Kotwa chemiczna jako element mocujący w budownictwie

Procesy chemicznego wiązania/kotwienia zachodzą na skutek zmieszania się dwóch składników (żywicy i utwardzacza) lub kontaktu środka wiążącego z powietrzem atmosferycznym, wodą albo wilgocią. U systemodawców takie składniki mogą występować w formie gotowych fabrycznych opakowań (tub z wyciskaczami, kartuszy z mieszaczami), kapsułek (ampułek) szklanych oraz foliowanych pakunków (zwykle aluminiowych lub PE). Można je również sporządzać ze składników dostarczanych luzem i mieszanych przed użyciem w określonych proporcjach.

Zasada działania

Czynnikiem kotwiącym jest tężejąca (sieciująca) masa żywiczna, która uzyskuje znaczną twardość oraz chemiczną trwałość przylegania do pobocznic otworów (ich powierzchni wewnętrznych) i powierzchni mocowanych elementów kotwiących. Wspomagające siły kotwiące masę z podłożem występują też w tzw. miejscach zazębień kształtowych, gdzie dochodzi do wiązań kształtowych pomiędzy zżelowaną żywicą a mikrocząsteczkami na ściankach mikroszczelin pobocznicy w jej warstwach podpowierzchniowych. Pojawiają się także na tzw. zamocowaniach klinowych powstających na styku utwardzonej żywicy i elementu kotwionego, które przeciwdziałają jego wysunięciu z otworu. W celu spotęgowania ich wartości ścianki takich elementów mogą być odpowiednio kształtowane (gwintowane pręty stalowe, żebrowane pręty zbrojeniowe, elementy z nacięciami, karbowane, specjalnie profilowane).

W wypadku elementów kotwionych z podcięciem obciążenie przenoszone przez spoinę chemiczną wspomagane jest blokadą mechaniczną elementu w podciętym otworze.

W przypadku elementów kotwionych z kontrolowanym momentem dokręcania obciążenia przenoszone przez siły kotwienia chemicznego w otworze cylindrycznym wspomagane są dodatkowymi obciążeniami wynikającymi ze specjalnej konstrukcji elementu kotwionego (np. siłami rozprężania trzpienia).

Łącznie o wartości działających sił stanowią m.in.:

• geometria prętów kotwiących (zwłaszcza oprofilowanie ich powierzchni bocznych),
• średnice i głębokości wierceń,
• rodzaj zastosowanej masy wiążącej (żywicy, zaprawy iniekcyjnej),
• czas żelowania kotwy chemicznej zależny od jej składu chemicznego i towarzyszących warunków cieplno-wilgotnościowych środowiska i podłoża,
• warunki eksploatacyjne.

Sprawność działania systemu kotwień według tego schematu uzależniona jest również od wytrzymałości podłoża i odporności kotwionego elementu na różnego rodzaju obciążenia destrukcyjne wynikające z warunków eksploatacyjnych. Dla statyki budowli są to przeważnie obciążenia ściskające, rozciągające (wyrywające) i ścinające. W warunkach dynamicznych mogą to być obciążenia oscylujące (harmoniczne i niewyważone), powodowane np. wibracjami pochodzącymi od rotacji maszyn i urządzeń, dynamiczne (od parcia i ssania wiatru), udarowe/impulsowe (od uderzeń i wstrząsów). W praktyce działają wszystkie możliwe ich kombinacje. Na końcowe wartości tych sił rzutują też wypadkowe nakładających się naprężeń sąsiadujących ze sobą elementów kotwionych, ich pozycjonowanie względem stref brzegowych, grubość podłoża i jego charakterystyka konstrukcji.

Zalety kotwień chemicznych

Zaletą takich systemów jest uniwersalność zastosowań, bo można je wykorzystywać na wielu podłożach. Takie spoiny po okresie utwardzania wytrzymują duże siły obciążające, częstokroć są przy tym znacznie silniejsze niż podłoże, do którego były użyte.

Poprawnie wykonane systemy kotwienia chemicznego w eksploatacji eliminują lub znacznie redukują negatywne wpływy niektórych obciążeń charakterystycznych dla kotwień mechanicznych. Ta zaleta szczególnie dotyczy występujących naprężeń montażowych przenoszonych na pobocznice otworów. Kotwy chemiczne wywierają opcjonalnie niższe naprężenia osadzania w podłożu. Eliminacja tego czynnika lub osłabienie jego oddziaływania w sytuacjach krytycznych zawęża zakres przyczyn występowania szkodliwych zjawisk (możliwych rozszczepień podłoży i oberwań ich krawędzi oraz wszelkich tego konsekwencji). Dla projektanta i wykonawcy jest to istotna informacja, bo w porównaniu z kotwieniami mechanicznymi ten system poszerza skalę możliwości stosowania. Alternatywnie tylko przy tej technologii można np. stosować mniejsze rozstawy osiowe między kotwieniami lub bezpiecznie mocować elementy kotwione w zawężonych strefach przykrawędziowych, czego nie można tak łatwo wykonać przy użyciu kotew mechanicznych.

Większa wytrzymałość mechaniczna kotwień chemicznych dotyczy różnych jej aspektów. W stosunku do kotew mechanicznych są to nie tylko większe odporności na oddziaływania statyczne budowli (wyrywanie i ściskanie), lecz także podwyższona odporność na oddziaływania dynamiczne (drgania i wibracje podłoża).

Powłoka żywiczna kotwy chemicznej stanowi dla elementu kotwionego dodatkową ochronę. Ponieważ szczelnie przylega do jego powierzchni, chroni spoinę przed wnikaniem w nią powietrza atmosferycznego, a wraz z nim wody i wilgoci (także pod wpływem ciśnienia). W rezultacie na stykach połączenia spoiny z elementem kotwionym i pobocznicą maleje ryzyko kondensacji wilgoci i wszelkich negatywnych zjawisk z tym związanych. Korzyścią tej właściwości jest przedłużona żywotność takiego mocowania. Zaleta ta istotna jest np. przy kotwieniach w betonie, gdzie w strefach stycznych z metalowymi elementami kotwionymi minimalizowana jest możliwość pojawienia się lokalnych wysadzin betonu i niebezpiecznych procesów odspajania się kotwionego elementu od podłoża.

Zastosowanie kotwień chemicznych

Systemy kotwień chemicznych stosowane są w budownictwie podziemnym, np. przy budowie tuneli, a także naziemnym: od konstrukcji budynków i lądowych obiektów inżynieryjnych, aż po drogownictwo i mostownictwo, gdzie tą metodą wykonuje się zamocowania i zaczepy w statycznie obciążonych elementach konstrukcji na różnych podłożach (najczęściej betonowym zbrojonym i niezbrojonym betonie zarysowanym i niezarysowanym, ceramice pełnej i poryzowanej, pustakach, ustrojach z betonu komórkowego i innych). Takie systemy służą do zabezpieczania wielowarstwowych sklepień łukowych, łączeń ścian wielowarstwowych, mocowań i podczepień instalacji świetlnych, sprawdzają się w naprawach nadproży, gzymsów i wykuszy itp. Mogą być również wykorzystywane do mocowania elementów stalowych konstrukcji słupowych do podłoża, barier ochronnych, postumentów maszyn i urządzeń, szyn, prowadnic, ram stolarki okiennej, konstrukcji drewnianych, krat, zawiasów, łączników rur, ciągów kablowych itd. 

Kotwy chemiczne do betonu wykorzystywane są podczas mocowania elementów metalowych poprzez tworzenie trwałego połączenia. Proces ten polega na wstrzykiwaniu specjalnej substancji do otworów w betonie, gdzie następnie umieszcza się pręt lub śrubę, które po utwardzeniu tworzą mocne połączenie. Ich zastosowanie znajduje się w konstrukcjach budowlanych, mostach, drążeniu otworów w skałach oraz w wielu innych projektach, gdzie trwałe mocowanie w betonie jest niezbędne.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!