Nghiên cứu giải pháp tối ưu vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng
Quá trình phát triển mạnh mẽ về mọi mặt, đặc biệt là trong lĩnh vực kinh tế, thương mại, đầu tư của đất nước trong xu thế hội nhập, toàn cầu hóa dẫn đến sự hình thành các tập đoàn kinh tế đa ngành trong nước và sự đầu tư ngành càng tăng, toàn diện của các tập đoàn đa quốc gia nước ngoài. Sự phát triển trong lĩnh vực đầu tư xây dựng cơ bản cũng không nằm ngoài dòng chảy đó và tất yếu là nhu cầu về diện tích xây dựng cho mục đích ở, cho thuê, văn phòng, thương mại và dịch vụ ngày càng tăng cả về số lượng lẫn chất lượng. Kinh nghiệm xây dựng của các quốc gia trên thế giới đã chứng tỏ rằng với việc gia tăng nhanh chóng của giá trị đất xây dựng thì phương án hiệu quả nhất dưới góc độ kinh tế của đầu tư xây dựng là chiều cao công trình phải lớn hơn 30÷50 tầng. Ý tưởng xây dựng nhà siêu cao tầng xuất phát từ tư duy về một siêu đô thị phát triển với những định hướng giá trị và đẳng cấp về kiến trúc – xây dựng, trong đó có lợi ích rõ ràng của nhà đầu tư hoặc từ nguyên nhân liên quan đến giá trị quá cao của khu đất xây dựng[4].
Để phù hợp với xu thế xây dựng nhà chọc trời để giảm bớt diện tích chiếm đất xây dựng, tận dụng tối đa không gian khi mà tốc độ đô thị hóa ngày càng tăng. Đồng thời nâng cao chất lượng thi công thì nghiên cứu phương án vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng là cấp thiết, bởi nó quyết định trực tiếp đến hiệu quả và chất lượng nhà siêu cao tầng bằng bê tông cốt thép.
Vì vậy, lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp tối ưu vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng” là cần thiết và mang tính thực tiễn cao.
2. Phạm vi nghiên cứu của luận văn
Nghiên cứu phương án vận chuyển vữa bê tông trong thi công các công trình nhà cao tầng, siêu cao tầng: Vận chuyển vữa bê tông từ chân công trình tới các vị trí đổ bê tông.
Để thực hiện điều này cần thiết phải nâng cao kĩ thuật bơm lớp bê tông trên tầng cao. Sau khi chia dạng tầng đổ bê tông thành các giai đoạn vị trí tầng cao thì sẽ hình thành các phương pháp như phương pháp nâng đổ theo từng giai đoạn, phương pháp sử dụng cần cẩu nâng siêu trọng, phương pháp sử dụng ròng rọc, tuy nhiên do hạn chế về thời gian, vị trí của việc đổ bê tông lên các độ cao lớn nên có thể trở thành nguyên nhân làm giảm chất lượng bê tông. Theo đó việc bơm xả và đổ bê tông theo thời gian dự kiến là phương án tối ưu. Nhưng với việc đổ bê tông với cường độ cao dẫn đến có sự gia tăng ma sát bên trong ống dẫn bê tông làm cho quá trình bơm trở lên khó khăn.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn
Lựa chọn phương án vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng.
4. Phương pháp nghiên cứu của luận văn
Tổng hợp, phân tích các tài liệu nhà sản xuất (thế giới và trong nước) có liên quan đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thi công.
Tìm hiểu, đánh giá quá trình thi công trên thế giới và đã được vận dụng thực tế ở Việt Nam.
Tổng hợp, phân tích, đánh giá kết quả để đưa ra kết luận.
5. Những đóng góp của luận văn
Về mặt lý thuyết: Làm rõ việc vận chuyển vữa bê tông trong các thiết bị.
Về mặt thực tiễn: Làm tài liệu tham khảo nghiên cứu lĩnh vực này, cho các Kỹ sư xây dựng làm cơ sở xây dựng Biện pháp thi công trong thi công nhà siêu cao tầng.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VẬN CHUYỂN VỮA BÊ TÔNG TRONG THI CÔNG XÂY DỰNG NHÀ SIÊU CAO TẦNG
1.1. Một số khái niệm cơ bản về nhà siêu cao tầng
1.1.1. Khái niệm cơ bản về nhà siêu cao tầng
Hiện nay chưa có một định nghĩa hoặc một tiêu chí rõ ràng về nhà siêu cao tầng. Theo hội thảo Quốc tế lần thứ IV về nhà cao tầng của Ủy ban nhà cao tầng và môi trường đô thị (CTBUH) tổ chức tại Hồng Công năm 1990, định nghĩa: “nhà cao tầng là một nhà mà chiều cao của nó ảnh hưởng tới ý đồ và cách thức thiết kế” [12]. Căn cứ vào chiều cao và số tầng, người ta phân nhà cao tầng ra làm 4 loại như sau:
– Nhà cao tầng loại 1: Từ 09÷16 tầng (cao nhất là 50m)
– Nhà cao tầng loại 2: Từ 17÷25 tầng (cao nhất là 75m)
– Nhà cao tầng loại 3: Từ 26÷40 tầng (cao nhất là 100m)
– Nhà cao tầng loại 4: Từ 40 tầng trở lên (cao trên 100m) gọi là nhà cực cao.
Cách phân loại này cũng hợp với quan niệm về nhà cao tầng của Việt Nam. Như vậy có thể hiểu một cách tương đối rằng nhà siêu cao tầng ( hay nhà chọc trời) là những công trình có số tầng lớn hơn 40 tầng (chiều cao công trình lớn hơn 100m).
1.1.2. Tình hình xây dựng siêu cao tầng trên thế giới
Nhà cao tầng nói chung và siêu cao tầng nói riêng được xây dựng cho phép con người sử dụng quỹ đất hiệu quả hơn tạo ra nhiều tầng, nhiều không gian sử dụng và chứa được nhiều người hơn trong cùng một khu đất.
Những nhà siêu cao tầng đầu tiên trên thế giới đều xuất hiện ở các đô thị lớn như: London, New York, Chicago…và các thành phố khác của Mỹ cuối thế kỷ 19. Tuy nhiên những điều luật liên quan đến thẩm mỹ và an toàn phòng hỏa cũng làm cản trở sự phát triển của nhà siêu cao tầng bằng việc hạn chế chiều cao ở con số 40 tầng.
1.1.3. Tình hình xây dựng siêu cao tầng ở Việt Nam
Ở Việt Nam những năm gần đây cùng với sự mở cửa của nền kinh tế, nhiều khách sạn, văn phòng làm việc cao 20 – 30 tầng đã được xây dựng ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng. Các nhà cao tầng tiêu biểu cho giai đoạn này như công trình tòa tháp Hà Nội, khách sạn Melia; tòa nhà Vietcombank… ở Hà Nội và tòa nhà Saigon trade Center; ThuanKieu Plaza ở Tp. Hồ Chí Minh. Cùng với sự phát triển nở rộ của các nhà cao tầng có chiều cao từ 40 tầng trở xuống là sự xuất hiện của một số công trình nhà siêu cao tầng rất lớn ở Việt Nam.
Ngoài các công trình kể trên hiện nay ở Việt Nam cũng đang có rất nhiều những dự án xây dựng nhà siêu cao tầng đang được triển khai như: Công trình VIETINBANK TOWER; Công trình THE ONE HOCHIMINH CITY; Công trình SAIGON CENTER…
Cũng theo xu hướng chung trên thế giới, các cuộc đua giành kỷ lục ngôi nhà cao nhất và đang diễn gia mạnh mẽ, nó không chỉ thể hiện hơn kém nhau về chiều cao mà còn thể hiện sức mạnh của mỗi công ty, mỗi tập đoàn và mỗi quốc gia. Sự xuất hiện ngày càng nhiều các tòa nhà siêu cao tầng ở Việt Nam ngày càng làm thay đổi bộ mặt của độ thị ở các thành phố lớn và là xu hướng tất yếu của tương lai. Đồng thời cũng thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xây dựng nhằm đạt tới những đỉnh cao mới.
1.2. Công tác vận chuyển bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng
1.2.1. Bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng
Vật liệu cơ bản được sử dụng để xây dựng khung chịu lực của nhà siêu cao tầng là bê tông toàn khối. Cho đến nay, rất nhiều nhà chọc trời trên thế giới đã được xây dựng trên nền tảng kết cấu khung chịu lực bê tông toàn khối.
Sản lượng bê tông toàn khối hàng năm trên thế giới sử dụng cho các kết cấu nhà và công trình vượt quá 1,5 tỷ m3, tiêu tốn hơn một nửa khối lượng xi măng được sản xuất. Ở các nước phát triển (Anh, Mỹ, Nhật, Đức…) bê tông toàn khối chiếm trên 75% khối lượng bê tông sử dụng cho xây dựng. Còn ở LB Nga bê tông toàn khối hàng năm ước khoảng trên 100 triệu m3, chiếm khoảng 35% khối lượng vật liệu xây dựng được sử dụng.
Bê tông khối lớn cho nhà siêu cao tầng thường được thiết kế với độ bền cao. Thường từ B40, tương đương M550 trở lên. Trong những năm gần đây xu hướng sử dụng bê tông với cường độ cao hơn đến B70÷B90. Qua đó cho thấy rằng bê tông được sử dụng cho nhà siêu cao tầng nói chung và cho các kết cấu khối lớn nói riêng đều phải có chất lượng rất cao với các yêu cầu nghiêm ngặt về kỹ thuật và công nghệ và được gọi là bê tông công nghệ cao.
Nhà siêu cao tầng sử dụng bê tông có cường độ cao, bê tông cường độ cao có các ưu điểm: Giảm tiết diện cấu kiện, giảm tải trọng bản thân, tạo được không gian,vượt khẩu độ lớn.
1.2.2. Vận chuyển vữa bê tông trong giai đoạn thi công phần thân
Trong công tác vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng, có thể có 2 giai đoạn cơ bản: giai đoạn thi công các tầng thấp (dưới 7-8 tầng) và các tầng cao.
1.3. Công tác vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng ở nước ngoài
Trên thế giới có nhiều nhà siêu cao tầng có chiều cao lớn hơn 250m như Tháp Petronas của Malaysia cao 452m, Taipei 101 (Đài Loan) cao 509m, Shanghai WorldFinancial Centre (Trung Quốc) cao 492m, Tháp Al Burj Dubai cao 828m.
Tòa tháp Burj Dubai được bắt đầu xây dựng từ năm 2005, ngay từ đầu, ba máy bơm bê tông hiệu suất cao, một hệ thống đường ống bơm bê tông phức tạp, bốn cần bơm cố định không lắp đối trọng với nhiều loại hỗn hợp bê tông đã được cung cấp cho công trình.
Putzmeister AG đã cung cấp và lắp đặt các máy bơm và hệ thống cần bơm bê tông Tại dự án Burj Dubai và tại dự án này có một máy bơm bê tông siêu cao áp đã đạt kỷ lục về độ cao bơm bê tông lên tới 601m (tầng 155) và độ cao cuối cùng là 611m (hình 1.5). Độ cao bơm được tính theo chiều dài của đường ống đứng lắp trong kết cấu và đường ống bơm bê tông thẳng đứng, bao gồm cả ống trụ và cần bơm của trạm bơm cố định.
Máy bơm Putzmeister và hệ thống đường ống đã bơm bê tông lên độ cao 600m với lưu lượng 30m3/giờ.
Để đạt được độ cao bơm bê tông để phục vụ thi công cho tòa nhà, người ta tiến hành các thử nghiệm bằng một hệ thống đường ống bơm trải ngang trên mặt đất và các giả định về áp suất bơm, độ ma sát của bê tông trong đường ống bơm và kết hợp hai máy bơm siêu cao áp BSA 14000 SHP-D với một máy bơm cao áp ‘thường’BSA 14000 HP-D đã dùng khi thử nghiệm, thành một trạm bơm.
Ban đầu các đường ống bơm được nối với cả bốn cần bơm cố định Putzmeister. Ba đường ống được nối với các cần bơm loại MX 28-4 T, chúng sẽ chuyển bê tông tới các kết cấu cánh của công trình. Cần bơm MX 28-4 T được cố định trên sàn công tác của hệ thống giàn giáo Doka với các trụ ống cao 16m. Việc đổ bê tông cho kết cấu lõi được tiến hành lên tới độ cao 585m (tầng 155) với bốn cần bơm, thậm chí lớn hơn loại MX có tầm với 32m. Các cần bơm MX 32-4 T được lắp trên các trụ ống cao 20m gắn trên sàn công tác của hệ thống giàn giáo tự leo Doka. Tiến trình leo của hệ thống này được thực hiện bằng thiết bị thủy lực theo cách nâng dần thành nhiều bước cho mỗi tầng.
1.4. Công tác vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng ở trong nước
1.4.1. Công trình Keangnam Hà Nội Landmark Tower: Công nghệ vận chuyển, phân phối và rót vữa bê tông
1.4.3. Trung tâm thương mại Lotte Hà Nội
1.5. Tổng quan về thiết bị vận chuyển bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng
1.5.1.1. Cấu tạo cần trục tháp
Cần trục tháp là loại cần trục tiêu biểu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng, xây dựng công nghiệp và lắp ráp các máy móc thiết bị trên cao. Chúng có đặc điểm là cột tháp cao, đỉnh tháp lắp cần dài quay được toàn vòng, các bộ máy thường được dẫn động điện độc lập dùng mạng điện công nghiệp.
Cần trục tháp thường có đủ các bộ máy như nâng hạ hàng, thay đổi tầm với, bộ máy quay, bộ máy di chuyển vì vậy chúng có thể vận chuyển hàng hoá trong một không gian rộng lớn. Mặt khắc kết cấu của chúng hợp lý nên dễ dàng tháo lắp vận chuyển từ nơi này đến nơi khác, tính cơ động cao.
1.5.1.2. Cần trục tháp dùng trong thi công nhà siêu cao tầng
- Cần trục tháp cố định tự: chân tháp gắn liền với nền hoặc tựa trên nền thông qua bệ đỡ hoặc các gối tựa cố định, thường dùng trên các công trường xây dựng nhà dân dụng và nhà công nghiệp
- Cần trục tháp tự nâng: có thể nằm ngoài hoặc trong công trình, tháp được tự nối dài để tăng độ cao nâng theo sự phát triển chiều cao của công trình..
Xe bơm bê tông dùng để vận chuyển bê tông theo một đường ống dẫn bằng thép hoặc bằng một vật liệu cao su từ xe vận chuyển bê tông đến vị trí thi công.
Xe bơm bê tông được sử dụng nhiều trong các công trình vận chuyển và đổ bê tông tại chỗ trong xây dựng. Tuy nhiên nhược điểm là khó khống chế số lượng bê tông trong lúc vận chuyển, thành phần bê tông bị hạn chế trong phạm vi nhất định (vật liệu và tỉ lệ trộn)…
Loại bơm tĩnh, là loại máy chỉ gồm phần máy bơm chính không kèm theo hệ đường ống bơm, mà sẽ được đấu vào đường ống bơm đặt sẵn tại công trình, do đó loại máy bơm này còn gọi là máy bơm dòng hay máy bơm đường ống. Thường máy bơm tĩnh không tự di chuyển được, mà phải gắn vào xe tải như một rơ-moóc, để xe tải kéo đến công trường. Tuy nhiên, cũng có loại bơm tĩnh tự hành, nhưng đến công trường nó vẫn được đặt tĩnh tại một vị trí cố định, mà có thể nối vào hệ thống ống bơm bê tông lắp sẵn cố định tại hiện trường. Tuy máy bơm tĩnh không có hệ cần để có thể vươn tới mọi vị trí đổ bê tông trong tầm hoạt động của cần như bơm động, nhưng với nhà siêu cao tầng nó lại thường được dùng để bơm chuyền lên từng đợt độ cao nhà theo từng đợt đường ống đứng.
Cần phân phối bê tông là thiết bị chuyên dùng vận chuyển bê tông lên cao và phân phối diện rộng (Chiều ngang tầm với 20-45 m), nó đáp ứng được mọi yêu cầu đòi hỏi của thi công bê tông như: khối lượng cung cấp lớn, tốc độ cung cấp bê tông rất cao, tiến độ thi công rất nhanh, chính xác, chất lượng bê tông đồng đều, chất lượng công trình cao, an toàn cho người và công trình đứng hàng đầu, sử dụng ít lao động, vệ sinh môi trường đứng số 1….
1.5.4.2. Một số hình ảnh cần phân phối bê tông
 |  |
Hình 1.14. Cần phân phối bê tông Zoomlion, Truemax.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
VẬN CHUYỂN VỮA BÊ TÔNG TRONG THI CÔNG XÂY DỰNG NHÀ SIÊU CAO TẦNG
2.1. Các yêu cầu của vữa bê tông đáp ứng quá trình vận chuyển bằng bơm bê tông
2.1.1. Cấu trúc của hỗn hợp vữa bê tông
Hỗn hợp vữa bê tông là một hệ đa phân tán nhiều thành phần phức tạp nhận được khi nhào trộn hỗn hợp xi măng với cốt liệu và nước. Do có các nội lực tác dụng giữa các pha rắn và nước hỗn hợp bê tông có được tính dẻo và các tính chất nhất định, đặc trưng cho các chất lỏng dẻo đang hình thành cấu trúc, là dạng vật chất trung gian giữa chất lỏng dẻo và các vật thể rắn.
Cấu trúc của hỗn hợp bê tông có thể xem như hệ được cấu tạo từ hai thành phần: hồ xi măng và cốt liệu. Thành phần tạo thành cấu trúc chính của hỗn hợp bê tông là hồ xi măng, bao gồm xi măng, nước và phụ gia khoáng nghiền mịn (nếu có). Các phần tử xi măng có điểm khác biệt là có kích thước nhỏ và bề mặt riêng lớn, kết quả là hồ xi măng có bề mặt phân cách vật rắn – chất lỏng phát triển cao và trong chúng thể hiện mạnh hơn lực mao quản, phân tử và hấp thụ, chúng tạo cho hệ tính dẻo và độ lưu động.
Hỗn hợp bê tông chứa các hạt có kích thước rất khác nhau do đó giữa chúng thể hiện nhiều lực. Các phần tử cực nhỏ, lắng và bám dính lên bề mặt của các hạt lớn hơn, làm giảm độ lưu động, và để tăng chúng cần thêm nước trộn, sự tăng nước trộn thúc đẩy sự tăng độ lưu động nhưng giảm liên kết của hỗn hợp bê tông. Khi thay đổi cấu trúc, tỷ lệ giữa các hạt và hàm lượng pha lỏng sẽ làm thay đổi độ lưu động và tính dẻo của hỗn hợp bê tông.
2.1.2. Các tính chất của vữa bê tông
2.1.2.1. Tính chất lưu biến của vữa bê tông
Để miêu tả trạng thái của hỗn hợp vữa bê tông ở các điều kiện khác nhau người ta sử dụng các đặc tính lưu biến của nó: ứng suất giới hạn trượt, độ nhớt và tính xúc biến.
2.1.2.2. Tính chất công nghệ của vữa bê tông
2.1.3. Các tiêu chí đánh giá chất lượng vữa bê tông
2.1.3.1. Phân loại vữa bê tông
Vữa bê tông được phân ra theo tính công tác và theo mức độ hoàn chỉnh.
a. Theo tính công tác: Tính công tác của vữa bê tông được đo lường đánh giá qua khái niệm mác của hỗn hợp. Theo đó, hỗn hợp bê tông phân thành 3 nhóm mác: siêu cứng – SC, cứng – C và dẻo – D. Trong từng nhóm, tuỳ theo mức độ dễ đổ và dễ đầm, hỗn hợp bê tông được chia thành các Mác khác nhau (bảng 2.1).
b. Theo mức độ hoàn chỉnh:Tùy theo mức độ hoàn chỉnh hỗn hợp bê tông phân ra hai loại: hỗn hợp bê tông ướt (đã trộn nước) và hỗn hợp bê tông khô (chưa trộn nước).
2.1.3.2. Các tiêu chí đánh giá chất lượng vữa bê tông
Hỗn hợp bê tông cần được sản xuất phù hợp với các yêu cầu của tiêu chuẩn và các quy trình công nghệ được phê duyệt và bảo đảm đạt các yêu cầu cơ bản của hỗn hợp bê tông, qui định bởi các tiêu chuẩn: TCVN 374:2006 Hỗn hợp bê tông trộn sẵn – Các yêu cầu cơ bản đánh giá chất lượng và nghiệm thu; TCXDVN 4453:1995 Kế cấu bê tông toàn khối – Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu; TCXDVN 356:2005 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
a. Các tiêu chí kỹ thuật, công nghệ
b. Tiêu chí về độ tách nước và độ tách vữa
2.1.4. Yêu cầu kỹ thuật của vữa bê tông đáp ứng quá trình vận chuyển bằng bơm bê tông
Đối với công tác bơm bê tông, trong thành phần của hỗn hợp bê tông thì nước là thành phần qua trong nhất để có thể bơm được hỗn hợp bê tông vì nó là thành phần trung gian truyền áp suất do bơm tạo ra đến các phối liệu khác. Do vậy cần phải tạo ra hỗn hợp thể huyền phù của nước và các phối liệu cứng mà từ hỗn hợp này nước không thể tách ra được.
Trong vùng chưa được điền đầy, áp suất của bơm không đủ để tạo thành dòng hỗn hợp vật liệu mà chỉ chèn ép các hạt. Chính điều này làm xuất hiện hiện tượng ùn tắc trong đường ống và việc bơm hỗn hợp không thể thực hiện được.
Nếu như hỗn hợp bê tông được tạo thành một dòng liên tục, không có lỗ hổng không khí (ta gọi bê tông ở thể huyền phù) thì dòng chất lỏng không chịu nén sẽ đảm bảo cho bê tông di chuyển thành dòng không bị ùn tắc. Áp suất của bơm sẽ truyền lực thuỷ tĩnh trực tiếp tác dụng lên hỗn hợp đã hoà trộn đều (thể huyền phù), hỗn hợp này trong lúc di chuyển thành đống thường xuyên phủ lên bề mặt trong của đường ống tạo thành lớp bôi trơn.
Như vậy để bơm bê tông đạt năng suất cao và áp suất vận chuyển có thể nhỏ là cần phải tạo ra một hỗn hợp bê tông vận chuyển ở dạng huyền phù.
Như vậy, để quá trình bơm được thuận lợi vữa bê tông phải có độ sụt, độ đồng nhất, độ dẻo cao và không được tách nước, phân tầng. Về nguyên tắc, vữa dùng cho bơm bê tông có độ lưu động 5 ÷ 12 cm, nhưng trong thực tế độ lưu động của vữa bê tông bơm dung cho các nhà cao tầng là 12 ±2 cm cho 6 ÷ 7 tầng dưới, và càng lên tầng cao độ sụt càng phải cao hơn, vào khoảng 15 ±2 cm. Để có thể dùng bơm vận chuyển, hỗn hợp bê tông phải có hàm lượng cốt liệu nhỏ cao. Giới hạn cỡ hạt đá cần phải nhỏ hơn 1/3 đường kính trong nhỏ nhất của ống bơm. Nếu độ lưu động quá nhỏ, lực ma sát lớn, vữa khó dịch chuyển trong đường ống. Ngược lại, nếu độ lưu động cao quá giới hạn, vữa có thể bị phân tầng khi bơm, gây ra tắc ống. Sử dụng phụ gia hoá dẻo chống phân tầng và phụ gia Sika Pump cho hỗn hợp bê tông sẽ làm dễ dàng bơm theo đường ống.
Hiện nay, khi thi công phần kết cấu chịu lực nhà siêu cao tầng, với yêu cầu về cường độ cao, thi công đổ bê tông ở độ cao lớn, cấu kiện với mật độ cốt thép dày đặc, ngoài yêu cầu về cường độ, vữa bê tông phải đảm bảo tính thi công, tự đầm và có độ chảy thích hợp (độ xòe côn trên 600mm). Để đạt được các yêu cầu trên khi chế trộn vữa bê tông phải thiết kế cấp phối sử dụng tổ hợp chất biến tính, phụ gia khoáng hoạt tính và phụ gia siêu hóa dẻo.
2.2. Nguyên lý hoạt động của máy bơm bê tông
2.2.1. Nguyên lý truyền động từ xe cơ sở đến máy bơm
Động cơ có chức năng biến đổi năng lượng của nhiên liệu thành cơ năng. Ly hơp có nhiệm vụ đóng hoặc cắt nguồn động lực từ động cơ truyền đến bánh xe chủ động hoặc các bơm thủy lực. Hộp số chính có tác dụng làm thay đổi số vòng quay ở trục ra của động cơ từ đó làm thay đổi tốc độ di chuyển của xe hoặc làm thay đổi số vòng quay của các bơm thủy lực.
Ban đầu cho động cơ hoạt động, sau một thời gian kiểm tra xem áp suất khí nén trong bình hơi. Khi áp suất đạt đến giá trị cho phép thì tiến hành mở ly hợp và tiến hành cài số xe thì xe sẽ bắt đầu di chuyển. Do hộp số phụ luôn luôn ở chế độ nối từ trục các đăng ra cầu sau vì vậy muốn bơm bê tông thì ta phải thực hiện quá trình chuyển chế độ làm việc của hộp số phụ ngay khi vừa mở ly hợp.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy bơm bê tông
Theo cấu tạo của bơm người ta chia làm hai loại: bơm kiểu piston, bơm kiểu rôto.
Theo cách dẫn động, chia ra làm hai loại: dẫn động thuỷ lực và dẫn động điện.
- Bơm bê tông kiểu piston dẫn động bằng piston thuỷ lực (hình 2.2).
- Bơm bê tông kiểu piston dẫn động kiểu tay quay (hình 2.4)
2.3. Cần phân phối bê tông thủy lực
Cần phân phối bê tông là thiết bị chuyên dùng có dạng cần trục dùng để tiếp nhận vữa bê tông từ máy bơm bê tông và phân phối rải vữa bê tông trên diện tính đổ bê tông. Cần phân phối bê tông là thiết bị không thể thiếu trong thi công bê tông các công trình siêu cao tầng.
Bê tông được phân phối bởi hệ thống cần liên kết quay quanh một trục (thân cần phân phối) và được điều khiển bởi các pittong áp lực dầu. Độ vươn của cần phân phối trong khoảng 20 – 45m. Sử dụng cần phân phối bê tông đáp ứng được mọi yêu cầu đòi hỏi của thi công bê tông như: khối lượng và tốc độ cung cấp bê tông rất cao, tiến độ thi công nhanh, an toàn cho người và công trình.
2.3.2. Đặc điểm cấu tạo chính của cần phân phối bê tông
Đặc điểm cấu tạo chính của cần phân phối bê tông thể hiện ở bảng 2.3. Cần phân phối và thân dạng ống đứng tự do trong giai đoạn đầu khi đổ bê tông nền và tầng tầng thấp. Cần phân phối được nâng lên sau giai đoạn đầu tiên nhờ thiết bị tự nâng qua các sàn hoặc trong hố thang máy và được đặt tại sàn cần thi công.
2.4. Các thông số cơ bản liên quan đến đến công tác bơm bê tông
2.4.1. Độ dài đường ống bơm và sự tổn hao áp lực khi bơm bê tông
*) Trị số chiều dài nằm ngang ống bơm qui đổi
Ống bơm bê tông gồm 2 phần: ống cứng (được chế tạo bằng thép có đường kính ống từ ∅ = 130 ÷ 200 mm, được nối lại với nhau từ nhiều đoạn ống thường có chiều dài mỗi ống 1m, 2m, 3m, 4 m và ống mềm bằng cao su dùng để rải bê tông.
2.4.2. Tính toán, kiểm tra các thông số của máy bơm bê tông
Các thông số kỹ thuật cho trước của máy bơm bê tông về cơ bản bao gồm: Số vòng quay (vòng/phút); áp suất bơm (MPa); số xi lanh; đường kính xilanh (cm); đường kính rôto (cm); hiệu suất bơm (%).
2.4.2.1. Tính toán năng suất của bơm bê tông
Đối với bơm bê tông kiểu pittông truyền động bằng thủy lực năng suất của bơm bê tông được tính theo công thức sau:
(1)
trong đó: : các kích thước của xilanh và hành trình pittông .
: số lần bơm của hai xilanh trong 1 phút
: hiệu suất thể tích, đặt trưng cho sự mất mát thể tích và độ điền đầy bê tông trong xilanh bơm.
2.4.2.2. Vận tốc của pittông trong bơm bê tông
(2)
trong đó: năng suất của một xilanh
2.4.2.3. Áp suất vận chuyển hỗn hợp bê tông.
Áp suất của hỗn hợp trong các đường ống giảm dần khi đi qua các khớp nối với bơm dọc theo đường ống và ở cuối đường ống bằng áp suât không khí bên ngoài.Áp suất cần thiết của bơm :
(3)
trong đó: : tổn hao áp suất thủy tĩnh ;
: tổn hao áp suất động ;
: tổn hao áp suất của dòng vật liệu trên 1 m đường ống
: giá trị tương đương của các đường ống dẫn
: áp suất cần thiết của đầu phun
Tổn thất áp suất động là do hậu quả của sự thay đổi vận tốc dòng hỗn hợp, vì vậy nó chỉ xuất hiện đối với các loại bơm hoạt động mang tính chu kỳ. Áp suất động học dọc theo dọc theo đường ống kể từ pittông trở đi giảm dần, nguyên nhân là do tác dụng đàn hồi và dập tắc dao động của vật liệu cần vận chuyển.
Theo kinh nghiệm thực tế, hệ số kể đến áp lực động được xác định theo kinh nghiệm có thể đưa vào tính toán và khi đó công thức (1) có thể được viết lại như sau:
(4)
trong đó: : hệ số động phụ thuộc vào kiểu bơm.
: chiều dài tương đương của các đoạn ống dẫn bê tông, được xác định:
: tổn áp di chuyển riêng, là do ma sát trong các vận chuyển vật liệu gây ra, trị số của nó phụ thuộc vào :
Trên cơ sở tính toán của viện nghiên cứu NIIOMSZ, ta có:
: tổn áp phụ thuộc vào chất lượng vật liệu
: hệ số phụ thuộc vào tốc độ của dòng vật liệu.
: hệ số phụ thuộc vào đương kính của đường ống vận chuyển.
: hệ số phụ tuộc vào vật liệu đường ống.
: hệ số phụ thuộc vào độ đặc đo bằng hình nón của bê tông.
2.4.2.4. Áp lực tác dụng lên pittông bơm bê tông.
(5)
: áp suất vận chuyển bê tông
: diện tích mặt pittông bơm bê tông
2.4.2.5. Công suất vận chuyển của bơm bê tông.
Công suất vận chuyển được tính toán dựa trên cơ sở của lý thuyết vận chuyển đường ống.
(6)
Trong đó: : năng suất vận chuyển trung bình
: áp suất vận chuyển hỗn hợp
2.5. Nghiên cứu thực nghiệm kiểm tra áp lực bơm, công suất bơm và tầm xa vận chuyển trong thi công công trình LOTTE CENTER HANOI
- Đo lường xác định sự giảm áp lực trong đường ống bơm và chỉ số ma sát theo từng khu vực bơm.
- Kiểm tra sự biến đổi tính chất của bê tông trước và sau khi bơm.
Từ đó quyết định tính thi công của vữa, áp lực bơm và công suất bơm cho từng tầng trong phương án thi công bê tông của công trình.
2.5.2. Quy trình thực hiện công việc (bảng 2.5)
2.5.3. Xây dựng hệ thống đo lường
a) Thành lập kế hoạch đo lường:
b) Tần số đo lường
- Đo chất lượng bê tông
- Vị trí cài đặt bộ cảm biến
- Loại vữa bê tông thử nghiệm
- Nguyên lý đo và tính toán số liệu
Thực hiện thực nghiệm bơm đẩy lên đến độ cao 138M, 234M, 336M thông qua đường ống bơm bê tông cường độ cao để kiểm tra sự biến đổi tính chất của bê tông cường độ cao trước khi bơm và sau khi bơm, đồng thời tìm hệ số ma sát trong đường ống để xem xét khẳ năng sử dụng và tính ổn định của đường ống bơm trong thời điểm thi công công trình.
- Kết quả xác định hệ số ma sát:
Theo kết quả đo cho thấy: cùng một độ chảy, cùng một áp suất bơm, lượng chảy cao thì hệ số ma sát nhỏ. Cùng một độ chảy, lượng chảy, nếu áp lực bơm thấp thì hệ số ma sát tăng lên.
Để bơm bê tông 30 Mpa, 40 Mpa, 50Mpa, 60Mpa ta tiến hành thí nghiệm điều chỉnh độ chảy từ 400~700 mm với tất cả các loại bê tông siêu bền thì đều cho kết quả là tăng độ chảy thì ma sát giảm. Với trường hợp 30Mpa, bơm với áp lực là 200kg/cm³, độ chảy 550 mm thì hệ số ma sát tốt nhất có thể đạt được là 1.22.
Khi bơm bê tông 30 MPa với áp lực là 150kg/cm³, độ chảy 660 mm, ma sát tốt nhất có thể đạt được là 1.08. Với trường hợp bơm bê tông 50 Mpa, độ chảy 590 mm với áp lực bơm là 220kg/cm³ thì ma sát tốt nhất có thể đạt được là 2.68. Với trường hợp bơm bê tông 60 Mpa, Lượng chảy 710 áp lực là 230kg/cm³ thì ma sát tốt nhất có thế đạt được là 2.55. Nếu bơm bê tông 30Mpa, độ chảy 420mm, bơm xa 336M thì hệ số ma sát là 0.75. Trường hợp bê tông 43Mpa với áp lực hơn 120kg/cm³ thì ma sát là 1.18.
Kiểm tra ảnh hưởng của thời gian chờ đợi (0 phút, 30 phút, 60 phút) đến sự giảm độ chảy và hệ số ma sát: thời gian trì hoãn của vữa bê tông càng lớn thì độ chảy suy giảm càng nhiều và hệ số ma sát tăng lên (áp lực giảm) với cùng một áp suất bơm.
Với cùng một độ chảy và thời gian chờ như nhau thì hệ số ma sát đo được của vữa bê tông Vimeco thấp hơn của vữa của S-Vina.
2.6. Cường độ vữa bê tông và sự thay đổi cường độ bê tông theo chiều cao kết cấu của nhà siêu cao tầng
Đáp ứng với những đòi hỏi đặc biệt về kết cấu, khả năng chịu lực và điều kiện thi công, bê tông cho xây dựng nhà cao tầng phải là bê tông chất lượng cao. Theo kinh nghiệm xây dựng thế giới, bê tông xây dựng nhà siêu cao tầng phải có cường độ theo cấp độ bền từ B40, tương đương M550. Trong những năm gần đây xu hướng sử dụng bê tông với cường độ cao hơn, đến B70÷B90, như lõi khung chịu lực Petronas Twin Tower, HaNoi Landmark Tower sử dụng bê tông C70 theo tiêu chuẩn ACI, tương đương M900; Federasia Tower – Moscow City sử dụng bê tông B80÷90, trên M1000.
Khi thiết kế và thi công phần lõi khung chịu lực của nhà siêu cao tầng, cường độ bê tông giảm dần tương ứng với chiều cao của công trình. Ví dụ công trình Jin Mao Building cường độ bê tông của các kết cấu siêu cột (megacolumn) và tường vách ở các tầng dưới tương ứng là C80 và C60, giảm đến các tầng trên cùng là C40. Công trình HaNoi Landmark Tower cường độ bê tông lõi vách cứng và cột giảm từ C70 đến C50; kết cấu sàn giảm từ C50 đến C35 theo chiều cao công trình (hình 2.8)[4].
CHƯƠNG 3
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VẬN CHUYỂN VỮA BÊ TÔNG
PHÙ HỢP TRONG THI CÔNG XÂY DỰNG NHÀ SIÊU
CAO TẦNG
3.1. Tổ chức mặt bằng thi công bơm bê tông nhà siêu cao tầng hợp lý
Trên mặt bằng các máy bơm phải được bố trí thuận tiện cho quá trình tiếp nhận vữa bê tông, phạm vi hoạt động của các máy bơm phải bao quát gần hết toàn bộ diện tích đổ bê tông. Vị trí đặt máy bơm phải lựa chọn sao cho thuận tiện khi cấp bê tông cho máy bơm và quá trình vận chuyển.
Ngoài các yêu cầu kỹ thuật về bê tông chất lượng và công nghệ cao, trong thi công nhà siêu cao tầng vữa bê tông phải được chế trộn liên tục với khối lượng lớn, vận chuyển, phân phối và đổ vào ván khuôn ở những vị trí xa theo phương ngang và rất cao theo phương đứng, trong khi đó phải giữ ổn định độ linh động của vữa. Tất cả các các qui trình công nghệ từ khi chế tạo vữa đến lúc đổ vào ván khuôn phải đặt dưới một qui trình kiểm tra chất lượng chặt chẽ.
3.2. Đề xuất các tổ hợp thiết bị máy vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng
3.2.1. Các tổ hợp thiết bị máy và phạm vi áp dụng
3.2.1.1. Tổ hợp xe vận chuyển và cần trục tháp
Tổ hợp bao gồm: Xe bồn vận chuyển vữa bê tông + Cần trục tháp. Cần trục tháp có thể hỗ trợ công tác vận chuyển bê tông lên cao bằng thùng đựng vữa. Tầm xa vận chuyển bê tông trong bán kính đến 40 – 50 m, thể tích thùng 1m3, tốc độ di chuyển khoảng 50m/phút. Phương pháp này tuy đơn giản, sử dụng tiện lợi, giá thành hạ, tuy nhiên tốc độ đổ bê tông thấp nên phải phối hợp với thiết bị đổ bê tông khác.
Phạm vi áp dụng: Kết hợp với các phương án tổ hợp khác khi thi công đổ bê tông cho phần ngầm và các tầng thấp (từ tầng 10 trở xuống) của nhà siêu cao tầng.
3.2.1.2. Tổ hợp xe vận chuyển và xe bơm bê tông
Tổ hợp bao gồm: Xe bồn vận chuyển vữa bê tông + Máy bơm bê tông ô tô (cùng với hệ thống ống phân phối điều khiển bằng thủy lực đi kèm).
Phạm vi áp dụng: Sử dụng đổ bê tông phần ngầm và các tầng dưới, chiều cao thi công phù hợp với khả năng đáp ứng về tầm bơm của máy bơm ôtô, thường dùng thi công phần móng và các tầng thấp dưới 7 tầng. Tổ hợp này có thể kết hợp với các tổ hợp xe vận chuyển và cần trục tháp.
3.2.1.3. Tổ hợp xe vận chuyển, máy bơm tĩnh và cần phân phối bê tông
Tổ hợp bao gồm: Xe bồn vận chuyển vữa bê tông + Máy bơm tĩnh + Cần phân phối bê tông thủy lực. Vữa bê tông được vận chuyển theo hệ thống ống bơm lắp đặt sẵn liên kết với các kết cấu công trình dùng chạy dọc suốt chiều cao công trình kết nối với cần phân phối bê tông.
Phạm vi áp dụng: Cho tất cả các tầng của nhà siêu cao tầng. Có thể kết hợp với tổ hợp xe vận chuyển bê tông + máy bơm bê tông ô tô để thi công các kết cấu nhà siêu cao tầng (hình 3.1)
3.2.2. Tổng hợp phương án lắp dựng cần phân phối vữa bê tông thủy lực
Cần phân phối và thân dạng ống đứng tự do trong giai đoạn đầu khi đổ bê tông nền và các tầng thấp. Khung đế hình chữ thập được lắp đặt trên móng bê tông. Thân trên và thân dưới liên kết với nhau bằng 16 bulong M30 siết chặt với một mô-men xoắn 1400N.m, có khả năng chống gãy cao. Cần phân phối được nâng lên sau giai đoạn đầu tiên nhờ thiết bị tự nâng qua các sàn hoặc trong hố thang máy và được đặt tại sàn cần thi công (hình 3.2).
3.3. Tổng hợp, đề xuất phương án bơm bê tông và lựa chọn máy bơm bê tông
3.3.1. Qui trình tính toán thiết kế phương án bơm bê tông
Để xây dựng công trình tòa nhà cao tầng cần sử dụng thiết bị bơm đẩy. Để thiết lập kế hoạch thi công và kế hoạch xây dựng cần phải tìm hiểu về thiết bị, công suất, lượng xả, áp suất bơm để lựa chọn cho công trình hợp lý và hiệu quả nhất. Thiết bị máy bơm bê tông cung cấp cơ bản về công suất tối đa và lượng xả tối đa theo nhà sản xuất thiết bị. Trong điều kiện thuận lợi thì thiết bị có thể phát huy tối đa hiệu quả. Nhưng môi trường thực tế không phải lúc nào cũng thuận lợi. Đặc biệt với điều kiện môi trường ở Việt Nam với điệu kiện thời tiết có nhiệt độ trung bình cao, độ ẩm lớn. Chất lượng bê tông được trộn tại các công ty bê tông trộn sẵn khác nhau. Lượng xả bê tông có thể biểu hiện như sau:
Lượng xả bê tông (m³/h) = thể tích đẩy được bởi xy lanh (m³) / thời gian thực hiện (h)
Qui trình thiết kế tính toán phương án bơm bê tông như sau:
- Lựa chọn chủng loại đường ống, xác định các thông số kỹ thuật của ống.
- Xác định tổng chiều dài đường ống qui đổi ra phương nằm ngang (tính đến sự giảm áp lực bơm khi thay đổi phương, kích thước, chủng loại đường ống bơm)
- Xác định (tính toán lý thuyết, thí nghiệm) sự sụt giảm áp suất bơm theo tầm bơm, xác định hệ số ma sát trong ống. Từ đó quyết định áp suất bơm phù hợp, tương ứng với tầm bơm cho toàn bộ công trình.
- Trên cơ sở của kết quả áp lực bơm và ma sát thành bơm, xác định giới hạn nhiệt độ của vữa, độ sụt thích hợp và lượng xả vữa (công suất bơm) phù hợp.
- Căn cứ vào các thông số trên, lựa chọn máy bơm đáp ứng được yêu cầu đặt ra của thi công.
3.3.2. Lựa chọn phương án bơm và thiết bị bơm bê tông thi công nhà siêu cao tầng ở Việt Nam
3.3.2.1. Lựa chọn ống bơm áp lực
3.3.2.2. Xác định độ sụt hợp lý và các đặc tính kỹ thuật của hỗn hợp vữa bê tông
3.3.2.3. Xác định áp suất bơm và lượng xả bê tông (công suất bơm)
3.3.2.4. Đề xuất phương án bơm bê tông nhà siêu cao tầng
3.3.2.5. Phương pháp lựa chọn máy bơm bê tông phù hợp với phương án bơm bê tông
3.4. Các yêu cầu về vật liệu cấp phối vữa và chất lượng vữa bê tông
Cần phải lựa chọn phương tiện vận chuyển phù hợp, phải có kế hoạch cung ứng vữa bê tông và công tác tổ chức thi công khoa học nhằm đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật của vữa bê tông khi đổ.
Khi dùng thi công bơm đẩy bê tông, yêu cầu bê tông phải có tính bơm được tức là có tính lưu động, tính mền dẻo nhất định, ít bị mất nước, khó phân ly, nếu không trong khi bơm dễ phát sinh tắc ống.
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
Quá trình nghiên cứu công tác vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng giúp nắm vững kiến thức tổng hợp và đánh giá từ cơ sở pháp lý liên quan đến thực tiễn thí nghiệm và thi công. Từ đây có thể lựa chọn phương án thi công vận chuyển vữa bê tông phù hợp tại Việt Nam cho các công trình siêu cao tầng với quy mô công trình và các chiều cao thi công khác nhau một cách hợp lý nhất. Nâng cao kiến thức khoa học để áp dụng thực tiễn nâng cao chất lượng thi công, kiểm soát nhũng rủi ro, mang lại hiệu quả kinh tế tốt nhất.
Kiểm soát được từ thiết kế cho đến thi công và chất lượng vữa bê tông để thi công bơm cho nhà siêu cao tầng. Bê tông phải có tính lưu động tốt, tính mền dẻo nhất định, ít bị mất nước, khó phân ly, nếu không trong khi bơm dễ phát sinh tắc ống.
Tổ chức mặt bằng thi công bơm bê tông nhà siêu cao tầng hợp lý;
Lựa chọn các thiết bị đủ điều kiện cho thi công như: Cần trục tháp, máy bơm ô tô, máy bơm tĩnh và cần phân phối bê tông sao cho đảm bảo các yếu tố như: sức nâng, tầm với, chiều cao bơm (xa), áp lực bơm đẩy, độ xả, độ chảy phù hợp bơm lên các tầng cao. Phối hợp các thiết bị vận chuyển phù hợp với từng giai đoạn thi công xây dựng
Áp suất bơm phải đảm bảo lượng xả bê tông (tầng thấp lớn hơn 55m3/giờ, tầng cao lớn hơn 40 m3/giờ và tầng cực cao 25-30 m3/giờ như tháp Buji Dubai 611m).
Khi thi công các tầng cao khác nhau (các cấu kiện có cường độ bê tông khác nhau) thì mối quan hệ giữa áp lực bơm và các đặc tính bê tông (cường độ, độ sụt, độ chảy) là yếu tố quan trọng quyết định tối ưu hóa lượng xả mang lại hiệu suất cao nhất.
Trong những năm tới đây sẽ có rất nhiều các nhà siêu cao tầng được xây dựng tại Việt Nam chúng ta. Để giảm bớt các chi phí không cần thiết, đảm bảo sự lựa chọn các thiết bị vận chuyển vữa lên các tầng cao một cách phù hợp nhất.
Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ ngành Xây dựng đến năm 2020, tầm nhìn 2030, Bộ Xây dựng đã đặt mục tiêu đến năm 2020 làm chủ công nghệ xây dựng các công trình dân dụng và công nghiệp có quy mô lớn và yêu cầu kỹ thuật phức tạp; phát triển và ứng dụng các công nghệ xây dựng phục vụ phát triển bền vững. Nền khoa học và công nghệ xây dựng hiện đại thực sự trở thành động lực then chốt thúc đẩy sự phát triển của ngành Xây dựng theo hướng tiên tiến và hiện đại, đáp ứng với tiến trình hội nhập. Luận văn kiến nghị các khoa, viện, cơ sở nghiên cứu về khoa học công nghệ xây dựng phát triển nghiên cứu, thử nghiệm với qui mô lớn hơn như sau:
- Thiết kế các tòa nhà siêu cao tầng có bề mặt sàn rộng hơn 5.000 đến 10.000 m2, độ cao công trình (trên 1000m)
- Làm rõ hơn chủng loại thiết bị vận chuyển vữa bê tông và bê tông để đảm bảo thi công cho các nhà siêu cao tầng, từ đó lập ra bảng tra máy móc thiết bị chi tiết phù hợp với đặc tính bê tông theo chiều cao công trình cho công nghệ thi công xây dựng hiện đại.
- Đề xuất đơn vị chủ đạo thi công lĩnh vực vận chuyển vữa bê tông trong thi công nhà siêu cao tầng một cách chuyên nghiệp, luôn áp dụng công nghệ mới tốt hơn để khi thi công xây dựng các công trình siêu cao tầng không còn phụ thuộc vào các Nhà thầu nước ngoài.
Tất cả các kiến nghị trong luận văn có lẽ chưa phải là đầy đủ nhưng cũng là một phần phù hợp với Chiến lược đặt mục tiêu trong lĩnh vực công nghệ xây dựng đến 2030 sẽ làm chủ công nghệ xây dựng nhà siêu cao của Bộ xây dựng.
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\LUAN VAN DUY TAN\LUAN VAN DUY TAN\LE HO DANG KHOA
