Consideraţii asupra pompabilităţii, şi eficienţei măsurării parametrilor

CONSIDERAŢII ASUPRA POMPABILITĂŢII, ŞI EFICIENŢEI MĂSURĂRII PARAMETRILOR INSTALAŢIILOR DE POMPARE A BETONULUI, MALAXAT PROASPĂT, PRIN CONDUCTE. Rezumat dr. ing. Sârbu Laurenţiu acultatea Utilaj Tehnologic, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti Presiunea pompelor de beton exercitată la pomparea betonului conduce la frecări în conducte, iar rezistenţa creată de inaintarea betonului în secţiunea de tranziţie a tubulaturii plasate la înălţime mare, face să crească inerţia betonului. În această lucrare, se urmăreşte pe baza mecanicii pompării betonului, a pompabilităţii şi disponibilităţii la pompare a betonului malaxat proaspăt in conducte, stabilirea condiţiilor de testare a pompelor de beton (fixe şi mobile), şi menţionarea soluţiile tehnice folosite la construcţia conductelor şi racordurilor pentru liniile de livare a betonului cu lugimi mari de transport. 1. Mecanica pompării betonului[1]. Înţelegerea clară a modului cum betonul este pompat prin conducte este fundamentală în orice studiu al pompării betonului şi când este proiectat mixerul de pompare. Cercetătorii Ede şi Weber citaţi în [1] au căutat să studieze modul de lucru al betonului pompat în conducte şi au publicat informaţii utile azi. În anii 1970 alte investigaţii au fost facute de Loadwick şi Bronce şi Banforth la maşinile de pompat beton, pe care au facut teste ale modelelor de pompabilitate, care apoi au fost dezvoltate[1]. Loadwick a descris studiul fizic al curgerii betonului în conducte (v. fig.1), adică modul cum stă betonul în conducte. Fig.1. Studiul fizic al curgerii betonului in conducte[1] Pompabilitatea betonului este asigurată în conducte, de curgerea tamponului format, care este separat de pereţii conductei de un strat lubrifiant constând din pasta de ciment. Apa din pasta de ciment este legată hidraulic de spaţiile dintre particule care se găsesc în dopul de beton format. Acordând teoria hidraulică la viteza curgerii dopului în conductă, in plan vertical viteza este constantă pe înălţimea dopului. Şi nu există o viteză relativă între

particulele agregatelor care să dea o diagramă modificată a vitezei de curgere pentru dop. Viteza în zonele marginale, care traversează stratul de lubrifiant, este zero la contactul cu peretele conductei. Diagrama vitezei pentru dop este aratată în fig.2.[1]. Fig.2. Diagrama de viteza a dopului de beton[1] Rezistenţa betonului la curgere, este constantă pe conductă, cu respectarea lungimii conductei şi a presiunii betonului, şi descreşte liniar pe orizontală in zona stratului lubrifiant cu conducta. Această condiţie hidraulică a fost aratată de Ede ca aplicabilă la beton numai în stare saturată, când betonul conţine mai multă apă decât are nevoie, adică decât este necesar, se comporta ca o masa fără bule de aer. Rezistenţa de curgere este dată de relaţia[1]: R = (D/4). (dp/dt), (1) unde: R este rezistenţa (forţa pe unitatea de suprafaţă internă a ariei conductei); D- diametrul conductei şi dp/dt este gradientul de presiune. Rezistenţa R este alcatuită din două componente, şi anume: din forţele de tăiere hidraulică a componentelor foarte fine de material rezultate din pompare în stratul de lubrificare, şi de frecarea particulelor solide care se sprijină intre ele pe conductă. Aceste componente sunt afectate de gradul de saturare al betonului. Ede, arată, cum conţinutul de apă afectează rezistenţa curgerii. În fig.3 este arata efectul raportului apă/ ciment asupra iniţierii rezistenţei la curgere[1]. Fig.3. Efectul raportului apă/ ciment asupra iniţierii rezistenţei la curgere[1]

Pentru a continua mişcarea dopului de beton, presiunea garantată de rezistenţa la curgere nu trebuie să fie mai mare decât raţia presiunii de pompare. Todeauna, dacă betonul este saturat (influienţat de permeabilitate betonului), desigur presiunea pompei trebuie să fie mai mare ca presiunea apei care este pompată forţat de mixar, şi cea creată de rezistenţa la curgere, şi de eventualele situaţii posibile de blocaj. În fig.4 se face ilustrarea acestor condiţii[1]. Fig.4. Rezistenţa la curgere şi eventualele situaţii posibilele de blocaj. [1]. Dacă ne referim la pomparea betonului, legătura dintre permeabilitate şi rezistenţa la curgere care sunt funcţii ale proporţiei de amestecare, aceastea trebuie să fie foarte bine considerată. Permeabilitatea este afectată de gradientul de presiune, care este direct prorţional cu rezistenţa de curgere (v. relaţia 1). 2.Testul de pompabilitate[1]. Spaţiile existente între particule, nu sunt folosite numai pentru aşezarea între ele a agregatelor cu mixerul de pompare, deoarece ele se aşează efectiv, şi sub modul de simţire al materialului în procesul de pompare, nisipul fin este pulverizat, iar granulele mari formează rezistenţa amestecului. Metoda pentru măsurarea presiunii a fost dezvoltată pentru a fi folosită în laborator sau pe şantier, ca măsurare indirectă a presiunii betonului în conductă, care poate da indicaţii asupra proprietăţii şi variabilităţii betonului care trebuie pompat. Aranjamentul aparaturii de măsură pe conductă este aratat în figura 5[1]. Fig. 5. Aranjamentul aparaturii de măsură pe conductă[1]:1-4 perechi de marci tensometrice calibrate la 90 0 şi în direcţie longitudinală; 2- izolaţie termică; 3- manşon de oţel ; 4- reţea de bare de oţel 3x25mm ; 5- foaie de aluminiu ; 6- legătura la pământ ; 7- cuplare la reţeaua de putere şi tensiunea de înregistrare.

Presiunea este măsurată prin efortul dezvoltat într-o secţiune mică a peretelui tubului calibrat. Rezultatul este dat în termeni de tensiune electrică, măsurată la puntea rezistenţelor electrice (a marcilor tensometrice) poziţionată pe tub la exterior, care măsoară deformaţia elastică. Rezultatul presiunii la trecerea prin lăcaşul respectiv racordat, operată la 1 mm/s este aratat în figura 6. Inregistrarea arată instrumentarea presiunii betonului în tub (în bar); în funcţie de timp (în minute) [1]. Fig.6. Inregistrarea presiunii la trecerea prin conducta[1]. Când înregistrarea este operată la 1mm/s, se obţin mai multe detalii de informare a circulării betonului şi a presiunii legate de viteza betonului şi de eficienţa pompării. O analiză a presiunii tipice de pulsare este aratată în figura 7, în care se observă pe cele trei grafice: - vârful de presiune atins P p, - presiunea betonului la viteză constantă P cv şi durata timpului mort T v +T p [1]. Efectul lucrabilităţii, pompabilităţii betonului şi eficienţa pompei, se pot exprima în funcţie de forma graficului presiunii de pompare (v. fig.7), pe care acesta o ia în timpul testării pompei de beton. Putem distinge[1]: cazul a)- dacă timpul Tp este mare (considerat notat cu T pi ), avem: lucrabilitate proastă, eficienţă mică la acumularea apei, slabă cantitate de material trecută prin instalatie, rezistenţă mare la curgere ( fig.7,a); cazul b)- dacă T PII < T pi : lucrabilitatea este medie, creşte eficienţa la acumularea apei, se asigură cantitatea de material trecută prin instalaţie, se reduce rezistenţa la curgere (fig.7,b); cazul c)- dacă T piii < T pii < T PI : lucrabilitatea este bună, acumularea apei în material este bună, o cantitate mare de material este trecută prin instalaţie si rezistenţa este mică (fig.7,c). Notaţii P cv - presiune betonului la viteză constantă şi T p timpul corespunzător ca pitonul să lovească betonul. Fig.7,a Fig.7,b Fig.7,c Fig.7. Efectul lucrabilităţii, pompabilităţii betonului şi eficienţa pompei de beton[1]. 2. Pompabilitatea şi disponibilitatea la pompare a betonului malaxat proaspăt la instalaţiile performante [2].

Betonul de pompare nu este un beton special. El indeplineşte toate cerinţele, aşa cum este utilizat pentru betonul armat. Dar nu orice tip de beton folosit pentru armat, poate fi beton pentru pompare, chiar dacă parametrii acceptaţi de pompele moderne s-au lărgit considerabil. Problemele legate de pompabilitatea betonului proaspăt trebuie considerate în două etape[2]: a)- este betonul complet pompabil în condiţiile date? b)- dacă da, cum poate fi acesta pompat, ex. la ce cost? Betonul proaspăt este pompabil atunci când este inpenetrabil din punct de vedere structural, pe întrega durată şi pe intregul parcurs al pompării. Inpenetrabilitatea structurală înseamnă că toate componentele stabile sunt complet încadrate de lichide (apă) şi se pot mişca reciproc. Nu numai «sprijinirea betonului de peretele conductei», dar şi transferul de presiune din interiorul betonului se pot efectua numai prin intermediul lichidui. Pe de o parte, este necesar ca în orice secţiune transversală din calea de transport, amestecul agregat-ciment trebuie să fie cel puţin sătrurat cu apă, este însă mai bine decă mixtura este puţin suprasaturată. Pe de altă parte, rezistenţa la curgere pentru apă în cadrul amestecului agregat-ciment, trebuie să fie mai mare decât rezistenţa la frecare la perete, şi în fine, la inceputul căii de transport surplusul de apă trebuie să fie mai mare decât îndepărtarea apei prin beton în timpul unei curse. De aici rezultă deosebita importanţă a.compoziţiei betonului de pompare în domeniul granulaţiei fine. Cimentul şi alte particule foarte fine, nu numai că asigură «lubrificarea» peretelui conductei şi produc astfel o reducere a rezistenţei la frecarea cu peretele, dar asigură şi un «blocaj aproape complet» (o înfundare) a structurii ansamblului de granule. Rezistenţa interioară la curgere a mixturii de granule (de ex. un strat cu filtru de pietriş) este dependentă direct proporţional de suprafaţa specifică a amestecului. Dintr-un amestec, de exemplu, rezultă o suprafaţă specifică de aproximativ 4100 m 2 /m 3 de beton proaspăt, cea ce corespunde suprafeţei agregatelor o cantitate de ciment de aproximativ 20 kg (fig.8 si tabelul 1) [2]. Conţinutul real de ciment care a rezultat din exemplu menţionat în [2] este de 300kg/m 3, el constituie astfel o «înfundare» al amestecului de agregate de până la 16 ori rezistenţa internă originală la curgere. Cu alte cuvinte rezultă o rezistenţă la curgere pentru apa din betonulul proaspat de aproximativ 95% din partea proporţiei de ciment. Fig 8 Tabelul 1 Betonul proaspat se poate pompa, deoarece se conportă printre altele ca un filtru de balastru înfundat [2]. Capacitatea de pompare, respectiv capacitatea de impermeabilitate structurală a betonului proaspăt nu este numai o problemă de compoziţie, ci este legată şi de diametrul conductei şi de «stratul de alunecare în zonele marginale» care este în legatură cu aceasta.

Experienţa a demonstrat că pentru a obţine pompabilitate, este nevoie de următoarele[2]: - o compoziţie de granulaţie în concordanţă cu profilul curbei granulometrice după norma de cernut DIN 1045-2 în domeniile superioare între limitele A şi B (vezi diagrama); - un conţinut de ciment de cel puţin 240 kg/m 3 la betonul cu granulaţia maximă de 32 mm; - un conţinut de granulaţie fină de cel puţin 400kg/m 3 la betonul cu granulaţia maximă de 32mm; - un diametru de conductă de cel puţin 3 ori mai mare decât diametrul granulaţie maxime. Disponibilitatea la pompare în condiţiile unei capacităţi de pompare date, nu se referă numai la rezistenţa specifică la transportare, dată de consistenţa şi viteza de curgere, ci şi la mobilitatea internă a betonului proaspăt la aspirare, ca şi la trecerea prin coturile de conductă si la schimbările de secţiune transversale. Având în vedere că prima parte a disponibilităţii la pompare se exprimă în cifre în aşa numita «diagramă a performanţei presiunii betonului», însă, a doua parte, mobilitatrea internă, nu poate fi redată în cifre. Multitudinea procedeelor pentru descrierea consistentenţei, şi comparaţia valorilor lor de măsurare, care nu se pot descrie riguros din punct de vedere fizic, ne arată cât este de complicată această problemă [2]. 3.Echipamente de pompat si pulverizat betoane[3,4]. Sistemul universal de pulverizat betoane reuneşte două nume recunoscute din industria tehnologiei betonului Putzmeister, iar pentru lucrări miniere şi tunele cu secţiune mică şi medie Sika. Sunt maşini cu cadru articulat pe roţi cu pneuri, sau pe şasiu rigid cu şenile, echipate cu un braţ telescopic prevăzut la căpat cu un sistem de duze pentru pulverizarea betonului în deschideri de dimensiuni foarte mici, sau pentru torcretarea suprafeţelor în construcţia de tunele şi galerii. Pompa de beton care echipează aceste maşini poate fi cu rotor sau cu piston. Betonul pompat poate fi de tip uscat sau beton umed pulverizat la presiuni mari. Betonul de tip uscat, este pompat şi se amestecă cu apa sub presiune la duza pulverizatorului. Braţul telescopic (cu trei tronsoane), cu care sunt dotate aceste maşini, are o mobilitate mare. Braţul telescopic se poate deplasa longitudinal pe şasiu. Utilizarea betoanelor. Betoanele folosite curent, la aceste lucrări speciale, sunt [2]: -Betoanele pentru foraje. Se folosesc pentru umplerea forajelor, respectiv la excavări cu sau fără armătură de oţel. Aceste betoane au un conţinut de ciment de 325-400 kg şi o măsură de răspândire de 46-83 cm, în funcţie de mărimea granulaţiei şi mediul de utilizare. Notă: Metoda măsurării răspândirii consta in [2]: betonul se toarnă in două straturi într-o formă cavă de trunchi de con (cu diametrul interior de 200mm şi diametrul superior de 130mm, înălţime 200mm). După fiecare strat se aplică 10 lovituri uşoare de egalizare, ca betonul să se îndesească. După ce s-a umplut forma se scosate betonul răspândindu-se pe masă. Acum placa se ridică 15 ori şi se lasă să cadă după cca 2-5 secunde. Diametrul rezultat prin împraştierea betonului se măsoară în cm, de fiecare dată, şi se face o medie, care este masura de răspîndire. De regulă betonul de foraj se poate pompa cu pompele de beton. Problemele pot apărea prin turnarea în dispositivele de forare. Cu cât este mai scurtă legatura flexibilă, cu atât este mai mare pericolul de accidentare prin eşecul de comunicare dintre conducătorii celor două utilaje diferite, adică cel al pompei de beton şi cel al instalaţia de forat.

-Betoanele injectate se pompeză, respectiv, se transportă şi se injectează cu ajutorul unei duze, care se găseste la capatul furtunului, prin utilizarea de foarte mult aer, în armături sau direct în perete. Se adaugă un accelerator de întărire, care duce la întărirea instantaneu a betonului în construcţie. Acceleratorul se pune direct în duză. O parte din beton cade şi nu se mai poate utiliza. Prin căderea betonului nu numai că apar pierderi, dar betonul rămas are o compoziţie schimbată. Întrucât, cad mai ales componentele mari şi umede, creşte conţinutul de ciment şi scade valoarea apă-ciment al cantităţii rămase. În cazul injectării umede se foloseşte un beton care se poate pompa. Granulaţia maximă este de 8 mm, iar conţinutul de ciment de 360-400 kg. Consistenţa se reglează cu un aditiv de lichefiere la o măsură de răspândire de 52-55cm. Pentru a mări capacitatea de pompare se adaugă cenuşa zburătoare. La procedura injectării uscate se foloseşte beton uscat sau cu umiditatea pământului, care se transportă pe dispozitive speciale şi se amestecă abia în duză cu apa. Betonul pentru injectare uscată nu se poate pompa. Se transportă la duza printr-un sistem de transport în conducte sub formă de dopuri ca ajutorul pompei cu rotor Putzmeister. Principalele modele de maşini folosite la lucrări de pulverizat beton sunt [3,4]: Sika-PM 407R, Sika-PM 407P, Sika-PM 407 PD (fig.9) şi Sika PM 300. Pentru turnarea betonului cu autopompele de beton, de capacitate mică, medie şi mare, in tabelul 2 se dă specificaţia tehnică a braţelor pompelor de beton Putzmeister montate pe şasiu de camion (v.fig.10) [6]. Fig.9 Fig.10 Date tehnice pentru specificaţia de braţe pentru pompe de beton Putzmeister, în m. Tabelul 2 [6] Model Distanţa atinsă Distanţa atinsă Disatanţa atinsă Desfacere Nr. secţiuni pe verticală pe orizontală în adâncime pe înalţime /pliat M16 16,4 13,0 8,1 4,1 3/Z pliat M20-3/M20-4 20 /19,6 16,4/16,3 9,5/11,1 5,5/3,9 3/Z pliat M24 23,8 19,7 14,5 4,9 4/rulat/Zpliat M28 27,3 23,4 19,7 6,4 4/Z pliat M31 30,5 26,6 20,4 5,7 5/multi rulzpliat M32 31,9 28,0 20,8 7,7 4/Z pliat M36 35,6 31,7 23,7 8,7 4/Z pliat M38 37,8 33,7 25,0 8,8 4/Z pliat M42-4/M42-5 41,9/41,6 38,0/27,6 29,1/29,5 10/8,6 4 rul pliat 5 rul Z pliat M52 52,0 48,1 38,1 10,4 5 multiz pliat M58-4/58-5 57,1 53,1 42,3 15,9 4/5 cap rul pliat M61-6/M63-5 60,2/62,2 56,1/58,1 44,3/46,3 23,0 5/6 rul Z pliat

4. Pompe de beton sataţionare de mare productivitate [5] Performanţele atinse cu pompele de beton staţionare Putzmeister de tipul: BSA 1005 (motor 61kW, presiune 73 bar, debit 102m 3 /h, granulă max.32 mm), BSA 2100 (motor 200kW, presiune 152 bar, debit 95m 3 /h, granulă max. 32 mm) şi BSA 14000 SHPD The Burj Dubai Machine (echipată cu motoare de diferite puteri 403-571 kw, presiunea de livrare până la 400 bar), au fost: a)- pomparea betonului pe orizontală în galerii de mină la distanța de - 2015m (la Penstock le Refrain, Franţa) (v. fig.11,a) şi pomparea betonului pe verticală la construcţii foarte înalte-601m (în Dubai) (v. fig.121,b). În viitor vor fi construite clădiri cu înalţimi ce vor depăsi 1600 m înalţime, de exemplu Mile Tower 1600M Jedah Saudi Arabia. În consecinţă, tehnologia pompării betonului pe verticală va trebui, să facă faţă si in viitor, provocări de a construi noi pompe de beton adecvate pentru construcţii foarte înalte de peste 1000 de metrii[5]. Fig.11, a [5] Fig.11,b [5] 5. Criterii de testare a maşinilor de pompat beton. Pe baza mecanicii pompării betonului, a pompabilităţii şi a disponibilităţii la pompare a betonului, malaxat proaspăt, referitor la pompele de beton cu braţ distribuitor, menţionate în [1,2], se dau criteriile de testare a maşinilor de pompat beton, inclusiv a componentelor acestora, care cuprind [5]: -funcţiile testate; -testul rezistenţei de serviciu, şi al duratei de viaţă; -testul la stress; -tesul la pulsare pe timp lung; -testul de temperatură, şi trasarea curbelor de temperatură (la cald şi rece) -examinarea uzurilor; -optimizarea sistemului de control; -testul de coroziune. -testele pe termen lung efectuate pe maşina de pompare se referă la[5]: -testul de solicitare al funcţionării pompei mai mult de 24 de ore; -testul braţului care defineşte un spectrul larg ce cuprinde simularea deteriorării; -testul la pulsarea inimii de pompare împreună cu testarea componentelor sale hidraulice. În figura 12 sunt aratate graficele inregistrării presiunilor la testele efectuate asupra funcţionării unei pompe de beton cu doi cilindrii, cu placă de comutare Putzmeister [5,6].

Fig. 12. Graficele inregistrării presiunilor la testele efectuate asupra funcţionării unei pompe de beton cu doi cilindrii, cu placă de comutare[5,6]: 1- reglarea la zero a mecanismului de transmitere; 2- presiune cilindru A; 3- presiune cilindru B; 4- comanda bobinei la supapa de ulei; 5- presiunea de comandă a plăcii de comutare; 6- presiune alimentare. 6. Alegerea adecvată a sistemului de conducte (cu pereţi dubli), care lucrează la presiuni mari de pompare. Alegerea adecvată a sistemului de conducte este la fel de importantă ca alegerea unei pompe de beton şi a unui braţ adecvat. Soluţii tehnice pentru conductele şi racordurile liniei de livare a betonului[5]. -Conducte de înalta presiune DN125, TWIN CAST 900 (fig.13,b), DN=125mm, duritate până la 67HRC, presiunea max. de lucru 130bar, presiunea de încercare 260bar: Variant a): grosime perete 9,3 mm( 3,0+6,3), masa 92,73 kg/3m; Varianta b)- grosime perete 8,8 mm (2,5 +6,3), masa 89,32 kg/3m. Beneficii[5]: - o durată de viaţă de servire de până la 5 ori decât a conductelor din oţel conventional; rezistenţă la presiune; -rezistenţă la uzură interioară; -conducta nu isi pierde solididatea în zona de sudare; în interior conducta este perfect rezistentă şi işi păstrează soliditatea pe întreaga grosime a peretelui; - conexiuni între conducte absolut închise date de manşonul de calibarare al centurii; - uzură mai mică în zona de tranziţie a manşonului de calibrare a centurii; - este ultima soluţie tehnică pentru performanţă şi durată de viaţă. -Fig.13,a- opritor de pietriş- o unealtă pentru asigurarea siguranţei maşinii şi a calităţii turnării betonului; -Conducte de inalta presiune curbe DN125 TWIN CAST 900 (fig.13,c), DN=125mm, grosime perete 14 mm, duritate până la 67 HRC, max. presiune de lucru 130 bar, presiune de încercare 260 bar.

-Sisteme de cuplare conducte (fig.14,a si b). Pentru cuplarea tronsoanelor de conducte se folosesc sisteme de tipul SK, ZX şi PX [5]. De exemplu sistemul de cuplare ZX din fig.14,a, trebuie să asigure: -presiuni de pompare cuprinse între 130 bar (la exploatare) -260 bar (la încercare); -să fie construit atât pentru presiuni de lucru la cote joase cât şi la cote înalte, - să fie absolut etanş şi să asigure fixarea liniei de livare, - cuplarea manşonului se face cu şuruburi (fig.14,b). Fig.13,a[5] Fig.13,b[5] Fig.13,c[5] Fig.14,a[5] Fig.14,b[5] Bibliografie: [1.] T.H. Cooke- Concrete pumping and sprayng a practical guide, Publyshed by Relford ltd. Tomas Telford House, London, 1990; [2.] x x x- Putzmeister în Ramania prin GENCO 93 S.A., Tehnologia de formare a betonului pentru pompare, PM Putzmeister, Germany [3.] x x x Putzmeister Sika-PM 407, Concrete Sprayng system Sika-PM407. The universal concrete spraying system from two reliable industry names, Tuneling & Mining, Experts on Sprayed Concrete, Putzmeister Iberica S.A. [4.]x x x Putzmeister Sika-PM 300, Technical data, Tuneling & Mining Experts on Sprayed Concrete, product 2008. [5.] Bernd Markert Stationary Pumping with Putzmeister Equiment, Putzmeister în Romania prin GENCO 93S.A.PM Akademie, Putzmeister Service, Germany, 2008. [6.] J.Kaupp- Truck Monted Concrete Pumps- Concrete Placing Booms, Putzmeister în Ramania prin GENCO 93 S.A., PM Akademie, Putzmeister Service, Germany, 2009.