BÊ TÔNG PHUN NHẬP MÔN

BÊ TÔNG PHUN NHẬP MÔN 
Thưa các bác, phàm đã là nhập môn, thì rất chi cơ bản. Đối với các chuyên gia về Bê tông phun trên diễn đàn, tài liệu này không có ý nghĩa gì mấy, nhưng đối với những người chưa biết hoặc biết chưa nhiều, có lẽ sẽ giúp ích chút ít. Mong các chuyên gia đừng cười chê.

Tài liệu này được trích xuất và cọp dê (copy) chủ yếu từ quyển “Tunnelling the World” xuất bản năm 2001 (Tái bản lần thứ 7) của tác giả Marc Vandewalle thuộc công ty N.V Bekaert S.A, địa chỉ Bekaertstraat 2, 8550 Zwevegem, Bỉ. Không hoành tráng và chi tiết như tài liệu của các công ty chuyên về công trình ngầm bởi N.V Bekaert S.A chuyên về steel-fibre, nhưng đây lại là một tài liệu dễ đọc, dễ hiểu và khá đầy đủ thông tin cho những người mới tìm hiểu về bê tông phun.

1.  Lịch sử phát triển:

Năm 1907:

Cú phun bê tông đầu tiên được cho là đã thực hiện vào năm 1907 ở Pennsylvania, Hoa Kỳ, bởi một nhân vật có tên là Carl Ethan Akeley, khi lão này muốn có một cái máy để phun vữa khô lên các bộ khung để làm những con thú mô hình. Nhân vật này lúc đó đang làm việc cho công ty Cement-Gun, và thuật ngữ bê tông phun lúc đó được công ty này gọi là “Gunite” dùng để chỉ việc phun một thứ vữa chứa cốt liệu mịn và rất nhiều xi măng.

Năm 1915:

Thiết bị phun bê tông được phát triển tiếp tục bởi công ty Cement-Gun, là con đẻ của Công ty Allentown Gun thuộc bang Pennsylvannia, Hoa Kỳ. Máy phun được thiết kế có dạng 1 và 2 khoang dựa trên các thiết kế đơn giản đầu tiên.

Năm 1950:

Việc sử dụng máy phun vật liệu khô có trống quay được phát triển vào thập niên 1950 ở Mỹ và sau đó tiếp tục được cải tiến bởi người Thụy Sĩ mà nổi bật là hai công ty Meynadier và Aliva.

Đến thập kỷ 60, thiết bị phun ướt được sử dụng phổ biến. Với kiểu phun này, lượng nước yêu cầu được trộn sẵn trong thành phần cấp phối (khác với kiểu phun khô khi nước được thêm vào ở đầu vòi phun và phụ thuộc hoàn toàn vào ... ý thích của người cầm vòi – nozzleman) và bê tông được bơm liên tục vào phễu chứa liệu của máy sau đó đưa ra đến đầu vòi phun nhờ tác dụng của khí nén, nhằm tạo ra một cú phụt đích đáng và hữu hiệu vào bề mặt cần phun. Còn "uớt" và "khô" cụ thể nó là cái gì thì từ từ ta bàn sau.

2.  Định nghĩa: 

Như đã nói ở trên, thuật ngữ đầu tiên chỉ việc phun vữa khô là “Gunite” và được công ty Cement-Gun khư khư giữ làm của riêng. Đến đầu thập kỷ 30, Hiệp hội Xây dựng đường sắt Hoa Kỳ (American Railway Engineering Association) dùng thuật ngữ “shotcrete” để chỉ việc thực hiện công tác “Gunite” kể trên.

Vào thập kỷ 50, các loại súng ống dùng để phun bê tông được phát triển rộng rãi và có thể thực hiện được việc phun với cốt liệu lớn hơn cho hỗn hợp khô. Năm 1951, Viện bê tông Hoa Kỳ (ACI) chấp nhận thuật ngữ “shotcrete” cho công tác phun bê tông khô.

Vào năm 1966, ACI áp dụng thuật ngữ “shotcrete” cho tất cả các công tác phun vữa và bê tông cả ướt và khô. ACI 506R-85 “Toàn tập về bê tông phun” cho định nghĩa “shotcrete” là “hỗn hợp vữa hoặc bê tông được phun nhờ khí nén với vận tốc cao đến một bề mặt”.

Và cho dù rất nhiều các thuật ngữ khác đã và đang được sử dụng để chỉ quá trình phun bê tông thì “shotcrete” vẫn được sử dụng để miêu tả công tác phun bê tông cả “ướt” và “khô”. Ở Việt Nam, thuật ngữ này được dịch thông dụng thành “bê tông phun” và được sử dụng nhiều gần đây, mặc cho khoảng 20 năm về trước, việc thi công “shotcrete” chủ yếu được thực hiện với vữa chứa cốt liệu <5mm, rất nhiều xi măng trong cấp phối (có khi đến cả nghìn kg/m³) và được gọi nôm na là “phun vẩy”.

Bê tông phun làm việc như thế nào:

Đầu tiên, khi bê tông được phun ra từ một súng phun vào một bề mặt đá thô ráp, chúng lấp kín các phần hở hang như vết nứt, gãy, khe ... liên kết các phần yếu lại với nhau và ngăn chặn việc phát sinh thêm các phần yếu khác.

Sự bám dính của bê tông phụ thuộc vào sự sắp xếp/đan khớp một cách cơ học của các thành phần có kích thước nhỏ trong bê tông. Lớp mỏng đầu tiên được tạo thành bởi vữa xi măng và các hạt cát có kích thước nhỏ hơn 0.2mm. Loại vật liệu mịn này thâm nhập vào các lỗ rỗng và vết nứt và tạo ra một lớp nền bám dính cho toàn bộ lớp bê tông phun. Trong quá trình hình thành lớp nền này, thành phần cốt liệu thô trong bê tông hầu hết bị rơi rụng lả tả.

Sự bám dính của bê tông thường tốt hơn khi phun lên các bề mặt đá thô ráp, xù xì, sạch sẽ .. hơn là lên một bề mặt nhẵn nhụi (như bản mặt của Mã Giám Sinh “Mày râu nhẵn nhụi áo quần bảnh bao”). Các bề mặt đá bị phong hóa, đá yếu, đá mềm hay đá phiến sét cũng có độ bám dính kém với bê tông phun. Việc vệ sinh sạch sẽ bề mặt trước khi phun bê tông do vậy rất quan trọng và thường được tiến hành bằng cách dùng vòi phun bê tông để phun nước với áp lực cao tạo ra từ khí nén.

Trong quá trình phun bê tông, có thể xuất hiện sự hư hỏng, gãy nứt .. do tác động của nước rò rỉ, và việc đầu tiên cần làm là chặn lại hoặc ít ra lái dòng nước khó chịu này đi chỗ khác rồi tính sau.

Việc phun bê tông thường được tiến hành ngay khi cho nổ lanh tanh bành chỗ cần nổ, làm lộ ra một bề mặt đá mới. Để đảm bảo bê tông được đông kết nhanh, người ta sử dụng các loại phụ gia đóng rắn nhanh dùng cho bê tông phun (kêu bằng accelerator), việc này có thể dẫn tới cường độ cuối cùng của bê tông bị mất chút ít nhưng đảm bảo được tính an toàn và hiệu quả trong việc gia cố đất đá trong công tác thi công hầm, nhất là trong NÂYTỜM (NATM).

Có người thổi phồng lên, cho bê tông phun là một giống bê tông đặc biệt chi đó ghê gớm lắm, thực ra về bản chất, phun bê tông cũng chỉ là một trong những phương pháp thi công bê tông mà thôi, ờ. Cũng như bao nhiêu giống bê tông XM khác, bê tông phun cũng có những yêu cầu cơ bản tỷ dụ như tỷ lệ Nước/Xi măng, lượng xi măng yêu cầu, tính công tác và chất lượng bê tong.

3.  Ứng dụng của bê tông phun:

Những lợi ích to lớn của bê tông phun trong vai trò là một phương pháp thi công cộng với những tiến bộ về mặt thiết bị, vật liệu và công nghệ thi công đã biến bê tông phun thành một công cụ hữu hiệu cho nhiều công tác thi công. Giữ vai trò như một chuyên gia trong các vấn đề về “ổn định”, bê tông phun ngày nay là nhân tố chính trong gia cố đất đá trong xây dựng hầm, hầm mỏ, thủy điện và ổn định vách núi.

Có đến hơn 90% bê tông phun được ứng dụng trong công tác gia cố đất đá.

Có thể nói, bê tông phun là một phương pháp xây dựng của tương lai bởi nó mang trong mình những yếu tố cực kỳ tốt đẹp: Linh hoạt – Nhanh chóng – Kinh tế (còn nhiều nhiều nữa, tự mà nghĩ ra hỉ ...), nhưng bên cạnh đó nó đòi hỏi một trình độ thi công cao và thiết bị máy móc hiện đại. 

CÁC KIỂU BÊ TÔNG PHUN

Hiện tại có hai phương pháp thi công BTP: phun khô (dry mix) và phun ướt (wet mix). Nói đến khô và ướt, tôi nhớ có một câu chuyện vui bằng tiếng Anh: A teacher asks his students to compare a ‘BIRD’ to a KOTEX. And the answer is: first, they both have wings and born to protect woman, second: BIRD always tries to make woman WET while KOTEX tries to keep them DRY. Vậy đó, khô và ướt, ướt và khô, cái nào hay cái nào dở ? (riêng tôi, với tư cách là một người đàn ông, tôi thích ướt, và cũng như vậy, với tư cách là một người làm bê tông phun).

Bê tông phun khô được sử dụng đầu tiên và thông dụng cho đến sau chiến tranh thế giới thứ hai thì bê tông phun ướt xuất hiện. Cả hai phương pháp cùng song song tồn tại cho đến ngày nay, tuy nhiên BTP khô dần dần ít đi và BTP ướt trở nên thông dụng hơn (nhưng không có nghĩa BTP khô tuyệt chủng, phương pháp này vẫn đang được cải tiến để hạn chế những mặt tiêu cực của nó). Theo thống kê, hiện có đến 70% khối lượng BTP được thi công theo phương pháp ướt và con số này không ngừng tăng lên, ở các nước Bắc Âu, Scandinavia hay Italia, BTP ướt chiếm gần 100%.

CÔNG NGHỆ BÊ TÔNG PHUN

Cũng như bao nhiêu loại bê tông khác, BTP cũng bao gồm ba thành phần cơ bản là xi măng, cốt liệu và nước. Nhằm tăng cường tính chất và thỏa mãn cho các ứng dụng khác nhau, một hỗn hợp BTP có thể được tăng lên đến 5-6 thành phần, hoặc hơn. Sau đây ta xét đến từng thằng một.

1.   Xi măng cho bê tông phun:

Đóng vai trò như chất ‘keo dính’ các thành phần cốt liệu trong một ‘ma trận’ bê tông, xi măng còn là ‘chất bôi trơn’ giúp bê tông dễ dàng vận chuyển. Nhờ quá trình thủy hóa khi tác dụng với nước, xi măng góp phần tạo ra đặc tính cơ lý của đá bê tông.

Do đặc điểm của phương pháp thi công BTP: cần đóng rắn thật nhanh cho công tác gia cố tạm thời và/hoặc vĩnh viễn, xi măng sử dụng cho BTP cần có thời gian đông kết rất ngắn và cho cường độ sớm cao. Với BTP, các loại xi măng OPC được ưa dùng, trong trường hợp cần thiết, người ta sản xuất riêng xi măng dùng cho BTP (ví dụ như loại có độ mịn cao hơn, hàm lượng khoáng C₃A ...).

Các loại xi măng có phản ứng kém với phụ gia đông kết nhanh không được sử dụng cho BTP.

2.   Chất độn (phụ gia) cho BTP:

Đóng vai trò là chất độn, có hoặc không có tham gia vào quá trình thủy hóa của xi măng (hay nói cách khác là tham gia vào sự phát triển cường độ của bê tông), có thể kể ra mấy loại: xỉ, tro bay, silica fume, bột đá ..., các loại phụ gia này giúp:

·         Bổ sung vào thành phần hạt mịn <0.125mm (chất độn).

·         Cải thiện đặc tính cơ lý của bê tông: cường độ, chống thấm ..

·         Cải thiện khả năng giữ nước của bê tông.

·         Cải thiện tính công tác của bê tông (độ dẻo, độ bám dính, giảm rơi vãi khi phun...)

Tùy theo mức độ sẵn có và tính kinh tế khi sử dụng, các loại phụ gia có thể được dùng theo các cách khác nhau cho mỗi công trình.

3.   Cốt liệu cho BTP:

Đóng vai trò như bộ xương kết cấu của bê tông, cốt liệu thô và mịn trong BTP chiếm đến 70% khối lượng bê tông. Thành phần cỡ hạt của cốt liệu có vai trò cực kỳ to lớn trong tính chất của BTP trước và sau khi thi công. Đối với BTP, cốt liệu có kích thước Dmax=16 là phù hợp và tốt nhất là Dmax=8mm.

Có rất nhiều môn phái nghiên cứu và đưa ra các biểu đồ thành phần hạt cốt liệu khác nhau cho bê tông phun (gọi là ‘củ khoai’): như DIN 1045W có hai dạng củ khoai 8 và 16mm, AFTES (Pháp) có các củ khoai 8, 12.5 và 16mm, ACI 506 cũng có các củ khoai như vậy. Tổng hợp của 3 dạng khoai sắn kể trên là một bảng giới hạn thành phần cốt liệu (hỗn hợp) dùng cho BTP như sau (tham khảo):

4.   Nước cho BTP:

Là nước trộn và nước có sẵn trong thành phần cốt liệu, đóng vai trò không thể thiếu trong phản ứng thủy hóa xi măng và tạo cho bê tông tính công tác. Cũng giống như nước cho bê tông, cứ loại nào uống được thì dùng cho BTP được, trừ nước giải khát có gas, bia và nước biển...

5.   Phụ gia cho BTP:

Phụ gia dẻo hóa:

Được sử dụng để điều chỉnh và cải thiện tính chất của bê tông phun ở trạng thái dẻo và trạng thái rắn (đá bê tông): tính công tác, tỷ lệ Nước/xi măng, khả năng bơm, khả năng phun, sự phát triển cường độ ... Trước đây, phụ gia siêu dẻo thế hệ hai được sử dụng nhiều nhưng gần đây có xu hưởng sử dụng các phụ gia siêu dẻo thế hệ 3 cho BTP nhờ ưu điểm hơn (duy trì tính công tác tốt hơn, mức độ giảm nước lớn hơn, cải thiện khả năng bơm ..), bên cạnh đó còn có thêm sự góp mặt của các loại phụ gia khác như PG kéo dài đông kết nhằm điều chỉnh tính công tác của bê tông, PG trợ bơm vv...

Phụ gia đông kết nhanh dùng cho BTP: Accelerator - ACC

Giữ vai trò khởi động/điều phối sự đông kết tức thời của bê tông ngay sau khi phun, tuy nhiên vật chất này lại làm giảm cường độ cuối cùng của bê tông, việc sử dụng phụ gia đông kết nhanh do vậy cần được kiểm soát một cách nghiêm ngặt nếu không sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng về độ bền của kết cấu BTP.

Thường có hai dạng: bột và lỏng, phụ gia ĐKN được thêm vào đầu vòi phun (nếu là dạng lỏng) hoặc vào hỗn hợp trộn khô bằng các thiết bị định lượng thích hợp. Phụ gia này có tác dụng tạo sự đông kết tức thời cho bê tông, giúp bám dính và tạo sức chống đỡ/gia cố cho lớp bê tông phun đối với kết cấu.

Về mục này, đã có hẳn một bài dài lê thê, coi ở đây:

http://www.bachkhoadanang.net/forum/viewtopic.php?t=1391&postdays=0&postorder=asc&start=30

6.   Silicafume (S.F) cho BTP:

Được bắt đầu sử dụng trong bê tông từ những năm 1940, S.F giữ vai trò như một vật liệu bổ sung nhằm tăng cường chất lượng của bê tông và đôi khi, như là vật liệu thay thế cho một phần xi măng Portland (giống như tro bay, xỉ...). Lượng dùng phổ biến của S.F trong BTP là đến 5% trọng lượng vật chất mịn (binder). Có tác dụng làm tăng độ bám dính của BTP khi thi công, S.F thường được sử dụng trong BTP trong kết hợp với các loại cốt sợi (fibres) cho phép phun bê tông được thi công với lớp dày hơn, đặc biệt khi phun trên mặt vòm (overhead). Khi sử dụng S.F, BTP có độ dẻo tốt hơn, độ sụt tăng lên 40-50mm so với khi không sử dụng. Khi được sử dụng đến 5%, S.F có thể giúp loại bỏ hiện tượng tách nước (bleeding) trong bê tông nhờ có tỷ diện lớn, giúp giảm lượng mao mạch xuất hiện trong bê tông. Nhờ đó, bê tông có cường độ tốt hơn, tăng khả năng chịu uốn, modul đàn hồi và tăng khả năng chống thấm (nhờ có mật độ lớn hơn), chống các tác nhân ăn mòn hóa học (chlorides, sulphates ...) và làm giảm phản ứng kiềm-cốt liệu. Một đặc tính tốt đẹp khác của BTP có S.F có thể kể là giảm lượng rơi vãi bê tông (rebound).

7.   Cốt liệu sợi (fibres) cho BTP:

Được sử dụng trong BTP nhằm tăng cường các đặc tính cơ lý của bê tông, cốt liệu sợi có thể là polymer (thường dùng trong sửa chữa nhỏ và nhằm tăng khả năng chống cháy cho BTP), sợi thủy tinh, sợi carbon ... nhưng thông dụng nhất là cốt sợi thép (steel fibres). Bê tông phun có sử dụng cốt sợi có được những lợi ích sau:

- Tăng khả năng chống va đập, chống mài mòn, cường độ bám dính.

- Tăng khả năng chịu uốn cho bê tông.

- Tăng khả năng chịu nước của bê tông nhờ bù co ngót, giảm nứt vỡ do co ngót.

- Tăng độ bền của bê tông.

Cốt sợi thường được đóng gói trong loại bao giấy tan và được trộn cùng với bê tông cơ sở trong các máy trộn thông thường. Không sử dụng cốt sợi cho BTP khô do lượng rơi vãi rất lớn (>50%).

Posted in: Bê tông phun