Beton samozagęszczalny SCC w prefabrykowanych elementach systemów kanalizacyjnych

Beton samozagęszczalny SCC

w prefabrykowanych elementach systemów kanalizacyjnych

SELF COMPACTING CONCRETE (SCC) IN PRECAST ELEMENTS OF SEWAGE SYSTEMS

Streszczenie

Referat wprowadza w tematykę zastosowania betonu samozagęszczalnego SCC do pro- dukcji prefabrykowanych elementów stosowanych w systemach kanalizacyjnych. W re- feracie zaprezentowano na przykładzie elementu dennego studni kanalizacyjnej różnice w technologii produkcji oraz przeanalizowano wyniki badań betonu SCC pobranego z kinety studni kanalizacyjnej pod kątem trwałościowym i wytrzymałościowym.

Abstract

The paper deals with the use of self compacting concrete SCC for the production of prefa- bricated elements in pipe systems. An example of the bottom element of sewage chamber, the differences in the production technology and the analysis of strength and durability test results of SCC from sewage chamber are presented.

Waldemar Bartusiak

Wiktor Jasiński – Instytut Badawczy Dróg i Mostów – Filia Wrocław

Waldemar Bartusiak – Stowarzyszenie Producentów Elementów Betonowych dla Kanalizacji

1. Wstęp

Na przełomie kilkunastu ostatnich lat nastąpił ogromny przełom w technologii produkcji elementów prefabrykowanych stosowanych w systemach kanalizacyjnych. Systemy kana- lizacyjne są różne, jednak ich podstawową cechą charakterystyczną powinna być trwałość, wytrzymałość i funkcjonalność. Elementy prefabrykowane studni kanalizacyjnych przez ostatnie 20 lat przeszły ogromną drogę ewolucji. Do niedawna studnie kanalizacyjne budowane były z cegły betonowej, kręgi i elementy zwieńczeniowe formowane były w stalowych formach ręcznie ubijane. Poszczególne elementy łączone były miedzy sobą za pomocą połączenia na pióro-wpust, które niestety nie gwarantowało szczelności, jak i odpowiedniej jakości eksploatacyjnej.

Obecnie w ogromnej mierze, elementy prefabrykowane stosowane w systemach kanalizacyjnych produkowane są w technologii betonu wibroprasowanego. Wysokie wymagania odnośnie do tych elementów zawarte w PN-EN 1916:2005 [1] i PN-EN 1917:2004 [2] oraz konkurencja na rynku budowlanym sprawiły, że jakość produkowanych wyrobów, pod względem trwałościowym, wytrzymałościowym i estetycznym uległa diametralnej poprawie.

W ostatnim czasie na rynku polskim pojawiły się elementy prefabrykowane studni kanalizacyjnych produkowane z betonu samozagęszczalnego SCC (Self Compacting Concrete). Technologia produkcji elementów prefabrykowanych studni kanalizacyjnych rozwinęła się dzięki wdrożeniu na szeroką skalę superplastyfikatorów polikarboksylano- wych, kilkakrotnie silniejszych w działaniu niż poprzednia generacja domieszek upłynnia- jących [3]. Zastosowanie betonu samozagęszczalnego SCC umożliwia wyprodukowanie elementów monolitycznych o jednakowej strukturze betonu bez stosowania wibratorów (fot. 1) (beton zagęszczany w każdym miejscu formy, jedynie pod wpływem ciężaru własnego), skrócenie czasu układania mieszanki betonowej oraz znaczne zmniejszenie uciążliwości procesu betonowania dla człowieka i środowiska (obniżenie hałasu, drgań, zanieczyszczenia itp.). Dalszymi zaletami stosowania mieszanek SCC jest:

wysoka płynność i urabialność, –

brak segregacji składników, –

zdolność do odpowietrzania ułożonej mieszanki bez konieczności wibrowania, –

długi czas zachowania konsystencji i urabialności, – przepływ przez ułożone gęsto zbrojenie,

–

zdolność do szczelnego wypełniania formy, –

wysokie parametry fizyko-mechaniczne stwardniałego betonu, –

równość i gładkość powierzchni zewnętrznych [4], co przy łączeniu poszczególnych –

elementów między sobą ma ogromny wpływ na szczelność systemu.

Ogromnym atutem tego typu technologii jest: „wyeliminowanie czynnika ludzkiego z procesu zagęszczania mieszanki betonowej” [3]. Zastosowanie betonu samozagęszczalnego SCC wymusza jednak na producentach wyrobu zwiększenie reżimu technologicznego oraz wykonywanie badań kontrolnych i pełnych w oparciu o istniejące metody badawcze.

Na szczęście w praktyce nie ma to tak ogromnego znaczenia, gdyż mieszanki SCC pro- jektowane i weryfikowane są z reguły na podstawie prób technicznych, podczas których ich skład ulega odpowiednim korektom tak, aby spełnić wymagania dla konkretnych wyrobów [3].

Fot. 1. Jednorodna struktura be- tonu charakterystyczna dla kine- ty dennicy wykonanej z betonu samozagęszczalnego SCC

2. Produkcja dennic monolitycznych z betonu SCC w technologii PERFECT

Istotną zmianą, jaka zaistniała na rynku producentów elementów studni kanalizacyjnych w latach 90. XX wieku, było pojawienie się prefabrykowanych elementów dennych pro- dukowanych w technologii wibroprasowanej. Był to kolejny istotny krok w kierunku zagwarantowania wyrobów o wysokich parametrach pod względem wytrzymałości, jak i szczelności systemów. Niestety, ale ten sposób ma poważną wadę, która wpływa dość istotnie na trwałość, jak i szczelność dolnej części studni. Produkcja tego typu elementów odbywa się dwuetapowo. W pierwszej kolejności następuje wykonanie tzw. szklanki z otworami lub przejściami, a w końcowej fazie już po rozformowaniu elementu wykonuje się kinetę. W przypadku tego typu produkcji jest to łączenie dwóch elementów, które pozostają konstrukcyjnie niezależnymi.

Kineta stanowi bardzo ważny element dennicy, gdyż to ona w rzeczywistości nara- żona jest na kontakt ze środkami chemicznie agresywnymi występującymi w ściekach kanalizacyjnych. Środowisko ścieków kanalizacyjnych (bytowo-gospodarczych), zgodnie z normą PN-EN 206-1 [5], uznać można za środowisko słabo agresywne w stosunku do betonu (klasa XA1). W wielu jednak przypadkach substancje chemiczne znajdujące się w ściekach kanalizacyjnych stanowią poważne zagrożenie korozyjne dla konstrukcji beto- nowych. Wewnątrz kanałów na powierzchniach betonowych rozwijają się drobnoustroje, które wydzielają do otoczenia rodniki kwasów i innych substancji, które powodują typowe procesy korozji. Ścieki i wody technologiczne w obiektach kanalizacyjnych zawierać mogą znaczne ilości substancji organicznych, w tym białkowych, z których w wyniku redukcji siarczanów powstaje siarkowodór. Siarkowodór ulega utlenieniu do siarki, która odkłada się na powierzchni betonu ponad poziomem ścieków [6].

Ważnym elementem są zatem cechy trwałościowo-wytrzymałościowe kinety. W tech- nologii produkcji wibroprasowania betonu nie ma możliwości wykonania kinety w tej samej technologii co szklanka, ze względu na ograniczenia braku możliwości mecha- nicznego zagęszczania. Istnieje tylko możliwość ręcznego zagęszczania betonu kinety.

W wyniku takiej metody, maksymalna wytrzymałość betonu na ściskanie, jaką można uzyskać w kinetach to klasa wytrzymałości C15/20. Kolejnym istotnym czynnikiem, który charakteryzuje ten sposób produkcji, to parametr nasiąkliwości, który jest istotny z punktu widzenia „life time” produktu, i pokazuje jak bardzo beton chłonie wodę. W przypadku

technologii wibroprasowania uzyskanie poziomu nasiąkliwości kinety poniżej 6% jest bardzo trudne, a wręcz niemożliwe.

Powyższa charakterystyka pokazuje wady takiego sytemu produkcji dennic studni i można było przejść koło tego tematu bez większego komentarza, gdyby nie fakt po- jawienia się w ostatnich latach nowego systemu monolitycznego odlewania dennicy studni kanalizacyjnych.

System ten daje możliwość wykonywania dennicy studni o parametrach trwałościo- wo-wytrzymałościowych i estetyce niewykonalnej w innych technologiach. Cechą cha- rakterystyczną jest możliwość wykonania monolitycznej dennicy studni kanalizacyjnej.

Wykonanie dennicy jest daleko odbiegające od dotychczas znanych technologii i odbywa się wieloetapowo. Pierwszy etap to wykonanie tzw. negatywu kanału kinety ze styropianu według projektu otrzymanego z budowy (fot. 2).

Fot. 2. Wykonanie tzw. negatywu kanału kinety ze styropianu

Następnie wszystkie dobrane elementy kanału są sklejane i dopasowywane do da- nego zamówienia (fot. 3).

Fot. 3. Sklejanie i dopasowanie elementów kinety

Wykonany model kinety umieszcza się w formie i przygotowuje się do odlewu (fot. 4).

Fot. 4. Przygotowanie elementów kinety do odlewu

Końcowy etap stanowi zalanie formy betonem samozagęszczalnym SCC (fot. 5).

Fot. 5. Zalanie formy betonem samozagęszczalnym SCC

Fot. 6. Rozformowywanie kinety studni w technologii PERFECT

W systemie monolitycznym jest to ostatnia rzecz, jaką wykonuje się przy produkcji dennic. Rozformowanie następuje po związaniu betonu i zależy od zastosowanej techno- logii dojrzewania betonu (fot. 6). Dennica może być gotowa do wysyłki w ciągu 24h.

3. Badania trwałościowo-wytrzymałościowe kinety wykonanej z betonu SCC w technologii PERFECT

Autorzy niniejszego opracowania przeprowadzili badania trwałościowo-wytrzymałościo- we odwiertów pobranych z kinety elementu dennego wykonanej z betonu SCC w tech- nologii PERFECT. Zgodnie z wytycznymi nakreślonymi w normie PN-EN 1917:2004 [2]

z elementu dennego studni kanalizacyjnej powinny być wykonane badania wytrzymałości na ściskanie i nasiąkliwości. Ponadto wykonane zostały jeszcze badania przepuszczalności wody przez beton, ścieralności na tarczy Boehmego oraz badania odporności na zamra- żanie/rozmrażanie z udziałem soli odladzającej i głębokości penetracji w betonie cieczy agresywnych dla środowiska. Badania przeprowadzone zostały w laboratorium Instytutu Materiałów i Konstrukcji Budowlanych Politechniki Krakowskiej oraz w laboratorium Zakładu Betonu Instytutu Badawczego Dróg i Mostów.

W tablicy 1 przedstawiono wyniki badania wytrzymałości na ściskanie odwiertów pobranych z kinety elementu dennego wykonanej z betonu SCC. Badanie wykonane zo- stało zgodnie z normą PN-EN 12390-3:2002 [7], natomiast klasa betonu określona została zgodnie z normą PN-EN 206-1 [5].

Tablica 1

Lp. Nr próbki Gęstość pozorna P_i R_i R_śr Klasa

betonu [kg/m³] [kN] [MPa] [MPa]

1 K-1/1 2386,0 1215,0 79,1

79,2 C60/75

2 K-1/2 2384,0 1200,0 78,2

3 K-1/3 2394,0 1235,0 80,4

Wniosek: Zgodnie z wymaganiami PN-EN 1917:2004, pkt 4.2.2.2 [2] wytrzymałość na ściskanie betonu nie powinna być mniejsza niż 40 MPa (N/mm²).

W tablicy 2 przedstawiono wyniki badania nasiąkliwości odwiertów pobranych z ki- nety elementu dennego wykonanej z betonu SCC. Badanie wykonano zgodnie z Procedurą Badawczą IBDiM Nr PB/TB-1/22:2005 [8].

Tablica 2

Lp. Nr próbki Masa próbki

W_a W_{a średnie}

nasycona wodą

do stałej masy sucha do stałej masy

[G] [%] [%]

1 K-2/1 6394,0 6236,0 2,5

2,5

2 K-2/2 6406,0 6244,0 2,6

3 K-2/3 6431,0 6276,0 2,5

4 K-2/4 6402,0 6240,0 2,6

5 K-2/5 6430,0 6277,0 2,5

6 K-2/6 6390,0 6230,0 2,5

Wniosek: Zgodnie z wymaganiami PN-EN 1917:2004, pkt 4.2.7.2 nasiąkliwość betonu nie powinna przekraczać 6% masy.

W tablicy 3 przedstawiono wyniki badania przepuszczalności wody przez beton SCC.

Badanie wykonano zgodnie z Procedurą Badawczą IBDiM Nr PB/TB-1/24:2005 [9].

Tablica 3

Lp. Nr próbki Głębokość wnikniętej wody

[mm] Stopień wodoszczelności

1 K-3/1 15,0

2 K-3/2 10,0 W 12

3 K-3/3 15,0

4 K-3/4 10,0

5 K-3/5 20,0

6 K-3/6 15,0

Wniosek: Zgodnie z PN-88/B-06250 beton uzyskał stopień wodoszczelności W 12.

W tablicy 4 przedstawiono wyniki badania ścieralności na tarczy Boehmego. Badanie wykonano zgodnie z Procedurą Badawczą IBDiM Nr PB/TB-1/23:2005 [10].

Tablica 4 Lp. Nr

próbki q_R A Masa próbki

po cyklach ∆ m ∆V S_i S_śred

M₀ M₁₆

[g/mm³] [mm²] [g] [g] [mm³] [mm³/500

mm²] [mm³/500 mm²] 1 K-4/1 0,0023 5169 438,5 410,8 27,7 12043 11649

12045 2 K-4/2 0,0023 5140 457,4 429,6 27,8 12086 11990

3 K-4/3 0,0023 5272 474,3 444,0 30,3 13174 12494

W celu określenia trwałości zewnętrznej powierzchni kinety wykonanej z betonu SCC przeprowadzono badanie odporności na zamrażanie/rozmrażanie z udziałem soli odladzającej w oparciu o PN-EN 1338:2005 [11].

W tablicy 5 przedstawiono wyniki badania odporności na zamrażanie/rozmrażanie z udziałem soli odladzającej według PN-EN 1338:2005 [11] wykonanego na odwiertach pobranych z kinety studni kanalizacyjnej wykonanej z betonu SCC, a na fot. 7 zaprezen- towano próbki po badaniach.

Tablica 5

Lp. Nr

próbki

Pole po- wierzchni

próbki A [mm²]

Masa złuszczone-

go betonu M [g]

Ubytek masy prób-

ki L_i [kg/

m²]

Wymagania wg PN-EN 1338:2005

1 TB-1/37/08-1 7 698 1,65 0,214 klasa/zna-

kowanie L_średnie / L_i

2 TB-1/37/08-2 7 698 4,63 0,601

3 TB-1/37/08-3 7 698 0,25 0,032 3/D L_średnie ≤ 1,0 kg/m² L_i ≤ 1,5 kg/m²

Średnia 0,176

Fot. 7. Widok powierzchni odwiertów po badaniu odporności na zamrażanie/rozmrażanie z udziałem soli odladzającej

Wykonano również badanie głębokości penetracji w betonie cieczy agresywnych dla środowiska zgodnie z Procedurą Badawczą IBDiM Nr PB/TB/1:2008 [12]. Badanie miało na celu określenie trwałości zewnętrznej powłoki, która w rzeczywistych warunkach pracy najbardziej narażona jest na działanie ścieków agresywnych.

Fot. 8. Urządzenie badawcze do oznaczania głębokości penetra- cji w betonie SCC cieczy nie- bezpiecznych dla środowiska

Badanie polegało na oznaczeniu głębokości penetracji w betonie roztworów cieczy substancji agresywnych: oleju napędowego (ON), 3% roztworu kwasu azotowego i 3%

roztworu wodorotlenku sodowego. Substancje te oddziaływały na powierzchnię betonu przez 72 godziny. Po 8, 24, 32, 48 i 56 godzinach w miarę wnikania roztworów w beton uzupełniano poziom roztworów do wysokości 40 cm. Po 72 godzinach działania roztwo- rów próbki badawcze przełamano i zmierzono głębokość penetracji roztworów cieczy substancji agresywnych (fot. 9). W tablicy 6 przedstawiono wyniki badania głębokości penetracji w betonie cieczy niebezpiecznych dla środowiska.

Fot. 9. Przełam odwiertów po badaniu głębokości penetracji w betonie roztworów cieczy sub- stancji agresywnych

Tablica 6.

Lp. Dane Substancje chemicznie agresywne

ON NaOH HNO₃

1 Ciężar urządzenia (bez płynu) [g] 4232,8 4225,1 4248,5 2 Ciężar urządzenia (z płynem) [g] 4309,6 4327,0 4342,0

3 Ciężar po 8 h [g] 4308,3 4325,1 4339,9

4 Uzupełniono [g] 1,3 1,9 2,1

5 Ciężar po 24 h [g] 4307,8 4323,4 4338,1

6 Uzupełniono [g] 1,8 3,6 3,9

7 Ciężar po 32 h [g] 4308,3 4326,5 4339,6

8 Uzupełniono [g] 1,3 0,5 2,4

9 Ciężar po 48 h [g] 4308,1 4325,8 4339,3

10 Uzupełniono [g] 1,5 1,2 2,7

11 Ciężar po 56 h [g] 4308,4 4325,7 4339,3

12 Uzupełniono [g] 1,2 1,3 2,7

13 Ciężar po 72 h [g] 4308,3 4325,7 4340,2

Maksymalny wnik roztworu [mm] 0,0 0,0 1,2

Średni wnik roztworu [mm] 0,0 0,0 0,6

Wynik: Po badaniu nastąpiło lekkie złuszczenie powierzchni zewnętrznej próbki poddanej działaniu 3% roztworu NaOH i 3% roztworu HNO₃

4. Podsumowanie

Specyficzny charakter pracy elementów prefabrykowanych systemów kanalizacyjnych w różnych warunkach środowiska agresywnego spowodował dynamiczny rozwój tech- nologii produkcji elementów betonowych. Nowoczesne systemy produkcji, stosowanie

wysokospecjalistycznej chemii budowlanej oraz zminimalizowanie czynnika ludzkiego w procesie produkcji, doprowadziły do powstania betonów o jednorodnych parametrach trwałościowo-wytrzymałościowych.

Technologia betonów samozagęszczalnych SCC to największy przełom w technologii betonu stosowanego do produkcji elementów prefabrykowanych systemów kanalizacyj- nych, który rozpoczął się w ostatnim dziesięcioleciu i przeżywa obecnie fazę intensywnego rozwoju. Dzięki takim właściwościom, jak:

wyeliminowanie czynnika ludzkiego z procesu zagęszczania mieszanki betonowej, –

produkcja monolitycznych dennic z kinetami o jednorodnej strukturze,

– wzrost wytrzymałości na ściskanie, szczelności oraz obniżenie nasiąkliwości betonów –

w porównaniu z betonami konwencjonalnymi o tej samej klasie,

znaczna odporność na substancje agresywne występujące w ściekach kanalizacyjnych –

i technologicznych,

poprawa aspektów estetycznych (równość i gładkość) powierzchni zewnętrznych ścian – zewnętrznych i wewnętrznych oraz profili złączy,

ograniczenie negatywnych oddziaływań na środowisko (drgania, hałas itp.) beton –

samozagęszczalny SCC stanie się w niedługiej przyszłości podstawowym materiałem do produkcji wyrobów stosowanych w inżynierii sanitarnej.

Literatura

[1] PN-EN 1916 Rury i kształtki z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbe- towe.

[2] PN-EN 1917 Studzienki włazowe i niewłazowe z betonu niezbrojonego, betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe.

[3] Jawański W.: Beton samozagęszczalny, Dni Betonu – Tradycja i nowoczesność, Wisła 2002.

[4] Saferna M., Kaszuba S.: Nowoczesne kierunki w technologii betonu, BETOTECH Sp. z o.o., prezentacja multimedialna, materiały internetowe.

[5] PN-EN 206-1:2003 Beton – Część 1 Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.

[6] Madryas C., Wysocki L.: Beton w infrastrukturze komunikacyjnej, Dni Betonu – Tradycja i nowocze- sność, Wisła 2004.

[7] PN-EN 12390-3:2002 Badania betonu. Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badania.

[8] Procedura Badawcza IBDiM Nr PB/TB-1/22:2005 Badanie nasiąkliwości betonu wg PN-88/B-06250.

[9] Procedura Badawcza IBDiM Nr PB/TB-1/24:2005 Przepuszczalność wody przez beton wg PN- 88/B-06250.

[10] Procedura Badawcza IBDiM Nr PB/TB-1/23:2005 Ścieralność na tarczy Boehmego wg PN- 84/B-04111.

[11] PN-EN 1338:2005 Betonowe kostki brukowe – Wymagania i metody badań.

[12] Procedura Badawcza IBDiM Nr PB/TB/1:2008 Oznaczanie głębokości penetracji w betonie cieczy niebezpiecznych dla środowiska.