Rury i elementy z topionego bazaltu w zastosowaniu do budowy i renowacji przewodów kanalizacyjnych

Transkrypt

1 Rury i elementy z topionego bazaltu w zastosowaniu do budowy i renowacji przewodów kanalizacyjnych Andrzej Kolanko, Anna Kolonko*. Wstęp miast są stosunkowo krótkie, gdyż obejmują one okres zaledwie pięćdziesięcioletni. Oprócz rur bazaltowych produkowane są także płytki do wykładania powierzchni wewnętrznych nowych rur betonowych podczas ich produkcji oraz do rehabilitacji uszkodzonych przewodów przez ich wyłożenie odpowiednio ukształtowanymi płytkami bazaltowymi po uprzednim wyczyszczeniu. Ponadto ciekawym rozwiązaniem są kształtki dopasowane do kinet przekrojów poprzecznych kanałów.. Właściwości topionego bazaltu Ostatnio pojawił się nowy materiał konstrukcyjny, z którego produkowane są m.in. rury kanalizacyjne, a mianowicie bazalt. Sam bazalt jest oczywiście powszechnie znany z różnych zastosowań w budownictwie, jednak rury bazaltowe będą nowym produktem na naszym rynku, choć pierwsze realizacje z ich zastosowaniem miały już miejsce w innych krajach europejskich. Z uwagi na swoje zalety można oczekiwać, że rury z topionego bazaltu wzbudzą zainteresowanie także i na naszym rynku. Praktycznie nie są one w Polsce znane i celem tego artykułu jest omówienie właściwości rur i elementów bazaltowych oraz możliwości ich zastosowań przy budowie i rehabilitacji technicznej przewodów kanalizacyjnych. Jak wspomniano, bazalt jako surowiec do produkcji rur nie jest dostatecznie znany, dlatego we wstępie podano kilka encyklopedycznych informacji na jego temat. Bazalt jest naturalnym materiałem mineralnym, dobrze znanym z dużej wytrzymałości oraz wysokiej odporności chemicznej. Bazalt jest jednocześnie jednym z najbardziej trwałych minerałów, a jego złoża powstały przed kilkudziesięciu milionami lat. Bazalt wg [] to magmowa skała wylewna lub hipabisalna, składająca się głównie z plagioklazu, piroksenu, amfibolu; w zmiennych ilościach zawiera oliwin, nefelin, magnetyt i inne minerały. Świeży przełom skały bazaltowej jest czarny, natomiast w stanie zwietrzałym jest brunatny lub ciemnozielony; drobnoziarnisty, czasem szklisty (tachylit), zbity, niekiedy porowaty. Złoża bazaltu w stanie naturalnym występują w postaci ciosów słupowych, co Dr inż. Andrzej Kolonko - Politechnika Wrocławska; Anna Kolonko - Politechnika Wrocławska (studentka Wydz. Inżynierii Środowiska oraz Wydz. Budownictwa Lądowego) Rys.. Widok skały bazaltowej powoduje dzielenie się skały na charakterystyczne kolumny. Widok takich kolumn w naturze przedstawiono na rys. l [6]. Bazalt jest najbardziej rozpowszechnioną skałą wulkaniczną ubiegłych epok geologicznych, a także współczesnych obszarów wulkanicznych. Powstaje on z magmy wytapianej w płaszczu Ziemi. Na obszarach kontynentów tworzy pokrywy (bazalty platformowe, zwane też bazaltami plateau lub bazaltami trapowymi) zajmujące ogromne obszary (np. na Bekanie tyś. km, Syberii, w Etiopii), występuje też w postaci kopuł, silli, dajek []. Na obszarach den oceanicznych tworzy skorupę ziemską; bazaltowe stożki wulkaniczne często wynurzają się z oceanu w postaci wysp (np. Hawaje). Bazalt jest też skałą pospolitą na Księżycu. W Polsce występuje głównie na Dolnym Śląsku (tzw. dolnośląska formacja bazaltowa), gdzie jest eksploatowany (np. w Bukowej Górze). Złoża bazaltu zlokalizowano w Górach Świętokrzyskich, a także w głębokim podłożu między Białymstokiem a Hrubieszowem (bazalty platformowe) na obszarze około 7 tysięcy km. Bazalt wykorzystywany jest jako materiał budowlany i drogowy, a także jako surowiec do produkcji wełny mineralnej. Doświadczenia ze stosowania bazaltu w obiektach infrastruktury podziemnej Wyroby z topionego bazaltu mają właściwości fizyczne, które predestynują je do zastosowań w inżynierii środowiska, gdzie oprócz dużych obciążeń statycznych i dynamicznych występują trudne warunki środowiskowe. Poniżej zestawiono podstawowe właściwości fizyczne topionego bazaltu, stanowiące podstawę obliczeń statyczno-wytrzymałościowych elementów konstrukcyjnych z tego materiału. Ciężar właściwy 9- kn/m 3 Wytrzymałość na ściskanie MPa Wytrzymałość na zginanie (min.) 45 MPa Współczynnik rozszerzalności termicznej (dla zakresu temperatur od 0 C do 00 C) 8-0~ 6 K' Odporność chemiczna ph 3-0 Całkowita odporność na korozję Nasiąkliwość 0% Porowatość 0% Twardość w skali Mohsa 0 stopni Odporność na skoki temperatur do 50 C Mrozoodporność 50 cykli dla temperatur w przedziale 5 +5 C 3. Produkcja rur z topionego bazaltu Pierwsze rury bazaltowe zostały wyprodukowane już na początku lat 50-tych XX w. Miały one 80 mm średnicy oraz 3 mm długości. Realizacje z zastosowaniem rur z topionego bazaltu były wówczas jednak nieliczne. Proces produkcji tych wyrobów polega na odlewaniu rur z roztopionego bazaltu w formach stalowych lub piaskowych. Surowiec bazaltowy o odpowiedniej jakości topiony jest w specjalnych piecach w temperaturze 80 C. Podczas wlewania do form jego temperatura wynosi 00 C. Proces wlewania roztopionego bazaltu do formy przedstawiono na rys. [7]. 4 -GAZ, WODA l TECHNIKA SANITARNA 6/005

2 Rys.. Proces wlewania roztopionego bazaltu do formy Górna część formy wykształcona jest w taki sposób, aby umożliwić odpowietrzenie oraz wykształcić uchwyt, pozwalający na przeniesienie całego elementu po jego rozformowaniu do dalszych etapów procesu produkcyjnego. Jest to możliwe po pewnym schłodzeniu elementu w formie. Widok kształtującego się uchwytu w formie odlewniczej pokazano na rys. 3 [7]. Stosowane są dwie metody odlewania rur, metoda statyczna, gdy formy pozostają nieruchome lub wirówkowa, gdy formy wirują wokół swojej osi podłużnej. Po wtórnej krystalizacji bazaltu, gdy staje się on ponownie ciałem stałym, rury wyjmowane są z form i umieszczane w tunelowych komorach chłodniczych, gdzie stygną w czasie 8- godzin. Na fotografii (rys. 4) [7] pokazano wkładanie elementów do takiej komory tunelowej. Z uwagi na wysokie temperatury operator korzysta z półautomatycznych uchwytów stalowych o długich ramionach. W praktyce produkcja rur bazaltowych o dobrej jakości wymaga dużego doświadczenia oraz surowca o odpowiednich parametrach. Niepożądane domieszki w nadmiernej ilości mogą Rys. 4. Wkładanie elementów do komory tunelowej uniemożliwić wykorzystanie złoża bazaltu do takich celów. Wyprodukowane elementy z topionego bazaltu poddawane są kontroli jakościowej i kwalifikowane do pierwszego lub drugiego gatunku, bądź jako odpad z możliwością ponownego wykorzystania. Przykładową rurę pokazano na rys. 5 [3]. Widoczne jest rozwiązanie połączenia umożliwiającego ich instalowanie metodami bezwykopowymi. Opaska wykonana jest ze stali nierdzewnej, a uszczelka elastomerowa typu o-ring umieszczana jest w rowku na tzw. końcu bosym. Szczegóły rozwiązania połączenia pokazane są na rys. 6 [3]. 4. Typoszeregi rur z topionego bazaltu Obecnie rury z topionego bazaltu produkowane są tylko jako bezkielichowe. Przeznaczone są one zarówno dla przewodów kanalizacyjnych układanych w wykopach otwartych, jak i dla układanych metodami bezwykopowymi np. z zastosowaniem mikrotunelowania. Przykład takiej rury przedstawiono na rys. 5 [3]. Typoszereg bazaltowych rur kanalizacyjnych przedstawiono w tab. l, przy czym zawarte oznaczenia objaśnione są na rys.6 [3]. Obecnie rury z topionego bazaltu dopiero zaczynają, wchodzić na rynek i jest to nowatorskie rozwiązanie materiałowe. W tej sytuacji zrozumiały jest brak normy określającej wymagania techniczne stawiane rurom bazaltowym oraz metody ich badań. Przejściowo, z uwagi na pewne analogie materiałowe, przyjęto wytyczne do badań rur bazaltowych elementy normy PN-EN 95-3 Rury i kształtki kamionkowe i ich połączenia w sieci drenażowej i kanalizacyjnej. Poniżej zestawiono podstawowe właściwości przeciskowych rur kanalizacyjnych z topionego bazaltu z uwzględnieniem wytycznych zawartych w normie PN-EN 95 [5]: stałość wszystkich parametrów w całej objętości elementu, duża wytrzymałość na ściskanie i na ścieranie, duża nośność rury - do 60 kn/m wyznaczana wg normy [4], możliwość przenoszenia dużych sił po- Rys. 3. Widok kształtującego się uchwytu w formie odlewniczej Rys. 5. Rura przeciskowa odlewana z topionego bazaltu GAZ, WODA l TECHNIKA SANITARNA 6/005 5

3 Rys. 6. Szczegóły rozwiązania konstrukcji połączenia rur przeciskowych z topionego bazaltu Rys. 7. Przykładowe kształtki i płytki z topionego bazaltu Rys. 8. Żelbetowa rura kanalizacyjna o przekroju jajowym z kinetą wyłożoną profilowanymi kształtkami z topionego bazaltu dłużnych konieczna przy realizacji przecisków, całkowita odporność chemiczna, całkowita odporność na korozję, wyeliminowana praktycznie porowatość, a tym samym nasiąkliwość, doskonała mrozoodporność, mała chropowatość hydrauliczna, doskonała gładkość powierzchni zewnętrznej rur pozwalająca na obniżenia sił podłużnych przy realizacji przecisków, minimalne odchyłki wymiarowe, stosunkowo nieduży ciężar własny, odporne na gryzonie, dopuszczone do kontaktu z wodą pitną (świadectwa Instytutu Higieny i Ochrony Środowiska), długi okres eksploatacji. 4. Kształtki i płytki z topionego bazaltu Oprócz rur z topionego bazaltu produkowane są także kształtki i płytki. Mogą one służyć do zabezpieczenia powierzchni wewnętrznych nowych betonowych lub żelbetowych rur kanalizacyjnych przed korozją i ścieraniem. Przykładowe kształtki i płytki z topionego bazaltu pokazano na rys. 7 [3]. Rury z taką wykładziną mogą znaleźć zastosowanie szczególnie w przypadku budowy przewodów kanalizacyjnych transportujących bardzo agresywne ścieki, ścieki płynące z dużą prędkością (przy dużych spadkach podłużnych) lub gdy nie ma możliwości zapewnienia skutecznej wentylacji przewodu, co może powodować powstanie dużego zagrożenia korozyjnego konstrukcji j Tabela Typoszereg kształtek z topionego bazaltu dla kinet kanałów o przekroju jajowym DN Tabela Typoszereg bazaltowych rur kanalizacyjnych d iili ( ;SCO±3 d! +0, i [g9 3.., ii d 4 Hj ' ^ 9 II.: 408 Jll 584 >: ti i. *i. ',,5 t '-< 3-4 :.-- 3^t 3^ lii 3-4 p L+l i i j m ;;j 996» L + l 3 3 J> 40 jj 40 J ;D L 3 + l 6 g 8 i 8 ; 8 ni masa [kg] l B 5 i 99 i 05 :;,.. Oznaczenie wyrobu PN n IP PN m IP PN IV IP li p PN VI IP.:V r.l PN VIII IP i n PNX IP ~-?;:-?:::.- li A 5,4 56, j 590,4 JJj 650, - - Wymiary wg rys. 9 V 76,3 lii R i l 75 CC' : ; ' Masa [kg] u 6,0 ' 4,3 : ' : "" ,5 5, 98,6 66,8 ' ' i i i ipi 3 0 ji 400,.,,75-. jjj 5- ;/.: 4,0 : :,: 4,0 - m 6 GAZ, WODA l TECHNIKA SANITARNA 6/005

4 Tabela 3 Typoszereg kształtek z topionego bazaltu dla kinet kanałów o przekroju kołowym 40 Rys. 9. Oznaczenia wymiarów elementów z topionego bazaltu do tab. przewodu w tzw. strefie gazowej. W zależności od sytuacji odpowiednimi kształtkami wykładana jest kineta kanału bądź cały przekrój. Na poniższej fotografii (rys. 8 [3]) pokazano żelbetową rurę kanalizacyjną o przekroju jajowym z kineta wyłożoną Rys. 0. Żelbetowa rura kanalizacyjna o przekroju kołowym z kineta wyłożoną kształtkami z topionego bazaltu Rys.. Oznaczenia wymiarów elementu do tab. 3 profilowanymi kształtkami z topionego bazaltu. Przykładowy typoszereg kształtek bazaltowych dla kinet kanałów o przekroju jajowym przedstawiono w tab. [3]. Na poniższej fotografii (rys. 0 [3]) pokazano żelbetową rurę kanalizacyjną o przekroju kołowym z kineta wyłożoną kształtkami z topionego bazaltu. Typoszereg kształtek z topionego bazaltu dla kinet kanałów o przekroju kołowym przedstawiono w tab. 3 [3]. Płytki i kształtki z topionego bazaltu znajdują zastosowanie także przy produkcji studzienek kanalizacyjnych narażonych na korozję lub ścieranie przez płynące z dużą prędkością ścieki zawierające ziarna piasku. Widok przykładowej studzienki wyłożonej płytkami z topionego bazaltu przedstawiono na rys. [3]. Wymiary wg rys. R H 50 UJ 00 ::.:: 00 Hi ' :...' 350 i , J: 500 ;,yy 550 j 648 : '.,. 00 m oc[ ] 90 lii 60 0 i: II.: 60 li...- -lillisi " :3i; 5!:li::,.;::ift. illlpc ><gp Masa elementu [kgj UJ 5,80 ;: 5,00 : 0,0 '-.r. 3,75 IłilP&cr: i ,50 i f g,:-: 6,0 ; 770 " Inną możliwością zastosowań kształtek z topionego bazaltu jest rehabilitacja tech- Rys.. Przykładowa studzienka wyłożona płytkami z topionego bazaltu Rys. 3. Idea zastosowania kształtek z topionego bazaltu do odnowy przewodu kanalizacyjnego GAZ, WODA l TECHNIKA SANITARNA 6/005 7

5 odnowę przewodu kanalizacyjnego z wykorzystaniem kształtek z topionego bazaltu. Przykłady zastosowań W miejscowości Halle nad rzeką Saale przeprowadzono rehabilitację techniczną wielkowymiarowego kolektora Rys. 4. Widok wnętrza kanału w Halle przed odnową kanalizacyjnego o konstrukcji niczna uszkodzonych przewodów oraz studzienek kanalizacyjnych. Takie rozwiązanie murowanej z klinkieru i żelbetowym stropie. Przekrój poprzeczny kanału o wymia- stosuje się najczęściej do odnowy rach 860/00 mm miał kształt litery U, uszkodzonych kanałów murowanych, betonowych i żelbetowych. co widać wyraźnie na rys. 4 oraz 5 [l, 3]. Analizowany kanał ogólnospławny został Na rys. 3 [3]/ przedstawiono systemową Rys. 5. Widok wnętrza kanału w Halle po odnowie Rys. 6 Kształtki z topionego bazaltu wykorzystane do odnowy kolektora w Halle Rys. 7. Mikrotunelowanie w Hradec Kralove (Czechy) z zastosowaniem rur żelbetowych wyłożonych płytkami bazaltowymi Rys. 8. Mikrotunelowanie z zastosowaniem rur z topionego bazaltu w Neratovicach (Czechy) Rys. 9. Mikrotunelowanie z zastosowaniem rur z topionego bazaltu w Móficach (Czechy) 8 GAZ, WODA l TECHNIKA SANITARNA 6/005

6 zbudowany w roku 95 w trudnych warunkach gruntowo-wodnych. Długotrwała eksploatacja i wzrastające obciążenia statyczne oraz chemiczne doprowadziły do silnej degradacji konstrukcji. Widok wnętrza kanału przed odnową przedstawiono na rys. 4 [3]. Natomiast widok kanału po odnowie pokazano na rys. 5 [3]. Na rys. 6 [3] widoczne są kształtki z topionego bazaltu, wykorzystane do odnowy kolektora w Halle. Przykładowe wykorzystanie rur z topionego bazaltu w mikrotunelowaniu Na rys. 7 [3] przedstawiono bezwykopową budowę przewodu kanalizacyjnego z rur żelbetowych (DN 800; L =,50 m), wyłożonych płytkami bazaltowymi w Hradec Kralove (Czechy). Roboty prowadziła w roku 00 firma MT Prostejoy z zastosowaniem technologii mikrotunelowania. Konieczność zastosowania technologii bezwykopowej wynikała z przebiegu trasy kanału w bezpośrednim sąsiedztwie zbiornika paliwa na stacji benzynowej. Zastosowanie tradycyjnej metody budowy w wykopie otwartym mogło doprowadzić do rozszczelnienia zbiornika i katastrofy ekologicznej. Rys. 8 [3] przedstawia bezwykopową budowę przewodu kanalizacyjnego z rur bazaltowych (DN 0; L =,00 m) w Neratovicach (Czechy). Roboty prowadziła w roku 003 firma MT Prostejoy z zastosowaniem technologii mikrotunelowania. Jak widać, wysoka wytrzymałość i twardość bazaltu pozwala na pracę transporterów ślimakowych bez użycia stalowych rur zabezpieczających. Na rys. 9 [3] przedstawiono bezwykopową budowę przewodu kanalizacyjnego z rur żelbetowych (DN 500; L = 0,50 m) w Moficach pod Vyskovem (Czechy). Roboty w roku 003 prowadziła firma MT Prostejoy z zastosowaniem technologii mikrotunelowania. Także i w tym przypadku nie używano stalowych rur zabezpieczających rury bazaltowe przed uszkodzeniem przez pracujące transportery ślimakowe. Podsumowanie i wnioski Rury z topionego bazaltu są interesującym rozwiązaniem materiałowym dla przewodów kanalizacyjnych. Ich wysoka odporność chemiczna oraz bardzo dobre parametry wytrzymałościowe sprawiają, że mogą być one wykorzystywane w trudnych warunkach geotechnicznych. Z uwagi na poziom cen zakres zastosowań rur z topionego bazaltu ograniczy się przypuszczalnie do realizacji bezwykopowych. W tym przypadku będą one alternatywą dla rur żelbetowych z wewnętrzną powłoką ochronną, polimerobetonowych oraz kamionkowych. W pewnych sytuacjach mogą być one optymalnym rozwiązaniem materiałowym. Niektóre wyroby z topionego asfaltu do stosowania w budownictwie mają już polskie atesty [8]. Natomiast część wyrobów, w tym rury, jest na etapie przygotowań do procesu certyfikacyjnego. PIŚMIENNICTWO [] Fórster D., Dilg R.: Einsatz von Schmelzbasalt - Elementen żur Kanalsanierung. Tiefbau Ingenieurbau Strassenbau /003 [] Encyklopedia PWN 000 [3] Materiały informacyjne firmy ETUTIT [4] PN-EN 95-3 Rury i kształtki kamionkowe i ich połączenia w sieci drenażowej i Metody badań. kanalizacyjnej. [5] PN EN 95-7 Rury i kształtki kamionkowe i ich połączenia w sieci drenażowej i kanalizacyjnej. Wymagania dotyczące kamionkowych rur i złączy przeznaczonych do przeciskania. [6] NO DIG Magazine of Czech and Slovak Society for Trenchless Technology Nr 3/003 [7] Zdjęcia własne autora [8] Atest higieniczny HK/B/683/0/00 Państwowy Zakład Higieny ZESPÓŁ BADAWCZO-WDROŻENIOWY D/S OSTATECZNEJ UTYLIZACJI OSADÓW ŚCIEKOWYCH przy ECOEXPOL Sp. z o.o. Spółka z udziałem Politechniki Warszawskiej oferuje opracowania z zakresu: Bilansowanie osadów ściekowych Ocena możliwości ostatecznej utylizacji osadów z uwzględnieniem mokrego utleniania, suszenia i spalania Oceny dotyczące celowości stosowania regionalnych systemów utylizacji osadów Badania przedprojektowe Raporty oddziaływania na środowisko instalacji utylizacji osadów ściekowych Kontakt: Tomasz Sadrzak Warszawa, ul. Nowowiejska 0 Politechnika Warszawska. Gmach Wydziału Inżynierii Środowiska tel/fax (0-) , tel. kom GAZ, WODA l TECHNIKA SANITARNA 6/005 9