medžiaga tiltų statyboje dėl savo techninių savybių ir ilgaamžiškumo. Tvarumo iššūkiai padeda rasti sprendimus, leidžiančius mažinti CO₂ pėdsaką ir kurti patvarias ir ilgai tarnaujančias tiltų konstrukcijas, taip betonui išliekant nepamainomam modernioje infrastruktūroje.

Ar 3D spausdinimas atneš revoliuciją tiltų statyboje?

3D, arba trimatis, spausdinimas plačiai naudojamas tokiose srityse kaip medicina, pramonė, dizainas, tačiau statybų sektoriuje – rečiau. Visgi, pasaulyje jau turime ne vieną 3D spausdinimo metodu sukurtą pastatą. O štai tiltų statyboje kol kas proveržio nematyti, nors 3D spausdinimas turi svarbių pranašumų, palyginti su įprasta statyba.

• Greitis. Skaičiuojama, kad trimatis spausdinimas kai kurių objektų statybos laiką gali sumažinti ne tik keliais, bet ir dešimtimis kartų.
• Netradiciniai sprendimai. Tokia technologija leidžia kurti nestandartinę architektūrą.
• Klaidų eliminavimas. Nebelieka vietos žmogiškosioms klaidoms, statybiniam brokui.

Trimatis spausdinimas – inovacija ir ateitis, kurią jau galima pritaikyti šiandien. KTU Statybos ir architektūros fakulteto profesorius dr. Vitoldas Vaitkevičius sako, kad Lietuvoje pasiekimų tiltų spausdinimo srityje mažokai, bet Europoje bandymų jau būta. Olandijoje, Italijoje, Prancūzijoje jau galima pamatyti tiltų, atspausdintų naudojant 3D. Dauguma jų sukurti iš spausdintų betoninių blokelių.

„Visų pirma, šiuo metu nėra jokio reglamentavimo, dokumentacijos tokiai technologijai naudoti. Daugiausia iššūkių kelia pačios tilto konstrukcijos. Tiltai yra lenkiamieji elementai.

Kol kas daugiausia pavyzdžių turime tokių, kur trimatis spausdinimas naudojamas apdailos medžiagoms sukurti“, – teigia V. Vaitkevičius.

Mokslininkas vardija priežastis, kodėl šiandien 3D spausdinimas dar nėra tinkamas būdas tiltų statybai.

• Sluoksniai. Tradiciniai tiltai dažniausiai statomi iš labai stiprių medžiagų – plieno ar armuoto betono. 3D spausdintos konstrukcijos (net ir betonas, spausdinamas 3D būdu) dažnai turi sluoksnių ribas ir mikrotrūkių, todėl jų mechaninės savybės – stipris, atsparumas nuovargiui ir ilgaamžiškumas – dažnai būna prastesni nei įprastų statybinių technologijų.

• Jungtys. 3D spausdinimas dažniausiai sukuria objektus sluoksniais, o jungtys tarp sluoksnių tampa silpnomis vietomis, mažinančiomis konstrukcijos atsparumą didelėms apkrovoms ir galinčiomis lemti greitesnį deformavimąsi ar net lūžį.

• Dydis. Dabartinės 3D spausdinimo technologijos sunkiai leidžia kurti labai didelius, tikslius ir itin apkrovas atlaikančius objektus kaip tiltai. Reikia labai didelių spausdintuvų, šie turi būti labai tikslūs ir patikimi, o tai kol kas labai brangu ir sudėtinga.

• Reikalavimai. Tiltai yra strateginės reikšmės statiniai, kuriems taikomi itin griežti inžineriniai ir saugos standartai. 3D spausdintų konstrukcijų patikimumas kol kas dar nėra sertifikuotas ir reglamentuotas.

„Visai kitokie pasiekimai kalbant apie pastatų spausdinimą. Pavyzdžiui, yra tekę lankytis įmonės „Cobod“ atspausdintame pastate Kopenhagoje. Taip pat nemažai pavyzdžių yra Vokietijoje“, – sako V. Vaitkevičius.

2017 m. Kopenhagoje buvo pastatytas „The BOD“ – pirmasis Europoje 3D spausdintas pastatas. Jis atspausdintas per du mėnesius, o 2019-aisiais „Cobod“ sugebėjo pakartoti šį procesą vos per 28 valandas per tris dienas, parodydama 20 kartų didesnį produktyvumą.

Ypač tvirtas betonas netinka 3D spausdinimui

KTU mokslininkas dr. Evaldas Šerelis prieš kelerius metus sukūrė ypač stiprų betoną, kuris net 8 kartus tvirtesnis už įprastą. Tačiau trimačiam spausdinimui jis nebūtų tinkamas. „Daugelis žmonių neteisingai įsivaizduoja patį spausdinimo procesą. Manoma, kad statinys spausdinamas ištisinis, tačiau dažniausiai jis kuriamas iš atskirų atspausdintų elementų.

Čia labai svarbi naudojama medžiaga. Įprastas betonas 3D spausdintuvui netinka, todėl visi, kas su tuo dirba, ieško savo recepto, kaip sukurti kokybišką mišinį, ir stengiasi tuo receptu su niekuo nesidalyti. Koks svarbiausias lemiamas komponentas, niekas stengiasi nesiskelbti“, – pabrėžia E. Šerelis.

V. Vaitkevičius sako, kad ir KTU vyksta įvairūs eksperimentai, kurie praplėstų trimačio spausdinimo galimybes. Pavyzdžiui, atsižvelgiant į įsigaliojusias nuostatas, pagal kurias visuomeninių pastatų statyboje turi būti naudojama bent 50 proc. organinių medžiagų, spausdinant trimačiu būdu, taip pat siekiama naudoti vis daugiau organinių medžiagų, antrą kartą galimų panaudoti atliekų.

Pavyzdžiui, mokslininkai šiuo metu dalyvauja tarptautiniame projekte TRANSITION, jo tikslas – sukurti 3D betono spausdinimui tinkamą cementinį kompozitą, kuriame būtų naudojama didelė dalis pramoninių atliekų ir kuris būtų tinkamas spausdinti viso masto konstrukcinius elementus ir pastatų ekstruzijos pagrindu veikiančius priedus.

3D spausdinti betoniniai tiltai

• Dviračių tiltas Nyderlanduose. Nyderlandų Eindhoveno technologijos universitetas ir įmonės „Bam Infra Nederland“ specialistai 2017 m. sukūrė pirmąjį pasaulyje 3D spausdintą gelžbetonio tiltą. 8 m ilgio dviračių tiltas pagamintas iš 3D spausdintų betono blokelių. Nuo tada rangovas šią technologiją taikė kituose projektuose, tarp jų – 29,5 m 3D spausdintas betoninis dviračių tiltas Neimegene ir trys pėsčiųjų tiltai Šiaurės Olandijos provincijoje.
• Pėsčiųjų tiltas Italijoje. 2021 m. Venecijos architektūros bienalėje Italijoje buvo pristatytas kitokio tipo 3D spausdintas betoninis pėsčiųjų tiltas. „Striatus“ buvo 16 m arkinis, nesutvirtintas mūrinis pėsčiųjų tiltas su penkiais prieigos taškais, sudarytas iš 3D spausdintų tuščiavidurių betoninių blokelių.
• Tiltas per kanalą Amsterdame. 2021 m. visuomenei atidarytas 12 m ilgio 3D spausdintas plieninis tiltas per kanalą Amsterdame. Jį sukūrė Nyderlandų technologijų startuolis MX3D kartu su „Joris Laarman Lab“, „Arup“ ir daugybė kitų bendradarbių.
• Pėsčiųjų tiltas Madride. 2017 m. 12 m ilgio ir 1,75 m pločio pėsčiųjų tiltas pastatytas iš mikrogelžbetonio. Projektuojant naudoti parametriniai projektavimo įrankiai, leidžiantys optimaliai paskirstyti medžiagas, sumažinti atliekų kiekį ir visapusiškai integruotis į viešąją erdvę, siekiant naujovių ir socialinės įtraukties.

Nors trimatis spausdinimas šiuo metu aktyviai tyrinėjamas, vyksta įvairūs eksperimentavimai, visgi, mokslininkų nuomone, artimiausioje ateityje nepamatysime šiuo būdu sukurtų didžiulių tiltų. „Daugiausia tai gali būti pėsčiųjų tiltai, perėjos, dekoratyviniai tilteliai arba tiltai, daugiau skirti reprezentacijai, reklamai, bet ne žmonėms naudoti.

Artimiausiu metu Lietuvoje tikrai nepamatysime didžiulio betoninio tilto, atspausdinto trimačio spausdinimo metodu“, – sako V. Vaitkevičius.