A cikk szerzője:

Juhász Erika PhD-hallgató, okl. infrastruktúra-építőmérnök
SZE ÉÉKK

Dr Fischer Szabolcs egyetemi adjunktus
SZE Közlekedéséptési és Településmérnöki Tanszék

Vasúti zúzottkő ágyazati kőanyagok laboratóriumi fárasztásos aprózódásvizsgálatai

Ez az írás a Sínek Világa 2015/3. számában megjelent, A vasúti zúzottkövek aprózódásvizsgálata egyedi laboratóriumi módszerrel című cikk eredményeinek kiegészítéseit foglalja össze. A világ vasútjainak jelentős része vasúti zúzottkő ágyazati anyaggal épült, ami a felépítmény jelentős tömegét teszi ki. A jelenlegi gyakorlatban természetesnek vesszük, hogy a megfelelő minőségű kőanyag rendelkezésünkre áll. Azonban a közelmúltban a szabályozásokban bekövetkezett változások, szigorítások következtében mindössze néhányra csökkent azoknak a magyarországi kőanyagnyerő helyeknek a száma, melyek a hazai pályakorszerűsítési munkákhoz ágyazati kőanyagot szolgáltatnak.

A kőbányászati iparágat évről évre szigorodó környezet-, örökség- és természet­védelmi szabályozások sújtják, amelyek az ásványvagyon-hozzáférést jelentős mértékben korlátozzák. Ez a minőségi elvárásokkal már középtávon anyagellátási és minőségi kockázatot jelent. Kutatásunk fő célja, hogy az ágyazati kőanyagot érő hatásokat valósághűen és objektív módon szimuláljuk laboratóriumi körülmények között. A cikk bemutatja az egyedi fárasztással végzett laborvizsgálatok pontos felépítését, valamint a korábbi kutatásainkhoz képest elért legújabb eredményeket.

Bevezetés, a kutatási probléma bemutatása

A vasúti kőanyag alkalmasságát a hazai és a nemzetközi gyakorlatban ugyanazon termékszabványban előírt vizsgálatokkal állapítják meg. Ezek a vizsgálatok az MSZ EN 1097-1:2012 szerinti Micro-Deval kopási [2] és az MSZ EN 1097-2:2010 szerinti Los Angeles aprózódási [3] vizsgálat, amelyet a vasúti zúzott kőanyagokra vonatkozó termékszabvány rögzít [4]. A vizsgálatok kiválóan alkalmasak egy adott kőanyaghalmaz-minta kopási és aprózódási ellenállásának megállapítására, valamint a zúzottkő termékek gyártási termékállandóságának biztosítására – ami a kivitelezési munkálatokhoz, továbbá a megépült vágányok minőségéhez, a paraméterek teljesülésének utólagos ellenőrzéséhez elengedhetetlen. Kutatási munkánk során egyedi laboratóriumi vizsgálatot dolgoztunk ki [1], [5]. A jelenleg rendelkezésre álló, és az iparban, valamint a kutatók által alkalmazott laboratóriumi vizsgálatoknál valós körülmények között a vasúti járművek mozgása által okozott erőkből, rezgésekből eredő kopást és aprózódást, továbbá az ágyazatot érő igénybevételeket nem lehet megfelelően szimulálni.
Az ágyazati szemcsék eredeti, alapkőzettől függő aprózódási és kopási tulajdonságait technológiai módszerekkel sajnos csak korlátozott mértékben lehet változtatni, ezek főként a kőzetek mechanikai jellemzőitől függnek.
Korábbiakban érintőlegesen utaltunk azokra a paraméterekre [1], [5], melyek szükségessé tették, hogy – a rendelkezésre álló kőanyagminőségek korlátait figyelembe véve – az ágyazatot érő igénybevételeket, az ágyazat viselkedését a kőzetfizikai vizsgálatoknál a valóságot jobban szimu­láló, új laboratóriumi módszer alkalmazásával ítélhessük meg.
A vizsgálatok eredményeit összevetettük a termékszabványban előírt aprózódási és kopási vizsgálatokban meghatározott minősítő paraméterekkel, valamint a MÁV 102345/1995. PHMSZ az „Alépítményi létesítmények és az ágyazat minőségi átvételi előírásai utasítás” 2010. januárban kiadott 4. számú módosításaiban rögzített határértékekkel. Ezek figyelembevételével a későbbiekben meghatározhatók az ágyazatrostálási ciklusidők is.

Kutatási előzmények

A kutatási témának hazai és nemzetközi szinten számottevő irodalma van. Alapvetően az aprózódásvizsgálathoz kapcsolódóan különböző területeket érintettek, módszereket dolgoztak ki a külföldi kutatók:

  • laboratóriumi vizsgálatok,
  • diszkrét elemes szimulációk, modellezés (DEM) és/vagy 3D-s szemcsealak-felvételek,
  • végeselemes szimulációk, modellezés (FEM),
  • terepen (vasúti pályán) történő vizsgálatok.

A külföldi kutatók a különböző módszereik kidolgozásával olyan indexeket, állandókat és paramétereket alkalmaztak és hoztak létre (BBI index, Marsal-, Hardin-, Lee- és Farhoomand-féle aprózódás), melyek nagyban segítették a kutatásunkat.
A nemzetközi irodalomkutatás alapján – a teljesség igénye nélkül – az alábbi fő részterületek módszereit és laboratóriumi vizsgálatait vettük alapul:

  • összefüggés keresése a vasúti ágyazati kőanyag aprózódása, valamint a kohézió, a halmaz belső súrlódási szöge és a réteg vízáteresztő képességének változása között;
  • az „angularity breakage” (azaz a szemcsék éleinek, csúcsainak letörése) jelenség vizsgálata;
  • a halmaz szemeloszlása és az ágyazat aprózódása közötti összefüggés, illetve a valós igénybevételeknek jobban megfelelő szemeloszlás meghatározása;
  • a diszkrét elemes számítógépes szimulációk terén a szemcsék valóságos térbeli alakjához legjobban illeszkedő elemek generálása és a modellek validálása;
  • laboratóriumi és terepi vizsgálatok végrehajtása geoműanyag-erősítéssel és anélkül, ezekben az esetekben a zúzottkő ágyazati anyag aprózódásának mérése;
  • az ágyazat keresztaljak aláverése okozta aprózódásának mértéke;
  • ragasztott ágyazati kialakítás vizsgálata.

A vizsgált részterületek irodalomkutatása során az alábbi releváns megállapításokat gyűjtöttük a teljesség igénye nélkül és nem fontossági sorrendben:

  • az LARB határértékek Kanadában max. 20%, Ausztráliában max. 25%, Brazíliában max. 40%, míg Indiában max. 25–35%, amelyek jelentősen eltérnek az Európában alkalmazottól: pl. Ausztriában az LARB-re 13%, MDERB-re 10% van meghatározva;
  • a 250, 500, 750 és 1000 fordulatos Los Angeles vizsgálatnál a vizsgált minták vízáteresztő képessége a normál ágyazati anyagra megkövetelt 3 × 101 cm/s értékhez képest ezek töredéke volt (rendre 6,11 × 101, 2,7 × 101, 1,32 × 101 és 1,27 × 101 cm/s);
  • a növekvő aprózódás a halmaz kohézió­ját csökkenti, viszont nincs hatással a belső súrlódási szög értékére;
  • a szilárdság-teherbírási értékek mind az új, mind az újrahasznosított ágyazati anyagnál a kiindulási aprózódási értéktől függnek;
  • körülbelül 800 fordulatnyi Los Angeles dobban forgatást követően a zúzottkő ágyazati minta kohéziója körülbelül 0-ra csökken;
  • szilárdsági teherbírási értékeket tekintve egy 30%-ban új és 70%-ban újrahasznosított zúzottkőből összekevert minta megközelíti a 100%-ban új zúzottkőből állót;
  • az „angularity breakage” a zúzottkő szemcsék éleinek, sarkainak (csúcsainak) letörését jelenti, ami alacsonyabb feszültségi szinteken alakul ki;
  • a „confining stress” és a deviátorfeszültség között lineáris összefüggés van;
  • monoton triaxiális vizsgálatnál az aprózódás először az alsó és a felső síkon jelenik meg, mivel itt vannak a legnagyobb szemcsekölcsönhatások;
  • 5 év üzem után a pályából kivett minta az új zúzottkő ágyazattal összehasonlítva kevésbé volt hajlamos az aprózódásra, ami a szemcsealakkal volt magyarázható; pályából kivett mintánál a belső súrlódás kisebb volt (a szemcsék közötti elcsúszásokat jobban tapasztalták);
  • ciklikus triaxiális vizsgálatnál az 1,8-nál nagyobb egyenlőtlenségi mutatójú szemcsehalmazban volt a legkisebb mértékű az aprózódás, amit 3D szkenneres mérésekkel is alátámasztottak, ezek alapján az aprózódásnak jobban ellenálló szemeloszlási görbéjű anyagokat terveztek;
  • új polimer alapú ragasztóanyagot teszteltek, amivel az ágyazati anyag mechanikai viselkedését lehet javítani;
  • vasúti pályában, üzemszerű használat közben a vasúti zúzottkő ágyazat aprózódása az első 10 000 tengelynél nem jelentős; amennyiben az LARB értékét 24-ről 12-re javítjuk, az aprózódás 50%-kal fog csökkenni; a használt zúzottkő ágyazati anyagoknál a Los Angeles aprózódásvizsgálat nem ad objektív eredményt;
  • az új ágyazati kőanyag kb. 40 aláverést visel el rostálás/tisztítás nélkül;
  • új zúzottkő ágyazati kőanyag esetén, amelynek kb. 1,5-ös az egyenetlenségi mutatója, mind a deformációk, mind az aprózódás nagyobbak voltak, mint az 1,8-as egyenlőtlenségi mutatójú újrahasznosított ágyazati anyagnál; ezek a kialakuló kontaktfeszültségek értékével is magyarázhatók;
  • DEM-es modellezésre és ciklikus tri­axiális vizsgálatokra alapozva az ágyazat deformációja 3 jól elkülöníthető zónára bontható: plasztikus „összerázódás” (shakedown), plasztikus kúszás (creep), növekvő tönkremenetel;
  • a plasztikus „összerázódás” állapotban az alakváltozási ráta hirtelen lecsökken 10-6 alá, és néhány eltört szemcse lesz;
  • a növekvő tönkremenetelnél aprózódás és plasztikus deformáció is tapasztal­ható, ami főként a gyors nyírási tönkremenetel miatt jön létre.
    A cikk folytatódik, lapozás:1234Következő »

Irodalomjegyzék

  • [1] Fischer Sz.: A vasúti zúzottkövek aprózódásvizsgálata egyedi laboratóriumi módszerrel. Sínek Világa, 2015/3, 12–19. o.
  • [2] MSZ EN 1097-1. Kőanyaghalmazok mechanikai és fizikai tulajdonságainak vizsgálata. 1. rész: A kopásállóság vizsgálata (mikro-Deval), 2012.
  • [3] MSZ EN 1097-2. Kőanyaghalmazok mechanikai és fizikai tulajdonságainak vizsgálata. 2. rész: Az aprózódással szembeni ellenállás meghatározása, 2010.
  • [4] MSZ EN 13450:2003. Kőanyag­hal­mazok vasúti ágyazathoz, 2003.
  • [5] Juhász E., Fischer Sz.: Investigation of railway ballast materials’ particle degradation with special laboratory test method, 14th Miklós Iványi International PhD & DLA Symposium, Fülöp Attila and Iványi Péter (szerk.), Pécs, 2018.10.29–2018.10.30., ISBN: 978-963-429-284-5, 2018 (megjelenés alatt).
  • [6] Fischer, Sz.: Breakage Test of Railway Ballast Materials with New Laboratory Method. Periodica Polytechnica Civil Engineering, Vol. 61, No. 4, 2017, 794–802. o.
  • [7] Gálos M., Kárpáti L., Szekeres D.: Ágyazati kőanyagok. A kutatás eredményei (2. rész). Sínek Világa, 2011/1, 6–13. o.
  • [8] Lichtberger, B.: Track compendium. Eurailpress Tetzlaff-Hestra GmbH & Co. KG, Hamburg, 2005, 634 o.
A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2019 / 1. számában.
Ha szeretne rendszeresen hozzájutni a legfrisebb számokhoz, fizessen elő a folyóiratra.
A hozzászólások megtekintéséhez vagy új hozzászólás írásához be kell jelentkeznie!
Sínek Világa A Magyar Államvasútak Zrt. pálya és hídszakmai folyóirata
http://www.sinekvilaga.hu | ©