Projekt betonu wodoszczelnego

1. Założenia projektowe i rozpoznanie rodzaju agresji.

2. Przyjęcie podstawowych rozwiązań gwarantujących wodoszczelność i odporność na korozję.

3. Część obliczeniowa.

4. Część technologiczna.

5. Wnioski

1. Założenia projektowe i rozpoznanie rodzaju agresji

Rodzaj konstrukcji – głowica szybu.

Klasa wytrzymałości betonu – C 20/25.

Analiza chemiczna:

1. pH = 6,2

2. twardość węglanowa wody – 8,9 °n

3. zawartość agresywnego CO₂ – brak

4. zawartość jonów magnezowych 309 mg/dm³

5. zawartość jonów NH₄⁺ - brak

6. zawartość jonów siarczanowych – 540 mg/dm³

Z analizy chemicznej środowiska wynika że mamy do czynienia ze środowiskiem agresywnym. Twardość węglanowa wody wynosi 8,9 °n, zatem nie mamy do czynienia z agresją ługującą, gdyż jest to woda twarda. Woda ta nie zawiera agresywnego dwutlenku węgla oraz jonów amonowych. Woda jest lekko kwaśna (pH 6,2) i powoduje słabą agresję kwasową. Niska zawartość jonów magnezowych powoduje słaba agresję magnezową. Występuje również średnia agresja siarczanowa.

Agresywność kwasowa powoduje korozję typu pierwszego, która obejmuje proces rozpuszczania i ługowania niektórych składników betonu. Polega ona na agresywnym działaniu obecnych w wodzie wolnych kwasów na niemal wszystkie składniki zaczynu cementowego.

Agresywność magnezowa powoduje korozję typu drugiego. Obejmuje ona proces reakcji pomiędzy związkami chemicznymi środowiska agresywnego a składnikami betonu, co prowadzi do powstania wtrąceń w strukturze betonu bez własności wiążących i wytrzymałościowych. Następuje wymiana jonów Ca²⁺ na jony Mg²⁺, które tworzą w betonie wodorotlenek magnezu Mg(OH)₂, mający postać żelu, bez własności wytrzymałościowych.

Agresywność siarczanowa powoduje korozję typu trzeciego – obejmującą proces krystalizacji słabo rozpuszczalnych soli w porach i kapilarach betonu, które zwiększając swoją objętość powodują rozkruszanie i destrukcję tworzywa cementowego. W wyniku reakcji obecnych w środowisku ciekłym jonów siarczanowych z wodorotlenkiem wapnia tworzy się gips, który po uwodnieniu wiąże z glinianem trójwapniowym tworząc etryngit. Prowadzi to do krystalizacji w porach i kapilarach betonu nierozpuszczalnych soli o znacznie zwiększonej objętości niż pierwotna objętość składników wyjściowych. Początkowo powstające kryształy uszczelniają i podnoszą wytrzymałość betonu, natomiast po przekroczeniu granicy uszczelnienia powodują powstanie wewnętrznych naprężeń prowadzących do spękania a następnie zniszczenia konstrukcji.

1. Przyjęcie podstawowych rozwiązań gwarantujących wodoszczelność i odporność na korozję

Na podstawie analizy chemicznej środowiska dochodzimy do wniosku że mamy do czynienia ze środowiskiem agresywnym. Z analizy tej wynika że projektowany beton będzie pracował w warunkach słabej agresywności kwasowej i magnezowej oraz średniej agresywności siarczanowej.

W związku z tym zastosujemy cement hutniczy, powszechnie stosowany w górnictwie, wykazuje on odporność na agresje występujące w zbadanym środowisku wodnym, zwłaszcza na agresję siarczanową.

Woda zarobowa pozwala uzyska odpowiednią konsystencję mieszanki oraz umożliwia wiązanie spoiwa. Jest ona składnikiem betonu, i jeżeli zawiera zanieczyszczenia może spowodować, że beton zacznie korodować od wewnątrz. Jako wody zarobowej używamy wodę pitną, ponieważ wodą zarobową może być każda woda zdatna do picia, za wyjątkiem wody mineralnej.

Przyjęte założenia:

1. klasa cementu: 32,5

2. stosowany cement: Cement CEM III/A 32,5 N - LH/HSR/NA (Cementownia Odra S.A.)

3. konsystencja betonu: plastyczna (K-3)

4. gęstość pozorna kruszywa ρ_k = 2,3 kg/dm³

1. Część obliczeniowa

1. Sprawdzenie warunku wytrzymałościowego:

$$\overset{\overline{}}{R} = A_{i} \times \left( \frac{C}{W} \pm a \right)$$

Gdzie:

R – średnia wytrzymałość na ściskanie

A_i – współczynnik zależny od wytrzymałości cementu i rodzaju kruszywa

C/W – wskaźnik cementowo-wodny

a – współczynnik zależny od jakości cementu

Dwie postaci równania:

$\overset{\overline{}}{R} = A_{1} \times \left( \frac{C}{W} - 0,5 \right)$ dla $\frac{C}{W} < 2,5$

$\overset{\overline{}}{R} = A_{2} \times \left( \frac{C}{W} + 0,5 \right)$ dla $\frac{C}{W} \geq 2,5$

Ponadto:

$$\overset{\overline{}}{R} = 1,3 \times R_{b}^{G}$$

Gdzie:

R_b^G – klasa betonu

1, 3 − wskaźnik bezpieczeństwa

Obliczamy średnią wytrzymałość na ściskanie:

$$\overset{\overline{}}{R} = 1,3 \times 25 = 32,5\ MPa$$

Dla cementu o wytrzymałości 35 MPa z użyciem kruszywa naturalnego współczynnik
A_i wynosi:

A₁= 18 dla $\frac{C}{W} < 2,5$

A₂ = 12 dla $\frac{C}{W} \geq 2,5$

Wskaźnik cementowo-wodny dla betonów klasy < C40 jest mniejszy od 2,5.

Przyjmujemy A₁ = 18

Obliczamy wskaźnik cementowo-wodny i sprawdzamy czy zgadza się z przyjętym założeniem ($\frac{C}{W} < 2,5$):

$$\overset{\overline{}}{R} = A_{1} \times \left( \frac{C}{W} - 0,5 \right)$$

$$\frac{C}{W} = \frac{R}{A_{1}} + 0,5$$

$$\frac{C}{W} = \frac{32,5}{18} + 0,5 = 2,31$$

$$\frac{C}{W} = 2,31 < 2,5$$

Założenie jest poprawne.

Ilość cementu w funkcji wody:

C = 2, 31W

1. Ustalenie frakcji kruszywa, obliczenie wodożądności i punktu piaskowego:

Projektowana mieszanka betonowa powinna charakteryzować się wysoką wodoszczelnością. W celu jak najdokładniejszego wypełnienia przestrzeni betonowej zastosujemy kruszywo o zróżnicowanej frakcji, dzięki czemu masa betonowa będzie szczelnie wypełniona a własności wytrzymałościowe projektowanego betonu będą większe. Dla betonów klasy C25 i cementu klasy 32,5 zastosujemy kruszywo naturalne o uziarnieniu do 63 mm.

Analiza granulometryczna kruszywa:

Ø [mm]	Udział masowy mi [kg]	Udział procentowy ai [%]	Udział przesiewu bn [%]	K-2	fwi^%
0		2	–	0,239	0,478
0,125		7	2	0,122	0,854
0,25		7	9	0,084	0,588
0,5		4	16	0,058	0,232
1		5	20	0,043	0,215
2		10	25	0,032	0,320
4		10	35	0,026	0,260
8		13	45	0,02	0,260
16		17	58	0,016	0,272
31,5		25	75	0,013	0,325
63		0	100	–	–
∑		100%	–	–	$\sum_{}^{}f_{w_{i}}^{\%} = 3,804$

Ø – wielkość ziaren

m_i – udział wagowy kruszywa

a_i – udział procentowy poszczególnych frakcji kruszywa

b_n – udział procentowy przesiewu

f_wi^% - iloczyn wskaźnika wodnego i udziału procentowego frakcji kruszywa

Wodożądność kruszywa naturalnego:

$$w_{K} = \frac{\sum_{}^{}f_{w_{i}}^{\%}}{100} \times \frac{\rho_{K}^{n}}{\rho_{K}^{l}}$$

Gdzie:

w_K – wodożądność kruszywa

$\sum_{}^{}f_{w_{i}}^{\%}$ - suma iloczynów wskaźników wodnych i udziałów procentowych poszczególnych frakcji kruszywa

ρ_Kⁿ - gęstość pozorna kruszywa naturalnego otoczakowatego 2,65 kg/dm³

ρ_K^l - gęstość pozorna dowolnego kruszywa

Obliczenie wodożądności kruszywa:

$$w_{K} = \frac{3,804}{100} \times \frac{2,65}{2,3} = 0,04\ \frac{\text{l\ }H_{2}O}{\text{kg}}$$

Punkt piaskowy kruszywa (PP) to ilość piasku w kruszywie.

PP = b_n dla Ø = 2 mm

PP = 25%

1. Warunek konsystencji:

W = C × w_C + K × w_K

Gdzie:

W – ostateczna ilość wody

w_c – wodożądność cementu

C – ilość cementu na 1 m³ mieszanki

w_K – wodożądność kruszywa

K – ilość kruszywa na 1 m³

Wodożądność cementu klasy 32,5 dla konsystencji plastycznej wynosi:

w_C = 0, 27

W = C × w_C + K × w_K

W = 2, 31W × 0, 27 + K × 0, 04

0, 38W = 0, 04K

K = 9, 5W

1. Warunek szczelności:

$$\frac{C}{\rho_{C}} + \frac{K}{\rho_{K}} + W = 1000$$

Gdzie:

K – ilość kruszywa na 1 m³

C – ilość cementu na 1 m³ mieszanki

W – ilość wody na 1 m³ mieszanki

ρ_C - gęstość cementu

ρ_K - gęstość kruszywa

Dla cementów powszechnego użytku $\rho_{C} = 3,1\ \frac{\text{kg}}{\text{dm}^{3}}$

$$\frac{2,31W}{3,1} + \frac{9,5W}{2,3} + W = 1000$$

0, 75W + 4, 13W + W = 1000

5, 88W = 1000

W = 170, 07 l/m³

Na podstawie obliczonej ilości wody możemy wyliczyć ilość pozostałych składników mieszanki betonowej:

C = 2, 31W

C = 392, 86 kg/m³

Dla cementów klasy mniejszej niż C37 zawartość cementu w mieszance betonowej powinna wynosić nie mniej niż 270 kg/ m³ mieszanki betonowej i nie więcej niż
450 kg/m³ mieszanki betonowej. Nasze obliczenia są zatem poprawne.

K = 9, 5W

K = 1615, 65 kg/m³

Ø [mm]	Udział masowy mi [kg]	Udział procentowy ai [%]	Udział przesiewu bn [%]	K-2	fwi^%
0	32,31	2	–	0,239	0,478
0,125	113,10	7	2	0,122	0,854
0,25	113,10	7	9	0,084	0,588
0,5	64,63	4	16	0,058	0,232
1	80,78	5	20	0,043	0,215
2	161,57	10	25	0,032	0,320
4	161,57	10	35	0,026	0,260
8	210,03	13	45	0,02	0,260
16	274,66	17	58	0,016	0,272
31,5	403,91	25	75	0,013	0,325
63	0	0	100	–	–
∑	K = 1615,65	100%	–	–	$\sum_{}^{}f_{w_{i}}^{\%} = 3,804$

WARUNEK SPRAWDZAJĄCY:

$$\frac{C}{\rho_{C}} + \frac{K_{< 2\ mm}}{\rho_{K}} + W = \left\{ \begin{matrix} \left\langle 400 - 450 \right\rangle \\ \left\langle 450 - 550 \right\rangle \\ \left\langle 500 - 550 \right\rangle \\ \end{matrix} \right.\ $$

K_<2 mm = PP × K

Gdzie:

PP – punkt piaskowy

K – ilość kruszywa b_n

K_<2 mm = 0, 25 × 1615, 67 = 403, 91 kg

Przy uziarnieniu kruszywa do 63 mm i wymiarach elementów betonowych większych niż 500 mm zalecana ilość zaprawy na 1 m³ mieszanki betonowej powinna wynosić
400-450 dm³:

$$\frac{392,86}{3,1} + \frac{403,91}{2,3} + 170,07 = \left\langle 400 - 450 \right\rangle$$

472, 41 ≠ ⟨400−450⟩

Ilość zaprawy z obliczeń nie mieści się w przedziale zalecanej ilości zaprawy na 1 m³ mieszanki betonowej, jednak zawiera się w dopuszczalnym błędzie ± 5% zatem w projektowanej przez nas mieszance betonowej ilość zaprawy i cementu jest prawidłowa a nasze założenia i obliczenia – poprawne.

Część technologiczna

Szyb górniczy jest to najczęściej pionowe wyrobisko górnicze, który pełni przede wszystkim funkcje komunikacyjne i wentylacyjne. Jedną z jego części jest głowica.

Głowica szybu stanowi pierwszy odcinek szybu – od zrębu szybu aż do pierwszego poszerzonego pierścienia, czasami nazywana jest gardzielą szybu. Może mieć długość od kilku do kilkunastu metrów. Głowica szybu jest fundamentem wieży szybowej. W głowicy znajdują się doprowadzenia (kanały) służące do wprowadzenia kabli i rurociągów do szybu. Wmontowane są tam również wyloty z przedziału drabinowego.

Wykonanie konstrukcji składa się z 6 głównych etapów:

1. dostarczenie na miejsce materiałów potrzebnych do sporządzenia betonu

2. przyrządzenie mieszanki betonowej

3. ustawienie szalunku

4. betonowanie konstrukcji

5. pielęgnacja gotowego betonu

6. usunięcie szalunku

Podstawowe składniki betonu to: kruszywo, cement i woda zarobowa. Jakość i wytrzymałość betonu zależą od właściwości każdego ze składników, dlatego istotna jest zarówno ich jakość jak i odpowiednie wykonanie samej mieszanki.

Przygotowujemy szyb do wykonania osłony oraz samej konstrukcji. Następnie dostarczamy materiały do wykonania betonu. Mieszaninę wykonujemy na powierzchni, na miejscu wykonania konstrukcji lub w niewielkiej odległości od niego. Mieszamy cement, kruszywo oraz 70% wody zarobowej, następnie mieszamy 2 minuty. Dodajemy popioły lotne i mieszamy kolejną minutę. Następnie dodajemy pozostałą ilość wody i mieszamy przez minutę. Po ustawieniu szalunku od razu wykonujemy konstrukcję.

Po wykonaniu pracy należy beton odpowiednio pielęgnować: osłaniamy go od wody pochodzącej ze środowiska zewnętrznego za pomocą folii oraz przez dwa tygodnie zraszamy wodą. Następnie, po stwardnieniu betonu, usuwamy szalunek.

SCHEMAT BLOKOWY

Poniższy schemat przedstawia sposób przyrządzenia betonu.

1. Wnioski

Beton, z którego wykonana jest głowica szybu musi być wytrzymały i odporny na agresywność środowiska. Stanowi fundament wieży szybowej, narażony jest więc zarówno na agresję wód kopalnianych jak i zagrożenia z powierzchni, musi również wytrzymać nacisk wieży szybowej. Aby jak najdłużej mógł spełniać swoją rolę, powinien być odpowiednio konserwowany. Powinien on być chroniony przed ciągłym kontaktem z woda, która może zawierać niszczące związki chemiczne. Dużym zagrożeniem jest także dwutlenek węgla, który powoduje korozję stali zbrojenia elementu betonowego. Dla ochrony, głowica szybu powinna być pokryta substancjami, które zmniejszają ilość wchłanianej wody przez beton, lub też zapewniającymi mniejszą chłonność gazów atmosferycznych.

Przy projektowaniu jakichkolwiek konstrukcji należy zbadać najpierw środowisko i warunki pracy tej konstrukcji. Wszystko to należy uwzględnić w obliczeniach, tak aby konstrukcja i materiały z której były wykonane nie tylko opierały się agresji środowiska, ale mogły spełniać swoją funkcję przez wiele lat. Projektowanie jest zatem funkcją odpowiedzialną, wymaga wielu przygotowań i złożonych obliczeń.