Zastosowanie betonu samozagęszczalnego w produkcji systemów wodno-kanalizacyjnych
Self-compacting concrete in manufacturing of elementS for water and Sewer SyStemS
Streszczenie
W artykule przedstawiono podstawowe wymogi norm PN- EN 1917 oraz PN-EN 206-1, dotyczące jakości i trwałości betonu w systemach kanalizacji deszczowo-sanitarnych. Opi- sano technologię produkcji prefabrykatów studni szczelnych w oparciu o mieszanki betonowe SCC. Dokonano porównania nowej technologii z tradycyjnymi, ręcznymi technikami kształtowania kinet. Zaprezentowano wyniki badań, przeprowadzonych na próbkach pobranych z monolitycznych dennic systemu PERFECT.
Abstract
Basic requirements concerning quality and durability of concrete for drain and sanitary systems stated in PN-EN 1917 and PN-EN 206-1 standards have been presented in the paper. Technology of manufacturing water-tight manholes made of SCC has been de- scribed. The paper comprises comparison of the new technology and traditional manual shaping of manhole inverts. Research results for specimens from prefabricated manhole bottom of Perfect system have been presented as well.
Tomasz Pużak Krzysztof Kaczmarek Grzegorz Śmietka
dr hab. inż. Zbigniew Giergiczny, prof. nadzw. Pol. Śl. – Politechnika Śląska, Centrum Technologiczne „Betotech”
Sp. z o.o.
mgr inż. Tomasz Pużak – Centrum Technologiczne „Betotech” Sp. z o.o.
Krzysztof Kaczmarek – ZPB Kaczmarek dr inż. Grzegorz Śmietka – ZPB Kaczmarek
Wstęp 1.
W lipcu 2004 r., Polski Komitet Normalizacyjny, wprowadził w naszym kraju zharmoni- zowaną normę europejską PN-EN 1917: 2004 „Studzienki włazowe i niewłazowe z betonu niezbrojonego, z betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe”, będącą tłumacze- niem odpowiednika normy europejskiej EN 1917: 2002. Dokument ten powstał w oparciu o wieloletnie doświadczenia, osób i instytucji zajmujących się tematyką, szeroko pojętej trwałości betonu w systemach kanalizacji deszczowo-sanitarnej.
W prezentowanym artykule pokazano możliwość zastosowania betonu samozagęsz- czającego się SCC w produkcji studni kanalizacyjnych.
Beton w studniach kanalizacyjnych 2.
Norma [1], definiuje podstawowe wymagania dla betonu studni kanalizacyjnych w na- stępujący sposób:
materiał w każdym elemencie powinien być zwarty i jednorodny, –
wytrzymałość obliczeniowa, deklarowana przez producenta nie powinna być mniejsza – niż 40 MPa,
wskaźnik w/s nie większy niż 0,45, –
nasiąkliwość nie większa niż 6%, –
maksymalna zawartość chlorków w betonie nie więcej niż 1,0%.
–
Dopuszczono w niej wykonanie podstaw studni, tzw. dennic na kilka sposobów (rys. 1) jednakże pod warunkiem spełnienia przez prefabrykaty powyższych wymogów normowych.
Rys. 1. Schemat konstrukcji studni kanalizacyjnych
Skład i właściwości betonu samozagęszczalnego 3.
SCC stosowanego w produkcji systemów wodno- -kanalizacyjnych
Beton samozagęszczalny (SCC - Self Compacting Concrete) został wyprodukowany po raz pierwszy ok. 20 lat temu w Japonii. Beton ten charakteryzuje się unikalnymi właściwo- ściami: posiada zdolność szczelnego wypełniania form lub deskowań oraz samoczynnego odpowietrzania i zagęszczania pod własnym ciężarem bez segregacji składników.
.
Może on być stosowany m.in.:
jako beton wysokowytrzymałościowy w produkcji sprężonych zbiorników na ciecze, –
jako beton mostowy, –
jako beton wylewany bez wibrowania przy wykonywaniu dużych masywów beto- –
nowych,
przy betonowaniu zbiorników oczyszczalni ścieków, –
w budownictwie tunelowym, –
w prefabrykacji betonowej, –
do wylewania stropów monolitycznych.
– Podstawą skonstruowania takiej mieszanki jest odpowiednio duża zawartość małych cząstek i specjalna domieszka chemiczna (superplastyfikator).
Beton ten znajduje zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie zagęszczenie tra- dycyjną metodą poprzez wibrowanie jest uciążliwe ze względu na bardzo dużą ilość i gęste rozłożenie stali zbrojeniowej lub trudno urabialne kruszywo o ziarnach płaskich lub wydłużonych. Również ciekawą alternatywą wydaje się być zastosowanie betonów samozagęszczalnych przy wykonywaniu konstrukcji lub elementów prefabrykowanych z tzw. betonu architektonicznego o bardzo gładkiej i estetycznej fakturze zewnętrznej.
3.1. Składniki betonu samozagęszczalnego
Cement
W produkcji monolitycznych dennic w technologii SCC zastosowano cement hutniczy CEM III/A 42,5N – HSR/NA.
Wprowadzenie dodatku granulowanego żużla wielkopiecowego do składu cementu modyfikuje szereg jego cech użytkowych. Cementy hutnicze CEM III posiadają szereg korzystnych właściwości w porównaniu z klasycznymi cementami portlandzkimi CEM I bardzo często stosowanych w prefabrykacji betonowej. Charakteryzują się one:
wolniejszym przyrostem wytrzymałości trwającym nawet do 90 dnia, generującym –
mniejsze ilości wydzielanego ciepła hydratacji, a tym samym mniejsze naprężenia skurczowe niż cementy portlandzkie CEM I,
wyższymi (w porównaniu z cementami portlandzkimi CEM I) wytrzymałościami, –
w długich okresach twardnienia (56, 90 dni i później),
wyższą odpornością na agresję chemiczną, spowodowaną mniejszą zawartością gli- –
nianu trójwapniowego C3A (około 3%) oraz wodorotlenku wapnia Ca(OH)2 na rzecz dodatku mineralnego (granulowanego żużla wielkopiecowego),
szczelniejszą mikrostrukturą matrycy, spowodowaną zhydratyzowanymi oraz wolnymi –
cząstkami żużla wielkopiecowego o granulacji drobniejszej od ziaren cementu, jaśniejszą barwą, umożliwiającą uzyskanie na barwionych elementach betonowych –
jaśniejszych i żywszych barw.
Właściwości cementu hutniczego CEM III/A 42,5N – HSR/NA przedstawiono w tabeli 1.
Produkcja cementów żużlowych oprócz efektów technologicznych ma również aspek- ty ekologiczne, takie jak: niższe zużycie energii (co pozwala na zaoszczędzenie zasobów paliw naturalnych), niższe zużycie surowców naturalnych w procesie wytwarzania cementu oraz obniżenie emisji gazów przemysłowych do atmosfery.
Tabela 1. Właściwości cementu hutniczego CEM III/A 42,5N – HSR/NA
Właściwość Wymagania wg
PN-EN 197-1 Wynik badań laboratorium zakładowego
Zmiany objętości Le Chatelier ≤ 10 mm 0,7 mm
Początek czasu wiązania ≥ 60 minut 239 minut
Wytrzymałość na ściskanie po 2 dniach ≥ 10 MPa 14,8 MPa Wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach ≥ 42,5 MPa
≤ 62,5 MPa 57,3 MPa
Wytrzymałość na ściskanie po 90 dniach Brak wymagania 67,9 MPa
Cechą charakterystyczną cementów zawierających w swoim składzie dodatek granu- lowanego żużla wielkopiecowego jest podwyższona odporność na korozyjne działanie środowisk agresywnych chemicznie [5, 6, 7]. Dotyczy to praktycznie wszystkich środowisk agresywnych, które mogą działać niszcząco na beton. Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 206 -1 cement hutniczy CEM III/A 42,5N – HSR/NA spełnia wymagania jako spoiwo do klas ekspozycji XA2 i XA3 (cement siarczanoodporny HSR).
Kruszywo
Do projektowania składu mieszanki betonowej przyjęto lokalne kruszywa żwirowe, a krzywą uziarnienia mieszanki betonowej przedstawia rys. 2. Szczególną uwagę zwró- cono na uziarnienie i jakość piasku. Zastosowane kruszywo umożliwiało osiągnięcie
„szybkiego” rozpływu mieszanki betonowej oraz wypełnienia przestrzeni w wykony- wanym elemencie.
Rys. 2. Krzywa uziarnienia mieszanki kruszynowej Dodatki mineralne (mikrowypełnienie)
Podstawą do skonstruowania mieszanki SCC jest odpowiednio duża zawartość bardzo drobnych cząstek w betonie (poniżej 0,125 mm). Wynika z tego konieczność zastosowania w betonie SCC wypełniaczy mineralnych oraz drobnych piasków, gdyż tak duża ilość cementu w betonie mogłaby spowodować brak kontroli skurczu. Poza tym dodatki mi-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16
Wymiar oczka sita #, mm
Przesiew, %
Krzywe graniczne (wg PN-B-06250) Krzywa mieszanki
neralne wraz z cementem zapewniają wysoką płynność oraz wpływają na wydłużenie czasu urabialności betonu. W tym przypadku zastosowano wysokiej jakości popiół lotny krzemionkowy (V) spełniający wymagania normy PN-EN 450-1:2005 „Popiół lotny do betonu” oraz kamień wapienny. Głównym składnikiem mineralnym kamienia wapiennego jest węglan wapnia CaCO3 (kalcyt lub mniejszym stopniu aragonit). W składzie kamienia wapiennego może być również obecny węglan wapniowo-magnezowym CaMg(CO3)2 (dolomit). Zastosowany kamień wapienny charakteryzował się wysokim stopniem zmie- lenia i korzystnie wpływał na poprawę urabialności mieszanki betonowej, hamowanie zjawiska odsączania mleczka cementowego oraz na jasną barwę elementu.
Domieszki chemiczne
W produkcji betonów SCC podstawowym zadaniem domieszki upłynniającej jest nadanie mieszance betonowej z reguły o niskim stosunku w/c bardzo wysokiej płyn- ności zapewniającej własności samopoziomujące oraz możliwość samoistnego odpo- wietrzenia. Konieczne jest oczywiście potwierdzenie właściwej współpracy układu cement–domieszka.
Do projektowania i wykonania betonu SCC przeznaczonego do produkcji systemów wodno-kanalizacyjnych zastosowano domieszkę opartą na bazie eterów polikarboksyla- nowych. Jest to domieszka przeznaczona do produkcji prefabrykatów, betonów reody- namicznych, o wysokich wytrzymałościach początkowych oraz betonów sprężonych.
Umożliwia produkcję betonów o niskim stosunku w/c, co prowadzi do otrzymania betonu o wysokich wytrzymałościach zarówno wczesnych jak i normowych. Betony z zastosowaniem tej domieszki odznaczają się zdolnością do dobrego utrzymania kon- systencji, także przy wysokich temperaturach, a działanie domieszki wpływa także na przyspieszenie ciepła hydratacji cementu, co skutkuje szybszym narastaniem wytrzyma- łości początkowej.
Skład mieszanki betonowej
Skład recepty mieszanki betonowej przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2. Receptura mieszanki betonowej SCC
Surowiec Zawartość na 1 m3
Piasek 0-2 850 kg
Żwir 2-16 1070 kg
Cement hutniczy CEM III/A 42,5N – HSR/NA wraz
z dodatkiem mineralnym (popiół lub kamień wapienny) 600 kg
Superlastyfikator 6,6 kg
Woda 190 kg
3.2. Właściwości betonu
Podczas projektowania mieszanki SCC najbardziej istotne są parametry świeżej mieszanki betonowej (fot. 1)
Na etapie wykonywania świeżej mieszanki betonowej za konieczne do spełnienia uznano następujące wymagania:
rozpływ całkowity betonowego placka uzyskanego z wypełnienia betonem bez za- –
gęszczania i podniesienia odwróconego stożka Abramsa min. 60 cm, co gwarantowało odpowiednią ciekłość mieszanki betonowej
utrzymanie konsystencji (rozpływu) w czasie min 20 minut. Czas niezbędny do utrzy- –
mania konsystencji ustalono na podstawie procesów technologicznych odbywających się w zakładzie prefabrykacji z uwzględnieniem pewnego marginesu bezpieczeństwa.
Należy zaznaczyć, że użycie betonu o innej konsystencji niż zakładana powoduje nieprawidłowe odpowietrzenie mieszanki lub jej brak co w dalszej konsekwencji nie- korzystnie wpływa na wszystkie parametry trwałościowe betonu.
tempo rozpływu placka do średnicy 50 cm: 5-10 sek., co zapewnia odpowiednia szyb- –
kość płynięcia dostosowaną do tempa betonowania.
Fot. 1. Badanie rozpływu betonowego placka metodą odwróconego stożka Abramsa
Do badań kontrolnych stwardniałego betonu pobrano 36 odwiertów o średnicy 100 mm, z trzech różnych lokalizacji dennicy.
Wykonano następujące badania stwardniałego betonu:
Wytrzymałość na ściskanie po 7, 28, 90 dniach –
Nasiąkliwość
– Wyniki otrzymane w badaniach po odpowiednio 7, 28 oraz 90 dniach przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3. Wyniki badań odwiertów rdzeniowych z betonu SCC
Nasiąkliwość betonu w % po upływie Wytrzymałość na ściskanie w MPa, po upływie
7 dni 28 dni 90 dni 7 dni 28 dni 90 dni
5,37 4,88 4,39 50,8 60,4 71,1
Wyniki badań laboratoryjnych, pozwoliły na wydanie deklaracji zgodności produktów z normą [1] w zakresie klasy betonu C40/50 (rzeczywista klasa C50/60) oraz nasiąkli- wości betonu do 5,0% (po 28 dniach). Należy zauważyć, iż w przypadku badań betonów na bazie cementów hutniczych CEM III/A, właściwsze jest badanie i deklarowanie ich parametrów „w wieku późniejszym” niż 28 dni.
Produkcja przemysłowa elementów systemów wodno- 4.
kanalizacyjnych w technologii betonu SCC
Mając za główny cel, wyprodukowanie studni szczelnych w pełni zgodnych z normą [1], produkcja odbywa się w technologii betonu samozagęszczalnego SCC (PERFECT) oraz betonu wibroprasowanego w technologii EXACT [8],
Produkcja monolitycznych dennic będących tematem niniejszego referatu odbywa się w zaawansowanej linii technologicznej umożliwiającej zwiększenie początkowych wytrzymałości betonu (przyspieszenie ich przyrostu). Technologia ta jest znana i stoso- wana w produkcji betonu od wielu lat. W opisywanym przypadku zamknięty obieg linii produkcyjnych trwa 24 godziny. Po zakończeniu procesu formowania, elementy trans- portowane są do komór VAPOR, w których dojrzewają w atmosferze o wilgotności 85%, temperaturze 45oC oraz wysokiej zawartości dwutlenku węgla. Proces ten gwarantuje, uzyskanie po 24 godzinach przez beton, co najmniej 70% wytrzymałości projektowanej, co umożliwia transport prefabrykatów na miejsce docelowego składowania na placu. Do- datkowo, technologia ta, poprzez przyspieszenie procesu przejścia wodorotlenku wapnia Ca(OH)2, w węglan wapnia CaCO3, (przy udziale dwutlenku węgla CO2), powoduje:
zmniejszenie wymiaru przypowierzchniowych kapilar, zwiększając tym samym szczel- –
ność zewnętrznej warstwy betonu,
przypowierzchniowe zwiększenie wytrzymałości betonu, –
znaczne ograniczenie na powierzchni elementów „tzw. wykwitów węglanowych”.
– Poszczególne etapy produkcji przedstawiono na fot. 2.
Fot. 2. Poszczególne etapy produkcji dennic monolitycznych w technologii SCC (PERFECT)
Wnioski 5.
Na podstawie wyników badań, oraz wymogów aktualnych normatywów można stwier- dzić, iż:
w produkcji przemysłowej możliwe jest wykonanie, po 28 dniach twardnienia, „uzasad- –
nionych ekonomicznie” betonów samozagęszczalnych SCC o nasiąkliwości do 5%.
wyniki badań laboratoryjnych potwierdzają tezę o zdecydowanie „dłuższym życiu beto- –
nów” wytworzonych na bazie cementów hutniczych – badania wykonane po 90 dniach potwierdzają przyrost wytrzymałości betonu w stosunku do wartości projektowanej oraz dalszy spadek nasiąkliwości w stosunku do wartości określanej po 28 dniach, betony wytworzone na bazie cementów hutniczych charakteryzują się szczelniejszą –
mikrostrukturą (dodatek mineralny) oraz trwałością w stosunku do betonów wytwo- rzonych na bazie cementów portlandzkich, a tym samym niższą nasiąkliwością.
Literatura
[1] PN-EN 1917: 2004/AC: 2009 „Studzienki włazowe i niewłazowe z betonu niezbrojonego, z betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe”.
[2] PN-EN 206-1:2002/AC:2005 „Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność”.
[3] PN-B-06250 „Beton zwykły”.
[4] PN-EN 197-1 „Cement. Część 1. Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów po- wszechnego użytku”.
[5] PN-EN 13791 „Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie w konstrukcjach i prefabrykowanych wy- robach betonowych”.
[6] Madryas C., Kolonko A., Wysocki L. „Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
[7] Pogan K. „Samozagęszczający się beton – kolejny etap w rozwoju pięcioskładnikowego kompozytu”, Przegląd Budowlany 1/2000.
[8] Broszura reklamowa firmy ZPB KaczmareK sp. z o. o.
[9] Wyniki wewnętrznych badań ZKP opracowane przez Laboratorium ZPB KaczmareK.
