Betony podwodne właściwości, projektowanie, technologie

Betony podwodne – właściwości, projektowanie, technologie

UNDERWATER CONCRETE – PROPERTIES, MODELING, PRODUCTION TECHNOLOGY

Streszczenie

W referacie przedstawiono problematykę projektowania betonów podwodnych, które są dopiero wdrażane na rynek Polski. Zasady projektowania mieszanek do betonowania podwodnego są zbliżone do projektowania betonów samozagęszczalnych. Jednakże z uwagi na specyficzną technologię betonowania konstrukcji (układanie betonu przez warstwę wody) pewne zagadnienia w zakresie projektowania mieszanek i oceny właści- wości mechanicznych betonów podwodnych wymagają szczególnej uwagi. Na podstawie badań własnych i literatury zagranicznej omówiono podstawowe właściwości mieszanek i stwardniałego betonu podwodnego. Przedstawiono stosowane technologie betonowania konstrukcji ilustrując je fotografiami wybranych realizacji.

Abstract

This paper presents the problems connected with designing of underwater concrete witch is new application in Poland. The rules of designing the mix for underwater concrete are similar to these for self-compacting concrete. Because of the peculiar technology of application of the mechanical properties of the underwater concrete our specific attention.

All the basic properties of the mixes and the set underwater concrete were discussed on a basic of our own tests and available literature. The technologies of placing the concrete were presented and illustrated with some photographs of selected constructions.

Iwona Flis Stanisław Wąż

dr inż. Elżbieta Horszczaruk – Politechnika Szczecińska inż. Iwona Flis – RMC Polska Sp. z o.o.

mgr. inż. Stanisław Wąż – RMC Polska Sp. z o.o.

1. Wprowadzenie

Betony podwodne (ang. underwater concrete – UWC) stosowane były w Japonii i USA już w latach 80. Technologia betonowania z zastosowaniem betonów podwodnych polega ogólnie na układaniu mieszanki betonowej bezpośrednio przez warstwę wody stojącej bądź płynącej i ma zastosowanie przy wykonywaniu i naprawach konstrukcji hydrotechnicznych, przyczółków mostowych, fundamentów na gruntach podmokłych, platform wiertniczych itp. W Polsce betony podwodne i technologia ich wykonywania jest stosunkowo mało znana. Jednakże w związku z gwałtownym zainteresowaniem na krajowym rynku budowlanym betonami nowych generacji, pojawiły się również domieszki i dodatki do betonów i zapraw podwodnych nie wymagających w trakcie ich wykonywania odizolowania od środowiska wodnego.

Projektowanie betonów podwodnych ma ścisły związek z betonami samozagęszczal- nymi bowiem mieszanka wykonana z betonu podwodnego nowej generacji powinna zapewnić szczelne wypełnienie deskowania, również między prętami zbrojenia, posiadać zdolność do samopoziomowania bez zagęszczania mechanicznego i nie ulegać segregacji i bleedingowi w czasie betonowania pod wodą [1].

Charakterystyczną cechą składu nowoczesnych mieszanek do betonów podwodnych jest konieczność zastosowania domieszki antyrozpływowej (ang. antiwashout admixture – AWA). W referacie przyjęto nazewnictwo domieszki stosowane w literaturze amerykań- skiej, bowiem na podstawie normy PN-EN 934-2 domieszki AWA można zakwalifikować do grupy domieszek kompleksowych.

Producenci domieszek AWA w krajach europejskich w nazewnictwie handlowym oznaczają domieszki AWA, wskazując ich jednoznaczne przeznaczenie „do betonów podwodnych”.

Pierwsze domieszki AWA ukazały się w Niemczech już w połowie lat 70. oraz w Japonii we wczesnych latach 80 [2, 5]. Domieszka AWA ma zapobiegać wymywaniu materiałów wiążących z mieszanki betonowej i zatrzymywać wodę w mieszance, czyli zapobiegać zjawisku tzw. bleedingu. Właściwości te w dużym stopniu poprawiają wi- doczność w czasie betonowania podwodnego. Domieszki AWA produkowane obecnie na świecie oparte są zasadniczo na dwóch składnikach: akrylu i celulozie oraz jej pochod- nych. Bardzo popularną domieszką AWA jest tzw. welan gum – zagęstnik celulozowy powstały w procesie fermentacji polisacharydów. Domieszka ta podnosi lepkość zaczynu cementowego i dobrze współpracuje z superplastyfikatorami, co pozwala na uzyskanie (pożądanej w przypadku podawania pompą) konsystencji półciekłej bądź ciekłej mie- szanki betonowej [6, 7, 15].

Inną, charakterystyczną domieszką dla betonów podwodnych jest domieszka silnie redukująca wodę tzw. HRWR (ang. high-range water-reducing admixture), która zastoso- wana razem z domieszką typu AWA pozwala na uzyskanie betonu podwodnego wysokiej wytrzymałości [9]. Są to superplastyfikatory nowej generacji np. sulfoniany melaminowo lub naftalenowo – formaldehydowe czy politlenki polikarboksylanu. Zawartość domieszek AWA i HRWR wpływa w znaczący sposób na: konsystencję świeżej mieszanki betonowej, ilość wypłukiwanej mieszanki w czasie betonowania, właściwości reologiczne i jakość stwardniałego betonu.

Czynnikiem wiążącym jest tu wskaźnik woda-spoiwo – w/s, który ma decydują- cy wpływ na zachowanie się świeżego betonu oraz właściwości mechaniczne betonu stwardniałego. Japońskie normy (JSCE) zalecają projektowanie mieszanek betonowych z domieszką AWA, o wartości wskaźnika w/s = 0,5÷0,55, dla betonów bez zbrojenia

betonowanych w morzu i wodzie słodkiej, natomiast do wykonywania betonów silnie zbrojonych zaleca się projektowanie mieszanek o w/s=0,6÷0,65 [5].

W przypadku betonów podwodnych wysokowartościowych stosowanych do na- praw konstrukcji hydrotechnicznych w pracach kanadyjskich i amerykańskich zaleca się projektowanie mieszanek o w/s=0,4÷0,5 [11]. Dodatek popiołów lotnych (do 20%) oraz pyłów krzemionkowych (5÷10% masy cementu) wpływa korzystnie na właściwości mie- szanki (obniża ilość wypłukanej mieszanki) i betonu ( podwyższa wytrzymałość betonu na ściskanie) [3, 7].

Do chwili obecnej nie opracowano żadnej metody teoretycznej projektowania be- tonów podwodnych. Metody doświadczalne projektowania betonów UWC są również obarczone dużym błędem, szczególnie w zakresie projektowania betonów przy dużych prędkościach przepływu wody w trakcie betonowania oraz braku normowych zaleceń przy badaniu właściwości mechanicznych stwardniałych betonów. Problemem dotychczas nierozwiązanym pozostaje metodyka wyznaczania strat wypłukania mieszanki w trakcie betonowania.

W referacie omówiono podstawowe właściwości mieszanek betonowych i stward- niałych betonów podwodnych. Przedstawiono technologie betonowania podwodnego ilustrując je wybranymi przykładami realizacji z Niemiec.

2. Właściwości mieszanek UWC

Betony podwodne z uwagi na specyfikę środowiska, w którym będą układane oraz stosowane metody betonowania konstrukcji muszą posiadać cechy zbliżone do tych, jakie posiadają betony samozagęszczalne. Powinny również charakteryzować się dużą spójnością oraz odpornością na wypłukanie. Wymagania te związane są z bezpośrednim kontaktem mieszanki z wodą podczas betonowania konstrukcji.

Mieszanki UWC powinny charakteryzować się:

• zdolnością do samoczynnego zagęszczania i wypoziomowania,

• odpornością na wypłukanie i segregację w czasie betonowania podwodnego, tak by straty były jak najmniejsze,

• zdolnością do całkowitego odpowietrzania się w czasie betonowania,

• stałością konsystencji w czasie transportu i układania.

2.1. Konsystencja i płynność

Konsystencja mieszanki rozumiana jako stopień jej ciekłości obrazuje zdolność do defor- macji pod wpływem obciążenia. W zależności od metody badania, obciążeniem może być ciężar własny mieszanki, bądź dodatkowe oddziaływanie zewnętrzne.

Na podstawie badań doświadczalnych i zaleceń normowych poszczególnych krajów [4, 5, 11-14] , można przyjąć, że optymalny rozpływ mierzony metodą odwróconego stoż- ka Abramsa powinien zawierać się w granicach 50÷60 cm dla konstrukcji bez zbrojenia i słabo zbrojonych oraz 55÷65 cm dla konstrukcji silnie zbrojonych. Taka wielkość rozpływu zapewnia prawidłowe odpowietrzenie mieszanki, jej samozagęszczenie, bez konieczności stosowania wibrowania, a także umożliwia sprawne pompowanie mieszanki na duże odległości. Równocześnie mieszanka o takich parametrach wykazuje dużą odporność na wypłukanie i segregację składników. Zależność pomiędzy konsystencją, warunkami

stosowania i warunkami wykonania konstrukcji z betonów podwodnych, wg zaleceń amerykańskich, przedstawiono w tab. 1.

Najczęściej stosowane metody pomiaru konsystencji i urabialności mieszanek UWB to:

• metoda stolika rozpływowego,

• metoda odwróconego stożka Abramsa (fot. 1),

• metoda L-box (fot. 2),

• metoda V-funnel,

• metoda U-box (fot. 3),

• metoda opadu mini stożka (minislump cone) – stosowana tylko do zapraw.

Fot. 1. Pomiar konsystencji metodą odwróconego stożka Abramsa

Fot. 2. Aparat L-box

Fot. 3. Aparat U-box

Tabela 1. Zależność pomiędzy konsystencją, warunkami stosowania i warunkami wyko- nania dla betonów podwodnych wg zaleceń amerykańskich [1]

Wartość rozpływu

stożka [cm] Konsystencja Warunki stosowania Warunki wykonania 40 Twardoplastyczna

(hard consistency)

Przy wykonywaniu powierzch- ni nachylonych; elementy słabo

zbrojone

Pompowanie betonu utrudnione 45 Plastyczna (me-

dium consistency) Do ogólnych zastosowań Pompowanie ciśnie- niowe do 50 m 50 Miękkoplastycz-

na (medium soft consistancy)

Gdy istnieje konieczność uło- żenia betonu bez możliwości zagęszczania mechanicznego

Pompowanie ciśnie- niowe na odległość

50-200 m

55 Półciekła

(plastic concrete)

Przy betonowaniu elementów żelbetowych o skomplikowa- nych kształtach, przy bardzo

gęstym zbrojeniu

__________

> 55 Ciekła

(supersoft consi-

stancy) ____________ __________

W betonach zwykłych konsystencja mieszanki zależy głównie od ilości zaczynu cementowego w mieszance i wskaźnika w/c, natomiast w betonach nowych generacji, takich jak betony podwodne zależy ona przede wszystkim od ilości i rodzaju zastosowanej

domieszki upłynniającej oraz ilości zastosowanej domieszki typu AWA. Bardzo istotnym zagadnieniem jest współpraca obu tych domieszek. Uzyskanie odpowiedniej płynności mieszanki UWC, bez zastosowania upłynniaczy nie byłoby możliwe, ze względu na silne ograniczanie rozpływu (podwyższenie lepkości mieszanki) przez domieszki AWA. Na rys. 1 przedstawiono wyniki badań rozpływu mieszanek betonowych o stałej wartości wskaźnika w/c=0,41, stałej ilości superplastyfikatora (1% masy cementu) i różnej procen- towej zawartości domieszki AWA. Im większa procentowa zawartość domieszki AWA tym wielkość rozpływu stożka jest mniejsza.

Rys. 1. Wpływ ilości domieszki AWA na urabialność mieszanek betonowych

Rys. 2. Wpływ rodzaju cementu na urabialność mieszanek UWC

Rodzaj zastosowanego cementu również wpływa na właściwości mieszanki betono- wej. W przeprowadzonych badaniach urabialności mieszanek do betonów podwodnych zastosowano trzy rodzaje cementu przy jednakowym składzie ilościowym. Największe wartości rozpływu stożka uzyskano dla cementu hutniczego, który cechował się najniższą wodożądnością i powierzchnią właściwą (rys. 2).

2.2. Odporność na wypłukanie

Zwiększoną odporność na wypłukanie betony podwodne zawdzięczają zastosowaniu domieszek typu AWA (ang. antiwashout admixture). Rolą tych domieszek jest zapobie- ganie segregacji składników mieszanki i ograniczenie do minimum strat wypłukania przy betonowaniu. Wzrost lepkości mieszanki jest spowodowany stabilizującym działaniem łańcuchów polimerowych będących składnikiem domieszek AWA. Powodują one wzrost siły przyciągania między składnikami zaczynu cementowego. Wzrost ilości domieszki AWA w mieszance obniża straty przy układaniu mieszanki (rys. 3). Skuteczność działa- nia domieszek AWA jest tak duża, że straty wypłukania w trakcie betonowania można ograniczyć nawet dziesięciokrotnie. Rodzaj zastosowanej domieszki AWA nie ma więk- szego wpływu na wartość strat wypłukania, bowiem produkowane domieszki AWA na bazie naturalnych polisaharydów, czy też domieszki półsyntetyczne lub syntetyczne mają zbliżone działanie (rys. 4).

Rys. 3. Wpływ ilości domieszki AWA na wielkość strat wypłukania (% ubytek masy): SP – su- perplastyfikator, W/B – wskaźnik woda/spoiwo [10]

Na wypłukiwanie mieszanki podczas jej układania wpływ mają również takie parametry jak wartość wskaźnika w/c oraz konsystencja mieszanki. Wypłukiwaniu składników mieszanki w trakcie betonowania sprzyja wysoka wartość wskaźnika w/c, a im bardziej płynna konsystencja tym mieszanka jest bardziej podatna na wypłukiwanie (rys. 4).

Rys. 4. Wpływ rodzaju domieszki na wielkość strat wypłukania [9]

2. 3. Czas wiązania

W przypadku betonów podwodnych czas wiązania jest niezmiernie istotny ze wzglę- dów technologicznych (transport i układanie betonu pod wodą). Jest on ściśle powiązany z ilością wydzielanego ciepła w procesie hydratacji. W betonach podwodnych wskazane jest, by ciepło hydratacji było jak najmniejsze, istnieje ryzyko wystąpienia skurczu betonu.

Bardzo ważne jest właściwe dobranie cementu, jaki zostanie użyty do produkcji mieszanki UWC, oraz zastosowanie właściwych dodatków, m.in. popiołów lotnych, które obniżają ciepło hydratacji.

Na czas wiązania betonów podwodnych ma również wpływ domieszka AWA, która jako domieszka kompleksowa pozwala na opóźnienie początku czasu wiązania od 2 do 4 h. Wykorzystywane do produkcji betonów UWC domieszki upłynniające mają wpływ na opóźnienie początku wiązania cementu. W szczególnych przypadkach, gdy istnieje konieczność transportu mieszanki UWC na znaczne odległości, zaleca się stosowanie domieszek opóźniających rozpoczęcie procesu wiązania nawet o 24 h, w zależności od klasy domieszki. Domieszki opóźniające początek wiązania betonu stosowane są rów- nież w przypadku wykonywania konstrukcji masywnych (budowle hydrotechniczne), w celu opóźnienia i przedłużenia procesu wydzielania ciepła hydratacji. W zależności od producenta domieszki opóźniające czas wiązania dozuje się w granicach 0,2÷2,0%

w stosunku do masy cementu [13].

W szczególnie trudnych warunkach betonowania (wiry, duże prędkości wody) w przypadku konieczności wydłużenia początku wiązania cementu należy uwzględnić zwiększone straty wypłukania masy w trakcie betonowania i zwiększyć ilość zastosowanej domieszki AWA. Każdorazowo zaleca się doświadczalne sprawdzenie zaprojektowanego składu mieszanki UWC.

3. Właściwości stwardniałego betonu podwodnego

3.1. Wytrzymałość na ściskanie

Betony podwodne w zależności od swojego składu, mogą osiągać wytrzymałości na ściskanie będące porównywalnymi do wytrzymałości betonów zwykłych jak i BWW.

Wielkością mówiącą o prawidłowym zaprojektowaniu i wykonaniu betonu podwod- nego, z uwagi na wytrzymałość na ściskanie, jest wskaźnik f_c,uw/f_c,air będący stosunkiem wytrzymałości na ściskanie betonu podwodnego (f_c,uw), do wytrzymałości na ściskanie betonu wykonywanego na powietrzu (f_c,air) o tym samym składzie.

Według norm japońskich, aby beton podwodny spełniał wszystkie wymagania, co do jego wytrzymałości na ściskanie przyjmuje się, że wielkość wskaźnika f_c,uw/f_c,air nie powin- na być mniejsza niż 0,8. Zalecenia amerykańskie i niemieckie podają, aby wskaźnik ten był nie mniejszy od 0,7 [6]. Wartość wskaźnika określa się dla wytrzymałości na ściskanie wyznaczonej po 28 dniach dojrzewania betonu zgodnie z normą PN-EN 12390-1:2000.

Na wytrzymałość betonów UWC duży wpływ ma wartość wskaźnika w/c oraz ilość i rodzaj zastosowanej domieszki AWA (rys. 5). W przypadku betonów z dodatkiem do- mieszki AWA betonowanych w środowisku powietrznym (nie pod wodą) zwiększenie ilości domieszki AWA powoduje spadek wytrzymałości na ściskanie. Natomiast dla tych samych betonów wykonywanych w środowisku wodnym, wzrost ilości domieszki AWA w betonie powoduje zwiększenie wytrzymałości na ściskanie. Projektowana ilość domieszki AWA w betonie nie powinna jednak przekraczać 2% (w stosunku do masy cementu), ponieważ powyżej tej wartości notuje się spadek wytrzymałości betonu na ściskanie, a także występują poważne trudności w uzyskaniu odpowiednio płynnej kon- systencji mieszanki.

Rys. 5. Wpływ ilości domieszki AWA na wytrzymałość na ściskanie

W celu zwiększenia wytrzymałości na ściskanie betonów podwodnych należy dą- żyć do obniżenia wartości wskaźnika w/c. Jest to możliwe przy zastosowaniu domie-

szek uplastyczniających i zredukowaniu ilości wody zarobowej, bez ryzyka obniżenia płynności mieszanki betonowej. Zastosowanie pyłów krzemionkowych oraz popio- łów lotnych pozwala na uzyskanie betonów UWC o wytrzymałości powyżej 50 MPa (rys. 6). Należy jednak w celu utrzymania konsystencji ciekłej stosować domieszki silnie redukujące wodę.

Rys. 6. Wpływ dodatków do betonu na wytrzymałość na ściskanie przy stałej ilości domieszki AWA: c – cement, pk – pyły krzemionkowe, żw – żużel wielkopiecowy, pl – popioły lotne [11]

Dodatek granulowanego żużla wielkopiecowego w ilości do 50% masy cementu nie powoduje znacznego obniżenia wytrzymałości na ściskanie, a w przypadku zastosowania domieszki AWA celulozowej, uzyskano przy 50% zawartości żużla wielkopiecowego wzrost wytrzymałości na ściskanie (rys. 6). Zastosowanie żużla wielkopiecowego w mie- szankach UWC pozwala na zmniejszenie kosztów jej produkcji przy wymaganej dużej ilości stosowanego cementu (zalecane 500÷600 kg/m³) i nie wymaga również stosowania domieszki redukującej wodę.

Kolejnym bardzo ważnym czynnikiem wpływającym na wytrzymałość betonu na ściskanie jest stopień jego zagęszczenia. W przypadku betonów podwodnych mecha- niczne zagęszczanie (wibrowanie) ze względu na warunki, w jakich są one układane, jest utrudnione lub niemożliwe. Wymaga się, więc od tych mieszanek zdolności do samoza- gęszczania. Badania przeprowadzone przez Gerwicka i Yao [22] wykazują, że dla wartości rozpływu ≥150 mm (rys. 7) zaczynu cementowego, stopień jego samozagęszczenia jest tak duży, iż nie ma różnicy w wytrzymałości pomiędzy betonem wibrowanym a niewi- browanym.

Rys. 7. Wytrzymałość na ściskanie w funkcji wartości rozpływu dla różnych czasów zagęsz- czania [14]

3.2. Wytrzymałość na rozciąganie

Prawidłowo zaprojektowany i wykonany beton podwodny powinien cechować się nie tylko projektowaną wielkością wytrzymałości na rozciąganie f_t, ale także odpowiednią wielkością wskaźnika f_t,uw/f_t,air , będącego stosunkiem wielkości wytrzymałości na rozcią- ganie betonu podwodnego (f_t,uw), do wytrzymałości na rozciąganie betonu wykonywa- nego na powietrzu (f_t,air) o tym samym składzie. Zalecane wartości wskaźnika f_t,uw/f_t,air są analogiczne jak dla wytrzymałości na ściskanie (pkt. 3.1).

Podobnie jak w przypadku wytrzymałości na ściskanie odnotowuje się wzrost wy- trzymałości na rozciąganie – f_t, wraz ze wzrostem ilości domieszki AWA w mieszance.

Rys. 8. Wpływ ilościowy domieszki AWA na wytrzymałość na rozciąganie

Jednakże wpływ ilościowy domieszki AWA na wytrzymałość na rozciąganie betonów podwodnych jest nieznaczny (rys. 8). Domieszka AWA nie wpływa na wielkość wytrzy- małości betonów wykonywanych w środowisku suchym.

4. Metody betonowania pod wodą

Najczęściej stosowanym we współczesnej technologii betonu sposobem betonowania kon- strukcji jest układanie betonu za pomocą pomp. Pompowanie jest rozwiązaniem ekono- micznym, które można stosować nieprzerwanie przez długi czas, co ma duże znaczenie przy betonowaniu masywnych konstrukcji hydrotechnicznych. Podstawową zaletą betonu pompowalnego jest możliwość dostarczenia go do trudno dostępnych miejsc, znajdujących się w znacznej odległości od wytwórni betonu. Zaletą układania betonu w ten sposób jest możliwość zmiany prędkości jego podawania oraz brak segregacji składników.

Pompowanie mieszanki betonowej wymaga stosowania odpowiednich zabiegów mających na celu sprawne przeprowadzenie procesu układania mieszanki betonowej.

Przed przystąpieniem do betonowania należy nasmarować rurociąg. Dawniej stosowano w tym celu „tłustą” zaprawę (w ilości około 0,25 m³ na 100 m długości rury o średnicy 150 mm). Obecnie do smarowania rurociągu stosuje się specjalne smary oferowane przez producentów domieszek do betonów.

Beton, który ma być wprowadzony do pompy musi być dokładnie wymieszany.

Mieszanka betonowa nie może być szorstka, klejąca ani zbyt sucha, konsystencja ma najistotniejszy wpływ na pompowalność mieszanki. Zaleca się by opad stożka wynosił 50÷150 mm, ale pompowanie powoduje częściowe zagęszczenie i w punkcie odbioru opad może ulec zmniejszeniu o 10÷25 mm.

W celu uniknięcia dużych strat przez wypłukanie końcówka wylotowa rurociągu powinna znajdować się w odległości max. 50 cm od ułożonej powierzchni mieszanki be- tonowej. Należy również unikać gwałtownych ruchów końcówki wylotowej, gdyż może to spowodować nierównomierne ułożenie mieszanki oraz powstanie zawirowań wody zwiększających wypłukanie betonu.

Niebezpieczeństwo wymycia mieszanki podczas jej układania wymusiło opracowanie szeregu metod pozwalających na zminimalizowanie tego zjawiska. Niestety metody te wiązały się z dużymi nakładami technologicznymi, a co za tym idzie również finanso- wymi. W przypadku układania pod wodą betonów hydrotechnicznych odbywa się to następującymi metodami:

• Metoda kontractor polega na układaniu mieszanki betonowej za pośrednictwem pionowo usytuowanych stalowych rur (ang. tremie) o średnicy 25 do 40 cm. Rura oparta początkowo oparta o dno wykopu jest równomiernie wyciągana w górę z zachowaniem warunku, że jej koniec znajduje się zawsze min. 50 cm poniżej warstwy betonu. Mieszanka wprowadzana jest do rury za pośrednictwem leja bądź specjalne- go samowyładowczego kosza. Modyfikacją tradycyjnej metody kontractor są metody z zastosowaniem rur tremie wyposażone w specjalne zatyczki [12].

• Metoda mokrej rury (ang. wet-pipe) nie wymaga szczelności rury (woda znajduje się w przewodzie termie przed wprowadzeniem betonu), a specjalna zatyczka (ang. go- devil) chroni beton znajdujący się w rurze przed wypłukaniem. Beton pod wpływem swojego ciężaru wypycha zatyczkę na zewnątrz. Obecnie projektowane zatyczki są na ogół lżejsze od wody, a po wypchnięciu na powierzchnię są wyławiane i wykorzysty- wane do dalszego użytku. Koniec przewodu do betonowania, który znajduje się pod

wodą powinien zostać zagłębiony w świeżo ułożonej mieszance betonu i utrzymywany przez cały czas betonowania [1].

• Metoda suchej rury (ang. dry-pipe) wymaga, aby rura oraz złącza przewodu do betono- wania pod wodą były wodoszczelne. W tej metodzie, tarcza ciśnieniowo-uszczelniająca jest przymocowana do spodu rury przewodu w taki sposób, że ciśnienie wody powo- duje, iż koniec jest zupełnie wodoszczelny i wnętrze rury pozostaje puste i wolne od jakiegokolwiek zawilgocenia. W tej metodzie ważne jest, żeby ścianki rury były wystar- czająco grube i ciężkie, aby pokonać wypór wody. W przeciwnym wypadku niemożliwe byłoby opuszczenie rury na dno w miejscu wykonywania robót. Kiedy koniec rury z tarczą ciśnieniowo uszczelniającą jest umieszczony na dnie, świeży beton może zostać wprowadzony do rury. Gdy rura jest wystarczająco napełniona betonem, następuje jej powolne podnoszenie. Ciężar betonu wypycha tarczę ciśnieniowo uszczelniającą.

Po początkowym rozładowaniu świeżego betonu na dnie, formowanie prowadzi się dokładnie tak samo jak w metodzie mokrej rury. Wadą w tej metodzie jest to, że tarcza ciśnieniowo uszczelniająca musi być pozostawiona w miejscu betonowania [1].

• Metoda dwuetapowego betonowania polega na tym, że najpierw układa się w szalunku kruszywo grube, a następnie zalewa zaprawą, która może być podawana w sposób ciśnieniowy (końcówka pompy jest oparta na dnie wykopu lub szalunku) lub zalewowy – zaprawa jest układana bezpośrednio na kruszywo grube [12].

• Metoda bezpośrednia (obecnie najczęściej stosowana) polega na tym, że strumień mie- szanki betonowej jest dostarczany na miejsce wbudowania za pomocą pomp lub podaj- ników taśmowych. Układany beton wypiera wodę znajdującą się w szalunku [14].

• Betonowanie przez wypełnienie mieszanką betonową zatopionej powłoki z tworzywa sztucznego – jest to najnowocześniejsze rozwiązanie. Powłoka z tworzywa jest ukształ- towana w sposób odpowiadający kształtowi przyszłego elementu. Metoda ta używana jest przy betonowaniu dużych masywów [3].

• Iniekcje – polegające na wstrzykiwaniu pod dużym ciśnieniem mieszanek UWC. Mają one zastosowanie przy stabilizowaniu gruntów o wysokim poziomie i szybkim tempie napływania wód gruntowych, gdzie nie ma możliwości obniżenia poziomu zwierciadła wody metodami tradycyjnymi. Iniekcje mogą być również wykorzystywane w pracach naprawczych podwodnych elementów konstrukcji [3].

Wprowadzenie do powszechnego użytku betonów podwodnych opartych na do- mieszkach typu AWA znacznie ułatwiło betonowanie podwodne, a zwłaszcza obniżyło koszty realizacji tego typu inwestycji. Zasadnicza różnica pomiędzy tradycyjnymi meto- dami betonowania podwodnego, a betonowaniem mieszankami UWC, polega na tym, iż te drugie można zalewać bezpośrednio w wodzie. Nie ma konieczności stosowania rur (metoda kontractor), a tym bardziej odeszło się od betonowania dwuetapowego czy też wykonywania suchych szalunków. Betony podwodne wykorzystywane są nie tylko do realizacji budowli hydrotechnicznych czy elementów obiektów mostowych i platform wiertniczych. Betony podwodne są coraz częściej wykorzystywane w realizacjach kon- strukcji wykonywanych w ramach programów rewitalizacyjnych dużych miast. Znala- zły też stałe zastosowanie w technologiach zabezpieczeń i wzmocnień wszelkiego typu fundamentów.

Poniżej przedstawiono wybrane przykłady realizacji metodą bezpośrednią obiektów wykonanych z zastosowaniem betonów podwodnych na terenie Niemiec.

Budowa tunelu metra (Tiergarten Tunel) w Berlinie

Zastosowanie betonu podwodnego pozwoliło na obniżenie kosztów realizacji inwestycji, ponieważ wyeliminowano w ten sposób kosztowne instalacje służące do ciągłego od- wadniania i osuszania szalunków. Widoczna na fot. 4 ściana tunelu ma grubość 120 cm, ilość zbrojenia w 1m³ betonu wynosiła 450 kg. Tak gęste zbrojenie wymusiło zastosowanie betonu o właściwościach samozagęszczalnych. Ze względu na szybki przyrost poziomu wody gruntowej w wykopie dno tunelu i ściany zostały wykonane z betonu UWC. Przy budowie tunelu wykorzystano 38 000 m³ betonu podwodnego.

Fot. 4. Budowa tunelu metra w Berlinie – ścia- na oddzielająca koryto rzeki Szprewy od tunelu metra

Budowa stacji Lehrter Bahnhof w Berlinie

Beton podwodny posłużył do wykonania płyty fundamentowej o szerokości 20 m, dłu- gości 310 m i grubości 1,5 m. Zastosowany beton podwodny klasy B25 o ciekłej konsy- stencji, układany był

na głębokości 8 m poniżej zwierciadła wody. Do wykonania płyty zużyto 8600 m³ betonu dostarczanego z wytwórni oddalonej o 20 km. Temperatura betonu w momencie w b u d o w y w a n i a wynosiła +15^oC, zaś temperatura powie- trza –8^oC.

Fot. 5. Betonowanie płyty fundamentowej stacji Lehrter Bahnhof w Berlinie

Budowa tunelu komunikacyjnego przy stacji kolejowej w miejscowości Rodgau k. Frankfurtu n. Menem

Zaprojektowany tunel podziemny miał ułatwić komunikację samochodową i pieszą z projektowaną na górnym poziomie stacją szybkiej kolei podmiejskiej. Płytę fundamento- wą tunelu wykonano z 3000 m³ betonu podwodnego. Prace prowadzono w sposób ciągły z zastosowaniem dwóch pomp o wysięgu 32 m i prędkości podawania betonu – 150 m³/h (fot. 6). Całkowity czas betonowania płyty wynosił 36 godzin.

Fot. 6. Betonowanie płyty fundamentowej tunelu komunikacyjnego w miejscowości Rodgau

Literatura

[1] Concrete Construction Engineering Handbook, CRC Press LLC, 1997.

[2] M. Hara, S. Sogo S.: Admixtures Effect of High Fineness Slag on the Properties of Underwater Concrete, International Conference on Concrete in Marine Environment, Concrete Society, London 1986.

[3] E. Horszczaruk, I. Flis.: Underwater Concrete – design, properties and development directions. Work- shop on Rehabilitation of Existing Urban building Stock, June 17-19, Gdańsk, 2004, pp. 289-296.

[4] E. Horszczaruk: Technology and properties of underwater concrete. Quality and Reliability Industry, III International Scientific Conference, Levoca, 2003.

[5] JSCE, Japan Society of Civil Engineers: Recommendations for Design and Construction of Anti-Washout Underwater Concrete, Concrete Library of JSCE, V.19, 1992.

[6] H. Kamal, K. H. Khayat, M. Sonebi: Effect of Mixture Composition on Washout Resistance of Highly Flowable Underwater Concrete, ACI Materials Journal, V. 98, No. 4, July-August 2001.

[7] K.H. Khayat, M. El Gattioui, C. Nmai: Effect of Silica Fume and Fly Ash Replacement on Stability and Strength of Fluid Concrete Containing Anti-Washout Admixture., Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete, Fifth International CANMET/ACI Conference, SP-173, ACI, Mich.

1997.

[8] K.H. Khayat, A. Yahia, M. Sonebi: Aplications of Statistical Models for Proportioning Underwater Concrete, ACI Materials Journal, V. 96, No. 6, Nov.-Dec. 1999.

[9] K.H.Khayat K.: Viscosity – Enhancing Admixtures for Cement – Based Materials – An Overview.

Cement and Concrete Composites 20 (1998), pp. 171 – 187.

[10] M. Sonebi: Factorial design modelling of mix proportion parameters of underwater composite cement grouts. Cement and Concrete Research 31 (2001), pp.1553 – 1560.

[11] M. Sonebi, K.H. Khayat: Effect of Mixture Composition on Relative Strenght of Highly Flowable Underwater Concrete. ACI Materials Journal, V. 98, No 3, 2001, pp. 233 – 236.

[12] R. Tegelaar, P. Giesbrecht: Unterwasserbeton. Bohrpfahlbeton. Verlag Bau+Technik GmbH, Dusseldorf, 1998.

[13] S.X. Yao, B. C. Gerwick: Underwater Concrete. Part 1: Design Concepts and Practices. Concrete Inter- national, Jan. 2004, pp. 79 – 83.

[14] S.X. Yao, B.C. Gerwick: Underwater Concrete. Part 2: Proper mixture proportioning . Concrete Inter- national, Feb. 2004, pp. 77 – 82.

[15] J. Zhengwu, S. Zhenping and W. Xinyou: Study on permeability of chloride ions in underwater anti- washout concrete, Proceedings Third International Conference on Concrete Under Severe Conditions, Vancouver 2001.