Politechnika Śląska

Gliwice 2011

Projekt betonu

wodoszczelnego

Grupa 8 Sekcja 1

1. Założenia projektowe i charakterystyka środowiska agresywnego

Przeznaczenie konstrukcji: głowica szybu

Klasa wytrzymałości betonu: C30/37

Analiza chemiczna:

- odczyn wody H⁺: pH - 7,1

- zawartość jonów siarczanowych SO₄^2- - 2489 mg/dm³ [klasa agresywności XA2]

- zawartość agresywnego dwutlenku węgla aCO₂ - brak

- zawartość jonów amonowych NH₄⁺ - 14 mg/dm³ [brak agresywności]

- zawartość jonów magnezowych Mg²⁺ - 968 mg/dm³ [klasa agresywności XA1]

Z analizy chemicznej środowiska wynika, że mamy do czynienia ze środowiskiem agresywnym. Wody w kopalniach podziemnych są wodami twardymi (nasyconymi) a więc nie występuje tutaj zjawisko ługowania. W wodzie nie stwierdzono agresywnego CO₂. Poziom zawartości jonów amonowych wskazuje na brak agresywności amonowej. Stężenie jonów magnezowych o klasie agresywności XA1 (słaba agresja). Odczyn wody (pH 7,1) wskazuje, że mamy do czynienia z wodą lekko zasadową a więc pozbawioną agresji kwasowej. Stężenie jonów siarczanowych o klasie XA2 świadczy o tym, że mamy do czynienia ze średnią agresywnością siarczanową.

Agresywność magnezowa powoduje korozję II typu. Polega ona na procesie reakcji pomiędzy związkami chemicznymi środowiska agresywnego a składnikami betonu, co prowadzi do powstania wtrąceń w strukturze betonu i następuje spadek wytrzymałości betonu.

Agresywność siarczanowa powoduje korozję III typu. Obejmuje proces krystalizacji słabo rozpuszczalnych soli w porach i kapilarach, które zwiększając swoją objętość powodują rozrywania i destrukcję betonu.

2. Przyjęcie podstawowych rozwiązań gwarantujących wodoszczelność i odporność na korozję

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

W związku z tym zastosujemy cement hutniczy, często wykorzystywany w górnictwie. Wykazuje on odporność na agresje występujące w zbadanym środowisku wodnym, zwłaszcza na agresję siarczanową.

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

Przyjęte założenia:

Klasa cementu: 32,5

Stosowany cement: Cement CEM III/A 32,5N - LH-HSR/NA (EKOCEM Sp. z o.o.)

Konsystencja betonu: plastyczna (K-3) (dla osiągnięcia jak najlepszej wodoszczelności)

Gęstość kruszywa
= 2,4 kg/dm³

Dodatki: popioły lotne (dla zwiększenia wodoszczelności)

Wskaźnik cementowo-wodny
< 2,5 (na podstawie normu mówiącej, że dla betonów o klasie mniejszej niż C40 wskaźnik cementowo wodny < 2,5)

Analiza sitowa kruszywa:

Ø [mm]	Udział procentowy ai [%]	Udział przesiewu bn [%]	K-3
0	2	-	0,239	0,478
0,125	7	2	0,122	0,854
0,25	7	9	0,084	0,588
0,5	4	16	0,058	0,232
1	5	20	0,043	0,215
2	10	25	0,032	0,320
4	10	35	0,026	0,260
8	13	45	0,02	0,260
16	17	58	0,016	0,272
31,5	25	75	0,013	0,325
63	0	100	-	-
∑	100%	-	-

Ø - wielkość ziaren

a_i - udział procentowy poszczególnych frakcji kruszywa

b_n - udział procentowy przesiewu

- iloczyn wskaźnika wodnego i udziału procentowego frakcji kruszywa

3. Obliczenia

- Współczynnik wodożądności

gdzie:

w
- współczynnik wodożądności kruszywa

- suma iloczynów wskaźników wodnych i udziałów procentowych poszczególnych frakcji kruszywa

- gęstość pozorna kruszywa łamanego

- gęstość pozorna kruszywa użytego w projekcie

- Warunek wytrzymałościowy

2,4 < 2,5 przyjęte założenie jest poprawne

gdzie:

- średnia wytrzymałość na ściskanie przyjmowana do projektowania

R
- klasa betonu

1,3 - współczynnik bezpieczeństwa

A_i - współczynnik zależny od wytrzymałości cementu i rodzaju kruszywa

a - współczynnik zależny od jakości cementu (dla cementów powszechnego użytku a = 0,5)

- współczynnik cementowo-wodny

Ilość cementu w funkcji wody

- Warunek konsystencji

gdzie:

W - ostateczna ilość wody

w_c - wodożądność cementu

C - ilość cementu na 1 m³ mieszanki

w_K - wodożądność kruszywa

K - ilość kruszywa na 1 m³

Wodożądność cementu klasy 32,5 dla konsystencji plastycznej wynosi:

W_c=0,27

- Warunek szczelności:

Gdzie:

K - ilość kruszywa na 1 m³

C - ilość cementu na 1 m³ mieszanki

W - ilość wody na 1 m³ mieszanki

- gęstość cementu

- gęstość kruszywa

Dla cementów powszechnego użytku

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

Dla cementów klasy mniejszej niż C37 zawartość cementu w mieszance betonowej powinna wynosić nie mniej niż 270 kg/ m³ mieszanki betonowej i nie więcej niż
450 kg/m³ mieszanki betonowej. Nasze obliczenia przekraczają granice ale mieszczą się w 5%-owej granicy błędu.

K=8W

K=1568,8 kg/m³

Udział masowy [kg]	Ø [mm]	Udział procentowy ai [%]	Udział przesiewu bn [%]	K-3
31,4	0	2	-	0,239	0,478
110	0,125	7	2	0,122	0,854
110	0,25	7	9	0,084	0,588
62,8	0,5	4	16	0,058	0,232
78,4	1	5	20	0,043	0,215
156,8	2	10	25	0,032	0,320
156,8	4	10	35	0,026	0,260
203,9	8	13	45	0,02	0,260
266,7	16	17	58	0,016	0,272
392,2	31,5	25	75	0,013	0,325
0	63	0	100	-	-
1568,8	∑	100%	-	-

Sprawdzenie poprawności obliczeń:

Z warunku szczelności:

Z przeprowadzonych obliczeń wynika, iż przyjęte założenia są poprawne.

4. Technologia wykonania

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

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

Etapy wykonania konstrukcji:

1) dostarczenie na miejsce materiałów potrzebnych do sporządzenia betonu

2) przyrządzenie mieszanki betonowej

3) ustawienie szalunku

4) betonowanie konstrukcji

5) pielęgnacja gotowego betonu

6) usunięcie szalunku

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

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

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

SCHEMAT BLOKOWY

5. Wnioski

Beton, z którego wykonana jest głowica szybu musi cechować wytrzymałość i odporność na agresję środowiska. Stanowi fundament wieży szybowej, narażony jest więc zarówno na agresję wód kopalnianych jak i zagrożenia powierzchniowe, musi również wytrzymać nacisk wieży szybowej. Aby jak najdłużej mógł spełniać swoją rolę, powinien być odpowiednio konserwowany. Powinien on być chroniony przed ciągłym kontaktem z woda, która może zawierać niszczące związki chemiczne. Dla ochrony, głowica szybu powinna być pokryta substancjami, które zmniejszają ilość wchłanianej wody przez beton, lub też zapewniającymi mniejszą chłonność gazów atmosferycznych.

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

KRUSZYWO

CEMENT

WODA ZAROBOWA

(70%)

MIESZANIE SKŁADNIKÓW (2 MINUTY)

POPIOŁY

LOTNE

DALSZE MIESZANIE (MINUTA)

MIESZANIE (MINUTA)

POZOSTAŁE 30% WODY

---