Pompy do betonu: coraz wyżej, coraz dalej

Pompa Betonstar H51-5RZ ma 5-sekcyjny wysięgnik składany w systemie RZ o zasięgu pionowym 51 m i poziomym 45 m, wydajność pompowania to 160 m3/h lub 200 m3/h betonu pod maksymalnym ciśnieniem 81 bar (fot. Hansa Europe)

Ciężarówka z wysięgnikową pompą do betonu jest lepiej dopasowana do projektów komercyjnych na dużą skalę, takich jak mosty i wiadukty, wysokie budynki, ponieważ może szybko pompować dużo betonu. Zasięg wysięgników montowanych na pompach samochodowych stale się zwiększa – może przekraczać nawet 70 m.

Pompy do betonu ewoluują w kierunku bardziej kompletnych specyfikacji, wyższych klas wydajności i dłuższych wysięgników. Przykładowo: wysięgniki stopniowo zmieniały się z typowych rozwiązań o długości do 37 m do wariantów o długości 42–45 m, obecnie dużym zainteresowaniem cieszą się pompy z wysięgnikami mierzącymi 47–56 m, a nawet więcej.

Podczas realizacji prac związanych z wylewaniem betonu – szczególnie w środowisku miejskim –możliwości wykorzystania pompy do betonu mogą być utrudnione ze względu na ograniczenia przestrzenne (fot.
Schwing Steter)

Jak działa pompa do betonu?
W dużym skrócie:  zabudowana na podwoziu samochodowym pompa do betonu składa się z nóg podporowych z podstawą wysięgnika, jednostki pompującej oraz wysięgnika wyposażonego w 3 do 6 ramion. Mieszanka betonowa podawana jest do kosza zasypowego np. ze znajdującej się obok betonomieszarki samochodowej. Mieszadła kierują beton z kosza w stronę zaworu zasuwy zwrotnej, a następnie poprzez układ roboczy i za sprawą napędu zasuwy beton jest zasysany do wnętrza tłoków roboczych. Napęd zasuwy gwarantuje jednoczesne zasysanie i pompowanie betonu, dlatego praca sprzętu jest ciągła i wydajna. Cylindry hydrauliczne pompują mieszankę w drugą stronę, czyli do wielosegmentowego rurociągu.

Poszczególne segmenty rurociągu mocowane są do sekcji rozkładanego hydraulicznie wysięgnika mocowanego na podstawie. Jest także wiele elementów uszczelniających, kolan, uchwytów i przyłączy. Ich zadaniem jest przetransportowanie końcówki wylotowej rury w odpowiednie miejsce, a następnie tłoczenie przez nią mieszanki w miejsce betonowania, w szalunek. Warto pamiętać, że rury, którymi podawany jest beton, mogą różnić się średnicą czy długością. Najdłuższe wysięgniki mają zakres roboczy do 100 m.

W przypadku pomp do betonu na podwoziach samochodowych wyposażonych w wielosekcyjne wysięgniki o znacznej długości obsługujący maszynę musi mieć doświadczenie w operowaniu wysięgnikiem. Dotyczy to zwłaszcza pracy w obszarach zabudowanych, gdy swobodne przemieszczanie wysięgnika może być utrudnione ze względu na obecność różnych przeszkód, takich jak np. linie wysokiego napięcia, korony drzew, sąsiadujące budynki czy już istniejących elementów zabudowy. Przepisy określają, że minimalna odległość wysięgnika pompy od napowietrznej linii elektrycznej to 5 m, mniejsza odległość grozi powstaniem łuku elektrycznego, a w konsekwencji porażeniem prądem osób pracujących na budowie.

Dobierając długość wysięgnika, należy ocenić odległość między najbardziej odległym punktem, do którego ma być doprowadzony beton, a planowanym – możliwym – miejscem rozstawienia pompy (fot. Alltech)

Długość ma znaczenie
Aby mieszanka betonowa mogła być dostarczona w optymalny sposób, konieczny jest prawidłowy dobór pompy. Podstawowym parametrem, którym różnią się poszczególne modele pomp do betonu, jest ich wydajność. Wydajność wyrażana jest jako objętość mieszanki, którą pompa może dostarczyć w ciągu godziny (m3/h). Ważnym parametrem jest maksymalne ciśnienie pompy związane z efektywnością pracy maszyny.

Bardzo istotne jest dobranie odpowiedniej długości wysięgnika – nie może on być zbyt krótki. Określenie wymaganej długości nie jest skomplikowane w przypadku łatwiejszych projektów, takich jak np. wylewanie stropów czy fundamentów, natomiast zdecydowanie trudniejsze w przypadku realizacji dużych projektów, gdy miejsce budowy znajduje się np. w centrum intensywnie zabudowanego miasta.

Dobierając długość wysięgnika, należy ocenić odległość między najbardziej odległym punktem, do którego ma być doprowadzony beton, a planowanym – możliwym – miejscem rozstawienia pompy. Zmiana pozycji pompy w trakcie prowadzonych prac bywa często niemożliwa, gdyż wieloosiowe podwozie samochodu ciężarowego ma spore rozmiary, konieczne jest również rozstawienie podpór zapewniających stabilne podparcie.

Im większa wysokość (długość) wysięgnika, tym lepiej, aby liczba jego segmentów była jak największa. W praktyce większość pomp o zasięgu ponad 40 m ma 5 ramion. Za najbardziej uniwersalne uważane są wysięgniki o zasięgu pionowym ok. 36 m. Dużym zainteresowaniem cieszą się także wysięgniki 42-metrowe, 5-ramienne.

Im dłuższy wysięgnik, tym oczywiście większe musi być podwozie, na którym ma być zamontowana pompa. Przykładowo: pompy z wysięgnikami 40-metrowymi muszą być montowane na podwoziach 4-osiowych, a 50-metrowe i większe na podwoziach 5- lub 6-osiowych. W przypadku pompy z wysięgnikiem o długości 70 m w celu maksymalnego obniżenia nacisków na osie konieczne jest zastosowanie podwozia 10-osiowego.

Systemy składania wysięgnika w pompach Cifa z rodziny Steeltech

Z, R, a może ZR lub RZ?
To, w jaki sposób odbywa się rozkładanie wysięgnika, związane jest z kinematyką poszczególnych ramion. W mniejszych, 4-segmentowych wysięgnikach stosowany jest zazwyczaj układ rozkładania typu Z, w którym ramiona tworzą układ obróconej litery Z. W dłuższych wysięgnikach stosowany jest też wariant rozkładania typu R, polegający na „zawijaniu” ramion, jedno na drugie (roll-and-fold).

Niewątpliwie zaletą systemu Z jest łatwość prowadzenia wysięgnika podczas rozkładania mieszanki betonowej na płaskich powierzchniach, takich jak np. stropy. Kinematyka wysięgnika typu Z daje też możliwość ustawienia pompy bliżej budynku czy wnętrza, do którego ma być pompowany beton. Mając wysięgnik z kinematyką rozkładania typu R, łatwiejsza jest praca przy rozkładaniu betonu na wyżej położonych stropach czy też praca przy wysokich elementach nośnych wiaduktów. Wysięgnik z systemem R sprawdza się również przy pracach fundamentowych i podczas zalewania płyt monolitycznych.

Ze względu na ograniczenia przestrzenne wysięgnik z więcej niż 5 sekcjami jest zwykle konstruowany w kombinacji RZ, będącej połączeniem systemu Z i R. System RZ jest typowym rozwiązaniem stosowanym w przypadku wysięgników o długościach powyżej 40 m.

Systemy składania wysięgnika w pompach Cifa z rodziny Steeltech

Wysięgniki 4-ramienne wystarczają do większości prostych zastosowań, są lżejsze, a tym samym całą pompę można zamontować na lżejszym, 4-osiowym podwoziu. Są również łatwiejsze w użyciu. W przypadku 4 ramion składanie Z i RZ w pełni wykorzystuje zaletę wysokiej elastyczności (bardzo dobre właściwości manewrowe, brak martwej przestrzeni).

Wysięgniki 5- i 6-ramienne są szczególnie przydatne tam, gdzie wymagana jest jeszcze większa elastyczność. Obszar roboczy pompy zostaje znacznie zwiększony, co jest przydatne np. w betonowaniu wyżej położonych stropów lub przy pracy wewnątrz budynków. W tych wysięgnikach stosowane jest składanie typu RZ, zachowując również zalety składania typu Z.

Podczas realizacji prac związanych z wylewaniem betonu – szczególnie w środowisku miejskim –możliwości wykorzystania pompy do betonu mogą być utrudnione ze względu na ograniczenia przestrzenne. Właśnie w tych warunkach pracy pięcioelementowe ramię wysięgnika z mieszaną konfiguracją składaną typu RZ jest najlepszym rozwiązaniem do pracy bez naprężeń w tych ograniczonych przestrzeniach manewrowych.

Firma Alltech ma w swojej ofercie pompy do betony marki SANY – w maszynach tych stosowane są różne sposoby składania masztu – łatwe w obsłudze składanie Z i RZ od 4 do 6 segmentów (fot. Alltech)

W walce o niższą masę
Z punktu widzenia oszczędności energii i redukcji emisji im cięższy wysięgnik, tym więcej pracy wymaga jego rozłożenie i tym większe ciśnienie musi wytworzyć pompa hydrauliczna zasilająca siłowniki rozkładające poszczególne sekcje – wzrośnie również energia niezbędna do jej napędu. Dane statystyczne wskazują, że na każdy 1% redukcji masy wysięgnika zużycie paliwa przez silnik pojazdu może zmniejszyć się o około 0,8–1,1%. Stąd też obniżanie masy wysięgników jest jednym z istotnych kierunków rozwojowych pomp do betonu montowanych na podwoziach samochodowych, zwłaszcza że montowane w nich wysięgniki mają już spore długości.

Pojawia się zatem ważny problem inżynierski: w jaki sposób można zbudować długi, odpowiednio wytrzymały wysięgnik, który miałby niewielką masę? Wysięgnik składa się z ramion, siłowników hydraulicznych i rur, którymi tłoczona jest mieszanka betonowa. Redukcja masy powinna obejmować każdy z tych podstawowych elementów konstrukcyjnych. Zazwyczaj redukcję masy wysięgnika rozpoczyna się od optymalizacji konstrukcji i wprowadzenia lekkich materiałów konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości.

Przykładowo: poszczególne sekcje wysięgnika to zazwyczaj elementy o przekroju zamkniętym. Samo wykorzystanie „pustej” konstrukcji zmniejsza zużycie materiałów, pozwala jednocześnie zachować odpowiednią wytrzymałość i sztywność i oczywiście wysięgnik mieć będzie mniejszą masę Jednocześnie aby zapewnić odpowiednie parametry wytrzymałościowe, producenci sięgają po stale o granicy wytrzymałości dochodzącej nawet do 1100 Mpa.

Jeśli chodzi o rury, którymi tłoczony jest beton, aby zapewnić taką samą trwałość i odporność na wysokie ciśnienia przy mniejszej masie, stosowane są materiały o wyższej jakości, odporne na zużycie, doskonalone są również procesy produkcji.

Napęd wysięgnika DirectDrive w pompie do betonu Schwing Stetter S 36 X umożliwia zakres ruchu wynoszący 360° na ostatnim i 330° na trzecim przegubie wysięgnika – to nowe i bardziej elastyczne możliwości zastosowania pompy do betonu montowanej na podwoziu samochodu ciężarowego (fot. Schwing Stetter)

Wytrzymałość i odporność na zużycie
Optymalizacja konstrukcji wysięgników samochodowych pomp do betonu ma na celu połączenie najniższej możliwej masy z najwyższą możliwą wydajnością. Wysięgniki projektowane są tak, aby zachować integralność strukturalną w krytycznych obszarach bez użycia nadmiaru stali.

Dobrym przykładem ilustrującym ten problem może być zastosowanie stali SSAB Strenx 900, co pozwala na zmniejszenie masy wysięgnika bez zmniejszania wydajności. Oznacza to, że możliwe jest wyprodukowanie dłuższego wysięgnika o tej samej wadze, co poprawia zasięg.

Rury, którymi podawana jest mieszanka betonowa, są narażone na intensywne zużycie. W tym przypadku rozwiązaniem zwiększającym ich odporność na zużycie jest wykorzystanie stali trudnościeralnych, takich jak stal Hardox 500. Potwierdzają to wyniki badań eksploatacyjnych przeprowadzonych przez SSAB. Ich celem było określenie zużycia rur wykonanych z różnych gatunków stali podających mieszankę betonową w pompach samochodowych. Grubość ścianki rury wynosiła 4 mm, średnica – 133 mm. Tłoczono nimi mieszankę betonową na bazie granitu o frakcji 16–25 mm i 25–32 mm (twardy beton). Pomiary zużycia wykonane zostały po przetłoczeniu 3800 m3 i 9500 m3 betonu.  Wyniki podsumowuje tabela. Z badań wynika, że przystępne cenowo rury wykonane ze stali Hardox 500 (w porównaniu z dwuściennymi rurami ze stali z dodatkiem węglików chromu) mają zdecydowanie większą trwałość niż rury wykonane ze stali miękkiej. Oczywiście rodzaj tłoczonej mieszanki będzie mieć wpływ na ostateczną trwałość tych komponentów.

Tabela. Porównanie zużycia różnych typów rur do pomp do betonu – doświadczenia praktyczne ze Szwecji (źródło: SSAB)

Podsumowanie
Ponieważ pompa do betonu jest zamontowana na podwoziu samochodu ciężarowego, jej przemieszczanie jest bardzo wygodne. Pompa ma również wielosekcyjny wysięgnik, wzdłuż którego prowadzone są przewody rurowe podające beton – nie jest więc konieczne dodatkowe rozkładanie przewodów. Tym samym w porównaniu ze stacjonarnymi pompami pompa samochodowa jest wygodniejsza w użytkowaniu. Kolejną zaletą jest to, że dysponując pompą z wysięgnikiem o określonej , można uzyskać maksymalną dla niego wysokość podawania mieszanki w krótkim czasie, co zapewnia prawidłowe wiązanie mieszanki i jakość budowanej konstrukcji.

Autor: Dariusz Piernikarski