Neue Höhen beim Betonpumpen erreicht

Dec 16, 2023

Im April 2008 wurde am Burj Dubai Tower in Dubai mit 606 m ein neuer Weltrekord für die Betonförderung aufgestellt. Bryan Orchard untersucht die Hochdruck-Peristaltik- oder Kolbenpumpentechnologie hinter diesem Leistungsniveau und den Beitrag, den sie für die neueste Generation von Hochhausprojekten leisten kann.

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Bereits im November 2007 wurde mit einer von Unimix betriebenen Super-Hochdruckbetonpumpe Putzmeister 14000 SHP D auf dem Burj Dubai Tower in Dubai ein neuer Weltrekord in der Betonförderung von 601 m aufgestellt. Dieser Rekord sollte jedoch nicht lange halten, da er im April 2008 gebrochen wurde, als dasselbe Unternehmen mit derselben Pumpe eine Höhe von 606 m erreichte.

Es ist noch gar nicht so lange her, dass beim Bau von Hochhäusern Beton in Eimern mit Kränen hochgehoben wurde. Es war vielleicht nicht der effizienteste Prozess, aber er war zweckmäßig und erfolgreich. Allerdings steht die Welt nun vor einer völlig neuen Ära des Hochhausbaus: Der 160 Stockwerke hohe Burj Dubai Tower in 700 m Höhe setzt neue Maßstäbe (Abbildung 1). Diese Revolution hatte positive Auswirkungen auf die Hersteller von Betonpumpen, die darauf reagierten, indem sie die Hürden ihrer Technologie nach vorne schoben.

Im gesamten Nahen Osten und in den Golfstaaten scheinen die Investitionen in neue Hochhausimmobilien grenzenlos zu sein. Allein in Saudi-Arabien wurde berichtet, dass die Zahl der geplanten Hochhausprojekte im Königreich im ersten Quartal 2008 auf 22 gestiegen ist. Saudi Readymix Concrete hat ein klares Interesse an solchen Projekten und arbeitet an der Entwicklung spezielle hochfeste Hochhausbetonmischungen und nutzt fortschrittliche Pumptechniken, um im Königreich bisher unbekannte Höhen zu erreichen.

„Einige unserer aktuellen Projekte umfassen bis zu 20 oder 30 Türme, und wir gehen davon aus, dass die Anzahl und Größe solcher Projekte in den nächsten Jahren zunehmen wird“, kommentiert Fadi Mujahed, Marketing- und Geschäftsentwicklungsdirektor von Saudi Readymix (Abbildung 2). Angesichts des Erfolgs, den Unimix bei der Zusammenarbeit mit Putzmeister beim Burj Dubai Tower hatte, hat Saudi Readymix kürzlich in vier neue stationäre Betonpumpen BSA 14000 HP D von Putzmeister investiert.

Das Interesse am Betonpumpen ist so groß, dass Saudi Readymix eine spezielle Abteilung für Betonpumpen gegründet hat, die Anfang des Jahres mehrere Seminare organisierte, die sich auf spezifische Themen im Zusammenhang mit diesem Thema konzentrierten, wobei Vorträge von den deutschen Pumpenherstellern Schwing und Putzmeister gehalten wurden.

Laut Putzmeister Concrete Pumps GmbH muss zwischen dem Betriebszustand der Pumpe (Anfahren, Pumpen, normaler Förderbetrieb, Entleeren und Reinigen der Leitung, Störungen etc.) und dem Betriebszustand des Betons unterschieden werden. Der Typ der Betonpumpe, entweder Kolben- oder Peristaltikpumpe (gequetschtes Rohr), und die Art der für die Kolbenpumpe verwendeten Ventile (Rumpf oder S-Rohr) haben keinen Einfluss auf die Qualität oder den Charakter des Frischbetons in der Pumpe.

Beton kann nur dann durch die Förderleitung gedrückt werden, wenn er zuvor aus einem Trichter angesaugt wurde. Dies wird dadurch erreicht, dass das Volumen des Förderraums, also das Volumen der Förderzylinder, der Pumpe so vergrößert wird, dass der Beton den Förderraum vollständig ausfüllt optimales Niveau. Durch die Verkleinerung des Förderraumvolumens wird der Beton in die Förderleitung gedrückt und verdrängt die gesamte Betonsäule in der Förderleitung.

Bei näherer Betrachtung erkennt man, dass die Saugwirkung auch drückt und dadurch das Volumen im Förderraum vergrößert, wodurch ein Druckniveau entsteht, das unter dem Atmosphärendruck liegt. Dabei wird der Beton mit einem maximalen Druck von 1 bar aus dem Trichter in den Förderraum gedrückt, allerdings nur, wenn keine durchgehende „Luftbrücke“ zwischen Förderraum und Atmosphäre besteht.

Das niedrige Druckniveau beim Ansaugen und Befüllen erfordert einen möglichst geringen Fließ- und Verformungswiderstand des Betons. Hierzu trägt das Rührwerk im Trichter und seine geometrische Form maßgeblich bei. Das Rührwerk hält den Beton nicht nur in Förderpausen flüssig, sondern bewegt und drückt den Beton auch während des Saugens in einer gleichmäßigen und kontrollierten Fließgeschwindigkeit in die Saugöffnung. Der Füllgrad des Förderraums ist entscheidend für die Effizienz der Pumpe.

Für optimale Saugleitungen müssen die Saugöffnungen und der Förderflächendurchmesser möglichst konstant und groß gehalten werden. Daraus ergeben sich auch die wesentlichen Unterschiede zwischen Kolben- und Schlauchpumpen. Kolbenpumpen saugen den Beton durch große Querschnitte an und verkleinern den Querschnitt beim Ausdrücken des Betons, wobei die Größe der Förderleistung vom Zylindervolumen, der Anzahl der Kolbenhübe pro Minute und der Motorleistung abhängt. Schlauchpumpen sind hinsichtlich ihres Förderdrucks auf etwa 30 bar begrenzt und die Förderleistung wird durch die Saugleistung begrenzt.

Beim Auspressen des Betons aus den Förderzylindern einer Kolbenpumpe in die Förderleitung erfährt dieser beim und nach dem Passieren des Ventils eine Querschnittsverringerung auf den Durchmesser der Förderleitung. Dies führt zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit und einer entsprechenden Erhöhung der Grenzschicht pro Volumeneinheit. Um den damit verbundenen Förderwiderstand zu reduzieren, wird die Querschnittsverringerung möglichst kontinuierlich über eine ausreichend lange Strecke durchgeführt. Diese Querschnittsverringerung innerhalb oder unmittelbar nach der Pumpe ermöglicht auch eine Prüfung der Pumpbarkeit des Betons.

Eine Vergrößerung des Leitungsquerschnitts hat direkten Einfluss auf die Fördermenge, das Verschleißverhalten, den Druckbedarf und die Verweildauer des Betons in der Leitung – bei gleicher Stundenleistung. Im Vergleich zur 125-mm-Förderleitung erhöht sich der Querschnitt beim 150-mm-Durchmesser um rund 44 %. Dies führt zu einer Druckreduzierung von rund 25 % und der Verschleiß verringert sich entsprechend.

Mit abnehmender Durchflussmenge verlängert sich jedoch die Verweildauer des Betons in der Leitung. Diese längere Fließzeit muss bei der Entwicklung des Betonierkonzepts berücksichtigt werden. Bei einer angenommenen Bauwerkshöhe von 580 m beträgt die Verweildauer des Betons in der 150-mm-Förderleitung etwa 35 Minuten, hinzu kommt noch die deutlich höhere Belastung des Absperrventils durch die wesentlich schwereren Betonsäulen in der Förderleitung Linie.

Bei Kolbenpumpen ist es sehr wichtig, dass der Förderraum bei jedem Pumpenhub möglichst gründlich entleert wird. Denn als Totvolumen kann es zumindest bis zur nächsten Reinigung der Pumpe im Förderraum, vor allem am Förderkolben, verbleiben. Wenn dieses Totvolumen aushärtet oder abbindet, besteht die große Gefahr, dass es zur Zerstörung der Dichtungen, des Förderkolbens und des Förderzylinders innerhalb der Wandung kommt.

Ein gehöriges Maß an Vertrauen in das Know-how und die Zuverlässigkeit des Partners war erforderlich, als Unimix – verantwortlich für die Betonproduktion und -lieferung im Burj Dubai – beschloss, die Putzmeister AG mit der Lieferung und Installation der Pumpen und Mastsysteme zu beauftragen (Abbildung 3). ).

Für das Projekt Burj Dubai wagte Putzmeister die Entwicklung einer besonderen Höchstdruckbetonpumpe, des Typs BSA 14000 SHP-D, die für den zu erwartenden extremen Förderdruck ausgelegt war. Zuvor hatte Putzmeister durch Pumpversuche festgestellt, dass die Betonpumpen und Rohrleitungen für Förderhöhen bis 570 m bei einer Pumpenleistung von rund 30 m3/h geeignet sind.

Die Superhochdruckpumpen BSA 14000 SHP-D wurden im Putzmeister Werk Aichtal entwickelt, wobei Rahmen und Trichter verstärkt wurden, um den enormen Kräften standzuhalten. Auch die S-Rohrweiche und die S-Rohrlager wurden im Hinblick auf die zu erwartenden Drücke angepasst. Um eine Verunreinigung der Hydraulikflüssigkeit mit Wasser oder Schmutzpartikeln von vornherein zu vermeiden, verfügt die BSA 14000 SHP-D außerdem über ein besonders effektives Filtersystem. Maßgeblich modifizierten die Putzmeister-Ingenieure die Antriebshydraulik so, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen Hydraulik und Betondruck bei kolbenseitiger Bedienung kleiner als i=1 wäre. Aufgrund dieses hydraulischen Verhältnisses wären mit den Hochhauspumpen Betondrücke von über 400 bar (max./theoretisch) möglich. Aufgrund der zu erwartenden Anforderungen für das Burj Dubai-Projekt war der Förderdruck des Pumpensystems begrenzt.

Vor Ort kombinierte Unimix zwei dieser Superhochdruckpumpen BSA 14000 SHP-D und die „normale“ Hochdruckbetonpumpe BSA 14000 HP-D aus der Testphase zu einer Pumpstation. Die Maschinen befanden sich etwa 70 m von der Mitte des Gebäudeturms entfernt. Angetrieben wurden die Superhochdruckpumpen von einem serienmäßigen Caterpillar-Dieselmotor mit 470 kW, der auch in anderen BSA-Betonpumpen integriert ist.

Eine effiziente Betonpumpe für die spektakuläre Förderhöhe am Burj Dubai zu entwickeln, war nur eine der vielen Aufgaben der Putzmeister-Ingenieure. Eine besondere Herausforderung stellte das Förderleitungssystem, sein Verschleißverhalten und seine Druckfestigkeit sowie die Leitungsführung und -befestigung im Bauwerk dar. Putzmeister meldete in diesem Zusammenhang mehrere Patente an.

Für die Förderung der besonders hochfesten Betone wurden auf Wunsch der Bauleitung Pumpleitungen mit 150 mm Innendurchmesser gewählt, die nahezu über die gesamte Förderhöhe verlegt sind. Lediglich in den obersten 10 Stockwerken wurden aus Gründen der einfacheren Handhabung die normalen Putzmeister ZX-Förderleitungen (DN 125) verlegt. In dieser Anordnung konnten sie mit Drücken bis zu 130 bar betrieben werden.

Bei den letzten Pumpeneinsätzen wurde an der Putzmeister Anhängerbetonpumpe 14000 SHP D mit S-Rohrweiche und einer Förderleistung von 28 m3/h ein Betondruck von 200 bar gemessen. Während ihrer 32-monatigen Betriebszeit förderten die drei Putzmeister-Hochleistungsaggregate rund 165.000 m3 hochfesten Beton. Dabei handelt es sich ausschließlich um Betone der Festigkeitsklassen C50 für die Böden sowie C60 und C80 für die Wände des Mittelkerns.

Bei einem Höhenunterschied von 606 m benötigte der Beton vom Befüllen des Trichters bis zum Austritt aus der Förderleitung etwa 40 Minuten. Das Betonvolumen in der Leitung (Nenndurchmesser 150 bis 550 m Höhe, danach DN 125) betrug bei dieser Einbauhöhe ca. 11 m3. Dies entspricht einer Belastung von über 26 Tonnen auf der Putzmeister-Betonpumpe nach jedem Kolbenhub beim Umschalten der S-Rohrweiche. Möglich wurde diese extreme Pumpenhöhe durch die Zusammenarbeit zwischen dem von Samsung geführten Team, dem Maschinenbetreiber Unimix, dem örtlichen Putzmeister-Vertreter German Gulf Enterprises sowie der Putzmeister-Muttergesellschaft in Deutschland.