Analiza doboru żywic w rehabilitacji kanałów sanitarnych

Cel badań

Celem analizy jest wykazanie, w jakich warunkach powinno się stosować odpowiedni rodzaj żywicy przy rehabilitacji kanałów sanitarnych w technologii CIPP (z ang. Cured in Place Pipe – rura utwardzana na miejscu). Ten konkretny problem uzależniony jest od rodzaju materiału rury rehabilitowanej, rodzaju ścieków, zdolności samooczyszczania kanału, a także agresywności wód gruntowych wokół kanału. Ponadto diametralne znaczenie ma określenie stanu technicznego, a w konsekwencji toku obliczeniowego doboru powłoki renowacyjnej czy rekonstrukcyjnej [6].

Co do zasady:

• według wytycznych ATV A127P cz. 2 przy stanach technicznych I i II w celach obliczeniowych bierzemy pod uwagę tylko ciśnienie hydrostatyczne wody gruntowej;
• W stanie technicznym III do obliczeń bierzemy pod uwagę poza ciśnieniem hydrostatycznym wody gruntowej także obciążenia zmienne pochodzące od gruntu i taboru.

Wpływ doboru technologii rehabilitacyjnej na warunki hydrauliczne

Bardzo ważnym elementem analizy odnawianych kanałów sanitarnych jest zachowanie hydrauliki kanału.

Grubość powłoki oraz współczynnik szorstkości mają decydujące znaczenie. Im grubsza ścianka, tym mniejsza jest przepustowość przy tej samej średnicy nominalnej.

W zależności od stanu technicznego kanału rehabilitowanego w odniesieniu do kanałów o przekrojach kołowych w toku obliczeniowym dotyczącym parametrów nośnych określamy konkretną sztywność obwodową odnawianego kanału.

Przy stosowaniu włókien filcowych moduł sprężystości jest dużo mniejszy niż we włókninach filcowych wzmacnianych włóknami szklanymi, aramidowymi lub węglowymi.

Dobór rodzaju żywicy pod względem wytrzymałości mechanicznej wpływa na grubość ścianki, a tym samym na parametry hydrauliczne [7].

Rodzaje żywic stosowanych w rehabilitacji kanałów sanitarnych

Spośród żywic stosowanych w rehabilitacji kanałów sanitarnych najbardziej popularne są żywice poliestrowe, winyloestrowe oraz epoksydowe.

• Żywica poliestrowa to wielocząsteczkowy związek syntetyczny z grup estrowych [8]. Występuje jako forma nienasycona oraz nasycona.
  W rehabilitacji kanałów żywica poliestrowa stosowana jest głównie w formie nienasyconej. Jej odporność chemiczna dotyczy rozcieńczonych kwasów utleniających oraz beztlenowych kwasów nieorganicznych.

Proces silnego pęcznienia i pękania rękawów impregnowanych żywicami poliestrowymi wywołują rozpuszczalniki organiczne, z wyjątkiem alkoholi i benzyny. Optymalny zakres pH ścieków przy stosowaniu żywicy poliestrowej wynosi od 4 do 10.

• Żywica winyloestrowa jest odmianą żywic poliestrowych należących do grupy estrów nienasyconych, kwasów alkoholu allilowego oraz kwasów akrylowych ze związkami epoksydowymi. Ma bardzo dobre właściwości mechaniczne i chemiczne, dużą odporność na kwasy i zasady oraz na środowiska kwaśne i alkaliczne.

Żywica winyloestrowa ma zastosowanie w odnowie kanalizacji narażonych na dużą korozję siarczanową, a także kanalizacji przemysłowej i instalacji technologicznych.

• Żywica epoksydowa jest lepką cieczą, która w procesie utwardzania zyskuje bardzo duże właściwości mechaniczne.
  Dobra odporność chemiczna jest często elementem decydującym o jej wyborze. Utwardzalność żywicy epoksydowej następuje w mniejszych temperaturach niż żywicy poliestrowej i winyloestrowej. Charakteryzuje się bardzo dobrą przyczepnością w zasadzie do każdego materiału, z którego mogą zostać wykonane sieci kanalizacji sanitarnej. W celu poprawy jej właściwości, takich jak sztywność, wytrzymałość na ściskanie, sprężystość, przewodność cieplna, stosuje się napełniacze, m.in. takie, jak: mika, kulki szklane czy tlenek cynku. Jest odporna w zakresie pH od 4 do 10, czyli dużo mniejszym niż w przypadku żywicy winyloestrowej [7].

Poza żywicami poliestrowymi, winyloestrowymi i epoksydowymi w odnawianiu kanałów sanitarnych metodą CIPP używane są także żywice alkidowe z grupy poliestrów i żywice chemoodporne bisfenolowe.

Czytaj też: Ocena przepustowości sieci kanalizacyjnej >>>

Metody instalacji powłok nasączonych żywicami

W technologiach CIPP stosuje się podział ze względu na sposób wprowadzenia linera do odnawianego rurociągu. Niezależnie od tego, wprowadzenie rękawa do odnawianego kanału poprzedza czyszczenie kanału oraz inspekcja CCTV.

• Inwersja za pomocą wody polega na wywinięciu powłoki za pomocą wody i ciśnienia hydrostatycznego. Najczęściej do tego typu instalacji montuje się na budowie wieżę inwersyjną (fot. 1). Minusem jest wodochłonność tego procesu.

Przy długich odcinkach i dużych średnicach problemem może być znaczne oddalenie źródła wody. Plusem tej metody jest wyparcie ewentualnych pęcherzyków powietrza pomiędzy linerem a ścianą odnawianego kanału oraz możliwość instalacji dużych średnic.

W przypadkach kanałów, które zlokalizowane są bardzo głęboko, nie ma konieczności montowania wież inwersyjnych. W tej sytuacji można zastosować bęben inwersyjny [1] – fot. 2.

• Inwersja sprężonym powietrzem polega na zamontowaniu bezpośrednio na studni komory ciśnieniowej. Sposób ten jest bardzo podobny do inwersji wodą, z tym że stosowanym medium jest sprężone powietrze. Plusem jest brak konieczności budowy wież.

Z punktu widzenia docisku linera od rehabilitowanego kanału jest to metoda gorsza – w metodzie inwersji wodą oprócz ciśnienia dodatkowe dociążenie pochodzi od wody. Bardzo ważna jest odpowiednia konserwacja urządzenia inwersyjnego, ponieważ awaria, podczas której traci się ciśnienie, może być poważna w skutkach dla odnawianego kanału. Na fot. 3 przedstawiono urządzenie do inwersji sprężonym powietrzem.

• Metoda wciągania powłoki polega na przeciągnięciu linera od studni startowej do docelowej za pomocą urządzenia hydraulicznego lub elektrycznego.
  Dla uzyskania sprawnej instalacji często stosuje się folie poślizgowe, a w celu zabezpieczenia przed uszkodzeniami mechanicznymi folie ochronne. Metodę wciągania powłoki wspomaga się wypełnieniem powietrzem lub parą wodną. Na rynku dostępny jest także system kombinowany polegający na wciąganiu mechanicznym powłoki wraz z dociskiem za pomocą węża kalibrującego.

Metody utwardzania

Istotnym elementem w procesie rehabilitacji sieci kanalizacji sanitarnej jest sposób utwardzania powłok żywicznych. Dobór metody zależy od tego, jakie warunki panują w sieci i jej otoczeniu, a także od docelowych parametrów technicznych zrehabilitowanego kanału.

• Utwardzanie na zimno zalecane jest dla kanałów o małych średnicach. Zazwyczaj stosowane żywice poliestrowe nie wymagają utwardzenia w podwyższonej temperaturze. Po wprowadzeniu linera i jego dociśnięciu do rehabilitowanego kanału zachodzi proces utwardzania.
  Negatywnym elementem tej metody jest brak możliwości sprawowania odpowiedniej kontroli, a także długi czas utwardzania.
  Plusem jest brak konieczności stosowania urządzeń grzewczych w czasie utwardzania.

• Utwardzanie cyrkulacją pary jest sposobem zalecanym przy stosowaniu tekstyliów rehabilitacyjnych nasączonych żywicami poliestrowymi. Gorące powietrze lub gorąca para wodna jest czynnikiem inicjującym utwardzanie powłoki rehabilitacyjnej. Ograniczeniem, poza rodzajem żywicy, jest także długość odcinków – maksymalnie 120 mb.

• Utwardzanie cyrkulacją gorącej wody to metoda kompatybilna do inwersji wodą, umożliwiająca rehabilitację w największym zakresie średnic. Możliwe jest wykonanie instalacji o długości paruset metrów w jednym ciągu technologicznym.
  Czynnikiem grzewczym jest gorąca woda podgrzana do temperatury ok. 85°C.

Metoda ta pozwala na  odpowiednie dociśnięcie linera do odnawianego kanału. Podgrzanie wody do wymaganej temperatury jest możliwe za pomocą mobilnych kotłów z systemem wężów grzewczych zamontowanych na całej długości odnawianego kanału.

• Utwardzanie promieniami UV polega na wprowadzeniu linera wzmocnionego zazwyczaj włóknami szklanymi [3].
  Czas utwardzania promieniami UV w porównaniu do wygrzewania gorącą wodą może być nawet trzykrotnie krótszy. Nie ma ograniczeń dotyczących rodzaju stosowanych żywic.
  Niemiecki producent, firma Saertex-Liner Pressure, gwarantuje uzyskanie najwyższego modułu sprężystości krótkoterminowej do 20 500 Mpa, co pozwala na rehabilitację kanałów o średnicy nominalnej do DN 1500 mm.

Czytaj też: Wdrażanie innowacyjnych systemów kanalizacyjnych w Polsce >>>

Badania i wyniki

Autor uczestniczył w procesie realizacji inwestycji jako osoba odpowiedzialna za opis przedmiotu zamówienia, a także inspektor nadzoru inwestorskiego, który nadzorował prace związane z rehabilitacją kanałów sanitarnych w metodzie CIPP, gdzie wykorzystano żywice winyloestrowe oraz poliestrowe.

Rodzaj zastosowanej żywicy był analizowany w odniesieniu do warunków panujących w sieci.

Dla kanałów, w których pH ścieków wynosiło 4–10, zastosowano żywice poliestrowe, a przy pH poniżej 4 żywice winyloestrowe. Każdy odcinek sieci analizowany był indywidualnie.

Badania przeprowadzono w laboratorium Katedry Sieci i Instalacji Sanitarnych Politechniki Świętokrzyskiej, pod kierownictwem prof. dr hab. inż. Andrzeja Kuliczkowskiego.

• Oznaczono moduł sprężystości przy zginaniu.
• Próbki w kształcie beleczek na maszynie wytrzymałościowej obciążano aż do uzyskania odpowiedniej wartości odkształcenia.
• Prędkość badania była stała i wynosiła 2 mm/min.

Badano ponadto strukturę rękawów. We wszystkich próbkach struktura linera była prawidłowa. Wyniki przedstawiono w tab. 1.

• Dla kanału betonowego o nominalnej średnicy DN 600 mm utwardzanego żywicą winyloestrową moduł sprężystości krótkoterminowy (moduł Yanga) wynosił 2879 Mpa [5] – fot. 4.
• Długość zrehabilitowanego kanału wynosiła ok. 400 mb.

• Wszystkie zrehabilitowane kanały wykonane były w technologii Aarsleff. Poza parametrami mechanicznymi bardzo istotnym aspektem branym pod uwagę była hydraulika rehabilitowanego kanału.
• Przy większym module sprężystości stosujemy cieńszą ściankę, co w rezultacie daje większą przepustowość zrehabilitowanego kanału (fot. 5).
• Dla kanału betonowego o nominalnej średnicy DN 500 mm w ul. Świętojańskiej utwardzanego żywicą poliestrową moduł sprężystości krótkoterminowy (moduł Yanga) wynosił od 2904 do 3573 Mpa [4]. Długość zrehabilitowanego kanału wynosiła ok. 800 mb.

Wnioski

Udział w pracach związanych z rehabilitacją kanałów na terenie Białegostoku oraz analiza dokumentacji pozwalają na przedstawienie następujących zaleceń i wniosków:

1. Dobierając rodzaj żywicy, należy brać pod uwagę rodzaj ścieków, a przede wszystkim ich skład chemiczny, co gwarantuje dłuższą eksploatację.

2. Zrehabilitowany kanał sanitarny powinien mieć zdolność do samooczyszczania [2].

3. Kanały betonowe zyskują najbardziej korzystny współczynnik oporów hydraulicznych przy stosowaniu powłok rehabilitacyjnych utwardzanych żywicami, niezależnie od rodzaju zastosowanej żywicy.

4. Rehabilitacja kanałów sanitarnych powłokami tekstylnymi impregnowanymi żywicami i utwardzanymi na miejscu jest korzystniejsza ze względów ekonomicznych.

5. Wykorzystanie laminatów o bardzo wysokim module sprężystości pozwala na stosowanie linera o cieńszych ściankach [9].

6. Stosowanie żywic poliestrowych i winyloestrowych na bazie styrenu może generować wyższe koszty rehabilitacji związane z koniecznością zapewnienia odpowiedniej wentylacji.

7. Jedynie żywica epoksydowa nie zawiera szkodliwych związków na bazie styrenu, co minimalizuje koszty związane z tymczasową wentylacją na czas realizacji.

8. Rehabilitacja sieci kanalizacji sanitarnej w technologii materiałów tekstylnych impregnowanych żywicami i utwardzanych na miejscu skraca wielokrotnie czas realizacji i zmniejsza utrudnienia związane z brakiem dostępu do nieruchomości zlokalizowanych w obrębie inwestycji.

9. Żywica winyloestrowa ze względu na odporność w stosunku do środowiska kwaśnego oraz alkalicznego ma szersze zastosowanie w różnego typu instalacjach kanalizacyjnych.

Literatura

1. Andrzejewski A., Renowacja przyłączy kanalizacyjnych metodą utwardzanego rękawa – przegląd sprzętu, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 3/2004, s. 42.
2. Bolt A., Burszta-Adamiak E., Gudelis-Taraszkiewicz K., Suligowski Z., Tuszyńska A., Kanalizacja, projektowanie, wykonanie, eksploatacja, Seidel-Przywecki Sp. z o.o.,  Warszawa 2012, s. 248–249.
3. Cegielski S., Gdański projekt wodno-ściekowy, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 1/2009, s. 34.
4. Dokumentacja powykonawcza Wodociągów Białostockich Sp. z o.o., 2011.
5. Dokumentacja powykonawcza Wodociągów Białostockich Sp. z o.o., 2016
6. Kuliczkowski A., Rury kanalizacyjne, projektowanie konstrukcji, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2004, s. 393–394.
7. Kuliczkowski A., Kuliczkowska E., Kuliczkowski P., Zwierzchowska A., Zwierzchowski D., Dańczuk P., Kubicka U., Lisowska J., Technologie bezwykopowe w inżynierii środowiska, Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa 2010, s. 421–426.
8. Ozimina D., Madej M., Tworzywa sztuczne i materiały kompozytowe, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2010, s. 23.
9. Latawiec T., Wykładziny z rur utwardzanych na miejscu i wykładziny z rur ściśle pasowanych, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 2/2009, s. 82.

Czytaj też: Kanalizacja grawitacyjna – rozwiązania konstrukcyjne i wykonawstwo >>>