Budownictwo podziemne

W budownictwie podziemnym w trakcie drążenia wyrobisk korytarzowych (górnictwo) lub tuneli należy wykonać obudowę, która ma na celu :

• ochronę przed opadem i przemieszczaniem się skał do wyrobiska,
• utrzymanie założonych gabarytów przekroju poprzecznego wyrobiska w całym okresie jego użytkowania,
• przyjmowanie tak zewnętrznych jak i wewnętrznych obciążeń,
• zapobieganie rozluzowaniu, rozszczelnieniu i wietrzeniu otaczającego górotworu,
• zmniejszeniu oporów przepływającego w wyrobisku medium,
• zapewnieniu szczelności na kontakcie z górotworem (niedopuszczenie do wypływu gazów, zamknięcie dopływu wody, izolację wyrobisk od ognisk pożarowych itd.).

Obecnie dla wyrobisk korytarzowych, komorowych lub tunelowych stosuje się kilka rodzajów obudów :

• stalowe łukowe,
• kotwiowe,
• mieszane o konstrukcji wynikającej z przyjętej technologii, warunków geologiczno-górniczych i przeznaczenia obiektu np.: kotwiowo-betonowe, stalowo-betonowe, kotwiowo-podporowe,
• segmentowe, tubingowe : betonowe, żelbetowe
• monolityczne : betonowe i żelbetowe,
• powłokowe z betonu natryskowego.

Poszczególne rodzaje obudów mogą występować w różnych układach w zależności od wymagań konstrukcyjnych czy uwarunkowań wykonawczych. Na obecnym etapie rozwoju technologii robót górniczych korytarzowych i tunelowych dużą skuteczność w oddziaływaniu na górotwór uzyskała obudowa z betonu natryskowego.

Dla poprawy podporności obudowy powłokowej z betonu natryskowego może ona być stosowana łącznie ze zbrojeniem rozproszonym – makro włóknami polimerowymi (fibrobeton).  Atrakcyjność wykonywania obudowy metodą natryskową została potwierdzona przy wykonywaniu obudów ostatecznych zwłaszcza o skomplikowanym i zmiennym przekroju. Dzięki zastosowaniu dodatków modyfikujących własności betonu natryskowego uzyskać można żądane walory obudów powłokowych takie jak wysoka przyczepność, krótki czas wiązania mieszanki betonowej, wysoka wytrzymałość (niska wartość w/c – wskaźnika wodno-cementowego). Tworzywa konstrukcyjne z modyfikowanych betonów natryskowych w polskim górnictwie są obecnie głównie stosowane do interwencyjnych napraw i zabezpieczenia intensywnie eksploatowanych lub awaryjnie uszkodzonych obiektów. Sporadycznie modyfikowane betony natryskowe znalazły zastosowanie jako samodzielna obudowa powłokowa.

Zastosowanie betonu natryskowego w połączeniu z innymi rodzajami obudów i zabiegów technologicznych pozwala na uzyskanie przez obudowę wymaganej nośności.

Obudowa (przekopów, sztolni, szybów, wyrobisk komorowych, tuneli, zbiorników podziemnych itp.) musi cechować się wysokim stopniem bezpieczeństwa, trwałości niemal nieograniczonej, wodoszczelności, małej nasiąkliwości, odporności korozyjnej i w wielu przypadkach odporności ogniowej, a co najważniejsze bardzo szybkim osiągnięciem dużej wytrzymałości, pozwalając w krótkim okresie czasu zabezpieczyć odsłonięty górotwór. Takim tworzywem jest na pewno beton natryskowy z makro zbrojeniem włóknami polimerowymi (fibrobeton), który poprzez dobór podstawowych składników (dodatków, domieszek) można wybitnie udoskonalić. Beton natryskowy zbrojony włóknem o właściwie dobranym składzie – dostosowanym do warunków eksploatacji – cechuje się odpowiednią jakością, a szczególnie wytrzymałością na zginanie, ścinanie, ścieranie, zmęczenie, docisk miejscowy, ściskanie wielokierunkowe oraz podwyższoną odkształcalnością do momentu zarysowania, odpornością na uderzenia oraz obniżonym skurczem. Beton natryskowy zbrojony  makro włóknami jest jednorodny, ma tę samą wytrzymałość we wszystkich kierunkach. W przeciwieństwie do betonu zwykłego, który jest kruchy, staje się elasto-plastycznym. Beton zwykły po pojawieniu się pęknięcia traci swoją odporność na obciążenia i ulega zniszczeniu. Beton zbrojony włóknem natomiast po przekroczeniu obciążenia, powodującego pojawienie się pierwszej rysy ma nadal dużą wytrzymałość i cechy materiału elasto-plastycznego.

W budownictwie podziemnym beton natryskowy był najczęściej związany z wykonywaniem betonu w postaci konstrukcji wzmacnianej zbrojeniem stalowym składającym się z siatek z prętów stalowych. Zbrojenie to zastępuje się obecnie coraz częściej zbrojeniem rozproszonym z włókien. Beton natryskowy zbrojony włóknem charakteryzuje się zwiększoną odpornością na powstawanie rys i spękań (stosowany jest w przypadkach wymaganej wysokiej wytrzymałości, trwałości lub odporności na ścieranie).

Badania betonu natryskowego z makro zbrojeniem pokazało, że jest to tworzywo o wysokiej wytrzymałości, użycie zbrojenia rozproszonego zapobiegało  w sposób radykalny niszczeniu tradycyjnie stosowanego „torkretu”. W wyniku tego beton natryskowy z makro zbrojeniem (zwany „fibrobetonem”) oprócz funkcji izolacyjnej zapobiega odprężaniu się skał, spełniając tym samym funkcję obudowy. Kilkunastoletnie doświadczenie pokazało, że celowym jest stosowanie betonu natryskowego w budownictwie podziemnym do następujących celów :

• jako obudowa powłokowa wyrobisk kapitalnych, wykonana metodą mokrej i suchej mieszanki, w dwóch wariantach:
  • - obudowa wstępna i warstwa izolacyjna wykonana za postępem przodka (bez obudowy kotwiowej lub w połączeniu z obudową kotwiową),
  • - obudowa ostateczna wykonywana w dalszej odległości od przodka o grubości zgodnie z wymogami technicznymi.
• jako wzmocnienie istniejącej już obudowy,
• jako trudnościeralny materiał wykonany metodą natrysku w zbiornikach podziemnych itp.

Badania potwierdziły, że dzięki stosowanej technologii układania beton natryskowy z makro zbrojeniem (zbrojeniem rozproszonym) jest doskonałym materiałem konstrukcyjnym, nadającym się dla budownictwa podziemnego przede wszystkim tam gdzie jest wymagana duża wytrzymałość na ściskanie i zginanie, trwałość i wodoszczelność.

Specyfikacje i normy określające zasady wykonania i badania betonu natryskowego.

Beton natryskowy w górnictwie i budownictwie podziemnym dotychczas wykonywano na podstawie Polskiej Normy PN-G-14100 Podziemne wyrobiska korytarzowe i komorowe. Beton natryskowy- wymagania i badania. Norma ta w grudniu 1997 roku zastąpiła normę BN-07/0434-06. Beton natryskowy, wykonywano w wielu dziedzinach gospodarki w oparciu o instrukcje urządzeń do natrysku, ogólne normy betonowe i Instrukcję ITB 299/1991 „Wykonywanie betonu natryskowego”. Po za granicami Polski wykonanie i badanie betonu natryskowego określała Europejska Specyfikacja dla Betonu Natryskowego wydana przez EFNARC w 1996r.. W 2006r. wprowadzono dwuczęściową normę PN-EN 14487-1:2006  Beton natryskowy cz. 1: Definicje, wymagania i zgodność oraz PN-EN 14487-2:2006  Beton natryskowy cz. 2: Wykonywanie . Powyższa norma uzupełniona została siedmioelementową normą PN-EN 14488-1÷7 dotyczącą badania betonu natryskowego. Uzupełnieniem powyższych norm są normy PN-EN 14889-1 z listopada 2007

– Włókna do betonu, Część 1 Włókna stalowe, definicje, wymagania i zgodność; PN-EN 14889-2 z listopada 2007 – Włókna do betonu, Część 2 Włókna polimerowe, definicje, wymagania i zgodność.

Podsumowując

Beton natryskowy zbrojony włóknem (makro zbrojeniem) jest jednorodny, ma tę samą wytrzymałość we wszystkich kierunkach w przeciwieństwie do betonu zwykłego, który jest kruchy. Podstawowym celem tworzenia fibrobetonów jest zwiększenie odporności materiałów na pękanie. W celu zatrzymania propagacji rys wprowadza się zbrojenie w postaci makro włókien. Fibrobeton po zarysowaniu matrycy może przenieść jeszcze znaczne obciążenia rozciągające. Rysy nie propagują się swobodnie, są zatrzymywane przez włókna. Długie makro włókna, rozproszone w kompozycie istotnie zwiększają wytrzymałość na rozciąganie. Stosując włókna można w znacznej mierze kształtować zachowanie materiału i uzyskiwać rozmaite wykresy obciążenie – ugięcie, stosownie do potrzeby. Kompozyty o matrycach betonopodobnych są zbrojone przeważnie włóknami: stalowymi, szklanymi, polimerowymi, a także pochodzenia organicznego.

Zastosowanie zbrojenia rozproszonego czyni z betonu materiał jednorodny, posiadający tę samą wytrzymałość we wszystkich kierunkach. W przeciwieństwie do betonu zwykłego, który jest materiałem kruchym, beton ze zbrojeniem rozproszonym (polimerowym) staje się materiałem sprężysto-plastycznym. Beton zwykły po pojawieniu się pęknięcia traci swoją odporność na obciążenia i ulega zniszczeniu. Beton zbrojony włóknem natomiast po przekroczeniu obciążenia, powodującego pojawienie się pierwszej rysy ma nadal dużą wytrzymałość i cechy materiału elasto-plastycznego. W celu określenia odpowiednich parametrów mieszanek betonu natryskowego należy wykonać badania porównawcze betonów bez zbrojenia rozproszonego oraz betonów ze zbrojeniem rozproszonym polimerowym (makro włókien). Badania mieszanek muszą pozwolić na przyporządkowanie ich do odpowiedniej klasy absorpcji energii (klasy absorpcji energii E500, E700 i E1000 odpowiadające wielkości energii w dżulach przy ugięciu płyty o 25 mm, oznaczonej badaniem wg. PN- EN-14488-5):

W trakcie badań należy zwrócić uwagę na możliwość stosowania betonu natryskowego metodą na sucho oraz na mokro.
Beton natryskowy musi spełniać wymagania normowe: PN-G- 14100, PN-EN-14487, PN-EN- 14488.
Badania wytrzymałościowe muszą być przeprowadzone porównawczo na betonach posiadających zbrojenie rozproszone oraz na betonach natryskowych tradycyjnych (bez zbrojenia rozproszonego).
Beton natryskowy zbrojony włóknami (zbrojenie rozproszone) należy wykonać zgodnie z normą PN-EN-14889:
- włókna stalowe PN-EN-14889-1,
- włókna polimerowe PN-EN-14889-2.

Do badań muszą być użyte włókna posiadające zaliczenie zgodnie z normą do włókien konstrukcyjnych, w trakcie badań należy ustalić ilość włókien w m3 mieszanki betonowej pozwalające osiągnąć maksymalny efekt zbrojenia.

5. Badania betonu natryskowego muszą spełniać wymagania normowe – zgodnie z normą PN-EN-14488-1÷7 oraz wytycznymi EFNARC dotyczącymi betonów natryskowych ze szczególnym uwzględnieniem panel testu (PN-EN-14488-5 klasy absorpcji energii), zginania belki oraz badania wytrzymałości na ścinanie. Badania betonu natryskowego zbrojonego włóknami pozwolą określić optymalny jego skład, rodzaj włókien, ich ilość, sposób torkretowania (na sucho, na mokro). Wyniki badań dadzą odpowiedź na możliwość zastosowania betonu natryskowego zbrojonego włóknami jako:

• - obudowę tymczasową,
• - obudowę ostateczną,
• - wzmocnienie obudowy istniejącej.

Wielokrotnie przeprowadzane badania porównawcze betonu natryskowego dały możliwość pokazania wysokich parametrów wytrzymałościowych betonu zbrojonego włóknami. Beton natryskowy ze zbrojeniem rozproszonym to materiał konstrukcyjny pozwalający w efektywny sposób wzmocnić obudowę wyrobisk korytarzowych zależnie od klasy absorpcji energii. Badania potwierdziły, że dzięki stosowanej technologii układania beton natryskowy z makro zbrojeniem (zbrojeniem rozproszonym) jest doskonałym materiałem konstrukcyjnym, nadającym się dla budownictwa podziemnego przede wszystkim tam gdzie jest wymagana duża wytrzymałość na zginanie, rozciąganie, ściskanie, trwałość i wodoszczelność.

Należy pamiętać, że beton natryskowy  ze zbrojeniem rozproszonym posiada cechy materiału elasto-plastycznego (przeprowadzone badania wykazały, że beton zwykły po pojawieniu się pierwszego pęknięcia traci swą odporność na obciążenia i ulega zniszczeniu, beton zbrojony włóknem natomiast po przekroczeniu obciążenia powodującego pojawienie się pierwszej rysy nadal wykazuje dużą wytrzymałość czyli w dalszym ciągu jest zdolny do przenoszenia obciążeń górotworu), nie jest materiałem kruchym co daje nam duże możliwości projektowe przy drążeniu nowych wyrobisk jak i przy wzmacnianiu obudowy wyrobisk  już istniejących.

Jak już wcześniej wspomniano tworzywa konstrukcyjne z modyfikowanych betonów natryskowych zawierające zbrojenie rozproszone w postaci makro włókien polimerowych w polskim górnictwie są obecnie głównie stosowane do interwencyjnych napraw i zabezpieczenia intensywnie eksploatowanych lub awaryjnie uszkodzonych obiektów (np. skorodowana obudowa stalowa, uszkodzone obudowy betonowe podziemnych zbiorników oraz obudowy szybów). Sporadycznie modyfikowane betony natryskowe znalazły zastosowanie jako samodzielna obudowa powłokowa, powyższa sytuacja ulega jednak stopniowej zmianie.

W budownictwie podziemnym (górnictwo – wyrobiska korytarzowe, wyrobiska komorowe, szyby, wloty szybowe, zbiorniki podziemne oraz tunele) obudowy wymagają dużej odporności na otaczające agresywne środowisko – woda, gazy. Powyższą odporność w porównaniu do zbrojenia stalowego stanowią makro włókna polimerowe.

Szczególnie polecamy makro włókna dwukomponentowe typu CONCRIX ES oraz CONCRIX HS 35.
 

Rodzaje włókien:

• CONCRIX ES 50
• CONCRIX HS 35

Doradztwo Techniczne:

Fiber Concrete Biuro Inżynierskie
Kontakt tel. +48 515 420 066
e-mail: fiberconcrete59@gmail.com