BÊ TÔNG PHUN – VẬT LIỆU CHỐNG GIỮ ĐƯỜNG LÒ THẾ KỶ 21

                                                          Nguyễn Quốc – CTV
 Giới thiệu chung !
Tuy được phát minh vào những năm đầu của thập kỷ 90, nhưng phải đến cuối thế kỷ 20 bê tông phun mới được xem là một trong những vật liệu dùng để chống giữ. Sự phát triển Phương pháp đào hầm mới của Áo – NATM (New Austrian Tunneling Method) cuối những năm 50 và đầu 60 đã chứng tỏ được những ưu điểm của bê tông phun trong chống giữ đất đá không chỉ trong ngành mỏ mà còn trong cả ngành xây dựng nói chung.
NATM sử dụng bê tông phun do khả năng chống giữ tức thời sau mỗi lượt chống, kết hợp chống phụ trợ và lắp đặt các loại neo hay các lớp vỏ bê tông đúc sẵn hoặc phun tại chỗ. Về bản chất, bê tông phun được sử dụng nhằm ngăn ngừa sự biến dạng ban đầu của biên dạng lò dọc vỉa và giúp cho kết cấu khối đá duy trì được khả năng tự chống giữ tới giai đoạn tiếp theo.
Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, các ứng dụng trong ngành mỏ đều không quá chú trọng đến việc chống giữ khối đá bằng bê tông phun mà lại quan tâm đến khả năng tạo ra một lớp vỏ an toàn lên bề mặt khối đá của chất liệu này. Những ứng dụng khác của bê tông phun là tạo ra lớp che phủ tại các khu hầm rộng lớn đặt máy nghiền hoặc sân giếng, các vị trí mà mức độ đất đá bị bào mòn thấp (như tại các lỗ tháo quặng).
Mặc dù công nghệ phun hỗn hợp xi măng - cốt liệu dưới áp suất cao qua một vòi phun đảm bảo bám dính trên một bề mặt định trước đã được ứng dụng trong giai đoạn 1910 – 1950, nhưng việc áp dụng công nghệ này trong các đường lò cũng chỉ bắt đầu khi phát triển phương pháp phun hỗn hợp ướt. Trước đó, phun hỗn hợp khô là sự lựa chọn duy nhất. Phương pháp phun hỗn hợp khô này sử dụng xi măng và cát thay cho cốt liệu thô. Trong quá trình phun, nước chỉ được trộn vào hỗn hợp ngay tại vòi phun, nhằm tránh nguy cơ tắc vòi phun khi vật liệu cấp quá ướt.
 Xét về cường độ và độ bền, bê tông phun khác với các dạng bê tông khác do khả năng đông kết ban đầu gần như tức thời. Dấu hiệu để nhận biết khả năng này là sau khi được phun lên vách hoặc trần một đường lò, bê tông phun phải bám dính chắc chắn mà không tạo ra những đống vật liệu thừa tại chân các đường lò. Sử dụng các máy gia tốc cần thiết, một lượng hóa chất phù hợp cho hỗn hợp nước – xi măng – cốt liệu để đảm bảo yêu cầu bê tông phun tại hiện trường. Nhu cầu ứng dụng bê tông phun trong các ngành xây dựng công trình ngầm và mỏ ngày càng tăng đã tạo ra mối liên kết chặt chẽ giữa các nhà sản xuất thiết bị phun bê tông và các nhà cung cấp chất phụ gia quan trọng. Điển hình gần đây nhất là sự hợp tác giữa nhà sản xuất thiết bị phun bê tông hàng đầu thế giới Normet (Phần Lan) và TAM International, một công ty chuyên sản xuất hóa chất trong xây dựng có thị trường chính tại khu vực Viễn Đông.  
Đặc tính kỹ thuật của bê tông phun
Thiết kế cấp phối cho bê tông phun dựa trên nhiều yếu tố, trong đó có những yếu tố giống như bê tông thường. Do yêu cầu chống giữ tức thời đóng vai trò quan trọng nhất nên chất lượng bê tông cũng như khả năng đông cứng nhanh được xem là điều kiện tiên quyết. Độ mịn có ảnh hưởng quyết định đến diện tích bề mặt riêng của xi măng. Hỗn hợp khô giữa xi măng và cốt liệu thường có tỷ lệ xi măng thấp hơn so với hỗn hợp ướt, tuy nhiên, thiết kế cấp phối sẽ dựa vào cường độ cuối cùng được yêu cầu và các đặc tính khác của bê tông phun tại nơi áp dụng.
Tỷ lệ cát và cốt liệu trong bê tông phun cũng khác so với trong bê tông thông thường. Kinh nghiệm cho thấy, hỗn hợp cát – cốt liệu gồm 40% cấp hạt nhỏ hơn 1,18mm giúp công tác bơm thuận tiện hơn, trong khi cỡ sỏi lớn nhất cho phép vào khoảng 9,5mm. Vượt quá giới hạn trên, bê tông phun sẽ không đạt khả năng bám dính tối ưu.  
Theo Hiệp hội Bê tông phun của Anh (UK SCA) thì so với bê tông đổ tại chỗ, bê tông phun có tỷ lệ nước – xi măng thấp hơn. Điều này hoàn toàn chính xác trong công nghệ phun khô, khi hỗn hợp ít bị chảy nhão có khả năng tự chịu tải và không gây sụt võng sau khi phun. Với công nghệ phun ướt, nếu sử dụng chất phụ gia gây dẻo thì cũng đạt được kết quả tương tự.   
Tuy nhiên, ngoài các chất phụ gia gây dẻo, người ta còn sử dụng hàng loạt các chất phụ gia và bám dính khác trong bê tông phun, bao gồm xỉ đáy lò cao, tro bay dạng bột mịn (PFA – Pulverized fly ash) và hơi silicagen đều có các đặc tính puzơlan. Các chất phụ gia được sử dụng nhanh đẩy nhanh tốc độ đông kết ban đầu của xi măng và kiểm soát quá trình hydrat hóa, nâng cao các đặc tính lưu biến  và tính năng bám dính vào bề mặt đất đá của bê tông phun. Trong cả hai quá trình phun khô và ướt, chất phụ gia thường được thêm vào tại vị trí vòi phun.
Việc lựa chọn phương pháp phun khô hay ướt tùy thuộc vào tiêu chuẩn thiết kế và tổ chức hậu cần. Các hỗn hợp khô có thể vận chuyển với khối lượng lớn và cất giữ dưới đất cho đến khi sử dụng. Các hỗn hợp ướt, sau khi nhào trộn, được vận chuyển đến bộ phận phun, và trong điều kiện cho phép, có thể trộn thêm phụ gia đông kết trên đường vận chuyển.
Trong hơn 20 năm qua đã có sự chuyển đổi đáng chú ý trong việc lựa chọn công nghệ bê tông phun. Trong một bài báo đang năm 2000, tác giả Mike Rispin (thuộc Normet) đã lưu ý rằng, hiện trên 60% lượng bê tông phun được sử dụng tại  các mỏ than hầm lò ở Bắc Mỹ là bê tông phun dạng ướt. Điều này cho thấy cơ sở hạ tầng tại các mỏ đã được nâng cấp và phục vụ tốt cho cho việc vận chuyển bê tông phun dạng ướt.
Thiết bị phun bê tông phun
Thiết bị phun bê tông phun Cobra của hãng Meyco là loại thiết bị di động có cơ cấu điều khiển bằng thủy điện, sử dụng trong các đường hầm có tiết diện nhỏ. Cần phun linh hoạt, có thể gập lại, thuận tiện trong việc di chuyển và sử dụng trong không gian hạn chế. Thiết bị được gắn trên bệ khung di chuyển bằng bốn bánh và sử dụng một hệ thống nén khí.   
MINExpo 2008 đã giới thiệu một thiết bị phun bê tông mới Poca cũng của hãng Meyco có khả năng truyền động bằng điện hoặc bằng điêzen, tùy thuộc vào nguồn cấp. Một đặc điểm khác của thiết bị là khả năng điều khiển quá trình phun bê tông từ xa và hệ thống làm mát gắn trên thiết bị. Mới đây, tại Triển lãm thương mại BAUMA 2010, hãng thiết bị mỏ Putzmeister đã giới thiệu thiết bị phun bê tông SPM 4207 với khả năng làm việc trong các đường hầm vận chuyển có tiết diện nhỏ đến trung bình. Tổ hợp thiết bị sử dụng lốp có khả năng chống mòn cao, đường cáp tải điện dài 100m, có bộ chuyển đổi xúc tác, bộ lọc dầu điezen và hệ thống chống cháy tích hợp, làm việc độc lập hoặc sử dụng chung hệ thống máy nén khí trong đường hầm. Thiết bị SPM 4207 được trang bị cần phun Aliva 302 có tầm với 8,5m, tốc độ phun có thể đạt tới 20m3 hỗn hợp bê tông ướt/giờ. Thợ vận hành được trang bị thêm một hệ thống giám sát lượng chất phụ gia và một màn hình màu hiển thị các số liệu vận hành.
Cũng tại triển lãm này, Normet đã giới thiệu thiết bị phun bê tông Spraymec 8110 VC được thiết kế chuyên dùng cho các đường lò dọc vỉa, hai dàn thiết bị phun bê tông chuyên dùng cho đường lò chuẩn bị Spraymec 6050 (công suất 20m3/giờ) và Spraymec 1050 (công suất 25m3/giờ), đều có khả năng chạy bằng điện hoặc dầu điezen. 
Vận chuyển bê tông phun
Trong quá trình áp dụng công nghệ bê tông phun, cần thiết phải sử dụng một số loại xe tải chuyên dụng để vận chuyển trực tiếp bê tông tại nhà máy trên mặt đất hoặc từ các phễu cấp tại chân giếng. Giống như cách vận chuyển thông thường trong các công trình xây dựng trên mặt đất, trong quá trình vận chuyển, bê tông phun cần được nhào trộn liên tục, ngăn ngừa hiện tượng phân tầng cốt liệu và duy trì độ quánh dẻo của bê tông. Nổi bật trong lĩnh vực chế tạo xe chuyên dụng này là công ty  Breaker Technology Inc. (BTI) thuộc Tập đoàn Astec Industries với các sản phẩm xe SCT có tải trọng từ 3m3 đến 6m3, thùng trộn quay đảo chiều với tốc độ 14 vòng/phút, đảm bảo bê tông luôn được nhào trộn trong quá trình vận chuyển. Thùng trộn có đường kính 1,4m, được đặt trên khung xe có chiều dài thay đổi từ 3,7m đến 5,6m và chiều rộng 1,56m. Hiện Normet cũng có bốn thiết bị trộn bê tông phun cơ động với dung tích thùng trộn thay đổi từ 2,5m3 đến 5,6m3 và một xe trộn bê tông tải trọng 6m3, bơm phun tốc độ cao dùng trong các đường hầm có tiết diện lớn.
Thiết bị trộn bê tông Maxcrete của hãng Maxon (Mỹ) là loại thiết bị có thể đặt trên xe tải chuyên dụng, có dung tích thùng trộn từ 3,4m3 đến 15,3m3, thân mở phía trên, với cửa tháo lớn, thuận tiện cho việc chất và dỡ tải. 
Chất phụ gia
Tới nay, TAM International được xem là một trong những nhà cung cấp chất phụ gia cho bê tông phun. Có thể kể ra hàng loạt các sản phẩm phụ gia chuyên dùng dạng chất lỏng hay dạng bột của hãng, như chất phụ gia lỏng TamShot 10SS dùng cho bê tông phun lớp dày và có cường độ lớn. Ngoài ra, Tam International còn có sản phẩm bột phụ gia TamShot 80AF giúp gia tăng khả năng đông cứng của bê tông phun trong thời gian ngắn.
Hãng hóa chất Sika (Thụy Sỹ), đối tác của hãng thiết bị Putzmeister cũng đã giới thiệu một số phụ gia dùng cho bê tông phun sử dụng công nghệ chế tạo chất siêu dẻo ViscoCrete nhằm tăng độ bền và tính dễ đổ của bê tông. 
Nâng cao chất lượng vận hành thiết bị
Trong lĩnh vực bê tông phun, các nhà sản xuất thiết bị và các công ty hóa chất ngày càng phát triển đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng của thị trường thế giới. Ngoài ra còn một lĩnh vực nữa cần được mở rộng trên thị trường Bắc Mỹ và châu Âu là đào tạo thợ vận hành thiết bị phun bê tông. Chất lượng của bê tông phun được thể hiện qua khả năng chống giữ đường hầm có liên quan trực tiếp đến kỹ năng của thợ vận hành vòi phun. Cơ quan Thương mại châu Âu EFNARC và Hiệp hội Bê tông phun Mỹ ASA hiện đã phối hợp xây dựng các chường trình đào tạo và cấp giấy chứng chỉ trong lĩnh vực này.
Tới nay, công nghệ bê tông phun đã trải qua trên 50 năm phát triển. Khắp nơi trên thế giới, ngày càng có nhiều mỏ triển khai áp dụng thành công công nghệ này, đáp ứng yêu cầu sản xuất, giảm sức lao động của công nhân và đảm bảo chất lượng công trình./.

Nguyễn Quốc  (biên dịch)
Theo: Engineering and Mining Journal số 5 - 2013