Előzmények

A szemalak hatását a halmazszilárdsági vizsgálatok eredményeire az 1970-es években a Szilikátipari Központi Kutató és Tervező Intézetben (SZIKKTI) már kutatták, az eredmény pedig az Építőanyag című folyóirat hasábjain jelent meg. (Kausay T.: Összefüggés a zúzottkő- és kavicstermékek szemalakja és Los Angeles-vizsgálat szerinti aprózódási vesztesége között. I. és II. Építőanyag, XXIII. évf. 7–8. szám.) A tanulmányban megállapítást nyert, hogy a zúzottkő és zúzottkavics szemalakja, mely a feldolgozási technológiának is függvénye, számottevően befolyásolja például a Los Angeles aprózódási vizsgálat eredményét. A közölt kísérleti eredményekre való hivatkozással Kausay Tibor javasolta, hogy a Los Angeles aprózódási érték javítására a vizsgálatok zömök szemalakú szemcséket tartalmazó vizsgálati halmazokon készüljenek. 
A szemalak hatását korábbi kutatási munkák során a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék kutatási jelentéseiben is dokumentálták, nyilvánosságot azonban a Velencén megrendezett Kő- és Kavicsbányász Napok 2014 konferencián (Velence, 2014. február 26–27.) Emszt Gy. – Gálos M. (BME) Szemalak hatása a halmazos kőtermékek aprózódási tulajdonságaira című előadásában kapott. A szemalak hatásával kapcsolatos ipari tapasztalatokat az ugyancsak Velencén megrendezett Kő- és Kavicsbányász Napok 2015 konferencián (Velence, 2015. február 26–27.) Bobály J. (KŐKA Kő- és Kavicsbányászati Kft., Komló) Összefüggés a zúzottkő szemalakja és a vasúti Los Angeles-vizsgálat eredményei között című előadásában ismertette.
Vasúti ágyazati kőanyagokra vonatkozó vizsgálati eredmények mind a lemezességi szám, mind pedig a szemalaktényező esetében jól mutatják, hogy a halmazban a lemezes szemek mennyisége hogyan vál­toztatja meg a Los Angeles aprózódás mér­tékét. Közel két éven keresztül végzett rendszeres vizsgálatok eredményeit mutatja a 8. és a 9. ábra.

Az ágyazati kőanyagok szemalakjának megítélésére használt geometriai jellemzők

A szemalak a halmazos terméket jellemző geometriai fogalom. A szem alakját a képzeletben köré írható hasáb egymásra merőleges három fő méretének (hosszúság ≥ szélesség ≥ vastagság) tengelyarányával jellemezzük. A gyakorlatban a h/s és v/s tengelyű koordináta-rendszerben a halmaz szemalakját ponthalmazzal lehet ábrázolni (1. ábra).

Kocka vagy gömb esetén: h = s = v, illetve h/s = v/s = 1,0.
Az 1. ábrán kijelölhető mezők alapján a korábbi magyar szabvány (MSZ 18288-3:1978) nevezéktana szerint
– a szem zömök, ha
1,0 ≤ h/s < 1,5 és 1,0 ≥ v/s > 0,5;
– a szem hosszúkás, ha                    
1,5 ≤ h/s < 3,0 és 1,0 ≥ v/s > 0,5;
– a szem lemezes, ha                       
1,0 ≤ h/s < 1,5 és 0,5 ≥ v/s > 0,0;
– a szem hosszúkás + lemezes, ha   
1,5 ≤ h/s < 3,5 és 0,5 ≥ v/s > 0,0.
A szemalak minősítésére az európai szabványrendszerben két vizsgálati módszer került szabványosításra:
– a résrostával végzett lemezességi mutató (FI) meghatározása, valamint
– a tengelyarányok mérésével meghatározott alaktényező (SI).
Az MSZ EN 13450:2003 szabvány szerint a vasúti ágyazati zúzottkő szemalakját az MSZ EN 933-3:2012 szabvány lemezességi mutatóval (FI), amelynél az osztályozás v/s, és az MSZ EN 933-4:2008 szabvány alaktényezővel (SI), amelynél az osztályozás h/v (a szabvány jelölésével L/E) jellemzi. A lemezességi mutató szerinti osztályokat az 1. táblázatban, az alaktényező szerinti osztályokat a 2. táblázatban tüntettük fel.

A lemezességi mutató vizsgálata

A lemezességi mutatót ún. résrostával történő vizsgálattal (2. ábra) határozzuk meg. A résrosta hozzávetőlegesen a v/s = 0,56 tengelyaránynál osztja ketté a zömök és a lemezes szemeket az elméleti v/s = 0,5 helyett.    

A lemezességi szám meghatározása két szitálásból áll. Az első szitálással, négyzet nyílású sziták alkalmazásával, a mintát a di és Di szemnagysághatárú részmintákra, 40/50 és 31,5/40 mm szemnagyságú vizsgálati mintára kell bontani. A második szitálással a részmintákat a Di/2 nyílásméretű, azaz 25 ± 0,4 mm és 20 ± 0,4 mm rostanyílású résrostán kell átszitálni. A vizsgálat eredménye a résrostán áthullott (lemezes) szemek tömege összegének és a részminták tömegének összege tömeg%-ban kifejezve. A lemezességi mutató:
(tömeg%),
ahol
M1 a vizsgált össztömeg grammban;
M2 a résrostán áthulló rész tömege gramm­ban.
A lemezességi mutatót részmintánként is meg lehet adni.

Az alaktényező vizsgálata

Az alaktényezőt a hosszúság/vastagság h/v (L/E) = 3 nyílásarányú szemalak-tolómérővel határozzuk meg, és a lemezes („nem-zömök”) szemek arányát a vizsgált minta tömeg%-ában adjuk meg. A vizsgálat során a szemalak-tolómérővel a szemeket zömök és lemezes („nem-zömök”) alakú szemek csoportjára kell osztani a 3. ábrán látható tolómérővel.
Ha a szemet a leghosszabb méreténél fogva a tolómérő szárára merőleges mérőcsőrökkel közrefogjuk, és ebben a tolómérőállásban a szemet a ferde csőrök nyílásán nem tudjuk átdugni, akkor a szem zömök, ha át tudjuk dugni, akkor a szem lemezes. Az alaktényező:

: (tömeg%),
ahol
M1 a vizsgált adag tömege (g);
M2 a tolómérőn átesett, lemezes rész tömege (g).

Ágyazati kőanyagok fizikai vizsgálata

Az ágyazati kőanyagok termékállandósági tulajdonságainak megítélésére az európai szabványrendszerben két vizsgálati módszer került szabványosításra:
– a Los Angeles aprózódási veszteség, valamint
– a mikro-Deval aprózódási veszteség vizsgálata.

Los Angeles aprózódási vizsgálat

A Los Angeles aprózódási vizsgálat a zúzottkövek, a zúzottkavicsok és a másodlagos felhasználású bontott anyagok minősítésének meghatározó vizsgálata. A hazai minősítési gyakorlatban már 1951-ben a MNOSZ (Magyar Népköztársasági Országos Szabvány) 1992-51 számú, a Homokos kavics, természetes kövek aprításából nyert zúzalék és zúzottkő című szabvány a kőzetanyag szilárdsági tulajdonságainak megítélésére. Az építési kőanyagok szabványrendszerében a Los Angeles aprózódási vizsgálat szabványa, az MSZ 18287-1:1990 számú, Építési kőanyagok szilárdsági vizsgálata próbahalmazokon. Los Angeles-vizsgálat című szabvány többszöri felülvizsgálat után szolgálta a zúzott kőanyagok szilárdsági tulajdonságainak minősítését. A Los Angeles-vizsgálat termékcentrikus vizsgálatként került bevezetésre, és a minősítés gyakorlatában használatra. A vizsgálatra vonatkozó előírás különböző szemnagysághatárú vizsgálati frakciókra vonatkozóan írta elő a teendőket. A szabványban a vizsgálati minták szemnagysághatárai a bányaüzemekben előállított zúzottkő termékek szemnagysághatárai szerintiek voltak.

Az európai szabványrendszerben a Los Angeles-vizsgálat a Kőanyaghalmazok mechanikai és fizikai tulajdonságainak vizsgálata című szabványsorozat részeként került szabályozásra. Az 1998-ban bevezetett MSZ EN 1097-2:1998 számú szabványban a Los Angeles-vizsgálat az aprózódással szembeni ellenállás meghatározására szolgáló vizsgálatként került szabályozásra. Az MSZ EN szabvány, a korábbi hazai szabályozási elvvel szemben, nem termékcentrikus, hanem kőzetcentrikus, azaz nem a gyártott termék frakcióján, hanem a vizsgálatot a kőzetanyag 10/14 mm szemnagysághatárú vizsgálati mintáján írta elő. Mivel a szabványnak ez a változata nem tette lehetővé a vasúti ágyazati kőanyagok vizsgálatát, ezért a megjelenő termékszabvány, az MSZ EN 13450:2003 számú szabvány adott vizsgálattechnikai utasítást a 31,5/50 mm szemnagyságú zúzottkő vizsgálatára.
A minősítés gyakorlata megkövetelte az aprózódással szembeni ellenállás vizsgálati szabványának alapos átalakítását, módosítását. Az MSZ EN 1097-2:2010 számú, Kőanyaghalmazok mechanikai és fizikai tulajdonságainak vizsgálata. 2. rész: Az apózódással szembeni ellenállás meghatározása című szabvány már szakított a termékcentrikus elv szigorú betartásával, és a vasúti ágyazati kőanyag termékre vonatkozó előírást is az A mellékletben beemelte a szabványba.
A szabványban a laboratóriumi minta kialakítására a 31,5/50 mm vizsgálati mintára vonatkozóan csak az adott szem­nagysághatárú mintán belül a részhalmazok arányára ad utasítást. A vizsgálati mintát az MSZ EN 932-2:2000 számú szabvány szerint kell összeállítani. Egyértelmű a helyzet a vasúti ágyazati kőanyagok vizsgálatánál, mivel ott a szabvány hivatkozik az MSZ EN 932-1:1998 számú mintavételi szabványra. A vizsgálati jegyzőkönyvben meg kell adni a mintavétel módját. Ez azonban formális, mivel általában szabványra való hivatkozással történik.
A vasúti Los Angeles-vizsgálat is a klasszikus, 711 mm belső átmérőjű acél forgódobban készül, 12 db koptató acélgolyóval. A 31,5–50 mm szemnagysághatárú 10 000 ± 100 g össztömegű vizsgálati minta két részből, 5000–5000 g 31,5–40 és 40–50 mm szemnagysághatárú részhalmazból áll. Vizsgálati fordulatszám: 1000, vizsgálati sebesség: 31–33 fordulat/sec.
Az aprózódás mértékét, azaz az aprózódási veszteséget (Los Angeles-együtthatót) az 1,6 mm nyílásméretű vizsgálószitán áthullott anyag mennyiségével kell számítani:
(tömeg%),
ahol
m a szitamaradék az 1,6 mm-es szitán grammban.
Az aprózódási ellenállás meghatározására szolgáló Los Angeles berendezést a 4. ábra mutatja.

A vizsgálati tapasztalatok arra hívják fel a figyelmet, hogy a Los Angeles-vizsgálatok eredményeit a vizsgálati minta szemalakja is befolyásolja. A vizsgálat során az aprózódás mértékét fokozza a lemezes szemalakú szemcséknél az élek és csúcsok letörése.

Mikro-Deval kopásállósági vizsgálat

A mikro-Deval kopásállósági vizsgálat a zúzottkövek, a zúzott kavicsok és a másodlagos felhasználású bontott anyagok minősítésének meghatározó vizsgálata a hazai minősítési gyakorlatban. A mik­ro-Deval vizsgálat az 1980-as években termékcentrikus vizsgálatként került bevezetésre és a minősítés gyakorlatában használatra. Az MSZ 18287-6-84 számú, Építési kőanyagok szilárdsági vizsgálata próbahalmazokon. Mikro-Deval vizsgálat című szabvány különböző szemnagysághatárú vizsgálati frakciókra írta elő a teendőket. A szabványban a vizsgálati minták szemnagysághatárai a bányaüzemekben előállított zúzottkő termékek szemnagysághatárai szerintiek voltak.  

Az európai szabványrendszerben a mik­ro-Deval vizsgálatot a Kő­anyag­hal­ma­­zok mechanikai és fizikai tulajdonságainak vizsgálata című szabványsorozat részeként szabályozták. Az 1998-ban bevezetett MSZ EN 1097-1:1998 számú szabványban a mikro-Deval vizsgálatot kopásállósági vizsgálatként szabályozták. Az MSZ EN szabvány, a korábbi hazai szabályozási elvvel ellentétben, nem termékcentrikus, hanem kőzetcentrikus, azaz nem a gyártott termék frakcióján, hanem a vizsgálatot a kőzetanyag 10/14 mm szemnagysághatárú vizsgálati mintáján írja elő. A minősítés gyakorlata megkövetelte az aprózódással szembeni ellenállás vizsgálati szabványának alapos átalakítását, módosítását. Az MSZ EN 1097-1:1012 számú, Kőanyaghalmazok mechanikai és fizikai tulajdonságainak vizsgálata. 1. rész: A kopásállóság vizsgálata (mikro-Deval) című szabvány már szakított a termékcentrikus elv szigorú betartásával, de a vasúti kőanyagok vizsgálatára nem hozott vizsgálattechnikai előírásokat.

Az európai szabályozási rendben a vasúti ágyazati anyagokra az EN 13450:2002 számú, Aggregates for railway ballast című szabványban, amelynek angol nyelvű változatát jóváhagyó közleménnyel a Magyar Szabványügyi Testület (MSZT) MSZ EN 13450:2003 szám alatt (Kőanyagok a vasúti ágyazathoz) nemzeti szabványként tett közzé. Ebben a termékszabványban jelent meg az ágyazati kőanyagokra az ún. „mikro-Deval” vizsgálat, mely azonban csak nevében hasonlít a klasszikus mikro-Deval vizsgálathoz, mivel ugyanazon az alapberendezésen végezhető, de sem a vizsgálódob méretei, sem a vizsgálati minta szemnagysága, sem a hozzáadott víz mennyisége nem azonos a vizsgálati szabványban adottakkal.

A vasúti ágyazati kőanyagokra vonatkozó termékszabványban 200 mm átmérőjű és 400 mm hosszúságú acéldobba 5000–5000 g 31,5–40 és 40–50 mm szem­nagy­sá­ghatárú részhalmazból 10 000 ± 100 g össztömegű vizsgálati próbahalmaz hoz 2,0 ± 0,05 l víz hozzáadásával kell a vizsgálatot végezni. A dobot 14 000 ± 10 fordulattal kell megforgatni. A vizsgálat eredménye a vasúti mikro-Deval aprózódás (MDERB), amely az 1,6 mm alá aprózódott szemek tömegének és a próbahalmaz kezdeti tömegének hányadosaként tömeg%-ban adja meg a vizsgált minta kopásállóságát:

(tömeg%),
ahol
m az 1,6 mm-es szitán fennmaradt anyag tömege grammban.
A 31,5/50 mm szemnagyságú ágyazati kőanyagok vizsgálatát ezért a termék­szabvány, az MSZ EN 13450:2003 számú szabványban adott vizsgálattechnikai utasítás szerint kell végezni, ahol a szemnagysághatárú mintán belül csak a részhalmazok arányára van előírás. Fontos megjegyezni, hogy ezt a vizsgálatot nem „mikro-Deval”, hanem „vasúti mikro-De­val” megnevezésű vizsgálatként kell kezelni.

A kőzetfizikai vizsgálatok eredményei

Mindkét forgódobos aprózódási vizsgálatnál a vizsgálattechnikai kérdések elemzésénél a figyelem a vizsgálati minták szemalakjának hatására terelődött. Ugyanis a szabványokban megfogalmazott előírások a vizsgálati minták kialakításánál a halmazt alkotó szemcsék szemalakjával nem foglalkoznak. A termékállandósági vizsgálatok eredményeinek érékelése azonban ráirányította a figyelmet a vasúti ágyazati kőanyagoknál is a szemalakra.

Egy-egy bányahely vasúti ágyazati kőzetanyagának rendszeres alkalmassági vizs­­gálata azt az eredményt mutatta, hogy mind a Los Angeles-vizsgálattal meghatározott szilárdsági, mind pedig a vasúti mik­ro-Deval vizsgálattal meghatározott hatásállósági tulajdonságjellemző a vizsgálati minta szemalakjának függvénye. Kimutatható, hogy:  
LARB = f (FI)
LARB = f (SI)
MDERB = f (FI)
MDERB = f (SI)

A KŐKA Kő- és Kavicsbányászati Kft. komlói andezitbányájából származó vasúti ágyazati kőanyagon végzett termékállandósági vizsgálatok eredményeinek feldolgozása bizonyítja a függvénykapcsolatokat.
Vasúti ágyazati kőanyagokra vonatkozó vizsgálati eredmények mind a lemezességi mutató, mind pedig az alaktényező esetében jól mutatják, hogy a halmazban a lemezes szemek mennyisége hogyan változtatja meg mind a Los Angeles aprózódás, mind pedig a vasúti mikro-Deval aprózódási veszteség mértékét. A 8–11. ábra a közel két éven keresztül végzett rendszeres vizsgálatok eredményeit mutatja.
 A vizsgálati eredmények közötti összefüggések erősségét a 3. táblázatban foglaltuk össze. 

Mindkét szemalakjellemző és a Los Angeles aprózódás közötti összefüggés jól mutatja, hogy a lemezes szemalakú szemek jelenléte növeli a Los Angeles aprózódás mértékét. A regressziós összefüggések meredekségének figyelembevételével az FI, illetve az SI 10 m%-os értékéhez viszonyítva már a 20 m%-os lemezesség közel 12%-os növekedést eredményez a Los Angeles aprózódási veszteségnél. Ez egyben azt is jelentheti, hogy ugyanaz a kőzetanyag más-más szemalakú halmazon eltérő Los Angeles aprózódási értéket kapunk.
Számszerűen kimutatható, hogy az FI = 10 m%-os zömök szemalakú vizsgálati minta várható Los Angeles aprózódási értéke 9%-kal lesz kisebb az FI = 20 m%-os lemezes szemeket mutató mintánál.
Hasonlóan a Los Angeles aprózódási veszteség és a szemalakjellemző közötti vizsgálati eredményekhez, a vasúti mikro-Deval aprózódás és a szemalakjellemzők közötti összefüggés is jól mutatja, hogy a lemezes szemalakú szemek jelenléte növeli a mikro-Deval aprózódással meghatározott kopásállóság mértékét. A regressziós összefüggések meredekségének figyelembevételével az FI, illetve az SI 10 m%-os értékéhez viszonyítva már a 10 m%-os lemezesség közel 12%-os növekedést eredményez a mikro-Deval aprózódási veszteségnél. Ez egyben azt is jelentheti, hogy ugyanaz a kőzetanyag más-más szemalakú halmazán eltérő mikro-Deval aprózódási veszteséget kapunk.   

Abban az esetben, ha ugyanannak a bányaüzemnek ugyanabból a kőanyagból gyártott zúzottkő termékén végzett mikro-Deval vizsgálatai esetenként 10–15%-kal eltérő termékállandóságot mutató minősítő értéket adnak, ami már esetenként kategória-határátlépést eredményezhet. Ezért lenne célszerű a mikro-Deval vizsgálatot adott lemezességi számú mintán végezni, vagy az eredményeket a kimunkált regressziós összefüggés alapján a 20 tömeg%-os lemezességi mutatójú mintára korrigálni.

Összefoglalás, javaslatok

Az ágyazati kőanyag megfelelőségére vonatkozó MÁV-utasítás kéri a lemezességi mutató és az alaktényező vizsgálati eredményekkel történő megadását. A termék szemalak-tulajdonságainak értékelése az ágyazati kőanyag termékszabványában megadott határértékek figyelembevételével a 12. ábrán megadott határértékekkel határolt mezőkbe történő besorolással lehetséges. A szemalak jellemzése így egyetlen, a mezőt reprezentáló betűjellel adható meg.

A vizsgálati eredmények azt mutatják, hogy a vasúti ágyazati kőanyagokra vonatkozó MÁV-előírások, melyek a két szemalakra vonatkozó vizsgálati eredmények meghatározását követelik meg, helyesek. Javasolt, hogy az összevont értékére vonatkozó határértékeket építsék be a szabályzatokba.
A vasúti ágyazati kőanyagok sorozatvizsgálatának eredményei alapján javasoljuk, hogy a halmaz szemcsealakjának hatását mind a Los Angeles-vizsgálattal meghatározott aprózódással szembeni ellen­állás értékére, mind pedig a vasúti mik­ro-Deval vizsgálattal meghatározott kopásállósággal szembeni ellenállás értékére a lemezességi mutató és az alaktényező együttes értékével kezeljük.
LARB = f (FI + SI)
MDERB = f (FI + SI)
A szemalak megítélésére ez azt jelenti, hogy
FI+SI = v/s + h/v = (v2+ s . h)/(v . s)
A szemalak megítélésénél a szemcse vastagsága négyzetesen szerepel, ami rámutat arra a gyakorlati tapasztalatra, miszerint a halmazban levő lemezes szemek fokozottan hajlamosak aprózódásra, az elvékonyodó élek pedig letörésre.
Az összevont szemalakot jellemző szám és a Los Angeles aprózódás közötti összefüggést a 13. ábra mutatja.
Az összevont szemalakot jellemző szám és a vasúti mikro-Deval aprózódás közötti összefüggést a 14. ábra szemlélteti.
A vizsgálati eredmények azt mutatják, hogy a vasúti ágyazati kőanyagokra vonatkozó MÁV-előírások, melyek a két szemalakra vonatkozó vizsgálati eredmények meghatározását követelik meg, helyesek. Javasolt, hogy az összevont értékére vonatkozó határértékeket építsék be a szabályzatokba.

Köszönetnyilvánítás

Az ágyazati kőanyagok szemszerkezeti tulajdonságainak átfogó vizsgálatát a MÁV Zrt. K+F Kutatásfejlesztési Innovációs Prog­ramjai tették lehetővé, nevezetesen a Vasúti ágyazati anyag entrópia tulajdonságainak és azok energiaszemléletű hatásai­nak vizsgálata az MSZ EN 13450:2003 számú szabvány rendjében című (témaszám: 1-07-95002/11) és annak folytatásaként A vasúti zúzottkő ágyazati kőgerenda vizsgálata dinamikus és egyéb igénybevételek hatására című (szám: 36895­/2015/MÁV) K+F kutatás.
A halmazszilárdsági vizsgálatok eredmé­nyeinek értékelésével hasznos tanácsokat kaptunk az Útlab Szövetség kövekkel foglalkozó albizottságának tagjaitól, valamint dr. Kausay Tibor c. egyetemi tanártól (Betonopus Bt.).
A szerzők köszönettel tartoznak Emszt Gyula ny. tanszéki mérnök és Pálinkás Bálint laboráns (BME Geotechnika és Mérnökgeológia, korábban Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék munkatársai) segítőkész, önzetlen munkájáért.