Tổng quan về công nghệ ván khuôn khí nén và ứng dụng trong kỹ thuật xây dựng

1. Đặt vấn đề

Ván khuôn hay hệ thống ván khuôn là hệ thống kết cấu tạm, phụ trợ nhằm hỗ trợ cho quá trình đúc đổ tạo hình sản phẩm cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép (BTCT) trong thi công xây dựng công trình. Hệ thống ván khuôn truyền thống được phân loại như sau:

Theo vật liệu, ván khuôn thường dùng là ván khuôn gỗ - ván ép, ván khuôn kim loại, ván khuôn làm từ nhựa tổng hợp.

Theo phương pháp lắp dựng và tháo dỡ ván khuôn: ván khuôn cố định, ván khuôn di động, ván khuôn trượt, ván khuôn leo.

Theo phương pháp chế tạo: ván khuôn định hình, ván khuôn rời.

Hệ thống ván khuôn mặc dù là kết cấu tạm, nhưng nó tiêu tốn lượng hao phí lớn về vật liệu, nhân công, thiết bị và thời gian để gia công lắp dựng - tháo dỡ, ảnh hưởng đến tốc độ và giá thành xây dựng.

Bài viết giới thiệu việc ứng dụng công nghệ ván khuôn khí nén để đúc đổ các cấu kiện bê tông khác nhau (như kết cấu vỏ mỏng, vòm mái, ống trụ, sàn rỗng, vách rỗng) trong thi công xây dựng công trình.

2. Nguyên lý cấu tạo và ưu điểm của hệ thông ván khuôn khí nén (PFS)

2.1. Nguyên lý cấu tạo và sử dụng

Ván khuôn khí nén (PFS- Pneumatic Formwork System) là hệ thống ván khuôn có thể dùng độc lập hoặc dùng kết hợp với hệ thống ván khuôn truyền thống nhằm mục đích tạo hình sản phẩm bê tông trong quá trình đúc đổ cấu kiện bê tông, BTCT trong nhà máy hoặc tại hiện trường thi công lắp.

Cấu tạo của PFS là các túi khí được chế tạo sẵn theo hình dạng và kích thước kết cấu mong muốn bao gồm vật liệu màng, thiết bị neo giữ màng PFS, hệ thống bơm nén không khí (Hình 1).

Hình 1. Cấu tạo của PFS đúc ống BTCT [3]

Việc sử dụng PFS được tiến hành theo các bước:

- Lắp đặt cố định túi khí vào vị trí bằng hệ thống neo giữ.

- Bơm nén không khí để có hệ ván khuôn có hình dáng kích thước mong muốn.

- Tiến hành đổ hoặc phun vữa bê tông theo kích thước và chiều dày mong muốn của kết cấu.

- Tháo dỡ PFS: khi bê tông phát triển đủ cường độ tháo dỡ ván khuôn, người ta tiến hành xì hơi và tháo dỡ PFS, kết thúc quá trình thi công bê tông.

2.2. Ưu điểm của hệ thống ván khuôn khí nén

So với các kết cấu ván khuôn truyền thống, PFS có nhưng ưu điểm nổi trội như sau:

Màng kín khí của PFS giúp cho quá trình đổ bê tông đảm bảo không bị mất nước trong suốt quá trình đổ đầm và dưỡng hộ góp phần nâng cao chất lượng cấu kiện bê tông.

Kết cấu PFS gọn nhẹ, nên tiết kiệm được chi phí vận chuyển, lưu kho vật liệu làm ván khuôn.

Thời gian thi công lắp dựng và tháo dỡ ván khuôn được rút ngắn góp phần đẩy nhanh tốc độ thi công.

3. Một số dạng hệ thống ván khuôn khí nén (PFS)

Hệ thống ván khuôn PFS có thể được phân loại theo 3 dạng: Dạng PFS để tạo khoảng trống, Dạng PFS thông thường và Dạng PFS có treo đỡ.

3.1. Hệ thống PFS dùng để tạo khoảng trống trong cấu kiện bê tông.

Hệ thống này được dùng để đúc các ống BTCT hay các phần tử kết cấu rỗng.

Hệ ván khuôn PFS dạng này được giới thiệu lần đầu tiên ở Mỹ do Nose đề xuất năm 1926 để đúc các ống BTCT có đường kính từ 0,2m đến 3m hay đúc các kết cấu rỗng (xem Hình 2) ứng dụng trong thi công các tấm sàn, tấm vách rỗng.

Theo đó, Hệ thống kết cấu ván khuôn bên trong là một hoặc nhiều màng mỏng hình trụ được bơm hơi, phần ván khuôn bên ngoài dùng kết cấu gỗ hoặc thép thông thường, sau khi đúc bê tông, hơi được xì bỏ và rút màng đó ra.

Hình 2. Phương pháp đúc ống BTCT và kết cấu rỗng [3]

3.2. Hệ thống PFS thông thường.

Hệ thống PFS dạng này được dùng để đúc các kết cấu vòm, vỏ mỏng. Kết cấu dạng này được Neff (Mỹ) đề xuất ý tưởng đầu tiên vào năm 1941, sử dụng PFS cho kết cấu vỏ mỏng để xây dựng nhà nhằm tiết kiệm chi phí (xem Hình 3), và được cải tiến vào năm 1953. Theo phương pháp này, một túi khí nén được chế tạo theo hình dáng kích thước mong muốn. Sau khi được neo buộc và bơm khí nén tạo hình ván khuôn, sau khi lắp dựng cốt thép người ta tiến hành phun bê tông từng lớp cho đến khi bê tông đạt độ dày của vỏ mỏng theo yêu cầu. Sau khi bê tông đóng rắn tiến thành tháo hơi để gỡ màng ván khuôn khí nén.

Hình 3. Ván khuôn khí nén để xây dựng kết cấu vỏ mỏng [3]

3.3. Hệ thống PFS có giá treo

Về cơ bản, hệ PFS này được cải tiến từ hệ PFS thông thường được đề cập ở phần 3.2, để thi công xây dựng hệ vỏ mỏng, vòm có kích thước lớn. Phương pháp này do Heifetz đề xuất và được Toeny phát triển năm 2005.

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này được thể hiện trong hình 4, bao gồm việc sử dụng một hay nhiều cấu trúc khí nén, sau đó phủ lớp vải lên trên, rồi bơm phun từng lớp bê tông. Khi bê tông phát triển đủ cường độ tháo dỡ tiến hành xì hơi tháo dỡ PFS.

Hình 4. Ván khuôn khí nén để xây dựng kết cấu vỏ mỏng [6]

4. Kết luận và khuyến nghị

Với hệ thống ván khuôn khí nén PFS, người ta đã xây dựng được các kết vòm khẩu độ vượt lên đến 20m [7], các kết cấu ống BTCT đường kính từ 0,2m đến 3,0 m và các kết cấu rỗng khác (sàn rỗng, vách rỗng). Công nghệ ván khuôn PFS được áp dụng rộng rãi, có thể sử dụng trong nhà máy để sản xuất các cấu kiện BTCT đúc sẵn hoặc sử dụng tại hiện trường để thi công các kết cấu bê tông đổ tại chỗ.

Cùng với những tiến bộ khoa học về vật liệu, về phương pháp tính và công cụ tính, các kết nghiên cứu chỉ ra việc sử dụng các kết vòm - vỏ mỏng, kết cấu rỗng mang lại hiệu quả to lớn về các mặt kinh tế - kỹ thuật và môi trường. Do vậy việc phổ biến và áp dụng công nghệ ván khuôn PFS sẽ góp phần thúc đẩy việc sử dụng các loại kết cấu này.