Tradycja i nowoczesność w produkcji rur z betonu
TRADITION AND MODERNITY IN PRODUCTION OF CONCRETE PIPES
Streszczenie
Tradycyjnie w budownictwie kanalizacyjnym od ponad 130 lat stosuje się prefabrykowane rury, początkowo kamionkowe, później betonowe i żelbetowe produkowane w różnych długościach i o różnym przekroju poprzecznym. W ciągu ostatnich lat obserwowana jest tendencja w produkcji rur polegająca na uszlachetnianiu betonu różnego rodzaju dodat- kami ( głównie polimerowymi) lub rur z polimerobetonu.
W niniejszym referacie przedstawiono wymagania, jakie powinny spełniać wyżej wymienione elementy w świetle obecnie obowiązujących specyfikacji technicznych. Do- konano porównania czynności, jakie musi wykonać producent, aby wprowadzić wyrób do obrotu w odniesieniu do uzyskanych właściwości użytkowych.
Abstract
Traditionally, construction of sewer system more than 130 years ago used prefabricated pipe, stoneware items initially, then concrete and reinforced concrete. This items are produced in different lengths and different cross-section. The trend in recent years have been introducing admixtures (mainly polymer) in the production of pipes. All of these admixtures have been refined to provide concrete designers and builders with increasing options and greater adaptability to an expanding variety.
This paper presents the requirements to be met in the current technical specifications.
A comparison of steps that must perform manufacturer to place the product on the market in relation to the obtained performance.
Małgorzata Piotrowicz Piotr Romanowski
dr inż. Katarzyna Łaskawiec – ICiMB – Centrum Badań Betonów CEBET mgr inż. Małgorzata Piotrowicz – ICiMB – Centrum Badań Betonów CEBET mgr inż. Piotr Romanowski – ICiMB – Centrum Badań Betonów CEBET
1. Wprowadzenie
Rury, jako główne elementy sieci kanalizacyjnej poddawane są różnego rodzaju nieko- rzystnym oddziaływaniom takim jak parcie gruntu, agresja chemiczna czy erozja, dlatego również są najbardziej narażone na wszelakiego rodzaju uszkodzenia. Najczęstszymi i naj- poważniejszymi uszkodzeniami są wszelkiego rodzaju rysy powodujące utratę szczelności rur, czyli podstawowej cechy stanowiącej o ich przydatności. Wiedzieli już o tym żyjący w XIX wieku inżynierowie, którzy musieli zmierzyć się z budową sieci kanalizacyjnej w tak wielkich na ówczesne czasy miastach jak Paryż, Londyn czy Moskwa. Wyzwaniem był oczywiście sam materiał. Zastosowanie rozwiązań znanych ze starożytności [1] czy średniowiecza nie byłoby odpowiednie dla nowoczesnych miast o gęstej zabudowie z szybko rozwijającym się przemysłem i wciąż rosnącą populacją ludzi.
W XIX wieku i na początku wieku XX stosowano głównie rury kamionkowe, ołowia- ne, a także z żeliwa wykonane w różnych przekrojach. Nie były to jednak rozwiązania idealne i dlatego rury kanalizacyjne, jako produkt z czasem podlegały weryfikacji, co do swej funkcjonalności, trwałości i wpływu na szeroko pojęte środowisko. Przeprowadzano, więc kolejne modyfikacje mające na celu poprawę właściwości użytkowych i najczęściej wiązało się to ze zmianą używanego do produkcji rur materiału. I tak na przestrzeni ponad dwóch tysięcy lat materiał ten ewoluował od kamienia poprzez drewno, ołów i żeliwo, aż do kompozytów polimerowych używanych dziś coraz powszechniej w wielu innych sektorach budownictwa.
Zmiana materiału wiąże się jednak nie tylko ze zmianą właściwości końcowego produktu, ale i ze zmianą jego metod badania i metod oceny. Niniejszy artykuł stanowi porównanie metod, badań trzech najpopularniejszych rodzajów rur kanalizacyjnych:
rur betonowych, rur betonowych modyfikowanych polimerami i rur z polimerobetonu.
2. Wymagane badania
2.1. Badania typu rur betonowych
Metody badań i kryteria dotyczące właściwość użytkowych dla rur betonowych służących do odprowadzania ścieków i wód z opadów, zostały zawarte w normie zharmonizowanej PN-EN 1916 [2] przetłumaczonej w 2005 roku na język polski. Zamieszczone w niej bada- nia wstępne typu, do których zobligowany jest każdy producent przed wprowadzeniem wyrobu do sprzedaży przedstawiono w tabeli 1. Ocena zgodności prefabrykowanych rur betonowych odbywa się według systemu 4. Producenci, zatem mogą przeprowadzać wstępne badania typu w swoim zakładzie bez korzystania z usług podmiotów notyfi- kowanych.
Tabela 1. Wykaz badań wymaganych wg PN-EN 1916 dla wstępnych badań typu Badania typu wg PN-EN 1916 Liczebność
próbek Wymagania
Nasiąkliwość 3 szt. nie więcej niż 6% masy
Kontrola wizualna wykończenia wszystkie badane elementy
brak nierówności i rys przekra- czających 0,15 mm
Charakterystyka geometryczna 3 szt. zgodnie z dokumentacją zakła- dową
Złącza i uszczelki złącza Badanie lub
obliczenia1 W zależności od wybranej metody2
Wytrzymałość na zgniatanie 3 szt. przeniesienie obciążenia Fn3 i brak rys przekraczających 0,3 mm
Wytrzymałość na wzdłużny moment zgi-
nający (średnice do DN 250 włącznie) 2 szt. nie mniej niż 0,013*DN*l2 4
Wodoszczelność 2 x 2 szt. brak przecieków
Zbrojenie i otulenie betonem 1 szt. zgodnie z odpowiednimi norma- mi i dokumentacją zakładową Wytrzymałość odwiertów rdzeniowych
(rury do przeciskania) 1 szt. nie mniej niż 40 MPa
1 – obliczenia w pewnych szczególnych przypadkach
2 – głównie decyduje odkształcenie uszczelki i jej przyleganie
3 – zgodnie z wielkością nominalną i klasą wytrzymałości
4 – DN – średnica nominalna rury, l – długość trzonu rury
Powyższe badania dotyczą również rur wykonanych z betonu modyfikowanego poli- merami służących do odprowadzania ścieków, wód opadowych i wód powierzchniowych.
2.2. Badania typu rur polimerobetonowych
W tabeli 2 przedstawiono zakres wstępnych badań typu jakie musi przeprowadzić pro- ducent rur kanalizacyjnych wykonanych z polimerobetonu. Norma PN-EN 14636-1[3] nie została przetłumaczona na język polski i nie znajduje się na dzień obecny w bazie Nando, nie jest więc jeszcze normą zharmonizowaną. System oceny zgodności wyznacza dla wyrobów tego przeznaczenia mandat M/131. Jest to podobnie jak dla rur betonowych system 4.
Większość badań jest niemal identyczna lub w dużym stopniu zbieżna co do meto- dologii postępowania w porównaniu do badań rur betonowych. Dwa badania rur poli- merowych wg PN-EN 14636-1: wytrzymałość zmęczeniowe pod obciążeniem cyklicznym (Aneks E) i określenie siły niszczącej pod obciążeniem długotrwałym z uwzględnieniem wpływu agresywnych mediów (Aneks G), zwracają szczególną uwagę.
Tabela 2. Wykaz badań wymaganych wg PN-EN 14636-1 dla wstępnych badań typu Badania typu wg PN-EN 14636-1 Liczebność
próbek Wymagania
Wytrzymałość na zgniatanie 3 szt. w zależności od średnicy/wysokości Wytrzymałość na ściskanie (rury do
przeciskania) 3 kostki wy-
cięte z rury nie mniej niż 80 MPa Wytrzymałość na wzdłużny moment
zginający 3 szt. w zależności od średnicy
Charakterystyka geometryczna 3 szt. różne w zależności od typu rury
Wodoszczelność 1 lub 2 rury
z łącznikiem 15 min bez oznak przecieku po ciśnie- niem 1 bara
Wytrzymałość zmęczeniowe pod
obciążeniem cyklicznym 3 wycinki rury
nie mniej niż 2*106 cykli z częstotliwo- ścią 12 Hz pod danym obciążeniem bez uszkodzenia
Określenie siły niszczącej pod obcią- żeniem długotrwałym z uwzględnie- niem wpływu agresywnych mediów
18 próbek wyciętych
z rur
ekstrapolowana wytrzymałość długo- terminowa powinna być nie mniejsza niż 50% wytrzymałości początkowej Zawartość substancji niebezpiecz-
nych wg norm odnoszących się do danego materiału
Pierwsze z nich wyróżnia charakter oddziaływania siły. Jest to oddziaływanie dyna- miczne i to dość długotrwałe, gdyż badanie trwać powinno bez przerwy około 46 godzin.
Wiąże się to z użyciem odpowiedniego urządzenia będącego w stanie spełnić wymagania narzucone przez normę. Jeszcze bardziej skomplikowanym wydaje się badanie określenia siły niszczącej pod obciążeniem długotrwałym z uwzględnieniem wpływu agresywnych mediów. Badanie wymaga przygotowania 18 próbek stanowiących rury przycięte na długość odpowiadającą ich średnicy (lub jej ułamek w przypadku średnic 1500 mm), a następnie umieszczenie każdej z nich w kontenerze z roztworem substancji agresywnej i poddanie długotrwałemu obciążeniu. Schemat badania pokazano na rysunku 1.
Rys 1. Schemat badania siły niszczącej pod obciążeniem długotrwałym z uwzględnieniem wpływu agresywnych mediów. 1 – badany wycinek rury, 2 – kontener z substancją agresywną, 3 – obciążenie
Badanie powinno trwać od 0,1 do 10 000 godzin lub do zniszczenia próbki. Zależy to od dobranego obciążenia. Im większe obciążenie tym krótszy czas badania. Jest to więc bardzo długotrwałe badanie zakładając użycie niewielkiego obciążenia. Dodatkowo podane w normie zanurzenie próbki w roztworze wymusza wytworzenie bardzo dużej jego objętości. Biorąc pod uwagę, iż jedna seria badań ( jednego typu rur) wymusza wykonanie 18 badań, co wiąże się z wykonaniem 18 stanowisk wyposażonych w duży obciążnik i kontener z kilkudziesięcioma litrami roztworu, jest to badanie wyjątkowo pracochłonne i kosztowne, i nie dające się porównać z żadnym innym z zakresu badań typu dla rur betonowych.
3. Wyniki badań i dyskusja
3.1. Rury wykonane z betonu, a rury z betonu modyfikowanego poli- merami
Modyfikowanie betonu polimerami jest obecnie powszechne w produkcji przemysłowej.
Dodatki powinny mieć wysoką stabilność chemiczną wobec kationów uwalnianych w czasie hydratacji cementu, stabilność właściwości mechanicznych podczas mieszania i transportu pneumatycznego, małe działanie napowietrzające, wysoką przyczepność do hydratów oraz ziaren wypełniaczy, wysoką odporność na działanie wody i alkaliów, stabilność termiczną oraz brak niekorzystnego wpływu na hydratację. Aby mogły spełniać rolę aktywnego składnika, stanowiącego element strukturalny powinny być dodawane w niewielkiej ilości (ponad 5%) do masy cementu [4, 5].
ICiMB CBB CEBET, we współpracy z „PREFABET EŁK” Sp. z o.o. przeprowadził badania rur modyfikowanych polimerami [6, 9]. Prace miały na celu ocenę wpływu trzech zastosowanych dodatków na następujące parametry: wytrzymałość na ściskanie, wytrzy- małość na zginanie, nasiąkliwość, mrozoodporność i wodoszczelność. Wytypowano trzy rodzaje polimerów: kopolimer styrenowo-akrylowy (polimer 1); kopolimer styrenowo- -butadienowy (polimer 2); lateks syntetyczny (polimer 3).
Do badań przyjęto dwa kryteria dozowania polimerów: 10% i 15% w stosunku do masy cementu. Badanie objęło betony klasy C35/45. Wyniki badań przedstawiono w tabeli 3.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że wprowadzone do betonu polimery poprawiły jego urabialność, zagęszczenie, zwiększenie elastyczności świeżego betonu oraz skróciły czas formowania elementu. Dodatki polimerowe podniosły parame- try wytrzymałościowe oraz zdecydowanie zwiększyły trwałość betonu, pod warunkiem właściwego doboru rodzaju i ilości wprowadzanego polimeru. Zmodyfikowany beton jest zatem bardzo obiecującym materiałem umożliwiającym zaoferowanie klientom z sektora budownictwa infrastrukturalnego i drogowego szczelnych i trwałych produktów bez konieczności stosowania dodatkowych powłok zabezpieczających, wymaganych w śro- dowisku chemicznie agresywnym.
Modyfikacja polimerami pozwala również osiągnąć bardziej estetyczny wygląd ele- mentów co zwiększa ich konkurencyjność na rynku. Ma to bardzo praktyczne zastosowanie w produkcji rur do przeciskania, gdzie gładsza powierzchnia zmniejsza tarcie pomiędzy elementem i gruntem; przekłada się to na możliwość projektowania rur na mniejszą siłę przeciskania. Na fotografii 1 przedstawiono zewnętrzne powierzchnie zwykłej rury betonowej i rury z betonu polimerowo-cementowego.
Tabela 3. Wyniki badania betonów wykonywanych wg receptur na rury WIPRO (C35/45)
Badana cecha
Receptura kontrolna bez dodatku
polimeru
Receptury z dodatkiem polimeru (nr recep- tury)
polimer 1
w ilości polimer 2
w ilości polimer 3 w ilości 10%
mc 15%
mc 10%
mc 15%
mc 10%
mc 15%
mc (R 0) (R 1a) (R 1b) (R 2a) (R 2b) (R 3a) (R 3b) Wytrzymałość na ściskanie
[MPa] 58,1 62,4 65,4 62,4 66,4 63,4 63,1
% w stosunku do R0 100 107 112 107 114 109 109
Wytrzymałość na zginanie
[MPa] 3,99 4,7 4,98 4,82 5,19 4,96 5,14
% w stosunku do R0 100 118 125 121 130 124 129
Nasiąkliwość [%] 5 3,8 3,4 3,3 2,8 3,3 2,9
% w stosunku do R0 100 76 68 66 56 66 58
Przepuszczalność wody przez beton – głębokość
wniknięcia [mm] 15 12 9 10 8 13 10
Mrozoodporność: ubytek
masy [g] brak ubytku masy
Spadek wytrzymałości [%] 13,1 9,1 8,2 6,8 5,4 7,6 6,7
% w stosunku do R0 100 69 63 52 41 58 51
a) b)
Fot. 1. Porównanie powierzchni zewnętrznej trzonu rury WIPRO betonowej a) i rury WIPRO z betonu polimerowo-cementowego b)
3.2. Rury z polimerobetonu
Polimerobeton jest kompozytem, w którym spoiwo (cement) jest zastąpione w całości przez żywicę poliestrową. Pozostałymi składnikami są kruszywa kwarcytowe o różnym stopniu uziarnienia, piasek oraz mączka kwarcytowa pełniąca rolę mikrowypełniacza.
Dzięki zastąpieniu spoiwa mineralnego żywicą w materiale widoczna jest zwiększona wytrzymałość w porównaniu z betonem zwykłym oraz poprawa jego chemoodporności.
W odróżnieniu od betonu zwykłego czy modyfikowanego, polimerobeton może być uży- wany w środowisku o pH =1÷11 bez zabezpieczania specjalnymi powłokami. Materiał ten jest w bardzo niewielkim stopniu nasiąkliwy (tabela 4), co odróżnia go od klasycznego betonu, czy od betonu polimerowo-cementowego[8].
Tabela 4. Wybrane właściwości polimerobetonu [7]
Badana cecha Jednostka Wartość
Moduł sprężystości przy ściskaniu [MPa] 28 000
Gęstość pozorna [kg/m3] 2 300
Wytrzymałość na ściskanie [MPa] min. 80
Wytrzymałość na zginanie [MPa] min. 15
Współczynnik szorstkości powierzchni wewnętrznej
rur [mm] 0,01
Ścieralność [mm] 1 - 2
Nasiąkliwość [%] 0,0 - 0,1
Niewątpliwą zaletą kompozytu, jakim jest polimerobeton jest jego stosunek ciężaru właściwego do jego cech wytrzymałościowych o wiele korzystniejszy niż w przypadku betonu zwykłego czy modyfikowanego polimerami. Pomaga to w redukcji wymiarów elementów, a w przypadku rur wiąże się to głównie z pocienianiem grubości ścian trzo- nów. W przypadku rur używanych do przeciskania czy w technologii mikro tunelowania taka redukcja grubości ścianki trzonu jest jak najbardziej pożądana, gdyż zmniejsza się wówczas ilość wydobywanego gruntu (tabela 5). Dodatkowo wspomniana już wcześniej mała nasiąkliwość sprawia, iż nawet po dłuższych przestojach rury nie przywierają do gruntu i przy ponownym rozpoczęciu przeciskania wykazują mały opór.
Tablica 5. Porównanie objętości wydobywanego urobku w przypadku zastosowania rur polimerobetonowych i przykładowych rur betonowych [7]
Średnica nominalna
DN
Rura polimerobetonowa Przykładowa rura
betonowa Redukcja wykopu DA [mm] urobek
[m3/m] DA [mm] urobek
[m3/m] [m3/m] %
300 376 0,11 552 0,24 0,13 53,6
1000 1099 0,95 1280 1,29 0,34 26,28
2200 2400 4,52 2910 6,65 2,13 31,98
DN – średnica nominalna, wewnętrzna DA – średnica zewnętrzna
Pod względem parametrów wytrzymałościowych rury betonowe ustępują znacząco rurom o tej samej średnicy wykonanych z polimerobetonu, jednakże modyfikowanie betonu dodatkiem polimerowym w ilości 10% i 15%, w stosunku do masy cementu daje bardzo zadowalające efekty i można uznać wyrób zaprojektowany z takiego betonu za konkurencyjny w stosunku do wykonanego przy użyciu spoiwa żywicznego. Modyfikacja betonu cementowego dodatkiem polimeru prowadzi do podwyższenia wytrzymałości na ściskanie o ok. (11–15)%, wytrzymałości na zginanie o ok. (24–29)%, zmniejszenia nasią- kliwości o ok. (33–41)%, zmniejszenia głębokości penetracji wody nawet o 95% i zmniej- szenia spadku wytrzymałości po badaniu mrozoodporności maksymalnie o 73%. Biorąc jednak pod uwagę wymagania najczęściej wykorzystywanych dziś technologii realizacji sieci kanalizacyjnych, to polimerobeton wydaje się być materiałem odpowiedniejszym, głównie za sprawą swej odporności chemicznej i szczelności.
Na dzień obecny rury z betonu zarówno zbrojonego, jak i niezbrojonego służące do odprowadzania ścieków można wprowadzać do obrotu ze znakiem CE w oparciu o nor- mę zharmonizowaną PN-EN 1916. Natomiast rury wykonane z polimerobetonu, zgodne z normą PN-EN 14636-1 można znakować jedynie znakiem budowlanym B.
4. Wnioski
Modyfikowanie betonu przynosi dość znaczące rezultaty, jednak do stosowania pewnych technologii wykonawczych jest on niekonkurencyjny w stosunku do polimerobetonu.
Z drugiej strony proces i same możliwości znakowania wyrobów, jakim są rury i wszelkie kształtki kanalizacyjne jest znacznie prostszy i korzystniejszy w przypadku stosowania właśnie betonu, jako materiału. Jest to na pewno droga tańsza i lepiej rozpoznana.
Literatura
[1] Witruwiusz „O architekturze ksiąg X”
[2] Y. Ohama, V.S.Ramachandran „Polymer - Modified Mortars and Concretes ”. New Jersey 1995, s. 558-656.
[3] Ł. Kotwica „Wpływ redyspergowalnych proszków polimerowych na proces hydratacji wybranych minerałów klinkierowych cementu”. Praca doktorska AGH.
[4] Beton modyfikowany polimerami do produkcji prefabrykatów, sprawozdanie z wykonania zadania 1, 2, 3, 5 projektu celowego ROW-III-134/2010.
[5] www.hobas.pl
[6] L. Czarnecki, P. Łukowski „Betony polimerowo-cementowe”, Cement, Wapno, Beton nr 5/2010 r., s. 243-258.
[7] PN-EN 1916:2005 + AC:2009 Rury i kształtki z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe.
[8] PN-EN 14636-1:2009 Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do bezciśnieniowej kanali- zacji deszczowej i sanitarnej - Polimerobeton (PRC) - Część 1: Rury i kształtki do połączeń elastycznych [9] K. Jelska, A. Makarewicz, K. Gryciuk, M. Piotrowicz, T. Latuszek „Beton modyfikowany polimerami
do produkcji prefabrykatów”, Materiały z „Dni Betonu 2012”, s. 705-715.