Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych

Cezary Madryas Andrzej Kolonko Leszek Wysocki

KONSTRUKCJE PRZEWODÓW KANALIZACYJNYCH

Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroc³awskiej Wroc³aw 2002

Wydanie publikacji dofinansowa³ Komitet Badañ Naukowych Recenzenci

Józef DZIOPAK Andrzej KULICZKOWSKI

Opracowanie redakcyjne

Aleksandra WAWRZYNKOWSKA

Projekt ok³adki

Zofia i Dariusz GODLEWSCY

© Copyright by Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroc³awskiej, Wroc³aw 2002

OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WROC£AWSKIEJ Wybrze¿e Wyspiañskiego 27, 50-370 Wroc³aw

ISBN 83-7085-642-X

Druk: Wroc³awska Drukarnia Naukowa PAN im St. Kulczyñskiego, Spó³ka z o.o.

Spis treœci Przedmowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. HISTORIA ROZWOJU KANALIZACJI (A. Kolonko, C. Madryas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2. Okres od powstania pierwszych cywilizacji do pocz¹tków naszej ery . . . . . . . . . . . . . 1.1.3. Akwedukty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4. Okres od pocz¹tków naszej ery do koñca XIX wieku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Rozwój kanalizacji miast polskich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2. Historia kanalizacji Warszawy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.1. Okres przed rokiem 1878 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.2. Okres po 1878 roku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3. Historia kanalizacji Wroc³awia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.1. Okres przed rokiem 1945 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3.2. Okres po 1945 roku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4. Historia kanalizacji Krakowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. ROZWI¥ZANIA MATERIA£OWE PRZEWODÓW KANALIZACYJNYCH (A. Kolonko, C. Madryas, L. Wysocki) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1. Przewody kamionkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1. Etapy rozwojowe przewodów kamionkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2. Surowce do produkcji rur kamionkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3. Technologia produkcji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4. W³aœciwoœci rur kamionkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4.1. Odpornoœæ chemiczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4.2. Parametry wytrzyma³oœciowe kamionki i rur kamionkowych . . . . . . . . . . . . 2.1.5. Z³¹cza rur kamionkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5.1. Z³¹cza rur kamionkowych uk³adanych w wykopach otwartych . . . . . . . . . . 2.1.5.2. Z³¹cza rur kamionkowych uk³adanych metodami bezwykopowymi . . . . . . . 2.1.6. Badania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6.2. Wyznaczanie jednostkowej si³y niszcz¹cej FN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6.3. Wyznaczanie wytrzyma³oœci na rozci¹ganie przy zginaniu σbz . . . . . . . . . . . 2.1.6.4. Wyznaczanie momentu niszcz¹cego przy zginaniu w kierunku pod³u¿nym (RMF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6.5. Badanie wodoszczelnoœci rur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.7. Typoszeregi rur kamionkowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.8. Oznaczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Kolektory murowane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 11 11 11 11 20 22 26 26 27 27 27 31 31 33 35 38 38 38 38 39 41 41 41 42 42 45 46 46 47 48 49 50 50 50 53

4 2.2.1. Materia³y konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Wykonawstwo kolektorów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Kszta³ty przekrojów poprzecznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Przewody ¿eliwne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. ¯eliwo szare i sferoidalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Parametry wytrzyma³oœciowe ¿eliwa sferoidalnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4. Technologia produkcji metod¹ odlewania w formach piaskowych . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5. Technologia produkcji metod¹ odlewania odœrodkowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6. Obróbka koñcowa odlanych rur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7. Pow³oki ochronne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7.2. Zewnêtrzne pow³oki ochronne rur ¿eliwnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7.3. Wewnêtrzne pow³oki ochronne rur ¿eliwnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7.4. W³aœciwoœci wewnêtrznej wyk³adziny z zaprawy cementowej . . . . . . . . . . . 2.3.8. Z³¹cza rur ¿eliwnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.9. Zakres zastosowañ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.10. Badania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.10.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.10.2. Badanie wytrzyma³oœci ¿eliwa na rozci¹ganie Rm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.10.3. Badanie wytrzyma³oœci przy zginaniu rury w kierunku pod³u¿nym . . . . . . . 2.3.10.4. Badanie sztywnoœci pierœcieniowej S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.10.5. Badanie szczelnoœci po³¹czeñ rur w przypadku nadciœnienia . . . . . . . . . . . . 2.3.11.Oznaczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Przewody betonowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Przewody monolityczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1.1. Wymagania materia³owe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1.2. Rozwi¹zania konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Kolektory prefabrykowane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2.1. Wymagania materia³owe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2.2. Wymagania konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2.3. Produkcja rur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3.4. Asortyment wyrobów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5. Przewody stalowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2. Technologia produkcji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3. Zabezpieczenia antykorozyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4. Po³¹czenia rur stalowych z wyk³adzin¹ z zaprawy cementowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5. Asortyment produkcji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.6. Oznaczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6. Przewody z polimerobetonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2. W³aœciwoœci polimerobetonu i wyprodukowanych z niego rur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.3. Technologia produkcji rur z polimerobetonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.4. Typoszeregi rur z polimerobetonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.5. Po³¹czenia rur polimerobetonowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53 55 61 63 63 64 66 67 68 70 70 70 71 72 72 75 78 79 79 80 81 82 83 83 83 83 83 88 88 88 94 95 96 100 100 101 105 108 112 112 113 113 114 115 117 117

5 2.6.6. Badania rur z polimerobetonu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.6.1. Badania materia³owe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.6.2. Badanie wodoszczelnoœci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.6.3. Badanie wytrzyma³oœci rur na obci¹¿enie zewnêtrzne . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.7. Oznaczenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. Przewody z tworzyw sztucznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1. Wiadomoœci wstêpne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2. Przewody podatne z tworzyw termoplastycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.2. Przewody z polietylenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.2.1. W³aœciwoœci polietylenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.2.2. Produkcja i asortyment rur polietylenowych . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.2.3. £¹czenie elementów polietylenowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.3. Przewody z polichlorku winylu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.3.1. Produkcja rur z polichlorku winylu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.3.2. W³aœciwoœci rur z polichlorku winylu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.3.3. Po³¹czenia rur i elementów z PCW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.3.4. Asortyment wyrobów z PCW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.4. Przewody z polipropylenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.4.1. Produkcja i w³aœciwoœci rur z polipropylenu . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.4.2. Po³¹czenia rur i elementów z PP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2.4.3. Asortyment wyrobów z PP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3. Przewody z duroplastów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3.1. Wiadomoœci wstêpne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3.2. Produkcja rur GRP w procesie odlewania odœrodkowego . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3.3. Produkcja rur GRP w procesie nawojowym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3.4. W³aœciwoœci i badania rur GRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3.5. Po³¹czenia rur i elementów z GRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3.6. Asortyment wyrobów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.4. Badania polimerów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. OBLICZENIA STATYCZNO-WYTRZYMA£OŒCIOWE PRZEWODÓW (A. Kolonko,C. Madryas, L. Wysocki) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Przewody u³o¿one w wykopach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Pocz¹tki rozwoju teorii obliczeniowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2.1. Pocz¹tki rozwoju teorii dotycz¹cych rur sztywnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2.2. Pocz¹tku rozwoju teorii dotycz¹cej rur podatnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Badania doœwiadczalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4. Wspó³czesne metody obliczeniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4.2. Za³o¿enia do metod obliczeniowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4.2.1. Rury sztywne i podatne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4.2.2. Wspó³praca uk³adu ruroci¹g–oœrodek gruntowy . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4.2.3. Sztywnoœæ obwodowa rury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4.2.4. Reologiczne w³aœciwoœci uk³adu ruroci¹g–oœrodek gruntowy . . . 3.1.4.2.5. Kryteria wymiarowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

120 120 120 121 121 122 122 129 129 131 131 136 138 140 140 143 145 146 147 147 149 150 151 151 152 155 156 161 163 164 165 165 165 166 166 168 169 170 170 171 171 171 172 172 175

6 3.1.5. Metoda skandynawska wymiarowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5.1. Omówienie metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.5.2. Przyk³ad obliczeniowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.6. Metoda wymiarowania wed³ug wytycznych ATV-DVWK-A127 . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.6.1. Omówienie metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.6.2. Przyk³ad obliczeniowy dla rury podatnej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.6.3. Za³o¿enia obliczeniowe dla rury sztywnej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Przewody u³o¿one technikami bezwykopowymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Za³o¿enia teoretyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Przyk³ad obliczeniowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Przewody ciœnieniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Dobór gruboœci œcianki rury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2.1. Ruroci¹gi u³o¿one poza oœrodkiem gruntowym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2.2. Ruroci¹gi ciœnieniowe u³o¿one w gruncie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. Uderzenie hydrauliczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4. Bloki oporowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4.1. Zabezpieczanie ³uków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4.2. Zabezpieczanie kszta³tek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4.3. Zabezpieczenie zwê¿ek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.5. Zagadnienie rozszerzalnoœci termicznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. WYKONAWSTWO PRZEWODÓW KANALIZACYJNYCH (C. Madryas, L. Wysocki) . . . . . . 4.1. Wykonawstwo przewodów metod¹ wykopow¹ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1. Roboty ziemne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.1. Podzia³ gruntów na kategorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.2. Prace wstêpne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.3. Dobór sposobu odwodnienia wykopów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.4. Realizacja wykopów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.5. Sposoby zabezpieczania œcian wykopów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.6. Odkrycia wykopaliskowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2. Uk³adanie przewodów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.1. Uk³adanie przewodów posadowionych powy¿ej zwierciad³a wody gruntowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.2. Uk³adanie przewodów posadowionych poni¿ej zwierciad³a wody gruntowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.3. Uk³adanie ruroci¹gów na s³abych gruntach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.3. Wykonywanie prac w okresie obni¿onych temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4. Usuwanie obudowy wykopu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5. Próba szczelnoœci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Bezwykopowe techniki uk³adania przewodów kanalizacyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Historia rozwoju i podzia³ technik bezwykopowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Porównanie technik bezwykopowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3. Przeciski hydrauliczne (Pipe Jacking) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.1. Historia technologii i zakres jej stosowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.2. Opis technologii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.3. Urz¹dzenia do przeciskania i ich dobór . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

176 176 182 183 183 188 208 208 208 217 219 219 221 221 224 225 228 228 229 230 231 234 234 234 234 234 236 236 238 241 241 243 246 246 246 247 247 248 248 252 254 254 255 262

7 4.2.3.4. Przyk³ad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4. Mikrotunelowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4.1. Historia technologii i zakres jej stosowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4.2. Opis technologii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4.3. Dobór g³owicy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4.4. Materia³owe rozwi¹zania rur stosowanych w mikrotunelowaniu . . . . . . . . . 4.2.4.5. Wymagania dotycz¹ce placu budowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4.6. Przyk³ady zastosowañ mikrotunelowania do budowy sieci kanalizacyjnej . . . 4.2.5. Przewierty sterowane (Horizontal Directional Drilling – HDD) . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5.1. Za³o¿enia techniki i zakres jej stosowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5.2. Badania geologiczne i rozpoznanie terenu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5.3. Projektowanie przewiertu i placu budowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5.4. Wykonywanie otworu pilotowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5.5. Poszerzanie otworu pilotowego i monta¿ rury technologicznej . . . . . . . . . . 4.2.5.6. Wybrane przyk³ady zastosowañ sterowanych metod budowy ruroci¹gów do budowy kanalizacji w Polsce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6. Wiercenia kierunkowe (Directional Drilling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6.1. Opis technologii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6.2. Przyk³ady zastosowañ metody do budowy przewodów kanalizacyjnych w Polsce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7. Ekonomiczne aspekty stosowania metod bezwykopowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7.2. Ró¿nicowe kryterium kosztów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7.3. Oceny wielostopniowe (procedury eksperckie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7.3.1. Metody oceniania technicznych cech przedsiêwziêcia . . . . . . . . . 4.2.7.3.2. Metody oceniania finansowych i spo³ecznych kosztów przedsiêwziêcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.8. Kolizje z innymi obiektami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. BADANIA PRZEWODÓW KANALIZACYJNYCH (C. Madryas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Badania dla celów aprobacyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Za³o¿enia ogólne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Badania chemiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Badania makroskopowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4. Badania sztywnoœci obwodowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5. Okreœlanie si³y niszcz¹cej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.6. Wyznaczenie stopnia udarnoœci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.7. Szczelnoœæ po³¹czenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.8. Wytrzyma³oœæ po³¹czeñ na rozerwanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.9. Badania elementów komory roboczej i trzonu studzienki (krêgów) . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Badania eksploatacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Za³o¿enia ogólne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2. Charakterystyka wybranych metod kontroli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.1. Kontrola wnêtrza przewodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.2. Badanie szczelnoœci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.3. Metody pomiaru rys, przemieszczeñ oraz geometrii przekroju i niwelety . . .

265 266 266 267 269 271 271 273 275 275 275 277 279 280 281 283 283 285 286 286 287 288 288 291 294 296 296 296 296 297 298 299 302 302 303 304 305 306 306 307 307 310 313

8 5.3.2.4. Badania struktury i gruboœci œcian przewodów metodami nieniszcz¹cymi . . . 5.3.2.5. Badania warunków gruntowych w otoczeniu kana³u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.6. Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1. Kolektory ¿elbetowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1.2. Opis obiektów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1.3. Opis badañ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1.4. Wyniki badañ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2. Kolektory ceglane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2.2. Przyk³ady badanych kolektorów ceglanych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2.2.1. Kolektor w ul. Nowy Œwiat i Ruskiej we Wroc³awiu . . . . . . . . . . 5.4.2.2.2. Inne kolektory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3. Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. STUDZIENKI KANALIZACYJNE (A. Kolonko, L. Wysocki) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. Wymagania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3. Rozwi¹zania materia³owe studzienek kanalizacyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4. Po³¹czenia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1. Po³¹czenia elementów studzienek kanalizacyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2. Po³¹czenia studzienek z przewodami kanalizacyjnymi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5. Badania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6. Inne obiekty na sieci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. ZAGRO¯ENIA KOROZYJNE W KANA£ACH ŒCIEKOWYCH (A. Kolonko, L. Wysocki) . . . 7.1. Przewody betonowe i murowane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1. Rodzaje zagro¿eñ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2. Podstawowe wymagania w zakresie ochrony przed korozj¹ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3. Sposoby ochrony przed korozj¹ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Przewody stalowe i ¿eliwne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1. Rodzaje zagro¿eñ korozyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2. Podstawowe wymagania w zakresie ochrony przed korozj¹ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3. Charakterystyka œrodowisk, czynników i procesów korozyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4. Sposoby ochrony ruroci¹gów przed korozj¹ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LITERATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

316 320 321 322 322 322 322 324 326 330 330 330 330 333 335 337 337 339 343 346 346 348 349 350 351 351 351 352 354 357 357 359 360 363 367

9

Przedmowa Przewody kanalizacyjne stanowi¹ jeden z najwa¿niejszych i najkosztowniejszych elementów podziemnej infrastruktury technicznej miast. Wymagaj¹ one tak¿e znacznych nak³adów na eksploatacjê. Niezmiernie wa¿ne jest zatem preferowanie takich rozwi¹zañ projektowych, materia³owych i wykonawczych, które pozwalaj¹ na osi¹ganie jak najlepszej jakoœci budowli przy jak najmniejszych kosztach ³¹cznych, tzn. inwestycyjnych i eksploatacyjnych liczonych w odniesieniu do ca³ego okresu u¿ytkowania. Przez jakoœæ budowli nale¿y rozumieæ tu zdolnoœæ przewodów do realizacji ich funkcji na wymaganym poziomie niezawodnoœci w za³o¿onym, zazwyczaj bardzo d³ugim, okresie eksploatacji. Zwi¹zane z tym wymagania dotycz¹ przede wszystkim d³ugotrwa³ej odpornoœci materia³ów na zniszczenia powodowane obci¹¿eniami mechanicznymi, chemicznymi i biologicznymi. O sukcesie przedsiêwziêcia decyduj¹ wiêc przede wszystkim przyjête rozwi¹zania konstrukcyjno-materia³owe projektowanych przewodów oraz sposób ich wybudowania. Szczególnego znaczenia nabiera tu problem kompleksowej analizy statyczno-wytrzyma³oœciowej, gdy¿ obci¹¿enia taborem komunikacyjnym, gruntem, nierównomierne osiadania i wahania poziomu wody gruntowej tworz¹ niejednokrotnie z³o¿one uk³ady obci¹¿eñ mechanicznych, których rozwi¹zania wymagaj¹ g³êbokiego rozumienia tematu. Zasadniczy wp³yw na obci¹¿enia mechaniczne maj¹ tak¿e technika instalowania rur oraz ich sztywnoœæ zale¿na od rodzaju konstrukcji. Ci¹g³a zmiana sk³adu chemicznego wód gruntowych i œcieków powoduje z kolei, ¿e dobór materia³u rur, maj¹cy podstawowy wp³yw na odpornoœæ przewodów, na obci¹¿enia chemiczne i biologiczne, staje siê znacz¹cym problemem. W monografii przedstawiono historiê rozwoju kanalizacji miast, tradycyjne i najnowsze rozwi¹zania materia³owe przewodów, zasady obliczeñ statyczno-wytrzyma³oœciowych ich konstrukcji oraz wykopowe i bezwykopowe techniki wykonawstwa. Analizê problemów statyczno-wytrzyma³oœciowych wzbogacono o przyk³ady obliczeniowe, co – wobec braku krajowych normatywów dotycz¹cych projektowania konstrukcji ruroci¹gów podziemnych – mo¿e okazaæ siê bardzo przydatne. Wiele miejsca poœwiêcono tak¿e problemowi ochrony przewodów przed korozj¹ chemiczn¹ i biologiczn¹. Przedstawiono ponadto wybrane techniki aprobacyjnych i eksploatacyjnych badañ przewodów, ilustruj¹c je przyk³adami w³asnych doœwiadczeñ w tym zakresie. Jeden z rozdzia³ów poœwiêcono rozwi¹zaniom studni rewizyjnych jako budowli integralnie zwi¹zanych z przewodami kanalizacyjnymi.

10

Przedmowa

Ksi¹¿kê napisano na podstawie obszernych studiów literaturowych i wieloletnich, w³asnych doœwiadczeñ jej autorów, jakie wynikaj¹ z badañ przewodów kanalizacyjnych wykonanych w Zak³adzie In¿ynierii Miejskiej Instytutu In¿ynierii L¹dowej Politechniki Wroc³awskiej. Jako koncepcjodawca uk³adu i treœci monografii stara³em siê je tak dobraæ, aby – nawi¹zuj¹c do historii rozwoju kanalizacji w miastach – przedstawia³y najnowsze rozwi¹zania materia³owe, konstrukcyjne i wykonawcze przewodów oraz zwi¹zane z tym obszary analiz teoretycznych i badañ. Ksi¹¿ka jest wynikiem pracy kierowanego przeze mnie zespo³u. Nazwiska autorów poszczególnych rozdzia³ów wymieniono w spisie treœci. Opracowanie jest adresowane przede wszystkim do pracowników stosownych instytutów badawczych, ekspertów, projektantów, wykonawców, eksploatatorów sieci, producentów oraz dystrybutorów rur i studni, a tak¿e studentów wybranych wydzia³ów wy¿szych uczelni technicznych. Przekazuj¹c Czytelnikom z wymienionych œrodowisk niniejsz¹ ksi¹¿kê, wyra¿am g³êbok¹ nadziejê, ¿e wychodzi ona naprzeciw ich aktualnym potrzebom i zainteresowaniom. Cezary Madryas

1. Historia rozwoju kanalizacji 1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej 1.1.1. Wprowadzenie D¹¿enie do poprawy warunków ¿ycia charakteryzuje kolejne etapy rozwojowe ka¿dej cywilizacji. Przejawem tego jest m.in. budowa przewodów doprowadzaj¹cych wodê pitn¹ oraz przewodów odprowadzaj¹cych œcieki, podjêta ju¿ w staro¿ytnych miastach. Pierwsze przewody funkcjonowa³y jako kana³y o przep³ywie grawitacyjnym. W historycznym ujêciu rozwoju techniki kana³y budowano w celu doprowadzania wody pitnej do miast z wy¿ej po³o¿onych obszarów, najczêœciej z terenów podgórskich. Inne kana³y budowano z myœl¹ o odprowadzaniu œcieków bytowo-gospodarczych do ni¿ej po³o¿onych odbiorników, którymi najczêœciej by³y rzeki. Sieci wodoci¹gowe w dzisiejszym rozumieniu to uk³ady przewodów ciœnieniowych, które zaczê³y powstawaæ dopiero po wprowadzeniu ciœnieniowego przesy³u wody dziêki zastosowaniu wie¿ ciœnieñ lub odpowiednio wydajnych pomp. Londyñskie wodoci¹gi uwa¿ane s¹ za pierwsze w Europie od czasów upadku Imperium Rzymskiego w roku 97 n.e. Powsta³y one dopiero w roku 1582, gdy pochodz¹cy z Niemiec mechanik Peter Maurice zbudowa³ na Tamizie pod mostem London Bridge stacjê pomp napêdzan¹ du¿ym ko³em wodnym. Stacja ta pompowa³a wodê z rzeki do miejskiej sieci wodoci¹gowej. W rozdziale tym przedstawiono etapy rozwoju sieci kanalizacyjnych od staro¿ytnoœci do koñca XIX w., opracowane na podstawie wydanych publikacji [210, 156, 113, 72, 85, 81]. Omówiono ciekawsze rozwi¹zania konstrukcyjne, ilustruj¹c je rysunkami.

1.1.2. Okres od powstania pierwszych cywilizacji do pocz¹tków naszej ery Na najstarsze œlady staro¿ytnych kana³ów natrafiono podczas badañ prowadzonych przez archeologów niemieckich w latach 1969–1975 na terenie dzisiejszej pó³nocnej Syrii. Podczas wykopalisk odkryto osadê nad brzegiem Eufratu w pobli¿u miejscowoœci Habuba Kabira, gdzie w okresie od 3500 do 3000 roku p.n.e. istnia³a wysoko rozwiniêta cywilizacja. Znaleziono tam m.in. œlady kana³ów o przekrojach prostok¹tnych i ko³owych (z rur ceramicznych) doprowadzaj¹cych wodê pitn¹ i odprowadzaj¹cych œcieki bytowe. Prostok¹tne przekroje poprzeczne mia³y kana³y otwarte. Kana³y zag³êbione w gruncie budowane by³y z krótkich rur o zmiennym przekroju pod³u¿nym, w którym mo¿na by³o wyró¿niæ koniec bosy i kielich. Szczegó³y techniczne tego rozwi¹zania przedstawiono na rys. 1.1.1 [85].

12

1. Historia rozwoju kanalizacji

Rys. 1.1.1. Najstarsze elementy kana³ów kamionkowych znalezione na terenie dzisiejszej Syrii (3500–3000 r. p.n.e.)

W Egipcie przywi¹zywano du¿¹ wagê do czystoœci nie tylko w ci¹gu ¿ycia, ale tak¿e po œmierci. Przyk³adem mo¿e byæ grobowiec w pobli¿u miejscowoœci Saqquara u ujœcia Nilu z ok. 2700 roku p.n.e., w którym znajduje siê komora przeznaczona na toaletê dla zmar³ych. Bardzo interesuj¹cy system odprowadzania œcieków i wód opadowych rurami z blachy miedzianej odkryto w pobli¿u œwi¹tyni króla Sahure (2455–2443 p.n.e.). Schemat posadowienia takiego kana³u przedstawiono na rys. 1.1.2 [85], a jego widok w obecnym stanie na rys. 1.1.3 [85]. Wzmianki o wyposa¿eniu egipskich domów w toalety mo¿na te¿ znaleŸæ w zapiskach Herodota (484–425 p.n.e.). Oko³o roku 2510 p.n.e. w rozwiniêtych kulturach Œrodkowego i Dalekiego Wschodu, a wiêc w miastach Mezopotamii i cywilizacji nad Indusem (obszar dzisiejszego Pakistanu) zak³adane by³y systemy kana³ów do odprowadzania œcieków do miejskich do³ów kloacznych. W Mezopotamii wesz³y do u¿ycia toalety, z których wyp³ukiwano

Rys. 1.1.2. Schemat posadowienia kana³u z rur miedzianych w staro¿ytnym Egipcie oko³o 2700 roku p.n.e.: a – rynna wy¿³obiona w kamieniu, b – miedziana rura os³oniêta zapraw¹ gipsow¹, c – kamienna p³yta przykrywaj¹ca

1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej

13

Rys. 1.1.3. Obecny widok kana³u z rur miedzianych w staro¿ytnym Egipcie z oko³o roku 2700 p.n.e.

fekalia bezpoœrednio do kana³ów œciekowych. Kana³y œciekowe w miastach sumeryjskich mia³y rozga³êzienia. Boczne kana³y odbiera³y œcieki z poszczególnych domów. Kana³y te by³y budowane z rur glinianych b¹dŸ murowane z wypalanych cegie³ i przykryte prostok¹tnymi p³ytami ceramicznymi (rys. 1.1.4) [85]. By³y one uk³adane z du¿ym spadkiem pod³u¿nym, co powodowa³o szybkie odprowadzanie œcieków do kana³ów g³ównych. Z samych budynków do kana³ów bocznych prowadzi³y pionowe rury odp³ywowe stanowi¹ce instalacje wewnêtrzne. Rury te by³y u góry przykryte du¿ymi p³ytami, w œrodku których znajdowa³ siê okr¹g³y otwór wlotowy. Kana³y g³ówne by³y czêsto murowane i mia³y sklepienie kolebkowe (technika sklepienia kolebkowego po raz pierwszy zosta³a wykorzystana w roku 2605 p.n.e. w Egipcie przy budowie mastaby faraona Djosera i niezale¿nie w grobowcach nekropolii staro¿ytnego miasta Ur). G³ówne kana³y przebiega³y pod brukowanymi ulicami i odprowadza³y œcieki bezpoœrednio do du¿ych rzek lub do centralnych do³ów podsadzkowych b¹dŸ odstojnikowych. Oko³o roku 2447 p.n.e. sumeryjskie miasto-pañstwo Ur po³o¿one na terenie dzisiejszego po³udniowego Iraku (na po³udnie od Eufratu) zosta³o wyposa¿one w pe³ny system kanalizacyjny. Wykopaliska archeologiczne w Babilonie i Ninivie (staro¿ytne miasto na terenie dzisiejszego Iraku) daj¹ œwiadectwo, ¿e na tamtych terenach ju¿ w trzecim

14

1. Historia rozwoju kanalizacji

Rys. 1.1.4. Schemat murowanego kana³u przykrytego p³ytami ceramicznymi z oko³o roku 2510 p.n.e.

tysi¹cleciu przed nasz¹ er¹ nie tylko budowano kanalizacjê komunaln¹, ale tak¿e wyposa¿ano niektóre budowle w sp³ukiwane toalety i umywalnie. Œwiadczy o tym pa³ac królewski Tell Asmar z ok. 2350 roku p.n.e. po³o¿ony na terenie Mezopotamii, w którym odkryto szeœæ toalet i murowany kana³ sklepiony odprowadzaj¹cy œcieki. Przyk³adowe rozwi¹zania systemów odprowadzania œcieków do gruntu poprzez stosowane w tamtym okresie studnie ch³onne przedstawiono wraz ze szczegó³em konstrukcji kana³u z rur ceramicznych na rys. 1.1.5 [85]. Oko³o roku 2000 p.n.e. rozwija³a siê pe³na przepychu cywilizacja kreteñska. Pa³ace (m.in. w Knossos na Krecie) by³y wyposa¿one w wodoci¹gi i kanalizacjê oraz inne instalacje, jak np. ogrzewanie pomieszczeñ ciep³ym powietrzem. Oko³o roku 1810 p.n.e. w pa³acu w Mari (Mezopotamia) powsta³ podziemny system kanalizacyjny zbudowany z glinianych rur, po³¹czony z miejsk¹ sieci¹ kanalizacyjn¹. W Egipcie ju¿ oko³o roku 1580 p.n.e. stosowano kanalizacjê z regulacj¹ iloœci przep³ywu wody. W tym czasie zakoñczono tak¿e budowê kolejnego monumentalnego pa³acu w Knossos. Do osobliwoœci architektonicznych zalicza siê przede wszystkim kanalizacjê oraz luksusowo urz¹dzone pokoje k¹pielowe. Zaopatrzenie w wodê odbywa³o siê ze studni,

1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej

15

Rys. 1.1.5. Schematy odprowadzania œcieków do studni ch³onnych z oko³o 2350 roku p.n.e.

ze zbiorników na wody opadowe (na potrzeby sanitarne) oraz z dalszych Ÿróde³ systemem rur z wypalanej gliny. Zasady higieny u Izraelitów zosta³y œciœle opisane w Starym Testamencie, a nastêpnie w Talmudzie. W Jerozolimie za czasów panowania króla Dawida (oko³o roku 1000 p.n.e.) budowano toalety oraz kana³y. Znany jest z tamtego okresu przykryty kolektor kanalizacyjny o przekroju prostok¹tnym i wymiarach 2,0×0,6 m oraz d³ugoœci ponad 600 m. Na prze³omie IX i VIII w. p.n.e. w Transkaukazji [113] zosta³ zbudowany kana³ d³ugoœci oko³o 70 km doprowadzaj¹cy wodê pitn¹. Jego konstrukcja by³a mieszana: przebiega³ on poszczególnymi odcinkami w ska³ach jako kana³ otwarty powierzchniowy lub zag³êbiony, a tak¿e jako kana³ w wykopie oraz jako kana³ drewniany. Z inskrypcji znajduj¹cych siê na ca³ej d³ugoœci kana³u wynika, ¿e zosta³ on wybudowany na rozkaz króla Menuasa oko³o roku 800 p.n.e. Kana³ ten jest czynny do dziœ i zaopatruje miasto Van w wodê do nawadniania upraw rolnych i ogrodowych. W staro¿ytnej Smyrnie (dzisiejszy Izmir) znajduj¹ siê œlady przewodu do transportu wody pitnej, wbudowanego odcinkami w mur obronny oko³o VIII–VII w. p.n.e. Konstrukcja kana³u by³a wykonana z odpowiednio u³o¿onych kamieni. Podobny kana³ o wysokoœci 1,20 m i szerokoœci 0,60 m znajduje siê w Efezie. W czasach staro¿ytnych w krajach arabskich przewody do transportu wody budowano najczêœciej z rur ceramicznych. Ich œrednica dochodzi³a nawet do 1000 mm w œwietle. Du¿¹ wagê do higieny zaczêto przyk³adaæ w staro¿ytnej Grecji w wyniku kontaktów z wy¿ej rozwiniêtymi miastami Bliskiego Wschodu i Egiptu, zw³aszcza w okresie od 750 do 650 roku p.n.e. W Atenach systemy doprowadzania wody pitnej (czêœciowo ciœnieniowe) i odprowadzania œcieków zaczê³y powstawaæ oko³o VI w. p.n.e., zastêpuj¹c dotychczasowe do³y kloaczne. W nastêpnym stuleciu powsta³ na terenie ateñskiej

16

1. Historia rozwoju kanalizacji a)

b)

Rys. 1.1.6. Widok ogólny (a) i przekrój poprzeczny (b) Wielkiego Kana³u w Atenach z VII w. p.n.e.

Agory tzw. Wielki Kana³ o przekroju prostok¹tnym. Jego konstrukcjê przedstawiono na rys. 1.1.6a oraz 1.1.6b [85]. W rzeczywistoœci nie by³ on a¿ tak wielki, mia³ oko³o 1,0 m wysokoœci i by³ zbudowany z ciosów kamiennych. Przykrycie stanowi³y p³yty kamienne. W trakcie eksploatacji do³¹czano do niego inne, mniejsze kana³y. Podobnie jak w Persji i Syrii, tak¿e w miastach staro¿ytnej Grecji wodê pitn¹ dostarczano przewodami wyposa¿onymi w studzienki wentylacyjne. Przyk³adowo kana³ dostarczaj¹cy wodê z pobliskich terenów podgórskich do Aten by³ wyposa¿ony w 110 studzienek wentylacyjnych o œrednicach od 1,20 do 1,50 m, zbudowanych w rozstawie 40–50 m. W staro¿ytnych Atenach znajdowa³o siê 18 ró¿nych przewodów przeznaczonych zarówno do doprowadzania wody pitnej, jak i do odprowadzania œcieków bytowo-gospodarczych. Jeden z nich doprowadza³ wodê z rzeki Ilissos. Ujêcie stanowi³a zbudowana pod dnem rzeki studzienka o przekroju kwadratowym (1,30×1,30 m), która

1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej

17

³¹czy³a siê z kana³em posadowionym od 2,0 do 2,5 m pod skalistym korytem rzeki. Kana³ by³ wyposa¿ony w studzienki wentylacyjne o rozstawie od 57 do 65 m. Studzienki te spotyka siê po obu brzegach rzeki, co œwiadczy o tym, ¿e kana³ przecina³ jej bieg. Na terenie nizinnym kana³ by³ zbudowany jako otwarty. W XIX w. woda pitna by³a dostarczana do Aten starym przewodem, który w roku 1877 zosta³ gruntownie oczyszczony a¿ do ujêcia. Szerokoœæ kana³u o zag³êbieniu od 8,0 do 9,0 m wynosi³a 0,7 m, a wysokoœæ 0,6 m. Œciany kana³u zosta³y uszczelnione zapraw¹ gipsow¹. Na odcinkach, gdzie kana³ przebiega przez spêkane ska³y lub przez tereny bez ska³, zastosowano murowan¹ konstrukcjê przewodu ze sklepieniem kamiennym. Œrednica studzienek wentylacyjnych w opisywanym przypadku wynosi³a od 1,20 do 1,50 m. Badania archeologiczne pozwoli³y na odkrycie w pobli¿u Aten wodoci¹gu o d³ugoœci oko³o 2 km, zbudowanego zasadniczo z rur kamiennych o œrednicy 0,3 m i d³ugoœci od 1,2 do 1,5 m, a górny odcinek przewodu – z rur ceramicznych i kamiennych o œrednicy 0,19 m, d³ugoœci 0,5 m i gruboœci œcianki 0,04 m. Rury kamienne stanowi³y jedynie wzmocnienie dla rur ceramicznych znajduj¹cych siê wewn¹trz tych pierwszych. W najg³êbiej u³o¿onych odcinkach przewodu do rur kamiennych wprowadzano rury z o³owiu lub br¹zu. Interesuj¹cy z technicznego punktu widzenia kana³ z tamtego okresu przebiega³ pomiêdzy Calandri¹ a Heraklej¹ nad Zatok¹ Tyrenck¹. Jego zag³êbienie osi¹ga³o miejscami a¿ 45 m. O antycznym tunelu w mieœcie Samus w Azji Mniejszej s³u¿¹cym jako kana³ do transportu wody pitnej wspomina Herodot (ok. 485–425 p.n.e.). W ten sposób dostarczana by³a do miasta woda ze Ÿród³a na górze Castro. W tunelu, d³ugoœci oko³o 1000 m, szerokoœci i wysokoœci po 2,5 m, znajdowa³y siê rury z czerwonej gliny o œrednicy od 150 do 200 mm. Stosowano ponadto rury kamienne. Pocz¹tki rozwoju kanalizacji w staro¿ytnym Rzymie wi¹¿¹ siê z wczeœniejszymi osi¹gniêciami kultury etruskiej (VIII–IV wiek p.n.e.). Stosowano wówczas usystematyzowane planowanie miast, uwzglêdniaj¹ce budowê otwartych kana³ów wzd³u¿ g³ównych ulic. Oko³o 610 roku p.n.e. za czasów panowania pi¹tego króla Rzymu Lucjusza Tarkwiniusza Priscusa (616–578 p.n.e.) powsta³ funkcjonalny system odprowadzania œcieków miejskich do Tybru g³ównym kana³em, zwanym Cloaca Maxima, który funkcjonuje do czasów obecnych. Ogólny widok jego konstrukcji przedstawiono na rys. 1.1.7 [85], a przebieg kana³u w najstarszej czêœci Rzymu na rys. 1.1.8 [85]. Kanalizacja pocz¹tkowo by³a odkryta i s³u¿y³a g³ównie regulacji strumieni, osuszeniu bagnistej ziemi w kotlinie miêdzy wzgórzami oraz odprowadza³a nadmiar wody deszczowej. Do tego systemu wkrótce zaczêto powszechnie odprowadzaæ œcieki. Wzrastaj¹ce natê¿enie nieprzyjemnych zapachów spowodowa³o koniecznoœæ przykrycia kana³u sta³ym sklepieniem, co przeprowadzono w II wieku p.n.e. Przekrój poprzeczny kana³u Cloaca Maxima by³ bardzo zmienny; w pobli¿u ujœcia najszerszy, miejscami szerokoœæ i wysokoœæ kana³u pozwala³a na poruszanie siê ³odzi¹. Dno kana³u wy³o¿ono tufem (ska³a sk³adaj¹ca siê g³ównie z piasku i popio³ów wulkanicznych). Materia³em tym by³y te¿ wy³o¿one ulice w Rzymie. Œciany boczne kana³u by³y zbudowane z 3–5 warstw du¿ych bloków tufu. Pojedynczy blok by³ szeroki na 1 m, d³ugi na 2,5 m i wy-

18

1. Historia rozwoju kanalizacji

Rys. 1.1.7. Widok konstrukcji rzymskiego kana³u Cloaca Maxima z VII w. p.n.e.

Rys. 1.1.8. Przebieg trasy rzymskiego kana³u Cloaca Maxima

1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej

19

Rys. 1.1.9. Przyk³adowe przekroje poprzeczne rzymskiego kana³u Cloaca Maxima

soki na 0,8 m. Spoiny nie by³y wype³nione zapraw¹, lecz spinano kamienne bry³y ¿elaznymi ³ukowatymi klamrami pokrytymi o³owiem. Kolebkowe sklepienia kana³u by³y zbudowane z kliñców, u³o¿onych w siedmiu do dziewiêciu warstwach, spojonych ze sob¹ ponad kr¹¿yn¹. Miejscami kana³ by³ przykryty tylko grubymi p³ytami kamiennymi, a na innych odcinkach sklepieniem ceglanym. W wielu miejscach w kanale Cloaca Maxima zbudowano studzienki, do których doprowadzano œcieki domowe. Budowniczowie rzymscy byli te¿ prekursorami wspó³czesnego betonu. Do budowy sklepieñ kana³ów stosowali oni mieszankê z zaprawy wapiennej i kruszywa naturalnego lub z okruchów cegie³, któr¹ wylewano na wczeœniej przygotowane deskowanie. Przekroje poprzeczne kana³u Cloaca Maxima przedstawiono na rys. 1.1.9 [85]. Podobnie jak w Rzymie, tak¿e w miastach prowincji pierwsze kana³y œciekowe powsta³y pod koniec VII wieku p.n.e. Równie¿ wiele warowni wyposa¿ono w kana³y œciekowe. W obozach wojskowych kana³y spe³nia³y wiele zadañ: odbiera³y œcieki, drenowa³y grunty i odprowadza³y wody opadowe. Czêsto w takich przypadkach kana³y nie koñczy³y siê przy rzece, lecz mniej lub bardziej przypadkowo; œlepo przy murach fortyfikacji, w polu, w oszalowanych drewnem b¹dŸ omurowanych rowach otaczaj¹cych obóz. Zdarza³o siê te¿, ¿e system œciekowy zamkniêtym pierœcieniem otacza³ obozowisko. Oko³o roku 97 p.n.e. Sekstus Julius Frontinius opublikowa³ pracê na temat kutych i lutowanych rur o³owianych. Od tego czasu rozpoczynaj¹ siê nowe mo¿liwoœci zaopatrywania miast w wodê. Nie zdawano sobie wówczas sprawy z zagro¿eñ, jakie niesie woda pitna ska¿ona toksycznym o³owiem. Rury o przekroju owalnym lub w kszta³cie kropli wody by³y wykonywane z odpowiednio giêtej blachy. W staro¿ytnym Rzymie przewody z rur o³owianych by³y bardzo rozpowszechnione jako rozdzielcze, doprowadzaj¹ce wodê do poszczególnych budynków. Mia³y one od 2 do 3 m d³ugoœci i gruboœæ œcianki oko³o 7 mm, a ich œrednica wewnêtrzna wynosi³a zwykle 100 mm. Poszczególne rury ³¹czono ze sob¹ przez lutowanie.

20

1. Historia rozwoju kanalizacji

1.1.3. Akwedukty Grawitacyjny transport wody pitnej z uwagi na ukszta³towanie terenu bywa³ niekiedy trudny do realizacji. W IV w. p.n.e., buduj¹c kana³y doprowadzaj¹ce wodê pitn¹ do miast z du¿ych odleg³oœci, napotykano problemy techniczne zwi¹zane z przejœciami w poprzek g³êbokich dolin. Rozwi¹zanie stanowi³y interesuj¹ce konstrukcje in¿ynierskie znane jako akwedukty. Ich budowa by³a jednak bardzo kosztowna i pracoch³onna. Dlatego przy wiêkszych przeszkodach (du¿e ró¿nice poziomów) stosowano tañsze rozwi¹zanie w postaci przewodów ciœnieniowych (przejœcia syfonowe), co zosta³o zapocz¹tkowane oko³o roku 180 p.n.e. System ten umo¿liwia³ te¿ rozprowadzanie wody w miastach. Do tego celu staro¿ytni Grecy i Rzymianie u¿ywali rur kamiennych, ceramicznych oraz o³owianych. W Chinach stosowano tak¿e rury bambusowe. Przyk³adem przejœcia syfonowego z wykorzystaniem rur o³owianych jest romañski akwedukt pod Lyonem, który sk³ada³ siê z dziewiêciu równoleg³ych przewodów z rur o³owianych o œrednicy od 300 do 450 mm i gruboœci œcianki 25 mm pozwalaj¹cej na przeniesienie ciœnienia wewnêtrznego dochodz¹cego do 0,6 MPa (6 atm). Akwedukty to w¹skie i wysokie budowle o murowanej konstrukcji ³ukowej (rodzaj arkad), na których wspiera³ siê kana³ w formie rynny. Najczêœciej stosowanym materia³em by³a kostka kamienna, a ³uki wykonywano przewa¿nie z kliñca. W celu zabezpieczenia przed zanieczyszczeniami oraz zmniejszenia nagrzewania siê wody promieniami s³onecznymi kana³y czêsto przykrywano. Przekroje poprzeczne samych kana³ów by³y zró¿nicowane. Na akweduktach wielopiêtrowych, na kolejnych piêtrach uk³adano przewody, które w Rzymie dostarcza³y wodê nie bezpoœrednio do u¿ytkowników, lecz do centralnego zbiornika, tzw. zamku wodnego. Z niego z kolei woda przep³ywa³a do kilku zbiorników bocznych, z których zasilano ³aŸnie miejskie, domy oraz fontanny i zbiorniki publiczne. Pierwszy akwedukt Aqua Appia w Rzymie zbudowano w roku 312 p.n.e. Na Wschodzie (Asyria, Babilon, Egipt, Persja) akwedukty budowano jeszcze wczeœniej, bo ju¿ w X w. p.n.e. Najwa¿niejsz¹ budowl¹ s³u¿¹c¹ doprowadzeniu wody pitnej do Konstantynopola by³ akwedukt zbudowany w roku 386 naszej ery, dwupiêtrowy o wysokoœci 22,70 m i d³ugoœci 1170 m. W XIX w. bywa³ on jeszcze u¿ywany w sytuacjach awaryjnych. Jedn¹ z najwspanialszych budowli zastosowanych do transportu wody by³ akwedukt staro¿ytnej Kartaginy o d³ugoœci 132 km, zbudowany przez Rzymian w II w. naszej ery. Zniszczony zosta³ dopiero w XVII w. przez muzu³manów. Do dziœ zachowa³ siê odcinek tego akweduktu w pobli¿u Tunisu. Jego wysokoœæ wynosi 8 m, rozstaw podpór 4,5 m, a ich szerokoœæ 4,0 m. W niektórych miejscach wysokoœæ tego akweduktu osi¹ga³a ponad 15 m. W rejonach o zimniejszym klimacie przy przejœciach kana³ów nad dolinami z wykorzystaniem akweduktów nale¿a³o uwzglêdniæ wp³ywy termiczne. Chodzi³o tu przede wszystkim o zabezpieczenie kana³u przed zamarzaniem wody. W takich przypadkach zwiêkszano gruboœæ œcian oraz przekrycia, które dodatkowo pokrywano warstw¹ gruntu, stanowi¹cego skuteczn¹ izolacjê termiczn¹.

1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej

21

Do najbardziej znanych tego rodzaju budowli mo¿na zaliczyæ akwedukt w Segovii w Hiszpanii o d³ugoœci 1800 m, zbudowany w latach od 98 do 117 naszej ery na rozkaz cesarza Trajana. Jego konstrukcjê stanowi 177 ³uków z ciosów granitowych u³o¿onych bez u¿ycia zaprawy o wysokoœci do 30 m. Akwedukt ten przetrwa³ do naszych czasów. Podobnie dobrze zachowany romañski akwedukt znany jako Pont du Gard, z koñca I w. p.n.e., znajduje siê w dolinie rzeki Gardon po³o¿onej w pobli¿u miasta Nîmes w po³udniowej Francji. Budowlê t¹ przedstawiono na rys. 1.1.10 [113]. Zasadnicz¹ konstrukcjê kana³u stanowi¹ dwa du¿e ³uki, na których wspiera siê rodzaj arkad tworz¹cych oparcie dla kana³u. Kana³ ten wznosi siê na 48 m ponad dnem doliny. Jego przekrój poprzeczny to prostok¹t o wysokoœci 1,30 m i szerokoœci 1,20 m. Kana³ przykryty jest kamiennymi p³ytami. Gruboœæ inkrustacji (twardych osadów) na pocz¹tku XX w. wynosi³a 0,30 m, w wyniku czego szerokoœæ kana³u w œwietle zosta³a zmniejszona do 0,60 m.

Rys. 1.1.10. Schemat konstrukcji romañskiego akweduktu pod Nîmes w po³udniowej Francji z I w. p.n.e. ( przekrój pod³u¿ny 1:1000; przekrój poprzeczny 1:100)

Interesuj¹ce XIX-wieczne akwedukty znajduj¹ siê na trasie kana³u transportuj¹cego wodê pitn¹ dla Wiednia. Jeden z nich, w pobli¿u miejscowoœci Leobersdorf, o d³ugoœci 285 m ma 13 podpór oko³o 3,80 m wysokoœci. Inny, w okolicach miejscowoœci Mauer, ma równie¿ d³ugoœæ 285 m oraz 13 podpór o wysokoœci do 15,0 m. Kolejny, w pobli¿u miejscowoœci Speising, ma d³ugoœæ 190 m oraz 7 podpór o wysokoœci do 23,0 m. Najd³u¿szy w okolicach miejscowoœci Baden ma d³ugoœæ 675 m oraz 41 podpór o wysokoœci do 23,0 m. Najbli¿szy Wiednia, w pobli¿u miejscowoœci Liesing ma 665 m d³ugoœci oraz 43 podpory o wysokoœci do 17,0 m. Rozwi¹zanie konstrukcyjne tego akweduktu przedstawiono na rys. 1.1.11 [113].

22

1. Historia rozwoju kanalizacji

Rys. 1.1.11. Schemat konstrukcji XIX-wiecznego akweduktu doprowadzaj¹cego wodê pitn¹ do Wiednia (1:500)

1.1.4. Okres od pocz¹tków naszej ery do koñca XIX wieku W pierwszym wieku naszej ery ³¹czna d³ugoœæ przewodów doprowadzaj¹cych wodê do Rzymu wynosi³a 423 km. W tym okresie w „Wiecznym Mieœcie” rozpoczê³a siê na du¿¹ skalê budowa akweduktów. Dla zaopatrzenia miasta w wodê zbudowano 14 sieci z³o¿onych z d³ugich akweduktów. Przyk³adowo, kana³ Aqua Marcia mia³ 91,6 km d³ugoœci, z czego 11 km przebiega³o na akweduktach. Inny kana³ – Aqua Julia – mia³ 23 km d³ugoœci, z czego 9,6 km przebiega³o na akweduktach. Zbudowany za panowania cesarzy Klaudiusza i Trajana kana³ Aqua Claudia sk³ada³ siê z dwóch równoleg³ych przewodów, prowadzonych na d³ugich odcinkach na akweduktach (³¹cznie ponad 15 km). Wiele akweduktów powsta³o tak¿e w koloniach rzymskich. W okresie od IX do XII w. n.e. okres rozkwitu prze¿ywa³y miasta Po³udniowej Ameryki. Przejawem wysokiego rozwoju tamtejszych cywilizacji by³a m.in. budowa sieci kanalizacyjnych. W Europie w kolejnych wiekach po okresie Wêdrówek Ludów (IV–VII w.) zanik³a troska o sprawy zwi¹zane z higien¹, co w czasach œredniowiecza objawia³o siê brakiem zainteresowania czystoœci¹ w gospodarstwach domowych i na ulicach. Wodami opadowymi nie przejmowa³ siê nikt, podobnie jak œciekami bytowo-gospodarczymi, które by³y wylewane wprost na ulice (czasem bezpoœrednio przez okna) albo do rowów biegn¹cych wzd³u¿ ulic. W rezultacie czêsto wybucha³y groŸne epidemie dziesi¹tkuj¹ce ludnoœæ. Troska o higienê istnia³a jedynie w klasztorach oraz na zamkach. W³aœnie przy doprowadzaniu wody do zamków, ju¿ w po³owie XV w. znalaz³y pierwsze zastosowania rury z ¿eliwa szarego. Najstarszy przewód doprowadzaj¹cy wodê do zamku w Dillenburgu zbudowano w roku 1455 [81]. Jego œrednica wewnêtrzna wynosi³a 40 mm, a d³ugoœæ poszczególnych rur oko³o 1 m. Gruboœæ œcianek by³a bardzo zró¿nicowana z uwagi na prymitywn¹ technologiê wykonywania odlewu. W ówczesnym czasie by³o to jednak du¿e osi¹gniêcie techniczne. W roku 1562 w miejscowoœci Langensalza powsta³ wodoci¹g o d³ugoœci oko³o 1000 m do zasilania studni ratusza. Przewód sk³ada³ siê z rur ¿eliwnych o d³ugoœciach 1,75 m i œrednicach wewnêtrznych 115 lub 145 mm. Odlewanie rur w œredniowieczu by³o bardzo trudne przy ówczesnym sta-

1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej

23

nie techniki. Œwiadczy o tym fakt, ¿e na pocz¹tku XVII w. w wytwórni ¿eliwa w miejscowoœci Altenau w Harzu tygodniowo odlewano zaledwie 25 rur. Powodowa³o to, ¿e ruroci¹g o d³ugoœci oko³o 6 km budowano ponad szeœæ lat, poniewa¿ tyle czasu wymaga³o wyprodukowanie potrzebnej liczby rur. Wœród zaniedbanych pod wzglêdem higieny œredniowiecznych miast korzystnym wyj¹tkiem by³o Bunzlau na Œl¹sku (obecnie Boles³awiec), gdzie ju¿ w roku 1531 rozpoczêto budowê sieci kanalizacyjnej po uprzednim zabezpieczeniu dop³ywu œwie¿ej wody. Œcieki komunalne nie by³y wprowadzane bezpoœrednio do rzeki, lecz doprowadzano je i rozkraplano na nisko po³o¿onych ³¹kach i ogrodach. Zastosowane urz¹dzenia wykorzystywano a¿ do pocz¹tku XX w. Powstanie nowoczesnych systemów kanalizacyjnych wi¹za³o siê z tzw. rewolucj¹ przemys³ow¹ i towarzysz¹cym jej gwa³townym rozwojem miast. Tak du¿a koncentracja ludzi przy jednoczesnym braku systemowych rozwi¹zañ problemów sanitarnych stanowi³a powa¿ne zagro¿enie dla zdrowia. Wybuch epidemii cholery w roku 1831 zdecydowanie przyœpieszy³ prace nad popraw¹ takiego stanu. Znacz¹ce zmiany w podejœciu do przestrzegania zasad higieny mia³y pocz¹tkowo miejsce w Anglii, gdzie w roku 1842 w ramach podjêtych dzia³añ Edwin Chadwick opracowa³ „Raport o warunkach sanitarnych klasy pracuj¹cej Wielkiej Brytanii”. Wydano ca³y szereg przepisów zawartych w akcie „Public Health Act” opublikowanym w roku 1848, co sprawi³o, ¿e przestrzeganie zasad higieny sta³o siê spraw¹ obligatoryjn¹. Wzrost œwiadomoœci zachowania podstawowych zasad higieny dotyczy³ nie tylko Anglii, ale ca³ego cywilizowanego œwiata. Na du¿¹ skalê prowadzono prace projektowe i realizacjê systemów dostarczania czystej wody pitnej oraz odprowadzania œcieków. Dzia³ania te nie by³y w pe³ni przemyœlane. Usuwanie fekaliów wraz ze œciekami bytowo-gospodarczymi bezpoœrednio do odbiorników, którymi w praktyce by³y najczêœciej rzeki, w po³¹czeniu z gwa³townym rozwojem miast i przemys³u doprowadzi³o do drastycznego zanieczyszczenia wód. Spowodowa³o to problemy z pozyskiwaniem wody pitnej, gdy¿ ta pobierana z rzeki nadawa³a siê raczej do celów sanitarnych. W celu przeciwdzia³ania takiej sytuacji w roku 1858 opracowano szereg przepisów dotycz¹cych ochrony rzek przed zanieczyszczaniem, szczególnie na obszarach silnie zurbanizowanych. Przestrzeganie tych przepisów ponownie umo¿liwi³o pobieranie wody pitnej bezpoœrednio z rzek. W praktyce oznacza³o to koniecznoœæ nowych inwestycji. Przyk³adowo w Londynie w latach 1860–1875 zbudowano 30 km kana³ów, którymi ³adunek zanieczyszczeñ wprawdzie odp³ywa³ z miasta, jednak nie znika³, lecz powodowa³ zanieczyszczenia rzeki na dalszym odcinku. Interesuj¹c¹ budowl¹ in¿yniersk¹ z tego okresu jest 154-kilometrowy przewód doprowadzaj¹cy wodê do Manchesteru. Tworzy go murowany kana³ o d³ugoœci 58 km, 47 tuneli o ³¹cznej d³ugoœci 23 km oraz 73-kilometrowy ruroci¹g ¿eliwny. Na trasie przewodu znajduj¹ siê liczne akwedukty [113]. Pierwsze prace projektowe dotycz¹ce sieci kanalizacyjnych w Niemczech by³y prowadzone pod kierunkiem in¿ynierów angielskich. Oni te¿ nadzorowali wykonawstwo. W nowoczesnym podejœciu do projektowania kanalizacji charakterystyczne by³o rozpatrywanie ca³ej sieci, a nie tylko poszczególnych kana³ów. Przy projektowaniu prze-

24

1. Historia rozwoju kanalizacji

kroju kana³u uwzglêdniano zarówno iloœæ dop³ywaj¹cych œcieków, jak i spadek pod³u¿ny kana³u. Przewidywano dodatkowe urz¹dzenia do wentylowania i czyszczenia kana³ów, starannie dobierano materia³y konstrukcyjne. Z czasem in¿ynierowie niemieccy zdobyli tak du¿e doœwiadczenie, ¿e w po³¹czeniu z rozwojem nauki Niemcy sta³y siê czo³owym krajem w dziedzinie techniki kanalizacyjnej. Najs³ynniejsi projektanci znani w ca³ej ówczesnej Europie to przede wszystkim Anglicy – Lindley (ojciec i synowie) i Gordon oraz Niemcy – Hobrecht i Wiebe. Pierwszym miastem w Niemczech, w którym od podstaw zaprojektowano system kanalizacyjny by³ Hamburg. Tam w³aœnie, po wielkim po¿arze w roku 1842, dla zniszczonych dzielnic miasta opracowano projekt odbudowy, a William Lindley (1808– 1900) opracowa³ dostosowany do niego projekt sieci wodoci¹gowej i kanalizacyjnej. On tak¿e nadzorowa³ budowê obu sieci. W roku 1853 rozbudowana sieæ kanalizacyjna obs³ugiwa³a tak¿e pozosta³¹ czêœæ miasta. W latach 1871–1875 zbudowano wielki kolektor zbiorczy, którym œcieki z prawobrze¿nej czêœci miasta dop³ywa³y do rzeki Elby. Niewiele du¿ych miast by³o w stanie ze wzglêdów ekonomicznych rozwi¹zaæ kompleksowo problem œcieków jak to zrobiono w Hamburgu. Uda³o siê tego dokonaæ we Frankfurcie nad Menem, gdzie w³adze miasta postanowi³y zbudowaæ sieæ kanalizacyjn¹. W tym celu ju¿ w roku 1863 wys³ano do Anglii grupê specjalistów. Opracowany przez nich plan sta³ siê podstaw¹ obecnego systemu kanalizacyjnego. Zosta³ on oczywiœcie w miêdzyczasie bardzo rozbudowany. W œlady Hamburga i Frankfurtu nad Menem posz³y inne miasta. W Berlinie skanalizowaniem miasta interesowano siê ju¿ od roku 1856. Pierwszy kompleksowy projekt sieci kanalizacyjnej dla Berlina opracowa³ równie¿ Wiebe. Przewidywa³ on zebranie wszystkich œcieków i odprowadzenie ich w jednym miejscu do rzeki Szprewy (Spree), co wymaga³o ich podniesienia do poziomu odbiornika w stacji pomp. Projekt ten nie doczeka³ siê jednak realizacji. Dopiero w latach 1876–1872 zrealizowany zosta³ projekt sieci kanalizacyjnej opracowany przez Hobrechta. Zak³ada³ on podzia³ miasta na niezale¿ne obszary, z których œcieki odprowadzano do ró¿nych odbiorników w zale¿noœci od sytuacji. Z najni¿ej po³o¿onych terenów œcieki przepompowywano na pobliskie pola irygacyjne. W Pary¿u ju¿ w roku 1824 by³o oko³o 35 km kana³ów ogólnosp³awnych, w tym s³ynny kana³ Kloaka Pary¿a pod Bulwarem Sewastopolskim o szerokoœci 5,0 m i wysokoœci 4,0 m. W œrodku p³yty dennej mia³ wykszta³con¹ kinetê o szerokoœci 1,5 m i g³êbokoœci 2,0 m. Wewn¹trz kana³u znajdowa³y siê ¿eliwne przewody wodoci¹gowe. Wspomniany William Lindley by³ autorem projektów sieci wodoci¹gowych i kanalizacyjnych nie tylko dla Hamburga, ale i dla wielu innych miast europejskich, takich jak: Peszt, Bazylea, Petersburg oraz kilku miast polskich. W tym okresie kana³y o ma³ych œrednicach budowano g³ównie z kamionki, do budowy kana³ów o wiêkszych przekrojach u¿ywano natomiast ceg³y i kamienia. W po³owie XIX w. pojawi³y siê nowe materia³y konstrukcyjne – beton i ¿elbet. Znalaz³y one zastosowanie tak¿e do budowy kana³ów sanitarnych. Przyk³adowe przekroje kana³ów budowanych w koñcu XIX w. przedstawiono na rys. 1.1.12 [72].

1.1. Kanalizacja w rozwoju cywilizacji technicznej

25

2,00

0,25 1,40

0,933

0,328

0 1,4

1,48 2,22

Rys. 1.1.12. Typowe przekroje XIX-wiecznych kana³ów

Wczeœniej, oprócz najstarszych rur ceramicznych, jeszcze w XIX w. stosowano rury kamienne; m.in. w DreŸnie w roku 1848 wybudowano przewód z przewierconych ciosów piaskowca pozyskiwanego w Szwajcarii Saksoñskiej. W Pradze przewody do transportu wody by³y wykonane z przewierconego marmuru. Przed wprowadzeniem rur ¿eliwnych w XV w. bardzo rozpowszechnione by³y rury drewniane produkowane z przewiercanych pni drzew iglastych. £¹czniki wykonywano z kutego ¿elaza. Pozosta³oœci takich instalacji w dalszym ci¹gu s¹ odkopywane, np. we Wroc³awiu – rys.1.1.13.

Rys. 1.1.13. Drewniany przewód wodoci¹gowy z prze³omu XV i XVI w. odkopany w 2000 roku w ul. Piaskowej we Wroc³awiu

26

1. Historia rozwoju kanalizacji

W po³owie XIX w. do rozprowadzania wody oprócz najczêœciej stosowanych rur ¿eliwnych u¿ywano czasem tzw. rury asfaltowe. Produkowano je z szerokiej taœmy papierowej nawijanej na sztywny cylinder. Jednoczeœnie taœmê impregnowano roztopionym asfaltem. Przez nawijanie kolejnych warstw uzyskiwano projektowan¹ gruboœæ œcianki. Rury od wewn¹trz pokrywane by³y warstw¹ wodoodpornego pokostu, a od zewn¹trz drobnym ¿wirem zmieszanym z lakierem asfaltowym. £¹czono je ze sob¹ specjalnymi ³¹cznikami, a szczelnoœæ po³¹czeñ uzyskiwano, u¿ywajac uszczelek gumowych lub doszczelniaj¹c kitem asfaltowym. Rury te wkrótce zosta³y ca³kowicie zast¹pione przez rury ceramiczne i betonowe. Na prze³omie XIX i XX w. przewody ciœnieniowe praktycznie budowano jedynie z rur ¿eliwnych dla œrednic powy¿ej 30 mm oraz z rur o³owianych dla œrednic od 10 do 30 mm (wyj¹tkowo tak¿e do 80 mm).

1.2. Rozwój kanalizacji miast polskich 1.2.1. Wprowadzenie Pierwszy kompleksowy projekt kanalizacji na ziemiach polskich opracowa³ w roku 1869 niemiecki in¿ynier Wiebe dla Gdañska. Realizacja tego przedsiêwziêcia zosta³a ca³kowicie zakoñczona w roku 1871. Historiê rozwoju systemów kanalizacyjnych miast w naszym kraju nale¿y jednak wi¹zaæ przede wszystkim z postaciami in¿. Wiliama Lindleya, twórcy za³o¿eñ systemu wodoci¹gowo-kanalizacyjnego dla Warszawy, bêd¹cej wówczas pod zaborem rosyjskim oraz jego syna, dra in¿. sir Wiliama Heerleina Lindleya, który ten projekt zrealizowa³. Sir Wiliam Heerlein Lindley, podobnie jak jego ojciec, dzia³a³ g³ównie na terenie ówczesnych Niemiec. Jednak w koñcu 1881 roku, po wycofaniu siê ojca z czynnego ¿ycia zawodowego, przej¹³ po nim wszystkie rozpoczête prace w Niemczech, a wkrótce rozpocz¹³ samodzieln¹ dzia³alnoœæ poza granicami tego kraju. Do jego prac wykonanych na terenie ówczesnej Polski zalicza siê projekty i ich realizacje oraz opinie w sprawie skanalizowania i zaopatrzenia w wodê miasta £odzi (1907–1909), Lwowa (1909), Radomia (1912) i W³oc³awka (1910–1914). Jednak najwiêcej energii poœwiêci³ realizacji systemu wodoci¹gowo-kanalizacyjnego miasta Warszawy (1881–1915). Podobny rozwój sieci kanalizacyjnych nast¹pi³ w ówczesnych miastach niemieckich na zachodnich ziemiach obecnej Polski. Tu tak¿e na prze³omie wieku dzia³ali ojciec i syn Lindleyowie. Nieco inaczej przedstawia siê historia rozwoju kanalizacji na obszarach by³ego zaboru austriackiego, dlatego, dla stworzenia w miarê pe³nego obrazu rozwoju kanalizacji w naszym kraju, rozwój systemów kanalizacji miast polskich przedstawiono na przyk³adzie Warszawy, Wroc³awia i Krakowa. Tym bardziej, ¿e systemy kanalizacyjne tych miast s¹ ciekawymi systemami nie tylko w skali kraju, ale tak¿e na terenie Europy. Ró¿norodnoœæ obiektów oraz czas ich budowy sprawiaj¹, ¿e przedstawione informacje s¹ reprezentatywne dla sieci kanalizacyjnych w innych zabytkowych miastach, rozwijaj¹cych siê w podobnych warunkach topograficznych i cywilizacyjnych.

1.2. Rozwój kanalizacji miast polskich

27

1.2.2. Historia kanalizacji Warszawy* 1.2.2.1. Okres przed rokiem 1878 Do koñca XVIII wieku sposób usuwania œcieków z terenu miasta nie ró¿ni³ siê zasadniczo od systemów stosowanych w tamtym okresie w wiêkszoœci miast europejskich. Œcieki z gospodarstw domowych i wody opadowe sp³ywa³y bezpoœrednio do Wis³y lub lokalnych cieków rowami otwartymi, które w niektórych przypadkach zastêpowano krytymi kana³ami drewnianymi albo murowanymi. Kana³y powstawa³y przede wszystkim w dzielnicach staromiejskich i obszarach z nimi s¹siaduj¹cych, jednak nie stanowi³y one zaplanowanego systemu. W literaturze tematu z 1879 roku (Kucharzewski F., Przegl¹d Techniczny, zeszyt VII, 1978) [244] opisanych jest 11 takich kana³ów, które by³y ca³kowicie murowane lub murowane z drewnianym stropem i kinet¹. Autor publikacji wspomina ponadto o kana³ach drewnianych w ulicach Pañskiej, ¯elaznej, Krochmalnej, Nowogrodzkiej i Marsza³kowskiej. Œcieki w Alejach Jerozolimskich sp³ywa³y cembrowanym rowem. Nieczystoœci z do³ów kloacznych wywo¿ono beczkami poza miasto i rozlewano na polach, zakopywano w ziemi lub zrzucano wprost do Wis³y. Dopiero w drugiej po³owie XIX wieku zaczêto budowaæ do³y kloaczne o œcianach murowanych z ceg³y na zaprawie cementowej. Stan taki utrzymywa³ siê do 1874 roku, kiedy to komisja miasta Warszawy pod przewodnictwem Alfonsa Grotowskiego (in¿yniera wodoci¹gu miejskiego), po zwiedzeniu uk³adu kanalizacji ogólnosp³awnej Hamburga i Frankfurtu nad Menem, zawnioskowa³a zlecenie Williamowi Lindleyowi zaprojektowanie dla Warszawy systemu podobnego do kanalizacji we Frankfurcie. Zlecenie opracowania projektu zosta³o przes³ane Williamowi Lindleyowi 20 maja 1876 roku, a termin jego zakoñczenia ustalono na 15 maja 1878 roku. 1.2.2.2. Okres po 1878 roku Zgoda na budowê systemu kanalizacji w Warszawie zosta³a wydana przez cara Aleksandra III w dniu 21 kwietnia 1881 roku, a budowê systemu pod kierownictwem sir Wiliama Heerleina Lindleya (syna Williama) rozpoczêto w sierpniu tego roku. Za³o¿enia projektu kanalizacji Warszawy przewidywa³y: • usuwanie œcieków komunalnych, przemys³owych i wód opadowych poprzez sieæ szczelnych kana³ów ogólnosp³awnych, • zakaz odprowadzania do kanalizacji nieczystoœci z do³ów kloacznych, • wyburzanie wszystkich istniej¹cych kana³ów w miarê rozbudowy nowej sieci, • wprowadzenie klozetów wodnych, • lokalizacjê stacji filtrów w najwy¿szym po³o¿eniu sieci w celu u³atwienia jej przep³ukiwania, • przep³ukiwanie sieci œciekami spiêtrzanymi na systemie zasuw kana³owych,

*

Historiê kanalizacji Warszawy opisano na podstawie prac [7, 36, 244].

28

1. Historia rozwoju kanalizacji a)

b)

Rys.1.2.1. Kana³ murowany o przekroju jajowym: a) profil pod³u¿ny i plan sytuacyjny – fragmenty, b) przekrój pionowy

1.2. Rozwój kanalizacji miast polskich

29

• u³o¿enie kana³ów na g³êbokoœci umo¿liwiaj¹cej odprowadzenie œcieków z piwnic i obni¿enie wody gruntowej w celu osuszenia piwnic, • skierowanie wszystkich p³ynnych œcieków na pola irygowane po³o¿one na Bielañskich Terenach Wojskowych; urz¹dzanie stacji pomp i pól ulega³o jednak sta³ym modyfikacjom ze wzglêdu na rozwój technik oczyszczania œcieków. Do obliczeñ iloœci œcieków ze zlewni obszar Warszawy podzielono na dwie strefy: • œrodkow¹ o powierzchni 262 ha obejmuj¹c¹ Stare Miasto oraz pas wzd³u¿ Krakowskiego Przedmieœcia i Nowego Œwiatu, przyjmuj¹c gêstoœæ zaludnienia 376 mieszkañców/ha, • zewnêtrzn¹ o powierzchni 1270,8 ha i gêstoœci zaludnienia 323 mieszkañców/ha; do obliczeñ iloœci œcieków sanitarnych pochodz¹cych z gospodarstw domowych (w czasie bezopadowym) przyjêto zu¿ycie wody wodoci¹gowej 226 l/mieszkañca/dobê oraz liczbê mieszkañców równ¹ 500 000. Sieæ kana³ów podzielono na trzy rodzaje: • kana³y boczne, odprowadzaj¹ce œcieki i wody opadowe z niewielkich fragmentów zlewni do kana³ów g³ównych, • kana³y g³ówne, odprowadzaj¹ce œcieki i wody opadowe z kana³ów bocznych, • kana³y burzowe, odprowadzaj¹ce wody opadowe najkrótsz¹ drog¹ do Wis³y podczas ulewnych deszczy poprzez przelewy wody z kana³ów g³ównych. Przekroje kana³ów murowanych zaprojektowano jako jajowe w oœmioelementowym typoszeregu wymiarowym zmieniaj¹cym siê w zakresie od 1,8×1,42 do 0,9×0,6 m. Przyk³ad kana³u z tego typoszeregu przedstawiono na rys.1.2.1 [7]. Jak widaæ, zamieszczone na rys 1.2.1a opisy s¹ w jêzyku rosyjskim, gdy¿ budowla ta powstawa³a podczas zaboru rosyjskiego tej czêœci Polski. W systemie znalaz³y siê ponadto przewody o przekroju ko³owym ∅0,40 m i ∅0,30 m. Po³¹czenia kana³ów bocznych z kana³ami g³ównymi oraz rozga³êzienia kana³owe zaprojektowano po ³ukach (przewa¿nie o promieniu 7,5 m) stycznych do osi kana³ów g³ównych. Œcieki z rynsztoków ulicznych oraz przykanalików domowych zrzucano do kana³ów przez zamkniêcia syfonowe. Projektant przewidzia³ skuteczny system przewietrzania kana³ów. W tym celu we wszystkich wy¿szych punktach komór rewizyjnych i sklepieñ kana³ów zaprojektowano (w odleg³oœciach oko³o 40 m) przewietrzniki z pionowymi kominami rurowymi, doprowadzonymi do studzienek przewietrznikowych umieszczanych pod jezdniami. T¹ drog¹ powietrze dop³ywa³o do kana³ów, sk¹d by³o odprowadzane przez rury spustowe dla wód opadowych. Ze wzglêdu na topografiê miasta system kanalizacyjny podzielono na sieæ kana³ów górnego miasta, Powiœla i Pragi. Projekt szczegó³owy skanalizowania Pragi zosta³ przed³o¿ony przez W.H. Lindleya w 1900 roku. Podstawowe za³o¿enia tego projektu by³y zbie¿ne z za³o¿eniami projektu g³ównego, które zosta³y omówione powy¿ej. Zasadnicza sieæ kana³ów zosta³a wykonana zgodnie z projektem generalnym z 1878 roku. Na terenie Wielkiej Warszawy system wybudowano na podstawie projektu dra in¿. K. Poniatowskiego z uwzglêdnieniem zmian wprowadzanych przez Dyrekcjê Wodoci¹gów i Kanalizacji, wynikaj¹cych z korekt przestrzennego rozwoju miasta.

30

1. Historia rozwoju kanalizacji

Jako materia³u do budowy przewodów (do 1936 roku w³¹cznie) u¿ywano: • ceg³y, w przypadku przewodów o wiêkszych przekrojach poprzecznych, • rur kamionkowych o œrednicach od ∅300 mm do ∅400 mm. Dopiero po roku 1936 zaczêto stosowaæ inne tworzywa konstrukcyjne do budowy kana³ów o poœrednich wymiarach przekroju miêdzy kamionkowymi i ceglanymi. Powsta³y wtedy kana³y betonowe, ¿elbetowe oraz ¿eliwne i piaskowcowe jako przykanaliki domowe. Kinety kana³ów betonowych wykonywano z bloków kamionkowych, klinkieru, ceg³y lub betonu wy³o¿onego p³ytkami kamionkowymi lub pirogranitowymi. Przewody budowano na g³êbokoœciach od 4 do 12 metrów w wykopach i technikami bezwykopowymi. Przy budowie kana³ów w wykopach otwartych uwzglêdniano koniecznoœæ zapewnienia przejazdu dla osób zamieszka³ych w rejonie budowy, stra¿y po¿arnej, pogotowia ratunkowego i innych s³u¿b zwi¹zanych z bezpiecznym funkcjonowaniem miasta. W celu zabezpieczenia skarp g³êbokich wykopów wykonywano obudowy z bali drewnianych (o gruboœci 63 mm i d³ugoœci 5 m), rozpieranych dobieran¹ do warunków lokalnych liczb¹ rzêdów rozpór z bali drewnianych o œrednicy 140–200 mm. Metody bezwykopowe (tunelowanie) stosowano w celu zmniejszenia kosztów dla kana³ów u³o¿onych na g³êbokoœciach wiêkszych od 7 m lub w przypadkach przejœæ pod budynkami, cmentarzem i kolej¹ oraz ruchliwymi ulicami w celu zachowania ci¹g³oœci ruchu. Odleg³oœci pomiêdzy szybami (w zale¿noœci od wyników przeprowadzanych badañ gruntowo-wodnych) wynosi³y od 80 do 120 m. Z szybów koñcowych tunelowanie odbywa³o siê w jednym kierunku, a z szybów poœrednich w dwóch. Zabezpieczenia wyrobisk wykonywano z klepek drewnianych o gruboœci 38–50 mm opartych na stalowych ramach z profili teowych, których rozstaw i wymiary dobierano na podstawie obliczeñ statyczno-wytrzyma³oœciowych. Kana³y o mniejszych przekrojach (0,60×1,10 m) murowano na ca³ym obwodzie w sekcjach pomiêdzy ramami z jednoczesnym usuwaniem ram. W przypadku kana³ów o wiêkszych wymiarach wykonywano w pierwszej kolejnoœci czêœæ sp¹gow¹ na ca³ym odcinku pomiêdzy szybami, z pozostawieniem przerw w miejscach zajêtych przez ramy. W drugim etapie budowano górne sklepienie, usuwaj¹c stopniowo ramy i wykañczaj¹c doln¹ i górn¹ czêœæ kana³u. Urobek, zarówno w przypadku prac wykonywanych w wykopie jak i technikami bezwykopowymi, transportowano rêcznie – ³opatami lub przy u¿yciu kub³ów i rêcznych dŸwigów trójno¿nych. Mechanizacjê robót stosowano podczas wytwarzania betonu i w pracach odwodnieniowych. W gruntach drobnoziarnistych o ma³ym wspó³czynniku filtracji w celu odwodnienia wykopów stosowano pompowanie ci¹g³e, d³ugotrwa³e, pompami o ma³ych wydajnoœciach zatopionymi w wierconych studniach depresyjnych. W celu utrudnienia wyp³ukiwania drobnych cz¹stek gruntu za obudowê wykopu z bali zak³adano maty ze s³omy. Po zakoñczeniu wykopu i ustaleniu linii depresji dno wykopu stabilizowano mieszank¹ piaskowo-t³uczniow¹, a dla odprowadzenia wody do ni¿ej po³o¿onych miejsc uk³adano ci¹gi drenarskie (od ∅75 do ∅100 mm). Kana³y z rur kamionkowych uszczelniano sznurem oraz preparatami smo³owymi i uk³adano na ubitej warstwie t³ucznia zmieszanego z piaskiem. Kana³y prze³azowe

1.2. Rozwój kanalizacji miast polskich

31

z ceg³y lub betonu posadawiano na fundamentach betonowych, a w s³abych gruntach na ¿elbetowych. Do 1939 roku wybudowano 345 km sieci kanalizacyjnej (z czego 180 km przed rokiem 1914) we wschodniej czêœci Bielan, na ¯oliborzu, Ochocie, Mokotowie i na Kamionku. W okresie przed drug¹ wojn¹ œwiatow¹ rozpoczêto ponadto budowê sieci kanalizacyjnej na Saskiej Kêpie. Pozosta³e tereny Warszawy skanalizowano dopiero po zakoñczeniu wojny. Obecnie system kanalizacji miasta Warszawy sk³ada siê z dwóch niezale¿nych uk³adów kanalizacyjnych [36]: • lewobrze¿nego, o powierzchni oko³o 267 km2, z którego œcieki s¹ zrzucane do Wis³y bez oczyszczenia, • prawobrze¿nego, o powierzchni oko³o 230 km2, z którego œcieki s¹ kierowane do oczyszczalni Czajka. Oba systemy obs³uguj¹ ³¹cznie oko³o 1,5 mln mieszkañców oraz 81 zak³adów przemys³owych. Zdecydowan¹ wiêkszoœæ sieci zbudowano po drugiej wojnie œwiatowej. Z ogólnej liczby 2366 km przewodów (dane z roku 1998), 915 km to kana³y o przekrojach prze³azowych. Pod wzglêdem struktury i uzbrojenia sieæ sk³ada siê z: przewodów ogólnosp³awnych (1016 km), przewodów sanitarnych (664 km), przewodów deszczowych (686 km), studni rewizyjnych (46 812 sztuki), przewietrzników (12 050 sztuk), wpustów ulicznych (30 444 sztuki), bocznych wejœæ (932 sztuk), komór pomiarowych (112 sztuk) i zsypów œniegowych (48 sztuk). Z przedstawionych informacji widaæ, ¿e Warszawski system kanalizacyjny obs³uguje znaczn¹ powierzchniê i charakteryzuje siê du¿¹ intensywnoœci¹ uzbrojenia. Stan techniczny konstrukcji przewodów jest zró¿nicowany, przy czym szczególnie s³abe pod wzglêdem konstrukcyjnym s¹ kana³y budowane w latach 70. XX stulecia.

1.2.3. Historia kanalizacji Wroc³awia* 1.2.3.1. Okres przed rokiem 1945 Pierwsze pisane wzmianki na ten temat pojawi³y siê w 1272 roku za panowania Henryka IV Prawego (Probusa), który wyda³ przywilej zezwalaj¹cy miastu na pobór wody z rzeki Odry dla wodoci¹gów i zasilania fos miejskich oraz na odprowadzanie œcieków. O ile wodoci¹gi budowane by³y wtedy jako system przewodów z drewna, o tyle œcieki sp³ywa³y bezplanowo rynsztokami, otwartymi kana³ami i ulicami do rzek Odry i O³awy. Dopiero w 1514 roku wydano pierwsze zarz¹dzenie zabraniaj¹ce zrzutu œcieków powy¿ej czerpalni wody z Odry, które powtórzono w 1574 roku w celu zwiêkszenia rygorów ochrony rzeki przed zanieczyszczaniem jej w pobli¿u ujêæ. W 1581 roku wykopano kana³ pomiêdzy murami miejskimi i Odr¹, umo¿liwiaj¹cy kontrolowane odprowadzenie œcieków z miasta.

*Historiê

kanalizacji Wroc³awia opisano na podstawie prac [8, 245].

32

1. Historia rozwoju kanalizacji

Dalsza poprawa warunków sanitarnych, daj¹ca pocz¹tek obecnemu systemowi kanalizacyjnemu miasta, nast¹pi³a dopiero w latach 60. dziewiêtnastego stulecia. Wtedy to, podczas rozbiórki miejskich fortyfikacji, zmieniono koryto rzeki O³awy, uk³adaj¹c w starych korytach rzecznych kilka kolektorów kanalizacyjnych odprowadzaj¹cych œcieki do Odry. Pomimo to powtarzaj¹ce siê ju¿ w nastêpnej dekadzie epidemie cholery doprowadzi³y do powo³ania w 1871 roku komisji do spraw polepszenia warunków sanitarnych, która w 1872 roku zatwierdzi³a ogólny plan kanalizacji miasta. Przewidywa³ on odprowadzenie œcieków systemem przewodów ogólnosp³awnych i oczyszczanie ich na polach irygowanych. Projekt techniczny przedsiêwziêcia zosta³ ukoñczony w 1874 roku, a jego realizacja siedem lat póŸniej. Wybudowano wtedy piêæ g³ównych kolektorów doprowadzaj¹cych œcieki do pompowni Port, sk¹d by³y one t³oczone na usytuowane poza obszarem ówczesnego miasta pola irygowane, które systematycznie powiêkszano, dokupuj¹c nowe tereny. Wymaga³o to budowy nowych pompowni: i tak, w roku 1908 wybudowano pompowniê Rakowiec, a w latach 1909–1910 pompowniê Szczytniki. W tym te¿ okresie (1910–1911) zmodernizowano pompowniê Port. Po oczyszczeniu, pocz¹tkowo œcieki by³y odprowadzane do rzeki Widawy, a w póŸniejszym okresie, do nowo wybudowanego kana³u powodziowego i Starej Odry. Mimo imponuj¹cych, jak na owe czasy, rozmiarów przedsiêwziêcia wydolnoœæ systemu wkrótce okaza³a siê niewystarczaj¹ca i ju¿ w 1919 roku przyst¹piono do budowy 28 przelewów burzowych (przy 19 istniej¹cych) oraz modernizacji sieci, po zakoñczeniu której mia³a ona 354,7 km d³ugoœci. W 1928 roku przy³¹czono do Wroc³awia satelitarne osady posiadaj¹ce w³asne systemy odprowadzania i oczyszczania œcieków. Tak¿e póŸniej, w latach 1932-36 pojawi³y siê lokalne oczyszczalnie œcieków budowane dla powstaj¹cych wtedy osiedli mieszkaniowych. Przewody kanalizacyjne o mniejszych œrednicach budowano w zasadzie z rur kamionkowych, a o wiêkszych wymiarach – jako konstrukcje ceglane. Wyodrêbniæ mo¿na bardzo wiele ró¿nych przekrojów kana³ów, przy czym przekrój najwiêkszego kolektora zbudowanego z ceg³y wynosi 290×390 cm, a najmniejszego, wykonanego z rur kamionkowych – 25 cm. Przyk³ad murowanego kana³u z ceg³y o przekroju jajowym, wybudowanego w 1893 roku, przedstawiono na rys.1.2.2 [8] zachowuj¹c oryginalne, niemieckojêzyczne opisy. Z ceg³y budowano tak¿e pompownie, piaskowniki, studnie rewizyjne, przelewy i inne obiekty. Wyj¹tkowo, w dzielnicach z póŸniej budowan¹ kanalizacj¹ rozdzielcz¹, niektóre przewody deszczowe o przekroju ko³owym lub jajowym wykonano z betonu. W 1939 roku powierzchnia Wroc³awia, licz¹cego wówczas 620 tysiêcy mieszkañców, wynosi³a 17 464 ha. Sieæ kanalizacyjna przy³¹czaj¹ca do systemu 16 243 nieruchomoœci mia³a wtedy 635 km d³ugoœci wraz z burzowcami i ruroci¹gami t³ocznymi, a pola irygowane 1620 ha powierzchni. Wielokrotna rozbudowa kanalizacji, a tak¿e po³o¿enie Wroc³awia na p³askim terenie implikuj¹ce ma³e spadki kana³ów spowodowa³y, ¿e system wymaga³ budowy 14 pompowni i 12 podstacji. Odró¿nia go to od systemów w miastach zlokalizowanych na terenach o bardziej zró¿nicowanej rzeŸbie terenu, gdzie odprowadzenie œcieków odbywa siê w pe³ni grawitacyjnie.

1.2. Rozwój kanalizacji miast polskich

33

Rys. 1.2.2. Kana³ jajowy o konstrukcji ceglanej wybudowany we Wroc³awiu w 1893 roku

W trakcie oblê¿enia Wroc³awia w 1945 roku urz¹dzenia wodno-kanalizacyjne zosta³y bardzo mocno zniszczone. Po wojnie zlokalizowano 3000 powa¿nych uszkodzeñ ruroci¹gów wodoci¹gowych i 700 uszkodzeñ przewodów kanalizacyjnych spowodowanych uderzeniami pocisków i bomb. Pierwsze ujêcie wody uruchomiono ju¿ 5 maja 1945 roku, jednak prace w celu zaopatrzenia ca³ego miasta w wodê i przywrócenia uk³adowi kanalizacyjnemu sprawnoœci sprzed wojny trwa³y do 1952 roku. 1.2.3.2. Okres po 1945 roku Lata powojenne to kolejne etapy rozbudowy systemu wodoci¹gowo-kanalizacyjnego miasta zwi¹zane z jego rozrostem terytorialnym, zwiêkszaj¹c¹ siê liczb¹ mieszkañców oraz rozwojem budownictwa mieszkaniowego, us³ugowego i przemys³owego. W konsekwencji tych dzia³añ sieæ kanalizacyjna Wroc³awia w roku 1998 sk³ada³a siê z 407 km kana³ów ogólnosp³awnych, 328 km kana³ów sanitarnych, 51 km kana³ów deszczowych i 265 km przykanalików domowych. Ten ogromny przyrost d³ugoœci sieci zwi¹zany by³ przede wszystkim z dalsz¹ rozbudow¹ terytorialn¹ aglomeracji, wynikaj¹c¹ z budowy w latach 70. i 80. kilku osiedli mieszkaniowych o rozproszonej zabudowie. Wiêkszoœæ inwestycji wodoci¹gowo-kanalizacyjnych obejmowa³a zatem obrze¿a miasta, pozostawiaj¹c obs³ugê jego zabytkowego centrum przywróconemu do u¿ytko-

34

1. Historia rozwoju kanalizacji

wania systemowi kanalizacji sprzed 1945 roku. Rewaloryzacja starej zabudowy, trwaj¹ca do po³owy lat 80., polega³a g³ównie na naprawach konstrukcji ocala³ych z wojny budynków oraz zmianie ich wyposa¿enia technicznego, w tym urz¹dzeñ sanitarnych. Czêsto natomiast nie odbudowywano obiektów zupe³nie zniszczonych, pozostawiaj¹c w wielu miejscach niezabudowane dzia³ki po ich odgruzowaniu. Zak³adano, ¿e stara sieæ kanalizacyjna przez d³u¿szy okres bêdzie w stanie obs³u¿yæ odbudowan¹ w ten sposób po dzia³aniach wojennych zabudowê w centrum miasta. Pomimo mniejszej intensywnoœci zabudowy, zmiana liczby mieszkañców, wyposa¿eñ sanitarnych budynków i œwiadomoœci spo³ecznej spowodowa³y znacz¹cy wzrost zu¿ycia wody, a tym samym iloœci œcieków sanitarnych. Œrednia produkcja wody w 1950 roku wynosi³a 18 mln m3, a w roku 1970 a¿ 46 mln m3, przy wzroœcie liczby mieszkañców z 269 tys. do 524 tys. Dla porównania, produkcja wody w 1941 roku, do której by³a dostosowana sieæ sanitarna, wynosi³a 40 mln m3. Mimo tak intensywnego wzrostu iloœci wody i powodowanych tym pierwszych oznak hydraulicznego przeci¹¿enia sieci, deficyt wody w dalszym ci¹gu wystêpowa³. Wtedy te¿ podjêto decyzjê o budowie zak³adu uzdatniania wody „Mokry Dwór”, którego realizacjê zakoñczono w 1974 roku. Oddanie zak³adu poprawi³o bilans wodny miasta powoduj¹c dalsze przeci¹¿enia sieci kanalizacyjnej. W 1976 roku podjêto wiêc decyzjê o budowie Centralnej Oczyszczalni Œcieków we wroc³awskim osiedlu Janówek oraz dwóch strategicznych kolektorów ogólnosp³awnych Odra i Œlêza. Wzrostowi iloœci œcieków sprzyja³a tak¿e zmiana charakteru zagospodarowania zlewni. Zwiêkszanie powierzchni uszczelnionych w zwi¹zku z rozwojem budownictwa komunikacyjnego i intensyfikacj¹ zabudowy, szczególnie po rozpoczêtej w po³owie lat 80. zabudowie wolnych dzia³ek w centrum miasta, spowodowa³y zwiêkszone zrzuty wód opadowych, wynikaj¹ce ze wzrostu œredniej wartoœci wspó³czynnika sp³ywu oraz wzrost iloœci œcieków sanitarnych. W konsekwencji znacz¹ca liczba kana³ów pracuje podczas intensywnych opadów pod ciœnieniem, do którego nie s¹ przystosowane ich konstrukcje i nie odbiera wszystkich wód opadowych, co powoduje podtapianie ulic i ni¿ej po³o¿onych pomieszczeñ budynków. Degradacjê przewodów przyœpiesza ponadto wzrost chemicznej agresywnoœci œcieków i wód gruntowych, a tak¿e wzrost obci¹¿eñ mechanicznych, powodowany zmian¹ struktury i intensywnoœci ruchu ko³owego przy braku obwodnic. Stosowane w okresie powojennym materia³y to przede wszystkim, w przypadku przewodów nieprze³azowych – beton, kamionka i ¿eliwo, a w przewodach prze³azowych – ¿elbet i beton sprê¿ony. Zaniechano zupe³nie stosowania ceg³y do budowy kana³ów, a w póŸniejszym okresie tak¿e do innych elementów systemu: studzienek rewizyjnych, pompowni i obiektów oczyszczalni œcieków. W latach 70. zaczêto stosowaæ tworzywa sztuczne: pocz¹tkowo PCW (nieplastyfikowany polichlorek winylu), nastêpnie PEHD (polietylen du¿ej gêstoœci), a w ostatnich dwóch dekadach XX wieku – rury kompozytowe GRP (Glass Reinforced Plastic) oraz rury PRC z betonu polimerowego (Polyester Resin Concrete).

1.2. Rozwój kanalizacji miast polskich

35

1.2.4. Historia kanalizacji Krakowa* Pocz¹tkowo wody opadowe i œcieki z gospodarstw domowych i warsztatów rzemieœlniczych sp³ywa³y otwartymi rynsztokami do p³yn¹cej korytem miejskiej fosy rzeki Rudawy. Pierwsze kana³y przesklepione zaczêto budowaæ najprawdopodobniej w XV lub XVI wieku, ³¹cz¹c je w podziemny system przewodów odprowadzaj¹cych œcieki do Wis³y lub Niecieczy. Œwiadcz¹ o tym wyniki badañ archeologicznych wykazuj¹cych, ¿e na g³êbokoœci oko³o 4 m pod ulicami z okresu panowania Kazimierza Wielkiego znajdowa³y siê kana³y wykonane z ciosów kamiennych ³¹czonych zapraw¹ wapienn¹. Mia³y one odprowadzaæ zanieczyszczone wody w centralnej czêœci miasta do fosy oraz umo¿liwiæ wydostawanie siê z oblê¿onego miasta podczas dzia³añ wojennych. Musia³y byæ to jednak rozwi¹zania niewystarczaj¹ce, gdy¿ w pierwszej po³owie XVI wieku sytuacja sanitarna by³a na tyle niebezpieczna, ¿e król Zygmunt Stary skierowa³ w 1533 roku pismo do marsza³ka wielkiego koronnego Piotra Kmity, pe³ni¹cego funkcje starosty krakowskiego, i kasztelana Seweryna Bonera wielkorz¹dcy krakowskiego, polecaj¹ce dokonanie wspólnie z Rad¹ Miejsk¹ kontroli rynsztoków i kana³ów odprowadzaj¹cych nieczystoœci do Rudawy. Mimo nakazu królewskiego sytuacja nie zmieni³a siê zasadniczo do roku 1569, gdy¿ do tego czasu dalej odprowadzano œcieki do Rudawy zrzutem zlokalizowanym w okolicy Bramy Wiœlanej. W 1569 roku król Zygmunt Stary ponownie wyda³ nakaz kontroli rynsztoków i rowów i podjêcia prac nad budow¹ podziemnego kana³u odprowadzaj¹cego œcieki. W XIX wieku nast¹pi³a znacz¹ca rozbudowa systemu kanalizacyjnego. Kana³y uk³adane by³y pod ulicami (w wiêkszoœci przypadków) oraz wzd³u¿ tylnych elewacji zabudowañ, pod podwórzami. Te ostatnie nazywano „kana³ami blokowymi” i stanowi¹ one niew¹tpliwie rozwi¹zanie charakterystyczne dla miasta Krakowa. System pracowa³ grawitacyjnie dziêki wykorzystaniu naturalnego ukszta³towania terenu, opadaj¹cego z pó³nocnej czêœci miasta w kierunku Garbar i obecnego Placu na Grobli po stronie zachodniej oraz Stradomia i Wielopola po stronie wschodniej. Kana³y uk³adano przewa¿nie p³ytko, w granicach od 1,0 do 1,7 m poni¿ej poziomu terenu, co powodowa³o, ¿e do wiêkszoœci z nich nie mo¿na by³o pod³¹czaæ przykanalików z przyleg³ych budynków. Przekroje kana³ów by³y prze³azowe o szerokoœciach od 0,65 m do 2,0 m i wysokoœciach od 1,0 m do 1,9 m. Mia³y one podobne konstrukcje, tzn. p³askie lub nieco wklês³e dna, pionowe lub rozchylaj¹ce siê na zewn¹trz œciany oraz beczkowe sklepienia. Wykonane by³y z ³amanego wapienia, bloków piaskowca, a w póŸniejszym okresie z ceg³y. Przyk³ady przekrojów poprzecznych kana³ów blokowych przedstawiono na rys.1.2.3 [6]. Podczas rozbiórki starych murów obronnych i zasypywania fosy, do której odprowadzano œcieki, powsta³a koniecznoœæ wybudowania wzd³u¿ Plantów kolektorów od* Historiê

kanalizacji Krakowa opisano na podstawie prac [6, 243].

36 a)

1. Historia rozwoju kanalizacji b)

Rys. 1.2.3. Przyk³adowe przekroje kana³ów blokowych: a) konstrukcja z ceg³y, piaskowca i ska³ wapiennych, b) konstrukcja z ceg³y i piaskowca

prowadzaj¹cych œcieki do Starej Wis³y i Rudawy. Jeden z kolektorów, d³ugoœci 2048 ³okci, odprowadzaj¹cy œcieki z 8 g³ównych ulic i 13 kana³ów, wybudowano w latach 1818–1820 z ceg³y i kamienia pochodz¹cych z rozbieranych murów obronnych. Dalsz¹ rozbudowê systemu spowolni³o zajêcie miasta przez Austriaków. Intensyfikacja rozbudowy systemu kanalizacyjnego nast¹pi³a ponownie dopiero w 1890 roku. System rozbudowywano zgodnie z ówczesnym prawem budowlanym, które obligowa³o w³aœcicieli nieruchomoœci do budowy przykanalików i zastêpowania suchych ubikacji sp³ukiwanymi wod¹. Jako tworzywa konstrukcyjnego u¿ywano wtedy ceg³y i betonu, co by³o now¹ technologi¹. Prze³omowym dla skanalizowania Krakowa by³ rok 1906, kiedy to ówczesne w³adze austriackie przyst¹pi³y do realizacji programu ochrony przeciwpo¿arowej. Opracowano projekt kanalizacji, który przewidywa³ odprowadzenie œcieków i wód opadowych z Krakowa oraz pó³nocnej czêœci Podgórza kana³ami u³o¿onymi wzd³u¿ Wis³y. Ujœcia kana³ów do rzeki zaprojektowano poni¿ej stopnia wodnego D¹bie.

1.2. Rozwój kanalizacji miast polskich

37

Do roku 1909 wybudowano 87 km nowych kana³ów, w tym 48 km do 1907 roku. By³y to kana³y prze³azowe o wymiarach nie mniejszych ni¿ 0,90×0,60 m. Dalszy rozwój kanalizacji w centrum Krakowa nast¹pi³ w latach 20. i 30. ubieg³ego stulecia, od którego to okresu uk³ad systemu kanalizacji centrum miasta nie uleg³ znaczniejszym zmianom. Jak widaæ, historia rozwoju kanalizacji miasta Krakowa jest podobna do historii rozwoju takich systemów w innych znacz¹cych miastach polskich i europejskich. System ten charakteryzuje siê jednak znaczn¹ liczb¹ p³ytkich kana³ów, co odró¿nia go od systemów projektowanych przez Lindleyów, w których znaczna liczba kana³ów by³a uk³adana na du¿ych g³êbokoœciach metodami bezwykopowymi (Warszawa, Hamburg itp.). Najbardziej charakterystyczn¹ cech¹ krakowskiej kanalizacji pozostaj¹ jednak „kana³y blokowe”. Likwidacja tych budowli by³a postulowana ju¿ w 1879 roku, jednak¿e proces ten trwa praktycznie do chwili obecnej. Najwiêcej „kana³ów blokowych” rozebrano w latach od 1958 do 1962 (oko³o 5,5 km), a badania stanu technicznego kana³ów w obrêbie Plantów wykonywano jeszcze w latach 1973–1974. Wiadomo, ¿e znaczna liczba budynków, a w szczególnoœci oficyn, zosta³a wybudowana wprost na tych kana³ach albo w strefach, z których obci¹¿enia s¹ przekazywane na konstrukcjê kana³ów. Obecnie pozosta³oœci tego systemu stanowi¹ unikatowy przyk³ad myœli in¿ynierskiej z XIX wieku w zakresie budownictwa podziemnej infrastruktury sieciowej.

38

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych 2.1. Przewody kamionkowe 2.1.1. Etapy rozwojowe przewodów kamionkowych Kamionka jest najstarszym materia³em, z którego wykonywano rury. Jak to opisano w rozdziale 1.1.2, rury kamionkowe by³y stosowane ju¿ oko³o roku 3500 p.n.e. na terenie dzisiejszej Syrii. Mimo up³ywu czasu i z uwagi na swoje zalety s¹ one wci¹¿ powszechnie stosowane, bêd¹c tradycyjnym i doskonale sprawdzonym produktem z wypalanej gliny. Dzisiejsze rury kamionkowe s¹ wci¹¿ ulepszane, a sam materia³ konstrukcyjny ulega³ kolejnym modyfikacjom obejmuj¹cym surowce wyjœciowe, ich przygotowanie oraz technologiê formowania i wypalania. W wielu europejskich miastach przesz³o po³owa d³ugoœci sieci kanalizacyjnej wykonana jest w³aœnie z kamionki. Dotyczy to szczególnie przewodów o œrednicach do DN 400. Wiele z tych przewodów liczy sobie ponad 100 lat. Du¿e zmiany objê³y po³¹czenia rur. W ostatnim okresie zrezygnowano z uszczelnieñ za pomoc¹ sznura smo³owanego, a jego miejsce w zale¿noœci od typu z³¹cza zajê³y uszczelki z tworzyw sztucznych. Prace badawcze umo¿liwi³y budowê przewodów z rur kamionkowych tak¿e metodami bezwykopowymi. Dla specjalnych zastosowañ (w przypadku bardzo du¿ych obci¹¿eñ zewnêtrznych) opracowano tak¿e rury kamionkowo-betonowe, w których kamionka stanowi wyk³adzinê wewnêtrzn¹. Do podstawowych zalet rur kamionkowych stosowanych do budowy sieci kanalizacyjnych mo¿na zaliczyæ: • trwa³oœæ, • odpornoœæ na korozjê, • szczelnoœæ, • du¿¹ wytrzyma³oœæ, • ma³¹ chropowatoœæ, • odpornoœæ na œcieranie, • bezproblemowy recykling. Wad¹ kamionki jest jej kruchoœæ i zwi¹zana z ni¹ koniecznoœæ ostro¿nego obchodzenia siê z rurami, a¿ do ich zasypania w wykopie.

2.1.2. Surowce do produkcji rur kamionkowych Obecnie produkowane rury kamionkowe swoje doskona³e w³aœciwoœci osi¹gaj¹ dziêki jakoœci surowców oraz automatyzacji produkcji. Kamionka produkowana jest z gliny z dodatkiem szamotu, a po wypaleniu czêsto szkliwiona.

2.1. Przewody kamionkowe

39

Gliny powsta³y w wyniku daleko id¹cych procesów wietrzenia ska³ i sk³adaj¹ siê z cz¹stek minera³ów ilastych o wymiarach mniejszych od 0,002 mm oraz ziaren kwarcowych o wymiarach 0,002–0,100 mm. Gliny s¹ produktami naturalnymi i ich sk³ad nawet w obrêbie jednego z³o¿a mo¿e byæ zró¿nicowany. Do produkcji rur stosuje siê mieszanki ró¿nych glin. Szamot jest wypalon¹ ju¿ uprzednio glin¹. Najczêœciej jest to materia³ otrzymywany w ramach recyklingu jako odpad z produkcji ceramiki, który zostaje zmielony do ziaren o wielkoœci nie wiêkszej ni¿ 1,8 mm. Zmielony szamot dodaje siê do gliny, co poprawia stabilnoœæ elementów podczas wypalania. Szkliwo sk³ada siê z mieszanki gliny, i³u, wapnia, dolomitu, kwarcu oraz tlenków metali. Sk³adniki te przez mielenie s¹ rozdrabniane do wielkoœci ziaren 0,06 mm, a nastêpnie mieszane z wod¹, z któr¹ tworz¹ zawiesinê.

2.1.3. Technologia produkcji Schemat produkcji rur kamionkowych przedstawiono na rys. 2.1.1 [143], a poszczególne etapy tego procesu opisano poni¿ej. Przygotowanie surowca Najczêœciej przygotowanie surowca polega na bardzo dok³adnym zmieszaniu gliny o wilgotnoœci naturalnej z szamotem i dodatkow¹ iloœci¹ wody. Znana jest te¿ metoda

Rys. 2.1.1. Schemat produkcji rur kamionkowych

40

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

sucha polegaj¹ca na wysuszeniu gliny i jej rozdrobnieniu na py³ oraz dok³adnym wymieszaniu z szamotem. Nastêpnie do suchej mieszanki dodaje siê stosown¹ iloœæ wody tak, aby uzyskaæ odpowiedni¹ plastycznoœæ mieszanki w celu jej formowania. Formowanie Plastyczn¹ mieszaninê gliny z szamotem zagêszcza siê wstêpnie prasami œlimakowymi, a nastêpnie odpowietrza w komorach podciœnieniowych. Poprzez wyciskanie surowca z odpowiednio ukszta³towanych szczelin pras formuje siê w sposób ci¹g³y rury, zaczynaj¹c od kielicha. Podczas formowania rury na jej powierzchni zewnêtrznej wyt³aczane s¹ oznaczenia jej podstawowych parametrów. Nastêpnie oba koñce rur s¹ oczyszczane i wyg³adzane, a same rury ustawia siê specjalnymi podnoœnikami na paletach w celu suszenia. Suszenie Suszenie œwie¿o uformowanych rur odbywa siê w specjalnych komorach i przebiega w temperaturze 80 °C. Podczas suszenia usuwany jest nadmiar wody, która musia³a byæ dodana dla uformowania rury. Po zakoñczeniu suszenia rura staje siê nieplastyczna. Szkliwienie Szkliwienie rury polega na jej zanurzeniu w pojemniku z p³ynnym szkliwem. W procesie wypalania poszczególne sk³adniki szkliwa stapiaj¹ siê ze sob¹, pokrywaj¹c powierzchniê rury g³adk¹ i nieprzepuszczaln¹ pow³ok¹. Wypalanie Wypalanie odbywa siê najczêœciej w piecach tunelowych w temperaturze oko³o 1250 °C i trwa do trzech dni. Podczas wypalania zachodzi spiekanie poszczególnych sk³adników tworz¹cych kamionkê i odparowanie pozosta³ej w materiale wody. W efekcie nastêpuje skurcz o oko³o 10%. Mimo to, dziêki udoskonaleniu procesu przygotowania surowca i produkcji rur udaje siê utrzymaæ wymiary w granicach dopuszczalnych tolerancji. W tradycyjnym procesie wypalania rura w piecu wypalana jest w pozycji pionowej, co utrudnia utrzymanie jednakowej temperatury na ca³ej jej d³ugoœci. W ostatnich latach opracowano technologiê przyœpieszonego wypalania, zapewniaj¹c¹ mniejsze odchy³ki od projektowanych wymiarów gotowych produktów. Te korzystne wyniki uzyskano dziêki ci¹g³emu obracaniu rur znajduj¹cych siê podczas procesu wypalania w pozycji poziomej, co zapewnia równomierny rozk³ad temperatury w ca³ej rurze. Zalet¹ tej metody jest nie tylko przyœpieszenie cyklu produkcyjnego i polepszenie jakoœci rur, ale tak¿e zwiêkszenie d³ugoœci rur do 2,5 m oraz obni¿enie kosztów energii. Rury produkowane w oparciu o technologiê przyœpieszonego wypalania nosz¹ nazwê CreaTiv [143]. Maj¹ one szkliwione jedynie powierzchnie wewnêtrzne b¹dŸ nie s¹ wcale glazurowane. Uszczelki Poniewa¿ na jakoœæ u³o¿onego kana³u maj¹ wp³yw nie tylko rury, ale i uszczelki, montowane s¹ one ju¿ u producenta. Najczêœciej stosuje siê trzy typy z³¹cz [143]: z³¹cze kielichowe typu F w po³¹czeniu z uszczelk¹ typu KD, z³¹cze kielichowe typu C w po³¹czeniu z uszczelk¹ typu K oraz z³¹cze kielichowe typu S.

41

2.1. Przewody kamionkowe

Szczegó³owe rozwi¹zania konstrukcji z³¹cz rur kamionkowych przedstawiono w punkcie 2.1.5.

2.1.4. W³aœciwoœci rur kamionkowych 2.1.4.1. Odpornoœæ chemiczna Standardowe rury, jak i kszta³tki kamionkowe s¹ odporne na agresywne wp³ywy substancji chemicznych zawartych w œciekach, wodzie gruntowej oraz w samym gruncie, z wyj¹tkiem stê¿onych kwasów [232]. Rury ze znakiem jakoœci RAL mog¹ pracowaæ w sposób ci¹g³y w œrodowiskach od kwaœnych do zasadowych (pH = 1÷13). Bardziej szczegó³owo odpornoœæ kamionki na dzia³anie podstawowych zwi¹zków chemicznych przedstawiono w tabeli 2.1.1 [143]. Tabela 2.1.1. Odpornoœæ kamionki na dzia³anie podstawowych zwi¹zków chemicznych Zwi¹zek chemiczny

Stê¿enie

Temperatura [°C]

OdpornoϾ

Woda królewska

HCL/HNO3 3/L

20

dobra

Woda chlorowana

Roztwór wodny nasycony

20

dobra

Stê¿enie handlowe

20

dobra

Roztwór wodny nasycony

20

dobra

Kwas dwuchlorowy Wodorotlenek wapnia Olej napêdowy

Stê¿enie handlowe

20

dobra

Kwas mlekowy

10%

60

dobra

Stê¿enie handlowe

60

dobra

98%

60

dobra

Stê¿enie handlowe

60

dobra

Chlorek metylowy Kwas siarkowy Ksylen

2.1.4.2. Parametry wytrzyma³oœciowe kamionki i rur kamionkowych W³aœciwoœci fizyczne kamionki Podstawowe w³aœciwoœci fizyczne kamionki zestawiono w tabeli 2.1.2. Noœnoœæ rur kamionkowych Zgodnie z norm¹ PN-EN 295 rury kamionkowe w zale¿noœci od klasy musz¹ charakteryzowaæ siê noœnoœci¹ nie mniejsz¹ ni¿ to podano w tabeli 2.1.3 [143,200]. Norma rozró¿nia piêæ podstawowych klas: L (klasa lekka), 95, 120, 160 oraz 200. Noœnoœæ mo¿na zdefiniowaæ tu jako jednostkowe obci¹¿enie niszcz¹ce lub wytrzyma³oœæ na zgniatanie FN [kN/m], którego wartoœæ wyznacza siê z nastêpuj¹cego równania [232]: FN =

klasa.rury ⋅ œrednica.nom. . 1000

Badanie wytrzyma³oœci na zgniatanie FN dla rur kamionkowych wed³ug [201] zosta³o szczegó³owo opisane w p. 2.1.6.2.

42

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych Tabela 2.1.2. Podstawowe w³aœciwoœci fizyczne kamionki W³aœciwoœæ

Jednostka

WartoϾ

kN/m3

22

MPa

15–40

Wytrzyma³oœæ na œciskanie

MPa

100–200

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie

MPa

10–20

Ciê¿ar objêtoœciowy Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie przy zginaniu

w skali Mohsa

≅7

Modu³ sprê¿ystoœci

MPa

≅50 000

Wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej

1/K

5·10–6

W/(m·K)

≅1,2

TwardoϾ

Wspó³czynnik przewodnoœci termicznej

Tabela 2.1.3. Jednostkowe obci¹¿enie niszcz¹ce FN dla rur kamionkowych w zale¿noœci od œrednicy i klasy Œrednica nominalna [mm]

Klasa noœnoœci L

95

120

160

200

FN [kN/m] 200

24

32

40

225

28

36

45

250

30

40

50

300

36

48

60

350

42

56

70

400

38

48

64

450

43

54

72 80

500

48

60

600

48

57

72

700

60

67

84

800

60

76

96

1000

60

95

1200

60

2.1.5. Z³¹cza rur kamionkowych 2.1.5.1. Z³¹cza rur kamionkowych uk³adanych w wykopach otwartych Rury kamionkowe uk³adane w wykopach otwartych maj¹ z³¹cza kielichowe. Do niedawna s³ab¹ stron¹ przewodów kamionkowych by³o uszczelnienie tych z³¹czy. Stosowano uszczelnienia w postaci sznura konopnego b¹dŸ paku³ impregnowanych materia³ami bitumicznymi. Nawet obecnie mo¿na znaleŸæ producentów takich systemów rur kamionkowych, choæ rozwi¹zanie takie nie powinno byæ ju¿ stosowane, gdy¿ praktycznie nie by³oby mo¿liwe spe³nienie warunków odbioru przewodów kanalizacyjnych okre-

43

2.1. Przewody kamionkowe

œlonych w normie PN-92/B-10735 „Przewody kanalizacyjne. Wymagania i badania przy odbiorze” [189]. Ponadto obowi¹zuj¹ca norma [200, 201, 202] tych przestarza³ych rozwi¹zañ uszczelnieñ nie dopuszcza. Obecnie z³¹czom rur kanalizacyjnych stawia siê wysokie wymagania. Musz¹ one byæ trwa³e, szczelne (nawet w przypadku wzajemnych przemieszczeñ liniowych i k¹towych s¹siaduj¹cych rur) oraz odporne na agresywne substancje chemiczne zawarte w transportowanych mediach. Odpornoœæ chemiczna (dla wybranych substancji) elastomeru EPDM oraz poliuretanu PU – podstawowych materia³ów stosowanych do produkcji uszczelek dla rur kamionkowych, przedstawiono w tabeli 2.1.4 [143]. Tabela 2.1.4. Odpornoœæ chemiczna elastomeru EPDM oraz poliuretanu PU SBR – EPDM

PU

Zwi¹zek chemiczny

[%]

[pH]

[°C]

[%]

[pH]

[°C]

Kwas mrówkowy

15

0,9

20

15

0,9

20

Kwas solny

38

0

20

10

0,4

20

Kwas fosforowy

20

0

70

10

0,6

20

Kwas cytrynowy

10

1,3

20

10

1,8

20

Zasada sodowa

32

14

20

32

14

20

Kwas siarkowy

50

0

20

10

0,7

70

Kwas mlekowy

5

2,4

20

10

2

70

Dla rur kamionkowych uk³adanych w wykopach otwartych stosowane s¹ trzy podstawowe typy po³¹czeñ [143]: • system F z uszczelk¹ elastomerow¹ typu KD, • system C z uszczelnieniem poliuretanowym typu K, • system S z frezowanym kielichem oraz uszczelk¹ elastomerow¹ nak³adan¹ na koniec bosy. System F, oparty na zachowaniu za³o¿onych wymiarów rury z minimalnymi odchy³kami, polega na przyklejeniu wargowych uszczelek gumowych do koñca rury w kielichu. Koniec bosy pozostaje bez uszczelek. Ten system po³¹czeñ przeznaczony jest dla rur kamionkowych o ma³ych œrednicach (100, 125, 150, 200, 250 mm). Umo¿liwia on wzajemny obrót po³¹czonych rur o 3° bez utraty szczelnoœci. Schemat po³¹czenia rur kamionkowych wed³ug systemu F przedstawiono na rys. 2.1.2 [143]. System C dopuszcza wiêksze odchy³ki wymiarowe rury. Jego istot¹ jest uformowanie uszczelki z twardego PU w kielichu oraz z miêkkiego PU na koñcu bosym. Takie rozwi¹zanie zapewnia doskona³¹ szczelnoœæ po³¹czenia. System po³¹czeñ C przeznaczony jest dla rur kamionkowych o wiêkszych œrednicach (200, 250, 300, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400 mm). Umo¿liwia on wzajemny obrót po³¹czonych rur o 2° bez utraty szczelnoœci. Schemat po³¹czenia rur kamionkowych wed³ug systemu C przedstawiono na rys. 2.1.3 [143].

44

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

Rys. 2.1.2. Po³¹czenie rur kamionkowych wed³ug systemu F

Rys. 2.1.3. Po³¹czenie rur kamionkowych wed³ug systemu C

Rys. 2.1.4. Po³¹czenie rur kamionkowych wed³ug systemu S

2.1. Przewody kamionkowe

45

System S zapewnia równie¿ doskona³¹ szczelnoœæ po³¹czenia, co w tym przypadku wymaga szlifowania powierzchni wewnêtrznej kielicha ka¿dej rury. W wyniku tego zabiegu uzyskuje siê doskona³¹ ko³owoœæ przekroju oraz minimalne odchy³ki wymiarowe. Na koniec bosy gotowej rury nak³adana jest uszczelka elastomerowa z EPDM, zabezpieczona przed przemieszczeniem niewidoczn¹ z zewn¹trz opask¹ dociskow¹ ze stali. Schemat po³¹czenia rur kamionkowych wed³ug systemu S przedstawiono na rys. 2.1.4 [143]. 2.1.5.2. Z³¹cza rur kamionkowych uk³adanych metodami bezwykopowymi W zwi¹zku z rozwojem bezwykopowych technologii budowy przewodów uzbrojenia podziemnego opracowano odpowiedni system rur kamionkowych. Istot¹ tego systemu s¹ z³¹cza. Musz¹ byæ one zlicowane z powierzchni¹ zewnêtrzn¹ rur, co u³atwia ich wprowadzanie do gruntu. Firma Keramo-Steinzeug [143] ma w swojej ofercie dwa typy z³¹cz. Pierwsze z nich to z³¹cze V4A typ 1 ze stali molibdenowej z uszczelk¹ kauczukowo-elastomerow¹ dla rur o œrednicach DN 200, 250, 300, 400 i 500. Konstrukcja takiego z³¹cza zosta³a przedstawiona na rys. 2.1.5 [143].

Rys. 2.1.5. Schemat konstrukcji z³¹cza V4A typ 1 dla rur kamionkowych przeznaczonych do uk³adania metodami bezwykopowymi

Drugie z nich to z³¹cze typu V4A typ 2 równie¿ ze stali molibdenowej z uszczelk¹ kauczukowo-elastomerow¹, o nieco innej konstrukcji dla rur o œrednicach DN 600, 700, 800 oraz 1000 mm. Konstrukcjê takiego z³¹cza przedstawiono na rys. 2.1.6 [143].

46

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

Rys. 2.1.6. Schemat konstrukcji z³¹cza V4A typ 2 dla rur kamionkowych przeznaczonych do uk³adania metodami bezwykopowymi

2.1.6. Badania 2.1.6.1. Wprowadzenie W ramach kontroli jakoœci zarówno rury, kszta³tki, jak i uszczelki poddawane s¹ sta³ej kontroli. Badania prowadzone s¹ przez w³asne laboratoria producenta oraz przez instytucje zewnêtrzne. Podstawowym dokumentem reguluj¹cym wymagania w stosunku do rur kamionkowych jest norma PN-EN 295. Norma ta przewiduje badanie nastêpuj¹cych parametrów rur kamionkowych: • prostopad³oœci powierzchni czo³owych rur, • prostoliniowoœci rur, • wytrzyma³oœci rur na zgniatanie (wyznaczanie jednostkowej si³y niszcz¹cej FN), • wytrzyma³oœci przy zginaniu, • wytrzyma³oœci na zginanie w kierunku pod³u¿nym (RMF), • wytrzyma³oœci po³¹czeñ klejonych, • wytrzyma³oœci przy obci¹¿eniach cyklicznych, • wodoszczelnoœci rur, • odpornoœci chemicznej rur i kszta³tek, • szorstkoœci powierzchni wewnêtrznej rur, • odpornoœci na œcieranie, • wodoszczelnoœci kszta³tek, • odpornoœci na ozon, a tak¿e badania: poliuretanu, polipropylenu, mechaniczne – zmontowanych po³¹czeñ rur, • liniowoœci kinety, • odpornoœci chemicznej zmontowanych po³¹czeñ rur,

47

2.1. Przewody kamionkowe

• odpornoœci termicznej, • wyznaczanie wskaŸnika odpornoœci CR. W punktach 2.1.6.2–2.1.6.5 opisano skrótowo procedury wybranych badañ. 2.1.6.2. Wyznaczanie jednostkowej si³y niszcz¹cej FN Procedura tego badania okreœlanego wed³ug normy PN-EN 295 jako badanie wytrzyma³oœci na zgniatanie jest nastêpuj¹ca: pierœcieniowe próbki rur kamionkowych o d³ugoœci minimalnej L = 0,30 m nale¿y u³o¿yæ kolejno na dwóch paskach z tworzywa elastomerowego o twardoœci 55±10 stopni w skali Shora le¿¹cych na sztywnym pod³o¿u. Paski te powinny mieæ przekrój prostok¹tny (szerokoœæ 50±5 mm i gruboœæ 25–40 mm), a rozstaw pomiêdzy nimi powinien wynosiæ 25±5 mm. Na górnej powierzchni próbki wzd³u¿ najwy¿szej tworz¹cej uk³ada siê taki sam pasek elastomerowy. Obci¹¿enie nale¿y zwiêkszaæ stopniowo (0,40–0,60 kN/m) poprzez u³o¿on¹ na tym pasku belkê o sztywnoœci zapewniaj¹cej równomierne obci¹¿enie. Taki system obci¹¿ania mo¿na stosowaæ dla próbek pierœcieniowych o d³ugoœciach L = 300–1100 mm. Schemat badania przestawiono na rys. 2.1.7. Do badania d³u¿szych odcinków b¹dŸ ca³ych rur nale¿y zastosowaæ hydrauliczny system przekazywania obci¹¿eñ zapewniaj¹cy ich równomiernoœæ na ca³ej d³ugoœci próbki [202]. Przyk³adowe wyniki badañ si³y niszcz¹cej dla trzech rur kamionkowych badanych w Instytucie In¿ynierii L¹dowej Politechniki Wroc³awskiej zestawiono w tabeli 2.1.5. Badania wykonano na próbkach pierœcieniowych o d³ugoœci 0,30 m. 1 P

2 3

3

pochylenie do 5° 25 mm

4

odstê p 25 ± 5

Rys. 2.1.7. Schemat badania jednostkowej si³y niszcz¹cej FN wed³ug [202]: 1 – obci¹¿enie, 2 – element podpieraj¹cy górny, 3 – pasek elastomerowy, 4 – element podpieraj¹cy dolny

48

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych Tabela 2.1.5. Przyk³adowe wyniki badañ jednostkowych si³ niszcz¹cych FN

Numer próbki

Si³a niszcz¹ca wyznaczona podczas badañ FB [kN]

Obliczone Obci¹¿enie niszcz¹ce jednostkowe FN deklarowane obci¹¿enie niszcz¹ce przez producenta rur FN [kN/m] [kN/m]

n – stosunek rzeczywistego obci¹¿enia niszcz¹cego do deklarowanego przez producenta

1

21,5

71,6

48,0

1,49

2

21,5

71,6

48,0

1,49

3

20,0

66,6

48,0

1,38

Konieczne jest, aby spe³niony by³ warunek n ≥ 1. Przedstawione w tabeli wyniki badañ œwiadcz¹, ¿e rury ze znacznym zapasem (od 38 do 49%) spe³niaj¹ wymagania normowe. 2.1.6.3. Wyznaczanie wytrzyma³oœci na rozci¹ganie przy zginaniu σbz Badanie polega na wyznaczeniu si³y niszcz¹cej FB dla wycinka pierœcienia rury kamionkowej. Szczegó³y przebiegu badania przedstawiono w pracy [202], a jego schemat na rys. 2.1.8. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie przy zginaniu σbz mo¿na wyznaczyæ, znaj¹c wartoœæ si³y niszcz¹cej FB, na podstawie równania zawartego w normie PN–EN 295 (czêœæ III) [202].

σ bz =

M bα K W

A L3 2

FB s1

ap

A L3 Rys. 2.1.8. Schemat badania wytrzyma³oœci na rozci¹ganie przy zginaniu σbz

(2.1.1)

2.1. Przewody kamionkowe

49

1000 FB L3 6 ⋅ 2 αK 4b3 S1

(2.1.2)

3d1 + 5s1 3d1 + 3s1

(2.1.3)

σ bz = w którym:

αK =

gdzie: σbz – wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie przy zginaniu, FB – si³a niszcz¹ca, L3 – rozstaw podpór, b3 – szerokoœæ próbki, d1 – œrednica wewnêtrzna rury, s1 – gruboœæ próbki, αK – wspó³czynnik korekcyjny, Mb – moment zginaj¹cy, W – wskaŸnik bezw³adnoœci. Wyniki opisanego badania umo¿liwiaj¹ równie¿ obliczenie wytrzyma³oœci rury na zgniatanie FN wed³ug równania: FN =

F ⋅L 1000 2 ⋅ ⋅ B 3 0,3 d1 + s1 4b3

(2.1.4)

Oznaczenia we wzorze (2.1.4) przyjêto wed³ug normy [202]. 2.1.6.4. Wyznaczanie momentu niszcz¹cego przy zginaniu w kierunku pod³u¿nym (RMF) Wartoœæ momentu niszcz¹cego przy zginaniu w kierunku pod³u¿nym mo¿na wyznaczyæ doœwiadczalnie na podstawie procedury badawczej zawartej w normie PN–EN 295 (czêœæ III, rozdzia³ 6). Schemat badania przedstawiono na rys. 2.1.9.

d 2

Pb

0,5 P b

d 2

0,5 P b d

Rys. 2.1.9. Schemat badania momentu niszcz¹cego (w kierunku pod³u¿nym)

50

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

Tabela 2.1.6. Minimalne wartoœci momentu niszcz¹cego przy zginaniu w kierunku pod³u¿nym RMF Œrednica nominalna DN 100

FN [kN]

RMF wed³ug PN EN 295 [kNm]

RMF wed³ug WN 295 [kNm]

34

1,7

2,5

125

34

–

4,0

150

34

4,0

5,0

200

32

6,2

9,0

Minimalne wartoœci RMF wyznaczane na podstawie PN EN 295 oraz na podstawie normy zak³adowej WN 295 przedstawiono w tabeli 2.1.6 [232]. Jak widaæ, wy¿sze wymagania rurom kamionkowym stawia norma zak³adowa. 2.1.6.5. Badanie wodoszczelnoœci rur Wodoszczelnoœæ sprawdza siê zarówno dla pojedynczych rur, jak i u³o¿onego z nich odcinka kana³u [189, 202]. Badanie trwa 15 minut od momentu ca³kowitego nape³nienia wod¹ i polega na ustaleniu jej ubytku. W pierwszym przypadku dopuszczalne ubytki wody wynosz¹ 0,07 dm3/m2. Dla rur kamionkowych posiadaj¹cych znak jakoœci RAL dopuszczalne ubytki wody wynosz¹ zaledwie 0,04 dm3/m2. W przypadku u³o¿onego odcinka kana³u dopuszczalne ubytki wody wynosz¹ 0,15 dm3/m2. Norma [58] dopuszcza mo¿liwoœæ przeprowadzenia takiego badania przy zastosowaniu powietrza.

2.1.7. Typoszeregi rur kamionkowych W Polsce nie ma obecnie producenta rur kamionkowych spe³niaj¹cych wymagania normy PN EN 295, choæ mo¿na oczekiwaæ, ¿e w najbli¿szym czasie ich produkcja zostanie uruchomiona. Na naszym rynku oferowane s¹ rury produkcji kilku firm europejskich. Przyk³adowa oferta rur kamionkowych produkcji firmy Keramo-Steinzeug, przeznaczonych do uk³adania w wykopach otwartych, przedstawiona jest w tabeli 2.1.7 (oznaczenia w tabeli wed³ug rys. 2.1.10). W tabeli 2.1.8 przedstawiono typoszereg rur CreaTiv produkowanych zgodnie z najnowsz¹ technologi¹ [143] (oznaczenia przyjêto wed³ug rys. 2.1.10). Przyk³adowa oferta rur kamionkowych produkcji firmy Keramo-Steinzeug, przeznaczonych do uk³adania metodami bezwykopowymi w zakresie œrednic 200–500 mm, przedstawiona jest w tabeli 2.1.9 (oznaczenia w tabeli wed³ug rys. 2.1.5). Pe³ny zakres œrednic rur przeciskowych obejmuje równie¿ œrednice 150, 600, 700, 800 i 1000 mm.

2.1.8. Oznaczenia Ka¿da rura musi posiadaæ na swojej powierzchni trwa³e oznaczenia, zawieraj¹ce co najmniej poni¿sze informacje: • numer odnoœnej normy, • nazwê producenta, • datê produkcji,

51

2.1. Przewody kamionkowe Tabela 2.1.7. Typoszereg rur kamionkowych przeznaczonych do uk³adania w wykopach otwartych Œrednica System

Klasa

Wytrzy- Wymiary bez uwzglêdnienia dopuszczalnych tolerancji ma³oœæ [mm] [kN/m]

d1

d3

d7 (±0,7)

d8 max.

m1

∆L

100

F

34

100

131

174

62

30

125

F

34

125

158

206

62

35

150

F

34

150

186

239

72

35

200

F

160

32

200

242

200

C

160

32

200

242

263,4

200

C

240

48

200

257

278,4

250

F

160

40

250

299

250

C

160

40

250

299

320,6

250

C

240

60

250

318

345,5

300

F

160

48

300

355

300

C

160

48

300

355

300

C

240

72

300

379

350

C

160

56

350

350

C

200

70

350

400

C

160

64

400

d4 (±0,5)

320

74

50

320

74

50

260,0 275,0

343

74

60

387

74

60

387

74

60

317,5 341,5

426

74

70

450

74

65

374,8

450

74

65

371,5

402,0

491

74

75

398,5

417

436,5

525

74

430

462,4

570

74

486

511,3

610

74

85 95

433,5 459,0 507,5

400

C

200

80

400

493

519,3

620

74

450

C

160

72

450

548

582,0

720

74

515,5

500

C

120

60

500

581

608,6

730

74

90

605,0

500

C

160

80

500

609

641,0

790

74

105

637,0

600

C

95

57

600

687

723,7

860

74

95

720,0

579,0

600

C

160

96

600

721

762,1

930

74

110

758,0

700

C

120

84

700

831

875,0

1060

76

115

871,0

800

C

L

60

800

895

935,2

1090

80

130

800

C

120

96

800

941

980,0

1190

76

976,0

900

C

L

60

900

1002

1047,2

1240

80

1044,0

932,0

1000

C

L

60

1000

1109

1155,8

1360

80

1152,5

1200

C

L

60

1200

1320

1384,1

1600

80

1380,0

1400

C

L

60

1400

1550

1624,0

1850

80

1618,0

• œrednicê, • obci¹¿enie niszcz¹ce (FN), • symbol CE oznaczaj¹cy zgodnoœæ z wytycznymi dla Unii Europejskiej. Ponadto stosowane jest dodatkowe oznaczenie w postaci wyraŸnego bia³ego punktu zaznaczonego farb¹. Podczas uk³adania na dnie wykopu rury powinny byæ obrócone tak, aby punkt ten znajdowa³ siê na górze. Zachowanie tego warunku zapewnia liniowoœæ kinety u³o¿onego kana³u.

52

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

Rys. 2.1.10. Wymiary rur kamionkowych przeznaczonych do uk³adania w wykopach otwartych; oznaczenia do tabel 2.1.7 oraz 2.1.8 Tabela 2.1.8. Typoszereg rur kamionkowych CreaTiv Œrednica

DN

Klasa Wytrzy- Uszczel- System wytrzy- ma³oœæ ka ma³oœciowa TKL

[mm]

FN [kN/m]

Œrednica rur

Œrednica kielichów

D³ugoœæ

Ciê¿ar

wew. d1 [mm]

zew. d3 [mm]

zew. d8 [mm]

g³êb. m1 [mm]

[m]

[kg/m]

200

160

32

L

E

200

231

280

70

2,5

27

250

160

40

L

E

250

287

340

70

2,5

43

Tabela 2.1.9. Typoszereg rur kamionkowych przeznaczonych do uk³adania metod¹ przeciskow¹ ze z³¹czem V4A typ1 ze stali molibdenowej i uszczelk¹ kauczukowo-elastomerow¹ (rys. 2.1.5) Œrednica nominalna

Œrednice rur [mm] wew. d1

Wymiary [mm]

zewn. zewn. kielicha d3 dM

D³ugoœæ Dopuszczalna Waga nom. si³a pod³u¿na

e

dK

bK

Dz

l1 [mm]

F1 [kN]

F2 [kN]

kg/m

200

200

244

276

50

267

102

4

996

282

353

60

250

250

322

355

50

344

102

4

996 1996

705

881

105

300

300

374

406

50

396

102

4

996 1996

800

1000

125

400

402

516

556

50

538

102

10

990 1990

1580

2200

240

500

503

620

658

50

640

102

16

984 1984

2080

2600

295

2.2. Kolektory murowane

53

2.2. Kolektory murowane 2.2.1. Materia³y konstrukcyjne Kamienie naturalne. Pierwszy europejski system kanalizacyjny, który powsta³ w staro¿ytnym Rzymie, wykonany zosta³ z kamieni naturalnych. Do murowania kana³ów, których realizacjê rozpoczêto pod koniec XIX w. w wiêkszoœci du¿ych miast europejskich, tak¿e stosowano kamienie ³amane i ciosane ze ska³ odpornych na korozjê, przede wszystkim ze ska³ magmowych. Ska³y magmowe charakteryzuj¹ siê bardzo ma³¹ nasi¹kliwoœci¹, nie przekraczaj¹c¹ zwykle 1%. Tak ma³a nasi¹kliwoœæ uniemo¿liwia dostêp czynników, które mog³yby powodowaæ korozjê. Tak¿e sk³ad chemiczny tych ska³ zapewnia wysok¹ odpornoœæ na korozjê, nawet w warunkach silnej agresji chemicznej. Œcieralnoœæ materia³ów kamiennych badana na tarczy Boehmego wynosi 2–4 mm, jest wiêc bardzo ma³a. Ma³a œcieralnoœæ wymagana jest dla materia³ów, z których murowana jest kineta kolektora. W przewodach kanalizacyjnych, zw³aszcza tych o du¿ym spadku, materia³ mineralny wleczony w strefie kinety powoduje jej œcieranie. Do murowania kolektorów stosowano tak¿e inne dostêpne lokalnie materia³y kamienne o podobnych parametrach. Mimo licznych zalet zakres stosowania materia³ów kamiennych by³ ograniczony. Spowodowane to by³o pracoch³onnoœci¹ ich obróbki oraz nieregularnoœci¹ kszta³tu. Nieregularny kszta³t utrudnia murowanie oraz powoduje koniecznoœæ stosowania szerokich spoin. Zaprawa w spoinach ma zawsze mniejsz¹ odpornoœæ na korozjê od kamienia, co decyduje o trwa³oœci ca³ej konstrukcji kolektora. Ceg³a ceramiczna pe³na kanalizacyjna i klinkierowa. Podstawowym surowcem do produkcji ceg³y jest glina oraz i³ z dodatkiem piasku. Z surowców tych, po ich nawil¿eniu i starannym wymieszaniu formuje siê ceg³y, które po wstêpnym wysuszeniu poddaje siê wypaleniu. Dla ceg³y ceramicznej kanalizacyjnej stosuje siê temperaturê wypalania od 850 do 950 °C, a dla ceg³y klinkierowej temperaturê oko³o 1100 °C. W temperaturze 1100 °C nastêpuje czêœciowe spieczenie surowców i dlatego ceg³a klinkierowa ma znacznie szczelniejsz¹ strukturê i wiêksz¹ wytrzyma³oœæ. Do murowania kolektorów stosuje siê ceg³ê o podwy¿szonej jakoœci, dobrze wypalon¹, o wysokiej wytrzyma³oœci na œciskanie – dla ceg³y kanalizacyjnej nie mniejszej od 15 MPa, a dla klinkierowej nie mniejszej ni¿ 25 MPa. Ceg³y ceramiczne pe³ne stosowane do murowania kolektorów charakteryzuj¹ siê zmniejszon¹ nasi¹kliwoœci¹. Nasi¹kliwoœæ ceg³y zwyk³ej mo¿e dochodziæ do 22%, podczas gdy ceg³y kanalizacyjnej nie przekracza 12%. Nasi¹kliwoœæ ceg³y klinkierowej waha siê od 12% dla ceg³y o wytrzyma³oœci 25 MPa do 6% dla ceg³y o wytrzyma³oœci 35 MPa. Szczelniejsza struktura i mniejsza nasi¹kliwoœæ znacznie podnosz¹ odpornoœæ tej ceg³y na korozjê. Ceg³a stosowana do murowania kolektorów powinna byæ dobrze wypalona i charakteryzowaæ siê zwart¹, jednorodn¹ struktur¹ bez domieszek margla. Dla zmniejszenia szerokoœci spoin nale¿y stosowaæ ceg³y o mo¿liwie ma³ych odchy³kach wymiarowych. W kolektorach o mniejszych wymiarach dla zmniejszenia szerokoœci spoin poza ceg³¹ prost¹ stosuje siê ceg³ê klinow¹. W Polsce produkowano ceg³ê klinow¹ KG55 o wymiarach 55×65×120×250 mm

54

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

i KG45 o wymiarach 45×65×120×250 mm. Szczegó³owe wymagania dla ceg³y kanalizacyjnej okreœlono w normie [167], a dla ceg³y klinkierowej w normie [161]. Zaprawa. Do murowania kolektorów stosuje siê mocn¹ zaprawê cementow¹ o stosunku cementu do kruszywa 1:3, a do spoinowania nawet 1:2. Stosowaæ nale¿y kruszywo p³ukane o sk³adzie zapewniaj¹cym du¿¹ odpornoœæ na korozjê i uziarnieniu mieszcz¹cym siê w polu dobrego uziarnienia. Szczególnie przydatny jest piasek kwarcowy. Piasek powinien spe³niaæ wymagania okreœlone w normie [179]. Podwy¿szenie trwa³oœci zaprawy uzyskaæ mo¿na dziêki stosowaniu: • dodatku naturalnej pucolany (np. trasu), która uszczelnia strukturê zaprawy oraz wi¹¿e wolne wapno zawarte w cemencie, • dodatków poprawiaj¹cych szczelnoœæ struktury (py³ krzemionkowy, tworzywa sztuczne), • specjalnych, odpornych na korozjê siarczanow¹ cementów. Do cementów o podwy¿szonej odpornoœci na siarczany zalicza sie: • cement pucolanowy, • cement hutniczy, • cement portlandzki zwyk³y, bez dodatków, o obni¿onej zawartoœci C3A, • cement supersiarczanowy. Przez cement pucolanowy zgodnie z norm¹ [196] rozumie siê cement portlandzki o du¿ej zawartoœci pucolany. Norma wyró¿nia dwa rodzaje cementu pucolanowego: • CEM IV/A o zawartoœci py³u krzemionkowego, pucolany naturalnej i przemys³owej oraz popio³u lotnego krzemionkowego od 11 do 35%, • CEM IV/B o zawartoœci py³u krzemionkowego, pucolany naturalnej i przemys³owej oraz popio³u lotnego krzemionkowego od 36 do 55%. Zawartoœæ py³u krzemionkowego nie mo¿e byæ wiêksza ni¿ 10%. W warunkach podwy¿szonej agresji chemicznej korzystniejsze jest stosowanie cementu CEM IV/B. Cement pucolanowy jest cementem niskokalorycznym, odpornym tak¿e na s³abe kwasy. Charakteryzuje siê wolnym przyrostem wytrzyma³oœci oraz stosunkowo nisk¹ wytrzyma³oœci¹ koñcow¹, jednak wystarczaj¹c¹ dla zaprawy do murowania kolektorów. Cement hutniczy powstaje przez zmieszanie cementu portlandzkiego oraz zmielonego, granulowanego ¿u¿la wielkopiecowego. Norma [196] wyró¿nia dwa rodzaje cementu hutniczego: • CEM III/A o zawartoœci ¿u¿la wielkopiecowego od 35 do 64%, • CEM III/B o zawartoœci ¿u¿la wielkopiecowego od 66 do 80%. Cement CEM III/B ma szczególnie wysok¹ odpornoœæ na agresjê chemiczn¹, zw³aszcza siarczanow¹. Cement hutniczy charakteryzuje siê nisk¹ kalorycznoœci¹ oraz powolnymi przyrostami wytrzyma³oœci, ale wysok¹ wytrzyma³oœci¹ koñcow¹. ¯u¿el wielkopiecowy mo¿e zmniejszyæ przepuszczalnoœæ wody przez zaprawê nawet 100-krotnie [154, 155]. Cement hutniczy zawiera znacznie mniej wodorotlenku wapnia, co w po³¹czeniu z mniejsz¹ wodoprzepuszczalnoœci¹ zapewnia zwiêkszon¹ odpornoœæ na korozjê, w tym siarczanow¹. Dla zapewnienia podwy¿szonej odpornoœci na korozjê, zawartoœæ ¿u¿la powinna byæ nie mniejsza od 50%. Cement CEM III B jest trudno dostêpny

2.2. Kolektory murowane

55

na rynku, jednak mo¿e byæ zast¹piony przez cement CEM III A i dodatek od 20% do 30% zmielonego ¿u¿la wielkopiecowego. Cement portlandzki zwyk³y CEM I zgodnie z norm¹ [177] mo¿na uznaæ za umiarkowanie siarczanoodporny, gdy zawartoœæ C3A jest nie wiêksza od 8% oraz za wysoko siarczanoodporny, gdy zawartoœæ C3A jest nie wiêksza od 5%. Natomiast norma [197] wprowadza nastêpuj¹ce odmiany cementu siarczanoodpornego: • CEM I MSR o umiarkowanej odpornoœci na siarczany, • CEM I HSR o du¿ej odpornoœci na siarczany, • CEM I MSR NA niskoalkaliczny o umiarkowanej odpornoœci na siarczany, • CEM I HSR NA niskoalkaliczny o du¿ej odpornoœci na siarczany. W zale¿noœci od wytrzyma³oœci na œciskanie wyró¿nia siê zgodnie z norm¹ [197] nastêpuj¹ce klasy cementu: 32.5, 32.5 R, 42.5, 42.5R, 52.5 i 52.5R. Liter¹ R oznaczono klasy o wysokiej wytrzyma³oœci wczesnej. Szczególnie istotna dla uznania danego cementu za siarczanoodporny jest zawartoœæ 3CaO·Al2O3 (C3A); dla poszczególnych cementów wymagania s¹ nastêpuj¹ce: • CEM I HSR ≤ 3%, • CEM I MSR ≤ 8%. Cement supersiarczanowy (nie jest produkowany w Polsce) wytwarza siê przez wspólny przemia³ oko³o 80% granulowanego ¿u¿la wielkopiecowego, 10–15% siarczanu wapniowego (w postaci gipsu martwopalonego lub anhydrytu naturalnego) i do 5% klinkieru portlandzkiego. Cement ten charakteryzuje siê ma³ym ciep³em hydratacji oraz stosunkowo du¿¹ odpornoœci¹ na siarczany i kwasy humusowe. Dla poprawienia odpornoœci chemicznej zapraw mo¿na stosowaæ dodatki tworzyw sztucznych. Dzia³anie takich dodatków polega przede wszystkim na znacznym zmniejszeniu nasi¹kliwoœci zaprawy. Dobre efekty przynosi dodatek do wody zarobowej oko³o 10% specjalnej emulsji asfaltowej lub oko³o 25% dyspersji tworzywa sztucznego. Badania cech fizycznych i wytrzyma³oœciowych zapraw wykonuje siê zgodnie z norm¹ [176]. Do murowania kolektorów mo¿na te¿ stosowaæ gotowe zaprawy PCC o potwierdzonej wysokiej odpornoœci na siarczany.

2.2.2. Wykonawstwo kolektorów Murowanie kolektorów rozpoczyna siê od fundamentu, który nale¿y wykonaæ z dok³adnoœci¹ ±5 mm w planie i ±1 mm dla spadku [239]. W kana³ach o mniejszych wymiarach jako fundament s³u¿¹ zwykle prefabrykowane spody betonowe lub kamionkowe. W przypadku spodów betonowych dla zwiêkszenia g³adkoœci powierzchni i odpornoœci na œcieranie i korozjê pokrywa siê je ³uskami kamionkowymi. Spody ustawia siê z zachowaniem wymaganego spadku dok³adnie w osi kana³u na styk, a spoinê zalewa zapraw¹ cementow¹ 1:3. Dla kana³ów o wiêkszych wymiarach stosuje siê p³yty fundamentowe betonowe monolityczne, a dno muruje siê z ceg³y (lub kamienia). Przyjmuje siê gruboœæ p³yty fundamentowej w granicach od 0,15 do 0,25 m tak, aby ³¹czna gruboœæ p³yty fundamentowej i wyk³adziny dna kana³u z ceg³y by³a wiêksza o oko³o 30%

56

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

a

b

d

e

Do rury o œrednicy nominalnej

150 150 150 150

20 20 20 25

30 30 35 35

22 22 27 27

35 40 45 50

50 50 60 60

100 150 200 250

c

s

25

D

b

r

od gruboœci sklepienia kana³u. Dla zapewnienia kszta³tu spodu kana³u stosuje siê odpowiednie szablony. Przyk³ady ³usek wyk³adzinowych i spodów kana³owych wed³ug normy [160] ilustruj¹ rysunki 2.2.1 i 2.2.2. Murowanie kana³u mo¿na rozpocz¹æ po stwardnieniu betonu p³yty fundamentowej. Zwykle kolektory maj¹ stosunkowo ma³e spadki, co wymaga szczególnie starannego wykonania spodu. Wysokoœæ u³o¿enia cegie³ powinna byæ kontrolowana za pomoc¹ niwelacji do dok³adnie wytyczonych punktów rozmieszczonych w odleg³oœci od 3 do 4 m. Oœ kolektora nale¿y wytyczyæ i utrwaliæ, np. za pomoc¹ sznurka, który jednoczeœnie wyznacza spadek. Murowanie spodu rozpoczyna siê od u³o¿enia cegie³ po³o¿o-

f klasa kana³u

α 500

R

500

L1

S

a

Rys. 2.2.1. Kamionkowe ³uski wyk³adzinowe

Najwiêksza szerokoœæ kana³u

a

r

c

f

b

nych dok³adnie w osi kana³u. Ceg³y po600 210 150 130 200 120 700 300 170 150 270 120 i 250 winny byæ wczeœniej namoczone przez 800 300 200 170 340 250 oko³o 3 godziny, wskazane jest tak¿e 900 300 225 200 450 250 zmycie ich powierzchni szczotk¹. Ceg³y 1000 300 250 220 470 250 nale¿y uk³adaæ tak, aby szerokoœæ spoin 1100 300 275 240 480 250 wewnêtrznych by³a nie wiêksza od 7 Wymiary kielicha – wartoœci podano w [mm] mm, a w ewentualnych pierœcieniach zeRys. 2.2.2. Kamionkowe spody kana³owe wnêtrznych 10 mm [239]. Sposób murowania spodu kana³u ilustruje rys. 2.2.3 [22]. Po stwardnieniu zaprawy w spodzie mo¿na przyst¹piæ do murowania konstrukcji dolnego sklepienia. Aby zachowaæ wymiary kolektora oraz gruboœci spoin, œciany muruje siê pod sznur rozpiêty pomiêdzy szablonami o kszta³cie kana³u. Szablony ustawia siê w takiej odleg³oœci, aby zapewniæ wygodne rozpinanie sznura, nie wiêkszej ni¿ 5 m, mocuj¹c je zwykle do obudowy œcian wykopu. Na szablonie naciêciami zaznaczone s¹

57

2.2. Kolektory murowane

poszczególne warstwy cegie³. Po wymurowaniu danej warstwy sznur przenosi siê tak, aby zapewniæ regularny rozk³ad warstw muru i zachowanie wymaganej gruboœci spoin. W przypadku kana³ów o wiêkszych wymiarach sklepienie sk³ada siê z wiêcej ni¿ jednej warstwy cegie³. Konstrukcja takiego kana³u sk³ada siê z dwóch lub wiêkszej liczby wspó³œrodkowych pierœcieni, które muruje siê osobno wed³ug wczeœniej przygotowanych szablonów. Szczególnie dok³adnie nale¿y murowaæ pierœcieñ wewnêtrzny, aby zapewniæ równ¹ powierzchniê. Ceg³y w tym pierœcieniu nale¿y uk³adaæ tak, aby szerokoœæ spoin wewnêtrznych by³a nie wiêksza od 7 mm [239]. Warstwê zaprawy pomiêdzy pierœcieniami nale¿y u³o¿yæ szczególnie starannie dla zapewnienia szczelnoœci konstrukcji. Sposób murowania dolnego i górnego sklepienia ilustruje rys. 2.2.4 [22]. Po stwardnieniu zaprawy w dolnym sklepieniu mo¿na przyst¹piæ do murowania górnego sklepienia. Sklepienie to muruje siê na przesuwnych bêbnach lub kr¹¿ynach w kszta³cie sklepienia, ustawionych na rusztowaniach opieraj¹cych siê o dno i boki ka-

1 2

3 4 5 6 7 8 Rys. 2.2.3. Sposób murowania spodu kana³u

9

Rys. 2.2.4. Sposób murowania dolnego i górnego sklepienia: 1 – rozpory, 2 – górne sklepienie, 3 – bêben do murowania górnego sklepienia, 4 – rusztowanie do ustawienia bêbnów, 5 – dolne sklepienie, 6 – fundament betonowy, 7 – zagêszczona pospó³ka, 8 – dreny, 9 – warstwa drenuj¹ca

58

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

na³u. Bêbny nale¿y ustawiaæ wy¿ej o oko³o 10 do 15 mm ni¿ projektowana wysokoœæ kana³u. Po zakoñczeniu murowania danego odcinka sklepienia, gdy zaprawa jest jeszcze œwie¿a bêbny usuwa siê, co powoduje zaciœniêcie siê cegie³ i lepsze wype³nienie spoin. Dla u³atwienia dok³adnego uk³adania cegie³ na bêbnach mo¿na narysowaæ linie oznaczaj¹ce poszczególne warstwy. Ceg³y w poszczególnych warstwach nale¿y uk³adaæ tak, aby szerokoœæ spoin wewnêtrznych by³a nie wiêksza od 7 mm [239]. Szablon do murowania górnego sklepienia ilustruje rys. 2.2.5 [22].

S A

B

Rys. 2.2.5. Szablon do murowania górnego sklepienia

Na zakoñczenie zewnêtrzn¹ powierzchniê kolektora pokrywa siê warstw¹ zaprawy cementowej o gruboœci oko³o 20 mm [21]. Nale¿y stosowaæ zaprawê cementow¹ 1:3 spe³niaj¹c¹ wymagania okreœlone w punkcie 2.2.1. Powierzchniê wewnêtrzn¹ po stwardnieniu zaprawy w spoinach i ca³kowitym zasypaniu kana³u nale¿y starannie wyspoinowaæ zapraw¹ cementow¹ 1:2. Pocz¹tkowo stosowano do tej zaprawy cement z dodatkiem naturalnej pucolany (tras). Badania autorów przeprowadzone na licznych kana³ach, eksploatowanych nawet ponad 100 lat, potwierdzi³y bardzo du¿¹ trwa³oœæ tej zaprawy. W okresie póŸniejszym stosowano zaprawy na specjalnych cementach o podwy¿szonej odpornoœci na siarczany oraz specjalne zaprawy modyfikowane tworzywami sztucznymi (zaprawy PCC). Przyk³ady rozwi¹zañ konstrukcyjnych kolektorów murowanych ilustruj¹ rys. 2.2.6–2.2.11 [246]. Przykanaliki z instalacji domowych wprowadza siê za pomoc¹ wpustów bocznych lub górnych wykonanych z kamionki. Konstrukcjê wpustów ilustruj¹ rys. 2.2.12 i 2.2.13 [160]. Kolektory murowane realizowano przede wszystkim w sieciach ogólnosp³awnych charakteryzuj¹cych siê bardzo du¿ymi wahaniami przep³ywu œcieków. Jajowy kszta³t przekroju poprzecznego zapewnia dobre warunki przep³ywu. W okresach niskich przep³ywów œcieki p³yn¹ tylko w dolnej „zaostrzonej” czêœci, co zapewnia minimaln¹ dla samooczyszczania kana³u prêdkoœæ przep³ywu. Jajowy kszta³t przekroju poprzecznego wynika ponadto z potrzeby jego dostosowania do linii ciœnieñ. Najkorzystniejszy dla

59

2.2. Kolektory murowane

0,

0,

36

0,

38

2,00

1,33

20

2,00

0,

15

2,00

wyp ra wa

ka mie ñ c iosa ny

1,90 Rys. 2.2.6. Murowany kana³ kamienny (Drezno)

Rys. 2.2.7. Murowany kana³ kamienny (Odessa)

0,72

0,

0,933

22

1,55

0,25

0,27

1,25

1,213

1,00

2,00

1,40

0,34

p o d syp ka z t³uc znia

b e ton 1,463

Rys. 2.2.8. Kana³ murowany z ceg³y na podbudowie betonowej (Berlin)

2,35

Rys. 2.2.9.Kana³ murowany z ceg³y z obudow¹ betonow¹ (Berlin)

60

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

φ 200

l

1,30

25

a

0,80

A

α

∅ 200

0 1,2

10

°

B

1,20

25

r

0,2 0

8 0.1

¿wir c

¿wir

¿wir

0,15

0,61 1,00

f

Rys. 2.2.11. Kana³ murowany z wpustami kamionkowymi

Rys. 2.2.10. Kana³ murowany z ceg³y ze spodem kamionkowym (Stuttgart) klasa kana ³u

25

∅ 200

380

r

°

10 °

¿wir

a

69

Najwiêksza szerokoœæ kana³u

I II III IV V VI

600 700 800 900 1000 1100

l

r

250

900 1050 1200 1350 1500 1550

250 i 500

500 500 500 500

Wymiary kielicha – wartoœci podano w mm

420

Klasa kana³u

l

420

45°

Rys. 2.2.12. Przyk³ad kamionkowego wpustu bocznegolewego

61

Klasa kana³u

Na jw iêksza szeroko œæ ka na ³u

r

l

I

600

220

150

II

700

270

150 i 300

III

800

320

300

IV

900

360

300

V

1000

400

300

VI

1100

440

300

l

270

2.2. Kolektory murowane

Wymiary kielicha – wartoœci podano w mm

25

φ 200

r

280

Rys. 2.2.13. Przyk³ad kamionkowego wpustu górnego

kolektora murowanego jest taki kszta³t, w którym w ¿adnym fragmencie tego przekroju nie wyst¹pi¹ naprê¿enia rozci¹gaj¹ce, poniewa¿ wytrzyma³oœæ muru na rozci¹ganie jest znikoma.

2.2.3. Kszta³ty przekrojów poprzecznych Kszta³ty przekrojów poprzecznych zamkniêtych kana³ów œciekowych okreœlone s¹ w normie [163]. Norma ta przewiduje nastêpuj¹ce kszta³ty kana³ów: • ko³owy, symbol kszta³tu K, • jajowy, symbol kszta³tu J, • jajowy podwy¿szony, symbol kszta³tu JP,

5 0,

b

1,5 b

0, 25

0, 25

b

b

b

b

h

h

1,5 b

b Rys. 2.2.3.1. Kana³ jajowy: b:h = 1:1,5, F = 1,149b2, U = 3,965b, R = 0,290b

b Rys. 2.2.3.2. Kana³ jajowy podwy¿szony: b:h = 1:1,75, F = 1,359b2, U = 4,397b, R = 0,309b

62

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

h

0,1 b h

1,3 b

• gruszkowy, symbol kszta³tu GR, • dzwonowy, symbol kszta³tu DZ. Norma przewiduje ponadto jeden kszta³t uzupe³niaj¹cy – prostok¹tny o symbolu kszta³tu P. Kszta³ty przekrojów poprzecznych ilustruj¹ rysunki od 2.2.3.1 do 2.2.3.4. Liter¹ U oznaczono obwód zwil¿ony, liter¹ F – pole przekroju poprzecznego, a liter¹ R – promieñ hydrauliczny. Sklepienia górne kana³ów jajowego podwy¿szonego, gruszkowego i dzwonowego przyjmuje siê wed³ug rysunku 2.2.3.5. Wszystkie kszta³ty przekrojów poprzecznych przewidziane w normie stosuje siê w kana³ach murowanych. Ze wzglêdu na w³aœciwoœci hydrauliczne i warunki pracy konstrukcji, kana³y murowane realizowano najczêœciej jako jajowe i jajowe podwy¿szone oraz ko³owe.

5

b

0,5 b

0,

b

b

Rys. 2.2.3.4. Kana³ dzwonowy: b:h = 1:0,85, F = 0,669b2, U = 3,032b, R = 0,221b

0,6

0,75 b

0,4

b

Rys. 2.2.3.3. Kana³ gruszkowy: b:h = 1:1,25, F = 0,994b2, U = 3,574b, R = 0,278b

5b

1,2 b

0,35 b

0,35 b

b

Rys. 2.2.3.5. Kszta³t górnego sklepienia kana³u jajowego podwy¿szonego, gruszkowego i dzwonowego

2.3. Przewody ¿eliwne

63

2.3. Przewody ¿eliwne 2.3.1. Wprowadzenie ¯eliwo szare zastosowano ju¿ w po³owie XV w. przy budowie wodoci¹gów (rozdzia³ 1.1.4). W roku 1562 w miejscowoœci Langensalza powsta³ wodoci¹g o d³ugoœci oko³o 1000 m do zasilania studni ratusza. Przewód sk³ada³ siê z rur ¿eliwnych o d³ugoœciach 1,75 m i œrednicach wewnêtrznych 115 lub 145 mm. Innym przyk³adem zastosowania rur ¿eliwnych by³ wodoci¹g zbudowany w latach 1664–1668 w parku obok Pa³acu Wersalskiego. Fotografie najstarszych rur ¿eliwnych przedstawiono na rys. 2.3.1 [80, 81]. W XIX wieku rury z ¿eliwa szarego znalaz³y zastosowanie tak¿e przy budowie przewodów do przesy³u gazu. Pierwszy gazoci¹g zbudowano w Berlinie w 1827 r. W wielu europejskich miastach do dziœ funkcjonuj¹ ¿eliwne sieci wodoci¹gowe i gazoci¹gi licz¹ce sobie ponad 100 lat. =

>

Rys. 2.3.1. Najstarsze zachowane rury ¿eliwne: a) z roku 1455 (Dillenburg – Niemcy), b) z lat 1664 –1668 Wersal (Francja)

64

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

Przewody kanalizacyjne z ¿eliwa szarego zaczêto budowaæ w XIX w. Najczêœciej budowano z nich ciœnieniowe kana³y tranzytowe oraz kana³y uk³adane w trudnych warunkach gruntowo-wodnych. W latach piêædziesi¹tych XX w. ¿eliwo szare zosta³o zast¹pione ¿eliwem sferoidalnym o znacznie lepszych parametrach wytrzyma³oœciowych. Aktualne przepisy (EN 598) [63] dopuszczaj¹ rury z ¿eliwa sferoidalnego do budowy przewodów zarówno grawitacyjnych, jak i ciœnieniowych w zakresie œrednic od DN 100 do DN 2000 oraz w zakresie ciœnieñ do 0,6 MPa (6 atm). Obecnie rury produkowane s¹ z ¿eliwa sferoidalnego, lecz tysi¹ce kilometrów czasem bardzo starych ju¿ przewodów z kruchego ¿eliwa szarego jest wci¹¿ w eksploatacji, co bywa przyczyn¹ licznych awarii.

2.3.2. ¯eliwo szare i sferoidalne ¯eliwo jest materia³em utworzonym z ¿elaza oraz wêgla w postaci grafitu. W ¿eliwie szarym wolny grafit ma formê blaszkowat¹, w ¿eliwie sferoidalnym natomiast przyjmuje on formê kulek. Mikroskopowy obraz struktury ¿eliwa sferoidalnego przedstawiono na rys. 2.3.2 [80, 81]. Obydwie odmiany ¿eliwa ró¿ni¹ siê zasadniczo pod wzglêdem w³aœciwoœci mechanicznych. Przebieg linii naprê¿eñ w pobli¿u p³ytek grafitu w ¿eliwie szarym ulega silnemu zaburzeniu (zagêszczeniu), co powoduje lokaln¹ koncentracjê naprê¿eñ (efekt karbu) i zmniejszenie wytrzyma³oœci materia³u. W ¿eliwie sferoidalnym zaburzenia te s¹ znacznie mniejsze, sk¹d wynika wiêksza wytrzyma³oœci materia³u. Przebieg linii naprê¿eñ dla ¿eliwa szarego i sferoidalnego ilustruje rys. 2.3.3 [80, 81]. Dziêki swej budowie strukturalnej ¿eliwo sferoidalne przy zginaniu i rozci¹ganiu mo¿e siê plastycznie odkszta³caæ po przekroczeniu granicy plastycznoœci (wyd³u¿enie powy¿ej 0,2%). Takie w³aœciwoœci ¿eliwa sferoidalnego dobrze ilustruje rys. 2.3.4 [4],

Rys. 2.3.2. Mikroskopowy obraz struktury ¿eliwa sferoidalnego

2.3. Przewody ¿eliwne =

65

>

Rys. 2.3.3. Przebieg linii naprê¿eñ dla ¿eliwa (a) szarego oraz (b) sferoidalnego

na którym widoczna jest plastycznoœæ materia³u. Tak korzystnych w³aœciwoœci mechanicznych nie wykazuje ¿eliwo szare, które jest kruche. W sk³ad ¿eliwa oprócz ¿elaza i wêgla wchodzi krzem. Wykres zawartoœci wêgla i krzemu dla ¿eliwa szarego i sferoidalnego przedstawiono na rys. 2.3.5 [80, 81]. Jak widaæ, ¿eliwo sferoidalne mo¿e powstaæ przy zawartoœci wêgla w granicach 3–4% oraz krzemu w granicach 2–3%. Odpowiada to w przybli¿eniu przedzia³owi eklektycznemu wykresu zale¿noœci ¿elazo–wêgiel [80, 81]. Poza zasadniczymi sk³adnikami w strukturze ¿eliwa mog¹ siê znaleŸæ œladowe iloœci innych pierwiastków, takich jak: o³ów, bizmut, aluminium, fosfor, siarka, mangan, cyna, arsen i tytan. Szczególnie dwa pierwsze pierwiastki maj¹ negatywny wp³yw na kszta³towanie siê cz¹stek wolnego grafitu w ¿eliwie sferoidalnym, gdy¿ ich obecnoœæ prowadzi do deformacji kulistych form grafitu, przez co pogarszaj¹ siê parametry wy-

Rys. 2.3.4. Mo¿liwoœci deformacji plastycznych przekroju pierœcieniowego z ¿eliwa sferoidalnego

66

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

zawartoœæ wêgla [ %]

5,0 %C +1/3 %Si = 4,3

¿eliwo sferoidalne

4,0

3,0

¿eliwo szare 2,0 0

1,0 2,0 3,0 zawartoϾ krzemu [%]

4,0

Rys. 2.3.5. Wykres zawartoœci wêgla i krzemu dla ¿eliwa szarego i sferoidalnego

trzyma³oœciowe tego materia³u. Aby nie dosz³o do takich niekorzystnych zmian w³aœciwoœci mechanicznych ¿eliwa, zawartoœæ o³owiu i bizmutu nie powinna byæ wy¿sza ni¿ 0,002%. Obecnoœæ magnezu ma z kolei korzystny wp³yw, gdy¿ u³atwia on tworzenie przez wolny grafit form kulistych (patrz rys. 2.3.2.) oraz zmniejsza zawartoœæ siarki, wi¹¿¹c j¹ w postaci siarczanu magnezu. Ponadto magnez redukuje tlenki zawarte w stopie.

2.3.3. Parametry wytrzyma³oœciowe ¿eliwa sferoidalnego Ogólne informacje dotycz¹ce wymagañ, w³aœciwoœci i badañ ¿eliwa szarego oraz sferoidalnego mo¿na znaleŸæ w normach PN-EN 1561 [203] i PN-EN 1563 [204]. Podstawowe w³aœciwoœci ¿eliwa sferoidalnego stosowanego do produkcji rur musz¹ natomiast odpowiadaæ normom europejskim EN 545 [62], EN 598 [63], EN 969 [65] oraz krajowym PN-92/H-83123. Dla ¿eliwa sferoidalnego do produkcji rur metod¹ odœrodkow¹ wybrane wartoœci zestawiono w tabeli 2.3.1 wed³ug [80, 81]. W tabeli 2.3.2 zestawiono wartoœci wybranych parametrów wytrzyma³oœciowych ¿eliwa sferoidalnego w zale¿noœci od œrednicy rur oraz dla armatury wytwarzanych w Ostrowcu Œwiêtokrzyskim [147]. Twardoœæ wed³ug Brinella ¿eliwa sferoidalnego u¿ywanego do produkcji rur nie mo¿e przekraczaæ nastêpuj¹cych wartoœci: • rury produkowane metod¹ odœrodkow¹ 230 HB, • kszta³tki oraz inne elementy armatury 250 HB. Rury ciœnieniowe z ¿eliwa sferoidalnego musz¹ dodatkowo spe³niaæ nastêpuj¹ce wymagania: • pionowe obci¹¿enie niszcz¹ce ≥ 550 MPa, • d³ugotrwa³a wytrzyma³oœæ na zginanie ≥ 420 MPa, • wytrzyma³oœæ na rozerwanie ≥ 300 MPa.

67

2.3. Przewody ¿eliwne Tabela 2.3.1. Podstawowe w³aœciwoœci ¿eliwa sferoidalnego do produkcji rur Cecha materia³owa

Jednostka

WartoϾ

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie

MPa

> 420

Granica plastycznoœci (0,2%)

MPa

> 300

Wyd³u¿enie przy zerwaniu

%

> 10

Wytrzyma³oœæ na œciskanie

MPa

> 550

Modu³ sprê¿ystoœci E

GPa

> 170

Wytrzyma³oœæ na rozerwanie

MPa

> 300

Pionowe obci¹¿enie niszcz¹ce

MPa

> 550

Wytrzyma³oœæ na zginanie w kierunku pod³u¿nym

MPa

> 420

Wytrzyma³oœæ na zmêczenie przy zginaniu obrotowym na próbkach z karbem

MPa

> 135

Wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej

m /K·m

10·10–6

Przewodnictwo cieplne

W/K·m

42

Ciep³o w³aœciwe

J/kg·K

550

Tabela 2.3.2. Wartoœci wybranych parametrów wytrzyma³oœciowych ¿eliwa sferoidalnego u¿ywanego do produkcji rur Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie Rm [MPa]

Granica plastycznoœci Rp 0,2 [MPa]

Wyd³u¿enie przy zerwaniu A [%]

Rury DN ≤ 1000 DN > 1000

≥ 420

≥ 300

≥ 10 ≥7

Kszta³tki oraz inne elementy armatury

≥ 420

≥ 300

≥5

Rodzaj elementu

Badania wykaza³y, ¿e ciœnienia niszcz¹ce dla rur ciœnieniowych z ¿eliwa sferoidalnego s¹ bardzo wysokie, i tak przyk³adowo dla œrednicy DN 100 wartoœæ ta osi¹ga³a 50 MPa [80].

2.3.4. Technologia produkcji metod¹ odlewania w formach piaskowych Technologia odlewania w formach piaskowych jest najstarsz¹ metod¹ produkcji rur oraz kszta³tek. Poniewa¿ kszta³tki nie maj¹ osiowej symetrii koniecznej przy wykorzystaniu metody odlewania odœrodkowego, nadal produkuje siê je tradycyjnym sposobem. Pocz¹tkowo rury odlewano w le¿¹cych dwuczêœciowych formach. W ten sposób, z uwagi na du¿e si³y wyporu, mo¿na by³o produkowaæ stosunkowo krótkie odcinki rur. PóŸniej zmodyfikowano technologiê przez wprowadzenie formy stoj¹cej, co pozwoli³o na produkcjê rur bezszwowych o wiêkszych d³ugoœciach. Schemat produkcji rur ¿eliwnych metod¹ odlewania w stoj¹cych formach przedstawiono na rys. 2.3.6 [81].

68

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

1 2 3 4 5 6 7

8

Podobnie jak pierwsze rury, produkuje siê do dziœ kszta³tki, stosuj¹c dwuczêœciowe tzw. formy stracone wykonane w oparciu o modele. Do korekty powierzchni wewnêtrznych stosuje siê wype³nienia, a przy produkcji du¿ych serii zautomatyzowane formierki. Modele kszta³tek wykonywane s¹ najczêœciej z ¿ywic syntetycznych lub z metalu. Same formy wytwarza siê zwykle ze spojonego glin¹ piasku kwarcowego z domieszk¹ py³u wêglowego. Zagêszczenie materia³u formy uzyskuje siê przez wibracjê lub wyciskanie.

2.3.5 Technologia produkcji metod¹ odlewania odœrodkowego

Podstawow¹ technologi¹ produkcji rur z ¿eliwa sferoidalnego jest obecnie metoda odlewania odœrodkowego. Kszta³tki s¹ na10 tomiast produkowane jako odlewy w formach piaskowych [81]. Metoda odlewania odœrodkowego proRys. 2.3.6. Schemat produkcji rur ¿eliwnych dukcji rur zosta³a opatentowana ju¿ w 1809 metod¹ odlewania w stoj¹cych formach: 1 – stracona g³owica, 2 – lejek do wlewu ¿eliwa, roku, jednak jej wdro¿enie mia³o miejsce 3 – obudowa, 4 – forma piaskowa, 5 – obudowa przesz³o 100 lat póŸniej, gdy w roku 1910 rdzenia, 6 – rdzeñ, 7 – warstwa z we³ny drzewnej, Otto Briede opracowa³ projekt odpowie8 – rdzeñ kielicha, 9 – zamkniêcie kielicha, dnich urz¹dzeñ. Urz¹dzenia te skonstruowa³ 10 – pierœcieñ zamykaj¹cy de Lavaud i dziœ od jego nazwiska metoda odlewania odœrodkowego produkcji rur znana jest jako metoda de Lavaud. W Niemczech pierwsze rury w oparciu o t¹ technologiê wyprodukowano w roku 1926. Powierzchniê zewnêtrzn¹ rury kszta³tuje siê przy u¿yciu wiruj¹cej formy z metalu. Schemat produkcji rur ¿eliwnych metod¹ de Lavaud przedstawiono na rys. 2.3.7 [80]. Prêdkoœæ obrotowa podczas procesu produkcji rur jest tak dobrana, aby osi¹gn¹æ 15–30-krotne przeci¹¿enie, co zapewnia bardzo szczeln¹ strukturê ¿eliwa. Dok³adne dozowanie iloœci p³ynnego stopu doprowadzanego do przesuwaj¹cej siê i jednoczeœnie wiruj¹cej formy zapewnia równomiern¹ gruboœæ œcianki rury. Forma jest ch³odzona wod¹ od strony zewnêtrznej dziêki czemu dochodzi do stwardnienia ¿eliwa oraz do zmniejszenia jego objêtoœci, co prowadzi do oderwania siê rury od formy i umo¿liwia jej wyci¹gniêcie od strony kielicha. Powierzchniê wewnêtrzn¹ rury kszta³tuje siê przez przewiercenie œwie¿o odlanej rury. Alternatywn¹ technologi¹ produkcji rur jest metoda Wetspray. Jest to równie¿ metoda odlewania odœrodkowego. Zasadnicza ró¿nica w stosunku do metody de Lavaud 9

69

2.3. Przewody ¿eliwne 1

6

4 5

2 3

7

8

11

10

9

Rys. 2.3.7. Schemat produkcji rur ¿eliwnych metod¹ de Lavaud: 1 – kadŸ odlewnicza, 2 – p³ynne ¿eliwo, 3 – koryto, 4 – forma stalowa, 5 – woda ch³odz¹ca, 6 – napêd formy, 7 – rdzeñ piaskowy, 8 – szyny prowadz¹ce, 9 – strumieñ ¿eliwa, 10 – rolki napêdowe, 11 – ko³o napêdowe

polega na ka¿dorazowym pokrywaniu powierzchni wewnêtrznej metalowej formy cienk¹, oko³o 0,5-milimetrow¹ warstw¹ z wodnej zawiesiny bentonitu oraz m¹czki kwarcowej. Znana jest równie¿ podobna metoda New-Moore’a, w której powierzchniê wewnêtrzn¹ metalowej formy pokrywa siê warstw¹ piasku kwarcowego zmieszanego z ¿ywic¹ syntetyczn¹ o gruboœci 2–3 mm. Na rozgrzanej powierzchni warstwa ta ulega szybkiemu utwardzeniu, a nastêpnie, podczas procesu produkcji rury, spoiwo ulega spaleniu tak, ¿e resztki wyk³adziny formy daj¹ siê ³atwo usun¹æ. Na rysunku 2.3.8 [55] przedstawiono schematycznie proces wytwarzania rur ¿eliwnych produkowanych metod¹ odlewania odœrodkowego.

Rys. 2.3.8. Etapy produkcji rur ¿eliwnych produkowanych metod¹ odlewania odœrodkowego: 1 – ruda ¿elaza, koks, domieszki, z³om, 2 – wytapianie w piecu hutniczym, 3 – odsiarczanie, 4 – mieszanie, 5 – dodawanie magnezu, 6 – przygotowanie rdzenia, 7 – wirowanie, 8 – wy¿arzanie, 9 – cynkowanie, 10 – szlifowanie, 11 – badania nieniszcz¹ce, 12 – przygotowanie zaprawy cementowej, 13 – nanoszenie wyk³adziny z zaprawy cementowej, 14 – dojrzewanie, 15 – nak³adanie izolacji, 16 – magazynowanie, 17 – wysy³ka

70

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

2.3.6. Obróbka koñcowa odlanych rur Obróbka termiczna Niektóre technologie produkcji rur ¿eliwnych po wykonaniu odlewu wymagaj¹ obróbki termicznej. Wi¹¿e siê to z zawartoœci¹ wêgla i jego postaci¹, w jakiej jest zawarty w ¿elazie. Im prêdzej przebiega proces ch³odzenia odlewu, tym wiêksza jest zawartoœæ wêgla rozpuszczonego w ¿elazie (cementyt). Powoduje to nadmiern¹ twardoœæ oraz niekorzystnie obni¿a wyd³u¿alnoœæ materia³u. W procesie póŸniejszego wy¿arzania zachodzi rozk³ad cementytu na ferryt i grafit, przy czym w przypadku ¿eliwa sferoidalnego grafit wystêpuje w formie kulek. Technologia odlewania w formach piaskowych nie wymaga wy¿arzania gotowych elementów, poniewa¿ proces ch³odzenia w tym przypadku przebiega bardzo powoli. Dziêki temu struktura materia³u i w³aœciwoœci mechaniczne wykonanych odlewów, bez dodatkowych zabiegów s¹ odpowiednie. Polerowanie i obróbka mechaniczna Rury ¿eliwne wyprodukowane metod¹ odlewania odœrodkowego charakteryzuj¹ nierównoœci powierzchni w obrêbie kielicha. Wady te usuwane s¹ przez szlifowanie. Rury ¿eliwne wyprodukowane metod¹ odlewania w formach piaskowych wymagaj¹ oczyszczenia ich z drobnych ziaren kruszywa. Odbywa siê to w specjalnych urz¹dzeniach. W przypadku rur i kszta³tek o po³¹czeniach ko³nierzowych zgodnie z projektem nawiercane s¹ otwory. Powierzchnie czo³owe decyduj¹ce o szczelnoœci przysz³ego z³¹cza s¹ przetaczane na specjalnych tokarkach, aby usun¹æ wszelkie nierównoœci.

2.3.7. Pow³oki ochronne 2.3.7.1. Wprowadzenie Obecnie producenci rur ¿eliwnych oferuj¹ ró¿ne rozwi¹zania materia³owe pow³ok ochronnych zewnêtrznych i wyk³adzin wewnêtrznych. Je¿eli chodzi o zewnêtrzne pow³oki ochronne, to najczêœciej stosowane s¹ systemy wielowarstwowe. Zwykle pierwsz¹ warstwê ochronn¹ stanowi pow³oka cynkowa. Jest ona nak³adana na powierzchniê zewnêtrzn¹ rury poprzez: • malowanie farbami zawieraj¹cymi proszek cynkowy, • nanoszenie w procesie cynkowania ogniowego. Drug¹ warstwê ochronn¹ wykonuje siê z masy bitumicznej lub z tworzyw sztucznych, stosuj¹c nastêpuj¹ce technologie: • nawijanie folii polietylenowej, • nak³adanie warstwy polietylenu z ekstrudera, • nak³adanie warstwy polipropylenu z ekstrudera, • nak³adanie warstwy poliuretanu. Dodatkowa warstwa ochronna zabezpieczaj¹ca pow³okê cynkow¹ oraz warstwê izolacyjn¹ z tworzywa sztucznego mo¿e byæ wykonywana z nastêpuj¹cych materia³ów:

2.3. Przewody ¿eliwne

71

• zaprawa cementowa, • zaprawa cementowa wzmacniana w³óknami z tworzyw sztucznych, • zaprawa cementowa wzmacniana siatk¹ z tworzyw sztucznych. Wyk³adziny wewnêtrzne mog¹ byæ wykonywane z nastêpuj¹cych materia³ów: • zaprawa cementowa, • poliuretan, • polietylen, • ¿ywica epoksydowa. 2.3.7.2. Zewnêtrzne pow³oki ochronne rur ¿eliwnych Powierzchnia zewnêtrzna rur ¿eliwnych zabezpieczana jest zwykle dwuwarstwowo. Bezpoœrednio na rurê nak³adana jest pow³oka cynkowa, która nastêpnie jest pokrywana warstw¹ ochronn¹ bitumiczn¹ lub z tworzywa sztucznego. Cynkowanie rur odbywa siê po odpowiednim podgrzaniu rury. Nanoszenie pow³oki cynkowej metod¹ natryskiwania polega na roztopieniu specjalnego drutu z czystego cynku w p³omieniu lub ³uku elektrycznym i skierowaniu kropelek roztopionego metalu na czyst¹ powierzchniê rury, woln¹ od t³uszczu i wilgoci. Podczas tego procesu rura jest jednoczeœnie przesuwana i obracana tak, ¿e cynkowa pow³oka nak³adana jest spiralnie w sposób ci¹g³y. Pow³oka ta jest nastêpnie pokrywana warstw¹ ochronn¹ z bitumu lub z ¿ywicy. Warstwy ochronne równie¿ nanoszone s¹ przez natryskiwanie. Czasem, w razie potrzeby, stosuje siê dodatkowe warstwy ochronne. Dodatkowa pow³oka ochronna z PELD (polietylen o niskiej gêstoœci) dla rur o œrednicy do DN 500 nak³adana jest przy u¿yciu ekstrudera w postaci ci¹g³ego rêkawa, a ju¿ od œrednicy DN 400 mo¿na stosowaæ metodê nawojow¹ równie¿ z zastosowaniem ekstrudera. Przed rozpoczêciem nanoszenia pow³oki polietylenowej rurê nale¿y oczyœciæ i podgrzaæ tak, aby uzyskaæ dobr¹ przyczepnoœæ stosowanego w tej metodzie kleju. Dodatkowa zewnêtrzna pow³oka z zaprawy cementowej ma na celu zabezpieczenie pozosta³ych warstw ochronnych przed uszkodzeniami mechanicznymi, np. w przypadku uk³adania ruroci¹gu bezpoœrednio na gruntach skalistych. Pow³oka taka, o ile jest stosowana, stanowi ostatni¹ warstwê w wielowarstwowym systemie ochronnym, w sk³ad którego wchodz¹: • pow³oka cynkowa, • warstwa poœrednia z ¿ywicy syntetycznej, • warstwa z zaprawy cementowej. Warstwa z zaprawy cementowej zawiera czêsto w³ókna szklane lub z tworzyw sztucznych. Je¿eli zastosowana zaprawa cementowa jest modyfikowana tworzywami sztucznymi, to mo¿na zrezygnowaæ z warstwy poœredniej. Warstwa zaprawy cementowej jest nak³adana poprzez natryskiwanie lub przy u¿yciu ekstrudera. W pierwszym przypadku warstwa zaprawy natryskiwana jest na powierzchniê nieruchomej rury poprzez obracaj¹ce siê wokó³ niej dysze. W drugim przypadku zaprawa nanoszona jest przez stacjonarne dysze szczelinowe na powierzchniê zewnêtrzn¹ obracaj¹cej siê i przesuwaj¹cej wzd³u¿ osi pod³u¿nej rury. Jednoczeœnie z nanoszeniem zaprawy cementowej rurê

72

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

owija siê spiralnie taœm¹ z siatki polietylenowej, która przykrywana jest kolejn¹ cienk¹ warstw¹ zaprawy, a nastêpnie wyg³adzana. Ca³kowita gruboœæ tak uzyskanej warstwy ochronnej wynosi oko³o 5 mm. Zabezpieczanie ocynkowanej czêœci kielichowej rury wykonuje siê oddzielnie. 2.3.7.3. Wewnêtrzne pow³oki ochronne rur ¿eliwnych Od niedawna w ofercie niektórych firm s¹ rury z ¿eliwa sferoidalnego z wewnêtrzn¹ pow³ok¹ z tworzywa sztucznego; najczêœciej jest to kilkumilimetrowa warstwa z polietylenu (PEHD), poliuretanu (PU), polipropylenu (PP) lub ¿ywicy epoksydowej. Standardowym rozwi¹zaniem dla rur ¿eliwnych stosowanych w gospodarce wodno-œciekowej jest najczêœciej wyk³adzina z zaprawy cementowej. Wyk³adzina taka powstaje przez wprowadzenie do wnêtrza szybko wiruj¹cej wzd³u¿ poziomej osi rury porcji œwie¿ej zaprawy cementowej. Wewnêtrzn¹ wyk³adzinê z zaprawy cementowej mo¿na nanosiæ na czyst¹ powierzchniê rury, woln¹ od t³uszczu i wilgoci. Prêdkoœæ obrotowa jest tak dobrana, ¿e si³a odœrodkowa daje oko³o 20-krotne przeci¹¿enie. Dziêki temu warstwa naniesionej zaprawy jest g³adka i dobrze zagêszczona. Dojrzewanie zaprawy odbywa siê zwykle w specjalnych komorach, zapewniaj¹cych odpowiedni¹ temperaturê i wilgotnoœæ. Wytrzyma³oœæ zaprawy na œciskanie po 28 dniach, zgodnie z norm¹, nie mo¿e byæ mniejsza ni¿ 50 MPa. Obecnie wszystkie rury ¿eliwne dla zastosowañ w gospodarce wodno-œciekowej s¹ w Polsce standardowo produkowane z wewnêtrzn¹ wyk³adzin¹ zgodnie z norm¹ PN-92/H-74108 „Rury z ¿eliwa sferoidalnego dla ruroci¹gów ciœnieniowych i bezciœnieniowych. Wyk³adzina z zaprawy cementowej nak³adanej odœrodkowo. Wymagania i badania” [190]. Gruboœci wyk³adziny wewnêtrznej z zaprawy cementowej dla rur ¿eliwnych zgodne z t¹ norm¹ przedstawiono w tab. 2.3.3. 2.3.7.4. W³aœciwoœci wewnêtrznej wyk³adzinyz zaprawy cementowej Nowo utworzona warstwa z zaprawy cementowej tworzy pow³okê o dobrych w³aœciwoœciach wytrzyma³oœciowych, która bardzo dobrze przylega do rury i w sposób trwa³y poprawia parametry hydrauliczne oraz zdolnoœæ przewodu do przenoszenia obci¹¿eñ. Dzia³anie ochronne wyk³adziny z zaprawy cementowej polega z jednej strony na ochronie biernej, tzn. na stworzeniu skutecznej zapory oddzielaj¹cej materia³ konstrukcyjny œcianki rury od transportowanego medium, a z drugiej strony na ochronie czynnej, gdy¿ warstwa zaprawy wykazuje zdolnoœci do aktywnej ochrony przed korozj¹. Ochrona antykorozyjna jest skuteczna nawet wówczas, gdy w strukturze wyk³adziny cementowej wystêpuj¹ rysy i pêkniêcia. Dostêp wody do wewnêtrznej powierzchni rury, nawet w przypadku niezarysowanej wyk³adziny z zaprawy cementowej, nie jest ca³kowicie zahamowany, poniewa¿ warstwa ta nie jest wodoszczelna. Natomiast dop³ywaj¹ca woda podczas przenikania przez warstwê zaprawy cementowej staje siê silnie alkaliczna (pH ≈12) i nie stanowi wówczas zagro¿enia korozyjnego. Na tym w³aœnie polega ochrona aktywna przed korozj¹, gdy¿ w takich warunkach ¿elazo pozostaje pasywne, bêd¹c zabezpieczone cienk¹ warstw¹ tlenku [148]. Przy wysokiej jakoœci wyk³adzin cementowych, jak¹ siê obecnie uzyskuje i odpowiedniej ich gruboœci wystarczaj¹co skuteczna jest ochrona bierna.

73

2.3. Przewody ¿eliwne Tabela 2.3.3. Gruboœci wyk³adziny wewnêtrznej z zaprawy cementowej dla rur ¿eliwnych zgodne z norm¹ [190] Œrednica nominalna

Œrednica zewnêtrzna

DN

DN [mm]

DE [mm]

I

40

56

Grupa

II

III

IV

V

Gruboœæ warstwy wyk³adziny e [mm]

Przybli¿ona masa na

Nominalna

Mininimalna wartoœæ œrednia

WartoϾ minimalna w 1 punkcie

jednostkê d³ugoœci [kg]

3

2,5

1,5

0,8

50

66

1

60

77

1,3

65

82

1,4

80

98

1,7

100

118

2,1

125

144

2,7

150

170

3,2

200

222

4,2

250

274

5,2

300

326

6,3

350

378

400

429

14

500

532

17,5

600

635

20,9

5

6

4,5

5,5

2,5

3,0

12,3

700

738

800

842

33,4

29,3

900

945

37,6

1000

1048

41,7

1200

1255

50

1400

1462

1600

1668

9

100,1

1800

1875

112,5

2000

2082

125

2200

2288

2400

2495

200

2600

2702

216,6

10

8,0

10,0

4,0

5,0

87,6

183,5

Szczelnoœæ i trwa³oœæ wyk³adziny z zaprawy cementowej chroni¹cej rurê wynika zatem z jej nastêpuj¹cych w³aœciwoœci: • odpowiedniej gruboœci, • szczelnoœci strukturalnej dziêki odpowiedniemu sk³adowi zaprawy i niskiej wartoœci wskaŸnika w/c, • odpornoœci na uszkodzenia mechaniczne dziêki wysokiej wytrzyma³oœci zaprawy,

74

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

• zdolnoœci do samoregeneracji polegaj¹cej na zasklepianiu siê rys w wyniku pêcznienia zaprawy cementowej przy kontakcie z wod¹ lub wskutek tworzenia siê kryszta³ów wêglanu wapnia i ich osadzaniu siê podczas reakcji chemicznej jonów wapnia i wodorowêglanów. Pow³oka tworzy wiêc rodzaj wewnêtrznej rury, której zalety w stosunku do przewodu bez wewnêtrznej wyk³adziny z zaprawy cementowej s¹ nastêpuj¹ce: • odpornoœæ na korozjê (dla pH ≥ 4,5) pod warunkiem zastosowania odpowiedniego cementu (patrz rozdzia³ 7), • odpornoœæ na inkrustacjê, • szczelnoœæ, • zmniejszenie oporów przep³ywu, • zwiêkszona przepustowoœæ, • du¿a odpornoœæ na œcieranie, • du¿a odpornoœæ termiczna (do 100 °C), • zbli¿ona rozszerzalnoœæ cementowej pow³oki i ¿eliwnej rury, • du¿a trwa³oœæ. Polska norma [190] wymaga, aby powierzchnia warstwy stwardnia³ej wyk³adziny by³a g³adka; nie mia³a porów ani widocznych pêcherzy powietrza. Dopuszczalne jest wystêpowanie na powierzchni wyk³adziny wy³¹cznie zatopionych ziaren piasku. Wyk³adzina nie powinna byæ krucha, wykazywaæ falistoœci i wg³êbieñ, które w jakimkolwiek punkcie mog³yby zmniejszyæ jej gruboœæ poni¿ej wartoœci minimalnej podanej w tab. 2.3.3. Szerokoœæ rozwarcia ewentualnych pêkniêæ lub rys powsta³ych podczas procesu produkcji lub transportu nie mo¿e przekraczaæ 0,8 mm. Program badañ przewidywanych w normie obejmuje: • ustalenie gruboœci wyk³adziny, • ustalenie krzywej uziarnienia piasku, • wzrokow¹ ocenê wygl¹du wyk³adziny. Niemieckie wytyczne DVGW W342 [56] okreœlaj¹ce wymagania w stosunku do wewnêtrznych wyk³adzin z zaprawy cementowej wykonywanych fabrycznie dla rur ¿eliwnych i stalowych przewiduj¹ ca³y szereg badañ dla œwie¿o na³o¿onej zaprawy oraz dla utwardzonej wyk³adziny, które obejmuj¹: • badanie w³aœciwoœci sk³adników zaprawy, • badanie rozp³ywu œwie¿ej zaprawy, • badanie wskaŸnika w/c (dla zaprawy cementowej nak³adanej odœrodkowo w/c ≤ 0,42), • badanie wytrzyma³oœci na œciskanie (min σs = 35 MPa), • badanie wytrzyma³oœci na rozci¹ganie przy zginaniu (min σz = 5 MPa), • badanie gruboœci wyk³adziny (dla œwie¿o na³o¿onej zaprawy pomiar przez wbicie szpilki stalowej, natomiast dla utwardzonej – badania nieniszcz¹ce); gruboœæ pow³oki mo¿e byæ mierzona w dowolnym przekroju poprzecznym rury, oddalonym co najmniej o 300 mm od jej koñca w czterech punktach co 90°, • badanie szerokoœci rozwarcia rys (nie mo¿e ona przekraczaæ 0,8 mm),

2.3. Przewody ¿eliwne

75

• badanie powierzchni wyk³adziny – powierzchnia wyk³adziny powinna byæ g³adka; nie powinna wykazywaæ falistoœci i nierównoœci. To proste badanie przeprowadza siê sztywn¹ linijk¹ d³ugoœci 30 cm. Uk³ada siê j¹ na powierzchni utwardzonej wyk³adziny wzd³u¿ osi rury; przeœwity wynikaj¹ce z nierównoœci nie mog¹ byæ wiêksze ni¿ 1 mm dla DN < 600 oraz 1,5 mm dla DN ≥ 600 mm.

2.3.8. Z³¹cza rur ¿eliwnych W praktyce spotyka siê dwa rodzaje z³¹cz rur ¿eliwnych: z³¹cza ko³nierzowe oraz z³¹cza kielichowe. Z³¹cza ko³nierzowe stosowane s¹ najczêœciej w przypadku przewodów nadziemnych (np. przepompownie, zak³ady uzdatniania wody), z³¹cza kielichowe natomiast w przypadku przewodów podziemnych. Z³¹cza ko³nierzowe Historycznie najstarszym standardowym rozwi¹zaniem po³¹czeñ rur ¿eliwnych s¹ z³¹cza ko³nierzowe. Zosta³y one po raz pierwszy znormalizowane ju¿ w 1882 roku w Niemczech. Z³¹cze zbudowane jest z dwóch ko³nierzy, uszczelki (której rodzaj zale¿y od przeznaczenia przewodu) oraz okreœlonej (w zale¿noœci od œrednicy) liczby œrub wraz z nakrêtkami. Taka budowa z³¹cza sprawia, ¿e jest ono ³atwe w demonta¿u. Z³¹cza te s¹ sztywne i przenosz¹ si³y osiowe oraz pod³u¿ne momenty zginaj¹ce na kolejne rury. Schemat najstarszego rozwi¹zania takiego z³¹cza dla rur ¿eliwnych przedstawiono na rys. 2.3.9 [81]. 1

2

3 Rys. 2.3.9. Schemat rozwi¹zania z³¹cza ko³nierzowego dla rur ¿eliwnych: 1 – œruba, 2 – ko³nierz, 3 – uszczelka

Z³¹cza kielichowe doszczelniane Takie z³¹cza stosowane by³y dawniej dla rur z ¿eliwa szarego, z których budowano tak¿e gazoci¹gi. Z³¹cza tego typu nale¿y traktowaæ jako sztywne. Przyk³adowe rozwi¹zanie z³¹cza kielichowego doszczelnianego o³owiem przedstawiono na rys. 2.3.10 [81]. D¹¿¹c do zwiêkszenia niezawodnoœci po³¹czeñ rur ¿eliwnych, zmodernizowano je wprowadzaj¹c uszczelki gumowe. Dziêki temu zwiêkszono elastycznoœæ z³¹cz, nie pogarszaj¹c ich szczelnoœci.

76

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

1

3

2

Rys. 2.3.10. Schemat rozwi¹zania z³¹cza kielichowego doszczelnianego dla rur ¿eliwnych: 1 – kielich, 2 – o³ów, 3 – paku³y

Z³¹cza kielichowe gwintowane Z³¹cza kielichowe gwintowane stosowane s¹ w Niemczech ju¿ od roku 1931. Przyk³adowe rozwi¹zanie takiego z³¹cza przedstawiono na rys. 2.3.11 [81]. Gwintowany pierœcieñ poprzez podk³adkê pierœcieniow¹ dociska elastyczn¹ uszczelkê z twardej gumy, która zamyka ca³e z³¹cze. Takie po³¹czenie rur jest bardzo elastyczne, gdy¿ umo¿liwia ich wzajemny obrót o k¹t α = 3°.

1

3

2

4

Rys. 2.3.11. Schemat rozwi¹zania z³¹cza kielichowego gwintowanego dla rur ¿eliwnych: 1 – gwintowany pierœcieñ, 2 – kielich, 3 – pierœcieñ poœlizgowy, 4 – uszczelka

Z³¹cza kielichowe d³awnicowe Z³¹cza kielichowe d³awnicowe stosowane by³y w Niemczech od roku 1936. Idea tego rozwi¹zania przedstawiona na rys. 2.3.12 [80] jest zbli¿ona do rozwi¹zania zastosowanego w z³¹czach kielichowych gwintowanych. W tym przypadku uszczelka gumowa o przekroju klinowym dociskana jest pierœcieniem d³awnicowym podczas dokrêcania œrub rozmieszczonych na jego obwodzie. Przedstawiane po³¹czenie rur jest bardzo elastyczne, gdy¿ umo¿liwia ich wzajemny obrót o k¹t α = 3°. Obecnie rozwi¹zanie takie stosuje siê przy ³¹czeniu niektórych rodzajów kszta³tek w zakresie œrednic od DN 500 do DN 1200.

2.3. Przewody ¿eliwne

77

2

1

4

3

Rys. 2.3.12. Schemat rozwi¹zania z³¹cza kielichowego d³awnicowego dla rur ¿eliwnych: 1 – pierœcieñ dociskowy, 2 – œruba, 3 – uszczelka (pierœcieniowa), 4 – kielich

Nowoczesne z³¹cza kielichowe Obecnie z³¹cza rur ¿eliwnych projektowane s¹ najczêœciej jako kielichowe. Najbardziej rozpowszechnione s¹ z³¹cza kielichowe systemu TYTON® obejmuj¹cego kilka podstawowych odmian. S¹ one w swej budowie proste, a przy tym niezawodne i bardzo elastyczne, gdy¿ umo¿liwiaj¹ wzajemny obrót ³¹czonych rur o 5° dla DN ≤ 300, 4° dla DN 400, 3° dla DN 500–1000, 2° dla DN 1200 oraz 1° dla DN 1400. Przyk³adowe rozwi¹zania z³¹czy kielichowych systemu TYTON® przedstawiono na rys. 2.3.13 [140].

1

a)

Ø D Ø d1

2

t DN

DN 65 600

1

b)

Ø D Ø d1

2

t DN

DN 700 1200

Rys. 2.3.13. Przyk³adowe rozwi¹zania z³¹czy kielichowych systemu TYTON®: a) DN 65–600, b) DN 700–1200, 1 – kielich rury, 2 – uszczelka

78

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

2.3.9. Zakres zastosowañ Zakres zastosowañ rur ¿eliwnych obejmuje przewody wodoci¹gowe, kanalizacyjne i gazowe o œrednicach nominalnych od DN 40 do DN 2000. W tabeli 2.3.4 zestawiono zakresy dopuszczalnych ciœnieñ dla poszczególnych rodzajów rur zgodnie z odpowiednimi normami: przewody wodoci¹gowe (EN 545) [62], przewody kanalizacyjne (EN 598) [63], przewody gazowe (EN 969) [65].

Tabela 2.3.4. Dopuszczalne wartoœci ciœnieñ dla poszczególnych rodzajów rur ¿eliwnych Woda PMA [MPa]

Œrednica nominalna DN

Œcieki PN [MPa]

Gaz PFA [MPa]

K9

K10

K9, K10

40

7,7

7,7

–

1,6

50

7,7

7,7

–

1,6

60

7,7

7,7

–

1,6

65

7,7

7,7

–

1,6

80

7,7

7,7

–

1,6

100

7,7

7,7

0,6

1,6

125

7,7

7,7

0,6

1,6

150

7,7

7,7

0,6

1,6

200

7,4

7,7

0,6

1,6

250

6,5

7,3

0,6

1,6

300

5,9

6,7

0,6

1,6

350

5,4

6,1

0,6

1,6

400

5,1

5,8

0,6

1,6

450

4,8

5,4

0,6

1,6

500

4,6

5,3

0,6

1,6

600

4,3

4,9

0,6

1,6

700

4,1

4,6

0,6

–

800

3,8

4,3

0,6

–

900

3,7

4,2

0,6

– –

1000

3,6

4,1

0,6

1100

3,5

3,8

0,6

–

1200

3,4

3,8

0,6

–

1400

3,3

3,7

0,6

–

1500

3,2

3,6

0,6

–

1600

3,2

3,6

0,6

–

1800

3,1

3,6

0,6

–

2000

3,1

3,5

0,6

–

79

2.3. Przewody ¿eliwne

Poni¿ej w tabeli 2.3.5 zestawiono typoszereg rur kanalizacyjnych z ¿eliwa sferoidalnego z wewnêtrzn¹ wyk³adzin¹ z zaprawy cementowej produkcji krajowej [147] na podstawie normy [190]. Typoszereg rur ¿eliwnych produkcji zagranicznej [140] wed³ug [63] przedstawiono w tabeli 2.3.6.

Rys. 2.3.14. Oznaczenia do tabeli 2.3.5 Tabela 2.3.5. Rury ¿eliwne kanalizacyjne z wewnêtrzn¹ wyk³adzin¹ z zaprawy cementowej produkowane wed³ug [147]; oznaczenia na rys. 2.3.14 Œredn. Dz

Dz

Dz

s1

s2

L1

nom. DN

100

Masa [kg] 1 mb

[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm]

118

175 120,5

5,0

3

88

Ca³a rura o d³. L [m]

rury Kielich 5,00 6,00 bez wy- z wybez wyz wybez kielicha k³adziny k³adzin¹ k³adziny k³adzin¹ 12,5

4,3

66,8

77,3

–

–

150

170

235 172,5

5,0

3

94

18,3

7,1

98,6

114,6

–

–

200

222

295 224,5

5,0

3

100

24,0

10,3

–

–

154,8

179,3

250

274

355 276,5

5,3

3

105

31,5

14,2

–

–

203,2

235,3

300

326

410 328,5

5,6

3

110

39,7

18,6

–

–

256,8

294,8

400

429

520 431,5

6,3

3

115

59,0

29,3

–

–

383,3

467,3

2.3.10. Badania 2.3.10.1. Wprowadzenie W ramach kontroli jakoœci zarówno rury, kszta³tki, jak i uszczelki poddawane s¹ sta³ej kontroli poprzez odpowiednie badania. Badania te prowadzone s¹ przez w³asne laboratoria producenta oraz przez instytucje zewnêtrzne. Podstawowym dokumentem reguluj¹cym wymagania w stosunku do rur kanalizacyjnych z ¿eliwa sferoidalnego jest norma EN 598. Norma ta przewiduje badanie nastêpuj¹cych parametrów rur ¿eliwnych: • poszczególnych wymiarów rur,

80

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych Tabela 2.3.6. Rury ¿eliwne kanalizacyjne z wewnêtrzn¹ wyk³adzin¹ z zaprawy cementowej, produkowane wed³ug [63]

DN

Œrednica zewn. rury d1

Gruboœæ œcianki rury s1

GruboϾ warstwy zaprawy s1

[mm]

• • • • • • • • • • • • • •

Masa [kg] 1mb rury ¿eliwnej bez kielicha ¿eliwo

cement

Rura o d³. 6,0 m cementowana

1mb rury ¿eliwnej z kielichem ¿eliwo

cement

100

118

5,0

3,5

14,9

2,5

109

15,6

18,1

125

144

5,0

3,5

18,9

3,1

138

19,9

23,0

150

170

5,0

3,5

23,5

3,7

170

24,5

28,0

200

222

5,0

3,5

30,1

4,9

220

32,0

37,0

250

274

5,3

3,5

40,2

6,1

292

42,5

48,5

300

326

5,6

3,5

42,5

7,3

317

45,5

53,0

350

378

6,0

5,0

49,4

12,3

394

53,5

66,0

400

426

6,3

5,0

59,0

14,0

467

64,0

78,0

500

532

7,0

5,0

81,4

17,5

636

89,0

106,0

600

635

7,7

5,0

107,0

20,9

827

117,0

138,0

700

738

8,4

6,0

135,7

20,3

1070

149,0

178,0

800

842

9,1

6,0

167,9

33,4

1310

185,0

218,0

900

945

9,8

6,0

203,0

37,6

1580

225,0

263,0

1000

1048

10,5

6,0

241,3

41,7

1860

269,0

310,0

prostoliniowoœci rur, badania wytrzyma³oœciowe, twardoœci wed³ug Brinella, masy pow³oki cynkowej, gruboœci pow³ok ochronnych, wytrzyma³oœci na œciskanie wyk³adziny z zaprawy cementowej, gruboœci wyk³adziny z zaprawy cementowej, wytrzyma³oœci przy zginaniu rury w kierunku pod³u¿nym, sztywnoœci pierœcieniowej rury, szczelnoœci rur i kszta³tek przeznaczonych do pracy w systemach o przep³ywie grawitacyjnym, szczelnoœci po³¹czeñ rur w przypadku nadciœnienia, szczelnoœci po³¹czeñ rur w przypadku podciœnienia, odpornoœci chemicznej, odpornoœci na œcieranie. W punktach 2.3.10.2–2.3.10.5 opisano skrótowo procedury wybranych badañ. 2.3.10.2. Badanie wytrzyma³oœci ¿eliwa na rozci¹ganie Rm

Badanie przeprowadza siê na próbkach walcowych w maszynie wytrzyma³oœciowej. Wymiary próbek oraz sposób ich pobrania szczegó³owo okreœla norma. Przyrost ob-

81

2.3. Przewody ¿eliwne

ci¹¿enia powinien zawieraæ siê w granicach 6–30 MPa/s. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie Rm oblicza siê jako stosunek si³y niszcz¹cej do pierwotnego pola przekroju poprzecznego próbki. Wyd³u¿enie próbki A wyra¿ane w procentach nale¿y wyliczyæ, porównuj¹c przyrost d³ugoœci próbki do jej d³ugoœci pocz¹tkowej lub stosuj¹c odpowiednie systemy pomiarowe. Otrzymane wartoœci nie mog¹ byæ ni¿sze od minimalnych, przedstawionych w tabeli 2.3.7. Tabela 2.3.7. Minimalne wytrzyma³oœci ¿eliwa na rozci¹ganie

Rodzaj elementu

Min.wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie Rm [MPa]

Minimalne wyd³u¿enie A [%]

DN 100–DN 2000

DN 100–DN 1000

DN 1100–DN 2000

Rury z ¿eliwa sferoidalnego odlewane odœrodkowo

420

10

7

Rury ¿eliwne odlewane w formach

420

5

5

2.3.10.3. Badanie wytrzyma³oœci przy zginaniu rury w kierunku pod³u¿nym Badanie przeprowadza siê na rurze ustawionej na dwóch podporach o rozstawie 4,0 m. Obci¹¿enie w œrodku rozpiêtoœci si³¹ F przyk³adane jest poprzez specjalny blok, zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 2.3.15 [63]. F

F

4,00 m Rys. 2.3.15. Schemat badania wytrzyma³oœci przy zginaniu dla rur ¿eliwnych w kierunku pod³u¿nym

Szerokoœæ bloku nie mo¿e przekraczaæ 100 mm i musi byæ on wy³o¿ony warstw¹ elastomeru o gruboœci 10±5 mm i twardoœci 50° wed³ug Shora. Obci¹¿enia odbywaj¹ siê w dwóch etapach. W pierwszym do osi¹gniêcia momentu eksploatacyjnego, a w drugim – po odci¹¿eniu, a¿ do osi¹gniêcia momentu gwarantowanego z tabeli 2.3.8. Momenty zginaj¹ce M nale¿y obliczaæ wed³ug równania: M = 0,25·10–6·R f D 2 e (2.3.1) gdzie: M – moment zginaj¹cy, kNm,

82

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych Tabela 2.3.8. Minimalne wartoœci momentów eksploatacyjnych i gwarantowanych dla wybranych rur ¿eliwnych Œrednica nominalna [DN]

Moment eksploatacyjny [kNm]

Moment gwarantowany [kNm]

100

6,5

11

125

9,5

16

150

13,5

23

200

26,0

44

Rf – naprê¿enia dopuszczalne w œciance rury, MPa, D – œrednica powierzchni œrodkowej rury, mm, e – najmniejsza gruboœæ œcianki rury, mm. Do obliczenia momentu eksploatacyjnego nale¿y przyj¹æ Rf = 250 MPa, a momentu gwarantowanego Rf = 420 MPa. 2.3.10.4. Badanie sztywnoœci pierœcieniowej S Badanie przeprowadza siê na odcinku rury o d³ugoœci L = 500 ±20 mm. Próbka umieszczana jest na pod³o¿u ukszta³towanym zgodnie z rys. 2.3.16 [63]. Obci¹¿enie liniowe na badany odcinek rury przekazywane jest poprzez sztywn¹ belkê o szerokoœci 50 mm i d³ugoœci 600 mm. Zarówno pod³o¿e, jak i belka na powierzchniach kontaktowych pokryte s¹ warstw¹ elastomeru o gruboœci 10±5 mm i twardoœci 50° wed³ug Shora. Obci¹¿enie liniowe F [kN/m] musi osi¹gn¹æ wartoœæ okreœlon¹ w normie dla danej œrednicy rury. Wzglêdne ugiêcie rury [%] odpowiadaj¹ce osi¹gniêtemu obci¹¿eniu nie mo¿e przekroczyæ podanej w normie wartoœci dopuszczalnej. Sztywnoœæ pierœcieniow¹ S nale¿y obliczaæ z równania: S = 0,019

F

F Y

(2.3.2)

F

Rys. 2.3.16. Schemat badania sztywnoœci pierœcieniowej S dla rur ¿eliwnych

83

2.3. Przewody ¿eliwne

gdzie: S – sztywnoœæ pierœcieniowa, kN/m2, F – obci¹¿enie liniowe, kN/m, Y – ugiêcie pionowe, m. 2.3.10.5. Badanie szczelnoœci po³¹czeñ rur w przypadku nadciœnienia Badanie przeprowadza siê na dwóch odcinkach po³¹czonych ze sob¹ rur o d³ugoœci co najmniej 1,0 m ka¿da. Stanowisko badawcze musi byæ tak zaprojektowane, aby mog³o przejmowaæ powstaj¹ce si³y pod³u¿ne, a ponadto, aby mo¿na by³o przy³o¿yæ odpowiednie obci¹¿enia œcinaj¹ce. Schemat badania przedstawiono na rys. 2.3.17 [63].

W

W M c

F b

a

Rys. 2.3.17. Schemat badania szczelnoœci po³¹czeñ rur ¿eliwnych

2.3.11. Oznaczenia Na powierzchni ka¿dej rury musi byæ umieszczone trwa³e oznaczenie, zawieraj¹ce co najmniej poni¿sze informacje: • nazwa producenta, • data produkcji, • oznaczenie materia³u, • œrednica nominalna, • dopuszczalne ciœnienie robocze PN dla rur ciœnieniowych, • numer odnoœnej normy.

2.4. Przewody betonowe 2.4.1. Przewody monolityczne 2.4.1.1. Wymagania materia³owe Beton Z uwagi na wysokie wymagania w zakresie trwa³oœci, wystêpuj¹ce zagro¿enia korozyjne dla materia³u, z którego wykonane s¹ kolektory (patrz rozdzia³ 7) oraz stosunkowo nisk¹ jakoœæ, jak¹ mia³ pocz¹tkowo beton, tworzywo to nie by³o stosowane do budowy kana³ów. Koniecznoœæ budowy przewodów o coraz wiêkszych przekrojach poprzecznych przy wysokich kosztach i pracoch³onnoœci realizacji kana³ów murowanych oraz ograniczeniu œrednic przewodów kamionkowych zmusza³y do poszukiwania

84

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

straty nana skutek œcierania stra ty skute k œc ie ra nia

nowych rozwi¹zañ. Znacz¹cy postêp w technologii wytwarzania betonu, jaki nast¹pi³ po II wojnie œwiatowej, sprzyja³ w takich warunkach coraz szerszemu stosowaniu tego materia³u, tak¿e do budowy ruroci¹gów. Obecnie beton, beton zbrojony i sprê¿ony s¹ tworzywami powszechnie stosowanymi, zw³aszcza do budowy kolektorów wielkowymiarowych. W przypadku przewodów sanitarnych i ogólnosp³awnych beton mo¿e byæ nara¿ony na lekk¹ lub œredni¹ agresywnoœæ œrodowiska, a w przypadku ma³ych spadków, gdzie mo¿e zachodziæ rozk³ad osadów przy braku skutecznej wentylacji, agresywnoœæ œrodowiska mo¿e wzrosn¹æ do wysokiej. Zgodnie z norm¹ [175] dla œredniej agresywnoœci œrodowiska wymagana jest materia³owo-strukturalna oraz powierzchniowa ochrona betonu. Przez ochronê materia³owo-strukturaln¹ zgodnie z norm¹ [175] rozumie siê ca³oœæ zabiegów zmierzaj¹cych do zwiêkszenia odpornoœci betonu na korozjê, zw³aszcza siarczanow¹. Osi¹ga siê to dziêki: • zmniejszeniu nasi¹kliwoœci i podwy¿szeniu wodoszczelnoœci betonu, • stosowaniu betonu o mo¿liwie niskim stosunku w/c, • stosowaniu cementu o podwy¿szonej odpornoœci na korozjê, • stosowaniu dobrej jakoœci kruszywa odpornego na korozjê, • stosowaniu dodatków i domieszek poprawiaj¹cych szczelnoœæ i odpornoœæ betonu na korozjê. Nasi¹kliwoœæ betonu nie mo¿e byæ wy¿sza od 4%, a wodoszczelnoœæ nale¿y dosto200 sowaæ do przewidywanego zagro¿enia korozyjnego (patrz rozdz.7). Du¿y wp³yw na 180 w³aœciwoœci betonu ma stosunek w/c, co ilu1 160 struj¹ rys. 2.4.1 i 2.4.2.

wsp.. przesi¹kliwoœci, wsp p rze si¹ kliwo œc i, 10

-14

m/s

140 120 100 80 60 40

120

2

100 80 60 40

3

20

20 0

140

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 W/C Rys. 2.4.1. Wp³yw stosunku w/c na przesi¹kliwoœæ betonu [155]

0

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 W/C

Rys. 2.4.2. Wp³yw stosunku w/c na œcieralnoœæ betonu [155]: 1 – badanie z u¿yciem kul stalowych, 2 – badanie z u¿yciem kó³ zdzieraj¹cych, 3 – badanie metod¹ œrutowania

85

2.4. Przewody betonowe

Na rysunku 2.4.3 przedstawiono porów- 0,10 nanie wzglêdnej odpornoœci na œcieranie przewodów kanalizacyjnych wykonanych z ró¿nych materia³ów. Analiza powy¿szych 0,08 wykresów wskazuje, ¿e do konstrukcji ko1 lektorów kanalizacyjnych nie nale¿y stoso0,06 waæ betonów o w/c wiêkszym od oko³o 2 0,45. Zmniejszenie stosunku w/c z wartoœci 0,50 (przeciêtny beton) do 0,40 (beton obe- 0,04 cnie stosowany do produkcji rur przez uzna3 nych producentów) powoduje, ¿e podatnoœæ betonu na œcieranie i przesi¹kliwoœæ zmniej- 0,02 4 sza siê o oko³o 50%. 5 Beton o stosunku w/c = 0,40 mo¿e sprawiaæ pewne trudnoœci we w³aœciwym zagê5 5 5 5 szczeniu. Zmniejszenie wskaŸnika w/c bez 1x10 2x10 3x10 4x10 pomniejszenia urabialnoœci mo¿na uzyskaæ Rys. 2.4.3. Wzglêdna œcieralnoœæ przewodów przez dodanie do betonu superplastyfikatokanalizacyjnych wykonanych z ró¿nych ra. Dzia³anie superplastyfikatora polega na materia³ów [68]: 1 – rury azbestocementowe, dostarczeniu ziarnom cementu ³adunku 2 – rury z PCW, 3 – rury kamionkowe, 4 – rury ujemnego. Powoduje to odpychanie siê ziabetonowe, 5 – rury betonowe ze stopk¹ ren i ich rozproszenie, co istotnie poprawia urabialnoœæ betonu i umo¿liwia ograniczenie iloœci wody w betonie, a wiêc tak¿e redukcjê w/c. Wp³yw ten ilustruje rys. 2.4.4. 600 ro zp ³yw [mm]

1 500

400

2 3 4

300 120

140 160 180 200 220 za wa rto Ͼ wod y [kg /m 3 ]

240

Rys. 2.4.4. Zale¿noœæ miêdzy wielkoœci¹ rozp³ywu, a zawartoœci¹ wody w betonie z zastosowaniem superplastyfikatorów i bez superplastyfikatorów [155]: 1 – z superplastyfikatorem, 2 – uplastycznienie betonu, 3 – zwiêkszenie wytrzyma³oœci betonu, 4 – bez superplastyfikatora

86

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

lic zb a c ykli d o uzyska nia 0,1% e ksp a nsji

Do produkcji betonów dla realizacji kolektorów kanalizacyjnych nale¿y stosowaæ cementy o podwy¿szonej odpornoœci na korozjê. Szczególnie istotna jest zawartoœæ C3A w cemencie. Wp³yw zawartoœci C3A na trwa³oœæ betonu poddanego korozji siarczanowej (roztwór Na2SO4) ilustruje rys. 2.4.5 [67]. Przyjmuje siê, ¿e cement o zawartoœci C3A mniejszej od 8% charakteryzuje siê œredni¹ odpornoœci¹ na korozjê siarczanow¹, a o zawartoœci mniejszej od 3% wysok¹ odpornoœci¹. Du¿¹ odpornoœci¹ na korozjê siarczanow¹ charakteryzuj¹ siê cementy hutnicze, które dodatkowo pozwalaj¹ uzyskaæ beton o wy¿szej szczelnoœci (w³aœciwoœci tego cementu omówiono w rozdz. 2.2.1). Poprawê odpornoœci betonu na korozjê siarczanow¹ mo¿na tak¿e uzyskaæ stosuj¹c odpowiednie kruszywo, np. wapienne. Wp³yw rodzaju kruszywa na odpornoœæ betonu na korozjê siarczanow¹ ilustruje rys. 2.4.6 [158]. 1000

W/C W/C W/C W/C

800

= 0,45 = 0,52 = 0,58 = 0,65

600 400 200 0

1,0

3,0

5,0 7,0 9,0 11,0 13,0 15,0 17,0 19,0 za wa rto Ͼ C 3A w c e me nc ie , %

Rys. 2.4.5. Wp³yw zawartoœci C3A w cemencie na trwa³oœæ betonu na korozjê siarczanow¹ [67] 130 110

ε (10 -6 M Pa -1 )

90

G , σ = 0,65 Rg

70 50

W, σ = 0,65 Rw

W, σ = 0,275 Rw

30 10 0 -10

G , σ = 0,275 Rg

-30 0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

c za s p od o b c i¹ ¿e nie m (d ni)

Rys. 2.4.6. Wp³yw rodzaju kruszywa na odpornoœæ betonu na korozjê siarczanow¹; liter¹ W oznaczono kruszywo wapienne, a liter¹ G kruszywo granitowe [158]

2.4. Przewody betonowe

87

Kruszywo wêglanowe do produkcji betonów dla swoich wyrobów (rury i studzienki kanalizacyjne), dostêpnych tak¿e w naszym kraju, stosuje firma Stein Risse. W Polsce brak jest normy lub wytycznych okreœlaj¹cych minimaln¹ wytrzyma³oœæ betonu na œciskanie dla konstrukcji kana³ów, tego rodzaju obiektów nie powinno siê jednak wykonywaæ z betonu klasy ni¿szej ni¿ B37. Pozosta³e wymagania dla betonu okreœlono w normie [181]. Zasady ochrony materia³owo-strukturalnej betonu omówiono w rozdziale 7. Stal zbrojeniowa Zgodnie z norm¹ [177] stosowaæ mo¿na wszystkie rodzaje stali zbrojeniowej o niepodwy¿szonej wytrzyma³oœci (Qr do 340 MPa), dobieraj¹c mo¿liwie du¿e œrednice zbrojenia. Nie nale¿y stosowaæ zbrojenia o œrednicy mniejszej ni¿ 8 mm. Powierzchnia zbrojenia powinna byæ czysta, najwy¿ej pokryta lekkim nalotem rdzy. Materia³y izolacyjne Zgodnie z norm¹ [172] przy projektowaniu ochrony powierzchniowej nale¿y uwzglêdniæ: • odpornoœæ chemiczn¹ materia³u izolacyjnego, • szczelnoœæ, • przyczepnoœæ do chronionej powierzchni, • rysoodpornoœæ, • odpornoœæ mechaniczn¹, • rozszerzalnoœæ termiczn¹ i przewodnoœæ ciepln¹. Odpornoœæ chemiczn¹ materia³u izolacyjnego nale¿y dobraæ stosownie do przewidywanego zagro¿enia korozyjnego. Œcieki bytowo-gospodarcze s¹ s³abo agresywne w stosunku do betonu, jednak w wyniku procesów opisanych w rozdziale 7 mo¿e dojœæ do korozji siarczanowej o œrednim, a nawet wysokim stopniu agresywnoœci. Œcieki mog¹ zawieraæ pewne iloœci chlorków, detergentów oraz t³uszczu i olejów. W zwi¹zku z tym materia³y izolacyjne dla kana³ów sanitarnych i ogólnosp³awnych powinny charakteryzowaæ siê odpornoœci¹ na te substancje. Szczególnie du¿¹ odpornoœæ materia³y te musz¹ wykazywaæ na korozjê siarczanow¹. Materia³y izolacyjne powinny charakteryzowaæ siê okreœlon¹, minimaln¹ wytrzyma³oœci¹ na odrywanie (przyczepnoœci¹). Zgodnie z wytycznymi [251], wytrzyma³oœæ pow³ok izolacyjnych na odrywanie dla poszczególnych materia³ów powinna byæ: • dla materia³ów epoksydowych 1,5 MPa, dopuszcza siê w pojedynczych punktach wytrzyma³oœæ nie mniejsz¹ ni¿ 1,0 MPa, • dla materia³ów mineralnych 0,8 MPa, dopuszcza siê w pojedynczych punktach wytrzyma³oœæ nie mniejsz¹ ni¿ 0,5 MPa. Przyjmuje siê zwykle, ¿e wytrzyma³oœæ na odrywanie w przypadku materia³ów mieszanych bitumiczno-epoksydowych nie powinna byæ mniejsza od 1,2 MPa, a materia³ów bitumicznych nie mniejsza ni¿ 1,0 MPa. Dopuszczalna szerokoœæ rozwarcia rys dla przewodów betonowych i ¿elbetowych nie mo¿e byæ wiêksza od 0,1 mm. Materia³y stosowane do zabezpieczeñ antykorozyjnych powinny wiêc byæ odporne na powstanie rys o takiej rozwartoœci. Materia³y izolacyjne w trakcie normalnej eksploatacji, poza stref¹ kinety nie s¹ nara¿one na oddzia³ywania mechaniczne. W strefie kinety wleczone osady, zw³aszcza

88

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

piasek, powoduj¹ œcieranie powierzchni. Ewentualne materia³y izolacyjne dla strefy kinety musz¹ charakteryzowaæ siê wiêc podwy¿szon¹ odpornoœci¹ na œcieranie. Dobieraj¹c parametry wytrzyma³oœciowe materia³u izolacyjnego, nale¿y uwzglêdniæ koniecznoœæ czyszczenia kana³ów, zwykle wod¹ pod odpowiednio wysokim ciœnieniem. W kolektorach rozszerzalnoœæ termiczna i przewodnoœæ cieplna materia³u izolacyjnego, wobec bardzo ma³ego zakresu zmian temperatury, nie ma istotnego znaczenia. W przypadku kolektorów nara¿onych na znaczne wahania temperatury (np. niektóre kolektory odprowadzaj¹ce œcieki przemys³owe) materia³y izolacyjne powinny charakteryzowaæ siê zbli¿onym do betonu wspó³czynnikiem rozszerzalnoœci liniowej oraz odpornoœci¹ na temperatury wystêpuj¹ce w przewodzie. 2.4.1.2. Rozwi¹zania konstrukcyjne Przy kszta³towaniu przekroju poprzecznego kolektorów uwzglêdnia siê cechy wytrzyma³oœciowe betonu (du¿¹ wytrzyma³oœæ na œciskanie i ma³¹ na rozci¹ganie) oraz wymogi hydrauliczne. Pocz¹tkowo kolektory betonowe, podobnie jak murowane, realizowano przede wszystkim w sieciach ogólnosp³awnych, charakteryzuj¹cych siê bardzo du¿ymi wahaniami przep³ywu œcieków. Najkorzystniejszym rozwi¹zaniem w takiej sytuacji jest przekrój o kszta³cie jajowym, zapewniaj¹cy w okresach niskich przep³ywów minimaln¹ dla samooczyszczania kana³u prêdkoœæ przep³ywu. Takie kszta³ty jak dzwonowy, gruszkowy, jajowy i ko³owy s¹ dobrze dostosowane do linii ciœnieñ, co powoduje, ¿e naprê¿enia rozci¹gaj¹ce w przekrojach tych konstrukcji s¹ zminimalizowane. Przyk³ady monolitycznych kolektorów betonowych ilustruj¹ rys. 2.4.7–2.4.9 [246]. Ma³a wytrzyma³oœæ betonu na rozci¹ganie stwarza ograniczenia w kszta³towaniu przekroju poprzecznego oraz trudnoœci realizacyjne zwi¹zane z konieczn¹ du¿¹ gruboœci¹ œcianek. Rozwi¹zaniem eliminuj¹cym te ograniczenia by³o wprowadzenie do betonu zbrojenia przenosz¹cego naprê¿enia rozci¹gaj¹ce. Umo¿liwi³o to realizacjê kolektorów o wiêkszych przekrojach oraz kszta³tach przekroju poprzecznego, w którym wystêpuj¹ znaczne naprê¿enia rozci¹gaj¹ce. Noœnoœæ kolektorów ¿elbetowych mo¿na kszta³towaæ w doœæ szerokim zakresie, co umo¿liwia realizacjê przewodów nawet o znacznym przekroju poprzecznym i ich uk³adanie na du¿ych g³êbokoœciach. Przyk³ady zrealizowanych kolektorów ¿elbetowych ilustruj¹ rys. 2.4.10–2.4.12 [246].

2.4.2. Kolektory prefabrykowane 2.4.2.1. Wymagania materia³owe W Polsce wymagania dla rur betonowych i ¿elbetowych stosowanych w kanalizacji zawarto miêdzy innymi w normach bran¿owych [23, 24, 27]. Beton Zgodnie z tymi normami rury niesprê¿one nale¿y produkowaæ z betonu szczelnego klasy B25, a rury sprê¿one z betonu klasy B40. Do produkcji betonu dla rur niesprê¿onych normy zalecaj¹ stosowanie cementu portlandzkiego CEM I, tak¿e szybkospraw-

89

0,18

2.4. Przewody betonowe

0,575

1

0,20

0,30

0,50

5

0,295

4

0,15 0,16

0,20

7 1,8

0 1,1

0,295

0,13

0, 8

0, 5

75

2 80

3

1,10

0,40

1,10

3,00

0, 3 67

Rys. 2.4.7. Betonowy kana³ o przekroju dzwonowym (Drezno): 1 – wodoszczelna wyprawa 1:3 gruboœci 1 cm, 2 – beton, 3 – wyprawa 1:2 gruboœci 1 cm, 4 – ³uski kamionkowe gruboœci 22 mm, 5 – uszczelnienie asfaltem [246]

0,80

0,25

0 1, 2

1,50

1,90

1,40

0,25

0,25

0,

20

0,80 1,30

Rys. 2.4.8. Betonowy kana³ o przekroju jajowym podwy¿szonym z wyk³adzin¹ kinety z ceg³y i kamionkowej [246]

0,36

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

0,

60

1,00

1,83

1,335

1,2

0,

0

30

0,35

0,45

0,45 1,80

1,524

0,381

Rys. 2.4.9. Betonowy kana³ o przekroju jajowym z wyk³adzin¹ kinety z ceg³y [246]

0,203

1,372

0,203

90°

0,381

0, 68 6

90

Rys. 2.4.10. Kana³ ¿elbetowy z wyk³adzin¹ kinety z ceg³y (Nowy Jork) [246]

91

0,1

33

0,127

2.4. Przewody betonowe

9 13 0,

0,1

46

1,520

52

0,1

0,7

50

0,1

52

1,830

3

0,127

~ 1:

Rys. 2.4.11. ¯elbetowy kana³ o przekroju dzwonowym (Harrisbourg) [246]

7,80

0,50

1,45 4,35

4,3 5

5,20

1,50

4,3 5,20 5

8,70

9,45

10,50

10,25

Rys. 2.4.12. BliŸniacze kana³y ¿elbetowe o przekroju dzwonowym (St. Louis) [246]

nego (oznaczonego liter¹ R) oraz cementu z dodatkami CEM II, a dla sprê¿onych – cementu portlandzkiego lub specjalnego odmiany II (nie ma odpowiednika w obecnej normie) marki nie ni¿szej ni¿ 45 (wed³ug obecnie obowi¹zuj¹cej normy nie ni¿szej ni¿ 42.5). W przewodach kanalizacji sanitarnej i ogólnosp³awnej beton pracuje najczêœciej w œrodowisku o s³abym lub œrednim stopniu agresywnoœci, rzadziej o silnym. Dla œredniego stopnia agresywnoœci konieczna jest ochrona materia³owo-strukturalna oraz powierzchniowa, ograniczaj¹ca dostêp œrodowiska agresywnego, a dla stopnia silnego ma-

92

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

teria³owo-strukturalna i izolacja ca³kowicie odcinaj¹ca dostêp czynnika agresywnego. Rury przeznaczone do stosowania w kanalizacji ogólnosp³awnej i sanitarnej powinny wiêc byæ produkowane z wykorzystaniem cementu o podwy¿szonej odpornoœci na siarczany (cementy takie omówiono w rozdz. 2.2.1). Cementy szybkosprawne zawieraj¹ce znaczne iloœci C3A nie powinny byæ stosowane do produkcji rur przeznaczonych do budowy przewodów kanalizacji sanitarnej i ogólnosp³awnej. Do rur niesprê¿onych nale¿y stosowaæ kruszywo spe³niaj¹ce wymagania okreœlone w normie [180] naturalne lub ³amane. Zgodnie z t¹ norm¹ nie mo¿na stosowaæ kruszyw ze ska³ wêglanowych oraz piaskowca. Natomiast dla rur sprê¿onych stosowaæ nale¿y piasek o œciœle okreœlonym uziarnieniu (zawartoœæ py³ów nie mo¿e przekraczaæ 2%) oraz kruszywo grube w postaci grysu 4–8 mm [180]. Maksymalna dopuszczalna wielkoœæ ziaren nie mo¿e przekraczaæ 12,5 mm, zawartoœæ ziaren nieforemnych nie powinna przekraczaæ 15%. Dopuszcza siê dodatek naturalnego ¿wiru 4–8 mm w iloœci nie wiêkszej ni¿ 30% masy kruszywa grubego. Mimo ograniczenia normowego dla rur przeznaczonych do stosowania w kanalizacji sanitarnej lub ogólnosp³awnej szczególnie przydatne jest kruszywo wapienne (patrz rys. 2.4.6). Wymagania okreœlone w polskich normach bran¿owych nie odpowiadaj¹ aktualnym tendencjom, ani te¿ obecnemu poziomowi technologii betonu. Niemieckie zrzeszenie producentów rur FBS na zasadzie dobrowolnoœci przyjê³o wy¿sze wymagania od okreœlonych w obowi¹zuj¹cej w RFN normie pañstwowej. Do produkcji rur, zgodnie z tymi wytycznymi mo¿na stosowaæ tylko beton o nastêpuj¹cych parametrach: • wytrzyma³oœæ na œciskanie ≥ 45 MPa, • wytrzyma³oœæ przy zginaniu ≥ 6 MPa, • modu³ sprê¿ystoœci E ≥ 37000 MPa, • wskaŸnik w/c ≤ 0,40. Na podstawie w³asnych doœwiadczeñ autorzy uwa¿aj¹ za celowe stosowanie do produkcji rur dla kanalizacji ogólnosp³awnej i sanitarnej cementu odpornego na siarczany. Wymagania takie spe³nia cement CEM I o zawartoœci siarczanów do 3%, oznaczony jako HSR, a w przypadku niewielkiego zagro¿enia korozj¹ siarczanow¹ cement o zawartoœci C3A nie wiêkszej od 8%. Beton spe³niaj¹cy wymagania FBS jest tworzywem o zdecydowanie wy¿szej trwa³oœci i odpornoœci na korozjê od betonów spe³niaj¹cych wymagania okreœlone w normach bran¿owych [23, 24]. Stal Do zbrojenia rur niesprê¿onych wed³ug normy [23] stosowaæ nale¿y stal zgodn¹ z norm¹ [173] dopuszczon¹ do zgrzewania punktowego lub inn¹ dopuszczon¹ w trybie œwiadectwa ITB. Dla rur „Wipro” norma zaleca stosowanie na zbrojenie obwodowe stali 18G2, a na zbrojenie pod³u¿ne stali St0S lub St3SX. Zbrojenie rur powinno byæ wykonane w postaci siatki cylindrycznej spawanej lub zgrzewanej. Do zbrojenia rur sprê¿onych nale¿y stosowaæ stal wed³ug [164]. Materia³ uszczelek W polskich normach bran¿owych nie okreœlono wymagañ dotycz¹cych uszczelek. W przewodach kanalizacji grawitacyjnej z rur betonowych i ¿elbetowych stosowano

93

2.4. Przewody betonowe

do niedawna g³ównie uszczelnienia wykonywane na budowie (kity, sznury smo³owane, opaski betonowe i inne). Rury z betonu sprê¿onego Betras, przeznaczone przede wszystkim do kanalizacji ciœnieniowej, uszczelniano uszczelkami typu O-ring, dla których nie okreœlono jednak wymagañ materia³owych. Do po³¹czeñ rur obecnie produkowanych za standardowe nale¿y uznaæ uszczelki zintegrowane (wbetonowane w procesie produkcyjnym). Uszczelki te wykonuje siê z elastycznych elastomerów o szczelnej strukturze i du¿ej odpornoœci na agresjê chemiczn¹. Podstawowym materia³em do ich produkcji jest EPDM (kauczuk etylenowo-propylenowy) oraz SBR (kauczuk styrenowy) i NBR (kauczuk nitrylowo-butadienowy). Uszczelki produkuje siê jeszcze z nastêpuj¹cych materia³ów: • NR (kauczuk naturalny), • IR (kauczuk isoprenowy), • BR (kauczuk butadienowy), • CR (kauczuk chloroprenowy), • ACM (kauczuk akrylowy), • FPM (kauczuk fluorowany), • Q (kauczuk silikonowy), • AU/EU (kauczuk uretanowy), • CO/ECO (kauczuk epichlorowy). Materia³ uszczelki nale¿y dobraæ stosownie do przewidywanej agresji chemicznej. Ocenê w³aœciwoœci podstawowych materia³ów zestawiono w tabeli.2.4.1 (wed³ug danych firmy Forsheda-Stefa GmbH). Wed³ug przyjêtych kryteriów „1” oznacza ocenê bardzo dobr¹, a „6” niedostateczn¹. W œciekach komunalnych znajdowaæ siê mo¿e wiele substancji chemicznych, wywieraj¹cych szkodliwy wp³yw na materia³ uszczelek. Za podstawowe czynniki agresywne, na które nara¿ona jest uszczelka uznaje siê: kwas siarkowy oraz oleje i t³uszcze. Sporadycznie w œciekach pojawiæ siê mo¿e benzyna i inne produkty ropopochodne. Kwas siarkowy powstaje w wyniku procesów biologicznego rozk³adu substancji organicznych (patrz rozdz. 7). Z zestawienia w tabeli 2.4.1 wynika, ¿e powszechnie stosoTabela 2.4.1. Podstawowe w³aœciwoœci uszczelek W³aœciwoœci

EPDM

SBR

NBR

Wytrzyma³oœæ na zerwanie

3

3

3

Odpornoœæ na dzia³anie œcieków

1

2

3

Odpornoœæ na temperaturê

2

4

3

OdpornoϾ na warunki atmosferyczne i ozon

1

5

3

OlejoodpornoϾ

4

5

2

KwasoodpornoϾ

1

3

4

Odpornoœæ na dzia³anie alkaliów

1

3

4

Odkszta³calnoœæ w temperaturze 20 °C

1

3

2

94

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

wane tworzywo EPDM jest nieodporne na t³uszcze i oleje oraz produkty ropopochodne, wykazuje natomiast dobr¹ odpornoœæ na kwas siarkowy. Dobr¹ odpornoœæ na oleje i t³uszcze oraz produkty ropopochodne wykazuje NBR, jednak tworzywo to jest nieodporne na kwas siarkowy. Dobr¹ odpornoœæ zarówno na kwas siarkowy, jak i na oleje, t³uszcze i produkty ropopochodne wykazuje FPM, jednak ze wzglêdu na bardzo wysok¹ cenê tworzywo to nie jest stosowane do rozwi¹zañ standardowych. 2.4.2.2. Wymagania konstrukcyjne Wymagania konstrukcyjne dotycz¹ nastêpuj¹cych parametrów: sprawdzenie klasy betonu, wygl¹d zewnêtrzny, wymiary geometryczne, prostopad³oœæ czo³a, rozmieszczenie zbrojenia, wytrzyma³oœæ transportow¹, wodoszczelnoœæ, wytrzyma³oœæ na obci¹¿enia zewnêtrzne, wytrzyma³oœæ na pêkanie (dotyczy rur sprê¿onych). Sprawdzanie klasy betonu stosowanego do produkcji rur przeprowadza siê zgodnie z norm¹ [181]. Dla celów kontrolnych i rozjemczych wykonuje siê badania nieniszcz¹ce wed³ug norm [166] lub [165]. Sprawdzenie wygl¹du zewnêtrznego obejmuje: g³adkoœæ powierzchni, jednolitoœæ, wystêpowanie rys, pêkniêæ, ubytków i rozwarstwieñ oraz wtr¹ceñ cia³ obcych. Badania nale¿y przeprowadziæ wed³ug normy [23]. Sprawdzenie wymiarów rur ma na celu ich weryfikacjê w stosunku do wymagañ okreœlonych w dokumentacji technicznej. Dok³adnoœæ pomiarów oraz dopuszczalne odchy³ki okreœlone s¹ w normach [23, 25]. Prostopad³oœæ czo³a. P³aszczyzna styczna do czo³a rury musi byæ prostopad³a do jej osi geometrycznej. Odchylenia powinny byæ nie wiêksze ni¿ 0,02d dla rur o œrednicy do 1000 mm i nie wiêksze ni¿ 0,01d dla rur o œrednicy powy¿ej 1000 mm. Sprawdzenie œrednicy i rozmieszczenia zbrojenia obejmuje pomiar odleg³oœci miêdzy zwojami zbrojenia obwodowego, rozstaw prêtów pod³u¿nych, d³ugoœæ prêtów pod³u¿nych oraz gruboœæ otulenia prêtów betonem. Badania nale¿y przeprowadziæ wed³ug normy [23]. Wytrzyma³oœæ transportowa. Wytrzyma³oœæ betonu na œciskanie w rurach przeznaczonych do transportu powinna wynosiæ co najmniej 0,7 wytrzyma³oœci gwarantowanej. Wodoszczelnoœæ. Badanie wodoszczelnoœci przeprowadza siê pod ciœnieniem 50 kPa. Zgodnie z wymogami ciœnienie to nie mo¿e spowodowaæ wycieków wody. Dopuszczalne jest widoczne zawilgocenie, jednak bez wystêpowania widocznych kropel. Badania nale¿y przeprowadziæ wed³ug normy [23]. Wytrzyma³oœæ rur na obci¹¿enia zewnêtrzne. W przypadku rur betonowych wed³ug normy [23] okreœla siê wartoœæ jednostkowej si³y niszcz¹cej, a dla rur ¿elbeto• • • • • • • • •

2.4. Przewody betonowe

95

wych wartoœæ si³y powoduj¹cej zarysowanie rury o rozwartoœci wiêkszej od 0,2 mm lub jej zniszczenie. Sposób wykonania badañ omówiono w rozdz. 5. Wytrzyma³oœæ na pêkanie rur sprê¿onych pod wp³ywem ciœnienia wewnêtrznego próbnego, którego wielkoœæ okreœlona jest w dokumentacji projektowej powinna byæ taka, aby w chwili zakoñczenia badania nie pojawi³y siê rysy lub pêkniêcia, daj¹ce przecieki o charakterze sta³ego wyp³ywu (dopuszczalne jest pojawienie siê kropel i mokrych plam). Badania nale¿y przeprowadziæ wed³ug normy [27]. Niemieckie Zrzeszenie Producentów Rur (FBS) przyjê³o dla swoich wyrobów nastêpuj¹ce wymagania: 1. Pomiary geometrii oraz próby szczelnoœci musz¹ byæ wykonane dla ka¿dej wyprodukowanej rury. Odchy³ki wymiarów nie mog¹ przekraczaæ wartoœci dopuszczalnych. Próbê szczelnoœci wykonuje siê przy ciœnieniu 0,1 MPa. Ciœnienie to jest dwukrotnie wy¿sze od wymagañ okreœlonych w normach niemieckich DIN, a tak¿e polskich [23, 24, 27]. 2. Noœnoœæ okreœlona na podstawie badañ niszcz¹cych dla losowo wybranej liczby rur z ka¿dej partii powinna byæ o oko³o 50% wy¿sza od wymagañ okreœlonych w normach DIN. 3. Wodoszczelnoœæ odcinka próbnego wykonanego z trzech losowo wybranych (z danej partii) rur powinna byæ zapewniona przy ciœnieniu 0,25 MPa. Ciœnienie to jest 5-krotnie wy¿sze od wymaganego dla próby wodoszczelnoœci wed³ug normy DIN, a tak¿e normy polskiej [189]. 4. Zapewnienie wodoszczelnoœci dla próbnego odcinka zmontowanego z trzech losowo wybranych rur przy jednoczesnym wzajemnym obrocie dwóch s¹siaduj¹cych rur, a tak¿e przy jednoczesnym wzajemnym przesuniêciu poprzecznym dwóch s¹siaduj¹cych rur. 5. Odchy³ki wymiarów geometrycznych uszczelek nie mog¹ byæ wiêksze od okreœlonych w wymaganiach. Rury spe³niaj¹ce wymagania FBS produkuje siê tak¿e z przeznaczeniem do stosowania na terenach szkód górniczych. Szczelnoœæ z³¹cza tych rur zapewniona jest przez stosowanie odpowiednich uszczelek oraz wyd³u¿enie kielicha. 2.4.2.3. Produkcja rur Obecnie produkcja rur odbywa siê zwykle w formach pionowych, chocia¿ produkowane s¹ równie¿ przewody w formach poziomych (np. rury Wipro na licencji firmy Mc Cracken). Zapewnienie odpowiedniej jakoœci wymaga, aby beton przygotowywany by³ wed³ug szczegó³owo opracowanych receptur. Ka¿dy etap produkcji, a przede wszystkim parametry betonu, trzeba kontrolowaæ komputerowo. Szczególnie dok³adnie nale¿y przestrzegaæ wartoœci wskaŸnika w/c okreœlonego w recepturze. Czêsto stosowan¹ technologi¹ produkcji rur jest technologia firmy Prinzig Pegasus. Do produkcji rur u¿ywa siê betonu o konsystencji wilgotnej. W technologii tej beton dostarczany jest do pionowej formy od góry. Wewnêtrzny rdzeñ formy jest równoczeœnie urz¹dzeniem rozdzielaj¹co-zagêszczaj¹cym, zapewniaj¹cym optymalne wype³nienie formy. Zagêszczanie odby-

96

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

wa siê za pomoc¹ regulowanego centralnego wibratora, a kszta³towanie bosego koñca wymaga dok³adnego zachowania tolerancji wymiarowych. Tu¿ przed zakoñczeniem cyklu nape³niania redukowana jest prêdkoœæ podnoszenia rdzenia, a zespó³ zagêszczaj¹cy wt³acza beton do bosego koñca przy jednoczesnym wibrowaniu. Nastêpnie rozpoczyna siê prasowanie. Czêœæ kielichowa obni¿a siê dok³adnie do wymierzonej d³ugoœci. Nadmiar betonu wypierany jest na rdzeñ formy. Rdzeñ przechodzi przez kielich i zespó³ zagêszczaj¹cy odwirowuje nadmiar betonu na stó³. Gotowa rura wywo¿ona jest w formie do hali dojrzewania, gdzie po uzyskaniu przez beton wytrzyma³oœci minimalnej jest rozformowywana. W okresie wstêpnego dojrzewania beton utrzymywany jest w sta³ej wysokiej wilgotnoœci i temperaturze oko³o 20 °C. Rury s¹ rozformowywane po uzyskaniu przez beton pewnej minimalnej wytrzyma³oœci na œciskanie, zwykle nie mniejszej ni¿ 40% wytrzyma³oœci 28-dniowej. 2.4.2.4. Asortyment wyrobów Z betonu cementowego produkuje siê szeroki asortyment rur i kszta³tek obejmuj¹cy: • rury kielichowe bez stopki, • rury kielichowe ze stopk¹, • rury kielichowe bez stopki z wykszta³con¹ kinet¹, • rury kielichowe ze stopk¹ z wykszta³con¹ kinet¹, • rury ³¹czone na zak³ad bez stopki i ze stopk¹, • rury ³¹czone na styk bez stopki i ze stopk¹, • rury jajowe ³¹czone na zak³ad, ze stopk¹ o profilu normalnym i podwy¿szonym, • rury jajowe ³¹czone na styk ze stopk¹, • trójniki, • rury z otworem. Asortyment rur wed³ug normy [25] zestawiono na rys. 2.4.13. Produkuje siê ponadto rury o innych kszta³tach przekroju poprzecznego dostosowanego do okresowo ma³ych przep³ywów œcieków. Wytwarza siê tak¿e rury dwuwarstwowe, w których czêœci¹ noœn¹ jest rura betonowa lub ¿elbetowa, a do transportu œcieków s³u¿y wewnêtrzna, trwale zespolona z rur¹ zewnêtrzn¹, rura z tworzywa sztucznego lub kamionki. Rury wewnêtrzne wykonuje siê najczêœciej z PCW lub PEHD. Takie rozwi¹zanie bardzo dobrze wykorzystuje w³aœciwoœci materia³ów konstrukcyjnych. Beton zapewnia odpowiedni¹ noœnoœæ przy stosunkowo niskiej cenie, a tworzywo sztuczne lub kamionka zapewnia bardzo du¿¹ trwa³oœæ na agresjê chemiczn¹. Zgodnie z odpowiednimi normami [23, 25] rury i kszta³tki betonowe i ¿elbetowe dzieli siê na: • odmiany – w zale¿noœci od zastosowanej klasy betonu, np. 25 dla rur wykonanych z betonu klasy B25, • klasy – w zale¿noœci od zastosowanego zbrojenia; dopuszcza siê stosowanie trzech klas dla danego asortymentu i typu rur, • gatunki – w zale¿noœci od cech geometrycznych; rury kielichowe mog¹ byæ produkowane w dwóch gatunkach.

f)

d

4

g) Lc L1 = L

L1 = L = Lc f

f d d

d 2

d

f

2

d

4

f

Rys. 2.4.13. Typy rur betonowych i ¿elbetowych

Cs

na za k³a d C

Lc L1 = L

J

s1

Js

d

Os

na styk

O

na za k³a d

b e z stop ki

s1

na styk

s1

L1 = L = Lc

o p rze kroju ko³owym

d

s1

na za k³a d

L = Lc L1 s2

d

na styk

e) s1

d) s1

ze sto p k¹

d

c) Lc L1 = L

o p rze kroju ja jowym

s2

b)

s2 h = 1,5 d s1

a) K

kie lic ho we

Lc L L1

s2 h = 1,5 d s1

2.4. Przewody betonowe

97

d

98

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

16,5

16,5

16,5

150

2

A=1,5203 m

16,5

1

1:

1:

1

150 183

Ø 150

175 180

Rys. 2.4.14. Rura ko³owa z wykszta³con¹ kinet¹ produkcji firmy Stein Risse

5

1: 3

Rys. 2.4.15. Rura ko³owa ze stopk¹ produkcji firmy Stein Risse z kinet¹ wykonan¹ w wytwórni

Zarówno rury betonowe, jak i ¿elbetowe (ko³owe i jajowe) produkowane s¹ w bardzo szerokim zakresie wymiarów nominalnych, dostêpne s¹ rury o œrednicy do 3600 mm. Obserwuje siê tendencjê do produkcji rur nawet o znacznych œrednicach z betonu niezbrojonego. Podstawow¹ zalet¹ takich rur jest wiêksza trwa³oœæ. Trwa³oœæ rury ¿elbetowej jest równoznaczna z trwa³oœci¹ zbrojenia. Pocz¹tek jego korozji (na znacznej powierzchni) wyznacza koniec okresu eksploatacji lub koniecznoœæ bardzo kosztownego remontu. Korozja lub tylko spadek wskaŸnika pH betonu poni¿ej wartoœci 9,5 (bez

2.4. Przewody betonowe

99

utraty parametrów wytrzyma³oœciowych), w stosunkowo cienkiej otulinie zbrojenia mo¿e wiêc oznaczaæ koniec okresu eksploatacji rury. Tempo korozji zbrojenia, które nie jest chronione betonow¹ otulin¹ jest bardzo szybkie. W przypadku rur betonowych neutralizacja betonu (bez utraty parametrów wytrzyma³oœciowych) nie ma natomiast ¿adnego wp³ywu na skrócenie okresu eksploatacji. Skorodowanie warstwy betonu w rurze niezbrojonej (o gruboœci równej gruboœci otuliny w rurze ¿elbetowej) zwykle tak¿e nie stwarza zagro¿enia dla bezpieczeñstwa. Na skutek konsolidacji gruntu poprawia siê rozk³ad obci¹¿eñ (zmniejsza siê ró¿nica miêdzy wielkoœci¹ obci¹¿eñ pionowych i poziomych) oraz nastêpuje zmniejszenie wielkoœci obci¹¿eñ. Na rurê o zmniejszonej na skutek korozji noœnoœci dzia³aæ wiêc bêdzie mniejsze obci¹¿enie i rura zazwyczaj mo¿e byæ dalej bezpiecznie eksploatowana. Obecnie produkuje siê w Polsce rury spe³niaj¹ce znacznie wy¿sze wymagania ni¿ okreœlone w normach bran¿owych. Dostêpne s¹ tak¿e rury produkowane w innych krajach dopuszczone do stosowania na rynku polskim na podstawie aprobat COBRTI. Rury te zwykle spe³niaj¹ wymagania FBS zarówno w zakresie jakoœci betonu, jak i gotowego wyrobu. Produkowane s¹ jeszcze rury o tradycyjnym (na sznur smo³owany lub kit) sposobie uszczelniania po³¹czeñ. Jak jednak wynika z doœwiadczeñ autorów, opartych na badaniach wielu eksploatowanych kolektorów, rury takie powinny byæ ca³kowicie wycofane, gdy¿ ich po³¹czenia nie s¹ w stanie spe³niæ wymogów szczelnoœci w d³u¿szym okresie eksploatacji. Rozwi¹zaniem zapewniaj¹cym ³atwy i szybki monta¿ oraz wymagan¹ szczelnoœæ przewodu s¹ uszczelki z tworzyw sztucznych, najlepiej zintegrowane z konstrukcj¹ rur. Rozwi¹zania takich z³¹czy ilustruj¹ rysunki 2.4.16–2.4.18. Podstawowym warunkiem zapewniaj¹cym szczelnoœæ z³¹cza, poza konstrukcj¹ samej uszczelki, jest dok³adne zachowanie tolerancji wymiarowych zarówno dla bosego koñca, jak i kielicha.

Rys. 2.4.16. Z³¹cze uszczelnione uszczelk¹ zintegrowan¹ firmy Forsheda

100

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

1

2

D

D

S

S

3

L Lc

Rys. 2.4.17. Rura typu „Wipro” z uszczelk¹ niezintegrowan¹: 1 – kielich, 2 – bosy koniec, 3 – uszczelka

L Lc

Rys. 2.4.18. Rura typu „Wipro” z uszczelk¹ zintegrowan¹

2.5. Przewody stalowe 2.5.1. Wprowadzenie Historia zastosowañ rur stalowych do budowy przewodów wodoci¹gowych ma swój pocz¹tek w XVIII w., gdy wytworzono pierwsze rury z blachy stalowej spawane ogniowo lub nitowane [150]. Obecnie produkowane rury stalowe zabezpieczone antykorozyjnie zasadniczo s¹ stosowane do budowy przewodów ciœnieniowych do przesy³ania gazu, ropy naftowej oraz wody zimnej i gor¹cej, a ponadto do budowy instalacji przemys³owych w przemyœle chemicznym i petrochemicznym. Przewody stalowe do transportu œcieków wykorzystuje siê stosunkowo rzadko – najczêœciej jako ciœnieniowe przewody tranzytowe. W takim przypadku obecnie stosuje siê najczêœciej rury stalowe z wyk³adzin¹ wewnêtrzn¹ z zaprawy cementowej, posiadaj¹ce dodatkowo zewnêtrzn¹ pow³okê antykorozyjn¹ z tworzywa sztucznego. Po³¹czenia rur stalowych wykonywane s¹ przewa¿nie przez spawanie. W przypadku rur stalowych z wewnêtrzn¹ wyk³adzin¹ z zaprawy cementowej stosuje siê tak¿e inne rozwi¹zania po³¹czeñ; opisano je w dalszej czêœci tego rozdzia³u. Omawiane rury produkuje siê ze stali niestopowych i niskostopowych, podstawowych, jakoœciowych i specjalnych w zale¿noœci od wymaganych w³aœciwoœci mecha-

2.5. Przewody stalowe

101

nicznych i technologicznych oraz przeznaczenia rur zgodnie z odpowiednimi normami [3, 40, 59, 60, 92, 168, 191, 256]. Rury formowane s¹ z blach lub taœm stalowych. Stale niestopowe przeznaczone s¹ na rury konstrukcyjne, przewodowe rury spawane i zgrzewane do transportu mediów o ciœnieniu poni¿ej 16 MPa i temperaturze ni¿szej od 300 °C. Zgodnie z przepisami niemieckimi (DIN 1626, DIN 1628, DIN 1615) stale te mog¹ byæ wykonywane jako stale klasy 2 lub 3, np. St 37.0 lub St 37.4. Rury wykonywane zgodnie z DIN 1628 przeznaczone s¹ do pracy przy szczególnie wysokich i zmiennych obci¹¿eniach eksploatacyjnych. Zgodnie z polsk¹ norm¹ PN-94/H-74221 rury ze stali niestopowych (L240, L290 itd.) przeznaczone s¹ na rury przewodowe klasy A. Stale niskostopowe drobnoziarniste wykonywane s¹ zgodnie z PN-79/H-74244, EN10208-2 i API Spec. 5L, nale¿¹ do grupy stali o podwy¿szonej wytrzyma³oœci (SPW) o granicy plastycznoœci do 500 MPa. Zgodnie z norm¹ EN 10208-2 stale na rury powinny pochodziæ z procesu elektrycznego lub tlenowego, przy czym rury wykonuje siê z blach lub taœm, które mog¹ byæ normalizowane w procesie obróbki cieplnej lub walcowania (oznaczenie N), jak równie¿ obrabiane cieplno-plastycznie w procesie walcowania (oznaczenie M). Norma ta wprowadza istotne zmiany w stosunku do obowi¹zuj¹cej od 1996 roku normy DIN 17172. Stale na rury powinny byæ w pe³ni uspokojone i wykonane w technice kontrolowanego walcowania jako stale drobnoziarniste. Stale te uwa¿ane s¹ za spawalne, ale przy spawaniu rur i ruroci¹gów nale¿y mieæ na uwadze nie tylko równowa¿nik wêgla CE, ale równie¿ stosowane materia³y dodatkowe, technologie spawania oraz warunki odbioru. W Polsce odpowiednikiem normy EN 10208-2 [59] jest norma ZN-G-3101 z roku 1996 [256].

2.5.2. Technologia produkcji Wspó³czesna produkcja rur stalowych opiera siê na trzech podstawowych technologiach: • spawanie wzd³u¿ne, • spawanie spiralne, • zgrzewanie pr¹dami wielkiej czêstotliwoœci. Dotychczas podstawow¹ technologi¹ produkcji rur stalowych by³o spawanie spiralne lub wzd³u¿ne ³ukiem krytym w os³onie topnika spawalniczego. Szczegó³owe informacje dotycz¹ce technologii stosowanych w procesie wytwarzania rur stalowych mo¿na znaleŸæ w pracach [1, 145, 150]. Spawanie odbywa siê automatycznie i jest obustronne. Kontrola jakoœci spawów przeprowadzana jest metod¹ ultradŸwiêkow¹. Obecnie najnowsz¹ technologi¹ znajduj¹c¹ coraz szersze zastosowanie w produkcji rur stalowych jest zgrzewanie indukcyjne pr¹dami wielkiej czêstotliwoœci. Ta technologia produkcji rur stosowana jest tak¿e w Polsce od 1999 roku w „Hucie Ferrum” S.A. [150]. Rury zgrzewane pr¹dami o czêstotliwoœci 100÷500 kHz s¹ wytwarzane wy³¹cznie z taœmy walcowanej na gor¹co, dostarczanej w stanie znormalizowanym lub po termomechanicznej obróbce. Dotyczy to zarówno stali nietypowych (niskowêglowych), jak i niskostopowych. Stal do produkcji tych rur jest wytapiana metod¹ kon-

102

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

wertorow¹ i odlewana w procesie ci¹g³ym w kêsiska p³askie. Specjalna obróbka metalurgiczna i metody odsiarczania oraz odgazowania umo¿liwiaj¹ wyprodukowanie stali o bardzo ma³ej zawartoœci siarki i du¿ym stopniu czystoœci. Zgrzewanie indukcyjne, które stosuje siê przy wytwarzaniu rur jest procesem zgrzewania elektrycznego oporowego pr¹dami wielkiej czêstotliwoœci, polegaj¹cym na zjawisku nagrzewania siê przewodników elektrycznych, umieszczonych w zmiennym polu elektromagnetycznym, na skutek powstania w nich pr¹dów wirowych i histerezy magnetycznej. Tor przep³ywu pr¹du w zgrzewanych rurach jest ustalony w wyniku wzajemnego oddzia³ywania zjawisk elektromagnetycznych, w których podstawow¹ rolê odgrywa: • zjawisko zbli¿ania – polegaj¹ce na tendencji przep³ywu pr¹du w warstwach najbli¿szych krawêdzi rury, • zjawisko naskórkowoœci – powoduj¹ce wymuszony przep³yw pr¹du wy³¹cznie w cienkiej warstwie zewnêtrznej przewodnika. Dziêki wymienionym zjawiskom dochodzi do znacznego skoncentrowania energii elektrycznej w cienkiej warstwie zewnêtrznej. Umo¿liwia to uzyskanie znacznych prêdkoœci nagrzewania, tj. kilkaset °C/s. Po osi¹gniêciu odpowiedniej temperatury materia³u wywierany jest docisk spêczaj¹cy w celu usuniêcia ciek³ego metalu wraz z zanieczyszczeniami z obrze¿a styku i po³¹czenia metalicznego w stanie plastycznym. Nadlew zgrzeiny jest usuwany. Krótkie czasy nagrzewania powoduj¹, ¿e zgrzeina jest bardzo w¹ska, rozrost ziaren niewielki, niewielkie s¹ te¿ odkszta³cenia i naprê¿enia spawalnicze. W³aœciwoœci mechaniczne zgrzeiny nie s¹ gorsze od w³aœciwoœci materia³u rodzimego, co w konsekwencji kwalifikuje rury zgrzewane t¹ metod¹ do klasy jakoœci rur bez szwu. Proces zgrzewania pr¹dami wielkiej czêstotliwoœci 100÷500 kHz mo¿e odbywaæ siê w temperaturze 1300÷1400 °C przy stosowaniu docisku jednostkowego spêczania ~50 MPa lub powy¿ej 1400 °C, ale poni¿ej temperatury topnienia przy stosowaniu docisku jednostkowego spêczania 20÷30 MPa. Schemat produkcji rur stalowych technologi¹ zgrzewania indukcyjnego pr¹dami wielkiej czêstotliwoœci przedstawiono na rys. 2.5.1 [145]. W ramach takiego procesu produkcji mo¿na wyró¿niæ wiele etapów. 1. Przygotowywanie taœmy walcowanej na gor¹co do produkcji rur. 2. Przejœcie taœmy przez urz¹dzenie do jej prostowania. 3. Obciêcie koñcówki taœmy. 4. Po³¹czenie ze sob¹ kolejnych odcinków taœmy przez spawanie. 5. Przekazanie taœmy do magazynu, sk¹d w sposób ci¹g³y dostarczana jest na liniê produkcyjn¹. 6. Frezowanie krawêdzi taœmy. 7. UltradŸwiêkowa kontrola jakoœci taœmy. 8. Formowanie rury. 9. Zgrzewanie indukcyjne. 10. Usuwanie zgrubienia spoiny od strony zewnêtrznej i wewnêtrznej. 11. Nieniszcz¹ca kontrola jakoœci spoiny.

2.5. Przewody stalowe

Rys. 2.5.1. Schemat produkcji rur stalowych technologi¹ zgrzewania indukcyjnego pr¹dami wielkiej czêstotliwoœci

103

104

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

12. Wy¿arzanie spoiny. 13. Ch³odzenie rury systemem wodno-powietrznym. 14. Korekta kszta³tu rury w urz¹dzeniu kalibracyjnym. 15. Ciêcie rury na odcinki o d³ugoœciach handlowych. 16. Prostowanie rury. 17. Ukosowanie krawêdzi rur. 18. Wodne próby ciœnieniowe do 70 MPa. 19. Kontrola optyczna, wa¿enie, mierzenie, znakowanie. 20. Druga nieniszcz¹ca kontrola jakoœci spoiny. 21. Kontrola koñcowa. 22. Zabezpieczanie antykorozyjne. 23. Obróbka koñcowa i wysy³ka. Kontrola jakoœci podczas procesu produkcji obejmuje nastêpuj¹ce etapy [145, 150]: • kontrola pocz¹tkowa taœmy walcowanej na gor¹co na podstawie zamówienia i dokumentów dostawy, analiza materia³u i badanie jego w³aœciwoœci mechanicznych w laboratorium, • prowadzona w linii produkcyjnej ci¹g³a kontrola ultradŸwiêkowa taœmy na ewentualne jej rozwarstwienia, wykonywana w zale¿noœci od specyfikacji za pomoc¹ dwóch oscyluj¹cych g³owic ultradŸwiêkowych, • nak³adana przed lini¹ zgrzewalnicz¹ w sta³ym odstêpie od krawêdzi taœmy linia pilotuj¹ca, wykorzystywana przez fotoelementy do pozycjonowania zgrzeiny podczas wy¿arzania i kontroli ultradŸwiêkowej, • bezpoœrednio po opuszczeniu linii zgrzewalniczej – pierwsza nieniszcz¹ca próba zgrzeiny, przeprowadzana przy u¿yciu czterech g³owic ultradŸwiêkowych metod¹ impuls–echo (porównaj rys. 2.5.2 wed³ug [1]); wyniki s¹ oznaczane optycznie, • po rozciêciu ci¹g³ej rury ka¿dy odcinek o okreœlonej d³ugoœci znaczony jest numerem identyfikacyjnym; dziêki temu zawsze mo¿na jednoznacznie przypisaæ odpowiedni zwój taœmy do wyprodukowanej rury, • ka¿da rura poddawana jest wodnej próbie ciœnieniowej, w której przyrost ciœnienia nastêpuje w sposób ci¹g³y, a jego wysokoœæ i czas dzia³ania rejestrowane s¹ na wykresach, • po próbie ciœnieniowej mo¿e byæ w zale¿noœci od specyfikacji przeprowadzona druga próba nieniszcz¹ca zgrzeiny; kontrola zgrzeiny wzd³u¿nej jest wykonywana na ca³kowicie zautomatyzowanym urz¹dzeniu badawczym metod¹ zanurzeniow¹ czterema g³owicami; k¹t wysy³ania wi¹zki wynosi 45°, ka¿dorazowo dwie g³owice badaj¹ zewnêtrzny i wewnêtrzny obszar zgrzeiny, • przy u¿yciu nastêpnych szeœciu g³owic mo¿na badaæ rurê na rozwarstwienia w zakresie do 25 mm w ka¿d¹ stronê od zgrzeiny; tak¿e w tym przypadku wyniki s¹ dok³adnie znaczone na rurze; wszystkie wyniki badañ s¹ ponadto rejestrowane w protokole. Na podstawie wyników kontroli jakoœci polegaj¹cej na przeprowadzeniu wy¿ej opisanych badañ eliminuje siê rury wadliwe.

2.5. Przewody stalowe g rub o œæ œc ia nki rury

b a d a nie zg rze iny

105

ko ñc o wy kszta ³t we wnê trzny

wyzna c za nie wa rto œc i e le ktro nic znyc h

d e fe kto sko p ia ultra d Ÿwiê ko wa

1

2 3

Rys. 2.5.2 Schemat ultradŸwiêkowego badania jakoœci zgrzeiny: 1 – czujniki ultradŸwiêkowe, 2 – prowadnica falowa, 3 – linia prowadz¹ca

2.5.3. Zabezpieczenia antykorozyjne Do niedawna podstawowym materia³em do antykorozyjnego zabezpieczenia rur stalowych by³y materia³y bitumiczne. Takie rozwi¹zanie mia³o wiele wad, do których mo¿na zaliczyæ m.in.: s³ab¹ przyczepnoœæ pow³oki do powierzchni rury, ma³¹ odpornoœæ mechaniczn¹ oraz s³ab¹ trwa³oœæ. Ponadto materia³y bitumiczne stanowi¹ zagro¿enie dla œrodowiska naturalnego. Pojawienie siê tworzyw sztucznych umo¿liwi³o opracowanie nowoczesnych izolacji antykorozyjnych pozbawionych tych wad. Wspó³czesne zabezpieczenia antykorozyjne w zale¿noœci od przeznaczenia rury sk³adaj¹ siê z wielowarstwowej pow³oki zewnêtrznej i wyk³adziny wewnêtrznej. Pow³oki zewnêtrzne z PE Izolacyjna pow³oka zewnêtrzna wykonana jest najczêœciej z polietylenu (PELD lub PEMD). Pocz¹tkowo izolacjê zewnêtrzn¹ wykonywano przez nawijanie na oczyszczon¹ powierzchniê stalowej rury taœmy z polietylenu na zimno. Wad¹ takiego rozwi¹zania jest ma³a szczelnoœæ w strefie ³¹czenia kolejnych zwojów taœmy, gdzie powierzch-

106

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

nia zewnêtrzna rury zabezpieczona jest dodatkowo jedynie podk³adem stosowanym do zwiêkszenia przyczepnoœci z izolacj¹. Dodatkowe problemy dla wykonawców wystêpuj¹ w przypadku koniecznoœci przecinania takich rur, gdy trzeba stabilizowaæ izolacjê. Lepszym rozwi¹zaniem jest technologia izolowania taœm¹ polietylenow¹ na gor¹co. Przyk³adem mo¿e byæ metoda Synergy [1], której istot¹ jest wykonanie wielowarstwowego systemu izolacyjnego. Pierwsz¹ warstwê stanowi termicznie aktywny podk³ad, drug¹ – termoplastyczny elastomer, a trzeci¹ – pow³oka z polietylenu. Metoda Synergy jest przeznaczona do przemys³owego izolowania rur stalowych w procesie ci¹g³ym przy u¿yciu stacjonarnego urz¹dzenia. Schemat przebiegu procesu izolowania rur stalowych metod¹ Synergy przedstawiono na rys. 2.5.3 [1].

1

5

2

9 6

3

7

8

4

Rys 2.5.3. Schemat przebiegu procesu izolowania rur stalowych metod¹ Synergy: 1 – œrutownica zewnêtrzna rur, 2 – ruszt podawczy rur, 3 – piec podgrzewaj¹cy rurê, 4 – nanoszenie podk³adu, 5 – instalacja odci¹gowa oparów, 6 – urz¹dzenie izoluj¹ce, 7 – piec wygrzewaj¹cy rurê z na³o¿on¹ taœm¹, 8 – strefa ch³odzenia wodnego, 9 – stanowisko wygrzewania taœm

Najnowoczeœniejsz¹ technologi¹ izolowania rur stalowych jest metoda bezpoœredniego wyt³aczania pow³oki polietylenowej. Wyt³aczana izolacja mo¿e mieæ postaæ taœmy b¹dŸ rêkawa. Do tego celu stosuje siê specjalne ekstudery. G³owicê takiego ekstrudera i wyt³aczany rêkaw polietylenowy na rurê stalow¹ przedstawiono na rys. 2.5.4 [145]. Warstwy izolacyjne nak³ada siê po wysuszeniu rury, oczyszczeniu jej powierzchni do stopnia czystoœci 21/2 (wed³ug ISO 8501/1) oraz po podgrzaniu rury. Jako warstwê gruntuj¹c¹ nanosi siê elektrostatycznie na powierzchniê rury pow³okê z ¿ywicy epoksydowej, a nastêpnie cienk¹ warstewkê specjalnego kleju. Ostatni¹ warstwê izolacyjn¹ stanowi nak³adana przy wykorzystaniu ekstrudera pow³oka polietylenowa lub polipropylenowa o gruboœci warstwy od 2,2 do 6,0 mm. Kszta³tki s¹ zabezpieczane antykorozyjnie najczêœciej pow³okami z poliuretanu. W specjalnych przypadkach jako zabezpieczenie antykorozyjne stosuje siê pow³oki ochronne z innych tworzyw – zgodnie z ¿yczeniem klienta. Schemat wykonania izolacji zewnêtrznej z polietylenu metod¹ wyt³aczania przedstawiono na rys. 2.5.5 wed³ug [145]. W ramach tego procesu mo¿na wyró¿niæ wiele etapów:

2.5. Przewody stalowe

107

Rys. 2.5.4. G³owica ekstrudera i wyt³aczany rêkaw polietylenowy na rurê stalow¹

Rys. 2.5.5. Schemat procesu wykonywania izolacji zewnêtrznej z polietylenu metod¹ wyt³aczania (oznaczenia w tekœcie)

1. Czyszczenie powierzchni rury przez tzw. strumieniowanie drobinami stali; w przypadku zastosowania dwukomorowego systemu strumieniowania wymagany odpowiednimi normami stopieñ czystoœci SA 21/2 zostaje znacznie przekroczony. 2. £¹czenie poszczególnych rur w ci¹g. 3. Wymuszenie regulowanego przesuwu ci¹g³ej rury poprzez specjalne napêdy g¹sienicowe. 4. Indukcyjne podgrzewanie ci¹g³ej rury do temperatury optymalnej dla nak³adania warstwy izolacyjnej. 5. Elektrostatyczne nak³adanie podk³adu o gruboœci oko³o 50 µm za pomoc¹ zestawu szeœciu pistoletów natryskowych. 6. Elektrostatyczne nak³adanie kleju o gruboœci warstwy oko³o 200 µm za pomoc¹ zestawu oœmiu pistoletów natryskowych. 7. Dodatkowe podgrzewanie warstwy kleju od zewn¹trz przez promiennik podczerwieni.

108

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

8. Nak³adanie otuliny polietylenowej metod¹ wyt³aczania przy zastosowaniu ekstruderów i jednoœlimakowej prasy o wydajnoœci 1200 kg/h; w zale¿noœci od potrzeby mo¿na stosowaæ takie odmiany polietylenu, jak: PELD, PEMD, PEHD; granulat polietylenowy podawany jest automatycznie z du¿ego silosu. 9. Po zakoñczeniu nak³adania otuliny nastêpuje ch³odzenie przez zanurzenie rury w k¹pieli wodnej o d³ugoœci 50 m. W trakcie ch³odzenia odbywa siê ci¹g³y pomiar gruboœci na³o¿onej pow³oki ultradŸwiêkowym systemem pomiarowym. 10.Na koñcu etapu ch³odzenia sprawdza siê izolacjê na przebicie przy napiêciu 25000 V. 11.Kolejny etap to nanoszenie trwa³ych oznaczeñ na powierzchniê zewnêtrzn¹ rury. 12.Ostatnim etapem jest ciêcie ci¹g³ej rury na odcinki o d³ugoœciach handlowych i usuniêcie izolacji z obu koñców rur na szerokoœci okreœlonej przez klienta. Dodatkowa zewnêtrzna pow³oka ochronna z zaprawy cementowej W przypadku przewidywanego uk³adania ruroci¹gu w trudnych warunkach gruntowych (np. grunty kamieniste) lub w przypadku du¿ych obci¹¿eñ zewnêtrznych, wystêpuj¹cych podczas bezwykopowego uk³adania przewodów (np. metod¹ przeciskow¹ lub przewiertem sterowanym), stosuje siê czasem dodatkowe zabezpieczenia. Polegaj¹ one na zabezpieczeniu warstwy antykorozyjnej dodatkow¹ pow³ok¹ z zaprawy cementowej ze zbrojeniem rozproszonym w postaci w³ókien z tworzywa sztucznego. Je¿eli zastosowana zaprawa cementowa jest modyfikowana tworzywami sztucznymi, to mo¿na zrezygnowaæ z warstwy poœredniej. Warstwa zaprawy cementowej jest nak³adana przez natryskiwanie lub przy u¿yciu ekstrudera. W pierwszym przypadku natryskiwana jest ona na powierzchniê nieruchomej rury przez obracaj¹ce siê wokó³ niej dysze. W drugim przypadku zaprawa nanoszona jest przez stacjonarne dysze szczelinowe na powierzchniê zewnêtrzn¹ obracaj¹cej siê i przesuwaj¹cej wzd³u¿ osi pod³u¿nej rury. Jednoczeœnie z nanoszeniem zaprawy cementowej rura owijana jest spiralnie taœm¹ z siatki polietylenowej, która przykrywana jest kolejn¹ cienk¹ warstw¹ zaprawy, a nastêpnie wyg³adzana. Ca³kowita gruboœæ tak uzyskanej warstwy ochronnej wynosi oko³o 5 mm. Wyk³adziny wewnêtrzne Rodzaj wyk³adziny wewnêtrznej zale¿y od transportowanego medium. W przypadku rur do budowy przewodów dla wody pitnej, wody surowej b¹dŸ œcieków stosuje siê najczêœciej wyk³adziny z zaprawy cementowej, w razie potrzeby odpowiednio modyfikowanej. Warstwê zaprawy cementowej nak³ada siê metod¹ natryskiwania, co przedstawiono na rys. 2.5.6 [145]. W³aœciwoœci wyk³adziny z zaprawy cementowej omówiono w rozdziale o rurach ¿eliwnych. Alternatyw¹ jest wykonanie analogiczn¹ technologi¹ wyk³adziny w postaci warstwy z ¿ywicy epoksydowej lub poliuretanu. W przypadku gazoci¹gów w³aœnie pow³oki epoksydowe natryskiwane na powierzchniê wewnêtrzn¹ oczyszczonej rury s¹ standardowym rozwi¹zaniem.

2.5.4. Po³¹czenia rur stalowych z wyk³adzin¹ z zaprawy cementowej Do po³¹czenia rur stalowych z wewnêtrzn¹ wyk³adzin¹ cementow¹ mo¿na zastosowaæ nastêpuj¹ce rodzaje po³¹czeñ:

2.5. Przewody stalowe

109

Rys. 2.5.6. Nak³adanie warstwy zaprawy cementowej na powierzchniê wewnêtrzn¹ rury stalowej metod¹ natryskiwania

a) b) c) d) e)

spawane doczo³owo, wsuwane kielichowe, z nasuwan¹ z³¹czk¹, z nasuwk¹ kompensacyjn¹, roz³¹czne-ko³nierzowe, ³¹czników rurowych i ko³nierzowych. Ad a) W przypadku rur o œrednicy DN 600 mm i powy¿ej zaleca siê wykonywanie po³¹czeñ zgodnie z rys. 2.5.7 wed³ug [146]. Wyk³adzina w tym przypadku koñczy siê 20 mm przed koñcem rury. Po wykonaniu z³¹cza obwodowego nale¿y j¹ uzupe³niæ zapraw¹ do napraw. Po³¹czenia rur o œrednicy poni¿ej DN 600 mm w ruroci¹gach przeznaczonych do transportu wód nieagresywnych lub wód o niewielkim stopniu agresywnoœci w stosunku do zaprawy cementowej powinny byæ wykonywane bez uzupe³nienia wyk³adziny po wykonaniu z³¹cza obwodowego (zob. rys. 2.5.8) [146]. Pozostaj¹ca w takiej sytuacji szczelina o szerokoœci oko³o 1 mm ulega podczas eksploatacji samozasklepieniu. Opisane wy¿ej rozwi¹zania po³¹czeñ nie mog¹ byæ stosowane przy transporcie solanek ani wód zasolonych. s sz

20

20

D

Rys. 2.5.7. Po³¹czenie rur stalowych DN ≥ 600 mm przez spawanie doczo³owe

110

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

ok. 2,5

60°

p o w³o ka fa b ryc zna

ok. 2,5

szc ze lina sp a wa lnic za

Rys. 2.5.8. Po³¹czenie rur stalowych DN < 600 przez spawanie doczo³owe

Ad b) i c) Spawane po³¹czenia wsuwano-spawane pokazane na rys. 2.5.9 oraz 2.5.10 wed³ug [146] zaleca siê stosowaæ zasadniczo dla rur o œrednicy poni¿ej 600 mm oraz wtedy, gdy wymagana jest bezszczelinowa ochrona wewnêtrzna przy transporcie mediów agresywnych, np. przy ruroci¹gach do transportu solanek i wód zasolonych. W tym przypadku do wnêtrza kielichowej czêœci rury nale¿y bezpoœrednio przed monta¿em na³o¿yæ zaprawê cementow¹ do napraw. Nierównoœci (wp³yw nadmiaru zaprawy), które powstan¹ po zsuniêciu rur powinny byæ usuniête przez przejœcie kalibratora. Dopuszcza siê równie¿ stosowanie uszczelnieñ gumowych. Odcinki kielichowe, do których wk³adane s¹ gumowe pierœcienie uszczelniaj¹ce, nale¿y utrzymywaæ wolne od zaprawy cementowej i kleju cementowego. Takich rozwi¹zañ po³¹czeñ nie powinno siê jednak stosowaæ w przewodach u³o¿onych pod jezdniami. Analogiczne rozwi¹zania z wprowadzeniem œwie¿ej zaprawy cementowej bezpoœrednio przed wykonaniem po³¹czenia rur stosuje siê przy rozwi¹zaniu z nasuwk¹. Ad d) Nasuwki kompensacyjne s¹ podatnymi elementami ruroci¹gów. Zapewniaj¹ poprawn¹ pracê przewodów w warunkach powstawania przesuniêæ osiowych lub przemieszczeñ k¹towych w wyniku odkszta³ceñ terenu lub wp³ywów termicznych. Schemat nasuwki kompensacyjnej przedstawiono na rys. 2.5.11 [146]. Te elementy konstruk-

s sz

t

D

Rys. 2.5.9. Po³¹czenie kielichowe rur stalowych

111

2.5. Przewody stalowe

T T/2

T/2

s sz

z³¹ c ze mo nta ¿o we

Rys. 2.5.10. Po³¹czenie nasuwkowe rur stalowych

D

Rys. 2.5.11. Schemat nasuwki kompensacyjnej

cyjne przeznaczone s¹ g³ównie do instalowania na przewodach wodoci¹gowych, ciep³owniczych oraz kanalizacyjnych nara¿onych na zmiany temperatury otoczenia (np. podwieszonych pod obiektami mostowymi). Nasuwki kompensacyjne produkowane s¹ jako jedno- i dwustronne. Charakteryzuj¹ siê one nastêpuj¹cymi parametrami technicznymi: • graniczne wychylenie k¹towe, mierzone od osi geometrycznej nasuwki wynosi dla wszystkich ich wielkoœci 2°, przy nasuwkach dwustronnych maksymalne odchylenie obu ³¹czonych rur wynosi 4°, • maksymalne ciœnienie robocze musi byæ obliczone w ka¿dym przypadku przez projektanta ruroci¹gu, na którym przewiduje siê jej zainstalowanie, • d³ugoœæ rury nasuwkowej zale¿na jest od przewidywanych warunków pracy ruroci¹gu i musi byæ w ka¿dym przypadku odpowiednio ustalona (nasuwki dwustronne dla wszystkich œrednic maj¹ podstawow¹ d³ugoœæ 300 mm, ale mog¹ byæ wykonane stosownie do zamówienia w innych d³ugoœciach). Ad e) £¹cznik rurowy jest rozwi¹zaniem stosowanym w przypadku ³¹czenia dwu rur z g³adkimi koñcami. Schemat konstrukcyjny takiego ³¹cznika przedstawiono na rys. 2.5.12 [146]. Sk³ada siê on z metalowego p³aszcza, œrub i uszczelki gumowej. £¹cznik

112

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

D k

b l

l

Rys. 2.5.12. Schemat konstrukcyjny ³¹cznika rurowego

rurowy mo¿na traktowaæ jako podwójn¹ mufê z mo¿liwoœci¹ regulacji promieniowej, lecz bez mo¿liwoœci przejmowania si³ osiowych. Jest on tak zaprojektowany i wykonany, aby mo¿na go zastosowaæ do ³¹czenia rur o maksymalnej œrednicy dopuszczalnej wed³ug tolerancji dla danego ³¹cznika. Jest on zak³adany na rurê od strony jej koñca. Podczas skrêcania wystêpuj¹ minimalne si³y osiowe na rurze, jeœli stosuje siê przewidziany moment skrêcaj¹cy. Stosowana uszczelka jest wytrzyma³a na zmienne ciœnienia. Uszczelka w ³¹cznikach jest jednoczêœciowa-wulkanizowana, tak ¿e przep³ywaj¹ce medium nie dochodzi do elementów metalowych. £¹czniki rurowe s¹ lekkie i ³atwe w monta¿u, nie wymagaj¹ u¿ycia specjalnych narzêdzi i mog¹ ³¹czyæ rury o niewielkich ró¿nicach œrednic. S¹ one wykonane ca³kowicie ze stali odpornej na korozjê i mo¿na je stosowaæ do wszystkich rodzajów rur, zarówno z materia³ów twardych, jak i miêkkich. £¹czniki mog¹ byæ dostarczane do wszystkich rodzajów œrednic bez ograniczeñ. Po³¹czone rury za pomoc¹ ³¹czników mo¿na w ka¿dej chwili wymieniæ bez koniecznoœci zmiany ³¹cznika, który mo¿e byæ ponownie u¿yty.

2.5.5. Asortyment produkcji Rury stalowe produkowane do przesy³u œcieków maj¹ wewnêtrzn¹ wyk³adzinê z zaprawy cementowej, a ich d³ugoœæ wynosi od 6,0 do 14,0 m (rury konstrukcyjne dla budownictwa ogólnego mog¹ mieæ d³ugoœæ do 32,0 m). Zakres wymiarów standardowych rur stalowych z wewnêtrzn¹ pow³ok¹ z zaprawy cementowej, zgodnie z DIN 2614, przedstawiono w tab.2.5.1 wed³ug [150]. Polska norma okreœlaj¹ca wymagania dla wyk³adzin wewnêtrznych z zaprawy cementowej nak³adanej odœrodkowo (PN-92/H-74108) dotyczy jedynie rur ¿eliwnych.

2.5.6. Oznaczenia Na powierzchni ka¿dej rury musz¹ znajdowaæ siê trwa³e oznaczenia, zawieraj¹ce co najmniej poni¿sze informacje: • nazwê producenta,

113

2.6. Przewody z polimerobetonu Tabela 2.5.1. Standardowe wymiary rur stalowych z wewnêtrzn¹ wyk³adzin¹ z zaprawy cementowej [mm]

• • • • •

Œrednica wewnêtrzna rury

Gruboœæ œcianki rury

Gruboœæ wyk³adziny cementowej

159,0

4,0

6,0

168,3

4,5

6,0

219,1

4,5

6,0

273,0

5,0

6,0

323,9

5,6

7,0

355,6

5,6

7,0

406,4

6,3

7,0

457,0

6,3

7,0

508,0

6,3

7,0

610,0

7,1

9,0

660,0

7,1

9,0

711,0

8,0

9,0

813,0

8,0

9,0

914,0

8,8

13,0

1016,0

10,0

13,0

1220,0

11,0

15,0

1420,0

12,5

15,0

1620,0

12,5

15,0

1820,0

14,2

15,0

2020,0

14,2

15,0

rok produkcji, oznaczenie gatunku stali, œrednica nominalna, dopuszczalne ciœnienie robocze PN dla rur ciœnieniowych, numer odnoœnej normy.

2.6. Przewody z polimerobetonu 2.6.1. Wprowadzenie Polimerobeton jest jednym z najnowszych materia³ów konstrukcyjnych stosowanych w budownictwie. W jego sk³ad nie wchodzi cement, a kruszywo jest wi¹zane spoiwem polimerowym. Do produkcji polimerobetonu stosuje siê syntetyczne ¿ywice chemoutwardzalne. W praktyce najczêœciej wykorzystywane s¹ ¿ywice epoksydowe i poliestrowe, a tak¿e akrylowe, wyj¹tkowo równie¿ ¿ywice fenolowe, furanowe i poliuretanowe. ¯ywice te modyfikuje siê w zale¿noœci od potrzeb, stosuj¹c [94]:

114

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

• • • •

plastyfikatory (obni¿aj¹ kruchoœæ), rozcieñczalniki (obni¿aj¹ lepkoœæ podczas urabiania), wype³niacze (obni¿aj¹ jednostkowe koszty), stabilizatory (hamuj¹ ujemny wp³yw œwiat³a i temperatury). Do wywo³ania procesu wi¹zania mieszanki potrzebny jest dodatek utwardzacza. Proces wi¹zania rozpoczyna siê od gêstnienia mieszanki, a zawarty w niej monomer zaczyna ¿elowaæ. Nastêpnie mieszanka przechodzi w fazê sta³¹, charakteryzuj¹c¹ siê usieciowan¹ struktur¹. W literaturze angielskojêzycznej polimerobeton oznaczany jest najczêœciej skrótem PRC (polyester resin concrete). Niekiedy producenci wprowadzaj¹ nazwy w³asne – np. w Niemczech mo¿na spotkaæ okreœlenie POLYCRETE® [144]. Podstawowymi zaletami polimerobetonu s¹ bardzo du¿a wytrzyma³oœæ oraz odpornoœæ chemiczna. Ze wzglêdu na jego zalety, do których mo¿na zaliczyæ tak¿e du¿¹ odpornoœæ na œcieranie oraz wytrzyma³oœæ zarówno na œciskanie jak i rozci¹ganie, z polimerobetonu na bazie ¿ywic poliestrowych zaczêto produkowaæ rury kanalizacyjne do grawitacyjnego odprowadzania œcieków komunalnych i przemys³owych. W Polsce rury z polimerobetonu produkowane s¹ zaledwie od kilku lat, a na œwiecie od kilkunastu. Na rynku dostêpne s¹ rury do tradycyjnego uk³adania w wykopach otwartych oraz do uk³adania technologiami bezwykopowymi, takimi jak mikrotunelowanie lub metoda przeciskowa. W ofercie specjalistycznych firm produkcyjnych s¹ zarówno rury o przekroju ko³owym, o przekroju typu V z wyprofilowan¹ kinet¹ oraz o przekroju jajowym. Oferty producentów obejmuj¹ ca³e systemy, tzn. rury, studzienki, a tak¿e kszta³tki [141, 144].

2.6.2. W³aœciwoœci polimerobetonu i wyprodukowanych z niego rur Polimerobeton stosowany do produkcji rur to materia³ o ciê¿arze objêtoœciowym oko³o 23 kN/m3 i wytrzyma³oœci na œciskanie od 60 do 150 MPa powsta³y w wyniku spojenia kruszywa, zazwyczaj ¿ywic¹ poliestrow¹. W praktyce najczêœciej stosuje siê kruszywo kwarcowe wysuszone do wilgotnoœci w ≤ 0,2%. Kruszywo takie powinno sk³adaæ siê z ró¿nych frakcji od 0,2 do 32 mm, tak, aby stos okruchowy wykazywa³ mo¿liwie ma³¹ porowatoœæ. Kruszywo musi spe³niaæ wymagania normowe [48] i powinno zawieraæ co najmniej 98% SiO2. Udzia³ stosunkowo drogiego spoiwa w postaci ¿ywicy poliestrowej stanowi zaledwie 10–12% masy polimerobetonu, co pozwala na utrzymanie cen gotowych wyrobów na poziomie akceptowalnym przez rynek. Doskona³a odpornoœæ komponentów na korozjê (pH = 1–10) sprawia, ¿e gotowy produkt mo¿e pracowaæ praktycznie w ka¿dych warunkach œrodowiskowych. Do zalet rur polimerobetonowych mo¿na zaliczyæ: • ca³kowit¹ szczelnoœæ, • zdolnoœæ do przenoszenia du¿ych obci¹¿eñ, • du¿¹ sztywnoœæ (zbli¿on¹ do sztywnoœci rur ¿elbetowych), • du¿¹ trwa³oœæ, • ma³¹ chropowatoœæ,

115

2.6. Przewody z polimerobetonu

• bardzo dobr¹ odpornoœæ chemiczn¹, • ³atwoœæ monta¿u, • odpornoœæ na uszkodzenia. Stosowana do produkcji wysokoreaktywna ¿ywica poliestrowa na bazie kwasu ortoftalowego, glikolu etylenowego i bezwodnika maleinowego powinna, zgodnie z norm¹ [44], mieæ nastêpuj¹ce w³aœciwoœci: • gêstoœæ 1,2 g/cm3, • wytrzyma³oœæ na zginanie 110 MPa, • modu³ sprê¿ystoœci 3500 MPa, • wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie 55 MPa, • temperatura zeszklenia T > 120 °C. Podstawowe w³aœciwoœci polimerobetonu na bazie ¿ywic poliestrowych stosowanego do produkcji rur kanalizacyjnych zestawiono w tabeli 2.6.1 [141, 94]. Wa¿nym parametrem jest te¿ jednostkowe obci¹¿enie niszcz¹ce FN charakteryzuj¹ce rury polimerobetonowe. Jednostkowe obci¹¿enie niszcz¹ce FN wyznacza siê w badaniu normowym analogicznie jak w przypadku rur betonowych i kamionkowych. W tabeli 2.6.2 zestawiono wartoœci jednostkowych si³ niszcz¹cych FN dla typoszeregu rur o œrednicach od 150 do 2000 mm, przedstawionego w aprobacie rur kanalizacyjnych z polimerobetonu przyznanej firmie ESPEBEPE BETONSTAL [4, 141]. Tabela 2.6.1. Podstawowe w³aœciwoœci polimerobetonu na bazie ¿ywic poliestrowych stosowanego do produkcji rur kanalizacyjnych Parametr

Jednostka

WartoϾ [MPa]

Wytrzyma³oœæ na œciskanie

MPa

60–150

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie

MPa

10

Wytrzyma³oœæ na zginanie

MPa

12–22

Modu³ sprê¿ystoœci

MPa

25 000–35 000

%

0,3–2,2

°C–1

(15–30)·10–6

%

1,0–2,0

kg/dm3

2,03–2,10

Skurcz Rozszerzalnoœæ cieplna Nasi¹kliwoœæ Gêstoœæ objêtoœciowa

2.6.3. Technologia produkcji rur z polimerobetonu W technologii produkcji rur polimerobetonowych mo¿na wyró¿niæ nastêpuj¹ce etapy: • pokrycie powierzchni wewnêtrznych formy œrodkiem antyadhezyjnym, • naniesienie na powierzchnie wewnêtrzne formy kilkumilimetrowej warstwy ¿ywicy (tzw. ¿elkot) metod¹ natryskiwania i odczekanie do jej zgêstnienia wskutek rozpoczêcia procesu polimeryzacji (utwardzania), • nape³nienie pionowo stoj¹cych form stalowych mieszank¹ nieutwardzonego polimerobetonu,

116

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych Tabela 2.6.2. Wartoœci jednostkowych si³ niszcz¹cych dla rur polimerobetonowych w zale¿noœci od ich œrednicy

• • • • •

Œrednica wewnêtrzna [mm]

Obci¹¿enie niszcz¹ce FN [kN/m]

150

42

200

56

250

70

300

72

400

80

500

80

600

81

700

95

800

96

1000

100

1200

120

1400

126

1500

133

1600

144

1800

162

2000

180

wibrowanie mieszanki w celu jej odpowietrzenia, utwardzanie mieszanki polimerobetonowej, rozformowanie, obróbka termiczna, prace wykoñczeniowe. Przebieg procesu produkcji rur polimerobetonowych jest sterowany komputerowo, dziêki czemu rury cechuje wysoka jakoœæ i bardzo dobra powtarzalnoœæ wszystkich parametrów. Powierzchnie gotowych rur s¹ g³adkie. Wewnêtrzna powierzchnia nie mo¿e zawieraæ porów widocznych go³ym okiem. Mikrochropowatoœæ powierzchni wewnêtrznej nie przekracza 0,1 mm. Koñce rur s¹ sfazowane pod k¹tem 45° na d³ugoœci 20 mm. Ka¿da rura kanalizacyjna ma wmontowane trzy uchwyty monta¿owe pozwalaj¹ce na jej transport w pozycji pionowej lub poziomej. Stosowana w procesie produkcji rur dodatkowa warstwa ¿ywicy, tzw. ¿elkot, tworzy powierzchniow¹ warstwê zamykaj¹c¹, zapewniaj¹c wodoszczelnoœæ, chemoodpornoœæ (w razie potrzeby mo¿na j¹ wykonaæ np. z ¿ywicy winyloestrowej o podwy¿szonej odpornoœci chemicznej) oraz g³adkoœæ wyrobów. ¯elkot zabezpiecza te¿ warstwê antyadhezyjn¹ przed uszkodzeniem, co gwarantuje prawid³owe rozformowanie gotowej rury.

117

2.6. Przewody z polimerobetonu

2.6.4. Typoszeregi rur z polimerobetonu Standardowa d³ugoœæ rur kanalizacyjnych przeznaczonych do uk³adania metod¹ tradycyjn¹ w wykopie otwartym wynosi 3000 mm. Rury mog¹ byæ wykonywane tak¿e w mniejszych d³ugoœciach [141]. Podstawowe parametry geometryczne i wytrzyma³oœciowe rur polimerobetonowych przeznaczonych do uk³adania metod¹ odkrywkow¹, produkowanych przez firmê ESPEBEPE BETONSTAL [141], przedstawiono w tabeli 2.6.3. Tabela 2.6.3. Podstawowe parametry geometryczne i wytrzyma³oœciowe rur polimerobetonowych przeznaczonych do uk³adania w wykopach otwartych Œrednica wewnêtrzna DN

Œrednica zewnêtrzna [mm]

Gruboœæ œcianki rury

Ca³kowita masa rury [kg]

Minimalne obci¹¿enie niszcz¹ce FN [kN/m]

1200

1424

112,0

3250

120

1400

1661

130,5

4300

126

1600

1898

149,0

5600

144

1800

2135

167,5

6950

162

2000

2373

186,5

8600

180

Licencjodawca [144] produkuje rury z polimerobetonu w szerszym zakresie wymiarowym. Standardowa d³ugoœæ rur kanalizacyjnych przeznaczonych do uk³adania metod¹ bezwykopow¹ dla œrednic nominalnych DN150 i DN200 wynosi 1000 mm. Dla DN250, DN300, DN400 produkuje siê rury o d³ugoœciach 990 mm lub 1990 mm. Dla DN500, DN600, DN700, DN800 – odpowiednio 1990 mm. Dopuszczalna tolerancja d³ugoœci rur wynosi ±1 mm. Przyk³adow¹ rurê z polimerobetonu o przekroju typu V, przeznaczon¹ do uk³adania metod¹ bezwykopow¹ przedstawiono na rys. 2.6.1, a podstawowe parametry geometryczne i wytrzyma³oœciowe takich rur podano w tabeli 2.6.4. Mo¿na oczekiwaæ, ¿e asortyment oferowanych rur z czasem bêdzie coraz szerszy, gdy¿ w procesie produkcji nie ma barier technologicznych, a w ostatnich latach wyraŸnie wzrasta liczba kana³ów budowanych metodami bezwykopowymi.

2.6.5. Po³¹czenia rur polimerobetonowych Rury polimerobetonowe maj¹ z³¹cza o ró¿nej konstrukcji w zale¿noœci od tego, czy s¹ uk³adane tradycyjnie w wykopach otwartych, czy te¿ kana³ z nich budowany jest bezwykopowo, np. mikrotunelowanie. W pierwszym przypadku z³¹cza nasuwkowe rur kanalizacyjnych przeznaczonych do uk³adania w wykopach otwartych stanowi¹ pierœcienie o œrednicy wiêkszej ni¿ œrednica zewnêtrzna rury. Takie elementy po³¹czeniowe wykonywane s¹ z ¿ywicy poliestrowej zbrojonej w³óknem szklanym. Ka¿da rura zaopatrzona jest z jednej strony w z³¹-

118

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

Rys. 2.6.1. Widok rury z polimerobetonu przeznaczonej do uk³adania metod¹ odkrywkow¹ Tabela 2.6.4. Podstawowe parametry geometryczne i wytrzyma³oœciowe rur polimerobetonowych przeznaczonych do uk³adania metod¹ bezwykopow¹ Œrednica wewnêtrzna DN

Œrednica Gruboœæ D³ugoœæ zewnêtrzna œcianki rury [mm]

Masa rury

Minimalne obci¹¿enie niszcz¹ce FN

Dopuszczalna si³a pod³u¿na

[m]

[kg]

[kN/m]

[kN]

150

212,0

29,0

1

36,0

42,0

200,0

200

278,0

37,5

1

65,0

56,0

230,0 530,0

250

363,0

55,0

1

117,0

70,0

300

403,0

50,0

1

122,0

72,0

510,0

400

553,0

75,0

1

249,0

80,0

1500,0

1200

1424,0

112,0

3

3250,0

120,0

4530,0

1400

1661,0

130,5

3

4300,0

126,0

6040,0

1500

1720,0

160,0

3

5250,0

155,0

7400,0

1600

1898,0

149,0

3

5600,0

144,0

7800,0

1800

2135,0

167,5

3

6950,0

162,0

9860,0

2000

2373,0

186,5

3

8600,0

180,0

10980,0

cze, z którym zintegrowana jest uszczelka elastomerowa, która musi spe³niaæ wymagania normy [47], tzn. wykazywaæ nastêpuj¹ce w³aœciwoœci: • twardoœæ wed³ug Shora 50±5, • wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie 10 MPa,

2.6. Przewody z polimerobetonu

119

p ierœc ie ñ z la mina tu p olie strowe g o

uszc ze lka g umowa

Rys. 2.6.2. Schemat konstrukcji z³¹cza rur kanalizacyjnych przeznaczonych do uk³adania w wykopach otwartych

• wyd³u¿alnoœæ 400%, • stabilnoœæ objêtoœciowa w obecnoœci œcieków ∆V < 5%, • odpornoœæ chemiczna w zakresie pH 2–12. Schemat konstrukcji takiego z³¹cza przedstawiono na rys. 2.6.2. W przypadku budowy kana³u technologi¹ bezwykopow¹, z³¹cza poszczególnych rur musz¹ byæ zlicowane z ich powierzchni¹ zewnêtrzn¹ w celu zmniejszenia oporów przy przeciskaniu. Rozwi¹zano to w taki sposób, ¿e ka¿da rura zaopatrzona jest z jednej strony w pierœcieñ sprzêgaj¹cy z laminatu poliestrowo-szklanego lub ze stali nierdzewnej. Œrednica zewnêtrzna takiego pierœcienia jest równa lub nieco mniejsza od œrednicy zewnêtrznej rury. Dla rur o œrednicach nominalnych DN ≤ 800 pierœcieñ sprzêgaj¹cy nasadzany jest na gumow¹ uszczelkê. Podobna uszczelka znajduje siê równie¿ na drugim koñcu rury. W przypadku rur o œrednicach nominalnych DN >1000 pierœcieñ sprzêgaj¹cy przyklejany jest do jednego koñca rury dwusk³adnikowym klejem epoksydowym. Drugi koniec rury zaopatrzony jest w dwie elastomerowe uszczelki, na które podczas ³¹czenia rur nasuwany jest pierœcieñ stalowy. Do czo³a rur przeciskowych, od strony gdzie znajduje siê stalowe z³¹cze, przyklejony jest pierœcieñ wykonany z miêkkiego drewna, s³u¿¹cy do wyrównywania naprê¿eñ dociskowych na obwodzie przekroju rury podczas prowadzenia robót, np. mikrotunelowania. Szczegó³ takiego z³¹cza przedstawiono na rys. 2.6.3. p ie rœc ie ñ sta lo wy

uszc ze lka g umowa

kit e p oksyd owy p ie rœc ie ñ d re wnia ny

Rys. 2.6.3. Schemat konstrukcji z³¹cza rur kanalizacyjnych przeznaczonych do uk³adania technologi¹ bezwykopow¹

120

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

2.6.6. Badania rur z polimerobetonu 2.6.6.1. Badania materia³owe Dla polimerobetonu przeznaczonego do produkcji rur kanalizacyjnych przeprowadza siê okresowo badania kontrolne, podczas których sprawdzane s¹ nastêpuj¹ce parametry wytrzyma³oœciowe: • gêstoœæ, • wytrzyma³oœæ na œciskanie, • wytrzyma³oœæ na zginanie. Badania te, szczegó³owo opisane w [4], wykonuje siê z ka¿dej partii ¿ywicy, jednak nie rzadziej ni¿ raz na dzieñ dla aktualnie wykorzystywanego materia³u. Gêstoœæ i wytrzyma³oœæ na œciskanie sprawdza siê z norm¹ [38]. Pomiary wykonywane s¹ ka¿dorazowo na trzech kostkach o wymiarach 100×100×100 mm. Wytrzyma³oœæ na œciskanie badana jest przy u¿yciu maszyny wytrzyma³oœciowej o zakresie do 2000 kN. Kostki ustawione centralnie na p³ycie obci¹¿ane s¹ osiowo, a¿ do zniszczenia. Wytrzyma³oœæ polimerobetonu na œciskanie σs [MPa] oblicza siê wed³ug równania:

σs =

1000 F ab

(2.6.1)

gdzie: F – obci¹¿enie niszcz¹ce, kN, a, b – d³ugoœci boków obci¹¿anej œcianki kostki, m. Wytrzyma³oœæ na zginanie wyznaczana jest na podstawie normy [44] podczas trzypunktowego zginania beleczek. Wymiary beleczek zale¿¹ od maksymalnej wielkoœci ziaren znajduj¹cych siê w masie polimerobetonowej. Typoszereg beleczek stosowanych do badañ jest nastêpuj¹cy: 40×40×200 mm, 80×80×400 mm, 100×100×400 mm. Badania przeprowadza siê przy u¿yciu maszyny wytrzyma³oœciowej przy zakresach obci¹¿eñ: 10 kN, 50 kN, 100 kN, 150 kN. Wytrzyma³oœæ polimerobetonu na zginanie σ [MPa] oblicza siê wed³ug równania:

σ=

3FL 2bh 2

(2.6.2)

gdzie: F – si³a niszcz¹ca, N, L – odstêp podpór, mm, b – szerokoœæ beleczki, mm, h – wysokoœæ beleczki, mm. 2.6.6.2. Badanie wodoszczelnoœci Badania wodoszczelnoœci przeprowadza siê na zestawie co najmniej dwóch rur. Osi¹gniêcie wymaganego ciœnienia 0,24 MPa (2,4 bara) powinno byæ uzyskiwane stop-

2.6. Przewody z polimerobetonu

121

niowo, w czasie nie krótszym ni¿ 15 minut. Maksymaln¹ wartoœæ ciœnienia nale¿y utrzymywaæ przynajmniej przez 15 minut. 2.6.6.3. Badanie wytrzyma³oœci rur na obci¹¿enie zewnêtrzne Badanie przeprowadza siê na ca³ych rurach lub ich odcinkach. D³ugoœæ badanego odcinka powinna wynosiæ 1/9 œrednicy nominalnej. W przypadku du¿ych rur, gdy brak jest mo¿liwoœci technicznych przeprowadzenia testu, dopuszcza siê badanie wycinków z pierœcienia. D³ugoœæ wycinka powinna odpowiadaæ 5-krotnej gruboœci œcianki, a szerokoœæ oko³o 3-krotnej. Badany fragment rury lub jej wycinka jest obci¹¿any przez belkê pod³u¿n¹ przekazuj¹c¹ nacisk na ca³ej d³ugoœci próbki. Szerokoœæ belki œciskaj¹cej powinna wynosiæ 1/10 rozstawu podpór. Obci¹¿enie powinno przyrastaæ równomiernie (oko³o 500N/s), tak, aby koñcowa wytrzyma³oœæ zosta³a osi¹gniêta po oko³o 2 minutach. Wytrzyma³oœæ na zginanie dla rur o przekroju ko³owym wyliczana jest jako funkcja si³y F wywo³uj¹cej z³amanie wed³ug równania: 0,3F 3d + 5s (2.6.3) ⋅ l s2 gdzie: F – si³a wywo³uj¹ca z³amanie, N, d – œrednica wewnêtrzna rury, mm, l – d³ugoœæ badanego odcinka rury, mm, s – gruboœæ œcianki rury w przekroju pod belk¹, mm. Wytrzyma³oœæ na zginanie dla rur (gdy jako próbki badane s¹ wycinki pierœcieni) oblicza siê po wyznaczeniu si³y F wywo³uj¹cej z³amanie wed³ug równania:

σ=

σ=

3 F l ⋅ ⋅ ⋅α k 2 b s2

(2.6.4)

gdzie αk wyznacza siê z równania: 3d + 5s , 3d + 3s w którym: αk – wspó³czynnik korekcyjny, F – si³a wywo³uj¹ca z³amanie, N, l – rozstaw podpór, m, b – szerokoœæ próbki, m, s – gruboœæ œcianki rury, m, d – œrednica wewnêtrzna rury, m. Badanie przeprowadza siê dla co dwusetnej rury dla ka¿dej œrednicy.

αk =

(2.6.5)

2.6.7. Oznaczenia Na powierzchni ka¿dej rury musi znajdowaæ siê trwa³e oznaczenie, zawieraj¹ce co najmniej poni¿sze informacje:

122 • • • • • •

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

nazwê producenta, nazwê materia³u, nazwê elementu, œrednicê nominaln¹, datê produkcji, kolejny numer (w danym miesi¹cu).

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych 2.7.1. Wiadomoœci wstêpne Produkcja przewodów podatnych z polimerów rozpoczê³a siê w latach 30. dwudziestego wieku i jest zwi¹zana z dynamicznym rozwojem produkcji tworzyw sztucznych, tzn. materia³ów, których podstawowym sk³adnikiem s¹ wielocz¹steczkowe zwi¹zki organiczne, nazywane polimerami. Najczêœciej stosowan¹ klasyfikacj¹ polimerów jest klasyfikacja zaproponowana przez Fischera, uwzglêdniaj¹ca ich w³aœciwoœci reologiczne bezpoœrednio zwi¹zane z w³aœciwoœciami u¿ytkowymi [257]. Ze wzglêdu na to kryterium polimery dzieli siê na elastomery i plastomery, do których zalicza siê termoplastyczne polimery amorficzne i krystaliczne (termoplasty) oraz duroplasty (polimery termo- i chemoutwardzalne). Tworzywa sztuczne wytwarzane s¹ przewa¿nie z surowców wêglopochodnych i ropopochodnych w wyniku reakcji: • polimeryzacji – otrzymywane s¹ termoplasty (polietylen, polipropylen, polichlorek winylu), • polikondensacji – otrzymywane s¹ duroplasty (¿ywice fenolowe, kreozotowe, perlon, nylon), • poliaddycji – otrzymywane s¹ struktury (makrocz¹steczki) liniowe o luŸnym usieciowieniu (poliuretany). Wyprodukowany polimer otrzymuje nazwê wystêpuj¹cego w przewadze monomeru (organicznego zwi¹zku niskocz¹steczkowego) z przedrostkiem poli- (np. polietylen). Polimery z jednym rodzajem monomeru nazywane s¹ tak¿e homopolimerami, a gdy wystêpuj¹ ró¿ne monomery, polimer przyjmuje nazwê od monomeru przewa¿aj¹cego z dodaniem okreœlenia kopolimer (np. kopolimer polipropylenu). Wed³ug podstawowych, obowi¹zuj¹cych oznaczeñ tworzywa sztuczne, u¿ywane do produkcji przewodów, dziel¹ siê na grupy [209]: • tworzyw poliwinylowych: – nieplastyfikowany polichlorek winylu PVC-U (oznaczenie krajowe PCW-U), – chlorowany polichlorek winylu PCW-C; • poliolefin: – polietylen niskiej gêstoœci PELD (LD – Low Density), – polietylen œredniej gêstoœci PEMD (MD – Middle Density), – polietylen wysokiej gêstoœci PEHD (HD – High Density), – polietylen wysokiej gêstoœci sieciowany PE-X,

123

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

– polipropylen PP, – homopolimer polipropylenu PP-H, – kopolimer polipropylenu PP-Co, – polibutylen PB; • kompozytów – duroplasty wzmacniane w³óknem szklanym (ang. Glass Reinforced Plastic – GRP, niem. Glasfaserverstärkte Kunstoff – GFK): – utwardzanych ¿ywic¹ epoksydow¹ GRP-EP, – utwardzanych ¿ywic¹ poliestrow¹ GRP-UP. Wymienione kompozyty wytwarzane s¹ z ¿ywic chemoutwardzalnych [257]. W praktyce u¿ywana jest wiêksza liczba symboli, co jest implikowane wprowadzaniem symboli firmowych. St¹d te¿, w zale¿noœci od producenta, tak samo oznaczone tworzywa mog¹ mieæ ró¿ne w³aœciwoœci. Historiê zastosowañ poszczególnych rodzajów tworzyw do wytwarzania rur, niektóre ich charakterystyki oraz zakresy œrednic przedstawiono w tabeli 2.7.1 [1]. Z wymienionych w tabeli materia³ów do produkcji rur kanalizacji zewnêtrznej stosuje siê przede wszystkim: PCW, PEHD, PP oraz GRP-EP i GRP-UP. Wzrost zainteresowania tym typem przewodów wi¹¿e siê z przypisywanymi im zaletami, do których najczêœciej zalicza siê [153]: • d³ugi okres przewidywanej eksploatacji; przyjmuje siê, ¿e jest on nie krótszy ni¿ 50 lat, • ma³y ciê¿ar w stosunku do rur sztywnych (betonowych, ¿eliwnych, kamionkowych), • mo¿liwoœæ produkcji rur o du¿ych d³ugoœciach (z termoplastów przy mniejszych œrednicach), • odpornoœæ na chemiczn¹ agresywnoœæ œrodowiska, rozumian¹ jako: – odpornoœæ na degradacjê, uszkodzenie i obni¿enie w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych itp., Tabela 2.7.1. Podstawowe w³aœciwoœci tworzyw sztucznych stosowanych do produkcji rur Rodzaj tworzywa

Polichlorek winylu

Skrót

PCW

Data rozpoczêcia produkcji

1935

Gêstoœæ

Œrednice produkowanych rur

[kg/m3]

Naprê¿enia projektowe w temperaturze +20 °C [MPa]

1400

10,0–14,0

40–630

[mm]

Polietylen

PELD

1945

930–940

2,5–3,2

16–160

Polietylen

PEHD

1955

950–965

5,0–6,3

25–2400

Polipropylen

PP

1955

910–925

5,0

25–1600

Polibutan

PB

1955

920

5,0

25–160

Epoxy

GRP–EP

1955

1,850

100

15–1500

Poliester

GRP–UP

1955

1700

100

200–2400

Polietylen

PE–X

1968

930–965

5,0

25–160

Polietylen

PEMD

1971

940–950

5,0–6,3

25–1600

124

• • • • • • • • • • • • • • •

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

– ma³¹ przenikalnoœæ substancji chemicznych przez œcianki przewodu, nietoksycznoœæ, dobre w³aœciwoœci hydrauliczne, du¿¹ odpornoœæ na œcieranie, bardzo ma³¹ nasi¹kliwoœæ, ³atwy, szybki i nie wymagaj¹cy du¿ych nak³adów monta¿, wysok¹ elastycznoœæ (szczególnie przy mniejszych œrednicach) gwarantuj¹c¹ du¿¹ swobodê uk³adania instalacji, odpornoœæ na uderzenia hydrauliczne i mechaniczne (z wyj¹tkiem rur kompozytowych), niewystêpowanie inkrustacji, ³atwoœæ obróbki mechanicznej, brak potrzeby stosowania dodatkowych warstw ochronnych (izolacji), ³atwoœæ ³¹czenia z rurami i armatur¹ z innych materia³ów, mo¿liwoœæ stosowania na obszarach objêtych wp³ywami sejsmicznymi i parasejsmicznymi (np. na terenach szkód górniczych), ma³e koszty eksploatacji, szczelnoœæ, odpornoœæ na pr¹dy b³¹dz¹ce.

Przeciwnicy stosowania przewodów z tworzyw sztucznych uzasadniaj¹ swoje stanowisko ich wadami, do których najczêœciej zaliczaj¹: • brak tradycji stosowania tego typu przewodów i potwierdzonych tym rzeczywistych, a nie modelowanych, doœwiadczeñ eksploatacyjnych, • niestabilnoœæ parametrów wytrzyma³oœciowych w czasie i przy zmianach temperatury, • du¿¹ wyd³u¿alnoœæ, • trudnoœæ zapewnienia wymaganej wspó³pracy pomiêdzy oœrodkiem gruntowym i przewodem bez bardzo starannego wykonania podsypki i obsypki przewodów. Ze wzglêdu na w³aœciwoœci statyczno-wytrzyma³oœciowe przewody z tworzyw sztucznych zaliczaj¹ siê do przewodów podatnych, które odró¿nia od przewodów sztywnych (wykonanych z ceg³y, kamionki, ¿eliwa, betonu lub polimerobetonu) ich praca w oœrodku gruntowym. Przewody sztywne s¹ praktycznie nieodkszta³calne, w zwi¹zku z czym rozk³ady dzia³aj¹cych na nie obci¹¿eñ charakteryzuj¹ siê du¿ymi koncentracjami w dolnej i górnej czêœci przekroju. Rury podatne pod wp³ywem obci¹¿eñ ulegaj¹ deformacji, zazwyczaj sp³aszczeniu, co powoduje redukcjê obci¹¿eñ w dolnej i górnej czêœci przekroju przy równoczesnym wzroœcie obci¹¿eñ bocznych. W efekcie nastêpuje korzystne wyrównanie tych wielkoœci wokó³ przewodu i zmniejszenie wartoœci momentów zginaj¹cych w œciance rury. Niejednokrotnie wyró¿nia siê spoœród przewodów z tworzyw sztucznych i stali grupê rur pó³sztywnych (przy odpowiednim stosunku iloczynu œredniego promienia rury i modu³u odkszta³calnoœci oœrodka gruntowego do iloczynu gruboœci œcianki rury i modu³u sprê¿ystoœci jej materia³u – patrz kryterium 2.7.1), które s¹ konstrukcj¹ poœredni¹

125

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

pomiêdzy przewodami sztywnymi i podatnymi, gdy¿ ich wspó³praca z oœrodkiem gruntowym wykazuje podobieñstwa zarówno do wspó³pracy rur sztywnych, jak i podatnych. Za³o¿enia do projektowania konstrukcji takich przewodów przedstawiono na rys. 2.7.1 [96]. W kwalifikacji przewodów ze wzglêdu na ich sztywnoœæ najczêœciej korzysta siê z kryterium Kleina, które wyra¿one jest zale¿noœci¹ [157]:

n=

E g rm3

(2.7.1)

Ee 3

gdzie: Eg – modu³ odkszta³calnoœci gruntu, MPa, E – modu³ sprê¿ystoœci materia³u, z którego wykonany jest przewód, MPa, de + di , mm, 4 de – œrednica zewnêtrzna przewodu, mm, di – œrednica wewnêtrzna przewodu, mm, e – gruboœæ œcianki rury, mm. W przypadku rur sztywnych kryterium przyjmuje wartoœæ n < 1, dla rur podatnych n > 1, a dla pó³sztywnych n = 1.

rm – œredni promieñ przewodu; rm =

Sztywne

Pó³sztywne

Podatne

q=vH

q=vH

q=vH

Czynniki okreœlaj¹ce noœnoœæ uk³adu

Wytrzyma³oœæ materia³u rury

Wytrzyma³oœæ materia³u rury + sztywnoœæ gruntu

SztywnoϾ obwodowa rury + sztywnoϾ gruntu

Charakterystyka statyczna uk³adu

Rura stanowi samodzielny uk³ad statyczny

Dopuszczalne odkszta³cenie wzglêdne [%] Kryteria projektowe

Rura i grunt stanowi¹ wspó³pracuj¹cy uk³ad statyczny

~0

~ 0,5

>5

Naprê¿enie

Naprê¿enie/odkszta³cenie wzglêdne

Odkszta³cenie + statecznoœæ

Rys. 2.7.1. Za³o¿enia do projektowania przewodów u³o¿onych w gruncie

126

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

W zmodyfikowanej formie kryterium Kleina wyra¿aj¹ zale¿noœci: dla rur sztywnych

r E 3 e Eg

(2.7.3)

dla rur pó³sztywnych

r E =3 e Eg

(2.7.4)

Sztywnoœæ rur wyznaczana jest doœwiadczalnie i mierzona jako odpornoœæ na ugiêcie obwodowe w wyniku podzielenia si³y dzia³aj¹cej na próbkê przez d³ugoœæ tej próbki i ugiêcie [224]: S=

gdzie: S F L dv f

Ff L dv

(2.7.5)

– sztywnoœæ rury, N/m2, – si³a dzia³aj¹ca na jednostkê d³ugoœci, N, – d³ugoœæ próbki, m, – ugiêcie, m, – wspó³czynnik ugiêcia zniekszta³conej rury w wyniku jej owalizacji, wyznaczony ze wzoru:  dv   f = 10 − 5 1860 + 2500 d m  

(2.7.6)

gdzie dm – uœredniona œrednica rury, m. Do celów projektowych przyjmuje siê ró¿ne wartoœci sztywnoœci obwodowej w zale¿noœci od norm i wytycznych do jej obliczania stosowanych w ró¿nych krajach [224]. Przepisy CEN oraz normy ISO definiuj¹ sztywnoœæ obwodow¹ zale¿noœci¹: S=

EI d m3

(2.7.7)

gdzie: E – umowny modu³ sprê¿ystoœci materia³u, z którego wykonany jest przewód, Pa, I – moment bezw³adnoœci przekroju rury, I = e3/12. Wed³ug norm niemieckich DIN oraz wytycznych ATV, sztywnoœæ obwodowa wyra¿a siê równaniem:

127

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych Tabela 2.7.2. Zestawienie sztywnoœci obwodowych obliczanych wed³ug ró¿nych metod Sztywnoœæ nominalna oznaczenie jednostka

SN2500

SN5000

SN10000

SN15000

SN20000

normy

S

N/m2

ISO, CEN

2500

5000

10000

15000

20000

SR

N/mm2

DIN, ATV

0,02

0,04

0,08

0,12

0,16

F/dv

psi

ASTM

18

36

72

108

144

SR =

EI rm3

(2.7.8)

W normie amerykañskiej ASTM okreœla siê sztywnoœæ obwodow¹ przy ugiêciu 5% i wyra¿a j¹ stosunkiem F/dv. Zestawienie sztywnoœci obwodowych rur wyznaczonych zgodnie z powy¿szymi wzorami przedstawiono w tabeli 2.7.2 [224]. Zagadnieniem kontrowersyjnym w przypadku statyczno-wytrzyma³oœciowych analiz przewodów z tworzyw sztucznych jest czêsto wielkoœæ przyjmowanego do obliczeñ modu³u sprê¿ystoœci E (nazwanego tu za [224] umownym modu³em sprê¿ystoœci). Kontrowersje te wynikaj¹ zazwyczaj z niewystarczaj¹cej wiedzy o cechach tworzyw sztucznych i wp³ywie tych cech na wielkoœæ modu³u Younga. Modu³ sprê¿ystoœci wzd³u¿nej, okreœlaj¹cy sztywnoœæ polimeru, je¿eli jest zdefiniowany jako stosunek naprê¿enia normalnego σ do wyd³u¿enia ε i wyznaczony przy sta³ej prêdkoœci odkszta³cenia, mo¿e mieæ zastosowanie tylko do obliczeñ in¿ynierskich. Uzyskanie pe³nej charakterystyki tego modu³u dla polimeru wymaga wyznaczania go przy ró¿nych prêdkoœciach obci¹¿eñ jako E(t) z uwzglêdnieniem lepkosprê¿ystego zachowania siê polimerów (patrz 2.7.2.1). Dlatego, w celu dok³adniejszego porównania ró¿nych materia³ów, powinny byæ podawane co najmniej modu³y sprê¿ystoœci z indeksem czasu okreœlaj¹cym czas trwania odkszta³cenia, np. E10 oznacza, ¿e modu³ wyznaczono po 10 sekundach trwania odkszta³cenia. Dla polimerów, które nie maj¹ wyraŸnej granicy plastycznoœci (elastomerów) powinien byæ okreœlany modu³ sieczny, który jest umownym modu³em oznaczonym przy zadanym wyd³u¿eniu, np. E(200) oznacza, ¿e modu³ zosta³ okreœlony przy wyd³u¿eniu równym 200% [257]. Cytowane dalej charakterystyki mechanicznych cech wyrobów zawieraj¹ siê w przedzia³ach wielkoœci, co wynika z odmiennych sposobów ich wyznaczania przez poszczególnych producentów rur. Jeszcze trudniejszym problemem jest prawid³owa interpretacja modu³ów sprê¿ystoœci w przypadku kompozytów wykonywanych na bazie duroplastów (patrz rozdzia³ 2.7.3.4). Ponadto, parametry polimerów ulegaj¹ zmianie w czasie, w zwi¹zku z czym wyró¿nia siê krótkotrwa³e i d³ugotrwa³e modu³y sprê¿ystoœci.

128

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

Szeregi wymiarowe przewodów podatnych (z tworzyw sztucznych) okreœla siê wskaŸnikiem SDR (ang. Standard Dimention Ratio), wyra¿onym wzorem [209]:

SDR =

De e

(2.7.9)

gdzie: De – zewnêtrzna œrednica rury, mm, e – gruboœæ œcianki rury, mm. Rury z tworzyw sztucznych produkowane s¹ w szeregach SDR, którym przypisywane s¹ odpowiednie robocze, dopuszczalne ciœnienia nominalne w temperaturze 20 °C. Ciœnienie to oznacza siê skrótem PN pochodz¹cym od angielskojêzycznego sformu³owania nominal pressure rating. Wartoœæ tego ciœnienia podawana jest zwyczajowo w barach. Rury o wiêkszym wskaŸniku SDR charakteryzuj¹ siê mniejszymi gruboœciami œcianek i mog¹ transportowaæ media pod mniejszymi ciœnieniami PN. Podstawowym parametrem w projektowaniu konstrukcji przewodów jest wytrzyma³oœæ przewidywanego do zastosowania materia³u. W przypadku tworzyw sztucznych ich wytrzyma³oœæ zmienia siê z up³ywem czasu (porównaj 2.7.2.1), dlatego te¿ do oceny i porównania tworzyw wykorzystuje siê pojêcie „wytrzyma³oœci czasowej”, okreœlanej przy obci¹¿eniu przewodu wewnêtrznym ciœnieniem w temperaturze 20 °C dla 50. lat eksploatacji. Podejœcie takie jest podstaw¹ klasyfikacji tworzyw do wytwarzania rur prowadzonej wed³ug ISO 12162 i EN 32162. Dla porównania tworzyw wprowadza siê nastêpuj¹ce pojêcia [1]: • d³ugoterminowa wytrzyma³oœci (po up³ywie 50. lat) LTHS (ang. Long Term Hydrostatic Limit), • minimalna wymagana wytrzyma³oœæ tworzywa MRS (ang. Minimum Required Strenght); wartoœæ MRS okreœlana w warunkach laboratoryjnych mówi, jak¹ minimaln¹ wytrzyma³oœæ bêdzie mia³ materia³ po up³ywie 50. lat przy za³o¿eniach, ¿e temperatura materia³u nie bêdzie w tym czasie wy¿sza ni¿ 20 °C, a transportowane medium stanowi woda, • wartoœæ dolnej granicy przedzia³u ufnoœci LCL (ang. Lower Confidence Limit) wyra¿ona w MPa, któr¹ mo¿na traktowaæ jako w³aœciwoœæ materia³u reprezentuj¹c¹ 97,5% dolnej granicy ufnoœci, przewidywanej d³ugotrwa³ej wytrzyma³oœci na ciœnienie hydrostatyczne dla wody o temperaturze 20 °C w okresie 50 lat, • wytrzyma³oœæ obliczeniowa σs = MRS/C, gdzie C jest ogólnym wspó³czynnikiem bezpieczeñstwa o wartoœci wiêkszej od 1 przyjmowanym z szeregu Renarda R20, w którym uwzglêdnia siê warunki pracy oraz w³aœciwoœci sieci inne ni¿ reprezentowane przez LCL. W praktyce in¿ynierskiej najczêœciej wykorzystuje siê wartoœæ MRS, któr¹ mno¿y siê przez 10 i dodaje do symbolu materia³owego (np. oznaczenie PE100 informuje, ¿e minimalna wytrzyma³oœæ rury polietylenowej na naprê¿enia wynosi 10 MPa w temperaturze 20 °C przez okres 50 lat).

129

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

2.7.2. Przewody podatne z tworzyw termoplastycznych 2.7.2.1. Wprowadzenie Tworzywa termoplastyczne maj¹ strukturê nieuporz¹dkowan¹ (amorficzn¹) lub czêœciowo uporz¹dkowan¹ (krystaliczn¹). Struktura tych tworzyw oraz temperatura decyduj¹ o ich w³aœciwoœciach fizycznych, co schematycznie przedstawiono na rys. 2.7.2 [1]. Tworzywa te s¹ spawalne i mo¿na je wielokrotnie przetapiaæ i formowaæ. Zaliczaj¹ siê do materia³ów lepkosprê¿ystych, dla których nie obowi¹zuje klasyczne prawo Hooke’a. Zale¿noœæ miêdzy naprê¿eniem a odkszta³ceniem wzglêdnym jest w przypadku tych tworzyw przedstawiana krzyw¹, której pochylenie zale¿y od czasu dzia³ania obci¹¿enia. Im czas ten bêdzie d³u¿szy, tym odkszta³cenie wzglêdne (pe³zanie), wywo³ane tym samym poziomem naprê¿enia, bêdzie wiêksze. Ilustruj¹cy tê zale¿noœæ wykres zamieszczono na rys. 2.7.3 [96]. wytrzyma³oœæ a)

b)

wyd³u¿enie

temperatura

modu³ E c)

temperatura

rozszerzalnoϾ cieplna

Rys. 2.7.2. Wp³yw struktury termoplastów na ich wybrane w³aœciwoœci fizyczne: a) wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, b) modu³ sprê¿ystoœci E, c) rozszerzalnoœæ cieplna, — tworzywa o strukturze czêœciowo krystalicznej, ---- tworzywa o strukturze amorficznej

W praktyce konsekwencj¹ pe³zania mo¿e byæ pojawianie siê uszkodzeñ po up³ywie pewnego czasu. Mo¿e mieæ to znaczenie w przypadku przewodów ciœnieniowych, szczególnie tak u³o¿onych (np. kanalizacja ciœnieniowa w tunelach wieloprzewodowych), ¿e pe³zanie nie jest ograniczane. Rozwi¹zanie problemu polega wtedy na takim doborze ciœnienia, aby czas po up³ywie którego nast¹pi rozerwanie rury w wyniku pe³zania, by³ d³u¿szy od przewidywanego czasu jej u¿ytkowania. W przypadku grawitacyjnych przewodów kanalizacyjnych u³o¿onych w gruncie, którego odpór na rurê ogranicza swobodê pe³zania, wystêpuje zjawisko relaksacji. W takich warunkach pocz¹tkowe naprê¿enia zmniejszaj¹ siê w czasie w wyniku odkszta³cenia œcianki (owalizacja przewodu). Aby stosowaæ opisane klasycznym równaniem (σ/ε = E) prawo Hooke’a dla materia³ów lepkosprê¿ystych, konieczne jest zast¹pienie modu³u sprê¿ystoœci E o sta³ej war-

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

naprê¿enia [MPa]

130

1 t 2

σo

pe³zanie

relaksacja

εo

odkszta³cenia wzglêdne [%]

Rys. 2.7.3. Wykres zale¿noœci naprê¿enia na rozci¹ganie i odkszta³cenia wzglêdnego dla materia³ów idealnie sprê¿ystych i lepkoplastycznych: 1 – materia³ sprê¿ysty, 2 – materia³ lepkosprê¿ysty, t – czas obci¹¿enia

toœci (jak dla materia³ów idealnie sprê¿ystych) modu³em sprê¿ystoœci Ep o zmiennej wartoœci:

σ = Ep ε

(2.7.10)

Modu³ Ep nazywany jest (w zale¿noœci od sytuacji) modu³em pe³zania, gdy opisuje wzrost w czasie odkszta³cenia wzglêdnego ε (pe³zanie) pod dzia³aniem sta³ego naprê¿enia lub modu³em relaksacji, gdy opisuje spadek w czasie wartoœci naprê¿enia σ w materiale poddanym sta³emu odkszta³ceniu (relaksacja). Liczbowo wartoœci obu modu³ów s¹ porównywalne. Wytrzyma³oœæ przewodów wykonanych z termoplastów (PE, PCW, PP i innych) zale¿y tak¿e od temperatury w taki sposób, ¿e krzywe przedstawione na rys. 2.7.3, pokazuj¹ce pe³zanie, mog¹ byæ otrzymywane nie tylko w funkcji up³ywu czasu, lecz tak¿e wzrostu temperatury. Jest to wykorzystywane w krótkotrwa³ych badaniach prognozuj¹cych wytrzyma³oœæ termoplastów w d³ugiej perspektywie czasu (tzw. wytrzyma³oœæ d³ugotrwa³a), kiedy to up³yw czasu symuluje siê wzrostem temperatury. Wyznaczone w ten sposób wartoœci naprê¿eñ d³ugotrwa³ych dla podstawowych termoplastów (dla temperatury 20 °C i okresu nie krótszego ni¿ 50 lat) przedstawiono w tabeli 2.7.3 [96]. Przedstawione w tabeli wartoœci naprê¿eñ dotycz¹ przede wszystkim projektowania przewodów ciœnieniowych. W przewodach takich, nawet je¿eli s¹ one umieszczo-

131

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych Tabela 2.7.3. Naprê¿enia projektowe i d³ugotrwa³e naprê¿enia niszcz¹ce dla podstawowych tworzyw termoplastycznych Materia³

Naprê¿enia projektowe [MPa]

D³ugotrwa³e naprê¿enia niszcz¹ce [MPa]

PCW

10,0–14,0

25–30

PEHD

5,0–6,3

7–9

PEMD

5,0–6,3

8–9

PELD

2,5–3,2

4–5

PP

5,0

8–9

ne w gruncie, dominuj¹cym naprê¿eniem w œciance jest naprê¿enie rozci¹gaj¹ce. Tylko w krótkich okresach wy³¹czenia przewodu z eksploatacji mog¹ przewa¿aæ naprê¿enia wywo³ane przez obci¹¿enia zewnêtrzne. W przypadku przewodów grawitacyjnych u³o¿onych w gruncie dominuj¹cymi naprê¿eniami s¹ zawsze naprê¿enia wywo³ane obci¹¿eniami zewnêtrznymi. Ze wzglêdu na brak mo¿liwoœci swobodnego pe³zania, naprê¿enia nie s¹ w takim przypadku sta³e w czasie. Je¿eli rury zosta³y prawid³owo u³o¿one (patrz rozdzia³y 3 i 4), to pocz¹tkowe naprê¿enia w wyniku relaksacji bêd¹ mala³y, co jest uwzglêdniane przez wspó³czynnik relaksacji. 2.7.2.2. Przewody z polietylenu 2.7.2.2.1. W³aœciwoœci polietylenu

Polietylen o wzorze chemicznym (–CH2–CH2–)n jest tworzywem sztucznym, powstaj¹cym w wyniku polimeryzacji etylenu. Ma on postaæ bia³ego proszku lub bia³ej porowatej substancji o gêstoœci 0,92–0,97 g/cm3. Temperatura topnienia tego tworzywa waha siê w granicach 110–137 °C. W zale¿noœci od typu polimeryzacji otrzymywane s¹ polimery niskiej, œredniej lub wysokiej gêstoœci, oznaczone odpowiednio symbolami: PELD, PEMD i PEHD (porównaj rozdzia³ 2.7.1). Polietylen jest materia³em o bardzo dobrych w³aœciwoœciach dielektrycznych, wykazuj¹cym du¿¹ odpornoœæ na dzia³anie zwi¹zków chemicznych i niskie temperatury (do –50 °C) i nie rozpuszczaj¹cym siê w powszechnie stosowanych rozpuszczalnikach organicznych i nieorganicznych. W³ókna produkowane na bazie polietylenu nale¿¹ do najbardziej odpornych mechanicznie w³ókien wytwarzanych z tworzyw sztucznych. W³aœciwoœci polietylenu kszta³tuje jego struktura, tzn. liczba i d³ugoœæ bocznych odga³êzieñ ³añcucha molekularnego oraz przebieg procesu sch³adzania, gdy¿ od tego zale¿y iloœæ fazy krystalicznej. Polietyleny du¿ej i œredniej gêstoœci maj¹ lepsze parametry od polietylenu ma³ej gêstoœci. Charakteryzuj¹ siê one niewielk¹ liczb¹ krótkich ³añcuchów bocznych i st¹d nazywane s¹ polietylenami liniowymi. Stopieñ krystalizacji polietylenu HD o gêstoœci 0,940–0,965 g/cm3 osi¹ga 60–80%, a MD o gêstoœci 0,930–0,940 g/cm3 tylko 50–60%. W³aœciwoœci fizyczne polietylenu zale¿ne s¹ zatem

132

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

od jego masy cz¹steczkowej oraz jej rozk³adu i gêstoœci, przy wzroœcie której (przy wy¿szej krystalizacji) ulegaj¹ poprawie: • wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, • sztywnoœæ, • twardoœæ, • odpornoœæ na dzia³anie czynników chemicznych, • nieprzepuszczalnoœæ dla gazów i par. Zmniejszaj¹ siê przy tym: • udarnoœæ, • przeŸroczystoœæ, • odpornoœæ na tworzenie siê rys (pêkniêæ naprê¿eniowych). Zakresy podstawowych w³aœciwoœci polietylenu zestawione na podstawie studiów kilku Ÿróde³ przedstawiono w tabeli 2.7.4 [1, 129, 206, 209], a zale¿noœæ naprê¿enie–wyd³u¿enie dla tego materia³u na rys. 2.7.4 [206].

naprê¿enie [N/mm 2]

30 25 20 15 10 5 0

0

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 wyd³u¿enie [%]

Rys. 2.7.4. Wykres zale¿noœci naprê¿enie–wyd³u¿enie dla polietylenu

Zakresy wartoœci liczbowych przedstawione w tabeli 2.7.4 mog¹ byæ wykorzystywane w standardowych obliczeniach in¿ynierskich, jednak ka¿dorazowo powinny byæ porównywane z wartoœciami deklarowanymi przez producentów poszczególnych wyrobów. Przyk³adowe porównanie podstawowych, sprawdzonych w wyrobach, w³aœciwoœci fizykomechanicznych polietylenów ró¿nych gêstoœci przedstawiono w tabeli 2.7.5 [1]. Mo¿liwoœci przetwórcze polietylenu i implikowane tym sposoby wzajemnego ³¹czenia rur oraz kszta³tek wynikaj¹ z jego p³ynnoœci charakteryzowanej wskaŸnikiem szybkoœci p³yniêcia MFI (ang. Melt Flow Index). WskaŸnik ten okreœla masê polietylenu wyp³ywaj¹c¹ w ci¹gu 10 minut przez znormalizowan¹, ogrzewan¹ dyszê w temperaturze 190 °C, pod znormalizowanym obci¹¿eniem. Najczêœciej podawanym w kartach wyrobów jest wskaŸnik p³yniêcia okreœlony przy obci¹¿eniu 5 kG (MFI 5/190),

133

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych Tabela 2.7.4. Podstawowe parametry techniczne polietylenu Parametr

WartoϾ

Jednostka

910–960

kg/m3

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie do punktu p³yniêcia (na granicy plastycznoœci)

10–25

MPa

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie do punktu zerwania

ca. 30

MPa

600– >900 150–>300

MPa MPa

Gêstoœæ

Modu³ sprê¿ystoœci E – krótkotrwa³y – d³ugotrwa³y Twardoœæ wed³ug Shora

58–65

SchoreD

Wyd³u¿enie do punktu p³yniêcia

15

%

Wyd³u¿enie do punktu zerwania

300–600

%

WskaŸnik p³yniêcia

0,4–1,3

g/10 min.

Odkszta³calnoœæ

wysoka

Udarnoœæ z karbem: – przy temperaturze 23 °C – przy temperaturze –40 °C

bez z³amania bez z³amania

kJ/m2 kJ/m2

Temperatura kruchoœci

< –70

°C

Temperatura miêknienia

116–131

°C

Wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej (przy temperaturze 23 °C) λ

0,35–0,45

W/m K

1,3–2,2·10–4

K–1

0,17–1,70

mm/m°C

1,9

J/gK

2000–2300

Pa·s

Odpornoœæ cieplna wed³ug Vicata (przy obci¹¿eniu 5 kG)

40–80

°C

Dopuszczalny zakres temperatur

–30 – 50

°C

Nasi¹kliwoœæ wod¹ (po 7 dniach)

0,1

%

StabilnoϾ termiczna

>20

min

Udarnoœæ wed³ug Izoda

15

kJ/m2

Wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej α Rozszerzalnoœæ liniowa (w przedziale temperatur 20–90 °C) Ciep³o w³aœciwe (w temperaturze 23 °C) Lepkoœæ dynamiczna (przy temperaturze 190 °C i prêdkoœci œcinania 100 s–1)

chocia¿ oznacza siê go równie¿ przy obci¹¿eniach: 2,16 kG, 15,0 kG i 21,6 kG [206]. Parametr ten decyduje o zgrzewalnoœci wyrobów polietylenowych, przez któr¹ rozumie siê zdolnoœæ ich ³¹czenia poprzez wytworzenie zgrzewu (spawu), o wytrzyma³oœci nie ni¿szej ni¿ wytrzyma³oœæ ³¹czonych elementów. W praktyce przyjmuje siê, ¿e zgrzewanie jest mo¿liwe, jeœli MFI ³¹czonych wyrobów znajduje siê w przedziale wartoœci MFI 5/190 = 0,2–1,3 g/10 min. Niektóre instytuty zalecaj¹, by zgrzewane materia³y znajdowa³y siê w tych samych grupach wskaŸnika p³yniêcia [206]: • grupa 005, dla której MFI 5/190 = 0,4–0,7 g/10 min, • grupa 010, dla której MFI 5/190 = 0,7–1,3 g/10 min.

134

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych Tabela 2.7.5. W³aœciwoœci fizykomechaniczne polietylenów (wielkoœci orientacyjne, sprawdzane w wyrobach) W³aœciwoœci [g/cm3]

Gêstoœæ,

Rodzaj polietylenu PEHD

PEMD

PELD

PE-X

0,95–0,96

0,94–0,95

0,91–0,93

0,93–0,96

Wytrzyma³oœæ doraŸna, [MPa]

24

20

16

26

Wytrzyma³oœæ na granicy plastycznoœci, [MPa]

20

15

10

25

Modu³ sprê¿ystoœci E, [MPa]

900

800

600

>900

Wyd³u¿enie do zerwania, [%]

350

500

600

>350

Temperatura miêknienia (Vicat), [°C]

70

60

40

80

Wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej α, [1/K·10-4]

1,4

1,4

1,4

1,4

0,45

0,40

0,35

0,40

Wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej λ, [W/mK]

Zgrzewanie elementów z dwóch ró¿nych grup jest mo¿liwe. Polietylen, jak wiêkszoœæ tworzyw sztucznych, jest wra¿liwy na zmiany temperatur oraz promieniowanie UV. Przyk³adowe wykresy ilustruj¹ce wp³yw temperatury na wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej, ciep³o w³aœciwe oraz przewodnictwo cieplne polietylenu do produkcji rur dla przesy³ania paliw gazowych przedstawiono na rys. 2.7.5–2.7.7 [206]. -4

8

2,2

ciep³o w³aœciwe [kJ / kg x K]

wspó³czynnik liniowej wyd³u¿alnoœci termicznej 1/K

2,4 x 10

2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0

0

20

30 40 50 60 temperatura [°C]

70

Rys. 2.7.5. Wspó³czynnik rozszerzalnoœci cieplnej dla polietylenu

80

7 6 5 4 3 2 1 -50

0

50 100 150 200 250 temperatura [°C]

Rys. 2.7.6. Ciep³o w³aœciwe polietylenu

135

wspó³czynnik przewodnictwa cieplnego [W / m x K]

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

0,5 0,4 0,3 0,2 0

50

100

150

200

250

temperatura [°C]

Rys. 2.7.7. Wspó³czynnik przewodnictwa cieplnego

W celu zwiêkszenia odpornoœci polietylenu na dzia³anie UV, polietyleny stabilizowane s¹ dodatkami sadzy lub innymi stabilizatorami zabezpieczaj¹cymi je przed zmianami starzeniowymi. Jak wykazuj¹ doœwiadczenia, rury z polietylenu stabilizowanego sk³adowane na wolnym powietrzu w obszarze dzia³ania promieni UV nie zmieniaj¹ swoich w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowych nawet po kilkunastu latach. Zdecydowanie wiêksz¹ odpornoœæ polietylen wykazuje na promieniowanie radioaktywne. Ruroci¹gi polietylenowe s¹ wykorzystywane z powodzeniem od wielu lat do odprowadzania œcieków radioaktywnych zawieraj¹cych Ÿród³a promieniowania β i γ oraz jako przewody wody ch³odniczej w technice j¹drowej. Ze wzglêdu na niepolarn¹ strukturê, polietyleny wykazuj¹ du¿¹ odpornoœæ na dzia³anie obci¹¿eñ chemicznych. S¹ odporne na dzia³anie roztworów soli, rozcieñczonych kwasów i ³ugów. Korozjê polietylenów powoduj¹ jedynie dzia³aj¹ce w d³u¿szym czasie silne utleniacze, takie jak nadtlenki i kwasy o wysokim stê¿eniu. Producenci wyrobów z polietylenu podaj¹ zazwyczaj tabele zawieraj¹ce informacje o œrodowisku chemicznym, jego stê¿eniu oraz temperaturze i odpowiadaj¹cej takim warunkom odpornoœci polietylenów. Czêsto odpornoœæ chemiczn¹ polietylenów okreœla siê wspó³czynnikiem fCRt, wyra¿aj¹cym stosunek czasu u¿ytkowania materia³u w testowanym œrodku chemicznym do czasu u¿ytkowania w wodzie. Polietyleny nie rozpuszczaj¹ siê w ¿adnym z rozpuszczalników w temperaturze do 20 °C i nie ulegaj¹ pêcznieniu na skutek dzia³ania wody. Nie stanowi¹ tak¿e po¿ywki dla bakterii i grzybów, co sprawia, ¿e uznaje siê je za odporne na dzia³anie mikroorganizmów. S¹ obojêtne fizjologicznie, sk¹d wynika ich dopuszczenie do przesy³ania wody pitnej. Polietyleny s¹ tworzywami palnymi, a ich temperatura zap³onu wynosi 340 °C. Zapalaj¹ siê pod wp³ywem ognia, pal¹c siê œwiec¹cym p³omieniem (tak¿e poza Ÿród³em zap³onu), œciekaj¹c przy tym p³on¹cymi kroplami. Powstaj¹ce wtedy wêglowodory spalaj¹ siê do tlenku wêgla, dwutlenku wêgla i wody. Do produkcji rur wykorzystuje siê polietyleny œredniej, a przede wszystkim du¿ej gêstoœci, gdy¿ maj¹ one lepsze parametry od polietylenów niskiej gêstoœci. Granulaty polietylenowe dostarczane s¹ do wytwórni przewodów w postaci bezbarwnej lub

136

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

w kolorze czarnym (zawieraj¹ wtedy oko³o 2% sadzy) albo ¿ó³tym. Granulaty ¿ó³te mog¹ byæ produkowane jako bezkadmowe, albo zawieraæ pigment w postaci soli metali ciê¿kich. Do produkcji rur kanalizacyjnych wykorzystywany jest przede wszystkim polietylen du¿ej gêstoœci w kolorze czarnym. 2.7.2.2.2. Produkcja i asortyment rur polietylenowych

Do wytwarzania rur o mniejszych œrednicach (do 500 mm) z materia³ów termoplastycznych stosuje siê technologiê wyt³aczania. W przypadku przewodów o wiêkszych wymiarach œrednic produkcja rur mo¿e odbywaæ siê technologiami opracowanymi na potrzeby poszczególnych producentów. Schemat urz¹dzenia do wyt³aczania przewodów z termoplastów przedstawiono na rys. 2.7.8 [1]. 2 5

1

3

5

5

6

7

8

9

4

Rys. 2.7.8. Schemat wyt³aczarki do produkcji rur z termoplastów: 1 – napêd, 2 – dozownik granulatu, 3 – uk³ad wyt³aczania, 4 – œlimak, 5 – elementy grzewcze, 6 – g³owica z rdzeniem formuj¹cym, 7 – urz¹dzenie kalibruj¹ce, 8 – uk³ad ch³odzenia, 9 – urz¹dzenie ci¹gn¹ce

Wyt³aczanie przewodów polietylenowych polega na przeciskaniu przez g³owicê formuj¹c¹ uplastycznionego w temperaturze od 200 do 210 °C granulatu polietylenowego z dodatkami antyutleniaczy, stabilizatorów i pigmentów. Wymienione dodatki s¹ niezbêdne do wytwarzania rur o okreœlonych w³aœciwoœciach mechanicznych i odpowiedniej zgrzewalnoœci. Wyt³oczona rura jest kalibrowana i ch³odzona, a nastêpnie zwijana na szpule lub ciêta na odcinki o wymaganej d³ugoœci. W celu umo¿liwienia identyfikacji rury s¹ znakowane w procesie produkcji. Typowa metryka zawiera podstawowe informacje techniczne o rurze, datê i miejsce jej wytworzenia oraz nazwê producenta. Trwa³oœæ tych rur ocenia siê na nie mniej ni¿ 50 lat. Rozwój w dziedzinie surowców stosowanych do produkcji rur polietylenowych nast¹pi³ na pocz¹tku lat osiemdziesi¹tych, kiedy to zaczêto stosowaæ nowe rodzaje katalizatorów i unowoczeœniono metody produkcji przewodów. Da³o to pocz¹tek produkcji rur drugiej i trzeciej generacji: • PE 63, dla których dopuszczalne naprê¿enia w œciance rury, przy wspó³czynniku bezpieczeñstwa równym 1,25, wynosz¹ σp = 5,0 MPa, • PE 80, dla których dopuszczalne naprê¿enia w œciance rury, przy wspó³czynniku bezpieczeñstwa równym 1,25, wynosz¹ σp = 6,3 MPa,

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

137

• PE 100, dla których dopuszczalne naprê¿enia w œciance rury, przy wspó³czynniku bezpieczeñstwa równym 1,25, wynosz¹ σp = 8,0 MPa. Asortyment produkowanych rur zale¿y od mo¿liwoœci i rozwi¹zañ stosowanych przez ich producentów. Najczêœciej produkowane s¹ rury g³adkie z PEHD lub PEMD, których œrednice zawieraj¹ siê w przedziale od 16 do 1600 mm, a standardowe d³ugoœci wynosz¹: • 6,0 m (lub wielokrotnoœæ) – dla rur w odcinkach, • do 500 m – dla rur w zwojach. Oprócz rur g³adkich niektóre firmy oferuj¹ w³asne systemy konstrukcyjne ich œcianek, maj¹ce polepszyæ parametry wytrzyma³oœciowe rur poprzez wprowadzenie uk³adów przestrzennych (rury profilowe). Przyk³adem mo¿e byæ rura DUO produkowana przez firmê KWH Pipe, której œcianka jest po³¹czeniem profilowanej warstwy zewnêtrznej o zwiêkszonej sztywnoœci z g³adk¹ warstw¹ wewnêtrzn¹, o dobrych parametrach hydraulicznych – rys. 2.7.9 [99]. Innym przyk³adem rury o przestrzennej strukturze œcianki produkowanej przez firmê KWH Pipe jest rura WEHOLITE SPIRO [99]. Konstrukcje te charakteryzuj¹ siê ma³ym ciê¿arem i zwiêkszon¹ w stosunku do rur g³adkich sztywnoœci¹. Do produkcji rur profilowych mo¿e byæ stosowany polietylen du¿ej gêstoœci (PEHD), rzadziej polietylen œredniej gêstoœci (PEMD) w po³¹czeniu z polipropylenem (PP) lub jego kopolimerem (PP-CO) czy homopolimerem (PP-H). Najczêœciej wystêpuj¹ce na rynku rury z profilami polipropylenowymi s¹ wytwarzane na g³adkich, obracaj¹cych siê walcach stalowych poprzez nak³adanie polietylenu o du¿ej gêstoœci (PEHD) i spiralne nawijanie polipropylenowego wê¿a (PP). Rozwi¹zanie to pozwala na wykonywanie rur o zwiêkszonej sztywnoœci obwodowej, dziêki czemu rury w tej technologii s¹ produkowane w zakresie œrednic 200–3500 mm. Producentem takich rur o najstarszym rodowodzie jest firma BAUKU [15]. Rury tej firmy s¹ produkowane wed³ug patentu Manfreda Hawerkampa z lat szeœædziesi¹tych XX wieku. Ich wytwarzanie polega na spiralnym nawijaniu oblanego rozgrzan¹ polietylenow¹ mas¹ polipropylenowego profilu na metalowy walec. Proces odbywa siê w temperaturze wy¿szej od temperatury topnienia PE i ni¿szej od temperatury topnienia PP.

Rys. 2.7.9. Schemat œcianki dwuwarstwowej na przyk³adzie rury typu DUO

138

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

44,00

1

55,00

2

3

Przyk³ady produkowanych w tej technologii przekrojów œcianek rur przedstawiono na rys. 2.7.10 [126]. Producenci rur posiadaj¹ zazwyczaj w swojej ofercie równie¿ kszta³tki, studzienki rewizyjne i inne elementy wyposa¿eñ sieci wytwarzane z polietylenu. Obiekty te s¹ wyposa¿ane we w³azy sta³e lub teleskopowe, a ich œcianki mog¹ mieæ budowê zbli¿on¹ do budowy œcianek rur (porównaj rozdzia³ 6). 2.7.2.2.3. £¹czenie elementów polietylenowych

58,00

58,00

Do budowy systemów sieciowych z elementów polietylenowych stosuje siê cztery rodzaje ich po³¹czeñ: • zgrzewanie doczo³owe, 4 • zgrzewanie elektrooporowe, • zgrzewanie mufowe, • po³¹czenia mechaniczne. Zgrzewanie doczo³owe jest najczêœciej stosowanym typem po³¹czenia. Polega na Rys. 2.7.10. Przekroje œcianek rur profilo³¹czeniu rur i ich wyposa¿eñ (kszta³tek i stuwych PEHD/PP: 1 – œcianka o profilu dzienek) przez nagrzewanie koñców tych omega, 2 – œcianka o profilu prostok¹tnym (profil KOREA), 3 – œcianka o profilu elementów do wymaganej temperatury (okotrapezowym, 4 – œcianka o profilu teowym ³o 210 °C) i dociœniêcie ich do siebie bez stosowania jakichkolwiek materia³ów dodatkowych. W efekcie powstaje po³¹czenie homogeniczne, podczas wykonywania którego stosowany sprzêt powinien zapewniaæ sta³¹ kontrolê temperatury i si³y docisku. Schemat przebiegu zgrzewania doczo³owego przedstawiono na rys. 2.7.11 [1]. Zgrzewane mog¹ byæ wy³¹cznie materia³y tego samego rodzaju. Gruboœæ œcianek zgrzewanych elementów powinna byæ zbli¿ona, a klasa ciœnieñ rur taka sama. Zgrzewanie standardowe mo¿na prowadziæ w temperaturze otoczenia wy¿szej od 15 °C. W przypadku ni¿szych temperatur nale¿y podj¹æ specjalne œrodki, np. ustawiæ ochronne namioty z ewentualnym podgrzewaniem powietrza. Dla unikniêcia zbyt szybkiego sch³odzenia zgrzewu przez wiatr oba koñce zgrzewanych rur powinny zostaæ zamkniête. W przypadku bezpoœredniego dzia³ania promieni s³onecznych w celu zapewnienia równomiernego rozk³adu temperatur zgrzewane z³¹cze nale¿y os³oniæ. Przed rozpoczêciem zgrzewania koñce ³¹czonych elementów musz¹ byæ oczyszczone i poddane obróbce mechanicznej (specjalnym urz¹dzeniem strugaj¹cym) tak, aby p³aszczyzny zgrzewane by³y prostopad³e do osi rury. W razie zat³uszczenia tak przygotowanych elementów nale¿y je oczyœciæ spirytusem technicznym.

139

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych element grzewczy rura

d)

k>0 mm

a)

rura

b)

e)

k>0

Ÿle

c)

f)

g)

dobrze

MPa ciœnienie wyrównawcze

ciœnienie po³¹czenia

ciœnienie przy podgrzewaniu czas [s] t1

t2

t3

t4

Rys. 2.7.11. Schemat zgrzewania doczo³owego: a), b) proces nagrzewania koñców rury, c) docisk i powstawanie zgrzewu, d) schemat z³¹cza, e) z³e przygotowanie z³¹cza, f) poprawne przygotowanie z³¹cza, g) wykres przebiegu docisku (ciœnienia) w czasie; t1 – czas wyrównywania, t2 – czas podgrzewania, t3 – czas przestawiania, t4 – czas spajania i ch³odzenia pod ciœnieniem

Zgrzewanie elektrooporowe polega na ³¹czeniu elementów przy u¿yciu odpowiednich muf, kszta³tek lub opasek z wykorzystaniem ciep³a wydzielanego przez pr¹d p³yn¹cy w drucie oporowym. Zgrzewanie wykonuje siê przez pod³¹czenie koñcówek cewki z drutu oporowego do Ÿród³a pr¹du, po uprzednim umieszczeniu koñców zgrzewanych elementów w kszta³tce. P³yn¹cy w obwodzie pr¹d powoduje wydzielanie siê w cewce ciep³a, w wyniku czego tworzywo otaczaj¹ce przewód ulega topnieniu. W tym samym czasie mufa kurczy siê, zapewniaj¹c po³¹czenie z wymagan¹ si³¹ docisku. Wystêpuj¹ce w sieci napiêcie oraz temperatura s¹ kontrolowane w sposób ci¹g³y, a w razie ich wahañ wprowadza siê korektê czasu zgrzewania. W przypadku zaniku napiêcia uniemo¿liwiaj¹cego zgrzanie elementów operacje mo¿na powtórzyæ wy³¹cznie dla rur o œrednicach mniejszych od 63 mm. Schemat zgrzewania elektrooporowego przedstawiono na rys. 2.7.12 [1].

140

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

rura

z³¹czka elektrooporowa

rura

po³¹czenie gotowe

Rys. 2.7.12. Schemat zgrzewania elektrooporowego

Zgrzewanie mufowe polega na nagrzewaniu zewnêtrznej powierzchni elementu i wewnêtrznej powierzchni z³¹czki do temperatury zgrzewania, a nastêpnie ich zespoleniu. Oba koñce ³¹czonych elementów i z³¹czka s¹ nagrzewane jednoczeœnie za pomoc¹ odpowiednio ukszta³towanych elementów grzewczych. Podobnie jak w przypadku zgrzewania doczo³owego i elektrooporowego, zgrzewanie mufowe mo¿na stosowaæ tylko w przypadku ³¹czenia elementów z tej samej grupy, których wskaŸnik p³yniêcia jest podobny. Etapy zgrzewania polifuzyjnego (mufowego) ilustruje rys. 2.7.13 [1, 206]. Rury PEHD/PP ³¹czy siê na z³¹czki, w kielichach lub przez spawanie ekstruderem. Do uszczelnienia po³¹czeñ kielichowych stosuje siê gumow¹ uszczelkê, fabrycznie zintegrowan¹ z kielichem rury. Spawanie rur zapewnia wiêksz¹ szczelnoœci po³¹czeñ, co jest szczególnie istotne w przypadku budowy kana³ów na obszarach chronionych lub na terenach o wysokim poziomie wód gruntowych. Spawanie mo¿e mieæ miejsce zarówno po zewnêtrznej jak i wewnêtrznej stronie rury. 2.7.2.3. Przewody z polichlorku winylu 2.7.2.3.1. Produkcja rur z polichlorku winylu

Polichlorek winylu (PCW) jest najstarszym tworzywem sztucznym stosowanym do produkcji przewodów kanalizacyjnych, kszta³tek i innych elementów sieci. Sposób wytwarzania tego tworzywa opisa³ w roku 1838 Victor Regnault, lecz dopiero w roku 1912 Fritz Klatte opracowa³ techniczne podstawy jego produkcji [129]. Na skalê przemys³ow¹ jest ono wytwarzane dopiero od 1938 roku, mimo ¿e pierwsze zastosowania polichlorku winylu do produkcji rur mia³y miejsce ju¿ w 1935 roku. PCW jest najtañszym z tworzyw sztucznych stosowanych do produkcji przewodów i zapewne dlatego

141

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

a) 1

3

4

2

5

b)

c)

Rys. 2.7.13. Schemat zgrzewania mufowego: a) elementy systemu, b) nagrzanie koñca rury i wnêtrza mufy, c) rozgrzany koniec rury wprowadzony do rozgrzanego wnêtrza mufy; 1 – element grzewczy, 2 – rura, 3 – z³¹czka, 4 – rdzeñ grzewczy, 5 – tuleja grzewcza

znalaz³o zastosowanie przy wytwarzaniu instalacji wodoci¹gowych, gazowych, sieci kanalizacyjnych, a tak¿e innych specjalistycznych systemów sieciowych. Polichlorek winylu jest polimerem o powtarzaj¹cej siê grupie n[–CH2–CH–Cl], otrzymywanym w wyniku polimeryzacji chlorku winylu. Surowcami wyjœciowymi do produkcji tego tworzywa s¹ ropa naftowa, z której wytwarzany jest etylen i sól kuchenna, z której uzyskuje siê chlor. Ze sk³adników tych powstaje chlorek winylu przekszta³cany nastêpnie w polichlorek winylu, nazywany tak¿e PCW, produkowany w dwóch odmianach: twardy, tzn. nieplastyfikowany, oraz miêkki, zmiêkczony dodatkiem od 20 do 70% plastyfikatorów. Polimeryzacjê przeprowadza siê w polimeryzatorach, otrzymuj¹c w ten sposób surow¹ ¿ywicê polichlorku winylu. Do produkcji rur wykorzystuje siê nieplastyfikowany polichlorek winylu oznaczony jako PCW-U, czyli mieszankê surowej ¿ywicy z dodatkami umo¿liwiaj¹cymi uzyskanie substancji o oczekiwanych w³aœciwoœciach, nadaj¹cej siê do przetwarzania oraz odpornej na dzia³anie promieni s³onecznych. Gotowe mieszanki na bazie suspensyjne-

142

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych

go polichlorku winylu w postaci granulatu wraz z dodatkiem plastyfikatorów, stabilizatorów termicznych, œrodków smarnych oraz ewentualnie wype³niaczy dostarczane s¹ do wytwórni rur. Przewody produkowane s¹ metod¹ wyt³aczania w ci¹gu urz¹dzeñ stanowi¹cych liniê produkcyjn¹, która sk³ada siê z: • wyt³aczarki, zbudowanej z cylindra, dwóch œlimacznic z otworami do przep³ywu oleju grzewczego i g³owicy rurowej zaopatrzonej w elementy grzejne, • agregatu grzewczo-ch³odz¹cego olej w œlimacznicach wyt³aczarki, • wanny kalibracyjnej z kalibratorem (zanurzeniowej lub natryskowej) z korkiem powietrznym (kalibracja ciœnieniowa) lub pomp¹ pró¿niow¹ (kalibracja pró¿niowa), • wanny ch³odz¹cej, • urz¹dzeñ odci¹gaj¹cych umo¿liwiaj¹cych transport wyt³aczanej rury, • pi³y tn¹cej rury na odcinki i urz¹dzenia do ich odk³adania, • kielicharki (urz¹dzenie do kielichowania sk³adaj¹ce siê z pieca oraz g³owicy kielichuj¹cej). Produkcja rur z polichlorku winylu jest dwuetapowa. Etap pierwszy polega na przygotowaniu granulatu, który jest otrzymywany w wyniku mieszania suspensyjnego polichlorku winylu ze stabilizatorami termicznymi, œrodkami smarnymi i barwnikami. W czasie mieszania w mieszalniku fluidalnym nastêpuje, w efekcie tarcia, podgrzanie sk³adników, ich nadtopienie i ujednorodnienie granulatu. W drugim etapie granulat dostarcza siê do mieszarki rêcznie lub podajnikiem pneumatycznym, sk¹d pobierany jest przez œlimak dozownika i transportowany do strefy podawania. Obracaj¹cy siê œlimak przesuwa surowiec, który odbieraj¹c ciep³o od uk³adu plastyfikuj¹cego oraz ciep³o tarcia ulega uplastycznieniu (w temperaturze 180–200 °C). Strumieñ uplastycznionego polichlorku winylu trafia do wyposa¿onej w elementy grzejne g³owicy, gdzie na jej pocz¹tku zostaje rozdzielony na kilka mniejszych strumieni, a na jej koñcu powtórnie scalony w kszta³t pierœcienia. W ten sposób przygotowana masa przechodzi przez kalibrator zlokalizowany w wannie kalibracyjnej i w wyniku dzia³ania ciœnienia lub pró¿ni zostaje ukszta³towana i sch³odzona do temperatury zapewniaj¹cej trwa³oœæ nadanego kszta³tu. Sch³odzona rura jest przycinana i transportowana do kielicharki. W celu umo¿liwienia identyfikacji produktów oznacza siê je metrykami zawieraj¹cymi nazwê producenta, typ rury (SDR), symbol surowca, wymiary (œrednicê i gruboœæ œcianki), ciœnienie nominalne (PN), datê produkcji i numer partii. Struktura polichlorku winylu to drobiny zawieraj¹ce setki cz¹stek, które dziel¹ siê na klastry molekul. W procesie produkcji rur drobiny surowca ulegaj¹ rozpadowi na klastry, a nastêpnie s¹ ³¹czone w procesie ¿elowania. Niski poziom ¿elowania jest jednoznaczny z ma³¹ wytrzyma³oœci¹ rury przy du¿ej jej elastycznoœci, a wysoki poziom implikuje du¿¹ wytrzyma³oœæ przy zmniejszonej odpornoœci na obci¹¿enia udarowe. Dobór poziomu ¿elowania ma zatem zasadnicze znaczenie dla parametrów wytrzyma³oœciowych produktu finalnego. Kontrola tego poziomu polega na testowaniu jakoœci po³¹czeñ cz¹steczek. Jednym z najczêœciej stosowanych testów s¹ badania przeprowadzane w dwuchlorku metylenu na próbkach rur w temperaturze 12 °C i 15 °C lub wy¿-

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

143

szej. Je¿eli powierzchnia pozostaj¹ca w kontakcie z dwuchlorkiem metylenu ulegnie wybieleniu, oznacza to, ¿e poziom ¿elowania by³ niski. 2.7.2.3.2. W³aœciwoœci rur z polichlorku winylu

Instalacje z polichlorku winylu s¹ postrzegane jako posiadaj¹ce wiele zalet, do których zazwyczaj zalicza siê [129]: • niski ciê¿ar w³aœciwy, oko³o 5–7 razy mniejszy od ciê¿aru stali i ¿eliwa, • d³ugi okres przewidywanej eksploatacji, okreœlany na minimum 50 lat, • du¿¹ odpornoœæ na korozjê wewnêtrzn¹ i zewnêtrzn¹ (na substancje w zakresie pH 2–12, chlorowan¹ wodê) w tym odpornoœæ na korozjê elektrolityczn¹, • nietoksycznoœæ, • ma³y wspó³czynnik chropowatoœci powierzchni wewnêtrznej, • du¿¹ odpornoœæ na przemarzanie, • du¿¹ odpornoœæ na œcieranie, • du¿¹ elastycznoœæ po³¹czeñ, u³atwiaj¹c¹ uk³adanie instalacji, • ³atwoœæ i szybkoœæ monta¿u, • znaczn¹ wytrzyma³oœæ mechaniczn¹, • wysok¹ szczelnoœæ po³¹czeñ, • odpornoœæ na dzia³anie mikroorganizmów, • ³atwoœæ ³¹czenia z innymi materia³ami, • szeroki asortyment rur i kszta³tek. Do wad rur wytwarzanych z polichlorku winylu zalicza siê: • kruchoœæ w niskich temperaturach, • niestabilnoœæ parametrów wytrzyma³oœciowych przy zmianie temperatury medium, • du¿¹ rozszerzalnoœæ termiczn¹. Szczególnie du¿o miejsca problemowi w³aœciwoœci rur PCW oraz ich trwa³oœci poœwiêcono w monografii [121]. Podstawowe parametry techniczne polichlorku winylu wykorzystywanego do produkcji rur przedstawiono w tabeli 2.7.6 [129]. Przewody z PCW s¹ wra¿liwe na zmiany temperatury i powinny byæ stosowane w temperaturze nie przekraczaj¹cej 40 °C. Parametry wytrzyma³oœciowe rur z PCW okreœla siê w temperaturze 20 °C i do tej temperatury odnosz¹ siê deklarowane przez producentów ciœnienia nominalne PN. W przypadku wy¿szych temperatur wartoœæ dopuszczalnego ciœnienia roboczego Prob nale¿y skorygowaæ, mno¿¹c ciœnienie nominalne PN przez wspó³czynnik zmniejszaj¹cy β, którego wartoœci zestawiono w tabeli 2.7.7 [254]. Wartoœci dopuszczalnych ciœnieñ roboczych zale¿¹ tak¿e od rodzaju medium. W tabeli 2.7.8 [253] przedstawiono zmianê dopuszczalnej wartoœci ciœnieñ roboczych w temperaturze 40 °C, odniesionych do ciœnieñ w temperaturze standardowej (20 °C) dla ró¿nych mediów. W przypadku przewodów kanalizacyjnych zaleca siê stosowanie standardowych rur z PCW, je¿eli temperatura ci¹gle p³yn¹cych œcieków nie przekracza:

144

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych Tabela.2.7.6. Podstawowe w³aœciwoœci nieplastyfikowanego polichlorku winylu Parametr

WartoϾ

Jednostka

Gêstoœæ

1350–1410

kg/m3

Modu³ Young'a E: • krótkotrwa³y, 1 minuta • d³ugotrwa³y, 50 lat

3000–3200 1000

MPa MPa

48–55 10

MPa MPa

–

g/10 min

(0,7–0,8)·10–4

K–1

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie: • (próba krótkotrwa³a) do 3 minut • obliczeniowa WskaŸnik p³yniêcia Liniowy wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej α Ciep³o w³aœciwe (przy temperaturze 23 °C)

1,0

J/g·K

Wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej λ

0,15–0,21

W/m·K

RozszerzalnoϾ liniowa

0,06–0,08

mm/m·°C

Wyd³u¿enie przy zerwaniu

>30

%

bez z³amania

kJ/m2

Rzeczywisty wskaŸnik udarnoœci dla temperatury 0 °C dla temperatury 20 °C

5 10

% %

Temperatura miêknienia wed³ug Vicata

79

°C

Ch³onnoœæ wody

1012

Ω

120–130

°C

Udarnoœæ (przy temperaturze 23 °C)

Odpornoœæ elektryczna Temperatura kszta³towania wyrobów

• 60 °C – dla rur o œrednicach do 200 mm, • 40 °C – dla rur o œrednicach w zakresie 250–630 mm, • 75 °C – przy chwilowym przep³ywie œcieków. Przekroczenie tych warunków wymaga stosowania rur o pogrubionych œciankach. Kruchoœæ rur z PCW w niskich temperaturach (przy zamarzaniu w nich mediów mog¹ ulegaæ zniszczeniu) wymaga posadowienia ich poni¿ej g³êbokoœci przemarzania gruntów (wed³ug stref okreœlonych w PN-81/B-03020 [171]):

Tabela 2.7.7. Wartoœci wspó³czynnika koryguj¹cego wartoœæ ciœnienia nominalnego PN Temperatura medium [°C]

Wspó³czynnik β

20

1,0

30

0,9

35

0,8

40

0,7

145

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych Tabela 2.7.8. Zastosowania rur z PCW dla ró¿nych temperatur i ciœnieñ przy ró¿nych mediach Rodzaj przep³ywaj¹cej cieczy lub gazu

Temperatura stosowania [°C]

Maksymalne ciœnienie robocze [MPa]

Ciecze i gazy bezpieczne dla otoczenia, nie wp³ywaj¹ce wyraŸnie na w³aœciwoœci PCW (np. woda, powietrze)

20 40

0,60 0,40

1,00 0,60

1,60 1,00

Ciecze i gazy bezpieczne dla otoczenia, nie wp³ywaj¹ce wyraŸnie na w³aœciwoœci PCW (np. kwas siarkowy, amoniak gazowy)

20 40

0,40 0,10

0,60 0,25

1,00 0,40

Ciecze i gazy obni¿aj¹ce w³aœciwoœci PCW (np. kwas siarkowy zawieraj¹cy oleum, chlor gazowy)

20 40

0,25 –

0,40 0,10

1,00 0,40

• • • •

w strefie I – na g³êbokoœci nie mniejszej ni¿ 1,0 m, w strefie II – na g³êbokoœci nie mniejszej ni¿ 1,2 m, w strefie III – na g³êbokoœci nie mniejszej ni¿ 1,4 m, w strefie IV – na g³êbokoœci nie mniejszej ni¿ 1,6 m. Deformacja przewodu (defleksja) przy dobrze posadowionym ruroci¹gu nie powinna przekraczaæ 3–4%. Stan wiedzy na temat odpornoœci chemicznej PCW jest du¿y, gdy¿ wynika z wieloletnich badañ eksploatacyjnych. Przewodami z tego tworzywa mog¹ byæ transportowane œcieki z gospodarstw domowych w zakresie od pH 2 do pH 12. W przypadku œcieków przemys³owych, mimo widocznej odpornoœci tego tworzywa na dzia³anie czynników chemicznych, sk³ad œcieków powinien byæ ka¿dorazowo przeanalizowany. PCW jest tworzywem nietoksycznym i rury produkowane z niego s¹ dopuszczone do przesy³ania wody pitnej. Tworzywo to nie wp³ywa na zmianê smaku wody, co odró¿nia je od stali i ¿eliwa, gdzie w przypadku rur produkowanych z tych materia³ów wystêpuje zjawisko wtórnego za¿elaziania wody. 2.7.2.3.3. Po³¹czenia rur i elementów z PCW

W przypadku przewodów kanalizacyjnych najczêœciej stosowanym po³¹czeniem rur wytwarzanych z PCW jest po³¹czenie kielichowe. Polega ono na ³¹czeniu fazowanego (bosego) koñca rury lub kszta³tki z kielichem przy u¿yciu uszczelki. Trwa³oœæ tego po³¹czenia zale¿y od trwa³oœci uszczelki, która jest wprowadzana do wyprofilowanego w kielichu rowka. Nowe typy uszczelek charakteryzuj¹ siê ³atwoœci¹ monta¿u, odpornoœci¹ na dzia³anie ozonu, ciep³a, mikroorganizmów, substancji chemicznych oraz ma³¹ odkszta³calnoœci¹ trwa³¹ i relaksacj¹, jak równie¿ mo¿liwoœci¹ d³ugiego u¿ytkowania. Po³¹czenia dwóch bosych koñców s¹ wykonywane przy u¿yciu z³¹czek dwukielichowych lub nasuwek. Monta¿ po³¹czeñ kielichowych odbywa siê przy u¿yciu dŸwigni rêcznej lub urz¹dzeñ do wykonywania po³¹czeñ wciskowych. Schemat po³¹czenia kielichowego przedstawiono na rys. 2.7.14 [1]. Po³¹czenia klejone stosuje siê rzadziej, gdy¿ s¹ bardzo trudne do wykonania w warunkach polowych na placu budowy. £¹czone elementy musz¹ byæ czyste, a z³¹cze nie

146

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych 1

2

Po³o¿enie monta¿owe

Rys. 2.7.14. Schemat po³¹czenia kielichowego z uszczelk¹: 1 – pierœcieñ oporowy z PCW, 2 – uszczelka z tworzywa sztucznego

mo¿e byæ oddane do eksploatacji przed up³ywem czasu niezbêdnego do zwi¹zania tworzywa z klejem. Stosowane kleje zapewniaj¹ szczelnoœæ spoin i ich odpornoœæ na wodê, oleje, smary oraz zwi¹zki chemiczne i wp³ywy temperatury w stopniu podobnym do odpornoœci rur. 2.7.2.3.4. Asortyment wyrobów z PCW

Produkowany asortyment rur obejmuje rury ciœnieniowe i do kanalizacji grawitacyjnej. Systemy ciœnieniowe stosowane s¹ do budowy: • instalacji wody zimnej i instalacji przemys³owych z rur (typ 100) i kszta³tek wtryskowych w zakresie œrednic od 16 do 50 mm, • sieci wodoci¹gowej z rur (typ 125) i kszta³tek w zakresie œrednic od 63 do 630 mm, o klasach ciœnienia PN 6, PN 8, PN 10 i PN 16. W zale¿noœci od sposobu wykonania po³¹czenia rozró¿nia siê cztery typy rur: B – bezkielichowe, K – kielichowe przeznaczone do ³¹czenia klejem, W – kielichowe do ³¹czenia za pomoc¹ elastycznego pierœcienia, GW – kielichowe przeznaczone do ³¹czenia za pomoc¹ elastycznego pierœcienia stosowane na terenach o deformacji odpowiadaj¹cej IV kategorii szkód górniczych wed³ug klasyfikacji okreœlonej w PN-92/B-10727 [188]. Do grawitacyjnych sieci kanalizacji sanitarnej i deszczowej mog¹ byæ stosowane rury o z³o¿onym przekroju œcianki. Wewnêtrzn¹ warstwê tych rur tworzy g³adka rura, a zewnêtrzn¹ rura karbowana (falista), która we wg³êbieniach po³¹czona jest z rur¹ wewnêtrzn¹. Konstrukcja taka charakteryzuje siê zwiêkszon¹, w stosunku do rur g³adkich, noœnoœci¹ przy mniejszym (o oko³o 50%) ciê¿arze. Rury te wyposa¿one s¹ w po³¹czenia kielichowe. Innymi rozwi¹zaniami s¹ rury o potrójnej œciance oraz wzmacniane spiralami o profilu T-owym i prostymi ¿ebrami (rury profilowe). W przypadku pierwszego rodzaju przewodów warstwa zewnêtrzna i wewnêtrzna wykonana jest z twardego PCW, a warstwa pomiêdzy nimi (rdzeniowa) ze spienionego PCW. W ten sposób osi¹ga siê zmniejszenie ciê¿aru rur o oko³o 25% (przy zachowaniu ich noœnoœci) w stosunku do rur z litymi œciankami.

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych

147

Rury wzmacniane spiralami T-owymi i ¿ebrami prostymi charakteryzuj¹ siê du¿¹ sztywnoœci¹ i s¹ rozwi¹zaniami stosowanymi do produkcji przewodów w zakresie wiêkszych œrednic od 400 do 800 mm, co pozwala na ograniczenie zu¿ycia polichlorku winylu. Producenci przewodów z PCW oferuj¹ tak¿e kszta³tki i inne elementy pozwalaj¹ce budowaæ ujednolicone materia³owo systemy sieciowe. 2.7.2.4. Przewody z polipropylenu 2.7.2.4.1. Produkcja i w³aœciwoœci rur z polipropylenu

Wzrost zainteresowania przewodami polipropylenowymi obserwuje siê od po³owy lat dziewiêædziesi¹tych ubieg³ego stulecia. Przyczyni³a siê do tego standaryzacja polipropylenów oraz ich dobre w³aœciwoœci, nie zale¿¹ce od procesu wyt³aczania. Polipropylen jest tworzywem o barwie bia³o-¿ó³tej i wzorze chemicznym [–CH2–CH(CH3)–]n, powstaj¹cym jako produkt polimeryzacji ciœnieniowej propenu w obecnoœci inicjatorów polimeryzacji koordynacyjnej. Cechy tych materia³ów sprawiaj¹, ¿e polipropylen mo¿e byæ stosowany do produkcji wiêkszoœci instalacji wewnêtrznych i zewnêtrznych. Podstawowe w³aœciwoœci polipropylenu przedstawiono w tabeli 2.7.9 [129]. Zakresy wartoœci liczbowych przedstawione w tabeli mog¹ byæ wykorzystywane w standardowych obliczeniach in¿ynierskich, jednak ka¿dorazowo powinny byæ porównywane z wartoœciami deklarowanymi przez producentów poszczególnych wyrobów. Na rynku producentów rur wystêpuj¹ trzy rodzaje polipropylenu: • homopolimer PP-H, który mo¿e byæ u¿ywany w wysokich temperaturach przy równoczesnym wymaganiu zachowania du¿ej wytrzyma³oœci i sztywnoœci, • kopolimer blokowy PP-B, który mo¿e byæ eksploatowany w wysokiej temperaturze przy wymaganiu du¿ej odpornoœci na uderzenia, • kopolimer statystyczny PP-R stanowi¹cy odmianê tworzywa u¿ywanego w warunkach, gdzie wymagana jest du¿a elastycznoœæ (giêtkoœæ) i wytrzyma³oœæ przewodów. Porównanie w³aœciwoœci fizycznych polipropylenu PP z homopolimerem PP-H i kopolimerem PP-Co przedstawiono w tabeli 2.7.10 [1]. PP-H i PP-B stosowane s¹ do budowy instalacji specjalistycznych (np. centralnego ogrzewania do temperatury 80 °C), natomiast PP-R, o najpowszechniejszym zastosowaniu, jest wykorzystywany do produkcji rur dla sieci grawitacyjnych i ciœnieniowych. G³adkie rury polipropylenowe s¹ rzadko stosowane do budowy kanalizacji zewnêtrznej. Zastosowania w takich przypadkach maj¹ zazwyczaj przewody o bardziej z³o¿onej budowie œcianek (rury karbowane), których noœnoœæ jest wystarczaj¹co du¿a, a zu¿ycie materia³u do ich produkcji mniejsze. Stosowane do budowy kanalizacji karbowane przewody polipropylenowe powstaj¹ w procesie technologicznym, polegaj¹cym na wymieszaniu granulowanego PP i wdmuchiwaniu go do leja wyt³aczarki z g³owic¹ i kalibratorem. W cylindrze wt³aczarki wywierany jest nacisk na uplastyczniony surowiec (stan ciek³y przy temperaturze 200 °C), przemieszczaj¹cy go pod ciœnieniem 14 MPa do g³owicy. Zewnêtrzna czêœæ œcianki jest wdmuchiwana do karbowanych bloków, a centralny rdzeñ sch³adzaj¹cy formuje g³ad-

148

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych Tabela 2.7.9. Podstawowe w³aœciwoœci polipropylenu Parametr

WartoϾ

Jednostka

915–965

kg/m3

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie do punktu p³yniêcia

25–33

MPa

Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie do punktu zerwania

30–41

MPa

Wyd³u¿enie do punktu p³yniêcia

15–20

%

Wyd³u¿enie do punktu zerwania

Gêstoœæ

800–1000

%

Twardoœæ wed³ug Shora

67–72

ShoreD

Naprê¿enie zginaj¹ce przy odkszta³ceniu 3,5 %

22–32

MPa

Modu³ sprê¿ystoœci E: • krótkotrwa³ej • d³ugotrwa³ej

1250 800

MPa MPa

WskaŸnik p³yniêcia: • przy temperaturze 190 °C i obci¹¿eniu 5,00 kg • przy temperaturze 230 °C i obci¹¿eniu 2,16 kg

1,3–2,4 1,8–2,2

g/10 min g/10 min

Udarnoœæ: • przy temperaturze 23 °C • przy temperaturze 0 °C • przy temperaturze -20 °C

10–40 3–17 3–7

MJ/mm2 MJ/mm2 MJ/mm2

800–1100

MPa

Twardoœæ wyznaczona za pomoc¹ wg³êbnika

Modu³ pe³zania podczas zginania (dla 1 minuty)

50–68

MPa

Odpornoœæ na uderzenia: • przy temperaturze 23 °C • przy temperaturze 0 °C • przy temperaturze 20 °C

– 40–65 14–56

MJ/mm2 MJ/mm2 MJ/mm2

(1,5–2,3)·10–4

K–1

RozszerzalnoϾ liniowa

0,15

mm/m·°C

Wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej λ

0,23

W/m·K

Wspó³czynnik rozszerzalnoœci liniowej α

Ciep³o w³aœciwe

2,0

kJ/kg·K

140–165

°C

Temperatura samozap³onu

>360

°C

OpornoϾ elektryczna

>1012

Ω

Dopuszczalny zakres pH

2–12

–

Temperatura topnienia

k¹ powierzchniê wewnêtrzn¹ rury. Na wyjœciu z wyt³aczarki, w temperaturze 150 °C, otrzymywana jest w pe³ni jednorodna struktura. Powstaj¹ce w procesie produkcji odpady polipropylenowe s¹ mielone w m³ynie udarowym i dodawane w iloœci nie wiêkszej ni¿ 20% do masy pe³nowartoœciowego granulatu. Gotowe rury otrzymywane s¹ w odcinkach lub zwijane w zwoje. Polipropylen wykazuje du¿¹ odpornoœæ na dzia³anie niskich i wysokich temperatur. Przewody z tego tworzywa mog¹ byæ przystosowane do transportu mediów o temperaturze 60 °C przy sta³ym przep³ywie i do 100 °C przy przep³ywach chwilowych. Z uwagi na dobr¹ odpornoœæ na dzia³anie niskich temperatur (mog¹ byæ montowane nawet

149

2.7. Przewody z tworzyw sztucznych Tabela 2.7.10. W³aœciwoœci fizykomechaniczne polipropylenów stwierdzone w wyrobach Rodzaj polipropylenu

W³aœciwoœci fizykomechaniczne

PP

PP-H

PP-Co

0,91

0,90

0,92

Wytrzyma³oœæ doraŸna, [MPa]

30

31

39

Wytrzyma³oœæ na granicy plastycznoœci, [MPa]

26

28

32

Modu³ sprê¿ystoœci E, [MPa]

1000

1200

1800

Wyd³u¿enie do zerwania, [%]

800

800

800

90

80

85

Gêstoœæ,

[g/cm3]

Temperatura miêkniêcia (Vicat), [°C] Wspó³czynnik rozszerzalnoœci termicznej α,

[1/K·10–4]

Wspó³czynnik przewodnoœci cieplnej λ, [W/m·K]

1,8

1,8

1,8

0,13

0,13

0,13

w temperaturze –10 °C) elementy polipropylenowe s¹ szeroko stosowane w krajach skandynawskich. Niskie przewodnictwo cieplne polipropylenu (0,23 W/m·K) redukuje straty ciep³a mediów transportowanych przewodami z tego tworzywa, co zmniejsza mo¿liwoœæ powstawania skroplin na powierzchni rur. Polipropylen jest polimerem o du¿ym ciê¿arze molekularnym, co skutkuje jego du¿¹ odpornoœci¹ na agresywne dzia³anie substancji chemicznych. Podobnie jak wiêkszoœæ materia³ów termoplastycznych, polipropylen jest z³ym przewodnikiem elektrycznym, w zwi¹zku z czym wytwarzane z niego rury s¹ odporne na dzia³anie pr¹dów b³¹dz¹cych. Wspó³czynnik chropowatoœci rur polipropylenowych (0,007) sprawia, ¿e w przewodach tych wystêpuj¹ ma³e opory hydrauliczne i œladowa inkrustacja. Trwa³oœæ rur polipropylenowych zale¿y od ciœnienia transportowanych mediów oraz ich temperatur. Przyk³adowe wyniki badañ trwa³oœci rury polipropylenowej klasy PN 20 przedstawiono na rys. 2.7.15 [129]. Z przedstawionego rysunku wynika, ¿e w temperaturze nie wiêkszej od 40 °C przewód mo¿e pracowaæ przez okres 50 lat pod ciœnieniem odpowiadaj¹cym jego klasie (PN20). Przy wzroœcie temperatury powy¿ej 60 °C trwa³oœæ przewodu maleje nawet w przypadku zmniejszania ciœnienia. 2.7.2.4.2.Po³¹czenia rur i elementów z PP

Po³¹czenia rur i elementów polipropylenowych g³adkich s¹ podobne do po³¹czeñ rur i elementów z polietylenu. Podstawowymi typami po³¹czeñ s¹ zatem: • po³¹czenia zgrzewane doczo³owo za pomoc¹ zgrzewarek rêcznych lub warsztatowych, • po³¹czenia zgrzewane elektrooporowo przy u¿yciu muf i zgrzewarek elektrooporowych. Wymienione typy po³¹czeñ s¹ trwa³e, szczelne i charakteryzuj¹ siê takimi samymi parametrami, jak zgrzewane rury lub kszta³tki.

150 trwa³oœæ przy ci¹g³ej eksploatacji [lata]

2. Rozwi¹zania materia³owe przewodów kanalizacyjnych ciœnienie wewnêtrzne [bar] 60

20

20

12,6

7,8

5,9

300.

5.3. Badania eksploatacyjne

309

Rys. 5.6. Przyk³adowy zestaw do inspekcji CCTV: 1, 6, 19, 43 – oœwietlenie kabiny, 2 – œwiat³o sygnalizacyjne, 3 – papier, 4 – drukarka, 5 – plansza magnetyczna, 7 – wywietrznik, 8 – monitor kontrolny, 9 – monitory dodatkowe, 10 – stojak pod oprzyrz¹dowanie, 11 – pó³ka, 12 – monitor, 13 – kamera kontrolna „pomieszczenia technicznego”, 14, 15 – skrzynka przy³¹czowa i aparat telefonu wewnêtrznego, 16 – winda kablowa, 17 – dysze, 18 – wideo-recorder, 19, 20 – blat sto³u, 21, 26 – wbudowane szafki, 22, 23, 25 – urz¹dzenia zasilaj¹co-sterownicze, 24 – komputer, 27 – akumulator, 28 – miejsce do siedzenia, 29 – kr¹¿ek prowadz¹cy okablowanie, 30, 31, 32 – uk³ad kamerowy (napêd, oœwietlenie, kamera), 33 – monitor, 34 – krzes³o obrotowe, 35 – klawiatura komputera, 36 – stolik sterowniczy napêdu kamery, 37 – video-printer, 38 – zewnêtrzne gniazdo zasilania, 39 – ogrzewanie, 40 – pojemnik na dr¹gi do opuszczania kamer, 41 – butla z gazem obojêtnym, 42 – pojemnik na wodê

310

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

1 2 4

3

6 5

Rys. 5.7. Zasada dzia³ania kamery satelickiej: 1 – kamera satelicka, 2 – kabel steruj¹cy, 3 – przykanalik, 4 – wózek kamery, 5 – kamera podstawowa z g³owic¹ obrotow¹, 6 – kana³ g³ówny

Na dok³adnoœæ wyników przegl¹dów z u¿yciem kamer wp³ywaj¹: • prêdkoœæ prowadzenia inspekcji (zalecana – nie wiêcej ni¿ 15 cm/s), • starannoœæ opisu uszkodzeñ wynikaj¹ca z kwalifikacji i predyspozycji inspektora, • dok³adnoœæ czyszczenia przewodu przed inspekcj¹ (tak¿e w przypadku inspekcji bezpoœrednich), • iloœæ prowadzonych œcieków w czasie inspekcji (jeœli inspekcja prowadzona jest w trakcie pracy przewodu) lub iloœæ wody zalegaj¹cej w przewodzie po czyszczeniu. Dodatkowe informacje na temat inspekcji telewizyjnych mo¿na znaleŸæ w pracach [119, 123, 130, 134]. 5.3.2.2. Badanie szczelnoœci Badania szczelnoœci przewodów kanalizacyjnych dzieli siê na dwa typy: prowadzone ze wzglêdu na odbiór sieci lub wykonywane w okresie eksploatacji przewodów. W ramach badañ prowadzonych w trakcie odbioru dokonuje siê zazwyczaj oglêdzin przewodów, ze zwróceniem szczególnej uwagi na jakoœæ wykonania po³¹czeñ poszczególnych elementów, oraz przeprowadza próbê ciœnieniow¹ – wodn¹ lub powietrzn¹. Wymogi i procedury zawarte w obowi¹zuj¹cych normach [45, 52, 188, 189] nie odnosz¹ siê zazwyczaj do badañ szczelnoœci przewodów eksploatowanych. Normy [45, 188, 189] zawieraj¹ kryteria kontroli szczelnoœci przewodów nowo wybudowanych, a norma [52] nowo wybudowanych i po technicznej rehabilitacji konstrukcji przewodów. Procedury dotycz¹ce szczelnoœci przewodów eksploatowanych mo¿na znaleŸæ w wytycznych ATVM 143 [12] lub ASTM C 1091-90 [9]. Dokumenty te nie s¹ jednak przepisami normatywnymi.

311

5.3. Badania eksploatacyjne

Nieszczelnoœci przewodów kanalizacyjnych mog¹ byæ, w zale¿noœci od poziomu wody gruntowej, Ÿród³em eksfiltracji œcieków lub infiltracji wód gruntowych. Zachodzi zatem koniecznoœæ okresowego badania szczelnoœci, tak¿e w okresie ich eksploatacji. Informacje o szczelnoœci przewodów mog¹ pochodziæ z: • inspekcji wzrokowych, • prób ciœnieniowych, • badañ z wykorzystaniem elektronicznych systemów lokalizacji. Inspekcje wzrokowe pozwalaj¹ stwierdziæ wystêpowanie infiltracji. Wykrycie eksfiltracji jest bardziej utrudnione i mo¿na o niej wnioskowaæ na podstawie analizy uszkodzeñ konstrukcji przewodu i badañ otaczaj¹cego kana³ gruntu oraz pomiarów strat objêtoœci wody lub ciœnienia powietrza w przewodach podczas specjalistycznych testów. W wyniku infiltracji drobne frakcje gruntu wraz z wod¹ przedostaj¹ siê do kana³u, tworz¹c powy¿ej nieszczelnoœci kawerny implikuj¹ce osiadania. W wyniku eksfiltracji kawerny powstaj¹ poni¿ej przecieków (poni¿ej dna kana³u), zmieniaj¹c warunki jego posadowienia, co mo¿e skutkowaæ zmianami niwelety lub uszkodzeniami konstrukcji. Próby ciœnieniowe przewodów (np. na odcinkach miêdzy studzienkami) prowadzone s¹, podobnie jak w przypadku badañ, w czasie odbioru. W tym celu wydziela siê szczelnymi przegrodami (zazwyczaj pneumatycznymi korkami) wybrany do badañ odcinek i wprowadza do niego powietrze lub wodê o odpowiednim ciœnieniu. Schemat takiego dzia³ania przedstawiono na rys. 5.8 [35]. 1

3

2

4

5

6

7 8

9

10

11

Rys. 5.8. Ciœnieniowa próba szczelnoœci przewodu – wodna: 1 – wodomierz, 2 – bêben na w¹¿ i kabel, 3 – rejestracja wyników pomiarów, 4 – Ÿród³o zasilania, 5 – w¹¿ odpowietrzaj¹cy, 6 – wci¹garka liny, 7 – kr¹¿ek prowadz¹cy, 8 – korki pneumatyczne, 9 – w¹¿ doprowadzaj¹cy wodê, 10 – sonda mierz¹ca ciœnienie, 11 – nieszczelnoœæ

312

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

Kontrola polega na obserwacji spadku ciœnienia wody lub powietrza (nadciœnienie) lub wzrostu ciœnienia powietrza w próbach podciœnieniowych. Wartoœæ ciœnienia przyjmowanego do badañ zale¿y od [231]: • wysokoœci poziomu spiêtrzenia œcieków, • poziomu wody gruntowej, • zag³êbienia przewodu, • stanu konstrukcji przewodu, • dopuszczalnego ciœnienia w elementach zamykaj¹cych (korkach) przy uwzglêdnieniu noœnoœci i w³aœciwoœci (chropowatoœæ, stopieñ czystoœci) powierzchni docisku. Ze wzglêdu na ró¿nicê miêdzy œciœliwoœci¹ wody i powietrzem (woda jest nieœciœliwa) nie ma mo¿liwoœci wyznaczenia bezpoœredniej korelacji miêdzy wynikami uzyskanymi z próby wodnej i powietrznej. Wartoœci ciœnieñ przyjmowanych do badañ, wzory pozwalaj¹ce okreœliæ czas badañ i tabele do interpretacji wyników zawarte s¹ w stosownych normach [12, 52]. Nale¿y podkreœliæ, ¿e badania szczelnoœci z wykorzystaniem wody (z wyj¹tkiem badania szczelnoœci po³¹czeñ) daj¹ wyniki pewniejsze ni¿ próby powietrzne, dlatego w razie w¹tpliwych wyników próby powietrznej nale¿y przeprowadziæ próbê wodn¹. Ciœnieniowe próby po³¹czeñ polegaj¹ najczêœciej na u¿yciu sprê¿onego powietrza. Wykorzystuje siê w nich tzw. packery, odcinaj¹ce od sieci przeznaczone do badañ z³¹cze. W przewodach nieprze³azowych packer powi¹zany jest przewa¿nie z kamer¹ i przewo¿ony na zdalnie sterowanym wózku ze wskaŸnikiem przesuwu, pozwalaj¹cym na dok³adn¹ lokalizacjê z³¹cza. W przewodach prze³azowych packer wydzielaj¹cy przestrzeñ wokó³ z³¹cza montowany jest rêcznie. Elektroniczne systemy lokalizacji nieszczelnoœci zalicza siê do grupy metod geoelektrycznych. System pomiarowy sk³ada siê wówczas z sondy przeci¹ganej przez kana³ za pomoc¹ zwijaka z kablem prowadz¹cym, elektronicznego odbiornika i komputera. Metoda opiera siê na pomiarze natê¿enia pr¹du przep³ywaj¹cego w oœrodku gruntowym, emitowanego przez sondê przemieszczaj¹c¹ siê wewn¹trz przewodu, w kierunku prostopad³ym do jej ruchu. Gdy sonda znajduje siê obok nieszczelnoœci, wówczas natê¿enie pr¹du zwiêksza siê, co jest obserwowane na ekranie komputera. Metoda umo¿liwia jakoœciowe okreœlenie wielkoœci eksfiltracji lub infiltracji. Zasada dzia³ania systemu opisywanego pod nazw¹ AMS-4 zosta³a przedstawiona na rys. 5.9 [78, 116]. System umo¿liwia tak¿e pomiar temperatury œcieków, na podstawie której mo¿na wnioskowaæ, ile wody gruntowej przedostaje siê do kana³u. Pomiar temperatury jest szczególnie wa¿ny w badaniach przewodów prowadz¹cych œcieki przemys³owe, poniewa¿ ich temperatura mo¿e zbli¿yæ siê do temperatury krytycznej dla niektórych rozwi¹zañ materia³owych przewodów (termoplastów). Szczelnoœæ przewodów mo¿na równie¿ sprawdzaæ innymi metodami geofizycznymi. Próby wykorzystania metod radiometrycznych opisano w pracy [223]. Do rozpoznania eksfiltracji œcieków z przewodu kanalizacyjnego wykorzystano tu sondy neutronowe w rurach os³onowych (z aluminium, stali lub metali szlachetnych), umieszczone poni¿ej przewodu. Badania wykonano w warunkach laboratoryjnych i polowych, lecz

5.3. Badania eksploatacyjne

µο mA

313

zasada pomiaru

sonda

przeciek

protokól

przeciek nieszczelne zlacze

Rys. 5.9. Zasada dzia³ania systemu pomiarowego AMS-4

nie uzyskano skorelowanych wyników. Stwierdzono jednak potencjaln¹ mo¿liwoœæ wykorzystania tej metody, pod warunkiem przeprowadzenia dodatkowych badañ. Aktualnie sondy neutronowe znajduj¹ zastosowanie w hydrologii, gleboznawstwie oraz budownictwie ziemnym do rozpoznawania wilgotnoœci gruntów. 5.3.2.3. Metody pomiaru rys, przemieszczeñ oraz geometrii przekroju i niwelety Do pomiaru szerokoœci rys w przewodzie oraz przemieszczeñ powstaj¹cych w miejscu po³¹czeñ rur i zarysowañ wykorzystuje siê systemy wspó³pracuj¹ce z konkretnymi urz¹dzeniami s³u¿¹cymi do inspekcji CCTV. Mo¿na wyró¿niæ tu nastêpuj¹ce metody pomiaru [14]: • optyczne, • laserowe, • optyczno-laserowe. Przyk³adem urz¹dzenia s³u¿¹cego do takich badañ jest dalmierz laserowy, sk³adaj¹cy siê z kamery i zintegrowanego z ni¹ uk³adu pomiarowego, umo¿liwiaj¹cego pomiar szerokoœci rys, odkszta³ceñ oraz kszta³tu przekroju poprzecznego. Urz¹dzenie jest ka-

314

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

2 3

5 6

4

obiekt-œciana przewodu

1

Rys. 5.10. Wykorzystanie dalmierza laserowego do badañ przewodów nieprze³azowych: 1 – dekoder pozycyjny, 2 – kamera, 3 – mikroprocesor, 4 – obiektyw, 5 – laser, 6 – elektronika steruj¹ca

librowane po wprowadzeniu go do wnêtrza przewodu. Na rysunku 5.10 przedstawiono elementy tego zestawu i schemat ich powi¹zañ [139, 220]. Do kontroli geometrii przekroju poprzecznego ruroci¹gów stosuje siê równie¿ tzw. mechaniczno-elektroniczne systemy pomiaru deformacji. Pomiary takie maj¹ szczególnie du¿e znaczenie w badaniach przewodów podatnych. System sk³ada siê z czujników umieszczonych na uchylnych ramionach przylegaj¹cych do œcianek przewodu. Ramiona zamontowane s¹ do t³oka przeci¹ganego przez przewód lub przemieszczanego przez transportowane przewodem medium (œcieki). W tym przypadku t³ok porusza siê z prêdkoœci¹ oko³o 1 m/s. Mierzone s¹ zmiany horyzontalne i wertykalne przekroju przewodu i rejestrowane w pamiêci komputera przez skalibrowane urz¹dzenie pomiarowe. Mo¿na te¿ zastosowaæ wiêksz¹ liczbê czujników. Metoda uznawana jest za niezawodn¹, gdy¿ b³¹d wskazania jednego lub kilku czujników mo¿na ³atwo wychwyciæ i skorygowaæ.

315

5.3. Badania eksploatacyjne

¯yroskopowa metoda kontroli niwelety s³u¿y do wyznaczenia rzeczywistych spadków przewodów i ma zasadnicze znaczenie w przypadku systemów grawitacyjnych. Stosuje siê urz¹dzenia zawieraj¹ce dwa ¿yroskopy umieszczone w p³aszczyznach prostopad³ych lub jeden ¿yroskop o trzech stopniach swobody. Sk³adowa wertykalna prêdkoœci k¹towej kuli ziemskiej powoduje odchylanie siê osi ¿yroskopu od zadanego kierunku w p³aszczyŸnie horyzontalnej, natomiast sk³adowa pozioma (horyzontalna) prêdkoœci k¹towej Ziemi powoduje odchylanie siê osi ¿yroskopu w p³aszczyŸnie pionowej (wertykalnej) od zadanego kierunku. Wykorzystuje siê to, rejestruj¹c wartoœci k¹tów stycznych do toru urz¹dzenia pomiarowego, w p³aszczyznach wzajemnie prostopad³ych. Mo¿na st¹d wyznaczyæ promieñ i œrodek krzywizny w okreœlonych punktach ruroci¹gu. Uzyskuje siê kszta³t niwelety ruroci¹gu w p³aszczyŸnie stycznej do powierzchni terenu (s³u¿y to odzwierciedleniu przewodu na mapie) i w p³aszczyŸnie prostopad³ej (mo¿na okreœliæ g³êbokoœæ ka¿dego punktu przewodu), co pozwala poznaæ jej odchy³ki od linii projektowej, spowodowane np. podmyciem przewodu w wyniku eksfiltracji œcieków czy nierównomiernym osiadaniem. Innym urz¹dzeniem s³u¿¹cym do pomiaru rzeczywistego spadku przewodu jest stratymetr hydrostatyczny. Przyk³adowe urz¹dzenie tego typu przedstawiono na rys. 5.11. Pomiar polega na przeci¹gniêciu przez przewód elastycznego wê¿a wype³nionego ciecz¹, zakoñczonego sond¹ pomiarow¹. Wbudowany przekaŸnik podaje g³êbokoœæ, na której znajduje siê sonda w porównaniu do znanego punktu zerowego w instrumencie pomiarowym zlokalizowanym na powierzchni terenu. Odczytuj¹c g³êbokoœæ przy przeci¹ganiu sondy, mo¿na zarejestrowaæ rzeczywisty spadek przewodu z dok³adnoœci¹ do 5 mm, a w pomiarze stacjonarnym do 1 mm [220].

1

3

4

2

5 6

Rys. 5.11. Stratymetr hydrostatyczny: 1 – naczynie poziomuj¹ce, 2 – w¹¿ ochronny, 3 – czujnik ciœnienia, 4 – g³owica pomiarowa, 5 – kabel pomiarowy, 6 – rejestrator sygna³u

316

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

5.3.2.4. Badania struktury i gruboœci œcian przewodów metodami nieniszcz¹cymi W badaniach nieniszcz¹cych struktury i gruboœci œcian przewodów wykorzystuje siê zjawiska towarzysz¹ce rozchodzeniu siê fal sprê¿ystych w ciele sta³ym. Metody oparte na analizie tych zjawisk okreœla siê mianem metod akustycznych. Z metod nale¿¹cych do tej grupy w badaniach przewodów znajduj¹ zastosowanie takie, jak np.: metoda impact-echo, analizy odbitego dŸwiêku czy ultradŸwiêkowa. Do diagnostyki przewodów stalowych s³u¿y ponadto defektoskopia magnetyczna, oparta na analizie zmian indukowanego pola magnetycznego. Metoda impact-echo zosta³a opracowana do badañ obiektów betonowych i ¿elbetowych. Jest przydatna w ocenie gruboœci œciany przewodu lub wykryciu wewnêtrznych wad materia³u. Istota metody polega na wykorzystaniu zjawiska odbicia siê impulsowo wzbudzonej fali sprê¿ystej od wewnêtrznych wad materia³owych oraz powierzchni rozdzia³u poszczególnych warstw oœrodka. O jej przydatnoœci decyduje w du¿ej mierze „czu³oœæ” na wystêpowanie w badanym elemencie oœrodków o ró¿nej impedancji akustycznej, rozumianej jako iloczyn gêstoœci danego oœrodka i prêdkoœci rozchodzenia siê w nim fal sprê¿ystych. W takim bowiem przypadku na granicy oœrodków o wyraŸnie ró¿nej impedancji akustycznej nastêpuje czêœciowe odbicie propaguj¹cych fal sprê¿ystych. Badania in situ przeprowadza siê za pomoc¹ urz¹dzenia pomiarowego DOCter, umo¿liwiaj¹cego pracê w przewodach prze³azowych. Ilustracjê zasady dzia³ania tej metody przedstawia rys. 5.12 [152].

T 3

przemieszczenie

2

1

∆t

czas Rys. 5.12. Metoda impact-echo – schematyczna ilustracja dzia³ania: 1 – wzburzenie, 2 – przetwornik, 3 – wada

Defektoskopia ultradŸwiêkowa znalaz³a zastosowanie przede wszystkim w diagnostyce stalowych ruroci¹gów ciœnieniowych do przesy³u gazu, ropy naftowej i wody. W przewodach tych stosuje siê tzw. g³owice inteligentne, np. g³owicê UltraScan – rys. 5.13 [109]. Przez analogiê mog¹ byæ podejmowane próby wykorzystania takich g³owic do badañ stalowych ruroci¹gów kanalizacyjnych (g³ównie ciœnieniowych). Tego typu kontrola ruroci¹gu musi byæ poprzedzona:

317

5.3. Badania eksploatacyjne

1

6

5

7

4

8

3

2

Rys. 5.13. Schemat budowy pomiarowej g³owicy ultradŸwiêkowej: 1 – ruroci¹g, 2 – sygnalizator po³o¿enia g³owicy, 3 – zasilanie, 4 – segment gromadzenia i przetwarzania danych, 5 – modu³ analizy sygna³ów ultradŸwiêkowych, 6 – czujniki ultradŸwiêkowe, 7 – system pomiaru odleg³oœci, 8 – pierœcienie uszczelniaj¹ce

• przejœciem g³owicy kalibruj¹cej, • czyszczeniem ogólnym i specjalnym. Przejœcie g³owicy kalibruj¹cej pozwala wykryæ i usun¹æ odkszta³cenia mog¹ce spowodowaæ zablokowanie g³owicy lub zniekszta³cenie wyników inspekcji. Dok³adnoœæ czyszczenia przewodu jest czynnikiem decyduj¹cym o jakoœci uzyskanych wyników. Pozostawienie w przewodzie np. inkrustacji soli wapnia powoduje rozproszenie wys³anego sygna³u ultradŸwiêkowego, a wiêc uniemo¿liwia przeprowadzenie badañ. Badanie g³owic¹ dostarcza u¿ytkownikowi przewodu informacji na temat: • korozji powierzchniowej i punktowej, • lokalizacji uszkodzeñ od strony zewnêtrznej i wewnêtrznej rury, • rozwarstwieñ, • istniej¹cej armatury wewnêtrznej, • istniej¹cych spawów, w tym spawów pod³u¿nych na obwodzie, • zmian gruboœci œcianki ruroci¹gu. Zasadê dzia³ania ultradŸwiêkowego systemu pomiaru gruboœci œcianek przewodów przedstawiono na rys. 5.14 [109]. Badania ultradŸwiêkowe przewodów z innych materia³ów s¹ bardzo utrudnione ze wzglêdu na ich niehomogenicznoœæ oraz trudnoœci w zapewnieniu odpowiedniego sprzê¿enia akustycznego miêdzy czujnikiem, a œciank¹ przewodu. W pracy [104] przedstawiono wyniki prób zastosowania metody ultradŸwiêkowej oraz metody opartej na analizie odbitego dŸwiêku do badañ betonowych i kamionkowych przewodów kanalizacyjnych. Stwierdzono mo¿liwoœæ wykrywania rys o ró¿nej szerokoœci ich rozwarcia, ubytków w œciankach rur – w tym powsta³ych w wyniku tarcia, Ÿle osadzonych króæców oraz wystêpowania pustek lub niezagêszczonego gruntu w bezpoœrednim s¹siedztwie œciany. Graficzna charakterystyka przebiegaj¹cego pomiêdzy czujnikami impulsu jest rejestrowana, a jej zak³ócenie œwiadczy o wystêpowaniu uszkodzenia. Na rysunkach 5.15 i 5.16 [104, 220] przedstawiono zasadê postêpowania przy detekcji rys z wykorzystaniem obu metod. Do nowszych rozwi¹zañ wykorzystuj¹cych metodê ultradŸwiêkow¹ nale¿y urz¹dzenie diagnostyczne o nazwie Sonomoloch I opracowane przez Fraunhofer-Institut für

318

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

czujnik

t

A

powierzchnia wewnêtrzna

powierzchnia zewnêtrzna

[mm]

t

A

25 20 15 10

200

[mm]

2000

1000

Rys. 5.14. Zasada dzia³ania ultradŸwiêkowego systemu pomiaru gruboœci: A – odleg³oœæ czujnika od powierzchni wewnêtrznej rury, t – gruboœæ œcianki rury

1

2

3

5

ró¿nica intensywnoœci sygna³u nadawanego i odbieranego

4

po³o¿enie uk³adu odbiornik-nadajnik

Rys. 5.15. Detekcja rys z wykorzystaniem metody ultradŸwiêkowej: 1 – przewód, 2 – pêkniêcie œcianki przewodu, 3 – urz¹dzenie pomiarowe, 4 – nadajnik sygna³u, 5 – odbiornik sygna³u

319

5.3. Badania eksploatacyjne

3 5

4 punkt pomiarowy nr 1

1

2

punkt pomiarowy nr 2

Rys. 5.16. Detekcja rys metod¹ odbitego dŸwiêku: 1 – œcianka przewodu, 2 – uszkodzenie, 3 – generator dŸwiêku („m³oteczek”), 4 – punkt pomiarowy nr 1, 5 – punkt pomiarowy nr 2

Biomedizinische Technik. Urz¹dzenie przeznaczone jest do badañ ruroci¹gów o œrednicach w zakresie DN 600–700 mm, równie¿ czêœciowo wype³nionych np. œciekami. Umo¿liwia ono wykrycie i pomiar rys w przewodach betonowych, ¿elbetowych i kamionkowych. Mo¿liwe jest tak¿e rozpoznanie korozji – w tym równie¿ od zewn¹trz przewodu, oraz graficzne przedstawienie wielkoœci uszkodzeñ. Urz¹dzenie stwarza mo¿liwoœæ wykrycia ró¿nic w posadowieniu przewodów oraz sprawdzenia materia³u wype³niaj¹cego po³¹czenia miêdzy rurami [248]. Innym urz¹dzeniem diagnostycznym zawieraj¹cym czujniki ultradŸwiêkowe umo¿liwiaj¹ce kontrolê ca³ego obwodu ruroci¹gu jest system Pipe Trein. Sk³ada siê on z szeregowo po³¹czonych modu³ów umo¿liwiaj¹cych inspekcjê wzrokow¹ i czyszczenie wysokociœnieniowe. Zasadniczo system, podobnie jak dalej opisana defektoskopia magnetyczna, przeznaczony jest do badania ruroci¹gów stalowych. Mo¿na go stosowaæ w warunkach wysokiego ciœnienia, zasiêg jego dzia³ania wynosi do 6 km, mo¿e byæ rozbudowywany poprzez do³¹czanie modu³ów o specjalnym zastosowaniu, np. do badania deformacji. Urz¹dzenie po³¹czone jest z pulpitem sterowniczym za pomoc¹ kabla. Defektoskopia magnetyczna stosowana jest w inspekcji ruroci¹gów ciœnieniowych stalowych. Znanymi urz¹dzeniami bazuj¹cymi na analizie rozproszonego pola magnetycznego s¹ g³owice MagneScan i MagneScan HR [109]. G³owica mo¿e rozpoznawaæ takie uszkodzenia przewodu, jak: korozja wewnêtrzna i zewnêtrzna, wadliwe spawy, wadliwa armatura czy uszkodzenia rozga³êzieñ. W zale¿noœci od œrednicy ruroci¹gu urz¹dzenie sk³ada siê z jednej czêœci lub kilku po³¹czonych ze sob¹ segmentów. Istotny jest system lokalizacji po³o¿enia g³owicy, umo¿liwiaj¹cy póŸniejsze dok³adne umiejscowienie uszkodzeñ. G³owica wyposa¿ona jest w dwa rzêdy magnesów sta³ych i szczotek stalowych, rozmieszczonych równomiernie na obwodzie, do wytworzenia pola magnetycznego w œciance ruroci¹gu. Pomiêdzy nimi, równie¿ na ca³ym obwodzie, znajduj¹ siê czujniki wykrywaj¹ce odchylenia pola magnetycznego. Na rysunku 5.17 przedstawiono zasadê dzia³ania magnetycznej g³owicy pomiarowej [109].

320

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

1 a) 2 3

4

2 3

N

S

1

5

b) 2 3 N

4

2 3 S

Rys. 5.17. Zasada dzia³ania magnetycznej g³owicy pomiarowej: a) linie si³ pola magnetycznego w przypadku nieuszkodzonej œcianki ruroci¹gu, b) linie si³ pola magnetycznego w przypadku uszkodzonej œcianki ruroci¹gu

5.3.2.5. Badania warunków gruntowych w otoczeniu kana³u Badania gruntu wokó³ kana³u mog¹ byæ prowadzone przy u¿yciu georadaru. Urz¹dzenie to jest efektem prac nad zastosowaniem metod geoelektrycznych do diagnostyki przewodów uk³adanych w gruncie. Wykorzystano tu zasadê rozchodzenia siê fal elektromagnetycznych w zakresie MHz. Kierunek i prêdkoœæ rozchodzenia siê fal warunkowana jest przez opór elektryczny medium, w którym fale siê rozprzestrzeniaj¹, a na powierzchniach granicznych nastêpuje ich czêœciowe odbicie. W przypadku mediów niemetalicznych dochodzi do odbicia fali z powodu zmiany sta³ej dielektrycznej, natomiast przy obiektach z metalu przyczyn¹ odbicia jest skok przewodnoœci elektrycznej. Mo¿liwa jest zatem detekcja obiektów metalicznych i niemetalicznych. Zasadê dzia³ania georadaru przedstawiono na rysunku 5.18 [69, 101]. Pierwotnie system radarowy s³u¿y³ do wykrywania z powierzchni terenu przewodów podziemnych – zarówno z metalu, jak i z innych materia³ów. Rozwój tej techniki spowodowa³, ¿e obecnie mo¿liwa jest tak¿e lokalizacja gruntów o naruszonej strukturze, niezagêszczonych i kawern. Georadar mo¿e pracowaæ równie¿ wewn¹trz przewodu, gdzie przemieszczany jest na specjalnym wózku [255], mo¿na go te¿ dostosowaæ do przewodów ma³ych œrednic (np. Kanalmolch) [78]. Badania georadarem z wnêtrza przewodu prowadzi siê w celu rozpoznania zmian w gruncie w jego otoczeniu lub roz-

5.3. Badania eksploatacyjne

321

kierunek kie rune k ppomiaru o mia ru

fa la fala wys³ana wys³a na

pprzedmiot rze d mio t oodbijaj¹cy d b ija j¹ c y

fa la fala oodbita d b ita

Rys. 5.18. Zasada dzia³ania i schemat ideowy georadaru

poznania zmian w strukturze œciany przewodu. W pracy [78] podkreœlono, ¿e dla rozpoznania uszkodzeñ w œcianie przewodu badania georadarem powinny byæ powi¹zane z inspekcj¹ video. Równoczeœnie w zale¿noœci od rodzaju gruntu, w którym prowadzone s¹ badania, ze wzglêdu na inne przewody w otoczeniu badanego przewodu, jak równie¿ ze wzglêdu na wystêpowanie we wnêtrzu przewodu osadów i inkrustacji, praca urz¹dzenia mo¿e byæ zak³ócana do stopnia uniemo¿liwiaj¹cego prowadzenie badañ. 5.3.2.6. Podsumowanie Przedstawione metody nie wyczerpuj¹ wszystkich mo¿liwoœci diagnostyki stanu przewodów. Istotnym zagadnieniem jest prawid³owa interpretacja, a nastêpnie wykorzystanie wyników kontroli. Aby uzyskaæ mo¿liwie wyczerpuj¹c¹ informacjê o stanie przewodu, nie mo¿na zazwyczaj poprzestaæ na zastosowaniu jednej techniki badawczej, tym bardziej ¿e wiêkszoœæ obecnych urz¹dzeñ ci¹gle jest niedostatecznie dok³adna. Wynika to z ich nadmiernej wra¿liwoœci na ró¿nego typu zak³ócenia zewnêtrzne, jak: niejednorodnoœæ oœrodka gruntowego, warunki atmosferyczne, spadki napiêæ w sieci zasilaj¹cej, temperatura, wilgotnoœæ. Niemniej jednak tendencja do budowy wielozadaniowych systemów pomiarowych o bardzo rozwiniêtej elektronice i technikach obliczeniowych uwidacznia siê tak¿e w projektach najnowszych urz¹dzeñ do diagnostyki przewodów. Projektowane rozwi¹zania zmierzaj¹ do ³¹czenia w jednym urz¹dzeniu kilku technik diagnostycznych. Przyk³adem s¹ prace nad inspekcyjnym robotem kana³owych, który docelowo ma byæ zaopatrzony w czujnik mikrofalowy, ultradŸwiêkowy, sensory optyczne umo¿liwiaj¹ce dok³adne rozpoznanie kszta³tu i wymiarów odkszta³ceñ przewodu oraz czujniki hydrochemiczne. Powi¹zanie wyników uzyskiwanych z poszczególnych sensorów umo¿liwia rozmyto-neuronowy system obróbki danych [76].

322

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

5.4. Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych 5.4.1. Kolektory ¿elbetowe 5.4.1.1. Wprowadzenie Zdecydowany, w ostatniej dekadzie ubieg³ego stulecia, wzrost zainteresowania w³adz polskich miast problemami ochrony œrodowiska skutkuje dzia³aniami zmierzaj¹cymi do uporz¹dkowania gospodarki wodno-œciekowej. Nast¹pi³a widoczna intensyfikacja przedsiêwziêæ zwi¹zanych z odnow¹ i rozbudow¹ infrastruktury sieciowej, w tym tak¿e przewodów kanalizacyjnych. Kompleksowe rozwi¹zanie problemu wymaga równie¿ poprawy stanu przewodów i kolektorów ju¿ istniej¹cych, co jest bardzo pracoch³onne i kosztowne. Pomimo to dzia³ania takie s¹ prowadzone i dotycz¹ miêdzy innymi kolektorów „Œlê¿a” i „Odra” we Wroc³awiu. Znaczn¹ czêœæ badañ tych obiektów wykonano w Zak³adzie In¿ynierii Miejskiej Instytutu In¿ynierii L¹dowej Politechniki Wroc³awskiej w latach 1994–1997. Badania te objê³y ³¹cznie ponad 8 km kolektorów na odcinkach nieeksploatowanych i eksploatowanych [131, 207, 208]. 5.4.1.2. Opis obiektów Kolektor „Odra” Projekt konstrukcji kolektora „Odra” powsta³ w latach 70. dwudziestego stulecia, a jego budowa zosta³a zakoñczona w latach 90. Schemat statyczny budowli przyjêto jako ³uk dwuprzegubowy o wysokoœci w œwietle równej 2,92 m, oparty na p³ycie dennej, w przegubach o rozstawie 3,50 m. Jest to budowla unikatowa i zalicza siê j¹ do grupy najwiêkszych kolektorów ¿elbetowych o takiej konstrukcji w Europie. Widok wnêtrza kolektora przedstawiono na rys. 5.19.

Rys. 5.19. Widok wnêtrza kolektora „Odra” przed odnow¹

5.4. Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych

323

Badany odcinek kolektora zrealizowano w latach 70. z prefabrykatów o d³ugoœci równej 2,0 m. Odcinek ten jest eksploatowany od pocz¹tku lat 80. Zgodnie z za³o¿eniami projektowymi ³upiny o gruboœci 0,20 m powinny byæ wykonane z betonu wibrowanego Rw = 200 kG/cm2 (≈B17,5) z dodatkiem hydrobetu. Zbrojenie ze stali A-I St3S oraz A-II 18G2 dostosowano do obci¹¿eñ budowli na poszczególnych odcinkach. Przyjêto trzy typy ³upin: typ I – dla zag³êbienia h < 3,0 m; typ II – dla zag³êbienia h = 3,0–4,0 m i typ III – dla zag³êbienia h = 4,0–5,0 m. Gruboœæ otuliny zbrojenia przewidziano c = 0,023 m, co nie odpowiada³o zarówno wymogom obowi¹zuj¹cej w czasie badañ normy [174], jak i obecnej PN-B-03264-1999. Poniewa¿ obliczeniowe szerokoœci rozwarcia rys przyjêto wiêksze od dopuszczalnych dla tego typu budowli (a = 0,1 mm), zaprojektowano zabezpieczenie antykorozyjne w postaci wewnêtrznej os³ony z emulsji kationowej wykonanej metod¹ natryskow¹. Izolacjê zewnêtrzn¹ zaprojektowano jako pow³okê z emulsji kationowej lateksowo-asfaltowej, zbrojonej welonem z w³ókna szklanego, o ³¹cznej gruboœci 6 mm. P³ytê denn¹ o gruboœci 0,40 m, stanowi¹c¹ kinetê kolektora, wykonywano pocz¹tkowo jako profilowan¹, ¿elbetow¹ p³ytê prefabrykowan¹ z betonu Rw = 250 kG/cm2 (≈B20), zbrojon¹ stal¹ klasy A-I St3S i A-II 18G2. W póŸniejszym etapie realizacji budowli p³ytê denn¹ wykonywano jako konstrukcjê monolityczn¹. Konstrukcjê p³yty uk³adano w wykopie otwartym na pod³o¿u z chudego betonu, z izolacj¹ z trzech warstw papy na lepiku. Pocz¹tkowo kinetê wyk³adano p³ytkami klinkierowymi, a na póŸniej realizowanych odcinkach stosowano trudno œcieraln¹ warstwê z betonu na kruszywie bazaltowym. Styki prefabrykatów zgodnie z projektem mia³y byæ wype³nione mieszank¹ betonow¹ za pomoc¹ torkretnicy. W sk³adzie mieszanki przewidziano cement ekspansywny. Zarówno od strony zewnêtrznej, jak i wewnêtrznej zalecono wykonywanie opaski ze zbrojonego siatk¹ metalow¹ betonu natryskowego oraz zatarcie styków na g³adko zapraw¹ cementow¹. Rozwi¹zanie to skutkowa³o niekorzystnymi ze wzglêdów hydraulicznych karbami na wewnêtrznej powierzchni kolektora. Prostopad³oœcienne komory zaprojektowano co kilkadziesi¹t metrów (œrednio co 100 m) i wykonano jako monolityczne o konstrukcji ¿elbetowej. Wejœcia do komór zaprojektowano z krêgów ¿elbetowych z typowymi w³azami ¿eliwnymi przesuniêtymi w stosunku do osi kolektora, tak ¿e najpierw schodzi siê na platformê wyposa¿on¹ w stalow¹ barierkê ochronn¹. W krêgach studzienek oraz œcianach komór osadzono typowe klamry z³azowe. Izolacjê komór wykonano tak samo jak izolacjê kolektora. Z uwagi na potrzebê zmniejszenia agresywnoœci atmosfery wewn¹trz kana³u przewidziano zastosowanie wentylacji grawitacyjnej w postaci pojedynczych otworów, umieszczonych w kluczu ³upiny pomiêdzy kolejnymi komorami. Otwory po³¹czone zosta³y kominkami wentylacyjnymi o œrednicy d = 0,20 m z wylotami zabezpieczonymi kratkami ¿eliwnymi, wyprowadzonymi na wysokoœæ oko³o 1,0 m ponad poziom terenu. Kolektor zosta³ u³o¿ony na warstwie piasków i ¿wirów z wyj¹tkiem niewielkich odcinków, gdzie wystêpuj¹ grunty gliniaste. Zag³êbienie budowli na badanym odcinku wynosi oko³o 5,0 m, co powoduje, ¿e ca³a konstrukcja kolektora znajduje siê poni¿ej zwierciad³a wody gruntowej.

324

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

Kolektor „Œlêza” Kolektor zosta³ wykonany z prefabrykowanych rur ¿elbetowych typu „Wipro” o przekroju ko³owym, œrednicy 1800 mm i d³ugoœci prefabrykatów równej 1,5 m. Œciany rur o gruboœci 0,18 m zbrojone s¹ obwodowo spiral¹ z prêtów φ12 o skoku 0,075 m oraz pod³u¿nie, prêtami φ6 rozmieszczonymi co 0,15 m. Zgodnie z projektem przewidziano zastosowanie betonu Rw = 250 kG/cm2, co odpowiada klasie betonu oko³o B20. Rozwi¹zanie konstrukcyjne tego kolektora jest typowe dla kana³ów œciekowych budowanych w tamtym okresie w kraju. Widok wnêtrza kolektora zilustrowano na rys. 5.20. Po³¹czenia rur wype³niono bitumicznym materia³em uszczelniaj¹cym. Na niektórych odcinkach styki zosta³y dodatkowo pokryte (doszczelnione) zapraw¹ lub mas¹ bitumiczn¹, a dno przewodu (kineta) wy³o¿one jest do wysokoœci ca 0,50 m p³ytkami ceramicznymi.

Rys. 5.20. Widok wnêtrza kolektora „Œlêza” przed odnow¹

¯elbetowe, monolityczne komory o ró¿nych kszta³tach i wymiarach rozmieszczono przeciêtnie w odleg³oœciach co 50,0 m. Wejœcia do komór zosta³y wykonane w postaci studzienek z krêgów ¿elbetowych z typowymi w³azami ¿eliwnymi. W krêgach oraz œcianach komór osadzono stopnie i drabinki. Na ca³ej d³ugoœci badanego odcinka kolektor znajduje siê poni¿ej poziomu zwierciad³a wody gruntowej i posadowiony jest na g³êbokoœci ca 5,0–6,0 m poni¿ej poziomu terenu. 5.4.1.3. Opis badañ W celu okreœlenia aktualnego stanu technicznego budowli oraz zakresu i typu prac remontowych wykonano analogiczne badania dla obu obiektów, które obejmowa³y: • jakoœciow¹, a gdzie by³o to mo¿liwe – tak¿e iloœciow¹ inwentaryzacjê uszkodzeñ,

5.4. Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych

325

• badania wytrzyma³oœci pod³o¿a betonowego na odrywanie za pomoc¹ aparatu Erihsena lub Dyna, • pobranie próbek z konstrukcji do laboratoryjnych badañ cech fizycznych i chemicznych betonu, • pobranie próbek do laboratoryjnych badañ cech chemicznych wody gruntowej. Zgodnie z ¿yczeniem zleceniodawcy wszystkie badania obiektów prowadzone by³y w ich wnêtrzu bez wykonywania wykopów. Inwentaryzacja uszkodzeñ kolektorów pozwoli³a wyodrêbniæ uszkodzenia typowe, powtarzaj¹ce siê we wszystkich badanych przypadkach. Zaliczono do nich: • uszkodzenia styków elementów konstrukcji: ubytki szczeliwa, przemieszczenia rur i ³upin, nieszczelnoœci, • uszkodzenia materia³u elementów konstrukcji: zrakowacenia, korozjê powierzchni betonu, zbyt ma³¹ otulinê zbrojenia lub jej brak, korozjê zbrojenia, • nieszczelnoœci powierzchni elementów konstrukcji, • uszkodzenia izolacji. Badania aparatem Erihsena lub Dyna wykonano w celu okreœlenia aktualnej wytrzyma³oœci powierzchniowych warstw betonu na odrywanie. Informacja taka jest niezbêdna dla prawid³owego doboru materia³ów do rehabilitacji powierzchniowej warstwy betonu. Badania prowadzone za pomoc¹ tego urz¹dzenia pozwalaj¹ tak¿e oceniæ jakoœæ przygotowanego pod³o¿a przed rozpoczêciem prac remontowych, polegaj¹cych na u³o¿eniu na to pod³o¿e warstw zabezpieczaj¹cych konstrukcjê. Podobnie jak w przypadku badañ pozosta³ych parametrów betonu, badania prowadzono w tak wybranych przekrojach kolektora, aby uzyskane wyniki charakteryzowa³y konstrukcjê na odcinkach budowanych w ró¿nych okresach. Próbki do badañ laboratoryjnych betonu pobierano za pomoc¹ wiertnicy przy u¿yciu koronki. Pobierano po trzy próbki w ka¿dym z wybranych przekrojów przewodu. Pobrane próbki betonu oraz wody gruntowej pos³u¿y³y do okreœlenia: • g³êbokoœci karbonatyzacji betonu, • nasi¹kliwoœci betonu, • œcieralnoœci betonu, • wytrzyma³oœci betonu na œciskanie, • zawartoœci w betonie: siarczanów, chlorków, azotanów i amonów. Badania g³êbokoœci karbonatyzacji wykonano poprzez napylenie na boczn¹ powierzchniê próbki alkoholowego roztworu fenoloftaleiny i obserwacjê zmiany zabarwienia. Nastêpnie na próbkach pobranych z konstrukcji wykonano badania nasi¹kliwoœci, po czym przyst¹piono do przygotowania próbek do badania wytrzyma³oœci na œciskanie. Próbki przygotowywano poprzez szlifowanie ich powierzchni, co umo¿liwi³o tak¿e okreœlenie œcieralnoœci. Badania œcieralnoœci wykonywano na tarczy Boehmego. Z pozosta³ych po badaniu wytrzyma³oœciowym fragmentów próbek pobrano próbki do badañ chemicznych. Ich celem by³o wykrycie ewentualnych zanieczyszczeñ betonu zwi¹zkami wywo³uj¹cymi lub przyspieszaj¹cymi korozjê betonu albo zbrojenia. Bada-

326

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

nia takie, w przypadku wykrycia szkodliwych zwi¹zków, umo¿liwiaj¹ dobór odpowiednich œrodków i dzia³añ zmierzaj¹cych do wyeliminowania tych zwi¹zków lub zabezpieczenia budowli przed ich korozyjnym dzia³aniem. W badaniach wykorzystano typowy zestaw laboratoryjny do badañ chemicznych betonu. Stê¿enie chlorków okreœlono na podstawie analizy jakoœciowej, korzystaj¹c z dostêpnych w zestawie preparatów i odczynników. Zawartoœæ azotanów, azotynów i amonu zbadano metod¹ analizy pó³iloœciowej, w której pomocne s¹ pa³eczki oznaczeniowe do testu azotanowego i amonowego. W celu okreœlenia poziomu siarczanów zastosowano analizê jakoœciow¹, poniewa¿ analiza pó³iloœciowa, w której stosuje siê pa³eczki oznaczeniowe testu siarczanowego, pozwala okreœliæ dok³adnie wartoœæ stê¿enia siarczanów tylko dla roztworów o pH z zakresu od 4 do 8. W omawianym przypadku zastosowanie pa³eczek testowych okaza³o siê niemo¿liwe, gdy¿ pH > 8. Sprawdzono wiêc, czy w roztworach badanych próbek wytr¹ca siê osad siarczanu baru, którego obecnoœæ wskazuje na zanieczyszczenie betonu siarczanami. Analogicznym badaniom poddano próbki wody gruntowej, dla których wykonano badania okreœlaj¹ce zawartoœæ siarczanów, chlorków, azotanów i amonów. 5.4.1.4. Wyniki badañ Wyniki przegl¹du stanu technicznego Poni¿ej przedstawiono przyk³adowe wyniki badañ kolektora „Œlêza” przeprowadzonych w 1994 roku na odcinkach, które by³y przeznaczone do odbioru. Badane odcinki budowli zosta³y wybudowane w latach 80. i do 1994 roku nie zosta³y oddane do eksploatacji. Nieszczelnoœci po³¹czeñ rur wystêpowa³y zarówno w miejscach, gdzie po³¹czenia te by³y wype³nione wy³¹cznie kitem akabit, jak i w miejscach, gdzie po³¹czenia rur by³y ju¿ poprawiane. Infiltracja mia³a charakter s¹czeñ wody, z wyj¹tkiem przypadków, gdzie woda wyp³ywa³a pod ciœnieniem. Wyp³ywy akabitu zaobserwowano przede wszystkim na odcinkach, gdzie po³¹czenia rur nie by³y naprawiane. Zwrócono uwagê na fakt, ¿e w wielu miejscach, pomimo wyp³ywów akabitu, znaczna liczba po³¹czeñ zachowa³a szczelnoœæ. Szerokoœci szczelin wype³nionych kitem waha³y siê od kilku milimetrów do kilku centymetrów. Uskoki na po³¹czeniach rur przyjmowa³y formê „schodka” i by³y szczególnie widoczne w miejscach, gdzie z³¹cza nie by³y przedtem reperowane. Stwierdzono wystêpowanie obwodowych zarysowañ rur o rozwartoœci rys nie wiêkszej ni¿ 0,001 m. Niektóre z zarysowañ by³y szczelne, a przez niektóre infiltrowa³a woda gruntowa. Zaobserwowano zarysowania pod³u¿ne rur o rozwartoœci rys nie przekraczaj¹cej 0,0015 m; wystêpowa³y one w poziomie pach i w kluczu przewodu. Sporadycznie wystêpowa³y tak¿e zarysowania skoœne rur. W niektórych miejscach rysy pod³u¿ne ³¹czy³y siê z rysami obwodowymi. S¹czenia wody przez powierzchniê rur mia³y charakter wycieków liniowych w miejscach zarysowañ przewodu lub wycieków punktowych w miejscach wystêpowania innych uszkodzeñ konstrukcji.

327

5.4. Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych

Zrakowacenia i ubytki powierzchni rur wystêpowa³y bardzo rzadko. Czêœciej natomiast stwierdzano deformacje wewnêtrznej powierzchni kolektora, którym towarzyszy³y lokalne zarysowania rury i s¹czenia wody. Jako karby obwodowe okreœlano poprzeczne deformacje wewnêtrznej powierzchni rur w formie pofa³dowañ powierzchni, przypominaj¹cych „tarkê”. W nielicznych przypadkach stwierdzono tak¿e zbyt ma³e otuliny zbrojenia, co skutkowa³o korozj¹ prêtów. Uszkodzeñ tych nie ujmowano w zestawieniach zbiorczych, gdy¿ wystêpowa³y one incydentalnie. Wyniki badañ laboratoryjnych i wytrzyma³oœciowych Badania karbonatyzacji wykaza³y, ¿e gruboœæ warstwy skarbonatyzowanego betonu nie przekracza 1–2 mm, a badania aparatem Erihsena – znaczne zró¿nicowanie wytrzyma³oœci betonu na odrywanie. Wytrzyma³oœæ ta waha³a siê od 0,7 do 3,6 MPa. Badania nasi¹kliwoœci betonu wykonano metod¹ suszarkow¹. Wytrzyma³oœæ betonu na œciskanie okreœlano metodami nieniszcz¹cymi, wykorzystuj¹c do tego celu m³otek Schmidta oraz na próbkach walcowych pobranych z konstrukcji. Równie¿ na próbkach pobranych z konstrukcji wykonano badania chemiczne betonu. Przyk³adowe wyniki badañ nasi¹kliwoœci i wytrzyma³oœci betonu na œciskanie w wybranych przekrojach zestawiono w tabeli 5.1, a wyniki badañ chemicznych w tabeli 5.2. W zbadanych próbkach wody gruntowej stwierdzono tylko niewielk¹ iloœæ siarczanów, nie przekraczaj¹c¹ 0,02%, chlorków nie wiêcej ni¿ 0,09% i azotanów nie wiêcej ni¿ 0,01%. Tabela 5.1.Wyniki badañ nasi¹kliwoœci i wytrzyma³oœci betonu na œciskanie Numer przekroju

Œrednia wytrzyma³oœæ na œciskanie [MPa]

Nasi¹kliwoœæ [%]

1

35,2

3,54

2

27,7

3,87

3

41,4

4,19

4

42,3

4,51

Tabela 5.2. Wyniki chemicznych badañ betonu Numer próbki

pH

Siarczany [%]

Azotany [%]

Chlorki [%]

Amony [mg/l] 10

I/G

> 10

–

–

0,02

I/D

> 10

–

–

0,01

10

II/G

> 10

–

–

0,01

10

Kontrolne obliczenia statyczno-wytrzyma³oœciowe Wobec braku odpowiedniej normy polskiej obliczenia kontrolne konstrukcji kana³u wykonano zgodnie z wymogami niemieckich wytycznych ATV A 127. Obliczenia wykaza³y, ¿e noœnoœæ rur na odcinku nieeksploatowanym jest wystarczaj¹ca (wystêpowa-

328

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

nie odcinków kolektorów o zbyt ma³ej noœnoœci stwierdzono w przypadku obu budowli na odcinkach eksploatowanych, które zbadano w 1997 roku). Analiza przyczyn i skutków uszkodzeñ oraz mo¿liwoœci ich naprawy S¹czenia wody na po³¹czeniach rur by³y skutkiem niestarannego ich wykonania. Mo¿na by³o tego unikn¹æ, stosuj¹c inne rozwi¹zania systemowe – zintegrowane, gumowe uszczelki z³¹czy. Wobec braku uszczelek z³¹cza rur wype³niano kitem plastycznym akabit, którego stopieñ uplastycznienia by³ na tyle du¿y, ¿e kit sp³ywa³ pod ciê¿arem w³asnym do wnêtrza kolektora przez niezabezpieczone sztywn¹ opask¹ po³¹czenia. Wyp³ywowi kitu sprzyja³o dzia³aj¹ce na z³¹cza hydrostatyczne ciœnienie wody gruntowej, której swobodne zwierciad³o uk³ada³o siê na badanym obszarze w granicach od 2,0 do 4,0 metrów powy¿ej poziomu posadowienia kolektora. Podejmowane przed badaniami próby „doszczelniania” po³¹czeñ okaza³y siê nie w pe³ni skuteczne. W efekcie opisanej sytuacji nastêpowa³a infiltracja wody gruntowej do przewodu. Pozostawienie takiego stanu budowli by³o zatem niedopuszczalne zarówno ze wzglêdów ekologicznych, jak i eksploatacyjnych. Uskoki na po³¹czeniach rur wynika³y z nadmiernych zró¿nicowañ wymiarów poszczególnych prefabrykatów rurowych. By³ to najprawdopodobniej efekt „rozkalibrowania” form w wytwórni elementów. Uskoki te w miejscach, gdzie styki nie by³y poprawiane mia³y ostre krawêdzie i przypomina³y progi o wysokoœci nie przekraczaj¹cej 0,04 m. Uskoki, szczególnie z ostrymi krawêdziami, s¹ niedopuszczalne ze wzglêdów hydraulicznych i eksploatacyjnych. Na po³¹czeniach z uskokami (szczególnie o krawêdziach niezgodnych z kierunkiem przep³ywu) zwiêkszaj¹ siê opory przep³ywu, a przy ruchu burzliwym œcieki rozpryskuj¹ siê, tworz¹c z zawartym w atmosferze kana³u siarkowodorem p³ynno-gazow¹ mieszaninê o bardzo agresywnym dzia³aniu w stosunku do betonu, co wp³ywa na obni¿enie trwa³oœci budowli. St¹d te¿ zalecono usuniêcie uskoków podczas naprawy po³¹czeñ, kiedy to zaistnia³y najdogodniejsze warunki do eliminacji ostrych krawêdzi. Obwodowe zarysowania rur by³y wynikiem nadmiernego skurczu betonu, a zatem powsta³y w efekcie nieprawid³owoœci produkcyjnych. W wyniku s¹czenia siê wód gruntowych przez te rysy nastêpuje korozja wk³adek zbrojeniowych i betonu, co powoduje zmniejszenie noœnoœci rur. Ca³kowite wyeliminowanie tego zagro¿enia by³oby bardzo kosztowne, gdy¿ wymaga³oby naprawy zewnêtrznej izolacji przewodu. W wyniku przeprowadzonej analizy statyczno-wytrzyma³oœciowej uznano, ¿e ze wzglêdów konstrukcyjnych lokalne obni¿enie noœnoœci niektórych rur nie zagra¿a bezpieczeñstwu u¿ytkowania ca³ej budowli, w zwi¹zku z czym zaniechano prób izolowania zewnêtrznej powierzchni kolektora. W celu ograniczenia szkodliwej infiltracji wód gruntowych przez te rysy za konieczne uznano natomiast uszczelnienie ich od wewn¹trz, co mog³o byæ wykonane przy u¿yciu materia³ów pow³okowych i metodami iniekcyjnymi. Wskazano tak¿e, ¿e iniekcje s¹ w takich przypadkach konieczne, gdy¿ w znacznym stopniu zabezpieczaj¹ zbrojenie i beton w impregnowanym obszarze. Zarysowania pod³u¿ne powsta³y prawdopodobnie w wyniku nieprawid³owego sk³adowania i transportu rur oraz skurczu betonu. Hipoteza taka wynika z zaobserwowanej

5.4. Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych

329

lokalizacji tych rys. Rysy w kluczu, w po³owie wysokoœci rur oraz sp¹gu œwiadczy³yby ewidentnie o przekroczeniu granicznych stanów noœnoœci konstrukcji. Wystêpowanie rys ukoœnych lub zlokalizowanych w niezwi¹zanych z wymienionymi miejscami przekroju wskazuje natomiast, ¿e powsta³y one raczej w wyniku dzia³ania przypadkowych obci¹¿eñ (np. uderzeñ) w trakcie sk³adowania, transportu lub monta¿u. Nie zmienia to faktu, ¿e noœnoœæ wmontowanych prefabrykatów z takimi zarysowaniami jest obni¿ona. Zarysowaniom towarzyszy³y ponadto w wiêkszoœci przypadków s¹czenia wody. Poniewa¿ liczba tych uszkodzeñ by³a znaczna tylko na dwóch odcinkach, postanowiono, ¿e w trakcie prac renowacyjnych – w celu czêœciowego przywrócenia noœnoœci rur – rysy te zostan¹ uszczelnione wg³êbnie przy u¿yciu iniektu klej¹cego beton. S¹czenia wody na powierzchni rur by³y spowodowane zarysowaniami rur oraz punktowymi nieszczelnoœciami, które musia³y powstaæ w trakcie procesu produkcyjnego. Pozostawienie ich uznano za niedopuszczalne z omówionych ju¿ wzglêdów. Za³o¿ono, ¿e wiêksza czêœæ s¹czeñ zostanie wyeliminowana w trakcie naprawy zarysowañ, a s¹czenia lokalne bêd¹ uszczelnione materia³ami pow³okowymi, chocia¿ w przypadku kilku intensywniejszych wycieków zaistnia³a potrzeba zainiektowania otworów. Do nierównoœci powierzchni rur zakwalifikowano zrakowacenia i ubytki betonu oraz wybrzuszenia. Dwa pierwsze rodzaje uszkodzeñ wystêpowa³y bardzo rzadko, a ich usuniêcie przewidziano w trakcie zabezpieczania wewnêtrznej powierzchni kolektora. Wybrzuszenia wystêpowa³y tylko na dwóch odcinkach. Uszkodzenia te powsta³y w efekcie rozwarstwienia wbudowanych tam rur, spowodowanego b³êdami w produkcji prefabrykatów. Prawdopodobnie podczas produkcji tej partii rur nast¹pi³a przerwa w narzucaniu mieszanki betonowej. Efektowi rozwarstwienia mog³o sprzyjaæ tak¿e pozostawienie rur na tych odcinkach na okres kilku lat w niezasypanych, zalanych wod¹ wykopach, co spowodowa³o, ¿e rury wielokrotnie zamarza³y i odmarza³y. Zak³adaj¹c, ¿e podczas produkcji rur wyst¹pi³a przerwa w betonowaniu, mo¿na s¹dziæ, ¿e na styku warstw betonu narzucanego w odstêpach czasu powsta³a pow³oka z mleczka cementowego. Sprzyja³o to rozwarstwieniu w tym miejscu poddanej rozsadzaj¹cemu dzia³aniu zamarzaj¹cej wody w wykopie konstrukcji. Opisany mechanizm rozwarstwienia niektórych prefabrykatów potwierdzi³ siê podczas pobierania próbek do badañ fizycznych cech betonu. Okaza³o siê, ¿e rozwarstwienia przebiegaj¹ w p³aszczyŸnie zbrojenia rur, a szerokoœci szczelin by³y na tyle du¿e, ¿e umo¿liwia³y przep³yw wody pomiêdzy otworami, podawanej dla sch³adzania koronki pobieraj¹cej próbki do badañ (rdzenie). Rozwarstwienia zmniejsza³y noœnoœæ rur, w zwi¹zku z czym zadecydowano, ¿e zostan¹ naprawione poprzez „sklejenie” obu warstw zainiektowan¹ do szczelin substancj¹. Karby by³y spowodowane b³êdami produkcyjnymi, a ich negatywny wp³yw polega³ na obni¿eniu hydraulicznej sprawnoœci elementów i powodowaniu kawitacji. Za³o¿ono, ¿e uszkodzenia te zostan¹ w znacznym stopniu wyeliminowane podczas zabezpieczania wewnêtrznej powierzchni kolektora, gdy¿ naniesiona warstwa zabezpieczaj¹ca zmniejszy wspó³czynnik chropowatoœci rur, co w znacznym stopniu zrekompensuje ich obni¿on¹ sprawnoœæ hydrauliczn¹ spowodowan¹ karbami.

330

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

Wyp³ywy kitu wyst¹pi³y w wyniku niew³aœciwego rozwi¹zania uszczelnienia kielichowych po³¹czeñ rur, polegaj¹cego na niewykonaniu sztywnych opasek od wewnêtrznej strony przewodu. Przewidziano wyeliminowanie tej usterki dziêki wykonaniu uszczelnieñ styków metodami iniekcyjnymi z zastosowaniem taœm do uszczelniania dylatacji. Na odcinkach eksploatowanych, badanych w póŸniejszym okresie, skala destrukcji kolektora by³a na tyle du¿a, ¿e jego techniczna rehabilitacja wymaga³a zastosowania metody „relining”. Odnowa kolektora t¹ metod¹ zosta³a wykonana przez firmê BETA S.A. z Warszawy, wed³ug projektu opracowanego wspólnie z Instytutem In¿ynierii L¹dowej Politechniki Wroc³awskiej i pod nadzorem naukowym Instytutu. Wyników badañ kolektora „Odra” nie przedstawiono ze wzglêdu na unikatowy charakter tej budowli, aczkolwiek relatywnie – wyniki te by³y zbli¿one do omawianych wy¿ej. Typowe rozwi¹zanie konstrukcji kolektora „Œlêza” pozwala natomiast przypuszczaæ, ¿e stan techniczny podobnych przewodów wybudowanych w kraju w tamtym okresie jest zbli¿ony. Przypuszczenie to potwierdzaj¹ równie¿ badania autorów, prowadzone na innych obiektach.

5.4.2. Kolektory ceglane 5.4.2.1. Wprowadzenie Badania starych przewodów kanalizacyjnych miasta Wroc³awia prowadzone by³y od lat przez Zak³ad In¿ynierii Miejskiej Instytutu In¿ynierii L¹dowej Politechniki Wroc³awskiej. Mo¿na wyró¿niæ dwa okresy intensyfikacji tych badañ. Pierwszy z nich przypada na lata 70., kiedy to zaczêto interesowaæ siê stanem starych kana³ów kanalizacyjnych, a drugi na lata 90. Badania w latach 90. zaczêto intensyfikowaæ po lipcowej powodzi w 1997 roku, gdy ich wyniki by³y potrzebne do prawid³owego odbudowania zniszczonej wodami powodziowymi infrastruktury sieciowej i komunikacyjnej (przede wszystkim nawierzchni ulic). Drugim powodem intensyfikacji tych badañ s¹ coraz czêstsze przypadki realizacji w bezpoœrednim s¹siedztwie zabytkowych kana³ów innych budowli podziemnych. 5.4.2.2. Przyk³ady badanych kolektorów ceglanych 5.4.2.2.1. Kolektor w ul. Nowy Œwiat i Ruskiej we Wroc³awiu

Opis budowli i program badañ Jednym z badanych kolektorów by³ przewód kanalizacji ogólnosp³awnej pod ulicami Nowy Œwiat i Rusk¹ we Wroc³awiu. Konstrukcjê przewodu o przekroju jajowym i wymiarach 1150 × 1300 mm wykonano na prze³omie XIX i XX wieku jako murowan¹ z ceg³y. Do murowania kolektora u¿yto tzw. ceg³y kanalizacyjnej i zaprawy cementowej (do zaprawy u¿yto prawdopodobnie cementu siarczanoodpornego). Budowla ta by³a badana w 1999 roku na zlecenie Miejskiego Przedsiêbiorstwa Wodoci¹gów i Kanalizacji Sp. z o.o. we Wroc³awiu. Widok wnêtrza kolektora przedstawiono na rys. 5.21.

5.4. Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych

331

Rys. 5.21. Widok wnêtrza ceglanego kolektora pod ul. Nowy Œwiat we Wroc³awiu

Zakres badañ i opracowania obejmowa³: szczegó³owe oglêdziny stanu technicznego kolektora, badania laboratoryjne materia³ów konstrukcyjnych pobranych z budowli, wykonanie sprawdzaj¹cych obliczeñ statyczno-wytrzyma³oœciowych, ocenê stanu technicznego konstrukcji kolektora, wskazanie niezbêdnego zakresu prac remontowych, opracowanie sposobu wykonania prac remontowych. W trakcie przegl¹du pobrano próbki zaprawy ze spoin oraz ceg³y do badañ laboratoryjnych. Wyniki przegl¹du in situ W wyniku dokonanego przegl¹du kana³u (inspekcji bezpoœredniej) stwierdzono nastêpuj¹ce uszkodzenia jego konstrukcji: • znaczne os³abienie i wyp³ukanie zaprawy ze spoin na g³êbokoœæ do oko³o 30 mm, • os³abienie struktury ceg³y na g³êbokoœæ do oko³o 15 mm, • zanieczyszczenia i osady w kinecie, • • • • • •

332

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

• uszkodzenia pojedynczych cegie³, • niew³aœciwie wykonany wpust, • lokalnie, nawet na znacznych obszarach, twarde nacieki na powierzchni cegie³. Badania chemiczne Materia³y konstrukcyjne kolektorów s¹ nara¿one na liczne destrukcyjne oddzia³ywania, zarówno od strony zewnêtrznej (wody gruntowe), jak i od strony wewnêtrznej (œcieki), co opisano w rozdziale 7.1. W celu okreœlenia stopnia uszkodzeñ materia³ów konstrukcyjnych wykonano badania laboratoryjne na pobranych z kana³u próbkach zaprawy i ceg³y. O stopniu uszkodzenia tych materia³ów mog¹ œwiadczyæ: • wartoœci wskaŸnika pH, • zawartoœci soli, które powoduj¹ korozjê. W przedmiotowym przypadku wykonano badania zawartoœci siarczanów, chlorków, azotanów i amonu oraz wielkoœci wskaŸnika pH. W badaniach wykorzystano zestaw laboratoryjny do badañ chemicznych zaprawy i betonu, produkowany przez firmê MERCK. Odczynniki i pa³eczki oznaczeniowe, wchodz¹ce w sk³ad zestawu pozwalaj¹ na okreœlenie stê¿enia szkodliwych soli. Z ka¿dej próbki, po sproszkowaniu, przygotowano oko³o 50 ml roztworu wodnego, stanowi¹cego podstawê dalszych badañ. Przyk³adowe wyniki badañ przedstawiono w tabeli 5.3. Tabela 5.3. Wyniki chemicznych badañ matria³ów konstrukcyjnych kolektora Rodzaj próbki

pH

Siarczany [%]

Azotany [%]

Chlorki [%]

Amon [mg/l]

1. Zaprawa ze spoin

7,5

1,2

0,05

0,03

15

2. Ceg³a

7,5

0,6

0,04

0,02

10

Wartoœci dopuszczalne stê¿enia soli w murach ceglanych: azotany – 0,08%, siarczany – 0,03%, chlorki – 0,08%, amon – 15 mg/l. Wykonane badania laboratoryjne wykaza³y, ¿e stopieñ zanieczyszczenia materia³ów konstrukcyjnych szkodliwymi solami (z wyj¹tkiem siarczanów) by³ nieznaczny. Natomiast zanieczyszczenie cegie³, a zw³aszcza zaprawy, siarczanami by³o bardzo du¿e. Na podstawie tego wnioskowano, ¿e stwierdzone uszkodzenia zaprawy i os³abienie wierzchnich warstw cegie³ spowodowane zosta³o korozj¹ siarczanow¹, potêgowan¹ niew¹tpliwie d³ugoletnim (ponad 100 lat) oddzia³ywaniem pozosta³ych zanieczyszczeñ chemicznych. Wartoœæ wskaŸnika pH zaprawy œwiadczy³a o niemal ca³kowitym jej zneutralizowaniu. Niemniej jednak uszkodzenia zaprawy wystêpowa³y na niewielkiej g³êbokoœci, co nale¿y t³umaczyæ dodatkiem trasu. Potwierdzeniem tego s¹ wyniki przeprowadzo• • • •

333

5.4. Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych

nych w Instytucie In¿ynierii L¹dowej Politechniki Wroc³awskiej badañ innych kolektorów ceglanych, wybudowanych w podobnym okresie. Badania wytrzyma³oœci i nasi¹kliwoœci ceg³y Badania wytrzyma³oœci ceg³y na œciskanie wykonano zgodnie z polsk¹ norm¹, wed³ug której badaniom poddaje siê próbki przygotowane przez przeciêcie ca³ej ceg³y i zespolenie tak otrzymanych po³ówek zapraw¹ cementow¹. Wykonano tak¿e badania nasi¹kliwoœci ceg³y. Przyk³adowe wyniki badañ zestawiono w tabeli 5.4. Tabela 5.4. Wyniki badañ parametrów ceg³y Numer próbki

Wytrzyma³oœæ na œciskanie [MPa]

Nasi¹kliwoœæ [%]

1

25,8

9,0

2

24,8

8,7

3

24,2

7,2

Uwzglêdniaj¹c wiek konstrukcji, na podstawie wykonanych badañ zakwalifikowano ceg³ê do klasy 200 i dla takich parametrów wykonano kontrolne obliczenia statyczno-wytrzyma³oœciowe budowli. Nasi¹kliwoœæ ceg³y by³a stosunkowo du¿a, wiêksza ni¿ stwierdzana zwykle podczas badañ podobnych kana³ów. Kontrolne obliczenia statyczno-wytrzyma³oœciowe Wobec braku odpowiedniej normy polskiej obliczenia kontrolne konstrukcji kana³u przeprowadzono zgodnie z wymogami niemieckich wytycznych ATV A 127, wykorzystuj¹c do zamodelowania uk³adu metodê elementów skoñczonych. Wyniki analiz statyczno-wytrzyma³oœciowych wykaza³y, ¿e pomimo tak d³ugiej eksploatacji noœnoœæ kana³u jest wystarczaj¹ca. Wnioski Na podstawie wykonanych badañ in situ, badañ laboratoryjnych oraz obliczeñ statyczno-wytrzyma³oœciowych, stan techniczny kolektora uznano za œredni. Stan ten charakteryzuje siê uszkodzeniami (os³abieniem) warstw materia³ów konstrukcyjnych w kluczu, wynikaj¹cymi z naturalnych procesów destrukcyjnych, jakim ulegaj¹ materia³y budowlane poddane oddzia³ywaniu czynników szkodliwych, zw³aszcza dzia³aniu siarczanów oraz naturalnych procesów starzeniowych. Twarde nacieki lokalnie wystêpuj¹ce na znacznym obszarze spowodowane s¹ infiltracj¹ wody (zjawisko korozji ³uguj¹cej). Uznano, ¿e aktualny stan techniczny kolektora nie stwarza³ zagro¿enia katastrof¹ budowlan¹, jednak bêdzie on ulega³ pogorszeniu z powodu zanieczyszczenia materia³ów konstrukcyjnych siarczanami oraz du¿¹ intensywnoœci¹ obci¹¿eñ komunikacyjnych, w zwi¹zku z czym zalecono przeprowadzenie odnowy kana³u. 5.4.2.2.2. Inne kolektory

Analogiczne do opisanych w poprzednim rozdziale badania wykonano dla innych kolektorów ceglanych. Charakterystyki niektórych z nich i podstawowe wyniki badañ zestawiono w tabeli 5.5.

334

5. Badania przewodów kanalizacyjnych Tabela 5.5. Przyk³adowe wyniki badañ kolektorów ceglanych Kana³ ogólnosp³awny w ul. Pi³sudskiego

Przekrój poprzeczny

Prostok¹tny: 1,40 × 1,45 m, zag³êbienie kinety ca 2,70 m

Materia³

Œciany i dno – ceg³a kanalizacyjna* (gruboœæ 0,25 m) strop: p³yty granitowe 1,50 × 0,70 × 0,20 m

Rok budowy

Prze³om XIX i XX wieku, naprawa (podparcie niektórych p³yt beleczkami z obetonowanych dwuteowników)

Rok badañ

1994

Wynik obliczeñ noœnoœci konstrukcji

Zadowalaj¹cy

Uszkodzenia

Ubytki zaprawy w spoinach, wykruszenia krawêdzi cegie³, pêkniêcia p³yt stropowych (podpartych beleczkami), uszkodzenia izolacji beleczek

Zalecany zakres naprawy

Reprofilacja ubytków ceg³y, wymiana górnej warstwy cegie³ odtworzenie spoin i izolacji beleczek, prze³o¿enie p³yt granitowych Kana³ ogólnosp³awny w ul. Traugutta

Przekrój poprzeczny

Jajowy 0,80 × 1,20 m, zag³êbienie kinety ca 2,50 m

Materia³

Ceg³a kanalizacyjna; zmienna gruboœæ konstrukcji od 0,12 do 0,25 m

Rok budowy

Prawdopodobnie 1930

Rok badañ

1999

Wynik obliczeñ noœnoœci konstrukcji

Zadowalaj¹cy

Uszkodzenia

Dziury i kilka wypchniêtych cegie³ w kluczu

Zalecany zakres naprawy

Przemurowanie uszkodzonych fragmentów konstrukcji kana³u Kana³ ogólnosp³awny pod pl. Grunwaldzkim

Przekrój poprzeczny

Jajowy 0,85 × 1,30 m, zag³êbienie kinety ca 2,10 m

Materia³

Ceg³a kanalizacyjna; zmienna gruboœæ konstrukcji od 0,12 do 0,25 m

Rok budowy

Pocz¹tek bie¿¹cego stulecia

Rok badañ

1999

Wyniki obliczeñ noœnoœci konstrukcji

Niezadowalaj¹ce

Uszkodzenia zaprawy w spoinach

Pod³u¿ne zarysowania w kluczu, poprzeczne pêkniêcie, ubytki

Zalecany zakres naprawy

Relining krótkimi wk³adkami z ¿ywic epoksydowych wzmacnianych rozproszonym w³óknem szklanych (np. system Channeline)

*Ceg³a

kanalizacyjna wypalana z gliny jest materia³em równorzêdnym z kamionk¹.

Przedstawione w za³¹czonej tabeli wyniki badañ trzech zabytkowych kolektorów wskazuj¹ na zró¿nicowany stopieñ ich destrukcji. Uszkodzenia kana³u w ul. Pi³sudskiego, poza procesami starzeniowymi, zosta³y spowodowane dzia³aniami wojennymi (lokalne uszkodzenia p³yt granitowych) oraz nadmiernymi obci¹¿eniami komunikacyjny-

5.4. Przyk³ady badañ kolektorów kanalizacyjnych

335

mi. Przyczyn¹ uszkodzeñ najm³odszego kolektora w ul. Traugutta by³y niefrasobliwie prowadzone roboty budowlane podczas wymiany nawierzchni tej ulicy. Poza tym kolektor by³ ca³kowicie sprawny pod wzglêdem technicznym. Skutki procesów starzeniowych najbardziej uwidoczni³y siê w przypadku kolektora pod placem Grunwaldzkim (korozja biologiczna spowodowana rozk³adem zalegaj¹cych osadów). Ale i ta budowla mog³aby byæ dalej eksploatowana, gdyby nie dzia³anie nadmiernych obci¹¿eñ komunikacyjnych, pochodz¹cych od tranzytowego ruchu samochodów ciê¿arowych, tzw. TIR-ów.

5.4.3. Podsumowanie Konstrukcje ¿elbetowe ze wzglêdu na relatywnie niskie koszty i brak innych rozwi¹zañ materia³owych by³y chêtnie stosowane do budowy przewodów kanalizacyjnych. Jak wykazuj¹ dotychczasowe doœwiadczenia z ich eksploatacji, wiele z budowli zrealizowanych w latach 70. i 80. ubieg³ego stulecia nie ma wymaganej szczelnoœci (szczególnie w przypadku konstrukcji prefabrykowanych) i trwa³oœci ze wzglêdu na nisk¹ jakoœæ betonu. Potwierdzi³y to równie¿ wyniki omawianych w pracy badañ. Dodatkowo braki œrodków finansowych czêsto powodowa³y, ¿e budowa kolektorów trwa³a nieraz (jak w przypadku kolektorów „Odra” i „Œlêza”) kilkanaœcie lat z wielokrotnym przerywaniem procesu realizacyjnego. Przerwania budowy obiektów na d³u¿szy czas sprzyja³y niszczeniu niewykoñczonych konstrukcji, a tak¿e skutkowa³y zamro¿eniem œrodków, co w konsekwencji podnios³o koszty przedsiêwziêcia. W efekcie powsta³y budowle, które musz¹ byæ po krótkim okresie eksploatacji lub przed oddaniem ich do eksploatacji naprawiane. Nale¿y przy tym byæ œwiadomym, ¿e odnowa kolektorów prowadzona z wnêtrza budowli tylko do pewnego stopnia zwiêksza ich trwa³oœæ i nie wyeliminuje wszystkich skutków nieprawid³owego wykonawstwa nowych obiektów. Infiltruj¹ca bowiem przez obudowê wskutek nieszczelnej izolacji zewnêtrznej woda gruntowa, po uszczelnieniu wewnêtrznej powierzchni kolektora nie dostanie siê co prawda do jego wnêtrza, ale w dalszym ci¹gu bêdzie powodowa³a destrukcjê betonu i zbrojenia, co w konsekwencji skróci okres eksploatacji kolektorów ze wzglêdu na stopniow¹ utratê wymaganych parametrów statyczno-wytrzyma³oœciowych ich konstrukcji. Nastêpuj¹cy w ostatnich latach wzrost technologicznoœci przedsiêbiorstw, zmiana zasad finansowania przedsiêwziêæ oraz konkurencyjnoœæ rynku spowodowa³y, ¿e jakoœæ i tempo obecnego wykonawstwa zarówno w zakresie wyrobów, jak i ich wbudowywania s¹ nieporównywalnie lepsze. Najwiêksze zmiany dotycz¹ jednak betonu jako tworzywa konstrukcyjnego. Betony nowych generacji charakteryzuj¹ siê wszystkimi parametrami, jakie s¹ wymagane do budowy elementów sieci kanalizacyjnej [2]. Potwierdzeniem tego s¹ wyniki wspomnianych badañ produktów firm STEINRISSE czy P.V. Prefabet Kluczbork. Sytuacja ta dobrze rokuje na przysz³oœæ i stwarza szansê, ¿e obecnie powstaj¹ce budowle betonowe nie bêd¹ wymaga³y odnowy przed up³ywem kilkudziesiêciu lat.

336

5. Badania przewodów kanalizacyjnych

Destrukcje starych, ceglanych przewodów i obiektów sieciowych w wyniku procesów starzeniowych s¹ naturalnym zjawiskiem. Niepokoj¹ca jest natomiast du¿a liczba ich uszkodzeñ, powodowanych niefrasobliwie prowadzonymi pracami budowlanymi podczas realizacji lub modernizacji innych obiektów oraz, co jest znacznie wiêkszym problemem, w wyniku nadmiernych obci¹¿eñ wywieranych przez wspó³czesny tabor komunikacyjny.

6. Studzienki kanalizacyjne 6.1. Wprowadzenie Studzienki wraz z przewodami, kszta³tkami i innymi obiektami na sieci tworz¹ kompletny system kanalizacyjny. Pierwsze studzienki przy budowie systemów kanalizacyjnych stosowano ju¿ w staro¿ytnoœci. Pocz¹tkowo by³y to studnie ch³onne z kamionki, którymi œcieki odprowadzano bezpoœrednio do gruntu, co dziœ jest niedopuszczalne. Studnia taka pokazana jest na rys. 1.1.5 w rozdziale 1. Obecnie najstarsze studzienki kanalizacyjne znajduj¹ce siê w eksploatacji zbudowane s¹ z ceg³y kanalizacyjnej. Niektóre z nich licz¹ sobie ponad sto lat. Przyk³adowe rozwi¹zanie takiej studzienki przedstawiono na rys. 6.1.1.

Rys. 6.1.1. Przyk³adowe rozwi¹zanie studzienki murowanej

338

6. Studzienki kanalizacyjne

Obecnie w praktyce najczêœciej stosowane s¹ studzienki betonowe i ¿elbetowe. Na przyk³adzie takiej w³aœnie studzienki, przedstawionej na rys. 6.1.2, pokazano jej podstawowe elementy sk³adowe. Ze wzglêdu na funkcjê mo¿na wyró¿niæ nastêpuj¹ce rodzaje studzienek kanalizacyjnych: • po³¹czeniowe, s³u¿¹ce do w³¹czenia jednego lub wiêcej przewodów pod ró¿nymi k¹tami, • rewizyjne, s³u¿¹ce do bie¿¹cej kontroli i prac eksploatacyjnych (inspekcja, czyszczenie i remonty przewodu), • kaskadowe, s³u¿¹ce do zmniejszenia prêdkoœci przep³ywu w przypadku budowy kana³u w terenie o du¿ym pochyleniu.

Ø 625

60 80 100

60 80 100

6

320 620

5

4

Ø 1000

250 500

250 500

3

135 250 500

2

5%

150

5%

800 1000 1200 1300

1

150

Ø 1200 Ø 1500

150

Rys. 6.1.2. Podstawowe elementy sk³adowe ¿elbetowej studzienki kanalizacyjnej: 1 – dno studzienki, 2 – krêgi poœrednie, 3 – p³yta poœrednia, 4 – krêgi kominowe, 5 – zwê¿ka, 6 – pierœcienie dystansowe

6.2. Wymagania

339

6.2. Wymagania Wymagania w zakresie projektowania, budowy i eksploatacji studzienek kanalizacyjnych okreœlone s¹ w normie [194]. Zgodnie z t¹ norm¹ studzienki mo¿na podzieliæ na: • w³azowe – o œrednicy co najmniej 1,0 m, przystosowane do wchodzenia i wychodzenia, • niew³azowe – o œrednicy mniejszej ni¿ 1,0 m, przystosowane do wykonywania czynnoœci eksploatacyjnych, • bezw³azowe – bez otworu w³azowego, przykryte stropem pod powierzchni¹ terenu, pe³ni¹ce funkcjê studzienki po³¹czeniowej lub rozga³êŸnej. W zale¿noœci od przeznaczenia i wielkoœci studzienki maj¹ ró¿ne kszta³ty przekroju poprzecznego – najczêœciej ko³owe, rzadziej prostok¹tne lub wielok¹tne. Stosowane s¹ ró¿ne rozwi¹zania konstrukcyjne studzienek: • studzienki monolityczne, w których co najmniej komora robocza wykonana jest w konstrukcji monolitycznej, • studzienki prefabrykowane, w których co najmniej zasadnicza czêœæ komory roboczej i komin w³azowy s¹ wykonane z prefabrykatów, • studzienki murowane, w których co najmniej zasadnicza czêœæ komory roboczej jest wykonana z ceg³y. Zgodnie z norm¹ [194] do budowy studzienek kanalizacyjnych mo¿na stosowaæ nastêpuj¹ce materia³y: • beton hydrotechniczny wraz z domieszkami uszczelniaj¹cymi, • krêgi betonowe i ¿elbetowe ³¹czone na zaprawê cementow¹ lub na uszczelki, • ceg³ê kanalizacyjn¹ wed³ug normy [167], • tworzywa sztuczne, takie jak PCW, PP, PE, GRP i inne. Dla najczêœciej stosowanych obecnie studzienek betonowych i ¿elbetowych wymagania okreœlone w normie [194] s¹ niewystarczaj¹ce. Nie ka¿dy beton hydrotechniczny mo¿e byæ stosowany bez ograniczeñ do budowy studzienek. Domieszki uszczelniaj¹ce nie s¹ niezbêdnym sk³adnikiem betonu hydrotechnicznego oraz betonu do budowy studzienek. Studzienka jest integraln¹ czêœci¹ przewodu kanalizacyjnego i ta sama norma okreœla warunki odbioru technicznego obu elementów ca³ego systemu [194]. Dlatego te¿ studzienki powinny byæ wykonane z betonu spe³niaj¹cego wymagania dla przewodów kanalizacyjnych betonowych, okreœlone w rozdzia³ach 2.4.1.1 i 2.4.2.1. Zapewnienie ca³kowitej szczelnoœci studzienki murowanej jest trudne i rozwi¹zania takie powinny byæ stosowane tylko w uzasadnionych przypadkach, np. z³o¿ony kszta³t b¹dŸ koniecznoœæ wymiany uszkodzonej studzienki na now¹ na kanale murowanym z ceg³y. Do murowania studzienek mo¿na stosowaæ nie tylko ceg³ê kanalizacyjn¹, ale tak¿e klinkierow¹. W ka¿dym przypadku nale¿y u¿ywaæ zaprawê spe³niaj¹c¹ wymagania okreœlone w rozdziale 2.2.1 Minimalne wymiary w planie studzienek o ko³owym przekroju wed³ug normy [194] zestawiono w tabeli 6.2.1

340

6. Studzienki kanalizacyjne Tabela 6.2.1. Minimalne œrednice studzienek rewizyjnych

Œrednica wewnêtrzna przewodu odprowadzaj¹cego [m]

Minimalna œrednica wewnêtrzna studzienki [m] Przelotowej

Po³¹czeniowej lub rozga³êŸnej

Kaskadowej (spadowej)

≤ 0,30

1,20

1,20

1,20

0,40

1,20

1,40

1,20

0,50

1,40

1,40

1,40

0,60

1,40

1,40

1,40

0,80

1,60

1,60

1,60

Za zgod¹ u¿ytkownika dopuszcza siê zmniejszenie œrednicy studzienki do 1,0 m. Minimalne wymiary studzienek prostok¹tnych lub wielok¹tnych powinny byæ takie, aby wymiary jednego ze spoczników w komorze roboczej wynosi³y co najmniej 0,5 × 0,25 m. Spoczniki powinny byæ nachylone w kierunku kinety ze spadkiem nie mniejszym ni¿ 5%. Poszczególne elementy studzienek zgodnie z norm¹ [194] powinny spe³niaæ nastêpuj¹ce podstawowe wymagania: • œrednica kominów w³azowych studzienek o g³êbokoœci powy¿ej 3,0 m nie mo¿e byæ mniejsza od 0,8 m, • wysokoœæ komory roboczej powinna byæ nie mniejsza ni¿ 2,0 m, w uzasadnionych przypadkach dopuszcza siê zmniejszenie tej wysokoœci, • w³azy kana³owe powinny mieæ œrednicê nie mniejsz¹ ni¿ 600 mm, • stopnie z³azowe powinny byæ zamocowane mijankowo w dwóch rzêdach, w odleg³oœciach pionowych 0,25 lub 0,30 m i w odleg³oœci poziomej osi stopni 0,30 m. Zamiast stopni mo¿na zastosowaæ trwale zamocowane drabiny o szerokoœci 0,30 lub 0,40 m i odleg³oœciach pionowych szczebli 0,30 m. Trwa³oœæ stopni z³azowych ¿eliwnych w przypadku kolektorów sanitarnych i ogólnosp³awnych jest ograniczona. Dla takich kolektorów powinno siê stosowaæ stopnie ze stali nierdzewnej lub pokryte tworzywem sztucznym. Do osadzania stopni nale¿y u¿ywaæ zaprawy PCC o podwy¿szonej odpornoœci na korozjê siarczanow¹. Zaprawa PCC charakteryzuje siê bardzo szybkimi przyrostami wytrzyma³oœci, jest praktycznie bezskurczowa oraz ma znacznie wiêksz¹ szczelnoœæ ni¿ zwyk³a zaprawa cementowa. W zakresie zabezpieczeñ antykorozyjnych studzienek normy [189, 194] zalecaj¹: dla œcian zewnêtrznych – izolacjê bitumiczn¹ do wysokoœci 0,5 m ponad poziom wody gruntowej, dla œcian wewnêtrznych natomiast nie precyzuj¹ rodzaju materia³u izolacyjnego, zalecaj¹c stosowanie izolacji do wysokoœci 0,5 m ponad przewidywany poziom podpiêtrzenia œcieków. Na podstawie w³asnych doœwiadczeñ autorzy uwa¿aj¹, ¿e takie rozwi¹zanie jest niew³aœciwe. Dla studzienek w przewodach kanalizacji deszczowej wykonanych z betonu spe³niaj¹cego wymagania omówione w rozdz.2.4.2.1 stosowanie izolacji antykorozyjnych jest zbêdne. Tylko w przypadku szczególnie agresywnych wód gruntowych konieczne s¹ izolacje œcian zewnêtrznych na ca³ej wysokoœci studzien-

6.2. Wymagania

341

ki, a nie – jak zaleca norma – tylko do pewnej wysokoœci. Izolacje antykorozyjne mog¹ byæ wykonane nie tylko z materia³ów bitumicznych, ale tak¿e z materia³ów bitumicznych modyfikowanych tworzywami sztucznymi lub materia³ów na bazie tworzyw sztucznych. W przypadku studzienek zlokalizowanych na przewodach kanalizacji sanitarnej i ogólnosp³awnej w przeciêtnych warunkach eksploatacji dla przewodów o spadku umo¿liwiaj¹cym dobre samooczyszczanie siê wystarczy wykonanie studzienek z betonu spe³niaj¹cego wymagania ochrony materia³owo-strukturalnej dla korozji siarczanowej (porównaj rozdz. 2.4.1.1 i 2.4.2.1). Jeœli stosuje siê beton zwyk³y nawet najwy¿szej jakoœci w przypadku podwy¿szonej agresywnoœci œcieków lub agresywnych gazów (siarkowodór) powstaj¹cych w przewodach o ma³ym spadku, dla których okresowo mo¿e dochodziæ do zagniwania osadów, to konieczne jest wykonanie izolacji antykorozyjnej na ca³ej wewnêtrznej powierzchni studzienki. Izolacjê mo¿na wykonaæ z materia³u bitumicznego modyfikowanego tworzywem sztucznym lub materia³u na bazie tworzyw sztucznych. Najczêœciej stosuje siê materia³y bitumiczno-epoksydowe oraz epoksydowe, które charakteryzuj¹ siê bardzo dobr¹ przyczepnoœci¹ do betonu i du¿¹ odpornoœci¹ chemiczn¹. Przyczepnoœæ do betonu pow³ok z tych materia³ów jest wy¿sza od 1,5 MPa – takie wymagania przyjmuje siê w wytycznych obowi¹zuj¹cych w wielu krajach. Pow³oki ze zwyk³ych materia³ów bitumicznych w postaci lepików asfaltowych maj¹ znacznie mniejsz¹ przyczepnoœæ do betonu, co istotnie obni¿a ich trwa³oœæ. Izolacjê nale¿y wykonaæ œciœle przestrzegaj¹c zaleceñ producenta materia³u w zakresie minimalnego jego zu¿ycia. W ka¿dym przypadku nale¿y stosowaæ minimum dwie warstwy izolacyjne, a w kolektorach, w których mo¿e dochodziæ do zagniwania œcieków – minimum trzy warstwy. Izolacja antykorozyjna w kinecie powinna ponadto charakteryzowaæ siê wysok¹ odpornoœci¹ na œcieranie, zw³aszcza w przewodach o du¿ym spadku. Wymagania takie spe³nia ok³adzina klinkierowa lub ok³adzina z tworzyw sztucznych. Izolacja pow³okowa kinety powinna byæ wykonana z trzech warstw: • materia³u izolacyjnego naniesionego pêdzlem lub metod¹ natrysku, • posypki z wysuszonego piasku kwarcowego o uziarnieniu do 0,5 mm, naniesiona na lepk¹ warstwê izolacyjn¹, • materia³u izolacyjnego naniesionego na oczyszczone z niezwi¹zanego piasku pod³o¿e. Od góry studzienka powinna mieæ w³az kana³owy o œrednicy nie mniejszej od 600 mm, zamkniêty pokryw¹. W zale¿noœci od miejsca wbudowania studzienki dobiera siê pokrywy dla danej klasy obci¹¿enia komunikacyjnego. Stosuje siê ró¿ne rozwi¹zania materia³owe pokryw, najczêœciej z ¿eliwa, rzadziej z ¿eliwa z wype³nieniem betonem lub z ¿elbetu. W zale¿noœci od potrzeb studzienka od góry mo¿e byæ zamkniêta jednym z poni¿szych typów pokryw: • pokrywa z ryglem zabezpieczaj¹cym przed kradzie¿¹, • pokrywa z wk³adk¹ uszczelniaj¹c¹ przed wtargniêciem wody, • pokrywa z wentylacj¹ lub bez wentylacji, • pokrywa z kieszeniami na osady, • pokrywa wodoszczelna z zabezpieczeniem przed cofk¹.

342

6. Studzienki kanalizacyjne

Rys. 6.2.1. W³az z ryglem zabezpieczaj¹cym przed kradzie¿¹, produkcji firmy St¹porków Meier: 1 – rygiel, 2 – wyciêcie w ramie, 3 – œruba doci¹gaj¹ca

Rys. 6.2.2. W³az klasy D produkcji firmy St¹porków Meier: 1 –wentylacja, 2 – wk³adka gumowa St¹popren, 3 – kieszenie na osadnik

Przyk³ady rozwi¹zañ konstrukcyjnych w³azów ilustruj¹ rysunki 6.2.1 oraz 6.2.2. Studzienki powinny byæ projektowane zawsze na za³amaniach trasy w planie i w miejscu ³¹czenia przewodów oraz na ich prostych odcinkach. Rozstaw studzienek nie jest jednoznacznie okreœlony norm¹. W normie [189] zaleca siê przyjmowanie maksymalnego rozstawu studzienek na trasie kana³u prze³azowego nie wiêkszego ni¿ 100–120 m. Na wielu istniej¹cych sieciach stosowano maksymalne rozstawy studzienek uzale¿nione od œrednicy przewodu wed³ug tabeli 6.2.2 [246]. Niektóre przedsiêbiorstwa krajowe wprowadzi³y w³asne ograniczenia w zakresie maksymalnej odleg³oœci studzienek rewizyjnych, zmniejszaj¹c tê odleg³oœæ nawet do 50 m [216].

6.3. Rozwi¹zania materia³owe studzienek kanalizacyjnych

343

Tabela 6.2.2. Maksymalne rozstawy studzienek rewizyjnych Œrednica przewodu [mm]

Maksymalna odleg³oœæ studzienek [m]

200–250

50–60

300–350

55–70

400–450

60–70

500–600

65–80

600–1500

70–90

>1500

100–150

6.3. Rozwi¹zania materia³owe studzienek kanalizacyjnych Obecnie na rynku dostêpne s¹ studzienki oferowane przez bardzo wielu producentów z nastêpuj¹cych materia³ów konstrukcyjnych: • beton, • ¿elbet, • polimerobeton, • kompozyty (¿ywice poliestrowe wzmacniane w³óknem szklanym – GRP), • tworzywa sztuczne (PEHD, PP, PCW), • kamionka. Stosowane s¹ tak¿e rozwi¹zania ³¹czone. Dotyczy to zw³aszcza kinety. Chc¹c zwiêkszyæ trwa³oœæ tego elementu, w przypadku studzienek betonowych i ¿elbetowych, niektórzy producenci wykonuj¹ wyk³adzinê z p³ytek klinkierowych b¹dŸ z kompozytów (GRP). Poni¿ej przedstawiono przyk³ady rozwi¹zañ konstrukcyjnych studzienek z ró¿nych materia³ów. Przyk³ad typowej betonowej studzienki po³¹czeniowej produkowanej z betonu spe³niaj¹cego wymagania FBS (patrz. rozdz.2.4.2.1) ilustruje rys. 6.3.1. W przypadku z³o¿onej sytuacji w planie projektuje siê indywidualne komory po³¹czeniowe, realizowane jako monolityczne lub wykonywane w wytwórni. Realizacja komory w wytwórni umo¿liwia uzyskanie wy¿szej jakoœci betonu oraz osadzenie uszczelek zapewniaj¹cych pe³n¹ szczelnoœæ. Przyk³ad z³o¿onej komory zaprojektowanej indywidualnie i zrealizowanej w wytwórni ilustruje rys. 6.3.2. Komora ta zosta³a wykonana z betonu spe³niaj¹cego wymagania FBS omówione w rozdz. 2.4.2.1, co zapewnia szczelnoœæ i wysok¹ trwa³oœæ betonu. Jest ona wyposa¿ona w zintegrowane elastomerowe uszczelki, gwarantuj¹ce szczelnoœæ po³¹czenia z przewodem. Realizacja grawitacyjnych przewodów kanalizacyjnych w terenie o znacznym spadku wymaga stosowania studzienek kaskadowych (spadowych) – rys. 6.3.3. Przyk³adowe rozwi¹zanie konstrukcyjne studzienki z polimerobetonu przedstawiono na rys. 6.3.4. Polimerobeton jest tworzywem o bardzo dobrych parametrach wytrzy-

344

6. Studzienki kanalizacyjne

250 500 1000

320 620

60 90 120

60 90 120

Ø 625

5%

150

5%

Ø 1000 Ø 1300

150 650 750 950

250 500 1000

120

150

Rys. 6.3.1. Betonowa studzienka kanalizacyjna produkowana przez firmê BS ze Stargardu Szczeciñskiego

ma³oœciowych i wysokiej odpornoœci chemicznej. Studzienka z tego materia³u nie wymaga ¿adnych izolacji chemoodpornych ani wyk³adzin w kinecie. Rozwi¹zania konstrukcyjne studzienki teleskopowej z tworzywa sztucznego przedstawiono na rys. 6.3.5, a z kamionki na rys. 6.3.6. Konstrukcje studzienki z ¿ywic poliestrowych wzmacnianych w³óknem szklanym (GRP) ilustruje rys. 6.3.7.

6.3. Rozwi¹zania materia³owe studzienek kanalizacyjnych

345

2865

2046

° 87

° 90

1676

59 4240

60

48

96 °

26

° 95

200

2350

° 98

98 °

82 °

158°

3994

Rys. 6.3.2. ¯elbetowa komora po³¹czeniowa wykonana przez firmê Steinrisse

Gruboœci œcian studzienek oraz ich parametry wytrzyma³oœciowe, szczególnie w przypadku nietypowych warunków lokalnych, dobiera siê na podstawie obliczeñ statyczno-wytrzyma³oœciowych.

H ≤ 8,0 m

P

h N F Ø 1,20 m Rys. 6.3.3. Typowa studzienka kaskadowa

346

60 80 100

6. Studzienki kanalizacyjne

600

625

3000

rura stud ni: 1000 x 3000, 1200 x 3000, 1500 x 3000.

3000

h

zwê ¿ka : 1000 x 625.

hu

d no stud ni : 1000 x 840, 1200 x 840; 1200 x 1250, 1500 x 1350.

200

30

1160

40

50

Rys. 6.3.4. Przyk³adowe rozwi¹zanie konstrukcyjne studzienki z polimerobetonu, produkowanej przez firmê Espebepe Betonstal

Rys. 6.3 5. Przyk³adowe rozwi¹zanie konstrukcyjne teleskopowej studzienki z tworzywa sztucznego, produkcji firmy Mabo Turlen

6.4. Po³¹czenia 6.4.1. Po³¹czenia elementów studzienek kanalizacyjnych Norma [194] dopuszcza ³¹czenie krêgów na zaprawê cementow¹. Zdaniem autorów rozwi¹zanie takie nie zapewnienia szczelnoœci po³¹czenia i powinno byæ stosowane w wyj¹tkowych sytuacjach, np. w kanalizacji deszczowej, tam gdzie kana³ u³o¿ony jest powy¿ej poziomu zwierciad³a wody gruntowej i ewentualna eksfiltracja jest ograniczona do minimum. Niektóre przedsiêbiorstwa wodoci¹gów i kanalizacji w kraju s³usznie wprowadzi³y dla nowo projektowanych sieci obowi¹zek stosowania wy³¹cznie studzienek z elementów ³¹czonych na uszczelki [250]. Szczelnoœæ po³¹czeñ mog¹ zapewniæ w takim przypadku uszczelki elastyczne. Stosowanie ich wymaga jednak wysokiego poziomu wykonawstwa prefabrykatów (dok³adnoœæ wymiarów). Z zasady w uszczelki elastomerowe wyposa¿one s¹ z³¹cza studzienek z polimerobetonu, kamionki

6.4. Po³¹czenia

Rys. 6.3.6. Przyk³adowe rozwi¹zanie konstrukcyjne rewizyjnej studzienki z kamionki, produkcji firmy Keramo Steinzeug

Rys. 6.3.7. Rozwi¹zanie konstrukcyjne studzienki z ¿ywic poliestrowych wzmacnianych w³óknem szklanym, produkcji firmy HOBAS

347

348

6. Studzienki kanalizacyjne

a)

b)

c)

Rys. 6.4.1. Schemat typowych po³¹czeñ elementów studzienki betonowej z zastosowaniem uszczelki elastomerowej: a) uszczelka elastomerowa, b) elastomerowy lub inny materia³ uszczelniaj¹cy, c) elastomerowy lub inny materia³ uszczelniaj¹cy

oraz tworzyw sztucznych. Tak¿e uznani producenci studzienek ¿elbetowych stosuj¹ takie uszczelki w swoich wyrobach, gdy¿ precyzja wykonania styków jest w tych przypadkach wystarczaj¹ca. Schemat typowych po³¹czeñ elementów studzienki betonowej z zastosowaniem uszczelki elastomerowej przedstawiono na rys. 6.4.1. Studzienki z ¿ywic poliestrowych wzmacnianych w³óknem szklanym (GRP) produkowane s¹ jako monolit, a wystêpuj¹ce w nich po³¹czenia s¹ laminowane, co zapewnia ca³kowit¹ szczelnoœæ.

6.4.2. Po³¹czenia studzienek z przewodami kanalizacyjnymi W przypadku studzienek betonowych i ¿elbetowych uznani producenci stosuj¹ dwa systemy po³¹czeñ. Pierwszy polega na wykonaniu pe³nej studzienki, a nastêpnie na nawierceniu w niej otworów o œrednicach dostosowanych do œrednicy przewodu, rozmieszczonych zgodnie z ¿yczeniem zamawiaj¹cego. W otworach tych osadzane s¹ króæce po³¹czeniowe dla przy³¹czy kanalizacyjnych, wykonanych we wszystkich dostêpnych rozwi¹zaniach materia³owych. Osadzanie króæców polega na ich wklejaniu przy u¿yciu ¿ywicy epoksydowej. Producent zapewnia dok³adnoœæ wymiarow¹ wykonywanych otworów do 1,0 mm, a dok³adnoœæ ich rozmieszczenia na obwodzie studzienki do 0,5°. Drugi system ³¹czenia studzienek z przewodami kanalizacyjnymi polega na wykonywaniu otworów, ju¿ na etapie produkcji prefabrykatu. W tym przypadku w œciance studzienki osadzane s¹ pierœcienie uszczelniaj¹ce dostosowane do œrednicy zewnêtrznej oraz materia³u konstrukcyjnego przewodu kanalizacyjnego. Inne po³¹czenia, np. pole-

6.5. Badania

349

gaj¹ce na wykuciu w œciance studzienki otworu w trakcie monta¿u przewodu nie zapewniaj¹ szczelnoœci i nie powinny byæ stosowane. Wa¿nym elementem po³¹czenia studzienek z przewodami s¹ króæce. S¹ to krótkie rury o d³ugoœci nie przekraczaj¹cej 1,0 m. Takie w³aœnie króæce, a nie rury o standardowej d³ugoœci, powinny ³¹czyæ siê ze studzienkami. Zastosowanie króæców niezale¿nie od przyjêtego rozwi¹zania materia³owego znacznie zwiêksza odpornoœæ po³¹czenia na ewentualn¹ nierównomiernoœæ osiadañ samej studzienki oraz przewodu kanalizacyjnego. Nierównomiernoœæ osiadañ jest trudna do unikniêcia i wynika zwykle z ró¿nicy obci¹¿eñ dzia³aj¹cych na te dwa elementy konstrukcyjne.

6.5. Badania Norma polska [194] przewiduje odbiory techniczne czêœciowe i koñcowe. Odbiór czêœciowy ma na celu sprawdzenie jakoœci i efektów robót zwi¹zanych z wykonaniem studzienek kanalizacyjnych, które po zakoñczeniu bêd¹ niewidoczne. Celem odbioru koñcowego jest przekazanie do eksploatacji przewodu kanalizacyjnego, ³¹cznie ze studzienkami, po zakoñczeniu budowy. Podstawowym kryterium tych badañ, opisanych w rozdziale 6 normy [194], jest szczelnoœæ. Projekt polskiej normy [211] przewiduje szeroki zakres badañ laboratoryjnych studzienek betonowych, ¿elbetowych i zbrojonych w³óknami stalowymi przed ich wbudowaniem do systemu kanalizacyjnego. Program tych badañ jest nastêpuj¹cy: • badania wymiarów z³¹czy, • badania rodzaju zbrojenia i gruboœci otuliny na wyciêtej próbce, • badania rozmieszczenia zbrojenia na d³ugoœci przynajmniej 1,0 m, • badanie gruboœci otuliny po ods³oniêciu zbrojenia, • badanie wytrzyma³oœci na zgniatanie elementów komory roboczej i krêgów studzienki, • badanie wytrzyma³oœci na pionowe obci¹¿enie elementów redukuj¹cych i elementów pokrywaj¹cych, • badanie wodoszczelnoœci, • badanie absorpcji wody, • badanie wytrzyma³oœci betonu na œciskanie, • badanie wytrzyma³oœci stopni w³azowych na obci¹¿enia pionowe i poziom¹ si³ê wyrywaj¹c¹. W badaniach wytrzyma³oœciowych studzienek przewidzianych przez projekt normy [211] rozró¿nia siê dwa przypadki obci¹¿ania elementu studzienki: si³¹ niszcz¹c¹ przy ustawieniu poziomym elementu oraz przy ustawieniu pionowym. Schemat badania si³y niszcz¹cej przy ustawieniu poziomym elementu studzienki omówiono w rozdziale 5.2.9. Na podstawie tych badañ mo¿na oceniæ zdolnoœæ studzienki do przenoszenia obci¹¿eñ wywo³anych parciem bocznym gruntu. Zdolnoœæ studzienki do przenoszenia obci¹¿eñ wywo³anych obci¹¿eniami komunikacyjnymi – nacisk ko³a pojazdu na pokrywê w³azu studzienki – ocenia siê natomiast na podstawie badania si³y niszcz¹cej przy ustawieniu pionowym. Schemat takiego badania przedstawiono na rys. 6.5.1.

350

6. Studzienki kanalizacyjne

P

h/2

P

h/2

b la c ha blachaj¹ c a um o ¿liwia umo¿liwiaj¹ca p rze suwa nie przesuwanie lublub usuwa nie usuwanie podpory p o d p o ry

h

25 mm

P

Rys. 6.5.1. Schemat badania si³y niszcz¹cej przy ustawieniu pionowym elementu studzienki

6.6. Inne obiekty na sieci Sieci kanalizacyjne mog¹ byæ wyposa¿one w wiele innych obiektów i urz¹dzeñ, do których zalicza siê: • zbiorniki retencyjne, • wpusty uliczne, • zsypy œniegowe, • wyloty i zamkniêcia, • zastawki i zasuwy, • p³uczki, • urz¹dzenia do przewietrzania. Zbiorniki retencyjne projektuje siê na sieciach ogólnosp³awnych i kana³ach deszczowych. Zbiorniki te pozwalaj¹ bardzo skutecznie zmniejszyæ niezbêdny przekrój przewodu, co mo¿e znacz¹co obni¿yæ koszty realizacji inwestycji. Ponadto œcieki z tych zbiorników (tylko nieznacznie zanieczyszczone) mog¹ byæ wykorzystane do zmywania ulic i nawadniania terenów zielonych. Wa¿nym elementem sieci s¹ urz¹dzenia do przewietrzania. Wietrzenie kana³ów ma na celu zmniejszenie zagro¿enia korozyjnego, umo¿liwienie bezpiecznej obs³ugi i zapobie¿enie ewentualnemu wybuchowi kumuluj¹cych siê w kanale gazów. Wietrzenie kana³ów nastêpuje poprzez otwory w pokrywach w³azowych, specjalne wywietrzniki, wpusty uliczne oraz przy³¹cza domowe. Bardzo skutecznie dzia³aj¹ tak¿e rury spustowe kanalizacji domowej, wyprowadzone ponad dach budynku.

7. Zagro¿enia korozyjne w kana³ach œciekowych 7.1. Przewody betonowe i murowane 7.1.1. Rodzaje zagro¿eñ Materia³y konstrukcyjne kolektora s¹ nara¿one na liczne destrukcyjne oddzia³ywania, zarówno od strony zewnêtrznej (wody gruntowe), jak i wewnêtrznej (œcieki). Wody gruntowe mog¹ wykazywaæ w stosunku do betonu i zaprawy agresywnoœæ ³uguj¹c¹ i wêglanow¹. Agresywnoœæ ³uguj¹ca polega na rozpuszczaniu i wymywaniu z betonu lub zaprawy wodorotlenku wapniowego, a w mniejszym stopniu tak¿e innych sk³adników stwardnia³ego zaczynu cementowego. Nieco bardziej z³o¿ony charakter ma agresywnoœæ wêglanowa. W pierwszej fazie pod wp³ywem zawartego w wodzie CO2 wodorotlenek wapnia przechodzi w wêglan wapnia, a w dalszej fazie – w bardzo ³atwo rozpuszczalny kwaœny wêglan wapnia. W wyniku ³ugowania wodorotlenku wapnia lub rozpuszczania kwaœnego wêglanu wapnia nastêpuje os³abienie struktury betonu lub zaprawy oraz wzrost jej porowatoœci. Proces ³ugowania zachodzi intensywnie w przypadku wód miêkkich (np. wody deszczowe), a agresja wêglanowa jest przyspieszona, gdy wody zawieraj¹ wolny dwutlenek wêgla lub sole kwasu wêglowego. £ugowanie jest procesem dyfuzyjnym, szczególnie istotny jest wiêc sposób oddzia³ywania œrodowiska, wp³ywaj¹cy na szybkoœæ rozpuszczania i wymywania sk³adników. Proces ³ugowania jest znacznie przyspieszony w przypadku jednostronnego parcia wody, na przyk³ad gdy przewody s¹ zag³êbione poni¿ej poziomu wody gruntowej. Ponadto wody gruntowe mog¹ wywo³ywaæ agresywnoœæ kwasow¹ (w wodzie gruntowej mog¹ byæ rozpuszczone kwasy humusowe, kwasy nieorganiczne oraz sole silnych kwasów, np. siarkowego, który dostaje siê tam w postaci kwaœnych deszczy). Œcieki bytowe s¹ wodami silnie zanieczyszczonymi o wskaŸniku pH zbli¿onym do obojêtnego lub lekko zasadowego. W wodach tych znajduj¹ siê zawsze pewne iloœci chlorków, wêglanu sodowego, detergentów oraz du¿a iloœæ substancji organicznych. Agresywnoœæ œcieków bytowych w stosunku do betonu nie jest zbyt du¿a. W kolektorach mog¹ jednak odk³adaæ siê osady z du¿¹ zawartoœci¹ czêœci organicznych, mog¹ tak¿e zachodziæ procesy gnilne, w wyniku których powstaje siarkowodór i dwutlenek wêgla. Bakterie z rodzaju Thiobacillus thiooxidans wykorzystuj¹ jako Ÿród³o siarki poœrednio siarkowodór. Siarkowodór ulega w œrodowisku kolektora utlenieniu do siarki, która odk³ada siê na powierzchni przewodu. Bakterie z rodzaju Thiobacillus utleniaj¹ siarkê do kwasu siarkowego. Kwas siarkowy atakuje wodorotlenek wapnia, a w wyniku tej reakcji po-

352

7. Zagro¿enia korozyjne w kana³ach œciekowych

wstaje siarczan wapnia (gips). Powstaj¹cy gips krystalizuje z dwoma cz¹steczkami wody, zwiêkszaj¹c przy tym swoj¹ objêtoœæ o 130%. Gips mo¿e ³¹czyæ siê z glinianem trójwapniowym tworz¹c sól Candlota, która krystalizuje ze zwiêkszeniem objêtoœci o 227%. Krystalizuj¹cy gips i sól Candlota wywo³uj¹ wewnêtrzne naprê¿enia, powoduj¹ce w pierwszej fazie rysy i pêkniêcia, a nastêpnie ca³kowite zniszczenie struktury betonu. Ciœnienie krystalizacyjne przy przejœciu CaSO4 w CaSO4·2H2O wynosi oko³o 110 MPa (wytrzyma³oœæ betonu na rozci¹ganie jest mniejsza od 2,5 MPa) [75, 158]. Korozja siarczanowa mo¿e przebiegaæ bardzo szybko. Œcieki zawsze zawieraj¹ pewne iloœci chlorków. Transport chlorków ze œcieków do betonowej otuliny zbrojenia mo¿e prowadziæ do depasywacji powierzchni zbrojenia. Korozja rozpoczyna siê w momencie, gdy stê¿enie jonów Cl– przy powierzchni zbrojenia osi¹gnie wartoœæ krytyczn¹. Nie ustalono jednoznacznie tej wartoœci; najczêœciej przyjmuje siê 0,4%. Krytyczna zawartoœæ chlorków zale¿y jednak w du¿ym stopniu od wskaŸnika pH betonu. Zmiana pH z wartoœci 12 (nieskorodowany, œwie¿y beton) do wartoœci pH = 11 powoduje dziesiêciokrotne zmniejszenie krytycznej zawartoœci chlorków [67, 233]. Dwutlenek wêgla powoduje karbonizacjê zaczynu cementowego (silnie zasadowy wodorotlenek wapnia zawarty w zaczynie przechodzi w obojêtny wêglan wapnia), co obni¿a pH. Karbonizacja wp³ywa korzystnie na szczelnoœæ i wytrzyma³oœæ betonu, jednak jest niebezpieczna dla konstrukcji ¿elbetowych. Otulina chroni skutecznie stal zbrojeniow¹, gdy wskaŸnik pH betonu jest wiêkszy od 9,5. Dodaæ nale¿y, ¿e tempo karbonizacji betonu zawilgoconego, z jakim mamy do czynienia w przewodach kanalizacyjnych jest znacznie ni¿sze ni¿ dla betonu suchego. Tempo korozji betonu zale¿y przede wszystkim od jego jakoœci (porowatoœæ, szczelnoœæ), rodzaju u¿ytego cementu, stanu zarysowañ i stê¿enia siarczanów. Rysy u³atwiaj¹ koncentracjê substancji agresywnych i ich wnikanie w g³¹b konstrukcji. Wnikanie substancji agresywnych u³atwiaj¹ tak¿e zawarte w œciekach detergenty, które istotnie poprawiaj¹ zwil¿alnoœæ powierzchni. Œcieki zawieraj¹ zwykle pewne iloœci piasku, który wleczony mo¿e powodowaæ mechaniczne uszkodzenia kinety przewodu.

7.1.2. Podstawowe wymagania w zakresie ochrony przed korozj¹ Podstawowym czynnikiem destrukcyjnym dla przewodów kanalizacyjnych s¹ woda i œcieki. Stopnie agresywnoœci wody zgodnie z [169] zestawiono w tabeli 7.1.1. Stopnie agresywnoœci œrodowiska okreœlono w odniesieniu do betonu zwyk³ego B15 (przyjêtego jako beton modelowy), wykonanego z cementu portlandzkiego nieodpornego na dzia³anie siarczanów. W tabeli 7.1.2 zestawiono œrednie stê¿enia charakterystycznych zwi¹zków chemicznych zawartych w œciekach komunalnych, maj¹cych wp³yw na przebieg korozji oraz wartoœci dopuszczalne dla rur betonowych i ¿elbetowych, spe³niaj¹cych wymagania FBS. Badania w³asne autorów wskazuj¹, ¿e wskaŸnik pH dla przefermentowanych osadów pobranych z przewodów kanalizacyjnych we Wroc³awiu mo¿e nawet osi¹gaæ wartoœæ oko³o 2,5. Zawartoœæ siarczanów mo¿e przekraczaæ 1,6%, a zawartoœæ chlorków

353

7.1. Przewody betonowe i murowane Tabela 7.1.1. Stopnie agresywnoœci wody gruntowej Rodzaj agresywnoœci

WskaŸnik Jednostka agresymiary wnoœci

£uguj¹ca

Tw

°niem.

Kwasowa

H1+

pH

Wêglanowa

aCO2

Magnezowa

Mg2+

Amonowa

NH41+

Siarczanowa

SO42–

mg/l

Stopieñ agresywnoœci wody la (lekki) la1

la2

ma (œredni)

ha (silny)

6 > Tw ≥ 3

Tw < 3

–

– pH < 4,5

7 > pH ≥ 6,5

6,5 > pH ≥ 5

5 > pH ≥ 4,5

5 > aCO2 ≤ 10

10 < aCO2 ≤ 40

aCO2 > 40

–

Mg2+ > 2000

–

150 < Mg2+ ≤ 1000 1000 < Mg2+ ≤ 2000 10 < NH ≤ 100

100 < NH≤ 500

NH > 500

250 < SO42– ≤ 350 350 < SO42– ≤ 500 500 < SO42– ≤ 1000

– SO42– > 1000

Tabela 7.1.2. Œrednie stê¿enia zwi¹zków chemicznych w œciekach Analizowany czynnik pH Wêglany

Œrednie stê¿enia w œciekach komunalnych

Wartoœci dopuszczalne dla rur spe³niaj¹cych wymagania FBS

6,5–10

≥ 4,5

< 15 mg/l

≤ 40 mg/l

Azotany

< 100 mg/l

≤ 200 mg/l

Magnez

< 100 mg/l

≤ 1000 mg/l

Chlorki

< 250 mg/l

≤ 3000 mg/l

Siarczany

< 250 mg/l

≤ 600 mg/l* ≤ 3000 mg/l**

*

Z zastosowaniem cementu zwyk³ego. Z zastosowaniem cementu HS o podwy¿szonej odpornoœci na siarczany (polski odpowiednik CEM I HSR). **

1,0%. W przedmiotowym przypadku osady pobrano z kolektora o przekroju dzwonowym i wymiarach ca 3,0 × 3,5 m oraz projektowanym spadku równym 0,5‰. Badania potwierdzaj¹, ¿e wskaŸnik pH i zawartoœæ siarczanów, a wiêc agresywnoœæ œrodowiska wewn¹trz przewodów kanalizacyjnych w bardzo du¿ym stopniu zale¿y od mo¿liwoœci samooczyszczania siê kana³ów i ich wentylacji. Wszêdzie tam, gdzie z powodu ma³ego spadku mo¿e nast¹piæ okresowe zaleganie osadów i ich zagniwanie, dochodzi do znacznego obni¿enia wielkoœci wskaŸnika pH oraz powstania du¿ych iloœci siarczanów. Dodatkowym czynnikiem sprzyjaj¹cym tym procesom jest nieskuteczna wentylacja kana³ów powoduj¹ca zaleganie du¿ych iloœci siarkowodoru, przyspieszaj¹cego tempo korozji biologicznej. Fakt ten nale¿y uwzglêdniæ, dobieraj¹c zarówno minimalne spadki kanalizacji, jak te¿ rozwi¹zania materia³owe, zw³aszcza dla przewodów uk³adanych z bardzo ma³ymi spadkami. Zgodnie z norm¹ [175] wybór sposobu ochrony przed korozj¹ uzale¿niony jest od stopnia agresywnoœci œrodowiska oddzia³uj¹cego na konstrukcjê. Rodzaje ochrony przed korozj¹ zestawiono w tabeli 7.1.3.

354

7. Zagro¿enia korozyjne w kana³ach œciekowych Tabela 7.1.3. Rodzaje ochrony przed korozj¹

Stopieñ agresywnoœci œrodowiska

Rodzaj ochrony przed korozj¹

la

Ochrona materia³owo-strukturalna

ma

Ochrona materia³owo-strukturalna i powierzchniowa, ograniczaj¹ca oddzia³ywanie œrodowiska na konstrukcjê

ha

Ochrona materia³owo-strukturalna i powierzchniowa, ca³kowicie odcinaj¹ca dostêp œrodowiska do konstrukcji, wykonana wed³ug specjalnego projektu

Podstawowym zagro¿eniem korozyjnym w przewodach kanalizacyjnych s¹ siarczany. Zasady doboru cech betonu i rodzaju cementu w zale¿noœci od stopnia agresywnoœci siarczanowej œrodowiska wed³ug normy [177] zestawiono w tabeli 7.1.4. Jak wynika z tej tabeli, nie przewiduje siê wykorzystania cementów hutniczych. Obecnie produkowany cement hutniczy CEM III/B charakteryzuje siê podwy¿szon¹ odpornoœci¹ na korozjê siarczanow¹ i mo¿e byæ stosowany w tych samych przypadkach, w których u¿ywa siê cementy pucolanowe CEM IV/A i CEM IV/B. Dodaæ nale¿y, ¿e obecnie obowi¹zuj¹ca norma [197] za cement o wysokiej odpornoœci na siarczany uznaje cement CEM I o zawartoœci C3A nie wiêkszej od 3%. Tabela 7.1.4. Zasady doboru rodzaju cementu Stopieñ agresywnoœci la

Dobór cementu w zale¿noœci od wodoszczelnoœci betonu Beton o wodoszczelnoœci W4

Beton o wodoszczelnoœci W6

Beton o wodoszczelnoœci W8

CEM I o zawartoœci C3A ≤ 8%

CEM I

–

CEM I o zawartoœci C3A ≤ 8%

–

CEM IV/B CEM II B-V ma

CEM I o zawartoœci C3A ≤ 5% CEM IV/A

CEM IV/B CEM II B-V

ha

–

CEM I o zawartoœci C3A ≤ 5%

CEM I o zawartoœci C3 A ≤ 8 %

CEM IV/A

CEM IV/B

7.1.3. Sposoby ochrony przed korozj¹ Zgodnie z norm¹ [172], dla konstrukcji nara¿onych na lekki stopieñ agresywnoœci œrodowiska wystarczaj¹ca jest ochrona materia³owo-strukturalna, obejmuj¹ca: • dobór materia³ów o zwiêkszonej odpornoœci korozyjnej (patrz rozdz. 2.4.1.1 i tab. 7.1.4),

355

7.1. Przewody betonowe i murowane

• dobór dodatków zwiêkszaj¹cych odpornoœæ korozyjn¹ betonu i elementów ¿elbetowych, • kszta³towanie struktury betonu, przede wszystkim wodoszczelnoœci (patrz tab. 7.1.4). Dodatki zwiêkszaj¹ce odpornoœæ korozyjn¹ betonu maj¹ zwykle sk³ad chroniony patentem. Ich dzia³anie polega przede wszystkim na zwiêkszaniu szczelnoœci betonu. Rysunek 7.1.1 ilustruje wp³yw dodatku o nazwie Ribelith na szczelnoœæ betonu. Ochrona materia³owo-strukturalna jest zwykle wystarczaj¹ca dla konstrukcji przewodów betonowych pracuj¹cych w typowych warunkach, gdy prêdkoœæ przep³ywu œcieilo œæ p rze si¹ ka j¹ c e j wo d y (m l/m 2 )

16 14 12

Be to n ko nwe nc jo na lny

10 8 6 4 2

Be to n RIBELITH

0 0

50

100 150 200 c za s wsi¹ ka nia (g o d z.)

250

Rys. 7.1.1. Wp³yw dodatku Ribelith stosowanego przez firmê Stein Risse na przesi¹kliwoœæ betonu

ków zapewnia samooczyszczanie, a przewód jest skutecznie wentylowany. Do ochrony powierzchniowej przy œredniej agresywnoœci œrodowiska zgodnie z [172] nale¿y stosowaæ, poza ochron¹ materia³owo-strukturaln¹, pow³oki cienkowarstwowe (nak³adane metodami malarskimi), a dla wysokiej agresywnoœci, poza ochron¹ materia³owo-strukturaln¹, pow³oki grubowarstwowe, pow³oki zbrojone (laminaty) oraz wyk³adziny i wymurówki. Pow³oki cienkowarstwowe wykonuje siê najczêœciej z nastêpuj¹cych materia³ów: • lepik na gor¹co lub zimno, • ¿ywica epoksydowa, • masy bitumiczne modyfikowane tworzywami sztucznymi. Pod³o¿e betonowe dla izolacji z lepiku powinno byæ czyste i suche, jego wilgotnoœæ w zasadzie nie powinna przekraczaæ 4%. Dla izolacji z lepiku takie pod³o¿e nale¿y najpierw zagruntowaæ emulsj¹ lub roztworem asfaltowym. Aby uzyskaæ odpowiedni¹ trwa³oœæ izolacji wewnêtrznej, nale¿y na³o¿yæ trzy warstwy materia³u izolacyjnego. Dla izolacji zewnêtrznej nak³ada siê zwykle dwie warstwy; tylko w przypadku wód gruntowych o podwy¿szonej agresywnoœci w stosunku do betonu konieczne okazaæ siê mo¿e na³o¿enie trzech warstw lepiku. Prawid³owo wykonane pow³oki z lepiku maj¹

356

7. Zagro¿enia korozyjne w kana³ach œciekowych

du¿¹ odpornoœæ na agresjê chemiczn¹, lecz stosunkowo ma³¹ wytrzyma³oœæ mechaniczn¹, dlatego te¿ obecnie ich stosowanie jest ograniczone do izolacji zewnêtrznych. W przypadku stosowania betonu spe³niaj¹cego wymagania ochrony materia³owo-strukturalnej izolacje zewnêtrzne cienkowarstwowe potrzebne s¹ tylko wtedy, gdy œrodowisko gruntowo-wodne wykazuje podwy¿szony stopieñ agresywnoœci. W tym przypadku cienkowarstwowa pow³oka z lepiku powinna byæ zabezpieczona przed uszkodzeniem w trakcie zasypywania pap¹ lub foli¹. Pow³oki z ¿ywic epoksydowych maj¹ wysok¹ odpornoœæ chemiczn¹ i mechaniczn¹. Pewn¹ ich wad¹ jest ich stosunkowo ma³a odpornoœæ na zarysowanie. Pod³o¿e betonowe przed na³o¿eniem ¿ywicy epoksydowej powinno byæ starannie oczyszczone i wysuszone, wilgotnoœæ pod³o¿a nie mo¿e przekraczaæ 4%. Wytrzyma³oœæ pod³o¿a betonowego na odrywanie dla izolacji z ¿ywicy epoksydowej nie mo¿e byæ mniejsza od 1,5 MPa. Pow³oki te mo¿na nak³adaæ tylko wtedy, gdy temperatura otoczenia i temperatura pod³o¿a betonowego jest wy¿sza od 10 °C. Ponadto temperatura pod³o¿a powinna byæ wy¿sza o oko³o 3 °C od temperatury punktu rosy. Do modyfikacji mas bitumicznych stosuje siê najczêœciej lateks oraz ¿ywicê epoksydow¹. Materia³y bitumiczno-epoksydowe charakteryzuj¹ siê du¿¹ odpornoœci¹ na korozjê, bardzo dobr¹ przyczepnoœci¹ do pod³o¿a oraz dobr¹ odpornoœci¹ na zarysowanie. Materia³y te przenosz¹ zarysowanie konstrukcji do oko³o 0,3 mm i nale¿y je nak³adaæ na dobrze oczyszczone pod³o¿e o wytrzyma³oœci na odrywanie nie mniejszej ni¿ 1,5 MPa. Wiêkszoœæ materia³ów z tej grupy mo¿e byæ nak³adana na lekko wilgotne pod³o¿e (do oko³o 7%). Pow³oki te mo¿na nak³adaæ tylko wtedy, gdy temperatura otoczenia i temperatura pod³o¿a betonowego jest wy¿sza od 10 °C. Ponadto temperatura pod³o¿a powinna byæ wy¿sza o oko³o 3 °C od temperatury punktu rosy. W strefie kinety, dla podwy¿szenia odpornoœci na œcieranie, izolacjê wykonuje siê z trzech warstw w nastêpuj¹cej kolejnoœci: • pierwsza warstwa materia³u izolacyjnego (ewentualnie z materia³u rozcieñczonego), • posypanie tej warstwy (jeszcze lepkiej) drobnym (do 0,5 mm), suchym piaskiem kwarcowym; mo¿na tak¿e na³o¿yæ materia³ izolacyjny wymieszany z takim piaskiem, • na³o¿enie trzeciej warstwy materia³u izolacyjnego po stwardnieniu poprzedniej i starannym usuniêciu niezwi¹zanego piasku. Na podstawie doœwiadczeñ z wielu obiektów na terenie Polski mo¿na uznaæ, ¿e materia³y z tej grupy stanowi¹ najlepsze rozwi¹zanie materia³owe dla izolacji antykorozyjnych kolektorów sanitarnych. Okreœlenie gruboœci pow³oki izolacyjnej na betonie jest trudne, dlatego zwykle przyjmuje siê minimalne zu¿ycie materia³u izolacyjnego na jednostkê powierzchni betonu. W ka¿dym jednak przypadku nale¿y nak³adaæ co najmniej dwie warstwy materia³u izolacyjnego. Dla œrodowiska o silnym stopniu agresywnoœci wykonuje siê najczêœciej pow³oki w postaci laminatów epoksydowo-szklanych (dla konstrukcji nara¿onych na nieznaczne zarysowanie – zazwyczaj do 0,1 mm) lub bitumiczno-epoksydowo-szklanych (dla konstrukcji nara¿onych na wiêksze zarysowanie – zwykle do 0,3 mm). Bardzo dobre

7.2. Przewody stalowe i ¿eliwne

357

wyniki w przypadku koniecznoœci wykonania izolacji dla œrodowiska o silnej agresywnoœci daje wykonanie kotwionych w konstrukcji przewodu ok³adzin z p³yt polietylenowych ³¹czonych przez spawanie. Mo¿na tak¿e wykonaæ ok³adziny z ceg³y i kszta³tek klinkierowych osadzanych na zaprawie chemoodpornej.

7.2. Przewody stalowe i ¿eliwne 7.2.1. Rodzaje zagro¿eñ korozyjnych Pierwsze wzmianki o korozji pochodz¹ ju¿ od Platona (V/IV w. p.n.e.), który definiowa³ j¹ jako ziemistoœæ wydzielaj¹c¹ siê z metalu [13]. Przed jej skutkami ludzie próbowali siê chroniæ od dawna i ju¿ w staro¿ytnoœci znano œrodki zabezpieczaj¹ce metale przed korozj¹, takie jak bitumy, pak, biel o³owian¹ i gips. Korozjê mo¿na zdefiniowaæ jako proces niszczenia (degradacji) materia³ów w wyniku reakcji chemicznych lub elektrochemicznych przebiegaj¹cych na granicy kontaktu z otaczaj¹cym je œrodowiskiem [156]. W przypadku metali korozja chemiczna zachodzi na granicy faz metal–œrodowisko i polega na reakcji b¹dŸ z suchymi gazami (np. ¿elazo lub aluminium w obecnoœci fluorowców), b¹dŸ z cieczami nie bêd¹cymi elektrolitami (np. aluminium w obecnoœci tetrachchlorku wêgla). Jedn¹ z cech charakterystycznych metali jest ich bardzo dobre przewodnictwo elektryczne i dlatego ich korozja ma najczêœciej charakter elektrochemiczny. Szacuje siê, ¿e koszty wynikaj¹ce ze strat zwi¹zanych z korozj¹ metali wraz z kosztami ochrony antykorozyjnej wynosz¹ w krajach uprzemys³owionych ok. 50–100 dolarów na jednego mieszkañca [247]. W przypadku sieci wodoci¹gowo-kanalizacyjnych z uwagi na œrodowisko, w którym siê znajduj¹ korozja ma wy³¹cznie charakter elektrochemiczny. Korozja elektrochemiczna jest procesem, któremu towarzyszy przep³yw ³adunków elektrycznych przez granicê faz metal–elektrolit (np. korozja metali w roztworach kwasów lub soli). Przep³yw ³adunków elektrycznych jest wynikiem dzia³ania mikro- lub makroogniw galwanicznych na granicy faz metal–elektrolit. Ogniwa takie tworz¹ siê na skutek niejednorodnoœci powierzchni metalu (np. niejednorodnoœæ sk³adu chemicznego, defekty strukturalne) b¹dŸ niejednorodnoœci wystêpuj¹cych w elektrolicie (np. ró¿nice w sk³adzie elektrolitu, ró¿ne stê¿enia tlenu). Powstawanie ogniw korozyjnych mo¿e byæ te¿ wywo³ane czynnikami natury fizycznej, np. na skutek ró¿nic naprê¿eñ w sieci krystalicznej metalu obrabianego na zimno. Je¿eli mo¿na rozró¿niæ oddzielne ogniwa korozyjne b¹dŸ przez wahania potencja³u elektrodowego na powierzchni metalu, b¹dŸ przez wyst¹pienie pr¹dów korozyjnych lub ró¿nych produktów reakcji korozji anodowej lub katodowej, to mówimy o wyst¹pieniu lokalnej korozji elektrochemicznej, w przeciwnym razie o ogólnej korozji elektrochemicznej, kiedy to powierzchnie pojedynczych elektrod maj¹ tak ma³e rozmiary, ¿e nie daj¹ siê zaobserwowaæ nawet pod mikroskopem (submikroogniwa). Korozja ogólna charakteryzuje siê równomiernoœci¹ objawów na ca³ej powierzchni metalu, korozja lokalna natomiast mo¿e byæ bardzo zró¿nicowana. Je¿eli jej zainicjo-

358

7. Zagro¿enia korozyjne w kana³ach œciekowych

wanie mia³o miejsce w metalu, mo¿emy wed³ug [247] wyró¿niæ jej nastêpuj¹ce rodzaje b¹dŸ objawy: • korozja w¿erowa, • korozja miêdzykrystaliczna, • korozja warstwowa, • korozja selektywna, • korozja grafityczna, • korozyjne pêkanie naprê¿eniowe. Gdy zainicjowanie procesów korozyjnych nastêpuje w œrodowisku, mo¿na wed³ug [247] wyró¿niæ wówczas: • korozjê szczelinow¹ (w wodzie), • korozjê osadow¹ (w wodzie), • korozjê na linii wodnej, • korozjê nitkow¹, • korozjê erozyjn¹, • korozjê kawitacyjn¹. Naturalnymi czynnikami prowadz¹cymi do korozji s¹ zawarte w gruncie kwasy humusowe, woda oraz tlen. Wzrost zagro¿enia korozj¹ wi¹¿e siê ze wzrastaj¹cym zanieczyszczeniem œrodowiska. W przypadku ruroci¹gów u³o¿onych pod powierzchni¹ terenu chodzi g³ównie o zanieczyszczenie wód gruntowych m.in. przez kwaœne deszcze. Ruroci¹gi stalowe i ¿eliwne s¹ zagro¿one korozyjnie tak¿e wskutek oddzia³ywania pr¹dów b³¹dz¹cych. Jest tak w przypadku u³o¿enia takich ruroci¹gów w strefie oddzia³ywania urz¹dzeñ elektrycznych np. w pobli¿u linii tramwajowych lub kolejowych o trakcji elektrycznej zasilanej pr¹dem sta³ym. Schemat takich oddzia³ywañ na ruroci¹g przedstawiono na rys. 7.2.1 [247].

1

+ 2

4 przestrzeñ t ñ kkatodowa t d

3

-

przestrzeñ t ñ anodowa d

Rys. 7.2.1. Schemat oddzia³ywañ pr¹dów b³¹dz¹cych na ruroci¹g u³o¿ony w gruncie: 1 – przewód elektryczny, 2 – tor, 3 – pod³o¿e gruntowe, 4 – ruroci¹g

7.2. Przewody stalowe i ¿eliwne

359

7.2.2 Podstawowe wymagania w zakresie ochrony przed korozj¹ Dobór œrodków ochrony przeciwkorozyjnej zale¿y od stopnia zagro¿enia korozyjnego oraz od rodzaju chronionej konstrukcji. W razie zagro¿enia pr¹dami b³¹dz¹cymi powoduj¹cymi korozjê w¿erow¹ w ka¿dym przypadku nale¿y stosowaæ pow³oki ochronne, zró¿nicowane pod wzglêdem rodzaju i jakoœci, od których zale¿y rodzaj i wielkoœæ ochrony katodowej. Ruroci¹g oraz wbudowan¹ armaturê nale¿y pokrywaæ pow³ok¹ o dostatecznie du¿ym oporze elektrycznym. Nowoczesne rozwi¹zania pow³ok izolacyjnych stosowane obecnie w produkcji rur stalowych i ¿eliwnych wymóg ten doskonale spe³niaj¹. W przypadku ruroci¹gów o zniszczonym lub niewystarczaj¹cym pokryciu nale¿y u¿ywaæ wy¿szych wartoœci pr¹du i wiêkszej iloœci instalacji ochrony katodowej. Trzeba przy tym pamiêtaæ, ¿e wy¿sze wartoœci pr¹du zwiêkszaj¹ ryzyko niebezpieczeñstwa oddzia³ywania na inne konstrukcje przebiegaj¹ce w s¹siedztwie. Dla odcinków ruroci¹gu, na którym stwierdzono bardzo wysoki lub wysoki stopieñ zagro¿enia korozyjnego, nale¿y zaprojektowaæ ochronê katodow¹ z zapewnieniem jej realizacji najpóŸniej do jednego roku od chwili oceny stopnia zagro¿enia [186]. Za³o¿enia techniczno-ekonomiczne ochrony katodowej s¹ opisane w normie [183]. Zgodnie z nimi ka¿dy projekt nowej konstrukcji przewidzianej do eksploatacji w gruncie lub w wodzie powinien mieæ czêœæ dotycz¹c¹ ochrony przed korozj¹. Decyzja o stosowaniu ochrony katodowej powinna byæ poprzedzona analiz¹ obejmuj¹c¹ ocenê techniczno-ekonomicznej zasadnoœci takiej ochrony i wskazaniem sposobu jej rozwi¹zania. Stosowanie ochrony katodowej uznaje siê za uzasadnione, je¿eli: • w sposób ekonomicznie op³acalny zapobiega powstawaniu strat wynikaj¹cych z korozji konstrukcji, • zapobiega wymiernym b¹dŸ niewymiernym stratom wynikaj¹cym z awarii powodowanych korozyjnym uszkodzeniem, a w szczególnoœci zapobiega awariom zagra¿aj¹cym bezpieczeñstwu ludzi lub œrodowisku naturalnemu, • jest tañsza lub ³atwiejsza w wykonaniu w porównaniu z innymi metodami ochrony przed korozj¹ i zawiera po¿¹dan¹ jakoœæ i trwa³oœæ zabezpieczenia konstrukcji. Wybór sposobu ochrony katodowej powinien wynikaæ z oceny: • rodzaju zagro¿enia korozyjnego, • przewidywanych wartoœci gêstoœci i natê¿enia pr¹du ochrony oraz ich zmian w czasie, • rezystywnoœci œrodowiska elektrolitycznego i zakresu jej zmian, • mo¿liwoœci nadzorowania procesu ochrony katodowej, jej regulacji, okresowych przegl¹dów i remontów, • oceny wp³ywu tej ochrony na inne instalacje i urz¹dzenia znajduj¹ce siê w pobli¿u, • analizy kosztów. Projekt ochrony katodowej zgodnie z norm¹ [184] powinien spe³niaæ postanowienia zawarte w [183] i zawieraæ plan usytuowania konstrukcji z uwzglêdnieniem:

360

7. Zagro¿enia korozyjne w kana³ach œciekowych

• zbli¿eñ i skrzy¿owañ z s¹siednimi konstrukcjami podziemnymi i napowietrznymi liniami elektroenergetycznymi o napiêciu ≥ 110 kV, • torów i punktów powrotnych trakcji elektrycznej pr¹du sta³ego, • istniej¹cego na s¹siednich konstrukcjach urz¹dzeñ drena¿u elektrycznego, • istniej¹cych na s¹siednich konstrukcjach stacji katodowych i uziomów anodowych, • rozmieszczenia ³¹czy izoluj¹cych na konstrukcjach istniej¹cych.

7.2.3. Charakterystyka œrodowisk, czynników i procesów korozyjnych Zgodnie z norm¹ [162] wyró¿nia siê nastêpuj¹ce stopnie agresywnoœci korozyjnej œrodowisk oraz ich oznaczenia symbolami literowymi: B – œrodowisko o bardzo ³agodnym dzia³aniu korozyjnym, odpowiadaj¹ce najl¿ejszym warunkom u¿ytkowania, L – œrodowisko o lekkim dzia³aniu korozyjnym, odpowiadaj¹ce lekkim warunkom u¿ytkowania, U – œrodowisko o umiarkowanym dzia³aniu korozyjnym, odpowiadaj¹ce umiarkowanym warunkom u¿ytkowania, C – œrodowisko o silnym dzia³aniu korozyjnym, odpowiadaj¹ce ciê¿kim warunkom u¿ytkowania, W – œrodowisko o bardzo silnym dzia³aniu korozyjnym, odpowiadaj¹ce wyj¹tkowo ciê¿kim warunkom u¿ytkowania. W stosunku do przewodów z rur ¿eliwnych i stalowych u³o¿onych w gruncie szczegó³owa klasyfikacja zagro¿eñ korozyjnych podana jest w normie [186]. Uwzglêdniono takie czynniki jak: • aktywnoœæ korozyjna gruntu, • pomiary potencja³ów i obecnoœci pr¹dów b³¹dz¹cych, • opornoœæ w³aœciwa gruntu. Szczegó³owe parametry klasyfikacyjne zestawiono w tabelach 7.2.1–7.2.3 wed³ug [186]. Aby okreœliæ wystêpowanie strefy anodowej lub zmienny znak na ruroci¹gu, nale¿y przeprowadziæ d³ugotrwa³y pomiar napiêcia miêdzy szyn¹ trakcji elektrycznej a grun-

Tabela 7.2.1. Klasyfikacja zagro¿enia na podstawie aktywnoœci korozyjnej gruntu Stopieñ zagro¿enia korozyjnego ruroci¹gu

Aktywnoœæ korozyjna gruntu ∆m Ist [g] [mA]

Odczyn gruntu [pH]

Niski

poni¿ej 0,4

poni¿ej 12,0

7,0–7,9

Œredni

od 0,4 do 2,0

od 12,0 do 59,0

6,0–6,9

Wysoki

od 2,0 do 4,0

od 59,0 do 118,0

5,0–5,9

Bardzo wysoki

powy¿ej 4,0

powy¿ej 118,0

≤ 5,0 ≥ 8,0

361

7.2. Przewody stalowe i ¿eliwne Tabela 7.2.2. Klasyfikacja zagro¿enia na podstawie pomiarów potencja³ów i obecnoœci pr¹dów b³¹dz¹cych Stopieñ zagro¿enia korozyjnego

Potencja³ grunt–ruroci¹g [V]

Obecnoœæ pr¹dów b³¹dz¹cych

Strefa oddzia³ywania pr¹dów b³¹dz¹cych

Niski

≤ –0,7

brak

–

Œredni

–0,69 do –0,55

stwierdzono

katodowa

Wysoki

–0,54 do 0,40

stwierdzono

zmiennego znaku

≥ –0,40

stwierdzono

anodowa

Bardzo wysoki

Tabela 7.2.3. Klasyfikacja zagro¿enia na podstawie opornoœci w³aœciwej gruntu Stopieñ zagro¿enia korozyjnego

Opornoœæ w³aœciwa gruntu [Ωm]

Niski

> 100

Œredni

100 do 20

Wysoki

20 do 10

Bardzo wysoki

< 10

tem, a jeœli to mo¿liwe, miêdzy ruroci¹giem a szyn¹ wed³ug [184] i porównaæ z tabel¹ 7.2.2. W przypadku stwierdzenia obecnoœci pr¹dów b³¹dz¹cych na odcinku ruroci¹gu, na którym wystêpuje strefa anodowa lub zmiennego znaku, przy jednoczesnym oporze w³aœciwym gruntu poni¿ej 20 Ωm, stopieñ zagro¿enia korozyjnego nale¿y oceniæ jako bardzo wysoki. Dla odcinków ruroci¹gów, gdzie (na podstawie tabel 7.2.1–7.2.3) wystêpuj¹ dwa lub wiêcej ró¿ne stopnie zagro¿enia korozyjnego, jako ostateczn¹ klasyfikacjê nale¿y przyj¹æ najwy¿szy z tych stopni. W przypadku przewodów stalowych przeznaczonych do przesy³u gazu ocenê stopnia zagro¿enia korozyjnego nale¿y przeprowadziæ wed³ug [26]. W procesach korozji elektrochemicznej zachodz¹ reakcje anodowe lub katodowe. Reakcje anodowe mog¹ zachodziæ jedynie przy potencjale bardziej dodatnim od potencja³u równowagowego, a reakcje katodowe tylko przy potencjale bardziej ujemnym od potencja³u równowagowego. Poni¿ej opisano podstawowe typy reakcji elektrochemicznych wystêpuj¹cych w procesach korozyjnych ruroci¹gów ze stali lub ¿eliwa [186]. Reakcje anodowe zwi¹zane z rozpuszczaniem Fe Fe → Fe2+ + 2e– Reakcje anodowe zwi¹zane z wydzielaniem O2 4OH– → O2 + H2O + 4e–

362

7. Zagro¿enia korozyjne w kana³ach œciekowych

Reakcje katodowe zwi¹zane z osadzaniem Fe Fe2+ → Fe – 2e– Reakcje katodowe zwi¹zane z redukcj¹ O2 O2 + 2H2O → 4OH– – 4e– Reakcje katodowe zwi¹zane z wydzielaniem H2 2H+ → H2 – 2e– Podstawowe reakcje elektrochemiczne prowadz¹ce bezpoœrednio do powstawania produktów korozji ¿elaza zawartego w stali i ¿eliwie s¹ nastêpuj¹ce [247]: Fe+ → Fe(OH)2 + 2H+ + 2e– Fe(OH)2 + H2O → Fe(OH)3 + H+ + e– Fe(OH)3 + H2O → FeO42– + 5H+ + 3e– Jednym z podstawowych rodzajów korozji jest korozja ziemna, szczegó³owo opisana w pracy [247]. Dotyczy ona przede wszystkim ruroci¹gów stalowych i ¿eliwnych u³o¿onych w gruncie. Korozyjne procesy elektrochemiczne s¹ w tym przypadku zwi¹zane z przejœciem przewodu przez warstwy gruntu o zmiennej zawartoœci wody i tlenu. Szczególnie czêsto korozja ziemna jest widoczna w strefach granicznych, gdzie gliny przechodz¹ w grunty zbudowane z wiêkszych ziaren. W takim przypadku anod¹ jest odcinek przewodu u³o¿ony w glinie, a katod¹ – odcinek u³o¿ony w piasku lub ¿wirze, gdzie jest wiêksza zawartoœæ tlenu. Mechanizm korozji ziemnej przedstawiono na rys. 7.2.2 [247]. Inna odmiana korozji ziemnej zwi¹zana jest z tworzeniem siê ogniw ró¿nego napowietrzania. Ma to miejsce w przypadku, gdy jedna czêœæ ruroci¹gu u³o¿ona jest poni¿ej poziomu wody gruntowej, a druga powy¿ej. Wed³ug [247] na g³êbokoœciach powyppoziom o zio m terenu te re nu I 1

2 3

I piasek, p ia se k,¿wir ¿wir du¿a*

d u¿a *

*zawartoϾ

glina g lina ma³a*

ma ³a *

piasek, p ia se ¿wir k, ¿wir * du¿a d u¿a *

tlenu

* za wa rto œæ tle nu Rys. 7.2.2. Mechanizm korozji ziemnej: 1 – anoda, 2 – katoda, 3 – ruroci¹g

363

7.2. Przewody stalowe i ¿eliwne

¿ej 10 m szybkoœæ korozji nie zale¿y od oporu elektrycznego gruntu, lecz najczêœciej jest uwarunkowana szybkoœci¹ dyfuzji tlenu rozpuszczonego w wodzie gruntowej i czasem dzia³aniem bakterii redukuj¹cych siarczany. Z tego powodu nawet w gruntach o ma³ym oporze elektrycznym na du¿ej g³êbokoœci jest ona z regu³y ma³a wobec ma³ego dop³ywu tlenu. Natomiast w obecnoœci bakterii redukuj¹cych siarczany korozyjnoœæ w takich warunkach mo¿e byæ du¿a. Szybkoœæ korozji górnych warstw gruntu dla pH > 6 wed³ug [247] przedstawiono w tabeli 7.2.4. W przypadku sieci wodoci¹gowych i kanalizacyjnych z rur ¿eliwnych lub stalowych niezabezpieczonych ochronnymi wyk³adzinami wewnêtrznymi (por. rozdz. 2.3 oraz 2.5) procesy korozyjne mog¹ te¿ przebiegaæ od strony wewnêtrznej. Ich mechanizm jest równie¿ natury elektrochemicznej, lecz z uwagi na rozmaitoœæ zwi¹zków chemicznych mog¹cych znajdowaæ siê w œciekach mog¹ byæ one znacznie bardziej z³o¿one. Tabela 7.2.4. Szybkoœæ korozji górnych warstw gruntu dla pH > 6 Opornoœæ gruntu R w wyci¹gu wodnym 1:1 [Ω·cm]

Zawartoœæ soli w wyci¹gu wodnym 1:1 [mg/l]

KorozyjnoϾ

Przeciêtna szybkoœæ korozji dla stali [µm/rok]

7500

b. wysoka

>100

100–1000

7500–750

wysoka

100–30

1000–10000

750–75

niska

30–4

>10000