STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono wyniki badań betonów podwodnych poddanych oddziaływaniu ciśnienia hydrostatycznego. Badania betonów prowadzono w specjalnie skonstruowanej komorze, która umożliwia formowanie elementów próbnych pod wodą oraz ich dojrzewanie w warunkach oddziaływania ciśnienia wody. Elementy próbne o objętości ok. 21 litrów były poddawane w komorze stałemu ciśnieniu wody o wartościach: 0,1, 02, 03, 04 i 0,5 MPa, co odpowiada dojrzewaniu betonu w warunkach naturalnych na głębokości od 10 do 50 m.
W celu wykonania badań wytrzymałościowych z próbek po rozformowaniu wycinano kostki sześcienne o boku 100 mm i poddawano badaniom w maszynie wytrzymałościowej po 7 i 28 dniach. Stwierdzono wpływ ciśnienia hydrostatycznego na wartość wytrzymałości na ściskanie badanych próbek. Zaobserwowano wzrost wytrzymałości kostek pobranych z górnych partii elementów próbnych. Jak wynika z badań wstępnych ma to związek z różnicami jakie występują w wielkości i rozkładzie porów powietrznych próbek pobranych z warstw dolnych i górnych elementów próbnych.
SŁOWA KLUCZOWE: betony podwodne, ciśnienie hydrostatyczne, wytrzymałość na ściskanie 1. WPROWADZENIE
Problem badania betonów podwodnych w warunkach ciśnienia hydrostatycznego pozostawał dotychczas nierozwiązany z uwagi na brak urządzenia do prowadzenia tego typu badań. Jedynym rozwiązaniem spotykanym w literaturze jest komora do badań strat wypłukania mieszanki betonowej pod ciśnieniem [1] jednak z uwagi na konstrukcję i wymiary nie pozwala ona na przeprowadzanie badań na stwardniałych betonach.
W literaturze przedmiotu brak jest analizy wpływu ciśnienia hydrostatycznego na trwałość betonu podwodnego konstrukcyjnego jak i trwałość złącza warstwy naprawczej (wykonanej z betonów cementowych lub innych materiałów) z praktycznie nieodkształcalnym podłożem, jakim są masywne obiekty hydrotechniczne.
______________________
1 elzbieta.horszczaruk@zut.edu.pl
2 piotr.brzozowski@zut.edu.pl
W referacie przedstawiono konstrukcję unikalnego stanowiska badawczego umożliwiającego badanie betonów podwodnych konstrukcyjnych i naprawczych w warunkach oddziaływania ciśnienia hydrostatycznego o wartościach od 0,1 do 0,5 MPa. Przedstawiono wyniki badań wstępnych wpływu ciśnienia hydrostatycznego na wytrzymałość na ściskanie betonów formowanych i dojrzewających pod wodą, określanych w literaturze zagranicznej jako betony podwodne (z ang. underwater concrete oznaczane skrótem UWC).
2. STANOWISKO DO BADANIA BETONÓW PODWODNYCH W WARUNKACH ODDZIAŁYWANIA CIŚNIENIA HYDROSTATYCZNEGO
Zasadniczą częścią stanowiska badawczego jest zbiornik stalowy wykonany z wysokowęglowej stali nierdzewnej (rys.1). Zbiornik składa się z dwóch części: części dolnej w kształcie dzwona stożkowego usztywnionego czterema żebrami oraz części górnej w kształcie walca o przekryciu elipsoidalnym. Płaszcz części dolnej jest tak spasowany, aby do środka można włożyć wymienną formę wykonaną z PVC, która jest przeznaczona na badany beton. Całkowita objętość formy wynosi 22 l.
I
3 8
6
5 9 II
2 4 1
7
Rys. 1. Stanowisko badawcze: I – część dolna zbiornika, II – część górna zbiornika, 1 – manometr, 2 – zawór odpowietrzający, 3 – regulator ciśnienia, 4 – zawór przelewowy, 5 – zawory spustowe, 6 – rura załadowcza, 7 – hak wciągarki, 8 – żuraw, 9 - sprężarka
Wpływ ciśnienia hydrostatycznego na wytrzymałość na ściskanie betonów podwodnych 199 Część górna zbiornika ma centralnie zamocowaną rurę zasypową o średnicy wewnętrznej 100 mm, służącą do podawania mieszanki betonowej i zakończonej kołnierzem zamykanym dnem płaskim na śruby stalowe. W górnej części zbiornika znajduje się dopływ sprężonego powietrza, dopływ wody, manometr, zawór bezpieczeństwa, zawór odpowietrzający, zawór przelewowy i sterownik ciśnienia. Wysokość górnej części zbiornika jest tak dobrana, aby poziom wody w zbiorniku był stały i wynosił 1,0 m od górnej krawędzi dolnej części zbiornika.
Maksymalne ciśnienie robocze zbiornika wynosi 0,5 MPa, a ciśnienie dopuszczalne 0,6 MPa i może być regulowane z dokładnością do 0,01 MPa.
Obie części zbiornika łączne są ze sobą za pomocą stalowego kołnierza skręcanego na śruby. Płyta podstawy części dolnej zbiornika jest mocowana do dwóch ceowników, które są zakotwione w posadzce za pomocą śrub. Pod płytę zastosowano 20 mm podkładki z twardego polipropylenu w celu izolacji dolnej części zbiornika od fundamentu.
Sprężone powietrze doprowadzane jest do zbiornika za pomocą sprężarki o maksymalnym ciśnieniu 1,0 MPa. Opróżnianie zbiornika odbywa się dwoma zaworami spustowymi, zasadniczym – zlokalizowanym w odległości 90 mm od dolnej krawędzi (kołnierza) górnej części zbiornika, oraz drugi zawór do usuwania wody, która znajduje się w części dolnej zbiornika. Z uwagi na znaczną masę zbiornika (193 kg), do transportu i montażu części górnej zbiornika zastosowano wciągarkę elektryczną o nośności 250 kg, poruszającą się na wysięgniku stalowego żurawia wspornikowego.
3. METODYKA BADAŃ
Badania przeprowadzono na betonach podwodnych zaprojektowanych tak, aby konsystencja mieszanki betonowej spełniała wymogi stawiane mieszankom układanym pod wodą wg wymagań amerykańskich i norm niemieckich [2, 3]. Założono, że rozpływ mieszanki powyżej 400 mm ma się utrzymywać przez okres 2 godzin od wymieszania składników. Na drodze doświadczalnej ustalono następujący skład mieszanki betonowej: cement CEM I 42,5N – HSR/NA (530 kg), piasek ( 593 kg), żwir 2-16 (1024 kg), domieszka do betonów podwodnych (4 kg) i superplastyfikator (5 l).
Metoda badania betonów podwodnych w zbiorniku ciśnieniowym opiera się na wykorzystaniu amerykańskiej technologii betonowania, gdzie mieszanka jest układana pod wodą za pomocą rur stalowych lub z tworzywa tzw. Tremie Pipe (ang.) i zasypywana grawitacyjnie z wykorzystaniem podajników w postaci kosza [2]. Po założeniu formy do dolnej części zbiornika i skręceniu obu części zbiornik napełnia się wodą, a następnie przez rurę załadowczą wlewa badaną mieszankę betonową o objętości około 21 litrów. Nadmiar wody zostaje odprowadzony przez zawór przelewowy. Następnie zakręca się pokrywę górnego kołnierza i wprowadza zadane ciśnienie (badania wykonano dla wartości ciśnienia od 0,1 do 0,5 MPa z krokiem co 0,1 MPa). Betony dojrzewały w zbiorniku przez okres 7 dni.
Po zakończeniu badania wyłączano sprężarkę, spuszczano powietrze i opróżniano zbiornik z wody. Po zdjęciu górnej części zbiornika wyjmowano badany beton. Z tak otrzymanego ciała próbnego (rys. 2) wycinano kostki o boku 100 mm do badań wytrzymałościowych oraz próbki do badań korozyjnych i mikrostrukturalnych. Połowę kostek poddawano badaniu na ściskanie bezpośrednio po wycięciu (określając wytrzymałość na ściskanie po 7 dniach oddziaływania ciśnienia). Druga partia kostek została umieszczona w komorach z wodą o temperaturze 20±20 C i przechowywana do czasu osiągnięcia przez kostki wieku 28 dni, a następnie poddawana badaniom wytrzymałościowym. W trakcie cięcia próbek do badań wytrzymałościowych oznaczano miejsce pobrania próbki z ciała próbnego (cześć górna lub dolna elementu próbnego). Z jednego elementu próbnego uzyskiwano do 8 kostek o boku 100 mm.
Rys. 2. Widok elementu próbnego po wyjęciu ze zbiornika i usunięciu formy PVC
Uzyskane wyniki badań wytrzymałości na ściskanie betonów przechowywanych w zbiorniku pod ciśnieniem porównano z wynikami badań kostek o boku 100 mm wyciętych z elementu próbnego wykonanego w takiej samej formie o objętości 22 litrów, przechowywanego w wodzie o temperaturze 20oC, lecz nie poddanemu oddziaływaniu ciśnienia.
4. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA
Na (rys. 3) przedstawiono wyniki badań wytrzymałości na ściskanie próbek betonowych po 7 dniach dojrzewania z uwzględnieniem miejsca wycięcia z elementu próbnego.
0 10 20 30 40 50 60 70
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Ciśnienie [MPa]
Wytrzymałość na ściskanie [MPa]
dół góra
Rys. 3. Wytrzymałość 7-dniowa na ściskanie próbek betonowych poddanych oddziaływaniu ciśnienia hydrostatycznego z uwzględnieniem miejsca pobrania próbek