Rozwój urządzeń do wibrowania betonu w polskim budownictwie do 1939 r.

S tefan K n apik

(Kraków)

ROZWÓJ URZĄDZEŃ DO WIBROWANIA BETONU W POLSKIM BUDOWNICTWIE DO 1939 R.

II, WPROWADZENIE

Polepszenie własności mieszanki betonowej pod względem zwiększenia jej szczelności, gęstości, w ytrzym ałości na ściskanie i rozciąganie oraz jednorodności, a co za tym idzie gładkości i przyczepności do w kładek zbrojeniowych, a także zwiększenie stopnia w ypełnienia form, było zaw ­ sze problem em o pierw szorzędnym znaczeniu.

Pierw otnie zagadnienie to usiłowano rozwiązać na drodze ręcznego ubijania mieszanki betonowej umieszczonej w formie. Wkrótce jednak stwierdzono nieekonomiczność tego zabiegu — stosunkowo niewielkie efekty końcowe przy znacznych kosztach. Wówczas zam iast ręcznego wprowadzono ubijanie mechaniczne. Używano do tego celu m łotków pne­ umatycznych. Jednakże i te n system okazał się w praktyce niezbyt sku­ teczny, a przede w szystkim kosztowny i pracochłonny.

Pierwsze próby zastosowania metody w ibrow ania do prac w ty m za­ kresie datują się z 1890 r., kiedy przeprowadzono w Stanach Zjednoczo­ nych doświadczenia polegające na ubijaniu betonu za pomocą stołów w i­ bracyjnych 1. Były to stoły w ibracyjne wstrząsane, w ykonujące w strząsy w płaszczyźnie poziomej z częstotliwością 100— 150 drgań/m in. 2 (ryc. 1).

W 1915 r. przeprowadzone zostały przez N ational Bureau of Standards badania porównawcze cech betonu ubijanego ręcznie i zagęszczanego m e­ todą wibrowania. O trzym ane w yniki nie w ykazały różnic pomiędzy tym i sposobami zagęszczania, co można wytłum aczyć zbyt m ałą częstotliwoś­ cią zastosowanych do prób w ibratorów . Za właściwe narodziny m etody wibrow ania zastosowanej do zagęszczania mieszanki betonowej uważać można jednak dopiero wprowadzenie w 1917 r. do przem ysłu budow

la-1 L. S u w a l s k i : B eton w ibrow an y. W arszawa la-1939 s. 5.

2 S. G ł a d k i c h : W ib ra to ry w beton iarstw ie. „Cement” 1936 s. 180. KW ARTALNIK HN IT, NR 2, 198S

Ryc. 1. Stół wibracyjny, zastosow any w badaniach am erykańskich. L. S u w a l s k i :

B eton w ib ro w a n y. W arszawa 1939

nego urządzenia wynalezionego przez inż. Eugene’a F reyssinet’a. Spo­ strzeżenia jego, dokonane przy budowie m ostu w Elores dotyczyły inte­ resującego zjawiska. Zauważył on mianowicie, że ilekroć robotnicy za­ trudnieni przy budowie uderzali m łotam i przy ustaw ianiu zbrojenia, ty- lakroć mieszanka betonowa osiadała coraz niżej i nie w ym agała już ręcz­ nego ubijania. Zjawisko to robotnicy w ykorzystyw ali podczas zalewania form z w kładkam i zbrojeniowymi w ten sposób, że uderzali m łotam i w deskowanie. To właśnie naprowadziło inż. F reyssinet’a na myśl zastoso­ w ania m łota pneum atycznego jako przyczepnego do form y urządzenia za­ gęszczającego. Było to więc raczej utrząsanie mieszanki betonowej niż wibrowanie. Zastosowane urządzenie dawało w strząsy w płaszczyźnie po­ ziomej o znacznej am plitudzie i bardzo m ałej częstotliwości. Należy jed­ nak przyznać, że ten prym ityw ny sposób, dający niezłe wyniki, stał się podstawą rozw oju właściwych urządzeń zagęszczających tj. w ibratorów 3.

W arto tu może przypomnieć bogaty życiorys prekursora techniki za­ gęszczania mieszanki betonowej metodą wibrowania. M arie Eugène Léon Freyssinet urodził się 13 lipca 1879 r. w O bjat w departam encie Corrése w środkowej F rancji. Odbył klasyczne w tym k ra ju studia inżynierskie, kończąc najpierw paryską Szkołę Politechniczną, a następnie sławną Szkołę Dróg i Mostów. W 1905 r. rozpoczął pracę jako inżynier dróg i mo­ stów w Moulins. Był śm iałym projektantem , um iejącym wyzyskać za­ lety żelbetu w stosunku do tradycyjnych ogólnie stosowanych m ateria­ łów budowlanych. Jego największym dziełem inżynierskim był wielki, trójprzęsłowy, żelbetowy most łukowy na rzece Elorn w Plougastel, zbu­ dowany w latach 1928—29. Most ten m iał rekordową, jak na owe czasy, rozpiętość przęseł żelbetowych, wynoszącą 180 m. Był ponadto autorem wielu pomysłów wynalazczych, które n a trw ałe w pisały jego nazwisko do historii budownictwa. Zaliczyć do nich można takie w ynalazki jak:

S L. G r a d o w s k i : O w ib ra c ji beton ów i w y ro b ó w betonow ych. W: M a te ria ły

R o zw ó j u rządzeń do w ib ro w a n ia betonu ₂₉₉ w spom niany wyżej pomysł poddaw ania betonu m echanicznem u w ibro­ w aniu i wibroprasowaniu, pomysł betonu sprężonego (1928 r.) i łączą­ cego się z nim pomysłu urządzenia do naciągania strun. Opracował mię­ dzy innymi, klasyczną już dzisiaj, technikę zdejmowania krążyn łuków przez zwieranie konstrukcji łukowej za pomocą sztucznego rozporu. Był pionierem stosowania betonu uzwojonego, wprowadził bowiem zwoje sinusoidalne własnego pomysłu oraz specjalne maszyny do nadaw ania im tego kształtu. Z późniejszego okresu jego działalności inżynierskiej po­ chodzą tzw. przeguby F reyssin efa. Był również autorem oryginalnego system u naciągania ściągów, umożliwiającego realizację w ielu niezwykle śmiałych sklepień. W ynalazł także nowe rodzaje podnośników budow la­ nych: podnośnik płaski i podnośnik podwójnego działania. Zm arł 8 czerw­ ca 1962 r. w St. M artin-V esubie w departam encie Alpes M aritim es4.

M etoda zagęszczania i form ow ania m ieszanki betonowej, zapoczątko­ w ana przez inż. F reyssinefa znalazła szerokie zastosowanie w budow­ nictwie światowym. Z ważniejszych budowli, zrealizowanych przy po­ mocy tej metody, można wymienić: we F ran cji — hangary lotnicze w O rły pod Paryżem , w iadukt Saint Pierre-de-V ouvray, most w Plouga- stel, zaporę wodną w Mareges, w górnym biegu rzeki Dordagne, most La F ay ette’a w Paryżu; w Belgii — pierw szy pawilon w ystaw ow y „G rand H all” w Brukseli ,w Szw ajcarii — most n a drodze M ortigny— — Salvan, w Stanach Zjednoczonych — zaporę wodną Pine-Canyon-D am m w K alifornii (wysokość 100 m, szerokość 244 m), zaporę wodną Chut a Charon w Quebecku, most im. J. W aszyngtona w Nowym Yorku, most Bayonne w N ew -Jersey, gmach urzędu pocztowego w Filadelfii, most łu ­ kow y nad wąwozem Carnel-San-Sim eon w K alifornii, roboty betonowe przy moście wiszącym San Francisco-Oakland, w ZSRR — prace betono­ we przy budowie D nieprostroju, Sw irstroju, kanału moskiewskiego i wie­ lu innych 5.

2. WPROWADZENIE METODY. WIBROWANIA DO BUDOWNICWA POLSKIEGO

W Polsce, pierw szej próby zastosowania m etody w ibrow ania do za­ gęszczania i form ow ania mieszanki betonowej dokonano w 1935 r. p rzy produkcji kostki drogowej „S atu rn it” w betoniarni Towarzystwa G órni- czo-Przemysłowego „S aturn” w Czeladzi koło Sosnowca. U żyty do tego

4 B. O r ł o w s k i : S y lw e tk i m iesiąca. „Młody Technik” 1979 nr. 7, s. 5. 5 W. L e n k i e w i c z : W p ły w w ib ro w a n ia na w y trzy m a ło ść betonu. Praca k an ­ dydacka, wykonana pod kierunkiem prof. L. Suw alskiego w K rakow ie w latach 1955—1957, oraz L. G r a d o w s k i : dz. cyt. s. 214—217.

celu w ibrator był urządzeniem mechanicznym, bezwładnościowym o n a­ pędzie elektrycznym , produkcji belgijskiej, ty p u Trillor 6.

Cechą charakterystyczną tego urządzenia, była możliwość zmiany je­ go częstotliwości poprzez regulację mimośrodów. W ibrator ten (ryc. 2) składał się z: w irnika (2), w ału (3), mimośrodów (6), „kułaków czyli gar­ bów” (7). Mimośrody (6) osadzone na „kułakach” (7), mogły być n asta­ w iane i zamoeowywane na nich pod różnymi kątam i odchylenia. N asta­ wianie i mocowanie mimośrodu realizowano przy pomocy „sworznia” (8), w kręcając go w otwory znajdujące się n a obwodzie „kułaka” tak, by swoim końcem mógł się schować w otworze. Odchylenie mimośrodu względem „kułaka”, było praw ie takie same, jak odchylenie „kułaka” względem wału. Częstotliwość drgań tych urządzeń wynosiła 2500—5000 drgań na m inutę. Czas w ibrow ania trw ał 1—3 min. Zasięg działania na deskowaniu 1— 1,5 m, a zasięg w głębny — około 40 c m 7.

Ryc. 2. Podłużny przekrój wibratora Trillor. J. C h o r o s z c z u c h a i S. G ł a d ­ k i c h : W ibratory w bu dow n ictw ie. W arszawa 1937

Pierw szy polski patent na w ibrator służący do zagęszczania betonu, zgłosił do U rzędu Patentowego R. P. inż. Symeon Gładkich, na początku 1936 r. Zgłoszenie to, noszące ty tu ł: Urządzenie drganiowe zwiększające

zwartość betonu, dotyczyło w ibratora wgłębnego, bezwładnościowego z na­

pędem elektrycznym . Istotę tego w ynalazku, stanowiło oddzielenie właś­ ciwego w ibratora od silnika napędowego, podczas gdy w analogicznych urządzeniach w ibrator stanowił jedną całość z silnikiem. Oddzielenie w i­

8 S. J a r z ą b e k : B eton w ib ro w a n y a u trząsan y. „Przegląd Budow nictw a” 1938 nr 8 s. 441—450.

R o zw ó j u rządzeń do w ib ro w a n ia betonu 301 bratora od silnika napędowego zapewniało większą trw ałość silnika oraz umożliwiało znaczne zmniejszenie zew nętrznych gabarytów samego w i­ bratora, co z kolei pozwalało na zastosowanie go do niewielkich form o skomplikowanych kształtach 8.

Ryc. 3. Aparat wibracyjny. J. C h o r o s z c z u c h a i S. G ł a d k i c h : dz. cyt.

W oparciu o p aten t inż. S. Gładkicha M echaniczna F abryka Słupów Stalowo-Betonowych „W ibrobeton” w Dąbrowie Górniczej — Strzem ie­ szycach zastosowała w 1936 r. stoły w ibracyjne do masowej produkcji słupów betonowych, ogrodzeń żelbetowych i innych wyrobów z betonu. W tym samym roku firm a „Smołobit”, po raz pierw szy w Polsce, zasto­ sowała do budowy dróg łatę w ibracyjną i p ły ty w ibracyjne. Użyte do te ­ go celu w ibratory sprowadzono z Belgii. O trzym ane w yniki zadecydowa­ ły o użyciu urządzeń w ibracyjnych przy wznoszeniu zapory wodnej na D unajcu w Rożnowie. Zastosowano tu w ibratory pneum atyczne udarow e produkcji zagranicznej, o częstotliwości około 7000 drgań na m inutę i nie­ wielkiej am plitudzie. Ogółem w latach 1936—38 ułożono na tej budowie — posługując się wyłącznie m etodą w ibrow ania — około 125.000 m 3 be­ tonu 9.

S J. C h o r o s z c z u c h a i S. G ł a d k i c h : W ib ra to ry w budoum ictw ie. W ar­ szaw a 1937 s. 4.

Towarzystwo Handlowo-Przemysłowe — spółka E. Brygiewicz i J. Wolff — nabyło — również w 1936 r. — praw a wyłącznej eksplo­ atacji p aten tu inż. S. Gładkicha. Umożliwiło to jej podjęcie — w koope­ racji z Fabryką Maszyn Rzewuski i Ska z W arszawy — seryjnej produk­ cji krajow ych w ibratorów o konstrukcji opartej na wyżej wspom nianym

Ryc. 4. Wibrator pow ierzchniowy typu R zewuskiego 35/75. S. B r y ł a : B e to n

w ibrow an y. Lw ów 1938

patencie. Napęd tych urządzeń był głównie spalinowy lub elektryczny. Częstotliwość stołów w ibracyjnych wynosiła 1800—2500 drgań/min. zaś w ibratorów płytowych-powierzchniowych 500— 1000 drgań/m in.

Do chwili w ybuchu II w ojny światowej, oprócz wymienionych firm zajm ujących się produkcją rodzimych w ibratorów przeznaczonych d a

R o zw ó j u rządzeń do w ibrow an ia betonu ₃₀₃

Ryc. 6. Wibrator elektrom echaniczny produkcji polskiej. J. C h o r o s z c z u c h a i S. G ł a d k i c h : dz. cyt.

prac w betoniarstw ie, istniały w Polsce Zakłady Elektrotechniczne inż. J . Boye i Ska z W arszawy, w ytw arzające „elektro-w ibratory” różnych ty ­ pów, F abrykę Maszyn B-ci Hoffm ann w Łodzi oraz dwa przedstaw icielst­ w a firm y Robert W acker z Drezna: w Warszawie (Hipolit Bassis) i w Krakowie inż. J. Weingriina.

Hyc. 7. Elektrowibratory blokow e firm y Boye i Ska (Polska). W. B u k o w s k i :

1'echnologia beton ów i zapraw . Część III. Gdańsk 194;

Ciekawostką techniczną rozwiązania konstrukcyjnego w ibratorów przyczepnych typu SW-I-2-2 produkcji inż. Boye, było przeniesienie na­ pędu od silnika elektrycznego (mocy 3 KM i 2870 obr/min.), poprzez p a ­ sek klinowy na w ał z dwoma mimośrodami ciężarkowymi o przeciw nych obrotach. Rozwiązanie to, zastosowane po raz pierw szy w 1937 r., pozwa­ lało na eliminację drgań poziomych i nakładanie się drgań pionowych 10.

W 1936 r. została zorganizowana w W arszawie Wielka W ystawa Be- toniarska, na której pokazano w ibratory i demonstrowano ich zastosowa­ nie. Szereg publikacji i publicznych w ystąpień z tego okresu, jak np.: referat inż. Leona Gradowskiego O wibracji betonów i wyrobów betono­

w ych — wygłoszony na II Zjeździe Inżynierów Budowlanych, który od­

był się w Katowicach w lutym 1936 r., referat inż. S. Gładkicha W ibra­

to ry w betoniarstwie — wygłoszony na Zjeździe Betoniarskim, arty k u ł

S. Kądziołka Uwagi i obserwacje na tem at betonu wibrowego — zamiesz­ czony w 1936 r. w „Przeglądzie Budownictwa”, czy wreszcie próby labo­ ratoryjn e podjęte w celu przebadania efektywności w ibratorów w proce­ sie zagęszczania masy betonowej, prowadzone przez zespół prof. Wa­ cława Paszkowskiego w laboratorium Drogowym In sty tu tu Budownictwa Politechniki W arszawskiej, świadczą dobitnie, że 1936 r. był przełomo­ wą datą w rozwoju metody wibrowania betonu w polskim przemyśle bu­ dowlanym.

3. PIŚMIENNICTWO

Pierwsza wzmianka, jaka ukazała się w polskim piśm iennictw ie tech­ nicznym na tem at nowej metody zagęszczania mieszanki betonowej, zwa­ nej w edług ówczesnego nazewnictwa „utrząsaniem ” oraz urządzeń służą­ cych do tego celu, to niewielki artykulik, będący tłumaczeniem z fra n c u ­ skiego czasopisma „Construction de Cim ent Arme” n r 119 z 1929 r., za­ mieszczony w 11-tym numerze „Przeglądu Technicznego” z 1930 r. — w rubryce: Przegląd pism technicznych pod tytułem Uszc&elnianie m asy

betonowej za pomocą drgań. W notatce tej, znajduje się inform acja o no­

w ym sposobie „ubijania” masy betonowej metodą wibrowania pneum a­ tycznego zam iast dotychczas stosowanego ubijania sposobem ręcznym lub ubijakiem pneum atycznym . Zamieszczone tam inform acje, sprowadzają się do ogólnych opisów w ibratorów przyczepnych „wywołujących drgania zew nętrzne i powierzchniowe”, w ibratorów wgłębnych w ytw arzających „drgania w ew nętrzne” oraz do podania zalet nowej metody.

Ciekawostką, jest tu następujące zdanie: „Jeden robotnik może jed­ nocześnie przestawiać, doglądać, otwierać i zamykać zawory do pow ietrza zgęszczonego w kilku przyrządach”, mówiące w sposób jednoznaczny 0 ręcznym sterow aniu zaworami w ibratora.

Następna pozycja, którą należy wymienić to zamieszczony w „Prze­ glądzie Budow lanym ” z 1934 r. artykuł Z. Białeckiego Beton utrząsany

1 przetrząsany, godny uwagi ze względu na to, że autor, obok opisu w i­

bratorów pneum atycznych, poświęca dość sporo miejsca rozważaniom teoretycznym , rozpatrującym istotę procesu wibrowania betonu. Inne cie­ kawe pozycje okresu międzywojennego, poświęcone problemowi zagęsz­ czania betonu przy pomocy drgań mechanicznych, stanow ią w ydane

R o zw ó j u rządzeń do w ib ro w a n ia betonu 305 w form ie odrębnych broszur przedruki artykułów zamieszczonych uprzed­ nio w różnych czasopismach. Należą do nich m.in. prace: J. Choroszczu- chy i S. Gładkicha W ibratory w budownictwie z 1937 r. i S. B ryły Beton

w ibrow any z 1938 r. Na szczególną uwagę zasługuje oryginalna praca

L. Suwalskiego Beton wibrowany z 1939 r., w której autor zamieszcza w nikliwe uwagi na tem at teoretycznych podstaw procesu zagęszczania mieszanki betonowej na drodze w ibrow ania oraz podaje bogaty zestaw bibliografii zarówno krajow ej, jak i zagranicznej.

4. ROZWÓJ TEORII W YJAŚNIAJĄCEJ ISTOTĘ PROCESU ZAGĘSZCZANIA MIESZANKI BETONOWEJ PRZEZ WIBROWANIE

Zagadnienie to najlepiej ilu stru ją wypowiedzi zaw arte w polskich pracach z lat 1934— 1939, dotyczących zagęszczania mieszanki betonowej przez wibrowanie. W 1934 r. Z. B ia łeck i11 pisał: „Pod nazwą beton u trzą- sany rozumiemy układanie betonu przez w prowadzenie masy jego w ruch drgający, w yw ołany przez w ibratory-utrząsacze pneum atyczne lub elektryczne, umocowane na zew nętrznej stronie deskowań lub ścian formy. Skutkiem utrząsania jest bardzo duża szczelność betonu. Pod w pływem utrząsania, poszczególne składniki betonu wprowadzane są w drgania, przez co tarcie w ew nętrzne betonu zostaje zmniejszone, posz­ czególne ziarna kruszyw a w łasnym ciężarem usuw ają się i układają jed­ no obok drugiego, zapełniając sobą puste przestrzenie. Części cięższe opa­ dają w dół, a powietrze i woda zbierają się w górnej części betonu i w y­ dzielają się na zewnątrz. Przez to ścisłe układanie się kruszyw a, usunięcie pow ietrza i nadm iaru wody, powstaje zagęszczanie m asy betonowej. N aj­ lepsze rezultaty pod tym względem, otrzym uje się przy suchym — mało w ilgotnym betonie. Utrząsanie betonu, w pływ a na jego wszystkie cha­ rakterystyczne cechy, głównie jednak zwiększa jego w ytrzym ałość na ściskanie i rozciąganie”.

W pracy J. Choroszczuchy i S. G ładkicha 12 z 1937 r. czytam y: „Pro­ ces ten, tj. proces w ibracji, nie jest jeszcze dokładnie zbadany i nie m am y w te j dziedzinie ustalonych wyników. W mieszance betonowej rolę p la­ stycznego składnika gra lepiszcze cementowe, a co za tym idzie w y trzy ­ małość betonu jest funkcją jego szczelności. Ideałem może być zbliżenie szczelności betonu do szczelności kam ienia-tłucznia, z którego został w y­ konany beton. Aby zwiększyć wytrzymałość betonu, należy: 1) dobrać tak składniki, by pustych miejsc w kruszyw ie pozostawało jak najm niej, 2) zastosować zagęszczanie betonu. Zastosowanie w ibracji w tym w ypad­ ku, daje doskonałe rezultaty. Zwartość plastycznego betonu przy rzad­

11 Z. B i a ł e c k i : B eton u trząsan y i p rze trzą sa n y. „Przegląd B udow lany” 1934 nr 4 s. 96—98.

kich chociaż naw et i mocnych w strząsach jest stosunkowo niewielka, do­ piero przy zwiększeniu szybkości wstrząsów przechodzących w nieprzery- wane drgania w ibracji, dochodzących do kilku tysięcy na m inutę, przy m ałej amplitudzie drgań, zagęszczanie masy betonowej następuje bardzo szybko. Masa betonu osadza się, a nadm iar wody z pow ietrza zostaje usu­ nięty, szczeliny zapełniają się lepiszczem, beton staje się jednolitą i ścisłą mieszanką. Gdy proces osadzania kończy się, następuje równowaga sił tarcia pomiędzy cząsteczkami masy betonowej i sił dynamicznych wywo­ łujących w ibrację. Im mocniejszy jest w ibrator, tym większa zwartość wyrobionego na nim betonu. Zastosowanie do w ibracji prasy (ciężaru) zwiększa jeszcze znacznie zwartość betonu. Dla otrzym ania betonu o żą­ danych cechach, w ystarczająca jest w ibracja około 3000 drgań/m in o am­ plitudzie około 0,4 m m .”.

W 1938 r. S. B ryła 13 pisał: „W ibrowanie polega na poddaw aniu świe­ żego betonu periodycznym drganiom o dużej częstotliwości. Drgania te powodują raptow ne przesunięcia ziarn kruszyw a względem siebie, przez co siła tarcia międzycząsteczkowego ulega znacznemu zmniejszeniu lub naw et całkowitemu zanikowi. Wówczas poszczególne ziarna pod wpły­ wem siły ciężkości opadają w dół zapełniając formę i zagęszczając stru k ­ turę betonu... obok większej wytrzymałości, większej wodoszczelności i jednolitości zagęszczenia w ibrow anie daje jeszcze następujące korzyści: skraca czas betonowania, nadaje powierzchni betonu rów ny i gładki w y ­ gląd, a wreszcie ułatw ia kontrolę. Mianowicie p rzy w ibrow aniu spraw ­ dzianem należytego zagęszczenia jest pojawienie się mleka cementowego na górnej powierzchni betonu...”

Zestawienie powyższych cytatów wskazuje, że rozważania autorów na tem at teorii zagęszczania mieszanki betonowej poprzez jej wibrowanie opierają się głównie na opisie obserwacji zachodzących zjawisk i w yni­ kających z nich spostrzeżeń, a jedynie w niewielkim stopniu na w yjaś­ nianiu zachodzących procesów w oparciu o praw a fizyczne. W publika­ cjach swoich nie rozpatrują oni bliżej wartości am plitudy, częstotliwości, czasu wibrowania, kierunku, rodzaju i rozkładu drgań w masie betono­ wej, czyli tych w szystkich podstawowych param etrów , które decydują o efektywności omawianej metody procesu zagęszczania.

W yjątkiem jest tu opublikowana w 1939 r. praca prof. L. Suwalskie­ go 14, która na m iarę ówczesnej znajomości zagadnień z zakresu teorii w ibroakustyki, stara się w naukow y sposób w yjaśnić przebieg procesu zagęszczania mieszanki betonowej poprzez jej wibrowanie. Bardzo ob­ szerne rozważania L. Suwalskiego na ten tem at w ym agają odrębnego stu­ dium.

18 S. B r y ł a : B eton w ib ro w a n y. Politechnika W arszawska. Zakład Badawczy Budow nictwa. Zeszyt 3 — odbitka z „Czasopisma Technicznego” 1938 nr. 10 s. 1—2.

R o zw ó j u rządzeń do w ib ro w a n ia betonu ₃₀₇ Znam ienną cechą piśm iennictw a okresu międzywojennego, poświęco­ nego zagęszczaniu i form ow aniu mieszanki betonowej m etodą w ibrow a­ nia, jest brak zainteresow ania ochroną przed hałasem i drganiam i, w y­ tw arzanym i przez w ibratory. Rozwój ochrony w ibroakustycznej, stoso­ w anej przy zagęszczaniu i form ow aniu mieszanki betonowej metodą w i­ bracyjną stanowi ważny problem , którem u autor ma zam iar poświęcić odrębne opracowanie.

5. RODZAJE WIBRATORÓW STOSOWANYCH DO 1939 R. I ICH NAPĘD

Do zagęszczania i formowania mieszanki betonowej stosuje się czte- r y typ y wibratorów , a mianowicie: 1) w ibratory wgłębne, 2) w ibratory powierzchniowe, 3) w ibratory przyczepne, 4) stoły w ibracyjne.

stół |- j- forma z betonu deskow.

a j Stół wibracyjny C) Wibrator zbrojeniowy

deskow.

y

<3

/

6) Perwibrator f) Wibrator bagnetowy

Ryc. 8. Schem aty zasadniczych typów wibratorów. B. B u k o w s k i : dz. cyt.

Ze względu na rodzaj napędu urządzenia w ibracyjne dzieli się na: 1) w ibratory elektromagnetyczne, 2) w ibratory elektromechaniczne (któ­ re dzielą się z kolei ze względu na m echanizm w ytw arzający drgania, na kinem atyczne i dynamiczne), 3) w ibratory spalinowe (napędzane silnika­ m i spalinowymi), 4) w ibratory pneum atyczne, 5) w ib ratory hydrauliczne. Dwa ostatnie ty p y w ibratorów w ystępują w w ersji tłokowej lub w irn i­ kowej.

W oparciu o dane z literatu ry można stwierdzić, że pierw szym i w ibra­ toram i używ anym i do zagęszczania bądź formowania mieszanki betono­ wej, były w ibratory o napędzie pneum atycznym , głównie tłokow o-udaro- we, wykonywane zrazu wyłącznie jako przyczepne, a następnie wgłębne.

Budowę typowego w ibratora tłokowego z napędem pneum atycznym przedstawia załączony rysunek (ryc. 10). Działanie jego jest następujące: Sprężone powietrze, doprowadzone pod ciśnieniem 4,5 do 5 atm. przewo­ dem, przedostaje się kanałem B do cylindra D. Powietrze rozprężając się przesuw a tłok E, k tó ry uderza o górne dno cylindra. Ruch tłoka ku

gó-Ryc. 9. Wibratory: przyczepny i prętowy. S. B r y ł a : dz. cyt.

rze, powoduje zamknięcie (swoją ścianką) otworu kanału wlotowego B, przy równoczesnym otwarciu kanału C. W pozycji tej sprężone powietrze, przedostające się do cylindra przez kanał C od drugiej strony tłoka, roz­ prężając się popycha tłok w kierunku przeciw nym tj. ku dołowi. Tłok

R o zw ó j urządzeń do w ib ro w a n ia betonu ₃₀₉ uderza wówczas o dolne dno cylindra. P rzy posuwie tym tłok ponownie zamyka otwór C, a otw iera otwór B itd. W ten sposób sprężone pow ietrze porusza tłok na przem ian to w jedną, to w drugą stronę, powodując ude­ rzenia i wstrząsy. Powietrze z cylindra w ydostaje się na zew nątrz po­ przez otw ory wylotowe F. P aram etry techniczne tego w ibratora, przed­ staw iały się następująco: średnica tłoka 45—60 mm, ciężar 5— 12 kg, zużycie pow ietrza od 30— 100 m 3/godz. p rzy ciśnieniu 4,5—45 atm (5X101 325 N/m2). Częstotliwość uderzeń tłoka wynosiła 1500—3600 na m inutę, am plituda zaś 1,5—2 mm 15.

Hyc. 11. Schem at perwibratora pneum atycznego. B. B u k o w s k i : dz. cyt.

Ryc. 12. Perw ibrator p ływ ający i perwibrator. B. B u k o w s k i : dz. cyt.

Pneum atyczne w ibratory udarow e produkowane były również w w er­ sji odmiennej, jako tzw. w ibratory wznoszące się czyli perw ibratory. W ibrator taki (ryc. 11— 13) składał się ze stożkowego balonu żelaznego, w którym mieścił się właściwy w ibrator. Wznoszące się perw ib ratory m iały balony o średnicy 140 mm, duże 510 mm, ciężar 10,5 kg p rzy ob­ jętości 9,8 dcm3 16.

Jeden lub więcej w ibratorów mocowanych do wspólnej płyty, tw o­ rzyły w ibrator powierzchniowy zaś poprzez umocowanie specjalnej

koń-15 J. C h o r o s z c z u c h a i S . G ł a d k i c h : dz. cyt. s. 33. 16 Tamże s. 36.

Ryc. 13. Perwibrator i końców ki perwibratora pneum atycznego. B. B u k o w s k i : dz. cyt.

Ryc. 14. Wibrator benzynow y z różnym i końcówkam i do betonu. J. C h o r o s z c z u -c h a i S. G ł a d k i -c h : dz. -cyt.

cówki roboczej do w ibratora pneum atycznego otrzym ywano w ibratory: prętow e, bagnetowe, igłowe itp.

W ibratory pneum atyczne tłokowo-udarowe, daw ały — według S. B ryły — uderzenia prostopadłe do kierunku ruchu tłoka, co gw aran­ towało dużą skuteczność ich działania. C harakteryzow ały się prostą kon­

R o zw ó j u rządzeń do w ib ro w a n ia betonu 311 strukcją, dużą w ytrzym ałością ruchową, łatwością i bezpieczeństwem ob­ sługi, dużym zakresem częstotliwości i łatw ą jej regulacją. Z w ażniej­ szych w ad tych urządzeń, należy wymienić znaczny koszt eksploatacji, na który składały się: koszt specjalnego kompresora zasilającego urządze­ nie, duże godzinowe zużycie energii — sprężonego pow ietrza, koniecz­ ność budowy i stałej doraźnej konserw acji rurociągu powietrznego, ko­ nieczność częstego przesm arowyw ania urządzenia (przeciętnie co dwie godziny) oraz duży stopień głośności w postaci hałasu w ytw arzanego przez urządzenie podczas pracy.

Czasami — aczkolwiek w literaturze fachowej stosunkowo niewiele jest w zmianek na ten tem at — stosowano, zam iast w ibratorów pneum a­ tycznych tłokowych, w ibratory w irnikowe. Budowę takiego w ibratora przedstaw ia załączony rysunek. Działanie jego jest następujące: wew­ nątrz szlifowanego cylindra-stojana — 1, mimośrodowo względem osi obraca się bęben-w im ik — 2 z podłużnym i wycięciami — 3, w których poruszają się swobodnie płytki tekstolitow e — 4. Sprężone powietrze do­ prowadzone kanałem — 5, przedostaje się przez otw ór — 6 do cylindra i naciska na w ystające z w irnika płytki. Ponieważ pły tk a — 7 w ystaje z w irnika bardziej niż p ły tk a — 8, ciśnienie pow ietrza na nią staje się większe, co powoduje obroty w irnika. W starych typach w ibratorów ty ­ pu wgłębnego, stosowanych w USA używano jako napędu zam iast sprę­ żonego pow ietrza sprężonej oliwy 17.

Napęd pneum atyczny został w krótce zastąpiony energią cieplną, prze­ tw arzaną na mechaniczną w silniku spalinowym, oraz energię

elektrycz-Ryc. 15. Urządzenia wibratora pneum atycznego typu w irnikow ego. A. E. D i e s o w i in.: Z agęszczanie m ieszan ki w ib ra to ra m i. W arszawa 1955

ną. Pomimo stosunkowo niedługiego czasu dzielącego okres tam tych lat od czasów nam współczesnych, trudno w sposób jednoznaczny określić daty pow stania poszczególnych konstrukcji, jak również zastosowania wymienionych źródeł napędu. Można jedynie w oparciu o dane zaczerp­ nięte z lite ra tu ry podać przybliżone okresy pojawienia się różnych ty ­ pów w ibratorów z napędem spalinowym (około 1925 r.), elektrycznym (lata 1930), czy elektrom agnetycznym (wprowadzonym po raz pierwszy w połowie 1935 r.).

Ryc. 16. Silnik benzynow y do wibratora. J. C h o r o s z c z u c h a i S. G ł a d k i c h : dz. cyt.

W ibratory z napędem spalinowym, dominowały w przemyśle budowla­ nym do 1935 r. Typowy silnik benzynow y-spalinowy do napędu w ibrato­ rów, używ any przy zagęszczaniu betonu w latach 1930—1940, przed­ staw ia załączony rysunek (ryc. 16). Był to silnik nie w ym agający spe­ cjalnej obsługi, jednocylindrowy, czterosuwowy, chłodzony powietrzem. Oliwienie jego było mieszane, rozbryzgowo-ciśnieniowe, gaźnik pływ ako­ wy. Zaopatrzony był w m okry (olejowy) oczyszczacz powietrza. Ilość ob­ rotów takiej jednostki, wynosiła przeciętnie 1000—3600 na m inutę. Sil­ niki te produkow ane były o różnych mocach od 0,5 do 5 KM (5X735,49875 Nm/s). Wał silnika umieszczony w łożyskach kulkowych, w ykonany był ze stali chromowoniklowej. Przeniesienie napędu z silnika na w ibrator odbywało się za pomocą elastycznego wałka długości 2 m w jednym odcinku. Odcinki w ałków można było łączyć po 3—4.

Do niew ątpliw ych zalet w ibratorów z napędem spalinowym, należały 1) możność regulacji szybkości obrotów silnika, a przede w szystkim możli­ wość szybkiego przejścia z jednej częstotliwości drgań w ibratora na in ­

R o zw ó j u rządzeń do w ib ro w a n ia betonu ₃₁₃ ną, co ma szczególnie ważne znaczenie na początku i końcu w ibrow ania mieszanki betonowej, 2) uniezależnienie od dopływu energii z zew nątrz, koniecznego np. w przypadku w ibratorów napędzanych silnikam i elek­ trycznym i, 3) prosta budowa, 4) łatw a i bezpieczna obsługa, 5) stosunko­ wo niskie koszty eksploatacyjne.

Z istotniejszych wad, należy wymienić: 1) znaczny ciężar i w ym iary silnika, 2) stosunkowo niewielka sprawność silnika 18.

Opisany silnik spalinowy służył do napędu w ibratorów wszystkich typów, a mianowicie: w ibratorów powierzchniowych — płytowych, sa­ neczkowych, belkowych, walcowych, stołów w ibracyjnych, w ibratorów przyczepnych, oraz wgłębnych — prętow ych, bagnetowych, igłowych k ap ­ turow ych, buławowych i zanurzeniowo-wznoszących, czyli perw ibrato- rów.

Oprócz napędu spalinowego, stosowano również — począwszy od lat trzydziestych —• napęd elektryczny. To, zrazu dość sporadycznie w pro­ wadzane, nowe źródło napędu wibratorów, stosowanych w budownictwie, w krótkim czasie zostało — z uwagi na swoje bezsporne zalety — pow­ szechnie przyjęte. Używano do tego celu głównie silników asynchronicz­ nych różnej mocy od 0,15 do 2 kW (2X103 W). W przypadku m ałych silników, były one podłączane w prost do sieci prądu przemiennego prze­ mysłowego o częstotliwości 50 Hz wprost, a w przypadku większych jed­ nostek — poprzez przełącznik trójkąt-gniazda. Napędowe silniki stano­ wiły albo całość z w ibratorem , przy czym wał w ibratora, na którym

znaj-Ryc. 17. W ibrator elektryczny o dwóch mimośrodach. B. B u k o w s k i : dz. cyt. 18 J. C h o r o s z c z u c h a i S. G ł a d k i c h : dz. cyt. s. 9.

Ryc. 18. Wibrator elektryczny powierzchniowy. B. B u k o w s k i : dz. cyt.

dowały się mimośrody, jednocześnie był w ałem silnika napędowego, bądź też stanow iły oddzielną jednostkę, połączoną z w ibratorem wałem gięt­ kim. Prekursorem w tej dziedzinie był jak już wspomniano, inż. Gład­ kich. P rzy w ibratorach napędzanych za pośrednictwem giętkiego wałka, należało zwracać szczególną uwagę na właściwe połączenie wałka ze względu na kierunek obrotów silnika napędowego. Do niew ątpliw ych za­ let w ibratorów napędzanych energią elektryczną można zaliczyć: 1) niskie koszty eksploatacji, 2) łatwość stosowania, 3) łatwość obsługi, 4) dużą sprawność, 5) wysoką częstotliwość drgań w ibratora.

Z istotniejszych wad należałoby wymienić: 1) brak możliwości regula­ cji częstości drgań w ibratora, 2) częste uszkodzenia silników napędowych, szczególnie w przypadku w ibratorów m ających w spólny w ał z silnikiem; dotyczy to głównie w ibratorów starszych typów z przed 1936 r. 3) obry­ wanie się przewodów elektrycznych (również w przypadku wspólnego wału), 4) m ałą granicę przeciążalności — nadm ierne grzanie siln ik ó w 19. W 1935 r. pojawiły się pierwsze konstrukcje w ibratorów elektrom agne­ tycznych. Zasada działania w ibratora tego typu, była następująca: (ryc. 20) przepływ ający przez uzwojenia elektromagnesu E jednofazowy p rąd prze­ m ienny powodował cykliczne namagnesowanie i rozmagnesowanie rdze­ nia A. W skutek tego umieszczona pod elektromagnesem na sprężynach F kotwica C była na zmianę przyciągana i odpychana w kierunku piono­ wym z szybkością około 5500 razy na m inutę, przy amplitudzie 0,5—0,75 mm. Przeciętna moc takiego w ibratora, wynosiła od 0,2 do 0,5 kW. Na­ krętk i F służyły do regulacji naciągu sprężyn, a tym samym do regula­ cji wielkości szczeliny pomiędzy elektromagnesem a kotwicą, czyli do re­ gulacji wartości am plitudy. W arto przypomnieć, że rzeczą istotną było tu zestrojenie drgań sprężyny utrzym ującej kotwicę z drganiam i samej kotw icy (drgania resonansowe). W b raku takiego zestrojenia urządzenie wykazywało małą sprawność. Górna część opisanego w ibratora

R o zw ó j urządzeń do w ib ro w a n ia betonu ₃₁₅

Ryc. 19. W ibrator pow ierzchniow y elektrom agnetyczny. E. D i e s ow i i n n i : dz. cyt.

Ryc. 20. Schem at wibratora elektrom agnesowego. B. B u k o w s k i : dz. cyt.

trzona była w poprzeczną rękojeść, służącą do trzym ania i prow adzenia w ibratora przez obsługującego pracownika. Do kotwicy przymocowywa­ no końcówkę roboczą. W zależności od potrzeb. W przypadku prow adze­ nia prac, przy których w zagęszczanym betonie umieszczone były w kład­ ki zbrojeniowe, stosowano bagnet — tj. okrągły lub płaski p ręt o prze­ ciętnej grubości 5 mm, szerokości 5— 12 cm i wysokości 70— 125 cm, a w przypadku prowadzenia prac zagęszczających masę betonową, w której

w ystępowała bardzo duża ilość w kładek zbrojeniowych układanych bli­ sko siebie stosowano końcówkę igłową o przeciętnej grubości 3 mm, sze­ rokości 25 mm i długości 1,5—2 m. Jak widać, w ibratory elektrom agne­ tyczne, służyły głównie jako w ibratory wgłębne lub jako powierzchnio-Do ich zalet, zaliczyć można: 1) niewielki ciężar (5— 30 kg), 2) łatwość obsługi, 3) dużą zdolność m anewrow ania urządzeniem, 4) stosunkowo du­ żą sprawność urządzenia — „brak” tarcia, 5) dużą częstotliwość drgań.

Ważniejsze w ady w ibratorów tego typu, to: 1) konieczność częstej regulacji sprężyn, 2) konieczność zapewnienia dobrej izolacji elektrom ag­ nesu od w arunków zew nętrznych — wilgoci, brudu itp., 3) dość znaczne grzanie się elekrom agnesu, szczególnie przy dużym skoku kotwicy 20.

Spośród w ibratorów produkcji zagranicznej stosowanych w Polsce do 1939 r. można wymienić w ibratory produkcji francuskiej „Microdyne” i „Y ibrodyne”. Były to urządzenia mimoosiowe (do wymuszeń kinem

a-u

Ryc. 21. Wibrator „M iecodyne” w trzech rzutach i stół w ibracyjny z wibratorkiem „Mierodyne”. J. C h o r o s z c z u c h a i S. G ł a d k i c h : dz. cyt.

R o zw ó j urządzeń do w ibrow an ia betonu ₃₁₇

Ryc. 22. W ibratorki typu „Vibrodyne” i schem atyczny przekrój podłużny w ibratorka „Yibrodyne”. J. C h o r o s z c z u c h a i S. G ł a d k i c h : dz. cyt.

tycznych) i bezwładnościowe (do w ym uszeń dynamicznych), o napędzie głównie spalinowym i elektrycznym oraz sporadycznie pneum atycznym . Wykonywano je we w szystkich 4 podstawowych w ersjach (typach). Wy­ tw arzały one drgania o częstotliwości 1200—3600 drgań/m in i am plitu­ dzie 0,3— 0,5 m m (wartości podanych param etrów , są w artościam i uśred­ nionymi dla w szystkich typów). Przeciętny ciężar w ibratorów od 50— 200 kg 12.

Używane były również w ibratory austriackiej firm y Flottm ann, p ro­ dukowane jako stoły w ibracyjne, ręczne w ibratory powierzchniowe tzw. lekkie, oraz w ibratory przyczepne. Posiadały one napęd spalinowy lub elektryczny. Częstotliwość w ytw arzanych drgań w ahała się w granicach 1200—3000 na min. 22.

U

f f l

Ryc. 23. W ym iary zew nętrzne wibratorka „Major” i w ózek w ibracyjny z w ibrator- k iem „Major”. J. C h o r o s z c z u c h a i S. G ł a d k i c h : dz. cyt.

21 S. G ł a d k i c h : dz. cyt. s. 15, 17, 21 oraz S. B r y ł a : dz. cyt. s. 14.

22 J. N e c h a y: N ow oczesn e m a szyn y do b u d o w y dróg beton ow ych . „Cem ent”

Do rzadziej spotykanych urządzeń należały powierzchniowe w ibrato­ r y produkcji niemieckiej typu lekkiego Vibromax A-200, o ciężarze około 40 kg, napędzie elektrycznym silnikiem o mocy 0,2 kW i częstotliwości drgań 3600 na min 23, w ibratory firm y H. Frischa, produkowane głównie jako powierzchniowe-sankowe (stosowane przy budowie dróg kołowych), lub prętowe. Posiadały one napęd spalinowy silnikiem o mocy 2—4 KM i w ytw arzały drgania o częstotliwości 3600 drgań min. 24. Używano rów ­ nież — szczególnie przy produkcji drobnych elementów — stołów w ibra­ cyjnych produkcji francuskiej napędzanych elektrycznie i noszących naz­ wę „M ajor”.

6. PODSUMOWANIE

R ozpatrując rozwój metody wibrowania, służącej do zagęszczania i formowania mieszanki betonowej, w polskim przemyśle budowlanym do

1939 r. można stwierdzić:

1) że istniało wśród polskich inżynierów duże zainteresowanie m etodą wibrow ania betonu, świadczyć o tym może:

a) zastosowanie powyższej metody przez niektóre betoniarnie i firm y budowlane, produkujące elem enty betonowe i żelbetowe, aczkolwiek 0 powszechnym stosowaniu omawianej metody w polskim przemyśle bu­ dowlanym można mówić dopiero po II wojnie światowej, z chwilą podję­ cia masowej produkcji elementów i konstrukcji prefabrykow anych i sprę­ żonych;

b) zastosowanie metody wibrow ania przy wznoszeniu zapory wodnej na Dunajcu, olbrzym iej inw estycji ówczesnych czasów;

c) podjęcie krajow ej produkcji wszystkich czterech podstawowych ty ­ pów w ibratorów, których param etry techniczne nie odbiegały poziomem od analogicznych urządzeń produkcji zagranicznej oraz tworzenie na te­ renie Polski przedstaw icielstw firm zagranicznych;

d) dużą inw encję twórczą polskich konstruktorów w yrażającą się w m odernizacji konstrukcji zagranicznych: (m.in. pomysły S. Gładkicha 1 L. Suwalskiego);

e) znaczną ilość artykułów krajow ych poświęconych omawianej m eto­ dzie; w tym miejscu, godnym pokreślenia jest fak t bardzo szybkiego prze­ pływ u inform acji z zagranicznych pism dotyczących nowości technicz­ nych z różnych dziedzin, do polskich pism fachowych.

2) że 1936 r. należy uznać za przełomowy w rozwoju metody w ibro­ w ania betonu w polskim przemyśle budowlanym;

28 J. C h o r o s z c z u c h a : N ow oczesne w ib ra to ry w b eto n ia rstw ie i bu dow n i­

c tw ie że lb e to w y m . „Cement” 1937 nr. 1 s. 4. 24 Tamże.

R o zw ó j urządzeń do w ib ro w a n ia betonu ₃₁₉ 3) że p aram etry w ytw arzanych drgań przez w ibratory okresu m ię­ dzywojennego charakteryzow ały się. niewielką częstotliwością, a stosun­ kowo dużą am plitudą.

4) że w okresie tym brak było w Polsce zainteresow ania ochroną p ra ­ cowników i otoczenia (środowiska) przed szkodliwym w pływ em hałasu i drgań tj. zakłóceniami w ytw arzanym i przez w ibratory.

Recenzent: Tomasz K luż

■С. Кнапик РАЗВИТИЕ УСТАНОВОК ДЛЯ ВИБРОУПЛОТНЕНИЯ БЕТОНА В ПОЛЬСКОМ СТРОИТЕЛЬНОМ ДЕЛЕ ДО 1939 ГОДА В статье обсуждается развитие метода виброуплотнения бетона в польском строитель­ ном деле до 1939 года. В ней приводится развитие польской библиографии на эту тему, те­ оретические мнения, старающиеся выяснить физическую сущность происходящего процесса, распространение новой технологии, типичное строение применяемых вибраторов, виды их приводов и параметры образуемых ими колебаний. S. K n a p ik

THE DEVELOPMENT OF THE CONCRETE VIBRATION EQUIPMENT IN POLAND TJILL 1939

The author discusses the m ethod of vibrating concrete in P olish building industry till 1939. He presents in the article the evolu tion o f the respective literature on this subject in this country, the theoretical know ledge trying to euplain the nature of the process in physical terms, the application of this technology in Polish building industry, the typical structure o f the vibrators then in use, their driving gear and the param eters of the vibrations they produced.