Wróć do listy publikacji

22.01.2016

Prefabrykacja elementów dla kanalizacji

Beton to substancja, której „konsumpcja” w przeliczeniu na jednego mieszkańca naszej planety ustępuje jedynie wodzie.

Podstawowymi jej składnikami są  kruszywo, cement i woda, przy czym o „sile” betonu stanowi masa skalna w postaci kruszywa, zaś woda i cement pełnią role spoiwa.  Wszystkie składniki są ekologiczne. Kruszywo i woda są czerpane wprost ze środowiska naturalnego naszej planety.  Uniwersalność betonu oraz jego wszechstronne możliwości są niezaprzeczalne i powszechnie znane. Jest to materiał, który nie od dziś znajduje swoje zastosowanie również w systemach kanalizacyjnych. Niegdyś powszechnie stosowany w czasach, kiedy infrastruktura podziemna powstawała metodami rzemieślniczymi po dziś dzień mimo upływu dziesiątek lat zadziwia nienaruszoną strukturą i pierwszorzędną funkcjonalnością.

Przykładem takiej budowli podziemnej jest kanał deszczowy wykonany w latach 60-tych i przedstawiony na zdjęciach poniżej. Innym przykładem jest kanalizacja w centrum Szczecina, która w doskonałym stanie kończy dziewięćdziesiąte urodziny. Niestety z końcem lat sześćdziesiątych XX wieku przeminął czas rzetelnej, precyzyjnej i fachowej pracy rzemieślników, których doświadczenie i wiedza były owocem pielęgnowanej w cechach rzemieślniczych tradycji przekazywania umiejętności z pokolenia na pokolenie.


Zdjęcia kanału deszczowego z lat 60-tych ubiegłego stulecia.

Po epoce budowli wznoszonych metodami rzemieślniczymi nastąpił czas, w który podporządkowaliśmy wszystko jednemu hasłu. „Czas to pieniądz”. W odniesieniu do betonu i betonowych budowli, w tym oczywiście podziemnych oznaczało to nastanie ery prefabrykacji. W gospodarce planowej prowadzonej w Polsce w latach 70 i 80 ubiegłego wieku prefabrykacja nastała w imię „racjonalizacji”. O ile w krajach zachodnich prefabrykacja elementów betonowych dla kanalizacji, czyli dennic, kręgów studziennych i rur nie spowodowała spadku jakości betonowych systemów kanalizacyjnych, o tyle w Polskiej Rzeczpospolitej Ludowej nie tylko kręgi czy rury były  bardzo niskiej jakości. 

Obecnie żyjemy w czasach, w których postęp techniki jest obecny we wszystkich dziedzinach naszego życia. Nowoczesne technologie bazujące na układach scalonych i obwodach coraz szybszych procesorów znalazły również zastosowanie w prefabrykacji elementów betonowych dla kanalizacji. Czy dzięki zaawansowanej technologii możemy dziś tworzyć betonowe systemy odprowadzania ścieków i wód opadowych, z których będą mogły korzystać pokolenia żyjące w latach 2090 – 2100?

Wiele wskazuje na to, że tak. Beton to tak, jak przed stu laty kruszywo, cement i woda. Nic się nie zmieniło. Zmieniło się zaś dużo w sposobie ich mieszania i formowania mieszanki w gotowe wyroby. Dodatkowo jesteśmy dziś wspierani zapisami norm, które wskazują parametry wyznaczające odpowiedni i pożądany z punktu widzenia długotrwałego użytkowania poziom jakości.

Kruszywo będące podstawowym budulcem prefabrykatów betonowych (w prefabrykatach żelbetowych kruszywo uzupełnione jest stalą w postaci zbrojenia) stosuje się w trzech podstawowych rozmiarach. Wymagania, jakie powinny spełniać jego cechy i parametry zawarte są w normie PNEN-12620 „Kruszywa do betonu”. 

Najczęściej używane frakcje to:

  • Piasek 0 – 2 mm
  • Kruszywo 2 – 8 mm
  • Kruszywo 8 – 16 mm

Normą odnoszącą się do betonu jest zharmonizowana norma europejska PNEN 206-1. Zawiera ona szereg zapisów, z których te odnoszące się do proporcji poszczególnych składników mieszanki mają ogromne znaczenie z punktu widzenia właściwości betonu w środowisku z jednej strony ścieków i wód opadowych transportowanych wewnątrz kolektora, z drugiej zaś gruntu, w którym jest zabudowany. Zasadnicze znaczenie ma tutaj stosunek wody do cementu (w/c), którego maksymalna  wartość w normie określona jest na poziomie 0,45. Jak istotny jest to parametr pokazuje poniższy wykres.


Wykres z archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej Politechniki Wrocławskiej

Przekroczenie wartości ok. 0,5 – 0,6 skutkuje gwałtownym i nieproporcjonalnym zwiększeniem się przepuszczalności betonu. Producenci prefabrykatów betonowych dysponujący odpowiednia technologią przygotowania mieszanki do produkcji elementów dla kanalizacji wartość współczynnika w/c utrzymują na poziomie 0,37 – 0,41.

Jest to możliwe dzięki zaawansowanemu systemowi kontroli i pomiaru ilości wody w kruszywie używanym do produkcji oraz uwzględnieniu pomiarów wilgotności w dozowaniu wody „zarobowej” w mieszalniku węzła betoniarskiego.

Frakcje kruszyw przechowywane są w ocieplonych i obudowanych silosach dla zachowania możliwie jednakowej temperatury samego kruszywa.


Silosy z kruszywem (fot. w zakładzie członka SPEBK)


Pomiar wilgotności sondą umieszczoną w szczękach dozujących kruszywo z silosu


Kolejna sonda wilgotności umieszczona w dnie mieszalnika (fot. w zakładzie członka SPEBK)


Ekran kontrolny jednostki sterującej pracą węzła betoniarskiego (fot. w zakładzie członka SPEBK)

Informacja przekazywana jest do jednostki centralnej, gdzie dokonywana jest korekta wody zarobowej dla uzyskania zadeklarowanego współczynnika w/c. Cement oraz dodatki chemiczne dozowane są również wagowo. Czas mieszania jest ściśle powiązany z wymaganym dla aktywowania dodatków chemicznych.

Taki system umożliwia również pełną powtarzalność parametrów mieszanki betonowej i co za tym idzie cech wyrobów gotowych.

Kolejnym ważnym etapem w procesie produkcji elementów studni i rur jest proces formowania mieszanki betonowej w ww. wyroby. W odniesieniu do kręgów studziennych, zwężek i rur proces ten odbywa się w technologii wibroprasowania. Formowanie dennic może odbywać się w zarówno w technologii wibroprasowania, jak i przy użyciu betonu samozagęszczalnego.

W technologii wibroprasowania całą operację można podzielić na kilka etapów powtarzalnych dla różnych typów maszyn:

  • Umieszczenie w płaszczu zewnętrznym pierścienia formującego zamek (najczęściej dolny), stanowiącego jednocześnie podstawę do odstawienia na czas dojrzewania wyrobu; Wprowadzenie płaszcza z pierścieniem na rdzeń wibratora zespolonego z płaszczem wewnętrznym;
  • Wypełnienie formy mieszanką przy jednoczesnym udziale wibracji;
  • Prasowanie formujące górny zamek wyrobu
  • Rozformowanie polegające na wysunięciu elementu z rdzenia a następnie zdjęcie płaszcza zewnętrznego; Transport elementu na pierścieniu na pole dojrzewania

    Zdjęcia procesu wykonane w firmie członka SPEBK


W pełni zautomatyzowana maszyna wibroprasująca  do produkcji dennic i kręgów studziennych  (fot. wykonana w zakładzie członka SPEBK)

W technologii przy użyciu betonu samozagęszczalnego zalewa się uprzednio przygotowaną formę. W formie można umieścić tzw. rdzeń kinety wykonany ze styropianu z nałożonymi nań uszczelkami.


Zdjęcia z zakładu członka SPEBK

Po rozformowaniu styropian wycina się z gotowej dennicy z kinetą.

Właściwości i parametry wykonywanych w powyżej opisanych technologiach prefabrykatów winny odpowiadać wymaganiom europejskiej zharmonizowanej normy PN EN 1917:2004 „Studzienki włazowe i nie włazowe z betonu niezbrojonego, z betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe”.

Norma odnosi się do elementów studziennych o średnicy do 1 250 mm. Parametry elementów o większych średnicach powinny być potwierdzone w aprobatach technicznych.

Podstawowe parametry wyznaczone w zapisach normy:

  • Wytrzymałość betonu na ściskanie - min 40 MPa
  • Nasiąkliwość max 6%
  • Wytrzymałość na zgniatanie min 30 kN/m
  • Maksymalna szerokość rozwarcia rys 0,15 mm 
  • Wytrzymałość na obciążenia pionowe (dot. pokryw i zwężek) Fv = 300kN
  • Wytrzymałość stopni włazowych na wyrywanie 5 kN; ugięcie ≤ 5 mm pod obciążeniem pionowym 2kN, z ugięciem trwałym  ≤ 1 mm
  • Wodoszczelność hydrostatyczna studni oraz pojedynczego złącza, brak przecieku na połączeniu lub w elemencie przy ciśnieniu wewnętrznym 50 kPa (0,5 bar)
  • Zbrojenie i grubość otulenia betonem od strony gruntu ≥ 30 mm, od wnętrza 40 mm 
  • Wykonanie i wygląd
  • Charakterystyka geometryczna (elementy i profile złącza)

Aby sprostać w/w wymogom odporności betonu na ściskanie i nasiąkanie, z uwzględnieniem normy PN - EN 206 - 1, w prefabrykacji należy stosować beton klasy C35/45

Czy jednak fakt, że elementy, których właściwości i parametry będą zgodne z wymaganiami norm jest gwarantem, że systemy betonowe zbudowane z takich prefabrykatów będą pracować niezmiennie przez 80 , może nawet 100 lat.

Otóż, aby móc wykorzystać właściwości nowoczesnych elementów i zapewnić długotrwałe ich używanie oraz bezawaryjną eksploatację należy zwrócić uwagę na kilka innych zasadniczo istotnych aspektów budowy systemów kanalizacyjnych z  betonu.

Poniżej przedstawimy zagadnienia dotyczące studni kanalizacyjnych. O betonowych rurociągach i ich cechach charakterystycznych traktować będzie następne opracowanie.

Studnie kanalizacyjne prawidłowo skonstruowane składają się z następujących elementów:

  1. Podstawa Studni – dennica
  2. Komora Robocza
  3. Płyta redukcyjna
  4. Komin studni
  5. Zwężka
  6. Pierścienie wyrównawcze

Ad. 1 

Podstawa studni w postaci dennicy jest bardzo ważnym elementem, który oprócz przenoszenia dużych obciążeń ma za zadanie umożliwić podłączenie rurociągów (możliwe jest podłączenie rur z każdego materiału) oraz w miejscu jej posadowienia często następuje zmiana kierunku przepływu. Aby dennica bez zarzutu i długotrwale spełniała swoje zadanie wszystkie jej elementy: kineta, przejścia szczelne i stopnie złazowe powinny być wykonane w zakładzie prefabrykacji. Co więcej stopnie złazowe i przejścia szczelne mogą być montowane w dennicy podczas jej formowania. Stosowanie takiego rozwiązania gwarantuje całkowitą szczelność połączeń (w przypadku przejść szczelnych) oraz bezpieczną, długotrwałą eksploatację studni (zawibrowane stopnie lub klamry złazowe).

Montaż przejść szczelnych w technologii wibroprasowania i przy użyciu betonu samozagęszczalnego jest możliwy w dowolnym miejscu i może być dostosowany do każdego projektu.


Przejścia szczelne rozmieszczone w zaprojektowanych miejscach (produkcja w zakładzie członka SPEBK)


Przejścia szczelne rozmieszczone w zaprojektowanych miejscach (produkcja w zakładzie członka SPEBK)


Dennica po rozformowaniu z zawibrowanym przejściem szczelnym (fot. w zakładzie członka SPEBK)


Rdzeń kinety z przejściami szczelnymi w zaprojektowanych miejscach przygotowany do zalania betonem samozagęszczalnym (fot.  w zakładzie członka SPEBK)


Zalewanie betonem samozagęszczalnym kształtki rdzenia z uszczelkami (fot. w zakładzie członka SPEBK)

Wraz z określeniem miejsc montażu przejść szczelnych określa się również kształt kinety.


Projekt dennicy z przejściami szczelnymi i kinetą (archiwum członka SPEBK)

W przypadku technologii przy użyciu betonu samozagęszczalnego kształtowanie kinety odbywa się podczas formowania dennicy.


Przekrój dennicy wykonanej w technologii betonu samozagęszczalnego wraz z kinetą w jednym cyklu (produkt członka SPEBK)

W technologii wibroprasowania również można stosować kształtki do formowania kinety w trakcie formowania dennicy. W większości przypadków jednak kineta wyrabiana jest w zakładzie prefabrykacji po procesie formowania dennicy.


Dennica wibroprasowana z kinetą wykonaną po procesie jej formowania (produkt członka SPEBK)


Dennica wibroprasowana z kinetą wykonaną w zakładzie prefabrykacji

Norma PNEN 1917 wskazuje, iż dennica wraz z kinetą ma mieć charakter jednorodny. Ważne zatem jest, aby oba elementy powstawały z tej samej mieszanki betonu. Ten wymóg można spełnić jedynie wtedy, kiedy kompletna podstawa studni przygotowywana jest w zakładzie prefabrykacji.

Niestety częstą praktyką jest zamawianie dennic w postaci „szklanek” bez kinety i często również bez otworów w miejscach gdzie przewidziane jest podłączenie rur. „Oprawianie” dennic na placu budowy nigdy nie będzie tak fachowe, jak w zakładzie prefabrykacji i spowoduje, że nawet odpowiedniej jakości, zgodne z normą prefabrykowane elementy denne na budowie „nie będą miały szans” na spełnieni swej funkcji.

Ad. 2

Komora robocza powinna składać się z kręgów studziennych wyposażonych podczas formowania w technologii wibroprasowania (w przypadku kręgów stosowana jest tylko ta technologia) w stopnie lub klamry złazowe.


Krąg studzienny z zawibrowanymi klamrami złazowymi (fot. w zakładzie członka SPEBK)


Wkładanie klamer złazowych w rdzeniu wibracyjnym formującym kręgi (fot. w zakładzie członka SPEBK)


Klamry gotowe do zawibrowania (fot. w zakładzie członka SPEBK)

Wysokość komory roboczej studni nie powinna być mniejsza niż 2 m i nie przekraczać 3 m, aby osoba przebywająca w komorze w przypadku „odpadnięcia” od stopni złazowych nie upadła ze zbyt dużej wysokości. Jeśli głębokość studni ma przekraczać 3 m, to ze względu na ryzyko nastąpienia tego typu zdarzenia studnia powinna być podzielona płytą redukcyjną na komorę roboczą i komin studni.

Ad.3

Płyta redukcyjna jest elementem prefabrykowanym w technologii wibroprasowania na stole wibracyjnym. Co ważne jej konstrukcję obok betonu uzupełnia zbrojenie stalowe.

Ad. 4

Komin studni składa się, tak jak komora robocza z kręgów prefabrykowanych i wyposażonych w stopnie lub klamry złazowe. Różnica między kominem studni, a jej komorą robocza to średnica tych obu elementów. Średnica komina nie przekracza 1 000 mm, co zapewnia w przypadku niezłapania ręką stopnia lub klamry oparcie się plecami o przeciwległą część studni i efekcie nie grozi upadkiem ze znacznej niekiedy wysokości. 

Ad. 5

Studnia u góry powinna być zakończona zwężką i pierścieniami wyrównującymi. Stosowanie zwężki jest rozwiązaniem gwarantującym większą trwałość zwieńczenia studni ze względu na fakt, że nie zbierają się na jej wewnętrznej powierzchni skropliny oparów ścieków, tak jak ma oto miejsce w przypadku płyt przykrywowych. Skropliny mogą mieć niekorzystny wpływ na trwałość betonu ze względu na zjawisko korozji siarczanowej, która dość często decyduje o zniszczeniu płyt przykrywowych. Dodatkowo pozioma płyta musi być wyposażona w zbrojenie stalowe, które w środowisku agresywnym, jakim niekiedy bywa miejsce skraplania się oparów ścieków jest szczególnie podatne na korozję. Często stal zbrojeniowa koroduje wewnątrz płyty betonowej i powiększając w efekcie korozji swą objętość powoduje odłupywanie otuliny betonowej. Takie zjawisko jest oczywiście jednoznaczne z potrzebą niezwłocznej wymiany elementu przykrywowego. Dlatego producenci elementów betonowych dla kanalizacji szczególnie polecają stosowanie zwężek, których kształt eliminuje niemal całkowicie zagrożenie korozją pochodzącą ze skroplin i dodatkowo, co bardzo istotne są one skonstruowane wyłącznie z betonu i formowane w takiej samej technologii, jak znajdujące się pod nią kręgi. Nie istnieje zatem ryzyko korozji zbrojenia stalowego i parametry wytrzymałościowe są dzięki technologicznemu pokrewieństwu takie jak w elementach komina, komory roboczej i podstawy studni.


Rdzenie wibracyjne do formowania kręgów i zwężek (fot. w zakładzie członka SPEBK)


Wyposażone w zawibrowane klamry złazowe zwężki na placu składowym (fot. w zakładzie członka SPEBK)

Dzięki temu całość jest konstrukcją jednolitą pod względem parametrów wytrzymałościowych oraz nasiąkliwości i szczelności. Dodatkowo unikając stosowania zbrojenia znacznie obniżamy cenę prefabrykatów.

Na pewno nie raz widzieli Państwo studnie lub ich elementy, które wykonane były w zakładach prefabrykacji i mimo, że wykonane z betonu odpowiedniej klasy podczas montażu lub zaraz po krótkim czasie eksploatacji pękały. Zarówno kręgi, jak i zwężki. Częste są niestety również przypadki nieszczelności na złączach kręgów. Czy oznacza to, że dziś prefabrykowane elementy nie są wystarczająco trwałe i odporne na działające na nie w gruncie czy pochodzące od ruchu kołowego obciążenia? Czy złącza elementów studni mimo stosowania uszczelek nie mogą być szczelne?

Otóż norma PNEN 1917 wymaga oceny dennic, kręgów i zwężek pod kątem charakterystyki geometrycznej. Ocena pod tym względem jest nie mniej istotna od oceny nasiąkliwości prefabrykatu czy klasy betonu, z którego powstał.

Pożądane właściwości geometryczne części składowych studni to KOLISTOŚĆ elementów oraz RÓWNOLEGŁOŚĆ płaszczyzn złącza górnego i dolnego dennic, kręgów i zwężek. Zachowanie tych dwóch parametrów pozwala na równomierne rozłożenie sił działających na studnię i eliminację naprężeń punktowych, których występowanie skutkuje powstawaniem sił rozciągających, na które to z kolei beton jest wyjątkowo mało odporny. Dodatkowo równomierne przyleganie poszczególnych elementów znacznie polepszy szczelność całego układu. Te ogromnie istotne parametry można w łatwy sposób zweryfikować na placu budowy dobierając odpowiedniej długości króciec lub zweryfikować średnicę elementu przy pomocy metrówki. Warto taki pomiar wykonać zaraz po dostawie prefabrykatów. Weryfikacja prawidłowej średnicy jednego elementu, ze względu na powtarzalność parametrów elementów produkowanych w jednym cyklu na jednej maszynie formującej da odpowiedź na pytanie o parametry reszty elementów i zaoszczędzi czas w przypadku jeśli ewentualny brak kolistości kręgu lub dennicy zostałby odkryty dopiero po nieudanej próbie ich spasowania w wykopie.

Kolejnym niezwykle ważnym i często niestety niedopilnowanym elementem gwarantującym odpowiednie właściwości studni jest odpowiedni montaż uszczelek i kręgów łączonych na te uszczelki, przy czym norma PNEN 1917 wskazuje na taki sposób szczelnych połączeń elementów studni. Często, mimo że kręgi mają odpowiednie właściwości geometryczne są narażone na działanie sił rozciągających w miejscach gdzie uszczelka elastomerowa  niedokładnie przylega do powierzchni złącza kręgu bądź dennicy lub wręcz w tym miejscu jest skręcona. Aby zapobiec takim zjawiskom należy odpowiednio przygotować powierzchnię złącza kręgu, na który będziemy nakładać uszczelkę oraz powierzchnię dolnego zamka elementu, który będziemy na tę uszczelkę posadawiać. Odpowiednie przygotowanie, o którym mowa polega na posmarowaniu odpowiednim środkiem powierzchni górnego zamka, na który będziemy zakładać uszczelkę oraz przy zakładaniu na uszczelkę kolejnego elementu posmarowanie zarówno uszczelki, jak i (!) dolnego zamka elementu. Umożliwi to poślizg podczas pasowania dwóch  elementów i uszczelka będzie na całym obwodzie równomiernie przylegać i stosownie uszczelniać całość konstrukcji.


Smarowanie zamka górnego przy nakładaniu uszczelki oraz zamka dolnego przy pasowaniu kręgów

Siły przenoszone przez kręgi na dennicę będą wtedy równomiernie rozłożone na cały obwód kręgu. Ma to fundamentalne znaczenie dla długotrwałej eksploatacji ponieważ jeśli rozłożymy wspomniane siły na całą powierzchnię betonu zawartego między zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnią ściany studni to okaże się, że krąg Ø 1200 o grubości ściany 120 mm wykonany z betonu klasy C35/45 (dawna B40) jest w stanie przenieść obciążenie rzędu 2 000 ton (40 MPa = 400kg/cm²=4 000t/m² , pow. betonu zawartego między ścianą zewnętrzną i wewnętrzną kręgu = 0,52 m² x 4 000 t= 2 080t).

Jest to ogromna wytrzymałość dająca gwarancję na długowieczne trwanie prefabrykatów poddawanych różnorakim obciążeniom w stanie nienaruszonym przez długie lata.

Same zapisy normy dotyczące wytrzymałości elementów zwieńczających studnie na poziomie 300 kN (30t) stawiają poprzeczkę znacznie ponad możliwe obciążenia, na jakie narażone są studnie podczas normalnej eksploatacji.

Można zatem, biorąc pod uwagę powyżej przedstawione fakty jednoznacznie stwierdzić, że studnie betonowe budowane z elementów o wyżej opisanych właściwościach (uzyskanych w warunkach reżimu technologicznego zakładu prefabrykacji), zmontowane w odpowiedni sposób są obiektami kubaturowymi przystosowanymi do przenoszenia ogromnych obciążeń przy zachowaniu szczelności konstrukcji i jako takie przygotowane są do długotrwałej eksploatacji rzędu 80 – 100 lat.

Sprawdź również

Beton ma przyszłość

Z Tomaszem Bronowskim, dyr. biura Stowarzyszenia Producentów Elementów Betonowych dla Kanalizacji rozmawia Sebastian Kasparek.

17.09.2005