ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚT.\s k t r.t Sariaa GÓRNICTWO z. 191
_______ 1990 Nr kol. 1095
Mieczysław JOKIKL Bogdan KOKOT
Politechnika Wrocławska
Zakłady Badawcze i Projektowe Miedzi "CUPRUM", Wrocław
NAPRAWY I WZMOCNIENIA BETONOWYCH OBUDÓW SZYBOWYCH ZA POMOCĄ BETONU POLIESTROWEGO
S t r e s z c z e n i e . W re f er ac ie p r z e ds t aw io no ko nc e pc je i w yn ik i zasto- s o\v a n T a b e Fon u p o l i es tr o we go do n ap r aw i wz m oc n i e n i a betono w yc h obu
dów szybowych.
1. WSTĘP
Tradycyjny beton cementowy, przy wszystkich jego znanych zaletach jako . tworzywa konstrukcyjnego, wykazuje również pewne wady, z których wymienimy tu długi czas wiązania i uzyskiwania wymaganych parametrów wytrzymałościo
wych oraz małą przyczepność świeżego betonu do betonu starego. Obydwie te cechy wybitnie utrudniają remonty i wzmocnienia istniejących już konstruk
cji betonowych, szczególnie zaś betonowych obudów szybów górniczych. Długi czas wiązania powoduje konieczność wyłączenia szybu na dłuższy czas z eks
ploatacji, małą przyczepność betonu nowego i starego wyklucza praktycznie możliwość remontu uszkodzonych z jakiejkolwiek przyczyny partii obudowy.
Wady te wybitnie utrudniają ewentualne wzmocnienie istniejącej obudowy betonowej w przypadku, gdy jej wytrzymałość jest z jakiegokolwiek powodu niezadowalająca i zmuszają do stosowania kosztownych i kłopotliwych w wy
konawstwie wzmocnień stalowych, a niekiedy nawet tubingów.
W przedstawionych przypadkach stosowany jest od kilku lat przez Zakłady Badawcze i Projektowe Miedzi "CUPRUM" do napraw i wzmocnień betonowych obu
dów szybowych nowy materiał konstrukcyjny - plastobeton, będący w istocie betonem kompozytowym, w którym tradycyjny materiał wiążący cement zastąpio
no żywicami syntetycznymi o odpowiednio dobranym składzie. Poniżej przed
stawiono skład i własności owego nowego tworzywa konstrukcyjnego, główne zasady wykonywania napraw i wzmocnień batonowych obudów szybowych oraz przykład wzmocnienia konkretnej obudowy szybu.
118 M. Jokiel, B. Kokot
2. PLASTOBETON - BETON POLIESTROWY
Baton poliestrowy, nazywany także plastobetonem, jest podobnie jak b8- ton cementowy materiałem kompozytowym, lecz o spoiwie z żywic syntetycz
nych i wypełniacza z kruszyw mineralnych. Wykazuje on wiele interesują
cych własności fizykomechanicznych predystynujących go jako nowe tworzywo konstrukcyjne w budownictwie górniczym, zwłaszcza w budowie szybów na du
żych głębokościach oraz wszędzie tam, gdzie wymagana jeBt wysoka wytrzy
małość, uzyskiwana w bardzo krótkim okresie czasu, duża szczelność dla przenikania cieczy i dobra przyczepność do innych materiałów, umożliwia
jąca dokonywanie napraw i wzmocnień konstrukcji uszkodzonych w okresie ich użytkowania [ij, |Y], [3], [4], H •
Uznany ogólnie za optymalny skład piastobetonu |j6] zawiera kruszywo mineralne najlepiej z bazaltu łamanego, o odpowiednio dobranych z warunku szczelności frakcjach uziarnienia oraz spoiwa o składzie* 90% żywicy poliestrowej Polimal 109 i 10% żywicy poliestrowej Polioal 154 przy zasto
sowaniu układu utwardzającego złożonego z (w % do łącznej wagi spoiwa)*
2,5% wodoronadtlenku cykloheksanonu, 2,0%~1% chinonu,
0,355-10% dwumetaloaniliny, 0,8%-2% naftanianu kobaltu
Najkorzystniejsza ilość spoiwa w stosunku do łącznej wagi kruszywa wynosi 13%. Po ok. 40 minutach od czasu wymieszania wszystkich składników beton poliestrowy uzyskuje postać ciała stałego o dużej wytrzymałości, w którym Jednakże zachodzą dalsze procesy utwardzające żywicę i nadające betonowi po określonym czasie określone parametry fizyko-mechaniczne*
Granica wytrzymałości*
przy ściekaniu Rc,f0 80| = 95 MPa, Rc> ^ 16Q «= 105 MPa, przy rozciąganiu Rr = 11 MPa,
przy zginaniu (różne wymiary próbek) R = 26 - 40 MPa,
& A moduł sprężystości podłużnej E = 2,8 - 3,0 x 10ł MPa, liczba Poissona v = 0,25 - 0,30
odkształcenia graniczne przy ściskaniu £ = 4,4 - 5,3 gazo- i wodoszczelność do 500 atm.
Wykresy 6 a f(E) oraz = f(Łpr ) przedstawiono na rys. 1. Wodo- przepuszczalność piastobetonu jest również funkcją stanu naprężeń i maleje ze wzrostem naprężeń ściskają cych. Przy naprężeniu ściskającym równym 6 MPa praktycznie maleje do zera [jj] • Przyczepność piastobetonu do starego betonu Jest bardzo duża i znacznie przekracza wytrzymałość przyległego betonu, z którego wzmocniona konstrukcja jest wykonana.
Do wad betonu poliestrowego należy zaliczyć przede wszystkim dość dużą cenę żywic epoksydowych i innych składników spoiwa oraz okoliczność, ie
Kaprawy 1 wzmocnienia betonowych». 119
Rys. 1. Wykresy 6 = f(&pr) i Spp = f(£pr) dla plastobetonu Fig. 1. Graphs 6 = f ^pr^ * ^pp 3 f ^pr' for re3in c°ncrete
warunkiem dobrej przyczepności plastobetonu do wzmocnionej konstrukcji betonowej jest dobre wysuszenie powierzchni starego betonu cementowego.
3. DOTYCHCZASOWY ZAKRES ZASTOSOWANIA I GŁÓWNE TECHNOLOGICZNE PROBLEMY WYKONAWSTWA
W okresie ostatnich kilku lat wyspecjalizowany zespół praoowników ZBiEM "CUPRUH" zaprojektował i z powodzeniem zrealizował następujące prace z zakresu zastosowania betonu poliestrowego w budownictwie górni
czym! wzmocnienie betonowych i murowych obudów szybowych w postaci plasto- betonowego pierścienia wzmacniającego o dużej wytrzymałości umieszczonego we wnętrzu rury szybowejj uszczelnienie czopów młynów kulowych typu 41*02 i 41*03} naprawę, wzmocnienie i rekonstrukcję bardzo silnie uszkodzonego żelbetowego leja wysypowego zbiornika retencyjnego stanowiącego ogniwo w podziemnym układzie transportowym taśmowym i skipowym, wykazującego zarówno liczne pęknięcia, jak i rozkruszenia i głębokie ubytki betonu konstrukcyjnego (w toku realizacji). Zespół przygotowany jest również do remontu wzmacniającego betonowych i murowych obudów szybowych wykazujących pęknięcia pionowe lub poziome, polegające na sklejeniu pęknięó uszkodzonej konstrukcji oraz do wypełnienia zaistniałych ubytków w konstrukcjach beto
nowych.
Zasadniczym problemem technologicznym wykonawstwa przy użyciu plasto
betonu jest jego krótki ozas twardnienia, wynoszący 40 minut, Czas 40 min jeat więc czasem operaoyjnym, podczas którego muszą być wykonane wszystkie czynności mające na celu uzyskanie masy plastobetonowej, transportu mie
szanki jak i zakończony proces wznoszenia konstrukcji. Ta swego rodzaju niedogodność została usunięta z chwilą opracowania technologii przygoto
wania masy plastobetonowej eliminującej wady dotychczas stosowanych tra
dycyjnych metod mieszanie..
120 M. Joklel, B. Kokot
Polega ona aa rozdzielaniu układu utwardzającego na dwie części i wy~
mieszaniu ich z dwoma odrębnymi częściami żywicy (rys. 2):
Część Srl - część żywicy + inicjator polimeryzacji + inhibitor Część S-II - część żywicy + przyspieszacz polimeryzacji + inhibitor
V m
s-i
V w
s-i i i
?
□ <N o N l.
s-n
Rys. 2. Schemat przygotowania mieszanki plastobetonowej Fig. 2. Diagram of preparation of resin concrete mixture
Uzyskane w ten sposćb mieszanki spoiwa można poddać następującym pro
cesom technologicznym;
- wymieszać w betoniarce ze stosem okruchowym uzyskując plastobeton, S-III,
- składować w czasie do 48 godzin, a następnie wymieszać ze stosem okru
chowym uzyskując plastobeton, S-III.
Głównymi zaletami tej technologii jest;
- przeniesienie rozpoczęcia procesu polimeryzacji z początkowego etapu przygotowania żywicy do końcowego etapu wytwarzania plaetobetonu, - czas 40 min, jakim dysponujemy od rozpoczęcia do zakończenia procesu
polimeryzacji, możemy przeznaczyć na operacje transportu i wznoszenie konstrukcji z plastobetonu,
- możliwość wcześniejszego przygotowania półproduktów produkowanych na y«kład, dozowanych następnie wagowo lub objętościowo do betoniarki w
okresie wznoszenia konstrukcji wzmacniającej obudowę szybową. Maksymal
ny czas składowania półproduktów wynosi 48 godzin.
v,.Kolejnym problemem technologicznym jest zabezpieczenie betoniarki i Ś&ży transportowych przed skutkami związania w nioh plastobetonu. Przed każdą dłuższą przerwą w procesie wytwarzania plastobetonu należy wypełnić betoniarkę kruszywem i poddać je mieszaniu na sucho. Podobnie należy prze
czyścić rynny lub wąż służący do podawania masy plastobetonowej.
Kaprawy i wzmocnienia betonowych... 121
4. PRZYKŁAD Y/ZMOCBIEBIA OBUDOWY SZYBOWEJ
W jednym z szybów LGOM o średnicy 6,0 m stwierdzono na poziomie 75,30 o wypływ wody z karzawką przez upodatniającą wkładkę murową w betonowej obu
dowie o grubości 60-70 cm. Badania wytrzymałości betonu metodą kompleksową sklerometryczno-ultradźwiękową i badania grubości obudowy metodą ultra
dźwiękową oraz skorygowane na ich podstawie obliczenia nośności obudowy wykazały, że fragment obudowy na odcinku od 54,5 do 75,5 ® nie spełnia kryterium bezpieczeństwa konstrukcji w warunkach panujących obciążeń.
Jako wzmocnienie zaprojektowano pierścień plastobetonowy o grubości 10 cm i wysokości 6,0 m umieszczony we wnętrzu szybu między poziomami 72,0- -78,0 m.
Przyjęto plastobeton o nieco odniennym od podanego wyżej składzie, za
projektowanego w ZBiBI "CUPRUM". Ze względu na krótki okres twardnienia plastobetonu pierścień wykonano kolejno trzema dwumetrowymi odcinkami.
Betonowe powierzchnie istniejącej obudowy podlegały uprzedniemu skuciu w celu polepszenia przyczepności plastobetonu, po czym zmontowano pierw
szy odcinek szalunku z blachy stalowej kotwionej do obudowy. Szalunki przesuwano następnie ku górze w miarę postępu betonowania.
Mieszankę plastobetonową przygotowano na powierzchni. Składniki stosu okruchowego w postaci gotowej mieszanki zmagazynowano po osuszeniu w si
losach w bezpośrednim sąsiedztwie betoniarki i szybu. Przygotowano rów
nież wcześniej dwa rodzaje mieszanek żywicy (S-I i S-Il) i składowano je w pojemnikach umożliwiających łatwo dozowanie objętościowe. Mieszankę S-III, o konsystencji półpłynnej w ilości niezbędnej do wykonania pierw
szego odcinka pierścienia, przygotowano w betoniarce typu BMK-500 bezpo
średnio przed rozpoczęciem betonowania pierścienia, po czym niezwłocznie przelano ją przy użyciu rynny do specjalnie wykonanego zbiornika usytuo
wanego na dachu skipu. Po opuszczeniu masy plastobetonowej do poziomu pierwszego odcinka szalunku przystąpiono do odlewania pierwszego odcinka pierścienia.
W celu zapewnienia jednorodnośoi wznoszonej obudoiiry stosowano wibrowanie masy plastobetonowej w szalunkach przy użyciu młotów pneumatycznych.
Hastępne etapy zalewania były powtarzane, aż do wylania całego pierście
nia o wysokości 6,0 m. Całość prac w szybie wykonano w ciągu 5 dni.
Podczas betonowania wykonano 44 plastobetonowych próbek walcowych o wymiarach 80 x 80, które poddano następnie ściskaniu w maszynie wytrzy
małościowej s 17 próbek po 60 godzinach i 27 po 12 miesiącach, ¿rednia wytrzymałość próhak na ściskanie wynosiła po 60 godzinach 57,1 MPa, po
12 miesiącach 79,4 MPa. Wykresy ściskania próbek przedstawiono na rys. 3a i b.
Po 5-letnim okresie eksploatacji pierścienia stwierdzono bardzo dobrą skuteczność wykonanego wzmocnienia obudowy szybu, jego zadowalającą wy-
122 B. Joklel, B. Kokot
Rys. 3 . Wykresy 6 = f(£) dla plastobetonm a - po czasie 60 h (Próbka lir 9ł Rc = 51 ISPa, E = 16,2 GPa)j b - po czasie 12 miesięcy (Próbka Nr 2t
Rc - 95,7 HPa, E - 28,5 GPa)
Pig. 3. Graphs 6« f(6) for resin concretes a — after 60 hours, b - after 12 months
wytrzymałość i bardzo dobrą szczelność. Nie stwierdzono dalszych wycieków wody przez obudowę.
5. WNIOSKI
Beton poliestrowy nazywany także plastobetonem jest nowym, doskonałym tworzywem konstrukcyjnym, które może być z powodzeniem stosowane do na
praw i wzmocnień betonowych i murowanych podziemnych konstrukcji górni
czych. Charakteryzuje go bardzo dobra szczelność uzyskanie postaci stałej w ciągu 40 minut, wysoka wytrzymałość na ściskanie do 100 HPa i rozciąga
nie do 11 UPa oraz bardzo dobra przyczepność do istniejących elementów betonowych i murowych. Mimo dość wysokiej ceny żywic syntetycznych jego użycie jest opłacalne w porównaniu z kosztami tradycyjnych wzmocnień sta
lowych.
Laboratorium Obudowy Szybów ZBiPM "COPRUU" może podjąó się wszelkich napraw i wzmocnień betonowych i murowych podziemnych konstrukcji górni
czych, zwłaszcza obudów szybowych w wyżej przedstawionym zakresie.
LITERATURA.
[1] Jokiel U, Różycki J.s Badanie pewnych własności plastobetonu w aspek
cie zastosowań górniczych, Prace Naukowe Instytutu Geotechnikl Pol. Wr.
z. 31/1980.
S a p ra w y 1 w z m o c n ie n ia b e t o n o w y o h .. 123
fł] Jokial H, Kachlicki B., Spychała A.| Doświadczalne podstawy ocany dy
namicznej nośności granicznej belek plastobetonowych, Praoe Haukowe Instytutu Geotechniki Pol. Wr.t z. 31/1980.
m Jokiel M., Kachlicki B., Różycki J.f Spychała A. » Soae strengoth bea-
— ring propertiea of polyester oonorete Z CP(RILKM)IBK International Symposium, Praha 1981.
f4l Jokiel U., Kachlicki B., Spychała A.i Badania dynamiczne belek wyko
nanych z betonu poliestrowego i cementowego, Archiwum Inżynierii Lą
dowej, Tom KZYII, z. 2/1981.
P5~| Różycki J. t Wytrzymałość plastobetonu w złożonych stanach naprężenia obudowy górniczej, Praca doktorska. Raport Instytutu Górnictwa Pol.
Wr. Er 217/78, Wrocław 1978.
[~6^] Wrochna St. j Eksperymentalne badania możliwości opracowania plasto
betonu o założonej wytrzymałości, Rozprawa doktorska, Wojskowa Aka
demia Techniczna, Warszawa 1975.
m Zespół, Pierścień wzmacniający z betonu poliestrowego, maszynopis.
u Archiwum ZBiPM "COPEUM", Wrocław 1983.
Reoenzentt Doc. dr hab. inż. Konrad Wanlellsta
PEMOHTH H yKPEIUEHHR EETOHHUX KPEHEË 1HAITHHI CT BOJI OB c ncMombD nojiHaiHPHoro e e t o h a
P e a m u e
B A<nuiaAe npeflcraBaeso saynay» Koauenniuo a peayzŁiaTH upaniemesu no- zH8$HpHoro Óesoaa b peuoHTax a ynpoiHeHaax (Je*ohbux icpenek aazZHuz craoaos.
REPAIRS ABB REIHPORCEUEHTS 07 CONCRETE LUHBGS IE SHAFTS WITH POLTESTER COECRETE
S u m m a r y
The ooncept and results of using polyester concrete in repairs and reinforcement of oonorete lining in shafts have been presented in the poper.
