Shotcrete bez reboundu: test XLINK Macro w tunelu TBM 

Rebound – wróg numer jeden w technologii shotcrete

Każdy inżynier pracujący przy obudowie tymczasowej lub ostatecznej tuneli TBM zna problem „odskoku” mieszanki, czyli reboundu. Przy klasycznym shotcrete z włóknami stalowymi strata materiałowa dochodzi do 25 %, a przy dyszy „dry-mix” potrafi przekroczyć 35 %. Oznacza to nie tylko wyższy koszt betonu i dodatkowe worki włókien; odłamki odbite od ściany to również ryzyko dla załogi, zanieczyszczenie torów wozów transportowych i konieczność utylizacji odpadów klasyfikowanych jako beton zbrojony. W 2024 r. konsorcjum wykonujące odcinek TBM pod Katowicami postanowiło przetestować XLINK Macro – makrowłókno polipropylenowe długości 50 mm – w dawce 6 kg/m³, aby sprawdzić, czy syntetyczne zbrojenie rozproszone ograniczy rebound bez pogorszenia parametru fᴿ₃ wymaganego w EN 14487-1.

Jeśli rozważasz przejście z tradycyjnej siatki stalowej na zbrojenie rozproszone, sprawdź szczegóły i zamów XLINK Macro

Parametry betonu natryskowego i normy, które grają pierwsze skrzypce

Projekt eksploatacyjny wymagał klasy C30/37* (projekt C32/40) z wytrzymałością natryskową 1 MPa po 24 h i fᴿ₃ ≥ 3 MPa po 28 d. Specyfikacja opierała się na EN 14487-1 (beton natryskowy) oraz testach włókien EN 14889-2. Laboratorium tunelowe przyjęło kruszywo 0–8 mm, cement CEM I 52,5 R 420 kg/m³, wodę 180 l i superplastyfikator PCE 1 %. Dawka XLINK Macro 6 kg/m³ miała zastąpić pakiet 40 kg/m³ włókna stalowego 30 mm, który do tej pory dawał fᴿ₃ = 4,2 MPa przy reboundzie 22 %. Pytanie brzmiało: czy syntetyk zredukowałby odskok i jednocześnie utrzymał energię pochłanianą w teście round-panel ASTM C1550?

Warto podkreślić, że makrowłókna polipropylenowe są ośmiokrotnie lżejsze od stali; gęstość 0,91 t/m³ oznacza znacznie mniejszą bezwładność przy zderzeniu ze ścianą wyrobiska. Powierzchnia podłużnie profilowana (embossing) XLINK Macro50 poprawia kotwienie w macierzy cementowej, co według karty technicznej przekłada się na fᴿ₁ = 1,6 MPa i fᴿ₃ = 3,5 MPa – parametry wyższe, niż wymaga specyfikacja.

Metodyka testu: tunel TBM, dysza wet-mix i pomiar odskoku

Badanie przeprowadzono na sekcji serwisowej tunelu (średnica tarczy 9,4 m). Na odcinku 30 m wykonano dwa testy: panel referencyjny ze stalą i panel badawczy z XLINK Macro. Dysza typu wet-mix o przepływie 8 m³/h pracowała pod ciśnieniem 7,5 bar. Parametr „rebound” mierzono metodą wagową: zgrzebna kuweta z tworzywa (1 m²) zbierała odbitą mieszankę przez pełną minutę natrysku, po czym ważono na wadze 0,1 kg.

Wyniki:

Redukcja odskoku o 60 % przy zachowaniu fᴿ₃ – tylko 14 % niższym niż stal – potwierdza tezę, że syntetyk może zastąpić ciężkie włókno stalowe tam, gdzie liczy się wydajność i bezpieczeństwo. W przeliczeniu na efektywny metr kwadratowy obudowy (po odjęciu strat) koszt materiału z włóknem PP okazał się o 18 % niższy, głównie dzięki brakowi odpadów i niższej cenie miksu.

Reologia wet-mix z XLINK Macro – jak uniknąć blokad w wężu DN 50

Podstawowym ryzykiem przy włóknach syntetycznych jest aglomeracja. Receptura wet-mix dla TBM zawiera 400–420 kg cementu, co przy 0,32 w/c daje lepkość Bingham 12 Pa·s. Dodatek 6 kg syntetyku wymagał zwiększenia PCE do 1,1 % i podzielenia domieszki w proporcji 60 / 40. Pierwsze 60 % trafia z wodą zarobową, aby otworzyć kruszywo; pozostałe 40 % wprost do zbiornika hoperowego na dyszy. Efekt: slump-flow 670 mm przy teście stożka i różnica J-ring 18 mm – co w praktyce oznacza brak ryzyka zatoru w przewodach DN 50, nawet przy linii 80 m długości.

Receptura bez problemu przeszła test pumpability: trzy cykle odpompowania 0,4 m³ do 8 bar, powrót 3 bar, bez wzrostu ciśnienia powrotnego.

Wpływ redukcji reboundu na harmonogram i koszty TBM

W tradycyjnym cyklu TBM beton natryskowy narzuca przerwy technologiczne: odskok musi być utylizowany, a personel wychodzi ze strefy tarczy, aby oczyścić podłoże. Redukcja odpadów z 22 % do 9 % skróciła czas czyszczenia stanowiska o średnio 14 min na sekcję natrysku. W ciągu jednej zmiany 10 h zyskuje się dodatkowy odcinek 1,4 m tarczy – co w skali 3 km tunelu skraca harmonogram o 13 dni roboczych.

Ekonomicznie wygląda to równie atrakcyjnie:

• 1 m³ shotcrete = 1 450 zł (z włóknem stalowym) vs. 1 220 zł (XLINK Macro).
• Rebound 22 % → efektywny koszt 1 860 zł/m³; rebound 9 % → 1 339 zł/m³.
• Oszczędność 521 zł/m³ × 18 000 m³ = 9,4 mln zł w całej kontrakcie tunelowym.

Korozja, ogień i trwałość: jak makrowłókna polipropylenowe zachowują się w obudowie tunelu

Przy tradycyjnym shotcrete ze stalą główną bolączką jest korozja włókien w środowisku XD (chlorki) oraz XA (kwasy). Badania korozyjne z Uniwersytetu w Turynie (2023) pokazały, że po 120 cyklach zamrażania–rozmrażania w roztworze 3 % NaCl włókno stalowe traci 18 % masy, podczas gdy włókno XLINK Macro pozostaje chemicznie obojętne. W próbie ogniowej ISO 834 płyta natryskowa 100 mm z PP przetrzymała 60 min bez odspajania, ponieważ przy 160 °C polipropylen topi się, tworząc mikrokanaliki odgazowujące parę – efekt ucieczki „spalling-free” znany z tuneli Skandynawii.

Najistotniejszy parametr trwałości, przenikalność chlorkowa RCPT, spadł z 1 100 C (przy stali) do 620 C przy dawce 6 kg/m³ XLINK; zgodnie z ACI 222 to kategoria Very Low. Projektant może w związku z tym zmniejszyć otulinę z 40 mm do 30 mm, co ułatwia natrysk i redukuje ubytek wytrzymałości od ślizgów dyszy.

QA/QC w warunkach TBM: on-line spektroskopia NIR i kontrola odkształcenia belek

W nowatorskim projekcie tunelu wdrożono spektrometr NIR na linii mokrej, analizujący wilgotność kruszywa w czasie rzeczywistym; dokładność ±0,3 %. Automatyczny dozownik włókien podaje XLINK Macro50 w strumieniu 200 g/s, synchronizując się z prędkością przenośnika ślimakowego. Każde 50 m³ mieszanki generuje próbkę 100 × 200 mm do szybkiego testu EN 14488-2; ugięcie igły ≤ 3 mm oznacza prawidłową reologię, a brak strat przekłada się na fᴿ1 > 1,4 MPa już po 7 dniach.

Belki 75 × 125 × 550 mm (TR55) nacinane 48 h po natrysku osiągnęły średnio fᴿ₃ = 2,1 MPa — 60 % wartości docelowej, co zgodnie z wytycznymi SIKA jest zielonym światłem do kontynuacji robót. Pełne 28-dniowe testy wskazały 3,6 MPa – zgodne z tabelą projektową.

Ergonomia i bezpieczeństwo: redukcja hałasu i pyłu w komorze serwisowej

Obniżenie reboundu z 22 % do 9 % zmniejszyło poziom hałasu przy dyszy o 4 dB(A) i pylenie respirabilne o 38 % (pomiar CIP 10 µm). To z kolei pozwoliło zejść z wymaganego poziomu ochronników słuchu klasy 30 dB do klasy 26 dB, a czas pobytu brygady wewnątrz tarczy zwiększył się z 2 h do 2 h 25 min przed obowiązkową przerwą BHP. Firmie obniżyło to koszty rotacji i podniosło punktację w audycie ISO 45001.

Opłacalność i ślad węglowy: syntetyk wygrywa z metalem

Redukcja 510 kg CO₂ na m³ mieści się w progu taksonomii UE < 800 kg; inwestor zdobył więc dodatkowe 2 pkt w sekcji MAN 03 w certyfikacji BREEAM-Infrastructure.

Wdrożenie na kolejnych kontraktach i perspektywa norm

Po sukcesie katowickiego pilotażu wykonawca wprowadził makrowłókno XLINK do kontraktu TBM Rzeszów – Sanok (start 2026). Uproszczony zapis specyfikacji brzmi: „Beton natryskowy C32/40, makrowłókno polipropylenowe 50 mm, dawka 6 kg/m³, fᴿ₃ ≥ 3 MPa (EN 14651), rebound ≤ 12 % (EN 14488-1)”. Dzięki temu procedura zatwierdzenia materiału skróciła się z 90 dni (ETA włókna stalowego) do 45 dni, bo syntetyczne PP nie wymaga badań korozyjnych.

Komitet CEN/TC104/WG11 już zapowiada, że w wersji EN 14487:2027 pojawi się tabela konwersji makrowłókien PP przy natrysku wet-mix — co dodatkowo ułatwi projektantom przenoszenie siły obwodowej na parametry fᴿ₁/fᴿ₃ bez konieczności indywidualnych prób.