tom 7 - uwarunkowania sanitarno-inżynieryjne

POLITECHNIKA BIAOSTOCKA

WYDZIA BUDOWNICTWA

I INYNIERII RODOWISKA

POLSKIE ZRZESZENIE INYNIERW

I TECHNIKW SANITARNYCH

MONOGRAFIE

INYNIERIA RODOWISKA MODYM OKIEM

TOM 7

UWARUNKOWANIA SANITARNO INYNIERYJNE

Iwona Skoczko

Janina Piekutin

Aleksandra Zarzecka

Biaystok 2014

INYNIERIA RODOWISKA MODYM OKIEM TOM 7, 2014

2

INYNIERIA RODWISKA MODYM OKIEM

TOM 7

UWARUNKOWANIA SANITARNO - INYNIERYJNE

pod redakcj

Iwony Skoczko

Janiny Piekutin

Aleksandry Zarzeckiej

Oficyna Wydawnicza Politechniki Biaostockiej

Biaystok 2014


3

POLITECHNIKA BIAOSTOCKA

WYDZIA BUDOWNICTWA

I INYNIERII RODOWISKA

POLSKIE ZRZESZENIE INYNIERW

I TECHNIKW SANITARNYCH

MONOGRAFIE

TOM 7


4

Serdecznie dzikujemy naszym patronatom za pomoc

w organizacji uroczystoci

i wydaniu niniejszej publikacji.

POLITECHNIKA

BIAOSTOCKA

WYDZIA BUDOWNICTWA

I INYNIERII

RODOWISKA

Pod patronatem Rektora Politechniki Biaostockiej

prof. dr hab. in. Lecha Dzienisa

Patronat medialny:


5

Redaktor tomu:

Iwona Skoczko

Janina Piekutin

Elbieta Grygorczuk - Petersons

Aleksandra Zarzecka

Zesp redakcyjny:

Iwona Skoczko Redaktor Naczelny

Janina Piekutin Redaktor Naczelny

Aleksandra Zarzecka Skad monografii

Katarzyna Wilamowska Skad monografii

Recenzenci monografii:

dr hab. in. Mariusz Dudziak

dr in. Dariusz Andraka

Zesp naukowy:

dr hab. in. Iwona Skoczko Politechnika Biaostocka

dr n. tech. Janina Piekutin Politechnika Biaostocka

dr hab. in. Jacek Piekarski, prof. PK - Politechnika Koszaliska

dr hab. in. Mariusz Dudziak Politechnika lska

prof. nzw. dr hab. Boena ozowicka Instytut Ochrony Rolin

prof. dr hab. in. Jzefa Wiater Politechnika Biaostocka

prof. dr hab. in. Rafa Miaszewski Politechnika Biaostocka

dr hab. in. Katarzyna Ignatowicz Politechnika Biaostocka

dr hab. in. Mirosaw ukowski, prof. PB - Politechnika Biaostocka

prof. Aleksey Ternovtsev Kijowski Narodowy Uniwersytet Budownictwa i Architektury

prof. Dmitry Spitsov Moskiewski Pastwowy Uniwersytet Budownictwa

dr n. tech. Joanna Szczykowska Politechnika Biaostocka

dr in. Anna Siemieniuk Politechnika Biaostocka

dr in. Elbieta Grygorczuk Petersons Politechnika Biaostocka

dr in. Dariusz Andraka Politechnika Biaostocka

dr in. Katarzyna Gadyszewska Fiedoruk Politechnika Biaostocka

Wszystkie zamieszczone w monografii prace s recenzowane

Copyright by Politechnika Biaostocka, Biaystok 2014

ISBN 978-83-62582-53-2

Publikacja nie moe by w jakikolwiek sposb powielana i rozpowszechniana bez pisemnej zgody posiadacza

praw autorskich


Nakad: 100 egz.


Ul. Wiejska 45C, 15-351 Biaystok Tel.: 85 746 91 37 fax: 85 746 90 12

e-mail: [email protected]

www.pb.edu.pl

mailto:[email protected]


6

SPIS TRECI

Wpyw mineralizacji wypeniacza organicznego na waciwoci kompozytw

cementowych ..................................................................................................................... 7

mgr in. Anna Krupa

Modelowanie odpywu wd opadowych z ekstensywnego dachu zielonego

w programie SWMM5 .................................................................................................... 40

mgr in. Magorzata Sobczyk

Haas w otoczeniu drg i ulic problemy oceny i dziaania ochronne ........................... 59

mgr in. Pawe Gierasimiuk, mgr in. Marek Motylewicz

Niektre problemy sieci kanalizacyjnych przedstawione za pomoc technik wizyjnych

na podstawie pracy kamery TV w Wodocigach Biaostockich ..................................... 95

mgr in. Mariusz Tarnowski

Porwnanie uytecznoci programw AutoCAD Civil 3D oraz HEC-RAS w

modelowaniu skutkw katastrof budowli pitrzcych .................................................. 124

mgr in. ukasz Borsuk


7

mgr in., Anna Krupa1

Politechnika Biaostocka, Katedra Materiaw, Technologii i Organizacji Budownictwa

ul. Wiejska 45E, 15-351 Biaystok

e-mail: [email protected]

Wpyw mineralizacji wypeniacza organicznego na waciwoci

kompozytw cementowych

Sowa klucze: mineralizacja, trzcina pospolita, trociny z drzew iglastych

Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki bada nad mineralizacj wypeniaczy organicznych lekkich

kompozytw cementowych. W badaniach zastosowano zmienn zawarto mineralizatorw w postaci siarczanu

glin Al2(SO4)3 i wapna hydratyzowanego Ca(OH)2. Wykonane badania przemawiaj za tym, e istnieje moliwo

wykorzystania surowcw odpadowych (trociny z drzew iglastych) oraz surowcw rolinnych (trzcina pospolita

Phragmites australis) do produkcji betonw jako zamiennik kruszyw mineralnych. Wykazano suszno

wprowadzenia mineralizatorw, dziki czemu mona uzyska kompozyty cementowe na bazie wypeniaczy

organicznych o dobrych waciwociach fizyko-mechanicznych.

1. Wstp

Ze wzgldu na ograniczony zapas kruszyw skalnych oraz gospodarcz potrzeb

zuytkowania odpadw przemysu, lenictwa i rolnictwa zmierza si w kierunku wdroenia

ekologicznych wyrobw. Kruszywa mineralne powstajce przez cae epoki geologiczne przy

intensywnym rozwoju budownictwa mog by wyczerpane. Ponadto ochrona rodowiska

w znacznym stopniu ogranicza moliwoci pozyskiwania surowcw naturalnych. Moemy

wywnioskowa z tego, e ceny kruszywa w przyszoci wzrosn, a wic zwikszy

si zapotrzebowanie na surowce pochodzenia rolinnego. Wynika std potrzeba przyspieszenia

prac badawczych dotyczcych wprowadzania i stosowania materiaw, ktre s atwe do

pozyskania, ekologiczne, tanie i trwae. Zamiennikami kruszyw mog by odpady drzewne,

trzcina i inne materiay pochodzenia organicznego, ktre s jednym z gwnych skadnikw

kompozytw cementowych z wypeniaczami organicznymi.

Trzcina pospolita jest najpopularniejsz rolin wystpujc na terenach podmokych w

wielu krajach. Jest rolin wartociow, znajdujc zastosowanie w budownictwie jako

materia posiadajcy wysokie waciwoci termoizolacyjne. Trzcina ma rwnie walory

ekologiczne. W trakcie wzrostu pochania CO2 z powietrza wbudowujc go w struktur swoich

tkanek. Sadzona jest na poletkach oczyszczalni ciekw jako utylizator zanieczyszcze


8

chemicznych. Mode roliny przerabiane s na pasze. Kcza wykorzystywane s w lecznictwie.

Do 10,8 % masy trzciny stanowi skadniki mineralne gwnie krzemionka. Zawiera rwnie

cukry, wosk i saponiny. Ma bardzo wysok odporno na ogie, mrz, wysokie pH i zasolenie.

Te wszystkie cechy spowodoway, e ju od dawnych czasw stosowana jest w budownictwie

w postaci pyt izolacyjnych, mat trzcinowych pod tynk,

do krycia dachw, podejmowane s prby zastosowania trzcinobetonowych elementw

w konstrukcji budynkw [1,2].

W badaniach laboratoryjnych jako wypeniacz zastosowano trzcin rzeczn oraz

odpady drzew iglastych w postaci trocin. Trzcina oraz trociny stanowice podstawowe

skadniki kompozytw cementowych zawieraj szereg zwizkw organicznych, takich jak:

poliozy drzewne, krochmal, zwizki politynowe, celuloz, hemiceluloz, pentozany, pektyny,

ktre w rodowisku zasadowym lub kwanym mog rozpada si i przechodzi w cukry proste:

sacharoz (C12H12O11), glukoz (C6H12O6) i ksyloz (C5H10O5). Cukry te, jako zwizki atwo

rozpuszczalne w wodzie, powoduj wytwarzanie hydrofilowych warstw adsorpcyjnych wok

ziaren cementu. Warstwy te hamuj proces hydratacji i hydrolizy czstek cementu, szczeglnie

w pocztkowym stadium, z powodu powstawania znacznych oporw dyfuzyjnych. Innym

szkodliwym procesem dziaania powstaych warstw adsorpcyjnych jest utrata zdolnoci

czenia si produktw hydratacji cementu pod wpywem si molekularnych

i koagulacji [3]. W zwizku z powyszym wypeniacz organiczny naley odpowiednio

zabezpiecza poprzez mineralizacj zastosowanego kruszywa rolinnego.

1.1. Mineralizacja wypeniacza organicznego

Mineralizacj trzciny zajmowano si w Polsce ju w latach szedziesitych ubiegego

wieku. Wypywao to z praktycznych potrzeb budownictwa. Wielorakie zastosowanie trzciny

wymagao zmiany pewnych jej waciwoci technicznych. Zagadnienie to stao si specjalnie

wane, kiedy zaczto stosowa trzcin do wyrobu betonw lekkich, poniewa cakowicie

pomylne jego rozwizanie nie mogo by spenione wobec stosunkowo szybkiego niszczenia

samej trzciny wewntrz betonu. W zwizku z tym spraw kluczow stao si w tym przypadku

znalezienie moliwoci przeduenia trwaoci wypeniacza organicznego, przy uyciu jak

najprostszych i jak najtaszych rodkw. Uwaano, e mona okreli odpowiednie preparaty

i technologie mineralizacji trzciny, ktre mog zwikszy

jej wytrzymao, obniy higroskopijno i wpyn korzystnie na stao objtoci

w betonie [3,4].


9

Do najczciej stosowanych rodkw chemicznych nazywanymi mineralizatorami

nale:

- Chlorek wapnia CaCl2 powstaje w wyniku reakcji wapnia z kwasem wglowym

lub jako produkt uboczny przy wytwarzaniu kwasu wglowego, bd przy tworzeniu sody

metod amoniakaln. Sprzedawany jest w postaci krystalicznej, jako bezbarwne bryy lub

patki [5]. W procesie mineralizacji jest stosowany jako wodny roztwr, ktrego stenie

jest dokadnie dobierane do warunkw produkcji i najczciej wynosi 3 6%.

Przedawkowanie tego rodka powoduje wykwity soli na powierzchni gotowych wyrobw,

podwysza higroskopijno tworzywa oraz dziaa silnie korodujc na stal zbrojeniow [6].

- Szko wodne tworzy krzemiany alkaliw o rnym skadzie stechiometrycznym.

W handlu spotyka si je jako stopione masy lub ich roztwory wodne. W budownictwie

znajduje zastosowanie szko wodne sodowe i potasowe. Z bada przeprowadzonych

na polskich cementach wynika, e powoduje ono gwatowne przyspieszenie wizania

cementu. Badania z dodatkiem szka wodnego w iloci od 1 do 5% do wirobetonu day

potwierdzenie o spadku wytrzymaoci na ciskanie po 28 dniach. Spadkowi wytrzymaoci

towarzyszyo znaczne osuszenie wyrobu [5]. Dodatni stron stosowania szka wodnego,

jako rodka mineralizujcego, jest to, e nie ma ono negatywnego wpywu na stal

zbrojeniow, poniewa nie powoduje jej korozji. Natomiast wad jest jego wraliwo na

dziaanie wody oraz dwutlenku wgla zawartego w powietrzu. Naley zabezpiecza je przed

wysychaniem oraz dziaaniem niskich temperatur, gdy poniej 0oC zmienia swoj struktur

[6].

- Siarczan glinu i wapno hydratyzowane otrzymuje si przez rozpuszczenie wodorotlenku

glinowego lub czystego botoksu w kwasie siarkowym i przez odparowanie roztworu.

Siarczan glinu atwo hydratyzuje, tak jak inne sole glinowe, a jego roztwr reaguje kwano.

Jako rodek mineralizujcy stosowany jest w postaci uwodnionego roztworu o steniu 3

5%. Do dua liczba kwasowa siarczanu glinu (3 5 pH) powoduje konieczno stosowania

mleka wapiennego w celu zobojtnienia odczynu mineralizatora. Z bada wynika, e

siarczan glinu, uywany w poczeniu z wapnem hydratyzowanym, jest skutecznym

rodkiem mineralizujcym. Natomiast najlepsze wyniki pod wzgldem wytrzymaociowym

uzyskiwano stosujc proporcje 1:2, to jest 56% siarczanu glinu i 1012% wapna

hydratyzowanego w stosunku do masy kruszywa organicznego [5].

- Siarczan magnezu tworzy kilka rnych hydratw. Stosowany jest do zarobienia spoiw

magnezjowych, jednak wpywa ujemnie na wytrzymao tworzywa. Gotowe wyroby nie s

odporne na wilgo. Z przeprowadzonych bada, w trakcie ktrych by stosowany siarczan


10

magnezu w iloci 5 15% wapna hydratyzowanego, otrzymano ponad trzykrotny wzrost

wytrzymaoci w stosunku do wirobetonu bez rodkw mineralizujcych [5].

- Gips w zoach wystpuje przewanie jako zanieczyszczenie mechaniczne, w postaci iw

lub ziaren piasku. Poszczeglne jego krysztay s zwykle przezroczyste i bezbarwne,

chocia bywaj take zabarwione na kolor szary, miedzianoty, czerwony, a nawet czarny.

Zabarwienie gipsu uzalenione jest od rodzaju domieszek [7].

- Glina stanowi skomplikowan mieszanin mineraw ilastych, ktre s produktami

wietrzenia ska magmowych, gwnie skaleni. Glina jest bogata w rnorodne mineray

zawierajce wiele zwizkw chemicznych, wykorzystywanych ju uprzednio do

mineralizacji wypeniaczy pochodzenia organicznego. Zawiesin glinow byy

mineralizowane midzy innymi trociny w trocinobetonie czy wiry w wirobetonie [7].

Badania [8] wykazay, i najbardziej podatny na szkodliwe dziaania wglowodanw,

czyli cukrw jest krzemian trjwapniowy (3CaOSiO2) ktry, jako gwny skadnik cementu

okrela wczesny przyrost wytrzymaoci na ciskanie wieego kompozytu cementowego.

W zwizku z tym celowym jest wyczenie cukrw z trzciny (szczeglnie z jej

powierzchniowych warstw), a nastpnie poczenie ich w zwizki nieszkodliwe dla procesu

hydratacji [3]. Proces mineralizacji zabezpiecza substancj organiczn przed rozkadem

i rozwojem czynnikw niszczcych oraz minimalizuj wpyw niektrych waciwoci tych

substancji, takich jak pcznienie, skurcz i sprysto. Zwiksza ponadto przyczepno spoiwa

do wypeniacza, a take przypiesza jego czas wizania i twardnienia. rodki mineralizujce s

dobierane w zalenoci od typu zastosowanego wypeniacza i jego pochodzenia [9].

W przeprowadzonych w artykule badaniach do mineralizacji trzciny rzecznej i trocin

zastosowano zmienn zawarto mineralizatorw: siarczan glinu Al2(SO4)3 w postaci staej,

ktry po rozpuszczeniu w wodzie nadaje odczyn kwany (pH 35) oraz wapno hydratyzowane

Ca(OH)2 w postaci staej, ktre w stanie rozpuszczonym w wodzie zobojtnia roztwr.

Dziaanie roztworu siarczanu glinu jako mineralizatora zabezpiecza wypeniacz

organiczny przed procesem rozpuszczania si cukrw zoonych oraz wpywa

na zmniejszenie higroskopijnoci i nasikliwoci betonw na bazie wypeniaczy organicznych.

Rola wapna hydratyzowanego polega na podwyszeniu skutecznoci gwnego mineralizatora

(siarczanu glinu) przez zobojtnienie jego kwanego odczynu oraz

na zwikszeniu uplastycznienia mieszanki [7].

1.2. Badania strukturalne


11

Zazwyczaj badania materiaw budowlanych okrelajce ich waciwoci techniczne

przeprowadza si na podstawie oznacze normowych, ktre daj pewne wartoci liczbowe, ale

nie udzielaj odpowiedzi na pytanie: dlaczego? Uzyskanie odpowiedzi na pytanie, jaka jest

przyczyna, e materia wykazuje takie a nie inne waciwoci oraz z czego wynika jego

zachowanie si w rnych warunkach rodowiska, jest moliwe dziki kompleksowym

badaniom strukturalnym, ktre maj due znaczenie dla poznania procesw powstawania

i wiadomego ksztatowania materiaw oraz ich oceny [10].

Badania strukturalne prowadzi si rnymi metodami stosowanymi na og

kompleksowo, do ktrych zalicza si: obserwacje przy uyciu mikroskopw optycznych

i elektronowych, badania mikrosond elektronow, spektroskopi w podczerwieni, badania

rentgenostrukturalne i porozymetryczne oraz wspomagajc te badania termiczn analiz

rnicow. Badania mikroskopowe s szeroko stosowane do szybkiej identyfikacji skadnikw

mineralnych materiaw budowlanych. Pozwalaj ustali zarwno jakociowy, jak i ilociowy

skad mineralny i daj pewien pogld o przebiegu procesw przemian fizykochemicznych [10].

Badania prowadzone przy uyciu mikroskopw optycznych opieraj si na analizie

waciwoci optycznych materiaw. Waciwoci te s zwizane z wewntrzn budow

materiaw i s cechami charakteryzujcymi kad substancj. Wiadomo, e wszystkie ciaa w

zalenoci od budowy wewntrznej dzieli si na krystaliczne (o uporzdkowanej budowie,

dalekiego zasigu) i bezpostaciowe (o budowie nieuporzdkowanej). W mikroskopii optycznej

stosowane s mikroskopy do bada w wietle przechodzcym oraz odbitym. Wynika to z faktu,

e jest wiele mineraw nieprzezroczystych, ktrych identyfikacja jest konieczna przy ustalaniu

wzajemnych relacji strukturalnych. Badania w wietle przechodzcym prowadzone s na

preparatach proszkowych z wykorzystaniem cieczy impersyjnych. Dla materiaw

budowlanych stanowicych czsto ukady wieloskadnikowe, jakimi s betony, oznaczenie

charakterystyk optycznych jest trudne. Badania w wietle odbitym prowadzone s na

preparatach w postaci zgadw polerowanych jednostronnie. Czasami s one trawione

odpowiednimi odczynnikami, ktre dziaajc na skadniki preparatu ujawniaj jego struktur.

Wykorzystuj si tu zdolnoci materiaw do odbijania wiata padajcego na paszczyzny

polerowane [10].

W przypadku bada materiaw budowlanych, takich jak beton, badania mikroskopii

optycznej pozwalaj wyodrbni skadniki: kruszywo grube, piasek, pory, zaczyn, a w nim np.

nieuwodnione ziarna klinkieru. Umoliwiaj okrelenie bardziej szczegowo mikrostruktury,

skadu mineralnego uytego kruszywa i jego iloci, ksztatu niektrych produktw hydratacji

cementu, ksztatu, wielkoci i rozoenia oraz iloci porw w prbce, szerokoci, dugoci i


12

kierunku rys, stanu strefy kontaktowej midzy zaczynem i kruszywem, a tym samym zmian

zachodzcych w betonie [10].

Potrzeba uzyskania bardzo duych powiksze, niemoliwych do osignicia

w mikroskopii optycznej, a tym samym uzyskanie lepszej zdolnoci rozdzielczej, doprowadzia

w latach midzywojennych do skonstruowania mikroskopu elektronowego. Niezwykle szybki

rozwj mikroskopii elektronowej by wynikiem koniecznoci bada

w najrniejszych dziedzinach elektronice, metalurgii, ceramice, budownictwie, medycynie.

W badaniach metod mikroskopii elektronowej do tworzenia obrazw szczegw powierzchni

badanej prbki wykorzystuj si strumie elektronw skupiany soczewkami elektrycznymi, a

czciej magnetycznymi. W mikroskopie elektronowym promieniowanie wietlne stosowane

w klasycznym mikroskopie optycznym zostao zastpione wytwarzanym przez dzieo

elektronowe strumieniem elektronw, poruszajcych si w prni. Pocztkowo bardziej

popularny by mikroskop elektronowy typu przewietleniowego, zwany w skrcie TEM

(Transmission Electron Microscope), ale ze wzgldu na atwiejsze przygotowanie prbek

wypar go elektronowy mikroskop skaningowy SEM (Scanning Electron Microscope), zwany

te w Polsce EMS. Dopenieniem bada mikroskopowych s mikroanalizatory rentgenowskie

tzw. mikrosondy oraz przystawki do mikroskopw skaningowych, suce

do oznaczania skadu chemicznego obszarw badanych mikroskopowo oraz komputerowa

analiza obrazw. Za ich pomoc uzyskuje si informacje o skadzie jakociowym

oraz ilociowym pierwiastkw zawartych w badanych mineraach [10].

Mikroskopia skaningowa pozwala prowadzi m. in.: badania procesw starzenia si

materiaw i wyrobw oraz oddziaywa agresywnoci rodowiska i czynnikw

eksploatacyjnych, weryfikacj skutecznoci domieszek modyfikujcych kompozyty i analizy

nowych rozwiza materiaowych. Daje informacje dotyczce powstawania produktw

uwodnienia spoiw w rnych warunkach twardnienia. Pozwala wyrni produkty hydratacji

oraz ich wzajemne relacje. W przypadku betonw due znaczenie maj badania strefy

kontaktowej kruszywo zaczyn (strefa ta decyduje w istotnym stopniu wytrzymaoci,

mrozoodpornoci, a oglnie o trwaoci kompozytu). Mona te okreli tendencje zmian

zachodzcych pod wpywem rnych czynnikw w mikrostrukturze rozpatrywanego betonu

[10].

Struktura cementu zhydratyzowanego:

wiey zaczyn cementowy tworzy plastyczny ukad czsteczek w wodzie, jednak

do momentu zwizania jego pozorna lub oglna objto pozostaje w przyblieniu staa.

Na kadym etapie procesu hydratacji w skad stwardniaego zaczynu cementowego wchodz


13

hydraty rnych zwizkw cznie okrelanych jako el, krysztay Ca(OH)2, skadniki

drugorzdne, niezhydratyzowany cement i pozostaoci po obszarach, ktre w wieym

zaczynie byy wypenione wod. Pustki te nazywa si porami kapilarnymi. Natomiast

w samym elu istniej take pustki wewntrzne okrelane porami elowymi [5].

Na rys. 1 pokazano w sposb schematyczny wystpujce w zhydratyzowanym zaczynie

cementowym dwa odrbne rodzaje porw. Kropki oznaczaj czsteczki elu,

nie wypenione miejsca midzy nimi to pory elowe, ktre pokazano w przesadnym

powikszeniu. Powierzchnie oznaczone liter K to pory kapilarne.

Rysunek 1. Uproszczony model struktury zaczynu cementowego

rdo: Dawdo Cz. [5]

Pory kapilarne na kadym etapie hydratacji zajmuj t cz cakowitej objtoci, ktra

nie zostaa wypeniona przez produkty hydratacji. Poniewa produkty te zajmuj ponad

dwukrotn objto fazy staej, czyli cementu, objto maleje wraz z postpem hydratacji.

Pory maj zrnicowane ksztaty i tworz poczony system o ukadzie przypadkowym, ktry

przenika zaczyn cementowy. Poczony system porw kapilarnych wpywa na to,

e stwardniay zaczyn cementowy jest przepuszczalny, przez co wraliwy na dziaanie mrozu.

Hydratacja zwiksza jednak zawarto fazy staej, a w dojrzaych i gstych zaczynach kapilary

mog zosta zablokowane przez el i porozdzielane w taki sposb, e powstanie ukad kapilar

poczonych jedynie porami elowymi. Niewystpowanie cigych kapilar jest wynikiem

kombinacji waciwego stosunku wodno-cementowego i dostatecznie dugiej pielgnacji na

mokro [5].


14

Pory elowe s wzajemnie poczonymi przestrzeniami midzywzowymi, ktre

wystpuj midzy czstkami elu. Pory te s znacznie mniejsze od porw kapilarnych a take

ich wymiar jest o jeden rzd wielkoci wikszy ni wymiar czsteczki wody. Z tego powodu

cinienie pary i ruchliwo wody absorbowanej rni si od odpowiednich waciwoci wody

swobodnej. Ilo wody, ktra moe ulega absorbcji i desorbcji, okrela bezporednio

pozostao elu. Pory elowe zajmuj okoo 28% cakowitej objtoci elu, przy czym materia

powstajcy po wysuszeniu uwaa si za faz sta. Czsteczki elu maj na og ksztat

wknisty, a wizki tych wkien tworz poczon siatk, ktra zawiera pewne iloci mniej

lub bardziej amorficznego materiau midzykrystalicznego [5].

Zachowywanie si wody w zhydratyzowanym cemencie:

Zaczyn cementowy uwaany jest za higroskopijny ze wzgldu na hydrofilowy charakter

cementu. Ilo wody w zaczynie jest niezalena od wilgotnoci zewntrznej powietrza. Pory

kapilarne wskutek swoich znacznych rozmiarw, oprniaj si z wody wwczas, gdy

wzgldna wilgotno spada poniej 45%. Natomiast w porach elowych woda jest

absorbowana nawet przy bardzo niskiej wilgotnoci zewntrznej. Wedug Feldmana woda

w zhydratyzowanym cemencie ma rny stopie trwaoci. Najbardziej jest trwaa woda

zwizana chemicznie, a najmniej woda wolna. Midzy tymi kategoriami wystpuje woda

elowa, utrzymywana licznymi innymi sposobami. Woda utrzymywana przez siy

powierzchniowe czsteczek elu nazwa si wod adsorbcyjn. Ta jej cz wystpujca

miedzy powierzchniami niektrych paszczyzn w krysztale, nosi nazw wody

midzywarstwowej lub zeolitycznej. Woda sieciowa jest to ta cz wody krystalicznej, ktra

nie jest zwizana chemicznie z adnym z podstawowych skadnikw sieci krystalicznej. Woda

wolna utrzymuje si w kapilarach i jest poza zasigiem dziaania si powierzchniowych fazy

staej [5]. Na rys. 2 przedstawiono w sposb schematyczny struktur zhydratyzowanych

krzemianw z rnymi rodzajami wody.


15

Rysunek 2. Prawdopodobna struktura zhydratyzowanych krzemianw z rnymi rodzajami wody:

1 - woda adsorbowana, 2 - woda midzywarstwowa, 3 - patki tebermarytu, 4 - midzyczsteczkowe wizy

rdo: Dawdo Cz. [5]

Badania Suligmana wykonane przy uyciu jdrowego rezonansu magnetycznego

wykazay, e woda elowa ma t sam energi wizania co woda midzywarstwowa

w niektrych pczniejcych iach. Woda elowa moe wic wystpowa rwnie w formie

midzywartwowej [5].

Uproszczony model struktury betonw z wypeniaczami organicznymi:

W betonie lekkim z kruszywem rolinnym wyrnia si zaczyn cementowy skadajcy

si z czstek elu, porw elowych i kapilarnych (zgodnie z rys. 1) oraz np. wiry, ktrych pory

s czciowo wypenione wod z sokami, a czciowo z powietrzem. Kruszywo organiczne

przed poczeniem z zaczynem cementowym podlega procesowi mineralizacji podczas ktrej

pory uprzednio wypenione powietrzem wypeniaj si roztworem wodnym rodka

mineralizujcego, a pory wypenione wod z sokami otoczone s roztworem mineralizujcym,

ktry wchodzi z nimi w reakcj. Po wymieszaniu mineralizowanych

np. wirw z zaczynem cementowym, w uproszczonym modelu strukturalnym wystpuj

wiry z porami wypenionymi czciowo wod z sokami ulegajcymi zobojtnieniu

(w stosunku do cementu) oraz z pozosta iloci porw wypenionych roztworem wodnym

rodka mineralizujcego. Przedstawiony poniej na rys. 3 uproszczony model strukturalny

ma miejsce do czasu rozpoczcia hydratacji i twardnienia cementu (etap I).


16

Rysunek 3. Uproszczony model struktury zaczynu cementowego z wirami (etap I)

O- oznaczaj pory w wirze, wypenione roztworem wodnym rodka mineralizujcego,

- oznaczaj pory, w ktrych nie zaszy jeszcze reakcje chemiczne na skutek dziaania rodka

mineralizujcego.

rdo: Dawdo Cz. [5]

W dalszej kolejnoci powstaje szkielet w postaci przewarstwie z zaczynu cementowego.

el przenika w gb komrek porw (rys. 4) [5].


17

Rysunek 4. Uproszczony model struktury zaczynu cementowego z wirami (etap II):

1 - szkielet w postaci przewarstwie z zaczynu cementowego,

2 - wiry, 3 - przewarstwienie elu w gb komrek w wirze.

rdo: Dawdo Cz. [5]

2. Teren i metodyka bada

W przeprowadzonych badaniach laboratoryjnych jako kruszywo zastosowano trzcin

rzeczn oraz trociny z drzew iglastych, bdce produktem odpadowym wystpujcym podczas

obrbki mechanicznej drewna. Po wysuszeniu trzciny i oddzieleniu kwiatostanu pocito j na

odcinki dugoci do 20 mm i przesiano przez sita w celu uzyskania dwch frakcji: 210 mm

(kruszywo drobne trzcinowe) i 1020 mm (kruszywo grube trzcinowe). Trociny wysuszono i

przesiano przez sita otrzymujc frakcj 02 mm. Zarwno trzcin jak

i trociny przechowywano w warunkach laboratoryjnych (powietrzno-suchych). Na rys. 5

przedstawiono przygotowane kruszywo organiczne. Jako spoiwo uyto cementu

portlandzkiego o wysokiej wczesnej wytrzymaoci klasy CEM I 32,5R z cementowni Oarw,

odpowiadajcego wymaganiom normy PN-EN 197-1:2002. W celu zneutralizowania

szkodliwych zwizkw zawartych w kruszywach pochodzenia organicznego oraz stabilizacji

cech fizykochemicznych zastosowano mineralizatory w rnych wersjach recepturowych:

siarczan glinu Al2(SO4)3 w postaci staej uwodnionej oraz wapno hydratyzowane Ca(OH)2.

W przypadku nie stosowania tych substancji wypeniacz moe ulec szybko zniszczeniu.


18

Rysunek 5. Trociny i trzcina uyte do wykonania mieszanki betonowej

rdo: Opracowanie wasne

W celu ustalenia wpywu mineralizacji na waciwoci kompozytw cementowych

na bazie wypeniaczy organicznych zaplanowano dowiadczenie, w ktrym modyfikowano

zawarto czynnika X1 - siarczanu glinu w iloci od 010,5% oraz czynnika X2 - wapna

hydratyzowanego iloci od 021,0% w stosunku do cakowitej masy kruszywa organicznego.

Eksperyment oparto na planie dwuczynnikowym polisekcyjno-rotalno-quasi-uniformalnym

z dwukrotnym powtrzeniem dowiadczenia w punkcie centralnym. Macierz planowania

eksperymentu dla wielkoci kodowanych i rzeczywistych siarczanu glinu i wapna

hydratyzowanego przedstawiono w tab. 1.

Tabela 1. Macierz planowania eksperymentu dla naturalnych i kodowanych czynnikw wejciowych

Nr serii

Wielkoci kodowane Wielkoci rzeczywiste

x1 x2

X1

Siarczan

glinu

[%]

X2

Wapno

hydratyzowane

[%]

I.1 -1 -1 1,5 3,0

I.2 +1 +1 9,0 18,0

I.3 -1,414 0 0,0 10,5

I.4 +1,414 0 10,5 10,5

I.5 0 -1,414 5,3 0,0

I.6 0 +1,414 5,3 21,0

I.7 0 0 5,3 10,5

I.8 -1 +1 1,5 18,0

I.9 +1 -1 9,0 3,0

I.10 0 0 5,3 10,5

rdo: Opracowanie wasne na podstawie programu Statistica 10


19

Prbki laboratoryjne zostay wykonane w dziesiciu rnych seriach Poszczeglne

skady betonw projektowano przy zaoeniu staej iloci cementu, wody, kruszywa

organicznego oraz zmiennej zawartoci mineralizatorw. Receptury poszczeglnych

mieszanek betonowych przedstawiono w tab. 2.

Tabela 2. Receptury mieszanek betonowych na 1m3 o rnej zawartoci siarczanu glinu i wapna

hydratyzowanego

Seria

Cement

CEM I

32,5R

Woda

Kruszywo Mineralizatory

Trociny

0-2 mm

Trzcina

2-10

mm

Trzcina

10-20

mm

Siarczan

glinu

Wapno

hydratyzowane

48,6% 25,4% 26,0% Al2(SO4)3 Ca(OH)2

[kg] [dm3] [kg] [kg] [kg] [%] [kg] [%] [kg]

I.1 400 439,56 84,62 44,03 45,36 1,5 5,08 3,0 5,22

I.2 400 439,56 84,62 44,03 45,36 9,0 30,50 18,0 31,32

I.3 400 439,56 84,62 44,03 45,36 0,0 0,00 10,5 18,27

I.4 400 439,56 84,62 44,03 45,36 10,5 35,59 10,5 18,27

I.5 400 439,56 84,62 44,03 45,36 5,3 17,96 0,0 0,00

I.6 400 439,56 84,62 44,03 45,36 5,3 17,96 21,0 36,54

I.7 400 439,56 84,62 44,03 45,36 5,3 17,96 10,5 18,27

I.8 400 439,56 84,62 44,03 45,36 1,5 5,08 18,0 31,32

I.9 400 439,56 84,62 44,03 45,36 9,0 30,50 3,0 5,22

I.10 400 439,56 84,62 44,03 45,36 5,3 17,96 10,5 18,27


Prbki przewidziane w programie bada wykonano w szeciennych formach

o wymiarach 10x10x10cm. Po zmineralizowaniu wypeniacza rolinnego i wymieszaniu

z cementem formowano prbki w trzech rwnych warstwach. Zagszczanie mieszanki

odbywao si poprzez sztychowanie. Kad warstw mieszanki zagszczano 15 uderzeniami

ubijaka spadajcego z wysokoci okoo 10 cm na powierzchni prbki. Ze wzgldu

na wystpowanie zjawiska tzw. odprania, prbki rozformowano po upywie 24 godzin.

Przechowywano je na listewkach w warunkach powietrzno-suchych (w temperaturze

20C5C i wilgotnoci wzgldnej powietrza 50 60%) w celu umoliwienia rwnomiernego


20

wysychania materiau. Na rys. 6 przedstawiono sposb przechowywania prbek kompozytw

cementowych na bazie wypeniaczy organicznych.

Po upywie 28 dni od zaformowania na 6 prbkach z kadej serii wykonano badania

wytrzymaoci na ciskanie a na 3 ustalono gsto pozorn i nasikliwo. W artykule

przedstawiono rwnie przeprowadzone badania mikrostruktury.

Rysunek 6. Prbki kompozytw cementowych z wypeniaczami organicznymi przechowywane

na listewkach w warunkach powietrzno-suchych


3. Wyniki bada i dyskusja

3.1. Waciwoci mieszanki kompozytw cementowych

W ramach bada przed zaformowaniem prbek przeprowadzono badania konsystencji

i gstoci mieszanki betonowej w kadej serii.

Konsystencje mieszanki kompozytw cementowych na bazie wypeniaczy

organicznych okrelono wg normy PN-85/B-04500 metod stoka opadowego

dla zaczynw i zapraw. Badanie to daje miar oporu jaki stawia mieszanka swobodnie

zagbiajcemu si stokowi pomiarowemu.


21

Form w ksztacie stoka zdjto z przyrzdu i napeniano mieszank. Nastpnie

zagszczono j przez piciokrotne uderzenie podstaw formy o podog w celu wyrwnania

powierzchni mieszanki. Form umieszczano w urzdzeniu i opuszczano stoek do momentu

zetknicia si z powierzchni mieszanki co byo sygnalizowane zwolnieniem uchwytu

przytrzymujcego stoek. Gboko zagbienia odczytywano ze skali na tarczy pomiarowej

z dokadnoci do 1 mm. Przy powtrnym oznaczaniu konsystencji naley naoy now porcj

mieszanki i ponownie zagci a stoek dokadnie wytrze. Przeprowadzono

6 pomiarw konsystencji w kadej serii.

Na rys. 7 przedstawiono wyniki bada wpywu zawartoci siarczanu glinu i wapna

hydratyzowanego na konsystencj kompozytw cementowych.

2,7 2,5 2,3 2,1 1,9

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

X2 wapno hydratyzowane [%]

0

2

4

6

8

10

X1 s

iarc

zan g

linu [%

]

Rysunek 7. Zmiany konsystencji mieszanki w zalenoci od zawartoci siarczanu glinu (czynnik X1)

i wapna hydratyzowanego (czynnik X2)


Konsystencja mieszanki kompozytw cementowych na bazie kruszy organicznych bya

plastyczna przez cay proces mieszania poszczeglnych skadnikw i w momencie formowania.

Gsto mieszanki okrelono wg PN-EN 12350-6:2001 w normowym pojemniku

o objtoci 5 dm. Po zwaeniu pojemnika (m1) mieszank ukadano w dwch warstwach, przy

czym kad z nich zagszczano 25 uderzeniami normowym drkiem

do zagszczania. Po zagszczeniu grnej warstwy nadmiar mieszanki zebrano zgarniakiem


22

a nastpnie wygadzano j do poziomu grnej krawdzi pojemnika pack stalow. Pojemnik

wraz z zawartoci waono z dokadnoci do 1 g.

Na podstawie uzyskanych wynikw obliczano gsto mieszanki wg wzoru:

]/[312 dmkg

V

mm (1)

gdzie:

m1 masa pojemnika [kg],

m2 masa pojemnika wraz z mieszank [kg],

V objto pojemnika [dm3].

Wyniki bada wpywu zawartoci siarczanu glinu i wapna hydratyzowanego na gstoci

mieszanki kompozytw cementowych przedstawiono na rys. 8.

1,11 1,07 1,03 0,99 0,95

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

X2 wapno hydratyzowane [%]

0

2

4

6

8

10

X1 s

iarc

zan g

linu [%

]

Rysunek 8. Zmiany gstoci mieszanki w zalenoci od zawartoci siarczanu glinu (czynnik X1) i wapna

hydratyzowanego (czynnik X2)



23

3.2. Gsto pozorna

Gsto pozorn kompozytw cementowych okrelano wg PN-EN 12390-7:2001

po wysuszeniu prbek do staej masy w temperaturze 705C. Po wyjciu z suszarki kad

prbk zwaono z dokadnoci do 1 g. Wykonywano pomiar wysokoci na rodku kadej

powierzchni bocznej oraz dokonano pomiaru podstawy prbek. Badanie wykonano na trzech

prbkach z kadej serii. Z uzyskanych wynikw okrelono gsto pozorn w stanie suchym

wg wzoru:

]/[ 3dmkgV

mp (2)

gdzie:

m masa wysuszonej prbki [kg],

V objto prbki [dm3].

Analiz statystyczn gstoci pozornej przeprowadzono w oparciu o program Statistica

10. Jednorodno rzdu wariancji poszczeglnych prb 2

10

2

3

2

2

2

1 ,...,,, SSSS sprawdzono za

pomoc testu statystycznego Cochrana. Test ten przewiduje porwnanie wartoci

obliczeniowej kryterium Cochrana Gobl z wartoci krytyczn Gkr. Warto obliczeniow Gobl

okrelono wg wzoru:

2

1

2max

ii

i

oblS

SG

(3)

Sprawdzenie jednorodnoci ocen wariancji powtrnych pomiarw wykazao, e przy

poziomie istotnoci 05,0 obliczeniowa warto kryterium Cochrana rwna

2733,0017929,0

0049,0max2

2

i

i

oblsumaS

SG okazaa si mniejsza od wartoci krytycznej

445,010;2;05,0,1, krNn

kr GG

[11]. Wynika z tego, e wariancje prb s jednorodne. Ustalono,

e przy liczbie stopni swobody 20)13(10)1( nNf warto generalnej wariancji

eksperymentu wynosi 00179,010

017929,02

2 N

SsumaS

i

y . Warto wariancji przyjto

jednakow w caym obszarze przestrzeni czynnikowej analizowanej funkcji celu. Nastpnie


24

sprawdzono hipotez o istotnoci wpywu czynnikw X1 i X2 na gsto pozorn

wg kryterium F Snedecora. Wyniki analizy wariancji przedstawiono w tab. 3.

Tabela 3. Analiza wariancji dla gstoci pozornej w zalenoci od zawartoci siarczanu glinu i wapna

hydratyzowanego

Zmienna zalena SS df MS Fobl Fkr(,f1,f2) p

Czynnik X1 0,04979 1 0,04979 11,66 4,23 0,002105

Czynnik X2 0,00570 1 0,00570 1,33 4,23 0,258613

Interakcja X1*X2 0,02227 1 0,02227 5,22 4,23 0,030790

Bd modelu 0,11103 26 0,00427

Razem 0,18879 29


Na podstawie otrzymanych wartoci testu F odrzucono hipotez o braku istotnego

wpywu czynnika X1 na gsto pozorn. W celu zapewnienia moliwoci prognozowania

analizowanej cechy opracowano matematyczny opis obiektu bada w zalenoci

od czynnikw: zawartoci siarczanu glinu i wapna hydratyzowanego. Do opisu zmian gstoci

pozornej przez kompozyty cementowe na bazie wypeniaczy organicznych przyjto wielomian

2-go stopnia:

2

25

2

1421322110

^

XbXbXXbXbXb by (4)

gdzie: X1, X2 s czynnikami zmiennymi, natomiast b1, b2, , bn s wspczynnikami rwnania

regresji.

Rwnanie opisujce przebieg zmiany gstoci pozornej opracowano przy wykorzystaniu

metody najmniejszych kwadratw z uwzgldnieniem tylko istotnych czynnikw na poziomie

=0,05:

211

^

X0,043083X+0,045553X+0,813100 y R2=0,62 (5)

W tab. 4 przedstawiono sprawdzenie adekwatnoci otrzymanego modelu (5) za pomoc

kryterium F Snedecora.

Tabela 4. Ocena adekwatnoci otrzymanego modelu matematycznego (5)

Efekt Suma -

kwadrat. df

rednia -

kwadrat. Fobl

Fkr(,f1,f2) =

Fkr(0,05;3;27)

Regresja 19,90602 3 6,635339 1534,867 2,96

Reszta 0,11672 27 0,004323

Razem 20,02274 30



25

Ustalono, e na poziomie istotnoci =0,05 model (5) adekwatnie opisuje dane

dowiadczalne stanowice podstaw do jego formuowania. Wykres zmiennoci gstoci

pozornej kompozytw cementowych na bazie kruszyw organicznych w zalenoci od

rozpatrywanych czynnikw X1 i X2 biorc pod uwag ich wartoci rzeczywiste przedstawiono

na rys. 9.

02

46

810

1214

1618

20

X 2 [%

]

0

2

4

6

8

10

X 1 [%]

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

Gsto p

ozorn

a

p [kg/d

m3]

> 0,95 < 0,91 < 0,86 < 0,81 < 0,76 < 0,71 < 0,66

Rysunek 9. Zmiany gstoci pozornej w zalenoci od zawartoci siarczanu glinu (czynnik X1) i wapna



Z rys. 9 wynika, e w rozpatrywanym eksperymencie wzrost wartoci poszczeglnych

czynnikw X1 i X2 wpywa na zmian gstoci pozornej kompozytw cementowych

z wypeniaczem organicznym. Najwiksz warto uzyskano w przypadku wspdziaania obu

czynnikw, przy ich maksymalnych zawartociach uzyskano wzrost gstoci pozornej

o ok. 22 % w stosunku do otrzymanych wynikw przy braku obecnoci czynnika X1 i X2.

Dodatek wapna hydratyzowanego w iloci 21,0% w stosunku do cakowitej masy kruszywa

organicznego przy jednoczesnym braku obecnoci siarczanu glinu spowodowa spadek badanej

cechy o 16%.


26

3.3. Nasikliwo

Badanie nasikliwoci prbek kompozytw cementowych z wypeniaczem

organicznym przeprowadzono wg normy PN-88/B-06250. Prbki po wysuszeniu

w temperaturze 705C do staej masy i zwaono z dokadnoci do 1 g (ms). Nastpnie prbki

uoono w wannie i zalewano wod o temperaturze 182C do poziomu rwnego poowie

wysokoci prbek. Po upywie 24 godzin dolano wod do poziomu o 10 mm wyszego od

wysokoci prbki i utrzymywano ten poziom do koca nasycania. Po kolejnych 24 godzinach

prbki wyjmowano z wody i po dokadnym przetarciu powierzchni waono. Czynno

nasycania powtarzano do momentu uzyskania przez prbk staej masy (mn). Nasikliwo

okrelono jako redni z wynikw badania trzech prbek z kadej serii.

Na rys. 10 przedstawiono prbki kompozytw cementowych podczas badania nasikliwoci.

Rysunek 10. Prbki kompozytw cementowych podczas badania nasikliwoci



27

Nasikliwo kompozytw cementowych na bazie wypeniaczy organicznych obliczono

wg wzoru:

[%]100

s

snw

m

mmn (6)

gdzie:

mn masa prbki nasyconej wod [kg],

ms masa prbki suchej [kg].

Jednorodno rzdu wariancji poszczeglnych prb okrelono przy uyciu kryterium

Cochrana. Przy liczbie powtrze w prbie n=3 oraz przy liczbie porwnywanych wariancji

N=10 obliczona warto kryterium Cochrana Gobl jest mniejsza od wartoci krytycznej

Gkr wg zalenoci: 4450,03302,05511,198

553433,65max 10,2;05,0,1,2

2

krNn

kr

i

i

obl GGsumaS

SG [11].

Wariancje prb s jednorodne zatem warto generalnej wariancji odtwarzania eksperymentu,

ktra przy liczbie stopni swobody 20)13(10)1( nNf wynosi

855,1910

5511,1982

2 N

SsumaS

i

y przyjto jako jednakow dla caego obszaru oddziaywania

analizowanych czynnikw. Ocen istotnoci wpywu czynnikw X1 i X2 na nasikliwo

kompozytw cementowych na bazie wypeniaczy organicznych przeprowadzono

przy pomocy testu F Snedecora.

W tab. 5 zamieszczono otrzymane wyniki analizy.

Tabela 5. Analiza wariancji nasikliwoci w zalenoci od zawartoci siarczanu glinu i wapna

hydratyzowanego


Czynnik X1 120,91 1 120,91 3,27 4,23 0,082138

Czynnik X2 66,10 1 66,10 1,79 4,23 0,192780

Interakcja X1*X2 225,25 1 225,25 6,09 4,23 0,020477

Bd modelu 961,35 26 36,97

Razem 1373,61 29


Na podstawie wielkoci wartoci krytycznej Fkr stwierdzono istotny wpyw interakcji

czynnikw X1 (zawarto siarczanu glinu) i X2 (zawarto wapna hydratyzowanego)


28

z prawdopodobiestwem 95 %. Do opisu przestrzeni czynnikowej zosta wybrany wielomian

drugiego stopnia (7), ktrego wspczynniki obliczono za pomoc metody najmniejszych

kwadratw.

2

25

2

1421322110

^

XbXbXXbXbXb by (7)

W powyszym modelu cz wspczynnikw jako nieistotna (b1, b2 i b5) zostaa usunita

i model statystyczny przyj nastpujc posta:

2

121

^

3,60273X+X4,33250X-72392,05y R2=0,57 (8)

Adekwatno przyjtego modelu (8) przeprowadzono za pomoc kryterium F Snedecora,

wyniki tej analizy przedstawiono w tabeli poniej.


Efekt Suma -

kwadrat. df

rednia -

kwadrat. Fobl

Fkr(,f1,f2) =

Fkr(0,05;3;27)

Regresja 86650,22 3 28883,41 838,1767 2,96

Reszta 930,41 27 34,46

Razem 87580,63 30


Model matematyczny (8) adekwatnie opisuje dane dowiadczalne stanowice podstaw

do jego formuowania. Graficzn interpretacj otrzymanych wynikw bada nasikliwoci

w zalenoci od zwartoci siarczanu glinu (czynnik X1) i wapna hydratyzowanego

(czynnik X2) przedstawiono na rys. 11.


29

02

46

810

1214

1618

20

X 2 [

%]

0

2

4

6

8

10

X 1 [%]

40

45

50

55

60

65

70

75

Nasi

kliw

o n

w [%]

> 70 < 67 < 62 < 57 < 52 < 47

Rysunek 11. Zmiany nasikliwoci w zalenoci od zawartoci siarczanu glinu (czynnik X1) i wapna



Z przeprowadzonych bada nad zmian nasikliwoci w zalenoci od zawartoci

siarczanu glinu (czynnik X1) i wapna hydratyzowanego (czynnik X2) wynika, e najnisz

nasikliwo zaobserwowano przy zastosowaniu siarczanu glinu w iloci 910 % wraz

z wapnem hydratyzowanym w iloci 1820 % w stosunku do cakowitej masy wypeniacza

organicznego. Jednoczesny dodatek czynnika X1 i X2 w ww. przedziaach spowodowa spadek

nasikliwoci o ok. 30% w porwnaniu z wynikami uzyskanymi w przypadku

nie zastosowania mineralizatorw. Z rys. 11 wynika rwnie, e nasikliwo wzrasta wraz

ze wzrostem danego czynnika przy jednoczesnym braku obecnoci drugiego czynnika. Dodatek

siarczanu glinu w przypadku maksymalnej rozpatrywanej zawartoci przy jednoczesnym braku

obecnoci wapna hydratyzowanego spowodowa wzrost nasikliwoci

o ok. 17%. Podobny wpyw na wzrost nasikliwoci (o ok. 18%) odnotowano w przypadku

maksymalnej zawartoci wapna hydratyzowanego przy jednoczesnym braku obecnoci

siarczanu glinu. Na podstawie uzyskanych wynikw mona stwierdzi, e celowe jest


30

zastosowanie wapna hydratyzowanego w iloci dwukrotnie wikszej w stosunku do iloci

siarczanu glinu. Do wysoka nasikliwo badanych prbek spowodowana jest silnie

porowat struktur oraz wysok wodochonnoci zastosowanego kruszywa organicznego.

3.4. Wytrzymao na ciskanie

Badanie wytrzymaoci na ciskanie wykonano na 6 prbkach szeciennych z kadej

serii po 28 dniach dojrzewania w warunkach powietrzno-suchych wg normy PN-EN 12390-

3:2009. Wytrzymao na ciskanie oznaczono na uniwersalnej maszynie wytrzymaociowej

typu HT-9501 SERIES. Prbki umieszczono w prasie na pytach oporowych prostopadle

do kierunku formownia. Badanie polegao na odczycie siy ciskajcej przy okrelonym

odksztaceniu prbki. Si, w zalenoci od odksztacenia, odczytywano co 1 mm. Za wynik

badania przyjto najwiksze obcienie przeniesione przez prbk w czasie prby ciskania.

Prdko odksztacenia prbek wynosia 4 mm/min.

Na rys. 12 przedstawiono prbk kompozytu cementowego podczas badania wytrzymaoci

na ciskanie.

Rysunek 12. Prbka kompozytu cementowego podczas badania wytrzymaoci na ciskanie



31

Obliczenie wytrzymaoci na ciskanie badanej prbki wykonano z dokadnoci

do 0,1 MPa wg wzoru:

10, A

Ff

c

cubec , [MPa] (9)

gdzie:

F maksymalne obcienie przy zniszczeniu [kN]

Ac pole przekroju poprzecznego prbki, na ktre dziaa si ciskajca, obliczone

na podstawie wymiarw prbek [cm2]

wspczynnik przeliczeniowy ze wzgldu na wymiary prbek (dla prbek o boku 10 cm:

= 0,90).

Na poziomie istotnoci =0,05 po okreleniu kryterium Cochrana

3029,02814,0137393,1

320097,0max 10,5;05,0,1,2

2

krNn

kr

i

i

obl GGsumaS

SG [11] stwierdzono, e wariancje prb

s jednorodne i rezultaty badania odtwarzalne. Warto generalnej wariancji odtwarzania

eksperymentu, ktra przy liczbie stopni swobody 50)16(10)1( nNf wynosi

1137,010

137393,12

2 N

SsumaS

i

y. W dalszej kolejnoci sprawdzono hipotez o istotnoci

wpywu czynnikw wejciowych X1 i X2 na wytrzymao na ciskanie po 28 dniach

dojrzewania kryterium F Snedecora. Wyniki analizy wariancji przedstawiono w tab. 7.

Tabela 7. Analiza wariancji dla wytrzymaoci na ciskanie po 28 dniach dojrzewania w zalenoci

od zawartoci siarczanu glinu i wapna hydratyzowanego


Czynnik X1 1,3593 1 1,3593 6,429 4,01 0,014046

Czynnik X2 0,0016 1 0,0016 0,008 4,01 0,931244

Interakcja X1*X2 0,0513 1 0,0513 0,243 4,01 0,624109

Bd modelu 11,8400 56 0,2114

Razem 13,2522 59


Na podstawie porwnania uzyskanych wartoci Fobl z krytycznymi Fkr odrzucono

hipotez o braku istotnego wpywu czynnika X1 na wytrzymao na ciskanie. Natomiast


32

na poziomie istotnoci 0,05 nie ma podstaw do odrzucenia hipotezy o braku istotnego

wpywu czynnika X2 oraz interakcji pomidzy badanymi czynnikami X1X2.

W celu zapewnienia moliwoci prognozowania analizowanej cechy kompozytw

cementowych opracowano matematyczny opis obiektu bada w zalenoci od zawartoci

siarczanu glinu i wapna hydratyzowanego. Jako funkcj opisujc zmiany wytrzymaoci

po 28 dniach dojrzewania przyjto wielomian 2-go stopnia postaci:

2

25

2

1421322110

^

XbXbXXbXbXb by (10)

Istotno obliczonych wspczynnikw regresji okrelono wykorzystujc metod

najmniejszych kwadratw. Ostateczne rwnanie regresji nasikliwoci ma posta:

1

^

0,168293X+2,348333 y R2=0,32 (11)

W rwnaniach (10, 11) X1 i X2 s kodowanymi bezwymiarowymi wartociami

naturalnych czynnikw. W tab. 8 przedstawiono sprawdzone za pomoc testu F Snedecora

wyniki oceny adekwatnoci otrzymanej zalenoci.


Efekt Suma -

kwadrat. df

rednia -

kwadrat. Fobl

Fkr(,f1,f2) =

Fkr(0,05;2;;58)

Regresja 332,2394 2 166,1197 810,139 2,766

Reszta 11,8930 58 0,2051

Razem 344,1324 60


Na poziomie istotnoci =0,05 stwierdzono, e model (11) adekwatnie opisuje dane

dowiadczalne stanowice podstaw do jego sformuowania. Wykres zmiennoci

wytrzymaoci na ciskanie przez kompozyty cementowe na bazie kruszyw organicznych

w zalenoci od rozpatrywanych czynnikw uwzgldniajc ich wartoci rzeczywiste

przedstawiono na rys. 13.


33

02

46

810

1214

1618

20

X 2 [%

]

0

2

4

6

8

10

X 1 [%]

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

Wytrz

ym

ao n

a

ciska

nie

fc,28 [M

Pa]

> 2,6 < 2,5 < 2,3 < 2,1 < 1,9 < 1,7

Rysunek 13. Zmiany wytrzymaoci na ciskanie po 28 dniach dojrzewania w zalenoci od zawartoci

siarczanu glinu (czynnik X1) i wapna hydratyzowanego (czynnik X2)


Otrzymane wyniki wskazuj na to, e podobny wpyw na zwikszenie wytrzymaoci

na ciskanie materiau wykazuj zarwno czynnik X1 jak i X2. Korzystny wpyw siarczanu glinu

i wapna hydratyzowanego na badan waciwo zwiksza si stopniowo wraz

ze wzrostem udziau drugiego czynnika. W przypadku siarczanu glinu przy jednoczesnym

braku obecnoci wapna hydratyzowanego zaobserwowano wzrost wytrzymaoci na ciskanie

o ok. 55%, natomiast przy zastosowaniu tylko jednego mineralizatora w postaci wapna

hydratyzowanego odnotowano wzrost badanej cechy o ok. 15%. Synergi obu czynnikw

zaobserwowano w przypadku zawartoci siarczanu glinu w iloci 810% oraz wapna

hydratyzowanego w iloci 1018 % w stosunku do cakowitej masy wypeniacza organicznego.

W przypadku zastosowania najkorzystniejszych przedziaw zawartoci poszczeglnych

czynnikw X1 i X2 odnotowano wzrost wytrzymaoci na ciekanie

o ok. 75% w stosunku do prbek bez zastosowania mineralizatorw. Dla ustalonych


34

najlepszych przedziaw zawartoci siarczanu glinu uzyskano rwnie najnisz nasikliwo

kompozytw cementowych z wypeniaczami organicznymi.

3.5. Mikrostruktura

Terminem struktura okrela si wewntrzn budow materiau rodzaj, rozmieszczenie

i wzajemne zwizki pomidzy skadnikami tworzcymi materia, ich wielko oraz ksztat,

czyli pokrj, w tym ilo, wielko i ksztat porw. Mikrostruktura

ma decydujcy wpyw na waciwoci fizykochemiczne materiaw, ktre okrelaj ich cechy

uytkowe, a take na stan zachowania materiau (stopie zniszczenia). Wiadomo,

e pomidzy struktur materiau, a cilej jego mikrostruktur i waciwociami materiau

istnieje wyrana zaleno. Znajomo tego zagadnienia jest konieczna przy ksztatowaniu

nowych produktw, doskonaleniu waciwoci materiaw istniejcych, przy wyjanianiu

zmian w nich zachodzcych, okrelaniu skadu itp. Przedmiotem bada strukturalnych

s skadniki ich posta wystpowania i wymiary, strefy kontaktowe midzy poszczeglnymi

elementami struktury (strefy midzyfazowe), skad mineralny i jego zmiany oraz defekty

strukturalne, np. mikrorysy [10].

Zjawiska fizykochemiczne wystpujce podczas powstawanie struktury betonu

zwykego s bardzo skomplikowane i dotychczas nie zostay cakowicie wyjanione. Natomiast

z tworzeniem si struktury kompozytw cementowych z kruszywem organicznymi zwizane

s jeszcze dodatkowe zjawiska zachodzce midzy cementem a znajdujcymi

si w wypeniaczu organicznym skadnikami utrudniajcymi proces wizania.

W celu bliszego poznania struktury kompozytw cementowych na bazie kruszyw

organicznych przeprowadzono badania na mikroskopie skaningowym przygotowanych

zgadw prbek kompozytw cementowych z wypeniaczem organicznym i prbek

betonowych na kruszywie bazaltowym.

Na rys. 14 i 15 przedstawiono przy powikszeniu 500x stref kontaktow pomidzy

wypeniaczem z trzciny a zapraw cementow.


35

Rysunek 14. Charakter strefy kontaktowej pomidzy zapraw cementow a powierzchni przecitego

dba trzciny (powikszenie 500x)


Rysunek 15. Charakter strefy kontaktowej pomidzy rozwinit powierzchni trzciny a zapraw

cementow (powikszenie 500x)



36

W przypadku lekkiego kompozytu cementowego z wypeniaczem organicznym sama

struktura kamienia cementowego jest do jednorodna oraz wystpuje jej mechaniczne

przenikanie w komrki wypeniacza rolinnego (rys. 15), natomiast przy niedostatecznym

zagszczeniu zaprawy cementowej moliwe s szczeliny na granicy faz (rys. 14).

Na rys. 16 przedstawiono przy powikszeniu 1000x szlif strefy kontaktowej pomidzy

kruszywem bazaltowym i stwardnia zapraw cementow.

Rysunek 16. Strefa kontaktowa w betonie cementowym pomidzy zapraw cementow a kruszywem

bazaltowym (powikszenie 1000x)


Porwnanie badanych materiaw wskazuje na du rnic w budowie strefy

kontaktowej pomidzy stwardnia zapraw cementow a wypeniaczem. W przypadku betonu

cementowego z wypeniaczem bazaltowym strefa przejciowa jest bardziej jednorodna a

produkty hydratacji bardziej wykrystalizowane. Kompozyty cementowe na bazie wypeniaczy

organicznych s materiaem, w ktrym niecigo struktury (objto zaczynu cementowego

nie jest wystarczajca do wypenienia wolnych przestrzeni midzy czsteczkami wypeniacza

organicznego) i lokalne rnice waciwoci mechanicznych decyduj o zniszczeniu elementu

pod obcieniem. Trwao elementu jest zalena gwnie od wytrzymaoci najsabszego

miejsca, ktrym w przypadku badanych materiaw jest do porowata (nie zagszczona) i

cienka warstwa kontaktowa.


37

Przeprowadzone badania strukturalne pozwoliy na blisze poznanie materiau,

a zwaszcza jego cech dodatnich i ujemnych oraz na sformuowanie wnioskw dotyczcych

modyfikacji waciwoci. Modyfikacja dotyczy: poprawy adhezji pomidzy wypeniaczem

a zaczynem cementowym, cilejszego mechanicznego powizania struktury zagszczenie

wypeniacza, poprzez zwikszenie objtoci zaczynu cementowego w wyniku wprowadzenia

mikrowypeniaczy np. piasku kwarcowego czy popiou lotnego.

4. Wnioski

1. Wykonane badania i otrzymane wyniki daj pogld na waciwoci fizyczne,

mechaniczne i strukturalne kompozytw cementowych na bazie wypeniaczy

organicznych, ktre okrelaj istotne cechy, decydujce o jego przydatnoci

i trwaoci. W oglnym rozrachunku przeanalizowane wartoci uzyskanych wynikw

bada wskazuj na otrzymanie bardzo dobrych rezultatw, ktre pozytywnie rokuj na

rozwj bada w tym kierunku. W zwizku z powyszym naley dy do poprawy

waciwoci betonu celem potwierdzenia i polepszenia uzyskanych wynikw. Naley

rozway moliwo wprowadzenia rnych dodatkw midzy innymi w celu zmiany

wielkoci badanych waciwoci, przy jednoczesnym zachowaniu dobrej izolacyjnoci.

2. Przeprowadzona dwuetapowa technologia mineralizacji wypeniaczy rolinnych moe

by z powodzeniem stosowana przy wytwarzaniu lekkich kompozytw cementowych.

W celu poprawy wybranych waciwoci fizycznych i mechanicznych betonu celowe

jest stosowanie rodkw chemicznych typu siarczan glinu Al2(SO4)3 i wapno

hydratyzowane Ca(OH)2 stosujc proporcje 1:2, najkorzystniej w zakresie 910 %

siarczanu glinu i 1820 % wapna hydratyzowanego w stosunku do cakowitej masy

kruszywa organicznego.

3. W przypadku stosowania dodatkw modyfikujcych waciwoci betonu naley

uwzgldnia rodzaj obiektu i miejsca zastosowania wyrobw z tego materiau.

4. Naley dy do starannego wykonania zagszczenia mieszanki przy zachowaniu

jednorodnoci struktury w caej prbce betonowej, gdy wpywa ona na istotne cechy

materiau. Mona rwnie stwierdzi, i szorstka faktura zewntrzna wykonanych

prbek zapewnia dobr przyczepno wszelkiego rodzaju wypraw.

5. Zmodyfikowany materia budowlany na wypeniaczu rolinnym, moe znale

zastosowanie na osony akustyczne wzdu arterii komunikacyjnych, jak rwnie


38

na ciany zewntrzne budynkw, przyczyniajc si tym samym do zmniejszenia

stenia CO2 w atmosferze.

6. Pomimo staego rozwoju technik uprzemysowionych wikszo budownictwa

w dalszym cigu realizowana jest w systemie tradycyjnym. Budownictwo

zainteresowane jest rozwizaniami wyprbowanymi, ktre mog mie szerokie

zastosowanie. Naley podkreli, e nie wszystko co jest jeszcze moliwe, realne

i konieczne, zostao ju zrobione. Powszechnie uwaa si, e tematyka zwizana

z wykorzystaniem surowcw odpadowych i rolinnych jest zaniedbana. Jest jeszcze

szereg zagadnie, zwizanych z technologi tworzywa betonowego, wasnociami

elementw i metod ich stosowania, ktre wymagaj wyjanie bd ulepsze. Jednak

wykonane badania po ich dalszej weryfikacji przemawiaj za tym, i istnieje moliwo

wykorzystania surowcw odpadowych (trociny z drzew iglastych) oraz surowcw

rolinnych odnawialnych za ycia czowieka, dlatego wszelkie prby w tej dziedzinie

posiadaj warto trwa i s uzasadnione.

7. Kompozyty cementowe na bazie wypeniaczy organicznych s materiaem cakowicie

nadajcym si do recyklingu. Po ewentualnym jego przemiale, moe zosta ponownie

zastosowany do wytworzenia nowych betonw lekkich.

Literatura:

1. Beck A., Schab R., Drach V., Hhn H., Fricke J.: Warmeteitfahigkeit von leichtbeton-

bauteilen aus Miscanthus. W: 3. International Miscanthus-Tagung, Bonn, Marz 2004.

2. Hohn H.: Method for producing concrete or mortar using a vegetal aggregate. A1, 2005,

United States Patent Application 20050001359.

3. Botryk M., Rutkowska W.: Mineralizacja trzciny pospolitej. Zeszyty Naukowe

Politechniki Biaostockiej, Budownictwo, Zeszyt 26, 2005.

4. Rozmej Z.: Badania nad moliwoci mineralizacji trzciny. Prace ITB, Nr 52, Warszawa

1952.

5. Dawdo Cz.: Wirobeton w budownictwie. Waciwoci, projektowanie produkcja,

zastosowanie. Wydawnictwa Politechniki Biaostockiej, Biaystok 1994.

6. Stefaczyk B.: Budownictwo oglne. Materiay i wyroby. Tom I, Arkady 2005.

7. Cioek R. i inni: Agregaty do przemysowej produkcji elementw wibrobetonowych. CPBR

4.3. cel 150, Politechnika Biaostocka 1987 1990.


39

8. Botryk M., Adbulla T., Lelusz M.: Optymalizacja skadu wirobetonu w aspekcie

zmniejszenia zuycia cementu. Zeszyty Naukowe Politechniki Biaostockiej, Budownictwo,

Zeszyt 10, 1991.

9. Maaszkiewicz D., Botryk M.: Optimisation of composition of lightweight concrete with

organic filler in the form of Phragmites australis reed. Role for concrete in global

development: proceedings of the International Conference, Dundee, Scotland, UK, July 8-

9, 2008.

10. Osiecka E.: Wybrane zagadnienia z technologii mineralnych kompozytw budowlanych.

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.

11. Zieliski R., Zieliski W.: Tablice statystyczne. Wyd. II, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa

1990.


40

mgr in. Magorzata Sobczyk1

Politechnika Czstochowska, Instytut Inynierii rodowiska

ul. Brzenicka 60 a, 42-200 Czstochowa

e-mail:[email protected]

Modelowanie odpywu wd opadowych z ekstensywnego dachu zielonego

w programie SWMM5

Sowa klucze: ekstensywny dach zielony, wody opadowe, tereny zurbanizowane, program SWMM5

Streszczenie: W artykule przedstawiono problematyk zwizan z odpywem wd opadowych

z powierzchni dachw. Dziki zastosowaniu technologii ekstensywnego dachu zielonego zostaje zredukowany

spyw do kanalizacji. Technologia ta zaliczana jest do SUDS (ang. Sustainable Urban Drainage Systems), czyli

rwnowaonych systemw odwadniajcych. W zalenoci od budowy zielonego dachu, tzn. warstw struktury

(gruboci substratu, rodzaju rolinnoci, gruboci warstwy drenaowej) moemy zaobserwowa rn ilo

zmagazynowanej wody deszczowej podczas opadu. Analizy za pomoc programu SWMM5 uatwiaj obserwacj

szczytowej fali odpywu oraz opnienie odpywu w przypadku intensywnych opadw. W analizie wykorzystano

deszcze nawalne z okresu 2007-2008, a pomiary wykonano za pomoc deszczomierza zlokalizowanego na terenie

modelowanej zlewni. Wprowadzajc zielony dach w programie SWMM5 naley zastosowa funkcj LID Controls

(Low Impact Development Controls). Modelowanie w programie SWMM5 pozwala na zastosowanie zielonego

dachu w celu stworzenia symulacji przedstawiajcej zmniejszony odpyw wd deszczowych ze zlewni, na ktrej

znajduje si powierzchnia biologicznie czynna. Istot przeprowadzenia modelowania jest poznanie wartoci

redukcji objtoci wd deszczowych na modelowanym obiekcie dachu zielonego. W analizach uwzgldniono

rne rodzaje warstw ekstensywnych dachw zielonych, ktre maj wpyw na warto magazynowania wd

opadowych. Przykadowo zostay wykonane modele dla 50 mm oraz dla 130 mm gruboci warstwy

ekstensywnego zielonego dachu moemy zaobserwowa redukcj objtoci odprowadzanych ciekw

deszczowych oraz minimaln redukcj przepywu. Technologia zielonych dachw przyczynia si do powikszenia

obszarw zielonych na terenach zurbanizowanych, a take suy do odcienia kanalizacji deszczowej.

Zastosowanie systemw zielonych dachw przyczynia si do zrwnowaonego rozwoju gospodarki wodno

ciekowej.

Wprowadzenie

Tereny zurbanizowane charakteryzuj si powierzchniami nieprzepuszczalnymi

poprzez zastosowanie osiedli mieszkaniowych, centrw handlowych, parkingw, co

przyczynia si do cakowitego odpywu wd deszczowych do sieci kanalizacji deszczowej.

Powoujc si na coraz to wiksze osignicia oraz popularno w Polsce budowy zielonych


41

dachw mona przeanalizowa suszno przy minimalizacji odpywu wd opadowych czy

redukcji przepywu poprzez stosowanie tej technologii dla zlewni rzeczywistej. Istotn zalet

budowy zielonych dachw jest zyskanie powierzchni biologicznie czynnej, a co za tym idzie

mona znaczn cze terenu dziaki zagospodarowa pod budynek i powierzchnie

nieprzepuszczalne. W takim przypadku technologia zielonego dachu rekompensuje tereny

zielone wok budynku. Technologia zazieleniania dachw budynkw pozwala na opnienie

odpywu ciekw deszczowych do systemu kanalizacji bd do cakowitej redukcji odpywu.

Redukcja ta uzaleniona jest od gruboci warstw jak i rodzaju zazielenienia.

Zastosowanie SWMM5 w modelowaniu spywu wd opadowych z dachu zielonego

Program SWMM5 (ang. EPA Storm Water Management Model) jest dynamicznym

modelem symulacyjnym wykorzystujcym do stymulacji jednego zdarzenia lub

dugoterminowej (cigej) iloci i jakoci spywu z obszarw gwnie miejskich. Komponent

odpyw SWMM dziaa na zbiorze obszarw zlewni, ktre otrzymuj dane o opadach i generuj

spyw i adunki zanieczyszcze. W programie SWMM5 uwzgldniono transport nadmiaru wd

poprzez system rur, kanaw do odbiornika. Ilo i jako odpywu generowanego w kadej

zlewni, szybko przepywu, gboko przepywu i jakoci wody w kadej rurze i kanale w

okresie symulacji skada si z wielu krokw czasowych. W programie tym mona uwzgldni

funkcj LID Controls (ang. low impackt development controls), czyli techniki zwizane z

ograniczeniem wd opadowych ze zlewni poprzez zastosowanie infiltracji i retencji. W modelu

mona zastosowa rozwizania takie jak: zielone dachy, rowy infiltracyjne czy zbiorniki

infiltracyjne. Zastosowanie funkcji LID Control ma na celu przechwytywanie spywu

powierzchniowego oraz zapewnienie zatrzymania wody opadowej przez retencj, infiltracj i

ewapotranspiracj z danej powierzchni zlewni.

W programie SWMM5 mona modelowa pi gwnych rodzajw techniki:

Powierzchnie biologiczne, ktre zapewniaj magazynowanie, infiltracj oraz odparowanie

spywajcego na dan powierzchni opadu. Do tego rodzaju technik moemy zaliczy

zielone dachy, ktrymi zajto si w dalszej czci modelowania w programie SWMM5,

Infiltracja poprzez rowy infiltracyjne znajdujce si na terenie zlewni przepuszczalnej dla

wody deszczowej,

Systemy porowate, czyli zbiorniki wypenione wirem. Opad jest magazynowany w

wolnych przestrzeniach,

Pojemniki magazynujce wod deszczow znajdujce zastosowanie w gospodarstwach

domowych. Moemy pniej wykorzysta t wod do podlewania ogrdkw,


42

Wegetatywne powierzchnie pokryte rolinnoci, ktre pozwalaj na infiltrowanie wody

deszczowej w gb gruntu.

Wyrnia si nastpujce parametry charakteryzujce kad zlewni:

stopie uszczelnienia (powierzchnie przepuszczalne i nieprzepuszczalne dla wody

deszczowej),

nachylenie powierzchni terenu (spadek terenu wpywa na szybko spywu deszczwki),

szeroko pasa spywu (szeroko warstwy nieprzepuszczalnej dla wody deszczowej,

przez co nastpuje spyw do warstwy przepuszczalnej),

chropowato terenu,

wspczynnik infiltracji,

odpyw.

Program kad powierzchni pask rozpatruje, jako zjawisko retencji terenowej (rys. 1). Opad

zostaje zmagazynowany w paskim zbiorniku. Dziki temu opad podlega zjawisku parowania.

Rys. 1. Schemat modelu hydrologicznego (oznaczenia: d wysoko opadu, dp wysoko retencji

powierzchniowej.)

rdo: opracowanie wasne na podstawie SWMM

Spywajc wod opadow do danego wza sieci kanalizacyjnej moemy obliczy za pomoc

wzoru:

Qz = W [(d dp)5/3/ nz] iz

1/2 (1)

gdzie:

Qz odpyw ze zlewni,

W szeroko hydrauliczna zlewni,

d wysoko opadu,


43

dp wysoko retencji powierzchniowej,

nz redni wspczynnik szorstkoci powierzchni zlewni ze wzoru Manninga,

iz redni spadek powierzchni zlewni.

Rysunek przedstawia jak program definiuje powierzchni nieprzepuszczaln, natomiast

infiltracja zachodzi tylko i wycznie na terenach przepuszczalnych dla wody opadowej.

W programie SWMM spyw wd deszczowych jest uwzgldniany poprzez zaznaczenie, jaka

cz zlewni jest przepuszczalna a jaka nieprzepuszczalna i na tej podstawie zostaje obliczona

ilo wody deszczowej, jaka zostaje odprowadzona ze zlewni. Istotnym jest take parametr

szeroko pasa spywu (rys. 2).

Rys. 2. Schemat zlewni bez zastosowania funkcji

LID Controls


Rys. 3. Schemat zlewni z zastosowaniem funkcji

LID Controls


Zaznaczenie w programie funkcji LID Controls pozwala na zmniejszenie szerokoci pasa

spywu wody deszczowej, a take, na przekierowanie czci opadu na powierzchnie pokryte

powierzchni biologicznie czynn i powierzchnie przepuszczalne dla wd (rys. 3). Pozwala to

na zmniejszenie iloci wody odprowadzanej do kanalizacji, a przedstawia si to nastpujco:

Tereny zurbanizowane charakteryzuj si powierzchniami nieprzepuszczalnymi (chodniki,

drogi, parkingi), przez co w programie wystpuj trzy opcje spywu wody deszczowej ze

zlewni:

- spyw z powierzchni nieuszczelnionych trafia na powierzchnie uszczelnione, a nastpnie

do sieci kanalizacyjnej,

- spyw z powierzchni uszczelnionych trafia na powierzchnie nieuszczelnione i potem

do kanalizacji,


44

- spyw z powierzchni uszczelnionych i nadmiar z powierzchni nieuszczelnionych trafia

od razu do sieci kanalizacyjnej.

Podczas symulacji wykonywany jest bilans wilgoci, ktry zostaje uchwycony kady przypyw

wody opadowej, a take przechowywany w kadej warstwie LID. Na przykad, warstwy

stosowane do modelu powierzchni biologicznie czynnej i drogi przepywu pomidzy nimi s

przedstawione poniej:

Rys. 4. Ukad przepywu wody opadowej przy zastosowaniu zielonego dachu z funkcji LID


Funkcja Low Impact Development Control moe by wdroona w caym badanym obszarze, w

ktrym nasttuje przechowywanie, infiltrowanie i odparowanie ze zlewni spywu. Konstrukcja

sterowania odbywa si na podstawie na jednostkow obszarze tak, e moe by umieszczony

w dowolnej liczbie podzlewni w rnych rozmiarach i liczbie powtrze.

Tabela 1. Poczenia warstw, ktre stosowane s w funkcji LID (W oznacza wymagane, O oznacza

opcjonalnie)

Typ LID Powierzchnia Bruk Gleba Magazynowanie Odprowadzenie

Powierzchnie

biologicznie czynne W W W O

Systemy porowate W W W O

Rowy infiltracyjne W W O

Pojemniki na wod

deszczow W W


45

Typ LID Powierzchnia Bruk Gleba Magazynowanie Odprowadzenie

Wegetatywne

powierzchnie W


Rys. 5. Edytor funkcji LID Control


Istotnymi warstwami stosowanymi i wprowadzanymi przy modelowaniu w funkcji LID nale:

1. Warstwa powierzchniowa - suy do opisania waciwoci powierzchni biologicznie

czynnych, wiru, rowy infiltracyjnego i wegetatywnych powierzchni pokrytych

rolinnoci. Waciwoci te s nastpujce:

wysoko warstwy,

objto frakcji rolinnej

wspczynnik chropowatoci:

Tabela 2. Wspczynnik chropowatoci wedug Manninga

Powierzchnia n

Asfalt 0,011

Lekki beton 0,012

Beton 0,013

Drewno 0,014

Cega z zapraw cementow 0,014

Kamionka 0,015

eliwo 0,015

Karbowane rury metalowe 0,024

Powierzchnia gruzu z cementem 0,024

Gleba bez pozostaoci 0,05

Gleby uprawne

pokrycie pow. < 20% 0,06

pokrycie pow. > 20% 0,17

naturalne 0,13

Trawa

krtka (np. turzyca) 0,15

Powierzchnia n

gsta 0,24


46

rodzaj trawy Bermuda 0,41

Lasy

lekkie zarola 0,40

gste zarola 0,80 rdo: opracowanie wasne na podstawie SWMM

nachylenie powierzchni (spadek) - spadek powierzchni porowatej nawierzchni lub

rolinnej nawierzchni (procent). Dla innych rodzajw pokrywy spadek rwny jest 0.

2) Warstwa nawierzchni, do ktrych nale nastpujce parametry:

Grubo warstwy nawierzchni (cale lub mm). Zakres wartoci od 4 do 6 cali (100 150

mm),

Stosunek porowatoci, czyli objto pustych przestrzeni w stosunku do objtoci cia

staych w ukadach cigych do nawierzchni lub do materiau wypeniajcego

stosowanego w systemie moduowym. Stosowane wartoci dla nawierzchni to 0.12 do

0.21. Naley pamita, e porowato = wskanik porowatoci/(1+wskanik

porowatoci),

Nawierzchnia nieprzepuszczalna,

Przepuszczalno - przepuszczalno betonu lub asfaltu stosowanego w systemach

cigych lub przewodnictwa hydraulicznego materiaem wypeniajcym (wir lub

piasek) stosowanych w systemach moduowych (cal/h lub mm/h). Przepuszczalno

nowego porowatego betonu lub asfaltu jest bardzo wysoka (np. setki cal/h), ale mona

usun z upywem czasu z powodu zatkania przez drobne czstki w spywu,

Wspczynnik zatykania - ilo warstwy nawierzchni pustych objtoci spywu moe

spowodowa cakowite zatkanie nawierzchni. Uywajc wartoci 0 pomijamy

wspczynnik zatykania. Zatykanie stopniowo zmniejsza przepuszczalno.

Jeli znamy liczb lat, ktra przyczyni si do zatkania systemu ( Yclog ), mona obliczy

wspczynnik zatykania ze wzoru:

wspczynnik zatykania = Yclog Pa CR ( 1 + VR) ( 1 - ISF ) / ( T VR ) (2)

gdzie:

Pa - roczna ilo opadw w danym miejscu,

CR - stosunek przechwytywania,

VR wspczynnik porowatoci,

ISF frakcja nieprzepuszczalna powierzchni,

T - grubo warstwy nawierzchni.


47

3) Warstwy gleby - opisuje waciwoci skonstruowanej mieszaniny stosowanej, jako rodzaj

gleby znajdujcej si w warstwach. W skad warstwy gleby wchodz nastpujce

waciwoci:

Rys. 6. Parametry warstwy gleby


Grubo - grubo warstwy gleby w mm (cale). Typowe wartoci wynosz od 18 do 36

cali (450 do 900 mm) do ogrodw i innych rodzajw powierzchni biologicznie

czynnych ldowych magazynujcych wod deszczow, ale tylko 3 do 6 cali (75 do 150

mm) dla dachw zielonych,

Porowato - objto porw w stosunku do cakowitej objtoci gleby,

Pojemno warstwy - objto porw wody w stosunku do cakowitej objtoci w glebie

zostaa upowaniona do drenau. Poniej tego poziomu, pionowy odpyw wody przez

warstw gleby, nie wystpuje,

Punkt wysuszenia warstwy - objto porw wody w stosunku do cakowitej objtoci

wysuszonej gleby, w ktrej tylko zostay pozostaoci wody. Zawarto wilgoci w

glebie nie spadnie poniej tej wartoci granicznej,

Przewodno - przewodno hydrauliczna do penego nasycenia gleby (cal/h lub mm/h),

Przewodnictwo nachylenia - nachylenie krzywej log (przewodnictwo) w porwnaniu

do wilgotnoci gleby. Typowe wartoci w zakresie od 5 - piaskw do 15 - gliny pylastej,

Wysoko ssania - rednia warto gruntu kapilarnego zasysania wzdu przedniej

zwilania (cale lub mm). To samo stosuje si jako parametr w modelu infiltracji Green-

Ampt. Porowato, pojemno warstwy, przewodno i nachylenie przewodno s te

same waciwoci gleby stosowane do obiektw warstwy wodononej podczas

modelowania wd podziemnych, podczas gdy wysoko ssania to parametr uywany

do infiltracji metod Green- Ampt.


48

4) Warstwy magazynujca warstwa ta stosowana jest powierzchniach biologicznie

czynnych, systemy porowate, czyli zbiorniki wypenione wirem, infiltracji poprzez rowy

infiltracyjne, a take przy zbiornikach magazynujcych wod deszczow do okrelenia jej

wysokoci. Wprowadzane s nastpujce dane:

Wysoko jest to wysoko zbiornika na wod deszczow lub gruboci warstwy wiru

(cale lub mm). Wyroby z kamienia i wiru warstwy s zazwyczaj od 6 do 18 cali (150

do 450 mm), natomiast dla pojedynczych zbiornikw przy domach w zakresie

wysokoci od 24 do 36 cali (600 do 900 mm).

Stosunek porowatoci - objto pustych przestrzeni w stosunku do objtoci cia

staych w warstwie. Typowe wartoci w zakresie od 0,5 do 0,75 dla wypenienia

wirowego. Naley pamita, e porowato = wskanik porowatoci/(1 + wskanik

porowatoci),

Wspczynnik infiltracji jest to szybko, z jak woda przenika do gruntu rodzimego

poniej warstwy ( w cal/h lub mm/h). Jeli jest nieprzepuszczalne podoe pod warstw

naley uy warto 0.

Wspczynnik zatykania - cakowita objto spywania wody podzielona przez

objto pustych przestrzeni w warstwie. Uywajc wartoci 0 pomijamy wspczynnik

zatykania. Zatykanie stopniowo zmniejsza infiltracj.

5) Warstwa odprowadzajca - warstwy magazynujce moe zawiera warstw

przechowywania wody, ktra zbiera si na dnie warstwy i przenosi j do konwencjonalnego

odpywu. Warstwa odprowadzajca zawiera nastpujce obszary danych:

Wspczynnik odpywu oraz wykadnik wspczynnika odpywu

Wspczynnik C oraz wykadnik n, ktra okrela si szybko przepywu przez warstw

w funkcji wysokoci zmagazynowanej wody powyej wysokoci odpywu. Ponisze

rwnanie jest uywany do obliczania tego przepywu (na jednostk powierzchni LID)

q = C (h - HD ) n (3)

gdzie:

q - odpyw ( cal / h lub mm / h),

h - wysoko przechowywanej wody (cale lub mm),

HD - wysoko odpywu.

Jeli warstwa nie maj odpywu naley za C przyj 0,


49

Wysoko kocowa odpywu - wysoko kadego odpywu rurowego powyej dolnej

warstwy magazynowania lub zbiornikw deszczwki (cale lub mm),

Opnienie odpywu ( tylko dla zbiornikw wody deszczowej) - ilo godzin

bezdeszczowej pogodowy, ktry musi upyn zanim przewd odpywowy w zbiorniku

deszczu jest otwarty (zakada si, e linia jest zamknita, gdy zaczynaj si opady). Ten

parametr jest ignorowany dla innych rodzajw stosowanych w funkcji LID.

Metodyka bada

Obszar zlewni obejmuje teren rzeczywisty, ktrym jest budynek Instytutu Inynierii

rodowiska Politechniki Czstochowskiej w Czstochowie oraz tereny przylege jak parking

czy cigi pieszo- jezdne.

Tabela 3. Charakterystyka analizowanej zlewni

Parametr Jednostka Warto

Powierzchnia cakowita ha 1,33

Liczba zlewni czstkowych szt 27

Zakres powierzchni zlewni

czstkowych ha 0,01 0,07

Powierzchnia dachu ha 0,57

rdo: opracowanie wasne

Jak przedstawiono na zdjciu poniej tereny wokoo budynku pokryte s asfaltem - parking

uczelni oraz kostk chodniki. Dach budynku zajmuje powierzchni 0, 57 ha. Teren w wikszej

czci pokryty jest powierzchniami nieprzepuszczalnymi, natomiast droga spywu wody

deszczowej z dachu, powierzchni parkingu oraz chodnikw zgodnie z kierunkiem spadku

terenu znajduje ujcie do wpustu deszczowego, ktry nastpnie prowadzi wody opadowe do

kanau kanalizacyjnego.

Do symulacji zastosowano program SWMM5, w ktrym naleao teren rozpatrywany podzieli

na zlewnie czstkowe (rys. 7). Podzia na zlewnie czstkowe zosta dokonany na podstawie

mapy pogldowej terenu oraz planu sytuacyjno-wysokociowego. W tabeli 3 przedstawiono

charakterystyk analizowanej zlewni.


50

Rys. 7. Przedstawienie modelowanego terenu


Rys. 8. Zdjcie analizowanej zlewni

rdo: www.zumi.pl

Teren analizowany zajmuje powierzchni 1,33 ha. Obszar podzielono na 27 zlewni

czstkowych o powierzchniach zawierajcych si w przedziale 0,01 0,07 ha. Spyw wody

deszczowej z kadej ze zlewni kierowany jest do wskazanego wza sieci kanalizacyjnej.

Istotnym elementem jest ustalenie natenia przepywu ciekw oraz objtoci za pomoc

wykonanego modelu. Przed przystpieniem do symulacji zadanych modeli dokonano kalibracji

modelu w programie SWMM (tab. 4). Kalibracj modelu przeprowadzono dla 9 zjawisk opad

odpyw o rnej intensywnoci. Dane o opadach rzeczywistych pochodziy z deszczomierza

zlokalizowanego na terenie analizowanym w oparciu o pomiary z lat 2007 2008.

Tabela 4. Parametry do kalibracji funkcji LID Controls w modelu hydrodynamicznym programu SWMM

Parametr Jednostka Wartoci przyjte

wariant A

Wartoci przyjte

wariant B

Gboko skadowania mm 130 50

Pokrycie warstw

wegetatywn - 0,9 0,9

Grubo warstwy mm 80 25

Parametr Jednostka Wartoci przyjte

wariant A

Wartoci przyjte

wariant B

Porowato - 0,55 0,45

Pojemno pola - 0,45 0,50

Wodoprzepuszczalno mm/h 0,50 0,50

Wysoko warstwy mm 50 25

Wskanik porowatoci - 0,65 0,55

Przewodno mm/h 600 600


http://www.zumi.pl/


51

Dziki zastosowaniu odpowiednich parametrw takich jak: funkcja LID, spadki terenu,

powierzchnia nieprzepuszczalna czy wielko zlewni naniesionych na modelowanym obiekcie.

Zgodnie z przeznaczeniem pracy wyrnione zostay zielony dach oraz pozostae tereny wok

budynku, ktre zilustrowano poniej na rysunku 9.

Rys. 9. Przedstawienie modelowanego obiektu z wyszczeglnieniem kolor zielony zielony dach, kolor

niebieski pozostae tereny (parking, pozostae budynki)


Wyniki bada

Wszystkie potrzebne parametry do wykonania symulacji takie jak: rzdne terenu, rzdne dna

kanau, a take istniejce kanay znajdujce si na analizowanym terenie, zostay naniesione z

planu sytuacyjno - wysokociowego. Natomiast parametry potrzebne do kalibracji modelu

przedstawiono w tabeli 5. Wartoci przyjte w modelu mieszcz si w granicach podanych w

tabeli, poniewa kada ze zlewni posiada indywidualne wartoci. Spadki terenu odgrywaj

istotn rol przy spywie wody deszczowej. Dlatego te zostay wprowadzone do modelu,

poniewa znamy rzdne terenu. Teren jest pooony wyej wzgldem terenw przylegych,

wic spyw po powierzchni jest uatwiony i opady nie gromadz si tylko przedostaj si do

systemu kanalizacji.

Istotn rol odgrywa dach budynku Instytutu, poniewa zajmuje 0,57 ha z 1,33 ha cakowitej

powierzchni analizowanej. Z dachu budynku nastpuje spyw wody opadowej, gdy jest to

powierzchnia nieprzepuszczalna.

Dziki symulacji rnych rodzajw opadw mona zaobserwowa, jaki przepyw ciekw

opadowych jest przekierowany do kanalizacji oraz jaka objto ciekw zostaje

odprowadzona z danego terenu.


52

Tabela 5. Wyniki modelowania terenu rzeczywistego z dachem tradycyjnym przy zastosowaniu programu

SWMM5

Rodzaj modelu Czas trwania

deszczu [min.]

Objto

odprowadzanych

ciekw

deszczowych [m3]

Przepyw [dm3/s]

26.05.2007 r. 57 253,35 80,69

21.06.2007 r. 214 447,53 82,39

14.07.2007 r. 70 97,66 67,76

27.07.2007 r. 77 115,09 82,97

18.09.2007 r. 49 148,57 82,23

13.07.2008 r. 88 130,34 80,73

02.08.2008 r. 58 206,07 85,33

08.08.2008 r. 20 156,68 83,31

16.08.2008 r. 74 203,02 78,29


Dla lepszego zobrazowania rozwizania, ktre proponuje si w pracy przedstawiono dwa

warianty zastosowanych ekstensywnych zielonych dachw. Granice przedziau gruboci

warstw w tym rodzaju systemu zazielenienia wahaj si midzy 50 mm 150 mm. W pracy

przedstawiono wariant A, w ktrym zastosowano 50 mm warstwy zielonego dachu (tab. 6)

Tabela 6. Wyniki modelowania terenu rzeczywistego z zastosowaniem dachu zielonego wariant A w

programie SWMM5


deszczu [min.]

Objto

odprowadzanych

ciekw

deszczowych [m3]

Przepyw [dm3/s]

26.05.2007 r. 57 218,72 80,95

21.06.2007 r. 214 375,18 82,37

14.07.2007 r. 70 51,84 39,30

27.07.2007 r. 77 76,19 83,10


53

18.09.2007 r. 49 118,16 82,19

13.07.2008 r. 88 89,54 81,10


deszczu [min.]

Objto

odprowadzanych

ciekw

deszczowych [m3]

Przepyw [dm3/s]

02.08.2008 r. 58 174,50 85,04

08.08.2008 r. 20 116,21 79,64

16.08.2008 r. 74 143,79 64,09


Suszno zastosowania wikszej gruboci warstwy przedstawia tabela 7, w ktrej zestawiono

wyniki z wariantu B, gdzie zastosowano 130 mm gruboci ekstensywnego dachu, co

umoliwi porwnanie objtoci odprowadzanych ciekw z dachu oraz przepywu.

Tabela 7. Wyniki modelowania terenu rzeczywistego z zastosowaniem dachu zielonego wariant B w

programie SWMM5


deszczu [min.]

Objto

odprowadzanych

ciekw

deszczowych [m3]

Przepyw [dm3/s]

26.05.2007 r. 57 170,39 80,00

21.06.2007 r. 214 308,28 82,37

14.07.2007 r. 70 45,08 36,89


deszczu [min.]

Objto

odprowadzanych

ciekw

deszczowych [m3]

Przepyw [dm3/s]

27.07.2007 r. 77 57,99 61,38

18.09.2007 r. 49 77,76 64,51

13.07.2008 r. 88 62,96 58,18

02.08.2008 r. 58 153,15 84,49

08.08.2008 r. 20 77,82 61,28

16.08.2008 r. 74 95,17 42,51



54

Podsumowanie

Postpujca urbanizacja wie si ze zwikszeniem powierzchni terenw wymagajcych

odprowadzenia wody opadowej. Proces usprawniania systemu zarzdzania wodami

opadowymi jest zbyt powolny w stosunku do oczekiwa i potrzeb. Problemem dla rozwoju

ekologicznej gospodarki wodami opadowymi s trudnoci w naliczaniu i ciganiu opat za

wod deszczow.

W ostatnich latach mona zaobserwowa znaczcy rozwj myli technicznej, dotyczcej

urzdze i obiektw gospodarki wodami opadowymi na terenach zurbanizowanych, ktry ma

na celu zrwnowaony rozwj tych syste

tom 7 - uwarunkowania sanitarno-inżynieryjne

Documents