Materiały budowlane stosowane w budownictwie wodno-melioracyjnym

Celem pracy była charakterystyka najważniejszych materiałów budowlanych stosowanych do remontów lub odbudowy urządzeń melioracyjnych w aspekcie ich aktualnego stanu technicznego, charakteryzowanego w artykule „Ocena stanu oraz warunki odbudowy i remontów urządzeń melioracji wodnych”.

Materiały budowlane są to produkty wytworzone lub przetworzone w celu zastosowania w obiekcie budowlanym w sposób trwały w trakcie wnoszenia, naprawy, remontu lub modernizacji. Ustawa – Prawo budowlane [1] w art. 10 definiuje wyroby budowlane jako „wyroby wytworzone w celu zastosowania w obiekcie budowlanym w sposób trwały o właściwościach użytkowych umożliwiających prawidłowo zaprojektowanym i wykonanym obiektom budowlanym spełnienie podstawowych wymagań. Można je stosować przy wykonywaniu robót budowlanych wyłącznie, jeżeli wyroby te zostały wprowadzone do obrotu lub udostępnione na rynku krajowym zgodnie z przepisami odrębnymi, a w przypadku wyrobów budowlanych – również zgodnie z zamierzonym zastosowaniem”.

>>> Eksport materiałów budowlanych – perspektywy na 2023 rok

>>> Deklaracje środowiskowe wyrobów EPD

>>> Kreowanie parametrów i właściwości materiałów budowlanych a potrzeby rynkowe i możliwości zastosowań

Materiały budowlane stosowane w budowie, modernizacji i remontach budowli służących gospodarowaniu wodą to głównie ceramika, beton, stal, drewno i tworzywa sztuczne [2].

Fot. underworld/stock.adobe.com

Ceramika obejmuje wyroby uformowane z glin naturalnych, a następnie wysuszone i wypalone, w wyniku czego uzyskuje się stałą twardość i odporność mechaniczną.

Ceramiczne rurki drenarskie stosowane są w pracach melioracyjnych do regulacji nawodnienia gruntów uprawnych, tj. do osuszania lub nawadniania. Są to elementy o kształcie walca lub graniastosłupa prostego o przekroju poprzecznym kołowym lub w kształcie wielokąta foremnego. Rurki drenarskie ceramiczne są produkowane w długości standaryzowanej; wynosi ona 330 ±8 mm. Norma [3] podaje podział rurek na odmiany i typy.

W zależności od kształtu przekroju poprzecznego rozróżnia następujące odmiany rurek drenarskich: C – cylindryczną, 6 – sześciokątną, 8 – ośmiokątną, 12 – dwunastokątną.

W zależności od średnicy otworu rozróżnia się następujące typy rurek: Φ50, Φ62,5, Φ75, Φ100, Φ125, Φ150, Φ175, Φ200.

Rury i kształtki kamionkowe są przeznaczone do budowy sieci drenażowych i kanalizacyjnych oraz instalacji odpornych na działanie kwasów i ługów.

Zalecenia dotyczące sposobu przechowywania i transportu wyrobów ceramicznych zawarte są normie [4]. W normie tej wyroby w zależności od ich wymiarów oraz wymagań dotyczących pakowania, przechowywania i transportu podzielono na osiem grup. Grupa VII obejmuje rurki drenarskie i nakrywy kablowe, które mogą być przechowywane i transportowane w jednostkach ładunkowych, a przechowywanie powinno się odbywać w pryzmach o wysokości do 2,0 m.

>>> Urządzenia melioracji wodnych i zmeliorowane grunty – ewidencja, przepisy

>>> Melioracje wodne szczegółowe – z pozwoleniem czy bez?

>>> Urządzenia wodno-melioracyjne i drenaże. Kompendium

>>> Produkty budowlane

Beton, sztuczny materiał podobny do kamienia, powstaje z mieszanki betonowej, składającej się z kruszywa (wypełniacza), cementu (spoiwa), wody oraz ewentualnych domieszek i dodatków. Po zmieszaniu tych składników, dobranych w odpowiednich proporcjach, zaczyn cementowy (cement związany z wodą) twardnieje w wyniku zachodzących w nim reakcji fizyczno-chemicznych, zespalając mieszankę w monolityczną całość. Beton jest materiałem kruchym, stąd przede wszystkim jest wykorzystywany do przenoszenia obciążenia ściskającego. Zależnie od rodzaju użytego kruszywa i technologii otrzymuje się beton o różnej objętości. Można rozróżnić betony lekkie (o gęstości objętościowej 800−2000 kg/m³), zwykłe (gęstość objętościowa 2000−2600 kg/m³) i ciężkie (gęstość objętościowa większa niż 2600 kg/m³) [5].

Klasę betonu podaje się zgodnie z normą [6]. Rozróżnia się klasy wytrzymałości betonu: C8/10, C12/15, C16/20, C20/25, C25/30, C30/37, C35/45, C40/50, C45/55, C50/60, C55/67, C60/75, C70/85, C80/95, C90/105, C100/115.

Do obiektów budownictwa wodnego, pozostających w ciągłym lub okresowym kontakcie z wodą i zmiennymi warunkami pogodowymi, przeznaczony jest beton hydrotechniczny. Przy projektowaniu tego typu betonu należy uwzględnić m.in. jego trwałość, wytrzymałość, mrozoodporność, trwałość na ścieranie i odporność na związki chemiczne. Wśród konstrukcji hydrotechnicznych wyróżnia się:

• bardzo masywne o przekroju grubości powyżej 150 cm,
• masywne o przekroju grubości 50−150 cm,
• niemasywne o przekroju grubości poniżej 50 cm.

Dla konstrukcji wodnych bardzo masywnych, w większości monolitycznych lub zespolonych, wymagane jest stosowanie cementów o małym cieple twardnienia i w możliwie najmniejszej ilości. Akumulowane ciepło w betonie podczas reakcji cementu z wodą podnosi temperaturę i w ten sposób przyspiesza reakcję cementu z wodą. Nadmierny przyrost temperatury, występujący głównie w części środkowej przekroju, wprowadza naprężenia wewnętrzne, których wartość jest tym wyższa, im większy i szybszy jest przyrost temperatury i im większa jest różnica temperatury w przekroju elementu. Brak swobody odkształceń masywnych elementów dodatkowo wzmagają wywołane naprężenia wewnętrzne, których wartość może nawet przekroczyć wytrzymałość na rozciąganie betonu znajdującego się w początkowym stadium twardnienia. Podobnie odkształcenia od skurczu, większe w warstwach zewnętrznych konstrukcji, są ograniczone przez sztywne przekroje konstrukcji wodnych, co w okresie późniejszego dojrzewania może spowodować pęcznienie i pękanie betonu. Warunek małego ciepła twardnienia cementu i wysokiej trwałości betonu ogranicza wybór cementu do portlandzkiego belitowego, hutniczego CEM III, pucolanowego CEM IV oraz wieloskładnikowego CEM V. Duże przekroje konstrukcji hydrotechnicznych, mały stopień zbrojenia, przewaga prętów zbrojenia o dużych średnicach i zalecana grubość otuliny nie mniejsza niż 5 cm oraz wymagana mała ilość cementu skłaniają do stosowania kruszywa o maksymalnej średnicy ziaren 63 mm. W warstwie wewnętrznej bardzo masywnych konstrukcji dopuszczalne jest nawet używanie kruszywa o średnicy 120 mm, a także układanie kamieni. Od kruszywa w konstrukcjach wodnych wymaga się dużej odporności mrozowej i małej przepuszczalności. W betonach hydrotechnicznych bardzo ważne jest projektowanie ich pod kątem wodoszczelności [7]. Wymagany stopień wodoszczelności zależy od wielkości działającego na beton parcia wody i od wymiarów poprzecznych elementu [8]. Zapewnienie wodoszczelności w obiektach masywnych najczęściej spełnia wymagania wytrzymałości, ponieważ większość obciążenia konstrukcji przenoszonego przez konstrukcje masywne pochodzi od masy tych konstrukcji [6].

Metale stosowane w technice można podzielić na żelazo i stopy żelaza oraz metale i stopy metali nieżelaznych, których podstawowy składnik stanowią np. aluminium, miedź, cyna [7]. Stale stosowane w budownictwie nazywane są stalami konstrukcyjnymi, a ich właściwości zależą od składu chemicznego, struktury wewnętrznej, cyklu cieplnego działającego na stal w trakcie wytwarzania, a także sposobu jej przetwarzania. Norma [9] podaje gatunki stali stosowane w budownictwie. Stal na konstrukcje dobiera się pod względem gatunku (wytrzymałości), grupy jakościowej (np. odporność na kruche pękanie) oraz ze względu na skład chemiczny [10]. Stal w konstrukcjach budowlanych stosowana jest najczęściej w postaci wyrobów płaskich lub wyrobów długich walcowanych na gorąco. Wśród wyrobów długich rozróżnia się pręty i kształtowniki. Szczegółowy asortyment produkowanych kształtowników (z powodu ich bardzo dużej liczby) podany jest w katalogach producentów lub w tablicach do projektowania [11]. Produkowane są np. dwuteowniki o stopkach wąskich lub średniej szerokości (IPE, IPN), dwuteowniki szerokostopowe (HEA, HEB, HEM), ceowniki normalne (UPN) i równoległościenne, kątowniki równoramienne i nierównoramienne (L), teowniki (T), kształtowniki zamknięte (rury okrągłe, kwadratowe i prostokątne), szyny podsuwnicowe (SD), pręty okrągłe pełne (R) i grodzice (GU). Innym typem wyrobów stalowych są kształtowniki spawane (złożone z blach). Stalowe elementy gorącowalcowane stosowane są w budownictwie hydrotechnicznym m.in. jako elementy składowe zamknięć wodnych, zastawek melioracyjnych oraz ścianek szczelnych.

Kolejnym typem wyrobów stalowych są wyroby profilowane na zimno. Metodą gięcia na zimno można otrzymywać kształtowniki o różnych kształtach. Charakteryzują się one stałą grubością wszystkich ścianek i niewielkim wyokrągleniem naroży. Do najczęściej stosowanych należą kątowniki, ceowniki, zetowniki lub profile zamknięte.

Konstrukcje żelbetowe zbroi się wiotkimi prętami stalowymi najczęściej o przekroju okrągłym. W zależności od właściwości mechanicznych rozróżnia się klasy i odpowiadające im gatunki stali zbrojeniowej. Ze stali A-0 i A-I wykonuje się pręty gładkie, natomiast ze stali wyższej klasy, a tym samym wyższej wytrzymałości – pręty żebrowane. Klasa A-II charakteryzuje się żebrowaniem spiralnym, natomiast A-III żebrowaniem w jodełkę.

Drewno jako materiał budowlany znany jest od dawna. W budownictwie lądowym i wodno-melioracyjnym stosuje się następujące materiały drzewne: drewno okrągłe, tarcicę, drewno klejone warstwowo oraz materiały drewnopochodne.

Wyroby drewniane narażone są na korozję biologiczną. Następuje ona w wyniku niszczącego działania grzybów, pleśni, bakterii i owadów. Ochrona przed korozją polega na impregnacji drewna środkami chemicznymi; można ją wykonać przez smarowanie, opryskiwanie, kąpiele i nasycanie. Ochrona drewna przed niekorzystnym działaniem wysokiej temperatury polega na pokryciu powierzchniowymi preparatami pęczniejącymi. Trwałość drewna to odporność na działanie czynników fizycznych, chemicznych i biologicznych powodujących jego destrukcję.

Naturalna trwałość drewna zanurzonego stale w wodzie jest następująca:

• drewno bardzo trwałe – ponad 500 lat (modrzew, sosna, dąb, grab, kasztan, wiąz);
• drewno średnio trwałe – od 50 do 100 lat (świerk, jodła, buk, olcha);
• drewno o małej trwałości – poniżej 20 lat (brzoza, jawor, jesion, kasztanowiec, lipa, topola, wierzba).

W odniesieniu do budownictwa wodno-melioracyjnego można stwierdzić, że trwałość drewna w ziemi bywa różna. Najlepiej konserwuje się drewno przykryte słabo przepuszczalnymi gruntami torfowymi. Szybkiej destrukcji ulega drewno umieszczone w przewiewnych gruntach piaszczystych o dużych wahaniach temperatury i wilgoci. W wodzie morskiej trwałość drewna jest mniejsza niż w słodkiej. W wodzie słodkiej w drewnie zachodzą takie zjawiska, jak: rozkład szary, rozkład hydrolityczny, mineralizacja i wypłukiwanie substancji niestrukturalnych. Woda wypełniająca komórki drewna utrzymuje ich kształt. Usunięcie wody prowadzi do zapadania się słabych ścianek komórkowych w drewnie, a powtórne namoczenie drewna nie przywraca stanu pierwotnego. W wodzie morskiej dodatkowo dochodzi do zjawiska przesycenia drewna związkami soli. Obecnie uważa się, że właściwości mechaniczne drewna zalegającego w wodzie morskiej do 100 lat są porównywalne z właściwościami drewna świeżego. Najbardziej niekorzystna sytuacja dla wytrzymałości elementów drewnianych to naprzemienne zanurzanie i wynurzanie z wody. Największą trwałość drewno uzyskuje w warunkach stałej temperatury i stałej wilgotności powietrza i wynosi ona od kilku lat (np. osika na wolnym powietrzu) do nawet kilku tysięcy lat (np. dąb i modrzew – do 2500 lat) [7].

Tworzywa sztuczne są to materiały, których bazowym składnikiem są związki wielkocząsteczkowe (polimery) otrzymywane w wyniku polireakcji związków małocząsteczkowych (monomerów). W instalacjach budowlanych – budownictwie melioracyjnym i wodnym – podstawowymi tworzywami sztucznymi są tworzywa termoplastyczne. Z tworzyw zbrojonych włóknem szklanym wykonuje się rury i przybory sanitarne (wanny, zlewy, obudowy), z tworzyw z wypełnieniem mineralnym (tzw. polimerobetonów) – elementy sieci kanalizacyjnych (studzienki, osadniki, zbiorniki). Do wyrobów instalacyjnych najczęściej stosowane są tworzywa termoplastyczne poliwinylowe i poliolefinowe. Dla rur i elementów przewodów z tworzyw sztucznych przyjmuje się, że trwałość w temperaturze 20^oC powinna wynosić 50 lat i należy się liczyć z tym, że wraz ze wzrostem temperatury trwałość ta maleje. Obecnie coraz częściej rury z tworzyw sztucznych są stosowane do instalacji i sieci.

Materiałami stosowanymi przy wykonywaniu np. drenaży są rurki drenarskie z otworami z tworzywa sztucznego. Powinny one odpowiadać wymaganiom normy [12], tj. być rurkami spiralnie karbowanymi, perforowanymi, wyprodukowanymi z polichlorku winylu i odpowiednich dodatków metodą wytłaczania.

Rurki drenarskie należy przechowywać na utwardzonym placu, w nienasłonecznionych miejscach. W magazynach zamkniętych temperatura otoczenia nie może przekraczać 40^oC, a odległość składowania powinna być większa niż 1 m od czynnych urządzeń grzejnych. Geowłóknina powinna być materiałem odpornym na działanie wilgoci, środowiska agresywnego chemicznie i biologicznie oraz temperatury, bez rozdarć, dziur i przerw ciągłości z dobrą sczepnością z gruntem.

Materiały budowlane stosowane w budownictwie wodno-melioracyjnym należy dobierać ze szczególną uwagą, gdyż są to często budowle narażone na dodatkowe obciążenia wynikające z ich funkcji.

dr inż. Anna Szymczak-Graczyk Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Inżynierii Środowiska i Inżynierii Mechanicznej, Katedra Budownictwa i Geoinżynierii

prof. UPP dr hab. Jerzy Bykowski Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Wydział Inżynierii Środowiska i Inżynierii Mechanicznej, Katedra Melioracji, Kształtowania Środowiska i Gospodarki Przestrzennej

Literatura
1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (Dz.U. z 1994 r. nr 89 poz. 414).
2. A. Szymczak-Graczyk, Charakterystyka materiałów budowlanych stosowanych w budowie i remontach urządzeń melioracji wodnych [w:] Współczesne uwarunkowania i wyzwania gospodarowania wodą w rolniczej przestrzeni produkcyjnej Wielkopolski, pod red. J. Bykowskiego, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, 2021.
3. PN-B-12000:2012 Rurki drenarskie ceramiczne.
4. PN-B-12030:1996 Wyroby budowlane ceramiczne i silikatowe – Pakowanie, przechowywanie i transport.

5. L. Lichołai in., Budownictwo ogólne, t. 3: Elementy budynków, podstawy projektowania, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2010.

6. PN-EN 206:2013 Beton – Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.

7. B. Stefańczyk i in., Budownictwo ogólne, tom 1: Materiały i wyroby budowlane, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2010.

8. PN-EN 1993-1-1:2006 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków.

9. M. Giżejowski, J. Ziółko, Budownictwo ogólne, tom 5: Stalowe konstrukcje budynków. Projektowanie według eurokodów z przykładami obliczeń, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2010.

10. Z. Jamrozy, Beton i jego wytrzymałość, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003.

11. W. Bogucki, M. Żyburtowicz, Tablice do projektowania konstrukcji metalowych, Wydawnictwo Arkady, Warszawa 2006.

12. PN-C-89221:2004 Rury z tworzyw sztucznych – Rury drenarskie karbowane z niezmiękczonego polichlorku winylu (PVC-U).