Używamy cookies i podobnych technologii m.in. w celach: świadczenia usług, reklamy, statystyk. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień Twojej przeglądarki oznacza, że będą one umieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. Pamiętaj, że zawsze możesz zmienić te ustawienia. Szczegóły znajdziesz w Polityce Prywatności.

Wytrzymałość i trwałość betonowych elementów kanalizacji sanitarnej

16.04.2013

Podstawowe wymagania stawiane systemom odprowadzania ścieków bez względu na materiał z jakiego są wykonane, to odpowiednia trwałość, wytrzymałość i szczelność. Ich spełnienie powinno gwarantować długotrwałą, bezawaryjną eksploatację, która uchroni środowisko naturalne przed negatywnym oddziaływaniem zanieczyszczeń.

Prefabrykacja betonowych elementów stosowanych w budowie kolektorów kanalizacyjnych w ostatnich piętnastu latach stała się w Polsce procesem zaawansowanym technologicznie w stopniu pozwalającym na spełnianie wymagań określonych w normach, które już funkcjonują na terenie Unii Europejskiej, a od lipca 2013 roku staną się powszechnie obowiązujące1 również w Polsce.

Kolektory kanalizacyjne posadowione liniowo w gruncie narażone są na działanie wielu niekorzystnych czynników. Mogą to być siły wyporu nawodnionego podłoża gruntowego, zmienne siły ściskające działające osiowo i poprzecznie, agresywne chemicznie oddziaływanie gruntu i wód gruntowych oraz od wewnątrz – oparów ścieków.

Newralgicznym elementem kolektora są studzienki kanalizacyjne, zwłaszcza te zlokalizowane w pasie drogowym,które poddawane są dodatkowo nieustannym działaniom obciążeń dynamicznych w wyniku ruchu kołowego pojazdów.

 

Rys. 1 Przykładowe konstrukcje studzienek kanalizacyjnych zgodnie z PNEN 1917:2004 (źródło: BG System)

 

Istotne cechy użytkowe studzienek

Większość betonowych rozwiązań stosowanych w instalacjach sanitarnych to elementy prefabrykowane, których trwałość, wytrzymałość i szczelność w odniesieniu do studzienek, definiowane są parametrami określonymi w normie zharmonizowanej PN-EN 1917:2004 "Studzienki włazowe i niewłazowe z betonu niezbrojonego, z betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe".

- Studzienki rewizyjne są obiektami kubaturowymi, dla których podstawową funkcjonalnością w ujęciu normowym jest umożliwienie dostępu i wentylowanie systemów odwadniających i kanalizacyjnych, służących do odprowadzania ścieków, wód opadowych i wody powierzchniowej, w sposób grawitacyjny lub sporadycznie pod niskim ciśnieniem. Norma obejmuje swoim zakresem studzienki o średnicy nominalnej nie przekraczającej DN 1 250 mm dla elementów o przekroju kołowym i LN 1 250 dla elementów o przekroju prostokątnym lub eliptycznym2.

- Studzienki włazowe norma definiuje jako pionowe wodoszczelne budowle stosowane do połączeń rurociągów, zmiany kierunku i/lub poziomu, umożliwiające dostęp personelu i/lub urządzeń w celu kontroli i konserwacji oraz umożliwiające napowietrzanie i wentylację3.

Istnieje kilka dopuszczonych do użytku wariantów konstrukcyjnych studzienek, podstawowe elementy są jednak zawsze te same: prefabrykowane dennice betonowe wyposażone w zakładzie prefabrykacji w kinetę betonową, przejścia szczelne i stopnie złazowe (1), prefabrykowane betonowe kręgi fabrycznie wyposażone w stopnie złazowe łączone na uszczelki elastomerowe (2), płyta redukcyjna (3), zwężki betonowe fabrycznie wyposażone w stopnie złazowe (5) lub żelbetowa płyta przykrywowa (7) oraz pierścienie wyrównujące (6).

 

 

Rys. 2 Złącze z uszczelką elastomerową (źródło: archiwum autora)

 

Wytrzymałość konstrukcyjna studzienek

Podstawowe wymagania stawiane wyżej wymienionym elementom w normie PNEN 1917:2004 w aspekcie wytrzymałości konstrukcji studzienki to:

- wytrzymałość betonu na ściskanie nie mniejsza niż 40 MPa (beton klasy nie niższej niż C35/45),

- wytrzymałość na zgniatanie komory roboczej i elementów trzonu studzienki (kręgów) nie mniejsza niż 30 kN/m,

- wytrzymałość na pionowe obciążenie elementów przykrywających (zwężki, płyty przykrywowe) nie mniejsza niż 300 kN (30 t).

- charakterystyka geometryczna elementów i profili złącza.

Powyższe parametry definiują jednakowy poziom wytrzymałości konstrukcji studzienki zarówno betonowej, jak i żelbetowej (norma obejmuje zakresem studzienki betonowe, zbrojone włóknem stalowym i żelbetowe) i pozwalają je posadawiać na głębokość do 6 metrów. Oznacza to, studzienka betonowa zagłębiona do takiej głębokości, będąc "normowo" wytrzymała, jest rozwiązaniem wystarczającym i stosowanie zbrojenia będzie nieuzasadnionym wydatkiem.   

 

Fot. 1 Profil złącza kręgu „na uszczelkę elastomerową”

 

O ile wytrzymałość poszczególnych elementów studzienki wynika bezpośrednio z klasy betonu, z jakiego powstały, o tyle o wytrzymałości całej studzienki w dużym stopniu decydować będzie charakterystyka geometryczna jej elementów składowych i profili złączy, stosowanie odpowiednich uszczelnień oraz prawidłowy montaż.

- Odpowiednia charakterystyka geometryczna (dla studzienek o przekroju kołowym) to przede wszystkim faktycznie bezwzględna kołowość przekroju poprzecznego oraz równoległość płaszczyzn złącza górnego dennic i dolnego oraz górnego kręgów i zwężek. Zachowanie tych dwóch parametrów pozwoli na równomierne, obwodowe rozłożenie sił działających na studzienkę i eliminację naprężeń punktowych, których występowanie skutkuje powstawaniem sił rozciągających, powodujących w konsekwencji pękanie kręgów.

- Kształt profilu złącza wpływa zarówno na szczelność połączenia, jak i na możliwość "przekazania" obciążeń między kolejnymi elementami studzienki. Chodzi o to, aby wykonany z wytrzymałego na ściskanie betonu na normowym poziomie ≥40 MPa, krąg mógł bezpośrednio "oprzeć się" na tak samo wytrzymałym kręgu lub dennicy poniżej. Profilem spełniającym oba te wymagania jest profil przedstawiony na rys. 2.

- Elastomerowa uszczelka umieszczona między pionowymi płaszczyznami złączy, skutecznie je uszczelnia. Wymaganie normy PN-EN 1917:2004 w tym zakresie to brak przecieku na złączu i/lub elemencie przy ciśnieniu wewn. ≥ 50 kPa (5 m słupa wody) przez minimum 15 min. Według nomenklatury wycofanych norm branżowych, taki poziom wodoszczelności określono by na poziomie W0,5. Tymczasem w niektórych projektach i specyfikacjach technicznych zdarza się jeszcze spotkać zapisy  wymagań wodoszczelności na poziomie W8, W10, W12, tj. szesnasto-, dwudziesto-, dwudziestoczterokrotnie przewyższające wymagania normy zharmonizowanej.
Są one o tyle nieuzasadnione, o ile trudno wyobrazić sobie studzienkę rewizyjną złożoną z betonowych lub żelbetowych kręgów zagłębioną na 80, 100 lub 120 metrów. Stosowanie aktualnych normowych wymagań gwarantuje odpowiednie właściwości użytkowe i przy takich powinniśmy pozostawać.

Rys. 3 w/c,a współczynnik przesiąkliwości (źródło: archiwum autora)

 

Uszczelka umieszczona w sposób przedstawiony powyżej nie zakłóca przenoszenia obciążeń i podczas montażu umożliwia elementom studzienki „zejście" do pozycji pełnego skutecznego konstrukcyjnie podparcia. Ma to ogromne znaczenie szczególnie dla studzienek eksploatowanych w pasach drogowych obciążonych ruchem kołowym. Dynamicznie oddziaływujące siły nie spowodują tu tzw. „dobicia" złączy, co z kolei zapobiegnie zmianie rzędnej włazu. 

- Montaż. Aby osiągnąć opisane powyżej właściwości konstrukcji studzienki podczas montażu kolejnych jej elementów należy bezwzględnie stosować środek smarny. Musi być on równomiernie rozprowadzony na powierzchni betonu zamka dolnego kręgu lub zwężki oraz na uszczelce nałożonej na zamek górny, w tym przypadku dennicy lub kręgu, na które nakładać będziemy kolejny element studzienki. Bez "smaru" szorstki beton zamka dolnego nie przesunie się po elastomerze uszczelki i praktycznie uniemożliwi złożenie elementów studzienki w całość. Rzetelni producenci wraz z prefabrykatami dostarczają zarówno uszczelki, jak i środek smarny.

Powyżej opisane wymagania normy PN-EN 1917:2004 oraz odpowiednia praktyka w zakresie montażu gwarantują wytrzymałość konstrukcyjną betonowych studzienek rewizyjnych umożliwiającą ich posadowienie w każdych warunkach gruntowych oraz w obszarach pod jezdniami obciążonymi ruchem kołowym pojazdów. 

 

Fot. 4 Dennica po rozformowaniu z zawibrowanym przejściem szczelnym. Przejścia o większych średnicach wklejane są po procesie formowania dennicy

 

Od czego zależy trwałość studzienek

Poza wytrzymałością, to trwałość jest tym elementem, który decyduje o pełnej funkcjonalności studzienki.

Trwałość materiałowa charakterystyczna dla mieszanki betonowej używanej do prefabrykacji elementów studzienek kanalizacyjnych definiowana jest dwoma, podstawowymi w tym zakresie wymaganiami normy PN-EN 1917:2004. Są to: nasiąkliwość na poziomie < 6% oraz maksymalny stosunek woda/cement  w/c < 0,45.

Pierwszy parametr jest jednoznaczny. Jeśli wyrób spełnia normowy wymóg nasiąkliwości, oznacza to, że woda nie wniknie głębiej niż na 6 mm w 10-centymetrową ściankę kręgu, dennicy lub zwężki. To z kolei oznacza, że pożądana nienasiąkliwość wyrobu osiągnie wartość aż 94% (9,4 cm ścianki wyrobu pozostają suche). Warto zwrócić uwagę na fakt, że różnica 1% nasiąkliwości to średnio ok. 1 mm wniknięcia wilgoci w ściankę wyrobu. Pojawiające się niekiedy w projektach wymagania nasiąkliwości poniżej 4% w rzeczywistości przesuwają jej granicę w ściance o 2 mm, co z punktu widzenia wartości użytkowej całego elementu ma znikome znaczenie.

Dużo większe znaczenie ma drugi wymóg, czyli współczynnik woda/cement (w/c) < 0,45.

 

Fot. 5 Wklejone w zakładzie prefabrykacji przejście szczelne i kineta

 

Stosunek woda/cement a trwałość studzienki

Poziom w/c ma bezpośredni wpływ na strukturę betonu i jego przesiąkliwość. Im więcej jest w mieszance wody, tym więcej będzie się jej wydobywać podczas twardnienia materiału. I właśnie ta wydobywająca się woda pozostawia w strukturze betonu ślad w postaci „mikrokanalików". Im więcej „mikrokanalików", tym więcej miejsc dostępu do struktury betonu dla potencjalnie agresywnych wód gruntowych lub ścieków. Jak bardzo istotne jest utrzymanie w/c na normowym, niskim poziomie przedstawia rys. 3.

Należy podkreślić, że w/c = 0,45 oznacza przesiąkliwość na poziomie ok. 8 x 10-14 m/s, wzrost w /c do poziomu 0,7 podnosi przesiąkliwość ponad dwunastokrotnie.

Mieszanka betonowa o normowym w/c jest półsucha. Jej uformowanie w takiej postaci jest praktycznie niemożliwe. Istnieją dwa sposoby na poprawienie urabialności mieszanki.

- Pierwszy to dodanie odpowiedniego składnika chemicznego (plastyfikatora lub superplastyfikatora), który uplastyczni mieszankę betonową bez zmieniania jej stosunku w/c. Ta metoda praktykowana jest w zakładach prefabrykacji, zarówno przy produkcji dennic, kręgów oraz zwężek metodą wibroprasowania, jak i podczas formowania kinet.

- Drugi sposób to dodanie wody, czyli podniesienie stosunku w/c i automatycznie wielokrotne zwiększenie przesiąkliwość betonu.

W jak dużym stopniu zmiana w/c wpływa na trwałość betonu doskonale widać na przykładzie kinet, w które zgodnie z normą PN-EN 1917:2004 powinna być wyposażona każda dennica.

Podstawową funkcjonalnością kinety jest umożliwienie niezakłóconego przepływu ścieków przez studzienkę, co z kolei ma wpływ na  sprawność  hydrauliczną całego kolektora. Głównym wymaganiem, jakie stawia się kinecie, poza jej odpowiednim kształtem, jest przede wszystkim trwałość ponieważ w całym okresie eksploatacji pozostaje ona w bezpośrednim kontakcie ze ściekami. 

 

Szczelność połączeń kolektora

Ostatnim, ważnym w aspekcie istotnych właściwości użytkowych warunkiem, jaki powinna spełniać studzienka jest bezwzględna szczelność jej połączeń z rurociągiem. Żeby studzienka się nie zapadała, parametry zagęszczenia gruntu w bezpośrednim jej otoczeniu nie mogą ulegać zmianie.

W przypadku obszarów pod jezdniami ma to także kluczowe znaczenie dla parametrów podbudowy drogi.Skutecznym rozwiązaniem, proponowanym przez producentów prefabrykatów, jest umieszczanie przejść szczelnych umożliwiających elastyczne połączenie rura-dennica (stosowanie sztywnych połączeń „na zaprawę" nie powinno mieć miejsca ze względu na siły ścinające, które powodują pękanie zaprawy i rozszczelnienie przejścia). W dobrym zakładzie produkcyjnym przejścia mogą być umieszczone w dowolnym, przewidziany w projekcie miejscu. Należy jedynie pamiętać, aby odległość między przejściami nie była mniejsza od grubości ścianki dennicy. Przejścia o średnicy do 400 mm są najczęściej zawibrowywane w ściance podstawy studzienki (fot. 4).

 

Podsumowanie

Kompleksowe ujęcie wszystkich opisanych powyżej parametrów normowych wraz z odpowiednią praktyką w zakresie posadawiania i montażu studzienek i ich wyposażenia bezpośrednio wpływa na cechy użytkowe kolektorów kanalizacyjnych. Jeśli są one spełnione, można spodziewać się długotrwałej bezawaryjnej eksploatacji, która powinna trwać ok. 80–90 lat. Zachęcamy do uwzględniania powyższych wymagań w projektach i specyfikacjach technicznych. Na pewno pozytywnie wpłynie to na jakość systemów kanalizacyjnych.

 

 

Studzienki w badaniach

Stowarzyszenie Producentów Elementów Betonowych dla Kanalizacji i  Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej podjęły wspólnie latem 2011 roku projekt badawczy polegający na dokonaniu analizy stanu eksploatowanych studzienek kanalizacyjnych. Na podstawie rejestrów zamówień zakładów produkcyjnych członków SPEBK zlokalizowano studzienki kanalizacyjne wbudowane w latach 2001–2007 na terenie całej Polski. Studzienki podzielono na zamówione z kinetami i bez kinet. W sumie w 18 miejscach dokonano oględzin ok. 45 eksploatowanych betonowych studzienek rewizyjnych. Wykonano dokumentację fotograficzną, pobrano próbki ścieków i osadów do badań pod kątem poziomu pH i siarczanów. Natomiast przy pomocy specjalnego płynu, różnie zabarwiającego się w zależności od pH powierzchni, na którą zostaje rozpylony, dokonano analizy wartości pH betonu ścianki podstawy studzienki oraz kinety.

 

Fot. 2 Eksploatowana studzienka zdennicą wyposażoną fabrycznie w kinetę (źródło: archiwum SPEBK)

 

Na fot. 2 przedstawiono dennicę z „fabryczną” kinetą poddaną analizie pH betonu. Niebieskie zabarwienie oznacza, że pH betonu zarówno w kinecie, jak i ściance podstawy studzienki pozostaje na poziomie 12-13, zatem mieszanka betonowa nie straciła nadanych w zakładzie prefabrykacji właściwości chemicznych. Jest trwała, pomimo widocznych na zdjęciu trudnych warunków w postaci dość grubej warstwy osadu, odcinającej dopływ tlenu, a tym samym sprzyjającej powstawaniu procesów gnilnych. Niskie w/c i nasiąkliwość sprawiają, że czynniki agresywne nie mogą wnikać w strukturę betonu, która pozostaje nienaruszona. Na fotografii widać także wartki strumień ścieków, a to oznacza, że podstawowa funkcja kinety, jaką jest umożliwienie niezakłóconego przepływu ścieków przez dennicę nadal jest pełniona.

Inaczej wygląda podstawa studzienki zamówionej (zgodnie z dokumentacją producenta) bez kinety. Po mniej więcej takim samym czasie użytkowania kształt kinety wykonanej na miejscu uległ zasadniczej zmianie.

 

Fot. 3 Studzienka z dennicą wyposażoną w kinetę poza zakładem prefabrykacji (źródło: archiwum SPEBK)

 

Beton tworzący kinetę nie jest wystarczająco trwały, co czyni ją niefunkcjonalną. Zastoje ścieków sprzyjają parowaniu i powstawaniu skroplin, te zaś, izolując powierzchnię betonu od tlenu, tworzą agresywne środowisko. Jest to szczególnie zauważalne, jeśli studzienkę zwieńczono żelbetową płytą przykrywową. Jej pozioma powierzchnia sprzyja powstawaniu i długotrwałemu „wiszeniu” skroplin. Lepsze pod tym względem rozwiązanie stanowi stosowanie zwężek, tzw. konusów. Ich pionowe z jednej strony i ukośne z drugiej ścianki eliminują to niekorzystne zjawisko.

Opisane przykłady nie są próbą uzasadnienia stanowiska, że każda wykonana na placu budowy kineta zawsze będzie skazana na szybką korozję i deformację. Jednak o wiele bardziej prawdopodobne jest to, że „fabryczna” kineta, wykonana wg normy PN-EN 1917:2004, będzie trwała i zapewni pożądaną funkcjonalność przez cały „cykl życia” studzienki.

 

 

Mateusz Florek

dyrektor Stowarzyszenia Producentów Elementów Betonowych dla Kanalizacji

zdjęcia autora

 

1 W lipcu 2013 wejdą w życie przepisy Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) Nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 roku ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych, wg. których wyrób budowlany będzie mógł być wprowadzony do obrotu, jeśli będzie objęty normą zharmonizowaną lub będzie zgodny z europejską oceną techniczną dla niego wydaną.

2 PN-EN 1917:2004, pkt. 1 „Zakres normy”

3 PN-EN 1917:2004. pkt. 3.1 „Terminy i definicje”

www.piib.org.pl

www.kreatorbudownictwaroku.pl

www.izbudujemy.pl

Kanał na YouTube