Történelmi áttekintés

A szálerősítésű beton- és vasbeton szerkezetek alkalmazása világszerte terjed. Számos előnyös tulajdonságuk van az ilyen betonokból készült szerkezeteknek. A szálerősítésű beton használatának kezdetét 1874-re teszik, amikor A. Berand fémhulladékot kevert a betonba, és ezt az eljárást szabadalmaztatta Nemegeer és Teutsch [1]. A fejlődés első szakasza 1960-ig tartott. Ekkor viszonylag ritkábban alkalmaztak szálerősítésű betont. Használata az 1960-as évek elején lendült fel, a második szakasz körülbelül az 1980-as évek végéig tartott. Az 1990-es évektől egyre szélesebb körben végeztek kutatásokat, melyek napjainkban is folynak. Így mára a szálerősítésű betonok sokféle alkalmazását dolgozták ki és valósították meg. Joggal állíthatjuk, hogy ezeknek a beton- és vasbeton szerkezeteknek számos területen megvan a maguk helye és alkalmazási lehetősége, szükségessége. A cikksorozatban a szálerősítésű beton- és vasbeton szerkezetek megnevezést, az egyszerűbb megfogalmazás érdekében, szálerősítésű betonként fogom használni.
Az építőiparban, a közlekedésben a szálerősítésű betonok elsősorban a repülőtéri út pályabetonok és térburkolati betonok, valamint az ipari padlók területén jelentek meg. A közútnál vannak alkalmazási engedéllyel rendelkező előre gyártott szálerősítésű betonelemek, mint például folyóka-, illetve burkolóelemek. Kisebb százalékban a különböző lövellt betonok esetében, ipari olajlefogó tálcák, dinamikusan igénybe vett szerkezetek, továbbá előre gyártott betonelemek készítésénél is alkalmazzák ezt a megoldást.
A MÁV Zrt. kapcsán megemlítem, hogy a vasalás nélküli Bodán útátjáró elemek esetében végeztek kísérleteket; acélhaj betonból és szálerősítésű betonból is készült néhány ilyen elem, ám ezek nem terjedtek el.
Városi villamos pályát illetően említésre érdemes, hogy az 1982-ben Budapesten a Hungária körúti Budapest–Vác és Buda­pest–Cegléd vasútvonalszakaszok feletti közúti hídon acélszálakkal erősített vasbeton lemezbe építették be a villamos pálya tömbsínjeit.

Beton- és vasbeton szerkezetek alkalmazásának területei a MÁV Zrt.-nél

A közlekedés területén a vasútépítés nagy lendületet adott az iparosodásnak. Először a vas, majd az acél gyártását, segítette elő. Szinte nincs olyan tudományág, amelynek fejlődését a vasút ne segítette, bizonyos esetekben ne követelte volna meg.
A XX. század elejétől – a vasúthálózat terjeszkedésével – egyre nagyobb szükség volt nagy teherbírású és nagy támaszközű hidakra. Kezdett tért hódítani a beton, így a vasutak építésénél beton- és vas­beton szerkezeteket először a hidaknál alkalmaztak. A hídszerkezetek alapozásánál, a kút és keszon alapoknál, majd a felmenő falaknál, pilléreknél használtak betont. Később cölöpöket, cölöpösszefogó gerendákat, a falazatokon a szerkezeti kövek helyett vasbeton szerkezeti gerendákat alkalmaztak.

Monolit beton alkalmazása a mérnöki szerkezetekben

Alépítmény:

• víz alatti és kitöltő beton,
• alaptestek,
• cölöpök,
• cölöpösszefogó gerendák,
• tám- és bélésfalak.

Felmenő szerkezetek:

• felmenő falak, szárnyfalak,
• pillérek,
• szerkezeti gerendák.

Áthidaló szerkezetek:

• különböző kialakítású lemez-, illetve teknőhidak, sín- és tartóbetétes hidak,
• ívhidak,
• boltozatok.

Kiegészítő szerkezetek:

• lépcsők,
• mederburkolatok,
• lezáró fogak.

A vasúti pályával közvetlenül összefüggő szerkezetek:

• hídmérlegaknák, egyéb közművek aknái, szerelőaknák,
• lefejtő tálcák,
• felsővezeték-tartó, illetve térvilágító oszlopok alapozása,
• vasúti vasbeton magánaljak,
• átereszek,
• közúti beton útátjárók.

Felsővezetéki betonszerkezetek:

• pörgetett betonoszlop,
• feszítő beton súly.

Épületek esetében minden, hagyományosan betonból és vasbetonból megépülő épületszerkezet.
Az árurakodás, illetve -átrakás kiszolgálásánál:

• oldal- és magas rakodók,
• rakterületek burkolatai,
• útpályaszerkezet, útburkolat,
• betoncsúszda,
• betonsilók.

Előre gyártott beton- és vasbeton szerkezetek alkalmazása

Műtárgyak:

• kör szelvényű átereszek (régebben bütüs, újabban tokos kialakításban),
• Rocla csövek,
• kerethidak,
• előre gyártott lemez és gerenda fel­szer­ke­ze­tek kisebb támaszközben,
• feszített vasbeton tartók.

Kiegészítő szerkezetek:

• kiegyenlítő lemez,
• burkolóelemek,
• szelvény- és jelzőkövek,
• kerítések,
• korlátelemek.

A vasúti pályával közvetlenül összefüggő szerkezetek:

• MÁV-kábelek alépítménye, aknái, valamint egyéb közművek aknái, fedlapjai,
• lefejtő tálcák,
• felsővezeték-tartó, illetve térvilágító oszlopok kehely alapjai,
• vasbeton keresztaljak,
• peron szegélyelem,
• útátjáró elemek, ezek alátámasztására szolgáló szegélyek,
• előre gyártott útátjáró lemez, rugalmas ágyazású Edilon rendszerhez,
• zajárnyékoló, zajvédő falak,
• folyóka- és árokburkoló elemek.

Utasforgalmi létesítményeknél:

• térburkolatok,
• gyalogos-felüljáróknál oszlopok, áthidaló szerkezetek, lépcsőfokok.

Hatások és követelmények a vasútnál alkalmazott beton- és vasbeton szerkezeteknél

A beton- és vasbeton szerkezetek bemutatásából kiderül, milyen sok területen alkalmaznak helyszíni, illetve előre gyártott betonszerkezeteket a vasútnál. A sokrétűségből fakadóan többféle hatást kell figyelembe venni, ennek megfelelően más-más követelményt támasztunk a különböző szerkezetekkel szemben. Ezúttal elsősorban az előre gyártott szerkezeteket vizsgálom, azokon belül is a vasúti pályával, valamint a személyforgalommal közvetlenül összefüggő szerkezeteket érő hatásokat, követelményeket.

Környezeti osztályok

Ennek bemutatására a MÁV Zrt.-nél ha­tályos (MÁVSZ 2964 Hatálybalépés idő­pontja: 2007. július 1.) [2] vonatkozó vállalati szabványt vizsgáltam, a vasúti normál és kitérő betonaljakra.
A szabvány szerint a betonalj anyagát illetően a következő környezeti hatással kell számolni:
Karbonátosodás okozta korrózió: XC4
Nem tengervízből származó klo­rid­kor­ró­zió: XD3
Fagyás-olvadás: XF3
A karbonátosodást okozó korrózió XC4, azaz egy váltakozóan nedves, száraz állapotot tükröz.
A nem tengervízből származó klorid okozta korrózió: XD3, mely szintén váltakozva nedves és száraz nedvességviszonyt ír le, kloridtartalmú víz jelenlétében.
Természetesen a vasúti pályákat, vágányokat nem sózással jégmentesítik. Alapvetően a folyópályában lévő sínnek, sínleerősítésnek, illetve a keresztaljaknak és a  zú­zottkő ágyazatnak nem okoz gondot a for­galom lebonyolítása szempontjából a hó, illetve a jég. A vasúti vontatójárművek kerekei, illetve a sínen lévő jég a nagy terhelés és dinamikus hatás miatt egyszerűen kinyomódik az érintkező felületek közül. Nagyon nagy havazáskor is a vontatójárművek előtt feltorlódott hó az, ami megakadályozza a továbbhaladást. A kitérők mozgó részeinél okoz gondot a hó és a jég. Itt használnak jégtelenítést, jellemzően kézi takarítással távolítják el a jeget. Húsz-huszonöt éve működnek a váltó­fűtéssel felszerelt kitérők, itt az elektromos áram vagy a gáz által fejlesztett hőenergia hatására olvad el a hó és a jég. Felmerül a kérdés, hogy miért van XD3 környezeti osztályba sorolva egy vasúti vasbeton keresztalj?
A vasúti keresztaljak folyamatosan biztosítják a sínek megtámasztását és irányban tartását, így az útátjáróknál is le vannak fektetve, természetesen az útátjáró burkolata eltakarja ezeket a szerkezeteket. Itt egyértelmű, hogy az áthaladó gépjárművek gumiabroncsai beviszik a csatlakozó útnál kiszórt jégolvasztó sót. A jelenlegi előírások szerint az útátjáróknál nem szabad sózni, de az előbb leírt indok alapján gyakorlatilag ennek nincs jelentősége.
Meg kell említeni, hogy az áruszállítás során ún. hulló vagy szóródó anyagok is szennyezik a vasúti pályát, ezek között vannak különböző sók (pl.: műtrágya) és egyéb, olykor veszélyes hulladékok is. Így már érthető, hogy miért is van XD3 környezeti osztály követelményként támasztva a vasúti vasbeton aljakkal szemben.
A peronelemeknél a közvetlen sózás veszélye is fennáll, ugyanis vannak olyan állomások, ahol a peronok jégmentesítésére sót használnak.
A gyalogos-felüljárókon is tilos a só szórása, azonban az útátjáróban elhelyezkedő vasbeton aljakhoz hasonlóan a szennyeződés itt is jelen van. A gyalogosok a lábbelijük talpán behordják a jégolvasztó sót, illetve a már megolvadt sót.
A fagyási-olvadási korróziónál a vállalati szabvány szerinti besorolás XF3, mely nagymérvű víztelítettséget jelent jégolvasztó anyag nélkül. Tájékoztató példaként említi a szabvány az esőnek és fagynak kitett vízszintes betonfelület.
A klorid okozta korróziónál a korábban leírtak szerint vasbeton aljak esetében is előfordul, hogy jelen van jégolvasztó anyag. Így a fagyási-olvadási korrózió be­sorolásánál az XF4 környezeti osztályba sorolás felel meg a valós környezeti ha­tásnak. Erre utal a nem tengervízből szár­mazó kloridkorróziónál az XD3 kitéti osztálynál a Nemzeti Alkalmazási Dokumentum (NAD) vonatkozó megjegyzése:
„NAD 4.1. Megjegyzés: Magyarországon a fagyási/olvadási ciklusoknak és jégolvasztó sóknak kitett betonokat az XD3 környezeti osztály helyett az XF4 környezeti osztályba kell sorolni. A betont akkor kell az XD3 környezeti osztályba sorolni, ha fagy nem éri, de a jégolvasztó sók oldata vagy permete (például garázsokba behordott sólé) hatásának mégis ki van téve.” [3]

Így javaslatom a vasúti normál és kitérő betonaljakra a következő környezeti besorolás:
Karbonátosodás okozta korrózió: XC4
Fagyás-olvadás: XF4
De nemcsak a vasbeton keresztaljakkal kell foglalkozni, mint jó lehetőséggel a szálerősítésű betonok alkalmazására, hanem egyebek között a gyalogos-felüljárók beton anyagú lépcsőivel és gyalogjárdalemezével. E szerkezetekkel kapcsolatban egy újabb környezeti feltételt is támaszt a koptató­hatás. Megjegyzem, hogy a következő pontokban bemutatott hatások alapján a vasbeton keresztaljakra is érvényes lehet a koptatóhatás okozta károsodás miatti besorolás, mely további szemléletmód-változást igényel. Maradva elsősorban a gyalogos-felüljárók járófelületeinél, javaslatom a környezeti besorolásra:
Karbonátosodás okozta korrózió: XC4
Fagyás-olvadás: XF4
Koptatóhatás okozta károsodás: XK1(H)
A vasúti pálya- és hídcsatlakozásnál be­épített bordás kiegyenlítő lemezeket illetően a környezeti hatások szerinti besorolásra a javaslatom:
Karbonátosodás okozta korrózió: XC4
Fagyás-olvadás: XF4

Mechanikai hatások

A vasúti vágányokat az MSZ EN 1991-2:2006 Eurocode 1 szerint a függőleges terheket illetően a fővonalakon a szokásos vasúti terhek esetében az 1. ábrán bemutatott tehermodellt állítja fel, amely megegyezik a korábbi U jelű terheléssel.
A vasúti vágány olyan tartórendszer, amelyen a terhelés közvetlenül, nagy se­bességgel halad. A terhelés-tehermentesülés a tengelyáthaladások miatt sok milliószor ismétlődik. A tartórendszer összetett, az elemek anyagaikban jelentősen eltérnek egymástól:

• acélsín,
• acél kapcsolószerek,
• gumi, műanyag elasztomerek,
• vasbeton keresztalj,
• kő ágyazati anyag,
• homokos kavics védőréteg + geo­mű­anyagok,
• termett talaj, földmű.

Vasút-üzemeltetői szemszögből a teherviselés során a vasbeton keresztalj a harmadik teherviselő elem. A fenti felsorolásban szereplő gumi, műanyag elasztomerek közvetlenül a beépítésük után jól funkcionálnak, ám a sokszor ismétlődő teher hatására időnként kimozdulnak a helyükről, illetve elfáradnak. Mivel közel 1/3-a az életciklusuk a vasbeton keresztaljakhoz képest, így jótékony hatásukat a biztonság javára figyelmen kívül hagyom. Természetesen a rugalmas beágyazású Edilonos sínleerősítéseknél a helyzet más, itt megvan a nagy rezgéscsillapítás. A gyakran ismétlődő terhelés miatt a fárasztóhatás itt is érvényes. A rugalmas beágyazású Edilonos vasúti pálya hossza a hagyományos leerősítésű pályákhoz viszonyítva jelenleg csekély.

A 2. ábrán jól látható, hogy a keresztaljakig az érintkező anyagok fémek, de a keresztaljaknál ez megváltozik, amikor a keresztalj a zúzottkőnek adja át a terhelést. Jól megépített és karbantartott vasúti pályánál a zúzottkő ágyazatba jól beágyazódik a keresztalj, azonban előforduló alépítményi hiányosságoknál süppedések alakulnak ki a pályában. Sokszor ezek csak terhelés alatt látszanak, ahogyan a vonatkerékpárok elhaladásakor a függőleges teher alatt a sín a keresztaljakkal együtt besüpped, ez a mozgás minden vasúti kerék alatt megismétlődik. Így a normál üzem és a pályahiba miatt is komoly koptatóhatásnak vannak kitéve a vasbeton keresztaljak.
Egy adott vasútvonal személy- és áruforgalom szempontjából történő terhelését az adott vonalszakaszon időegység alatt áthaladó elegytonnában fejezik ki. Az elegytonna definíciója:
„Egy vontatójárműre, vonatkötelékben kapcsolt járművek összes rakománytömege (raksúlya). Mértékegysége: tonna.” [4]
Az 1. táblázatban bemutatom három vas­út­vonal 2012. évi vonatterhelését elegy­tonnában összesítve. A három vasútvonal:

• 100-as sz. Budapest-Nyugati–Záhony országhatár
• 101-es sz. Püspökladány–Biharkeresztes országhatár
• 109-es sz. Tócóvölgy–Tiszalök

Az adatok a 2012. évi időszakot ölelik fel, és a MÁV Zrt. Pályavasúti Adattár­házából származnak.
Készítési idő: 2013.10.08. 9:30:57
Adatkör állapota: 2013.10.08. 07:52
Adatcsoportosítás: 2. Vonatok elegytömege szerint 500 tonnás sávokban.
Látható, hogy a különböző besorolású vasútvonalak mennyi elegytonnát szállítanak egy adott évben. Természetesen ezek a számok mindenkor együtt változnak az ország gazdasági helyzetével, és tükrözik egy-egy régió gazdaságát is.
2012-ben a 100-as vonalon közel 26 millió elegytonna gördült át, addig ez a 101-es számú vonalon ennek a 10%-a, 2,6 millió elegytonna, míg a 109-es vonalon csak közel a 2%-a 600 ezer elegytonna (1. táblázat). Az adatok jól mutatják az ismétlődések magas számát, így a terhelésben részt vevő elemek igénybevételét.

Építés, felújítás, karbantartás

Az előre gyártott elemek hatás oldalán mindig irányadó az építési fázis, amikor gyakran olyan igénybevételek keletkeznek az elemben, melyek csak ebben a fázisban jelentkeznek, és sokszor mértékadó igénybevételt okoznak. Az előre gyártott elemek szállítása, deponálása, beemelése közben is előfordulnak sérülések, csorbulások. Természetesen az ilyen sérülések egy része javítható, ám az elemsérülés helyén később romlási folyamat kezdődhet. Ez különösen igaz a vasút területén beépített előre gyártott szerkezeteknél, hiszen itt szinte valamennyi kültéri beépítésű, emiatt a környezeti hatások fokozzák az elemsérülésből eredő romlási folyamatot.
A csorbult, sérült elemek látványa esztétikailag se kellemes. Természetesen ezek a sérülések nem jelenthetnek élettartambeli csökkenést, hiszen akkor ki kellene cserélni őket. Ám a használók, utasok részéről igen kedvezőtlen vélemény alakulhat ki akkor, amikor nagyon sok pénzt fordítanak egy munkára, a végeredmény egy jól működő vasút, ami azonban esztétikailag nem mutat megfelelő összképet.
A vasút üzemben tartása érdekében sokszor a fenntartás, karbantartás során is vannak olyan igénybevételek, melyek az elemek sérülését okozhatják, ezáltal csökkentve az élettartamukat.
A modern vágányépítés átépítő gépláncok segítségével történik. Ezek a gépláncok lehetővé teszik, hogy egy viszonylag gyors átépítéssel csökkenjen a vasúti kapacitás korlátozása. Jelenleg a magyarországi vasútépítésre a már meglévő vasútvonalak felújítása jellemző.
Legyen szó akár átépítésről, akár új vasútvonal építéséről, deponáláskor egyaránt előfordul az aljak sérülése. Természetesen a gyártás során keletkező selejt termékek a gyárban maradnak, de a szállítás, a többszöri átrakás következtében megsérülhetnek az aljak. Hogy a sérülés miatt még beépíthető-e az adott alj, azt szabvány rögzíti.
Fontos megjegyezni, hogy az MSZ EN 13230-1:2003 – 1. rész foglalkozik a repedt vasbeton aljak vizsgálatával. A szabvány azonban csak az ellenőrző terhelési vizsgálatok során mesterségesen előidézett repedéseket vizsgálja. Erre utal a szabvány 3. pontjában a Fogalommeghatározások című fejezetben a teher alatti repedés meghatározása: „Külső hajlító nyomaték működtetésével végzett vizsgálat során mért repedés.” [5]
Így a teher alatti repedésnél a szabványalkotó nem a vasúti teherre, terhelésre gondol, hanem a szabványos hajlító vizsgálat során keletkező repedésre.

A MÁVSZ 2964:2007 Vasúti normál és kitérő betonaljak szabvány foglalkozik azzal, hogy melyik betonalj építhető be.
E szabvány 3.2. fejezete, melynek címe Felületi követelmények, előírja, hogy a betonaljak felülete tömör, zárt és repedésmentes legyen. Ugyanitt található, hogy a betonaljakon keletkezett olyan felületi hibák műgyanta habarccsal történő javítása megengedett, amelyek nincsenek hatással a feszített huzalokban létesített feszítőerő nagyságára [2].
A 3. és 4. ábrán látható vasbeton keresztaljak olyan mértékű sérüléseket szenvedtek, hogy már nem építhetők be a pályába. A fotókat a Debreceni Területi Igazgatóság jelenlegi legnagyobb projektje – a Szajol (kiz.)–Püspökladány (bez.) vasúti vonalszakasz átépítése – kapcsán készítettem.
Szerkezeti teherbírási gondot nem okoznak ezek a sérülések, azonban az esz­tétikailag hiányos, rossz megjelenés mindig szembetűnő egy új létesítményen (5. ábra).

Felújítás, karbantartás

A vasúti vágányok nagygépes felújítása, karbantartása a következő három fő területből áll:

• rostálás,
• zúzottkőpótlás,
• felépítményi karbantartó géplánc.

Ezzel a technológiával megőrizhetjük a vasúti pálya jó állapotát, de egyben a munkavégzés során nagy dinamikai, fizikai hatásoknak tesszük ki a vasbeton keresztaljakat.
Az esetleges keresztalj-károsodás vagy olyan hatás, amely csökkenti az élettartamot, elsősorban a felépítmény-karbantartó géplánc működése során lép fel.
A géplánc három fő egységből áll:

• aláverő gép,
• ágyazatrendező gép,
• aljköztömörítő gép.

A technológia jól ismert az alkalmazók körében. Témánkhoz kapcsolódva az ágyazatrendező gépet emelem ki példaként. Itt szeretnék visszautalni a környezeti osztályba sorolásra. A technológiát ismerve jól látható, hogy ugyan a MÁV Zrt.-nél hatályos Vállalati Szabványt véve figyelembe a vasúti normál és kitérő betonaljakra (MÁVSZ 2964 Hatálybalépés időpontja: 2007. július 1.) egyáltalán nem foglalkozik a koptató hatással, azonban a gyakorlatban tapasztalható, hogy a fenntartás közben is éri a vasbeton aljakat ilyen hatás. E hatások gyakoriságának függvényében érdemes megfontolni, hogy támasszunk-e ilyen elvárást az aljakkal szemben. Véleményem szerint igen, a vasbeton keresztaljaknál is kell az XK1(H) besorolást alkalmazni.
Felújításkor síncserékre is sor kerül. Jellemző módon a felújítandó vágányon először kiosztják a síneket, melyeket azután – a technológia függvényében – nagy- vagy kisgépes módszerekkel kicserélnek.
A sínek beépítésekor általában a már kiosztott síneket mozgatni kell, hiszen itt a tűrés mm-nagyságrendű. A kivitelezési tapasztalatok alapján ezt a mozgatást az aljak felső síkján húzva végzik. Ez igen gyakran az aljak éleinek csorbulásával jár (6. ábra).

A sérült aljak egy része javítás után bennmaradhat a vasúti pályában. A már hivatkozott vállalati szabvány erre lehetőséget ad az alábbiak szerint.
„3.2.5. A betonalj felső és oldalfelületein – a sínek és alátétlemezek felfekvési felületének kivételével – olyan csorbulások és kagylós mélyedések vannak megengedve, amelyeknek a mélysége 5 mm-nél, területe a teljes felületen 20 cm²-nél nem nagyobb. Léghólyagok előfordulhatnak.
3.2.6. A betonalj két felső hosszélén és a betonalj felső felületén lévő középső keresztéleken 30 mm-nél nem hosszabb, és 5 mm-nél nem mélyebb csorbulás egy betonaljon legfeljebb három helyen megengedett.
A betonalj felső végein legfeljebb egy olyan háromszög alakú sarokcsorbulás lehet, amelynek oldalai vízszintes irányban 50-50 mm, közel függőleges irányban 30 mm-nél nem hosszabbak.
Az alsó éleken olyan csorbulások engedhetők meg, amelyek mellett az acél takarása legalább 10 mm.
3.2.7. A betonaljakon keletkezett olyan felületi hibák, amelyek nincsenek hatással a feszített huzalokban létesített feszítőerő nagyságára, műgyanta habarccsal való javítása megengedett.” [2]
A sorozat következő részében bemutatom a szálerősítésű betonok jellemző tulajdonságait. Foglalkozom az alkalmazott szálak típusával és azok betonra gyakorolt hatásával.