Ugrás a tartalomra

A vasúti ágyazati szemcsék degradációjának mérése laboratóriumi körülmények között

A teljes cikket megtalálja a folyóirat 2019 / 5. szám lapszámában.
|
PhD-hallgató, okl. infrastruktúra-építőmérnök
SZE ÉÉKK Közlekedésépítési és Vízmérnöki Tanszék
egyetemi tanár
Széchenyi István Egyetem, Győr Közlekedésépítési és Vízmérnöki Tanszék
A Sínek Világa folyóirat 2019/1. számában megjelent Vasúti zúzottkő ágyazati kőanyagok laboratóriumi fárasztásos aprózódásvizsgálatai című írás [1] folytatásaként az alábbiakban részletesebben bemutatjuk a zúzottkő ágyazati szemcsék aprózódását, kopását, ezek kiváltó okait, illetve a folyamatokat jelentősen befolyásoló tényezőket. Példákkal alátámasztva szemléltetjük azoknak a rokon területeknek a kőanyag szabványait, ahol előírják a Los Angeles aprózódás- és mikro-Deval kopásvizsgálatokat. Felvázoljuk a kövek degradációjának korszerűbb laboratóriumi mérési lehetőségeit, kitekintést adunk az általunk illusztrált módszerek alkalmazására, azok korlátjaira, továbbfejlesztési lehetőségeire, valamint a várható eredményekre.

Ha megvizsgáljuk a zúzottkő ágyazatos vasúti pályák szerkezeti kialakítását, akkor szembetűnő, hogy a felépítmény legnagyobb kiterjedésű – egyben legnagyobb tömegű – részét a zúzottkő ágyazat teszi ki. Funkciói között megemlíthető:

  • a vágány szilárd (az aljak alacsony maradó elmozdulásának biztosítása a terhelés áthaladásakor), de mégis rugalmas alátámasztása (természetesen a korlátozott rugalmas süllyedés biztosítása is fontos a járművek futásjósága és az utazáskomfort miatt);
  • a teherviselés (a vágányról érkező kü­lönböző irányú erők felvétele) és a tehertovábbítás (az alépítményi kiegészítő réteg vagy ennek hiányában az alépítményi földmű irányába);
  • a hézagnélküli vágányok szerkezeti stabilitásának biztosításában való meghatározó szerep betöltése;
  • a csapadékvizek elvezetése (átengedése) az alépítményi koronáig vagy egyéb oldalirányú vízelvezető rétegig;
  • a vágány geometriai szabályozásának egy­szerűen történő lehetővé tétele.

Ehhez fontos, hogy az ágyazati kőanyag

  • szívós,
  • kopásálló,
  • nagy szilárdságú (terhelésnek törés és aprózódás nélkül ellenálló),
  • hosszúkás és kubikus alakú,
  • éles, törtszemcsés szerkezetű,
  • tömör (nem porózus) és vízfelvételnek ellenálló,
  • időjárásálló (pl. fagyálló, mállásnak ellenálló stb.) legyen.

Az ágyazattal (halmazzal) kapcsolatos elvárások:

  • érdes felületű legyen a kellő mértékű belső súrlódás miatt;
  • jó vízáteresztő;
  • kohézió nélküli;
  • olcsó és gazdaságos legyen.

A magas teherbírású, szilárd, tartós alátámasztást biztosító feltételek nem feltétlenül állíthatók párba a jó vízáteresztő tulajdonsággal. Az első „hármas feltétel” sokkal inkább egy folyamatos szemelosz­lású, jól és könnyen betömöríthető szemcsés réteget igényelne, míg a jó vízáteresztést egy egyszemcsés vagy egy „finom frakciók” nélküli anyag, amely ha 4 mm-nél kisebb szemcséket egyáltalán nem tartalmazna, optimálisan tudná biztosítani ezt az elvárást. Az alsó szemcsemérethatár viszont a vasúti zúzottkő ágyazatnál 22,4 mm, így nehezen tömöríthető, és a megfelelő teherbírás biztosítása miatt okoz nehézséget. Hasonló a gond a vágány egyszerű geometriai szabályozhatósága szempontjából is: a kvázi egyszemcsés szerkezet megfelelő erre, viszont az aljak alatti réteg kellő tömörségének elérése itt is probléma – ami a folytonos szemeloszlást „igényelné”. A keresztaljak alatti egyenletes talpfeszültség-eloszlást a nyújtottabb szemeloszlású alapréteg lenne képes biztosítani, nem a közel egyszemcsés rétegek.
Érdekes tényként megállapítható, hogy az útépítésben több helyen találkozni olyan területekkel, ahol a felső, teherbíró réteg alatt nagyobb finomszemcse-tartalmú anyagot alkalmaznak, például beton térkő alá homok ágyazóréteg is kerülhet a CKt vagy szemcsés alaprétegre; aszfaltréteg alá is szabványos, bevált megoldás FZKA (az új elnevezés szerint Z, NZ és KZ anyagok [2]) típusú anyagot beépíteni. A vasúti pályaszerkezetben a keresztaljak között és alatt tradicionálisan is viszonylag nagy szemcséjű ágyazati anyagot alkalmaztak (Magyarországon régebben 20/65, 2006-tól 31,5/50, valamint 31,5/63 mm) a világon szinte mindenhol (pl. a Deutsche Bahnnál az ún. széles aljak [Breitschwelle] alá is hagyományos zúzottkő ágyazati réteget terítenek). Ezzel ellentétben, a merevlemezes pályaszerkezetben a vasbeton pályalemez alá folytonos szemeloszlású (főként tört-) szemcsés alapréteg kerül, általában mind alépítményi teherbírásnövelési, mind fagyvédelmi szempontból, valamint magas talajvízszint esetén akár kapilláris megszakító rétegként is. Utóbbi rétegeket az ágyazatos felépítmény alatt is alkalmazzák.
A vasútépítési gyakorlat a jelenlegi állapot szerint erőteljesen a (megszokott és bevált) zúzottkő ágyazatos felépítményi struktúrát preferálja, aminek okát feltételezni lehet. A vasúttársaságok jelentős része az aláverő-kalapácsos, ágyazattömörítéses eljárást alkalmazza (pl. Plasser&Theurer, Matisa célgépekkel), ehhez viszont technológiailag a nagyobb szemcseméretű zúzottkő ágyazati anyagszerkezet szükséges. A technológia egyik hátrányaként meg lehet említeni, hogy az aláverő kalapácsok a tömörítés során erőteljesen törik, aprózzák a köveket, ezzel rövidítve a szükséges ágyazatrostálások ciklusidejét, növelve a karbantartási költségeket, egyben csökkentve az élettartamot. További hátránya, hogy a keresztaljak alatti betömörödött ágyazati gerendákat minden vágányszabályozás során fellazítják, így a vasúti pályás szakemberek által közismert jelenséggel lehet találkozni, miszerint a legtömörebb zúzottkő ágyazati réteg (az aljak alatt) és a legtökéletesebb vasúti pályageometria általában nem érhető el egyszerre. Az 1900-as évek közepéig-végéig a MÁV-nál is használták az ún. alázúzalékolási technológiát – tudomásunk szerint kizárólag lokális pályageometriai hibák kézi eszközökkel történő javítására –, amely ez utóbbi problémát igyekezett kiküszöbölni. Gépláncos megoldását (ún. stoneblower) hazánkban nem vezették be, viszont például a Network Railnél (Egyesült Királyság) jelenleg is alkalmazzák [3].
Abból az okból kifolyólag, hogy a már bevált szerkezeti kialakítás megváltoztatására alig van esély – hiszen a világ legnagyobb országai és vasúttársaságai is ezt alkalmazzák –, így elsődlegesen újító szándékkal a napjainkban használt megoldás optimalizálásával szeretnénk foglalkozni. Speciálisan az ágyazati szemcsék szerkezeti degradációja (a szemcsék aprózódása, törése, kopása), realisztikus és pontos mérési módszerek kifejlesztése, valamint a degradáció csökkentési lehetőségei a témakörhöz kapcsolódó kutatási területünk.

Szemcsék degradációjának vizsgálata

Amennyiben a zúzottkő ágyazati szemcsék degradációját szeretnénk tanulmányozni, első közelítésként azt kell meghatároznunk, hogy mit értünk jelen esetben degradáción, másodsorban pedig azt, hogy pontosan milyen hatások okozzák ezt a jelenséget.
A degradáción a vasúti zúzottkő ágyazat szemcséinek avulását, leépülését, részbeni vagy teljes tönkremenetelét értjük. Megkülönböztethetünk ezen belül szemcseaprózódást és kopást. Ezek általában egyszerre, bizonyos esetekben egymás hatását erősítve, máskor pedig csök­kentve, jelentkeznek. Üzemi körülmények között forgalmi terhelés, illetve kézi és gépi geometriai szabályozás között a nagyobb „kárral”, leépüléssel járó folyamat az aprózódás. Ebben az esetben kisebb-nagyobb darabok válnak le a szemcsékről – főként az éleikről, sarkaikról –, esetleg a kő több darabra törik szét. A kopás, ahogy az elnevezése is jelzi, a szemcsék egymáson, valamint például a vasúti alj alsó síkján történő kisebb-nagyobb elmozdulások hatására alakul ki. A szemcsékre gyakorolt térfogatváltoztató hatásnak a mértéke általában lényegesen kisebb, mint az aprózódásnak. A kopás „eredményterméke” főként kőpor.
Az 1. ábrán az ágyazati szennyeződések forrásait szemléltetjük a [4]-es irodalom alapján.

1. ábra. Ágyazati szennyeződések forrásai Észak-Amerikában [4]
1. ábra. Ágyazati szennyeződések forrásai Észak-Amerikában [4]


Az alábbiakban a szemcsék degra­dá­cióját kiváltó okokat vizsgáljuk meg. A vasúti zúzottkő ágyazatos pályákban (keresztaljas, kétblokkos magánaljas és hosszaljas kivitel alkalmazásakor viszont mindegyik esetén különböző mértékben) a zúzottkő ágyazat szemcséit statikus és dinamikus hatások is érik, amelyek közül a jelentősebbek az alábbiak:

  • önsúlyteher (a szemcsék degradációja szempontjából általában elhanyagolható mértékű, ellenben a szemcsék mechanikai feszültségállapotát természetesen befolyásolják);
  • járművek okozta erők, hatások közel tökéletes (geometriai és szerkezeti minőségű/állapotú) pályán;
  • járművek okozta erők, hatások geometriai és/vagy szerkezeti hibás pályán (vágánygeometriai hibák, elverődött sínvégek, kivölgyelődött hegesztések stb.);
  • természeti-környezeti hatások (fagyás, olvadás, napsütés, eső, szél stb.);
  • rendkívüli hatások (földrengés, vihar, stb.);
  • szintbeni útátjárókon a közúti járművek okozta erők, hatások;
  • építő- és karbantartó gépek aláverő kalapácsainak, illetve az ágyazatszél- és aljköztömörítő gépek, valamint dinamikus vágánystabilizátorok szemcseaprózó hatása.


A szemcsék degradációját a fent felsoroltak figyelembevételével – a teljesség igénye nélkül, valamint nem fontossági sorrendben – legfőbb mértékben a következő tényezők befolyásolják:

  • az ágyazat kőzetfizikai jellemzői (elsősorban az aprózódási és kopási ellenállás, fagyállóság – amelyek főként az alapkőzet anyagától, mechanikai ellenállásától függenek);
  • a szemcsék statikus és dinamikus terhelésének nagysága, feszültségállapota, amely az alábbiak függvénye
    – a vasúti vágányt érő statikus és dinamikus terhelések és hatások nagysága (függőleges, vízszintes hosszirányú, vízszintes keresztirányú) mind üzemszerű, mind rendkívüli körülmények (pl. síntörés, kivölgyelődött hegesztés, lapos kerék stb.) között – amelyek vonatkozásában különösen megemlítendő a pályán engedélyezett statikus tengelyterhelés, sebesség (a sebesség a dinamikus terhelés frekvenciáját is befolyásolja, ami szintén kritikus paraméter lehet);
    – a vasúti vágány rendszere (hagyományos hevederes illesztéses vagy hézagnélküli)–
    – sínek, sínleerősítések, sínillesztések tí­pusa, geometriai és mechanikai jellemzői, keresztaljak anyaga (aljak esetén ez is befolyásolhatja a felfekvési felületet, pl. vasbeton aljak, faaljak);
    – (kereszt)aljak tengelytávolsága és felfekvési felülete;
    – a vágány alátámasztási és vízszintes megtámasztási rugalmassága;
    – az ágyazati réteg vastagsága, az ágyazati rézsű hajlásszöge;
    – a szemcsék mérete, szemeloszlása (a kezdeti és üzem közbeni állapot is lényeges az apró és finom szemcsék mennyiségének szempontjából), a szemcsék alakja, lemezessége, „élesélűsége” (tört élű vagy kerek/legömbölyödött/lekopott) stb.;
    – a kövek felülete (száraz, nedves/vizes/olajos/vegyszeres);
    – a zúzottkő ágyazat tömörsége;
    – a zúzottkő anyag előállítási módja (bányából érkező új anyag vagy recycling technológiával készült);
    – alkalmaztak-e különleges technológiát a zúzottkő ágyazati réteg erősítésére (pl. geoműanyagos erősítés, ágyazatragasztás stb.), mechanikai jellemzőinek módosítására (TDA, neoballast stb.), az aljak és az ágyazati réteg, valamint az ágyazati réteg alsó felfekvési síkján az érintkezési felületének növelésére és a kialakuló feszültségek csökkentésére (aljpapucs és alágyazati szőnyeg);
    – stb.
  • a vasúti pályában a szerkezeti elemek, különösen az ágyazati réteg tervezett és „valós” élettartama (azaz, hogy ténylegesen mekkora forgalmi terhelést – tengelyáthaladást vagy átgördült elegytonnát – kell elviselniük). Itt fontos megemlíteni a karbantartási gyakorlatot is, ahol a kézi/gépi aláverések gyakorisága és az alkalmazott eszközök, gépek, gépláncok műszaki jellemzői is lényegesek, példaként megemlíthető, hogy az alázúzalékolás nem aprózza a köveket, a betömörödött ágyazati gerendát nem lazítja fel, viszont az ágyazati réteg szemeloszlását a finom szemcsék arányának növelésével rontja.

Fontosnak tartjuk megjegyezni, hogy a zúzottkő ágyazat igénybevételeire, feszültségállapotára alkalmazható klasszikus modellek (pl. Schramm-módszer) idealizálják az erőátadásokat. Nem veszik figyelembe a szemcsék különböző méretét, amorf alakját stb. A valóságban viszont a tényleges erőátadás a szemcsék között csúcs-csúcs, él-él és csúcs-él felületeken-vonalakon va­lósul meg. A merev testtel való érintkezéses kapcsolatban sem egyenletes feszültségeloszlás alakul ki (pl. acél, vasbeton anyagú keresztaljak, illetve merev alátámasztást adó ágyazatátvezetéses hidak). Belátható, hogy amennyiben ezekből a modellekből indulunk ki, vagy egyáltalán nem, vagy fals módon lehet csak figyelembe venni az ágyazati szemcsék aprózódását, kopását. (Természetesen az általuk alkalmazott statikus terhelés sem alkalmas a korrekt kalkulációkhoz.)
A 2. ábrán szemléltetjük a függőleges feszültség eloszlását a keresztalj alsó síkján a [4]-es irodalom alapján.

2. ábra. Függőleges feszültség eloszlása a keresztalj alsó síkján [4]
2. ábra. Függőleges feszültség eloszlása a keresztalj alsó síkján [4]

Zúzottkő ágyazatok anyagai

A zúzottkő ágyazatra a legmegfelelőbb anyagok a mélységi magmás kőzetek (gránit, bazalt, andezit, gabbró, porfír stb.), ezekből Magyarországon jellemzően a ba­zalt és az andezit érhető el megfelelő mennyiségben és minőségben erre a célra.
Mint minden mérnöki létesítmény építése esetén, a zúzottkő ágyazatos vasúti pályáknál is mindenhol az adott országban elérhető anyagokat célszerű elsődlegesen alkalmazni, figyelembe véve a szállítási (és esetlegesen felmerülő import) költségeket – természetesen igazodva az adott országban érvényes műszaki szabályozásokhoz. Ez utóbbit optimális esetben összehangolják a létesítmény teljes élettartamára számított összes felmerülő költségével (LCC, azaz life cycle costs), az elérhető alapanyagok típusával, minőségével – és természetesen a kialakítandó létesítmény főbb paramétereivel (jelen esetben a vágány rendszere, tervezési sebesség, tengelyterhelés stb.).



Magyarországon a vasúti zúzottkő ágyazatra – mint építőanyagra – az MSZ EN 13450:2003 [5] termékszabvány vonatkozik (2013-ban megjelent egy korszerűsített, új szabvány, amelyet néhány évvel a bevezetését követően visszavontak). 2019-ben vagy 2020-ban várható egy újabb EN 13450-es szabvány megjelenése. A jelenleg érvényes termékszabvány több minősítési paramétert és a vonatkozó vizsgálati szabványokat ad meg. Ilyen például az MSZ EN 933-as szabványsorozat is, amely a kőanyaghalmazok geometriai vizsgálati módszereit tárgyalja, vagy az MSZ EN 1097 szabványsorozat, amely a kőanyaghalmazok mechanikai és fizikai tulajdonságainak vizsgálatát ismerteti. Sem az MSZ EN 13450, sem a vizsgálati szabványok nem határozzák meg az európai uniós tagországok által a vonatkozó paraméterekre alkalmazandó határértékeket, kizárólag azt adják meg, hogy az adott jellemzőt hogyan kell szabványos módon meghatározni (pl. laboratóriumi vizsgálattal) – lásd vizsgálati szabványok –, valamint azt, hogy az adott mért érték alapján melyik kategóriába kell sorolni a terméket – lásd termékszabvány. Hazánkban a vasúti zúzottkő ágyazatra vonatkozó – jelenleg érvényes – nemzeti alkalmazási dokumentum (ún. NAD) a MÁV által 2010-ben kiadott 102345/1995/PHMSZ 4. számú módosítása. Ebben rögzítették, hogy a termékszabványban definiált szemeloszlási kategóriák szerinti vasúti zúzottkő anyagok (31,5/50 A, 31,5/50 B, 31,5/50 C, 31,5/63 D, 31,5/63 E, valamint 31,5/63 F) milyen esetben használhatók. Egyben sebességi intervallumokba is besorolták az alkalmazható kőzetfizikai jellemzőjű zúzottköveket (LARB16, LARB20, LARB24, …, MDERB11, MDERB15 stb.).
Az ágyazati kőanyag degradációja szempontjából az MSZ EN 1097-1:2012 (a kopásállóság vizsgálata [mikro-Deval]) és az MSZ EN 1097-2:2010 (az aprózódással szembeni ellenállás meghatározása) szabványok a mértékadók. Ezek a szabványok olyan általános laboratóriumi vizsgálatot és a hozzájuk kapcsolódó paramétereket határoznak meg, amelyek – ahogy a címükben is szerepel – kőanyagokra vonatkoznak, azaz nem speciáli­san vasúti zúzottkő ágyazati kőanyagra (a mikro-Deval esetében valamilyen szinten „vasútspecifikus” az előírás, mert létezik nem „mikro” Deval vizsgálat is). Ugyanezeket a szabványokat lehet alkalmazni az útépítési kőanyagokhoz az MSZ EN 13043:2003 [6], az MSZ EN 13242:2002+A1:2008 [7] szerint vagy akár betonokhoz alkalmazott adalékanyagokhoz – amennyiben azok ilyen igénybevételnek vannak kitéve – az MSZ EN 12620:2002+A1:2008 [8] alapján.
Ha alaposan megvizsgáljuk a Los Angeles aprózódási ellenállási és a mikro-Deval kopásállósági vizsgálatokat és azok speciális jellemzőit, megállapítható, hogy a jelen cikkben is felsorolt, a szemcsék degradációját befolyásoló tényezők jelentős részét azokkal nem lehetséges figyelembe venni. Ez nem meglepő, hiszen teljesen más igénybevétel éri ugyanazt a szemcsét, amennyiben az egy vasúti vágány alatt (vagy akár a keresztaljak között) van, mint az autópálya aszfalt anyagú kopó-/kötő-/alaprétegében vagy vasbeton pályalemezében, vagy ipari, targoncázott betonpadlóban, vagy csak gyalogosok számára nyitott betonjárdában, esetleg egy vasbeton oszlopban helyezkedik el. Az „univerzális” vizsgálati szabvány sajnos ezt a problémát nem tudja kezelni, aminek az az eredménye, hogy ezek a szabványok főként a vonatkozó termékek gyártásánál, előállításánál játszanak kiemelkedő szerepet, azaz minőségbiztosítási szempontból a gyártási termékállandóság biztosíthatósága miatt fontosak.
Sajnálatos módon a valós körülményekhez és igénybevételekhez (jobban) igazodó kőzetfizikai vizsgálatok (és az ezekhez kapcsolódó termékminősítések) jelenleg nem állnak rendelkezésre szabványosított módon, kizárólag cikkekből, szakkönyvekből, kutatási anyagokból lehet ezekről és a kutatás-fejlesztés mai állásáról tájékozódni.
Korábbi cikkeinkben, illetve konferencia-előadásainkban [9] 2014 óta beszámoltunk egy olyan laboratóriumi vizsgálati módszerről – amelyhez időközben már több saját módosítási-finomítási javaslatot is megfogalmaztunk –, amely ezt a hiányt igyekszik pótolni.

Szabályozások határértékei

Cikkünknek nem célja, hogy az egyes vasúttársaságoknál előírt Los Angeles és mikro-Deval határértékeket kifogásolja, felülbírálja, illetve az értékek okait, hátterét keresse, viszont összehasonlításképpen érdekes képet adhatnak ezek az adatok.
A MÁV-nál jelenleg érvényes szabályozást a 102345/1995/PHMSZ 4. módosítása foglalja össze, ezt a Sínek Világa 2015/3. számában megjelent cikkünkben is bemutattuk.
Néhány külföldi példa az alábbiakban olvasható:

  • az LARB határértékek Kanadában max. 20%, Ausztráliában max. 25%, Brazíliában max. 40%, míg Indiában max. 25-35%, amelyek jelentősen eltérnek az Európában alkalmazottól: például Ausztriában az LARB-re 13%, MDERB-re 10%-ot határoztak meg;
  • Finnországban az LARB max. 12-20% (R1/R2 kategóriától R4-ig), az MDERB-t 45 ezer t-nként ellenőrizni kell, viszont nem számít bele az osztályozásba;
  • az Egyesült Államok előírásai szerint a durva aggregátumok kopása jellemzően legfeljebb 25 és 55% közötti, a legtöbb állam 40 vagy 45% határértéket használ, ezeket állami vagy helyi „ügynökségek” határozzák meg;
  • Kínában a mikro-Deval határérték 13 és 30% közötti értékek között változik (szemcsés rétegekre 30%). Szabvány határozza meg az egyes határértékek kategóriák szerinti alkalmazását.

A vasúti ágyazat anyagára vonatkozó előírásokkal kapcsolatban érdekességképpen megjegyezzük, hogy például Indiában milyen kőzetanyagok alkalmazását engedik meg [10]:

  • homok (öntöttvas keresztaljak esetén megfelelő, nagysebességű pályákban nem alkalmazható);
  • vörös agyag (főként alágyazati réteghez, új kivitelezéseknél a vágány építésekor kezdeti ágyazati anyagként használják);
  • szénpor vagy szénsalak (általában rendező pályaudvarokon alkalmazzák, helyreállítási munkákhoz is alkalmas, pl. árvizek után vagy vészhelyzetek esetén nem használható nagysebességű pályákban);
  • zúzottkő (a szerkezete a vasútépítő és karbantartó gépek technológiájához jól illeszkedik, nagysebességű vasúti pályákban is alkalmazható);
  • téglatörmelék, kavics, bányakavics, mészkő, talaj (csak speciális esetekben használhatók).

A fentiek alapján – azaz, hogy a nemzeti szabályozást az adott ország saját „ásványi” vagyona (esetlegesen gazdasági helyzete) figyelembevételével kell megalkotni – látható, hogy India alkalmazkodott az országban könnyen beszerezhető anyagokhoz, viszont minden esetben megadják az adott anyag alkalmazásának előnyét, hátrányát, illetve azt, hogy ezek milyen feltételekkel használhatók [10].

Laboratóriumi vizsgálatok

A korábbi cikkünkben mindösszesen nyolc paramétert definiáltunk, ezeknek adtuk meg a mérésekből kalkulált értékeiket és mutattuk be a fárasztási ciklusszám változása szerinti alakulásukat. Ezek mellett két további paramétert érdemes megemlíteni:
– BR [11],
– CC arány.

3. ábra. A BR paraméter számítása [8]
3. ábra. A BR paraméter számítása [8]


A BR értéket a szemeloszlási görbe meghatározott referenciaterület arányaiból kell számítani. E paraméter esetében nincs műszaki javaslat a ballaszt újrarostálására. A számítása az alábbi képlet és a 3. ábrán látható területi eloszlás alapján történik (az A, C és D paramétereket az ábra szerinti területekből lehet számítani):
BR = A/(A+C+D)
A CC a CU egyenlőtlenségi mutatóhoz hasonlít, számításában más százalékos értékeknél leolvasott értékek kellenek. A képlete az alábbi:



Ahol a d30 a részecskék mérete a szemeloszlási görbe 30%-ához viszonyítva (a d60 és a d10 hasonlóan értelmezendő).  Az elmúlt időszakban kétféle kőzethalmazt terheltünk acélládában, dinamikus pulzátorral vizsgáltuk ezeket, 5-5 millió ciklusos fárasztással. A vizsgálat bemutatását a megelőző cikkeinkben összefoglaltuk, arról az [1]-ben is beszámoltunk.
Kiszámoltuk a nemzetközi irodalomkutatásunk során megismert paramétereket a mintákra, és korrelációkat kerestünk a fárasztási ciklusszámok és a számolt paraméterek között. 10 számolt paraméter közül csupán 4 paraméter esetében volt lineáris vagy másodfokú korreláció. A vizsgálat során számos szempontot nem tudtunk figyelembe venni (ágyazati szennyeződés, karbantartások, rostálás, vizesedés-fagyás hatása).
A paraméterek korrelációinak hiánya miatt 2019-ben új irányokban indultunk el a vasúti zúzottkő ágyazati anyagok degradációhoz kapcsolódó laboratóriumi vizsgálatokkal:

  • 3D lézerszkenneres mérések optikai méréstechnológiai (GOM) alkalmazással;
  • CT röntgenmérések;
  • diszkrét elemes modellezés (DEM) (nem laboratóriumi vizsgálat, de ahhoz szorosan kapcsolódik; jelen cikkben csak említést teszünk róla, mert a Sínek Világa későbbi számában külön cikket tervezünk megjelentetni ebben a témában).

A laboratóriumi méréseinkhez a Colas Északkő szobi és tállyai bányájából származó 31,5/50 mm-es B típusú, új zúzottkövet használtunk.
Ahogy a korábbi laboratóriumi méréseinknél, úgy a jelen kutatási ciklusban is főként az aprózódással foglalkozunk, a lekopott por mértéke elhanyagolhatóan csekély a vizsgálatainknál. Érdekességképpen megemlíthető, hogy Czinder Balázs és Török Ákos publikációjában [12] az MSZ EN 1097-1 szabványtól eltérően – annál jelentősen több fordulattal, ami kb. több százezres nagyságrendet jelent – vizsgáltak olyan andezit anyagú kőzeteket, amelyekből vasúti ágyazatot is előállítanak. Volt olyan kőzetminta a Colas Északkő recski bányájából, amely 1,2 milliónyi fordulat után (ez a szabványos vizsgálat százszorosa) sem érte el a teljes tömegveszteséget. A korábban írtak alapján megjegyezzük, hogy vasúti ágyazatnál – az ilyen mértékű – koptató igénybevétel általában nem alakul ki, viszont összehasonlításképpen érdekes eredménykülönbségek adódtak a magyarországi egyes andezitek kopásállóságára.



A 3D lézerszkenneres és CT röntgenmérések elvégzésében a Széchenyi István Egyetem Audi Hungária Járműmérnöki Kar Anyagtudományi és Technológiai Tanszék Anyagvizsgáló Laboratóriumának munkatársai (Prof. Dr. Zsoldos Ibolya tanszékvezető egyetemi tanár, Dr. Kozma István egyetemi tanársegéd és Fekete Imre tanszéki mérnök) segítettek nekünk, ahol ATOS 3D digitális „letapogató” lézerszkennert, valamint 450 kV-os csővel működő Yxilon Modular CT röntgenberendezést használtunk a vizsgálatokhoz. Ezek az eszközök önmagukban nem elegendőek a vasúti zúzottkőszemcsék aprózódásának megállapítására, mert sem statikus, sem dinamikus terhelés kifejtésére nem képesek. Az alkalmazásukban mégis az az újdonság és a különlegesség, hogy a hagyományos módokon végzett terheléses vizsgálatok kiegészítéseként hatékonyan használhatók magas pontosságú (a minta méretétől és a felvétel felbontásától függően akár század milliméteres), 3D digitális felületmodellek (mindkét módszer alkalmas rá), valamint 3D digitális térfogati modellek (csak CT röntgennel) létrehozására. A modelleket az eszközökhöz tartozó gyári szoftverekben vagy akár ún. STL formátumba kimentve GOM Inspect alkalmazásban lehet kiértékelni. A GOM ATOS 3D eszköz a 4. ábrán látható.

4. ábra. A GOM ATOS 3D lézerszkenner
4. ábra. A GOM ATOS 3D lézerszkenner


A felületmodellek háromszögekből állnak, a háromszögek mérete (csomópontok távolsága, azaz a háromszögek élhossza) a felvétel pontosságának függvényében változtatható. Egy kőzetszemcsét közelről az 5. ábrán szemléltetünk.
A felvételeket készítő CT röntgenkészülék a behelyezett mintával a 6. ábrán látható.
A kiértékelőszoftverekben a terhelési lépcsőket-fokozatokat külön digitális állományként kezelhettük, azonos referenciapontokat használva az egymáshoz képest történt változások követésére.

5. ábra. Egy kőzetszemcse 3D képe (felületmodellje) a globális és lokális koordináta-rendszerrel
5. ábra. Egy kőzetszemcse 3D képe (felületmodellje) a globális és lokális koordináta-rendszerrel

Ezt megtehettük akár szemcsénként, akár szemcsehalmazonként is (erre csak a CT röntgenberendezés alkalmas). A változások természetesen lehetnek:

  • x, y, z irányú globális elmozdulások (a 3D lézerszkenner csak külső referen­ci­apontokkal tudná ezt megadni, viszonylag bonyolult módon, mert az egyedi szemcséket is több nézőpontból le kell tapogatni, amihez forgatás szükséges – viszont így az aprózódás csak az eredeti, nagy szemcséhez viszonyítva lenne megadható, a letört darabokat nehéz lenne kezelni);
  • ϕ, θ, ω szögelfordulások (lásd az előző pontban a zárójeles megjegyzést);
  • x, y, z irányú térfogatváltozások (a 3D lézerszkennernél az egyedi szemcsékre helyezett vagy külső referenciapontok is segíthetnek az egységes koordináta-rendszer biztosításában; a CT röntgennél általában külső referenciapontokat lehet a legkönnyebben alkalmazni – azaz például egy olyan „tégelyt” (és a tégelyre/tégelybe elhelyezett CT röntgen által észlelhető pontokat), amelyben a szemcsék-szemcsehalmazok terhelését végezzük);
  • aprózódásnál érdekes lehet a leváló szemcsedarabok x, y, z irányú globális és ξ, η, ζ lokális elmozdulása is (szintén csak a CT röntgennél megoldható a figyelembevételük), lásd 5. ábra.

A tudomány jelenlegi állása mellett, tudomásunk szerint, nincs olyan megoldás, amely a terheléses (akár statikus, akár dinamikus) laboratóriumi vizsgálat alatt folyamatosan CT röntgenfelvételeket készít. Egy-egy CT röntgenfelvétel elkészítése (a szükséges pontosságú felbontással) nagyjából 20-25 percet vesz igénybe, így könnyen belátható, hogy a dinamikus mérés minden egyes fárasztási ciklusának (folyamatos) regisztrálására nem megoldható, illetve túl hosszadalmas lenne. A 3D lézerszkenneres technológia akár alkalmazható lenne dinamikus mérésekhez a nagysebességű kamerával, viszont – a későbbiekben ismertetendő – alapproblémán nem változtat (egy szemcse vizsgálata jóval egyszerűbb egy teljes szemcsehalmaznál). Ezen okok miatt bizonyos terhelési lépcsőnként vizsgáljuk a szemcsék-szemcsehalmazok pontos degradációit, ennek megfelelően kell elvégezni a CT röntgen és/vagy 3D lézerszkenneres méréseket, melyek digitális felvételei kiértékelhetők, egymással összehasonlíthatók. Természetesen ezekhez egy ún. „null” vagy kezdeti állapot regisztrálása is mindenképpen fontos, amihez elsődlegesen viszonyítani lehet a mért eltéréseket. Megjegyezzük, hogy a szemcsehalmaz mérete is korlátozott a CT röntgenméréseknél az átvilágíthatóság miatt, valamint a befoglaló „tégely” anyaga is mértékadó – mind a terhelhetősége, mind az átvilágíthatósága okán.

6. ábra. A CT (röntgen)készülék
6. ábra. A CT (röntgen)készülék


A vizsgálataink során azt tapasztaltuk, hogy a 3D lézerszkenneres módszer főként egyedi szemcsék külön-külön mérésére alkalmas, viszont csak felületmodell előállítására képes (természetesen a térfogatváltozásokat így is lehet mérni a 3D felületekből számolt térfogatkülönbségekből).
A 7. és 8. ábrán bemutatunk egy példát erre vonatkozóan: szemléltetjük, hogy ha egy 170 mm átmérőjű és 150 mm magas acélmozsárba helyezünk egy-egy követ, egytengelyű (függőleges) statikus erővel terhelve őket (ZD–40 típusú szakítógéppel), milyen anomáliákkal kellett szembesülnünk. A vasúti zúzottkő ágyazat amorf, egymástól eltérő alakú, méretű, makroszerkezetileg jellemzően homogén, viszont mikroszerkezetileg inhomogén kövekből áll.

7. ábra. Roncsolás ZD–40 törőgéppel
7. ábra. Roncsolás ZD–40 törőgéppel
8. ábra. Összetört kőzetszemcse
8. ábra. Összetört kőzetszemcse

Sajnos ennek a módszernek az a hátránya, hogy a valóságban egyetlen szemcse legfeljebb egy nagyobb halmazból kiragadva fordul elő, amelynél a valós feszültségállapot laboratóriumi modellezése meglehetősen nehéz. (Természetesen az sem közömbös, hogy a halmaz [ágyazati réteg] melyik részéből vesszük ki a szemcsét.) Ezt a problémát úgy lehetne megoldani, hogy a laboratóriumban is egy nagyobb halmaz bizonyos – pontosan regisztrált – részeire helyeznénk el az előre megjelölt, és terhelés előtt 3D lézerszkennerrel felmért szemcséket. A szemcséket érdemes különböző színű festékekkel is befesteni a későbbi könnyebb azonosíthatóság miatt. Ahhoz, hogy az egyes kövek koordináta-rendszere az összehasonlításnál megegyezzen, a szemcsékre referenciapontokat – minimum három darabot, de általában 4-8 ilyen pont is szükséges a méret és az alak miatt – kell ragasztani, ami sérülhet a terhelés során. A kiértékelőszoftverek (a GOM Inspect is) képesek arra, hogy felületeket illesszenek egymásra digitális optimalizációs eljárással, viszont ez nagyobb sérülés, letörés, összetörés esetén nem vezet megfelelő és kellően pontos eredményre. Az is egy lehetséges megoldás, hogy egy keretbe helyezzük a szemcséket a szkennelés idejére, amely keret referenciapontokkal van ellátva, viszont ennek az a hátránya, hogy a szemcse terhelés utáni pontos behelyezése – figyelembe véve a kisebb-nagyobb sérüléseket – bonyolult, nehezen vagy egyáltalán nem kivitelezhető. További probléma, hogy ebben az esetben – vonatkozik ez az acél (vagy más anyagú) mozsárban egyetlen darab szemcse statikus (vagy igény esetén dinamikus) egyirányú nyomóvizsgálatára, valamint a halmazba elhelyezett, megjelölt szemcsék statikus/dinamikus (fárasztásos) mérésére is – kizárólag 1 ciklusú terhelés valósítható meg.


Ennek az az oka, hogy a mozsárban nem lehet szkennelni a köveket (a szkenneléshez mindenképpen kiemelve forgatni kell azokat). Ez ugyanúgy igaz a halmazba elhelyezett megjelölt szemcsékre is. Amennyiben kivesszük a mozsárból a szemcsét vagy megbontjuk a halmazt – a második szkennelés miatt (az első a terhelés/beépítés előtt szükséges) –, az eredeti állapot sérül, a terhelés ismételt folytatása már nem igazodik az első terhelés kiinduló és végső állapotához, azaz a kapott eredmények nem tükrözik a mérendő teljes folyamatot. (Megjegyezzük, hogy amennyiben ez nem feltétel, a mérés elvégezhető.)
Az acélmozsárban vizsgálva az ágyazati szemcséket, egymástól jelentősen eltérő mérési eredményeket kaptunk az erő-elmozdulás grafikonokon, ami várható volt. A szemcsék eltérő mérete, formája jelentősen befolyásolta a méréseket. Ez a különbség természetesen abban is jelentkezne, ha a köveket más-más pozícióban helyeznénk el a mozsárban, illetve az is mértékadó lehet, hogy a statikus mérést milyen terhelési gyorsasággal végezzük el.

A CT röntgenvizsgálatok sajátosságai

Az előzőekben részletezett problémák miatt az egyetlen szemcsével történő laboratóriumi vizsgálatokat, valamint a 3D lézerszkenneres méréseket nem folytattuk. (Lehetőség lenne az egyedi szemcsék CT röntgenezéses vizsgálatára is, de a nehézségek itt is jelentkeznének.)
A lehetséges kutatási irányt a CT röntgenvizsgálatok adták számunkra, viszont nem egyedi szemcsékre, hanem szemcsehalmazokra vonatkozóan. Ez a módszer mind statikus, mind dinamikus fárasztó terhelésekre is használható, ráadásul megoldottuk a több lépcsőben történő CT röntgenes mérést is (a későbbiekben ismertetjük), és ez komoly kutatási pontenciált jelent a jövőre nézve.
A mérésekhez egy 160 mm külső átmérőjű, 10 mm falvastagságú, kb. 300-400 mm magasságú KPE vízcsövet (kemény polietilén, angolul HDPE, azaz high-­density polyethylene) használtunk a gyári csőelzáró „kupakjával”, ami a csőre hegesztve min. 10 baros víznyomást el tud viselni. A kupak külső síkja (véglapja) merőleges a cső hossztengelyére, így a terheléses és a CT röntgenmérések közben is stabilan megállt függőlegesen a cső a kupakjára állítva.
A csőbe belülről (alulra, a palástra és a vizsgált zúzottkő szemcsék tetejére is a terhelőlap alá) 1200 g/m2-es geotextília-darabot (Viacon GEO PP TC 1200 típus) tettünk a KPE-cső belső felülete és a zúzottkő szemcsék, valamint az acél terhelőlap és a szemcsék közötti súrlódás csökkentése érdekében. (Próbaméréseinknél geotextília-réteg nélkül is megkíséreltük a terheléseket, és azt tapasztaltuk, hogy a szemcsék élei-csúcsai jelentősen benyomódnak a KPE-csőbe, ami torzítja a mérési eredményeket.) A terhelőlap egy 120 mm átmérőjű, kb. 40 mm vastag, 3289 g-os acéltárcsa, amelyen keresztül a szemcsehalmazra rá tudtuk adni az egytengelyű (függőleges) statikus terhelést. A 9. és 10. ábrákon mutatjuk be a geotextíliával kibélelt KPE-csövet egy bekészített szemcsehalmazzal, valamint a ZD–40 szakítógéppel történő terhelést.

9. ábra. A geotextíliával kibélelt KPE-cső a szemcsehalmazzal
9. ábra. A geotextíliával kibélelt KPE-cső a szemcsehalmazzal
10. ábra. A vizsgálati minta a ZD–40 törőgépben
10. ábra. A vizsgálati minta a ZD–40 törőgépben

A KPE-csövet kb. 140-160 mm magasságig lehetett megtölteni vasúti zúzottkővel, aminek a CT röntgenmérések szabtak korlátot, ugyanis az átvilágítandó minta magassága optimális esetben megegyezik a szélességével (jelen esetben a cső belső átmérőjével). Tudatában vagyunk annak, hogy az így kialakított mérési „modell” nem felel meg a valóságos igénybevételeknek, viszont – véleményünk szerint – egy jó irány a fejlesztésre (dinamikus fárasztómérések későbbi figyelembevétele stb.).
Ezzel a módszerrel egyszerre akár több szemcse degradációja megfigyelhető nagy pontosságú digitális 3D alakfelvétellel, igény szerint szemcsénként vagy szemcsehalmazként egyben is kezelhetők a mérések – így a szemcsék pontos pozíciója és a fallal/másik szemcsékkel való érintkezése alapján is lehet megállapításokat tenni. Egyelőre csak kezdeti fázisban tart a kutatásunk, de az eddigi eredmények alapján biztató a folytatás.

A CT röntgenmérések vizsgálati paraméterei, metódusa, eredményei

A statikus terheléses méréseket a ZD–40 szakítógéppel három-, illetve egylépcsős terheléssel végeztük az alábbiak szerint.
A háromlépcsős terhelésnél:
  1. Az összes kő egyenkénti mosása, szárítása;
  2. Minden kő azonosítóval történő ellátása (számozása);
  3. A kövek mérlegelése, fotózása;
  4. A kövek KPE-csőbe történő egyenkénti behelyezése, közben fényképek készítése;
  5. A megtöltött KPE-cső CT röntgenes mérése (kezdeti, 1. modell);
  6. ZD–40 szakítógéppel történő statikus egytengelyű (függőleges) terhelés 300 kPa nyomófeszültségig;
  7. Újabb CT röntgenfelvétel (2. modell);
  8. ZD–40 szakítógéppel történő statikus egytengelyű (függőleges) terhelés, de 600 kPa nyomófeszültségig terhelve;
  9. Újabb CT röntgenfelvétel (3. modell);
10. ZD–40 szakítógéppel történő statikus egytengelyű (függőleges) terhelés, de 900 kPa nyomófeszültségig terhelve;
11. Újabb CT röntgenfelvétel (4. modell);
12. Minden szemcse tömegmérése a terheléssorozatot követően (fényképezéssel);
13. Az összes kő egyenkénti mosása, szárítása újra;
14. A kövek (és esetleges törmelék) mérlegelése, fotózása.



A tömegmérés, valamint a fényképezés a 2. pont szerinti azonosítók szerint regisztrálva történt.
A 4. pont esetében azt is rögzítettük, hogy a köveket melyik sorban helyeztük el. A sorok számozását minden esetben a KPE-cső aljáról kezdtük 1-es számmal. Az egyes mintáknál 5-7 sornyi kő fért el a kb. 150 mm magassági korláton belül (ez a kövek méretétől és alakjától is függött). A kövek aprózódását a sorokban lévő elhelyezkedés szerint is értékeltük.
Az egylépcsős terhelés a háromlépcsőstől annyiban különbözött, hogy a fenti listában a 6. pontnál nem 300 kPa, hanem 1800 kPa feszültségig terheltük a mintát, valamint a 8–11. pontok kimaradtak.
Megjegyezzük, hogy különösen kell ügyelni arra, hogy a terheléses mérés és a CT röntgenfelvételek készítése között, a KPE-csövet nagyon óvatosan kell szállítani (a két labor 50-100 m-re van egymástól). A kézben szállítás és a ki-be helyezés során figyelni kellett arra, hogy ne mozdulhassanak el a kövek a KPE-csőben.
Az Yxilon Modular CT röntgenberendezés 450 kV-os csövét használva a műszer 1260 db függőleges metszetű képet készített a KPE-csöves mintáinkról, azaz kb. 0,286°-onként (360°/1260) készült 1-1 metszet, amiből 3D térfogati modellt állít össze a berendezés szoftvere. A CT-­berendezés alapadatai korábbi cikkeinkben megtalálhatók [9].
A CT röntgenmérésekről készült fotót mutat a 11. ábra.

11. ábra. Előkép a CT röntgenkészülékkel történt mérés közben a szoftver kezelő­felületéről
11. ábra. Előkép a CT röntgenkészülékkel történt mérés közben a szoftver kezelő­felületéről


A 12. és 13. ábrákon láthatók a CT-­berendezés szoftvere által készített felvételek. A 12. ábrán a háromlépcsős terhelés utáni állapotokat figyelhetjük meg (balról jobbra haladva: 0, 300, 600 és 900 kPa terhelés után), míg a 13. ábrán az egylépcsős terhelést mutatjuk be (balról jobbra haladva: 0 és 1800 kPa terhelés után).
A minták terhelése során arra jutottunk, hogy a terhelési sebességet fontos tényezőként kell figyelembe venni a jövőben.

12. ábra. A háromlépcsős terhelés felvételei (balról jobbra: 0, 300, 600 és 900 kPa terhelés után)
12. ábra. A háromlépcsős terhelés felvételei (balról jobbra: 0, 300, 600 és 900 kPa terhelés után)

13. ábra. Az egylépcsős terhelés felvételei (balról jobbra: 0 és 1800 kPa terhelés után)
13. ábra. Az egylépcsős terhelés felvételei (balról jobbra: 0 és 1800 kPa terhelés után)

Megállapítások és problémák

A megelőző publikációinkban releváns korrelációkat mutattunk be grafikonokon a paraméterek és a fárasztási ciklusszám függvényében [9]. Az acélládában végzett laboratóriumi vizsgálat időigényessége miatt kezdtük el más módszerek kidolgozását – mint a CT röntgenberendezés bevonása –, mivel az 5 millió ciklusos fárasztás egy mintán mindent beleszámolva 1-1,5 hónapot vett igénybe, és minden fárasztási vizsgálathoz „új” zúzottkövet használtunk fel (100 000, 200 000, 500 000… stb. ciklusszámnál).



Problémát jelentett ezen túlmenően, hogy a rétegrendben legalul elhelyezkedő extrudált polisztirol (XSP) réteg jelentősen deformálódott a dinamikus erőhatások miatt. Ezt a réteget, ha egy végtelenül merevnek tekinthető anyaggal kicseréljük, feltételezhetően jobb eredményeket kaphatunk. (Természetesen ideális a szemcsés kiegészítő réteg alkalmazása lenne.)
A 14. és 15. ábrán láthatók a három- és az egylépcsős vizsgálat terhelési görbéi. Megjegyezzük, hogy az összenyomódás-értékekben a zúzottkő minták alá elhelyezett egyrétegnyi 1200 g/m2-es geotextília összenyomódása is megjelenik, így a grafikonok meredekségéből számítható összenyomódási modulus nem kizárólag a zúzottkő mintára vonatkozik.

14. ábra. Terhelési görbék (háromlépcsős vizsgálat, a 4. sorozat mérési adatai)
14. ábra. Terhelési görbék (háromlépcsős vizsgálat, a 4. sorozat mérési adatai)
15. ábra. Terhelési görbék (egylépcsős vizsgálat, a 6. sorozat mérési adatai)
15. ábra. Terhelési görbék (egylépcsős vizsgálat, a 6. sorozat mérési adatai)


A terhelési görbéken látható, hogy a görbék nem egyenletesen érik el a maxi­mális erőértéket, hanem bizonyos helyeken ugrásszerűen „lefelé mozognak”. Ezeken a helyeken az ágyazati szemcsék elmozdulnak, „helyezkednek” és/vagy eltörnek (darabok törnek le). A terhelés növekedésével és a törések bekövetkezésével a görbe egyre meredekebbé válik.
A 16. és 17. ábrán szerepelnek azok a diagramok, melyek a kőzetminták degradációját (ahogy korábban említettük, a kopás figyelmen kívül hagyható) mutatják meg a törőgépes terhelés során. A 16. ábrán láthatók a minták teljesen letört tömegszázalékos arányai (por állagú és letört szemcsedarabok), a 17. ábrán pedig a kőzetminták soronkénti törési arányát szemléltetjük.
Az eredmények jól mutatják, hogy a minták esetében a legtöbb letört szemcsedarab a legalsó sor feletti 2. és 3. sorban jelenik meg (azaz a halmaz alsó és középső része törik leginkább). Ezek feltételezhetően függnek a minta magasságától és szélességétől, a csőbe helyezett kövek számától, alakjától és éles sarkaik számától. A részletes vizsgálatokat, valamint az ezekből levonható következtetéseket a jövőbeni kutatásunkban tudjuk elvégezni, illetve megfogalmazni.
A kapott eredmények alapján megállapítható, hogy egyik mintában sem jelentkezik a terhelések után 4%-nál nagyobb mértékű letört-aprózódott szemcsearány, tömegszázalékban értve.

16. ábra. A vizsgálati minták szemcséinek degradációja a mintákon belüli sorok függvényében (háromlépcsős vizsgálat)
16. ábra. A vizsgálati minták szemcséinek degradációja a mintákon belüli sorok függvényében (háromlépcsős vizsgálat)
17. ábra. A vizsgálati minták degradációja százalékos arányban (egylépcsős vizsgálatok: 3., 5. és 6. sorozatok, háromlépcsős vizsgálat: 1., 2. és 4. sorozatok)
17. ábra. A vizsgálati minták degradációja százalékos arányban (egylépcsős vizsgálatok: 3., 5. és 6. sorozatok, háromlépcsős vizsgálat: 1., 2. és 4. sorozatok)


A teszt során azt tapasztaltuk, hogy a KPE-csőben a kőzetszemcsék jelentősen elmozdultak (főleg a halmaz tetején). Ennek egyik oka, hogy a szemcséket csak kézzel helyeztük el a csőben, külön tömörítés nem történt. A szemcsék mozgásának részletes elemzése szintén távlati célunk.

Gyakorlati szempont és távlati cél

Legfontosabb célunk, hogy a jelenleg alkalmazott vasúti zúzottkő ágyazat aprózódásra vonatkozó szabályozást kiegészítsük új mérési módszerekkel. Mivel az eredeti szabványosított eljárások ugyan tökéletesen alkalmasak a kőzetek mechanikai és kőzetfizikai tulajdonságainak megismerésére, de sajnos nem a valóságban előforduló hatások figyelembevételével történik az igénybevétel. Távlati célunk, hogy a kifejlesztett és új módszeren alapuló laboratóriumi vizsgálat alapul szolgáljon egy jövőbeli utasításhoz, szabványhoz.

Következtetések, jövőbeli kitekintés

Célunk még, hogy az újonnan kifejlesztett laboratóriumi vizsgálati módszer időigényét csökkenteni lehessen. A kutatásunkban ötvöztük az egyirányú (egytengelyű) nyomóvizsgálatot CT röntgen­be­rendezéses mérés és a gyári szoftveres háttere segítségével végzett háromdimenziós képfeldolgozással (3D-s alakfelvételek). A mérési módszer bizonyíthatóan alkalmas erre a feladatra, a mért adatok (3D-s modellek) értékelését kell még megfelelő módon kidolgozni.
A fentiek mellett vasúti pályás méréseket tervezünk a magyarországi vasútvonalakon, ahol a zúzottkövek valóságban tapasztalható aprózódását lehetne figyelemmel kísérni. Ezzel kapcsolatos konkrét kezdési időpont jelen állás szerint még nem áll rendelkezésünkre.
A laboratóriumi vizsgálatok során minden esetben idealizált körülmények között dolgoztunk. Például ez is az egyik oka annak, hogy a korábbi vizsgálati ciklusban a várható aprózódástól jelentősen eltérő mérési eredményeket kaptunk (a számított rostálási ciklusidők nagyban eltértek a valóságban, a mérnöki gyakorlatban alkalmazottól, megszokottól és a várható nagyságrendtől). Ehhez azt is meg kell említeni, hogy kizárólag egyféle terhelést, igénybevételt alkalmaztunk a kövek dinamikus fárasztóberendezéssel előidézett aprózódásának vizsgálata során. (A KPE-csöves méréseknél a közeljövőben szintén tervezünk dinamikus terheléses vizsgálatot az eddig elvégzett statikus nyomóvizsgálatok mellett.) A kövek nagymértékű törését, aprózódását az FKG gépláncok szabályozógépein lévő aláverő kalapácsok okozzák, így a jövőben elkerülhetetlen lesz, hogy ezt a hatást is figyelembe vegyük a vizsgálatainknál. Ugyanúgy nem szabad figyelmen kívül hagyni a friss, új kövek rakodásakor, szállításakor kialakuló degradációs folyamatokat sem, ami szintén fontos tényező lehet a komplex értékeléskor.
Azt is megjegyezzük, hogy a modern ágyazatrostálási technológiában elérhető recycling (jelen esetben értsd: újratört, pattintott) zúzottkövek aprózódással-töréssel szembeni ellenállása, üzem közbeni viselkedése várhatóan jobb, mint a bányából származó, új állapotú zúzottköveké. Ezt azzal lehet magyarázni, hogy az új kövekben még a gyártáskor elvégzett törés után is kialakulhatnak, bent maradhatnak felszín-felület közeli mikrorepedések, amelyek néhány hónap-év vasúti forgalmi terhelését követően kifuthatnak a kövek felszínére, így kisebb-nagyobb darabok törhetnek le a kövekről. Az ágyazatrostálás során bekövetkező zúzottkőszemcsék törésekor – bár a halmaz szemeloszlása már nem az eredeti, valamint a szemalakok sem a kezdetiek – szívósabb, aprózódásnak-törésnek jobban ellenálló ágyazati szemcsehalmaz alakítható ki. Természetesen ennek a sejtésnek a bizonyítása is jövőbeli kutatási feladat lehet.
A jövőben 3D-s diszkrét elemes szimulációkat (DEM) is tervezünk, amit a Sínek Világa későbbi számában szándékozunk részletesen ismertetni. A DEM-es modellünket speciálisan erre a célra elvégzett laboratóriumi vizsgálatainkkal összhangban alkotjuk meg.
Egy további tervként megemlíthetjük, hogy lehetőség van ugyanabból a bányából származó KZ, NZ termékek mérésére is, amelyeknél a kőzetmechanikai tulajdonság megegyezik (közel megegyezik) az eddig mért vasúti zúzottkövekkel, a szemcseméret és a szemeloszlás természetesen ilyen módon eltérő (pl. KZ 4/8 vagy NZ 4/8). Ez a szemcseméret alkalmas lehet például a KPE-csőben vagy nagyobb dobozban/ládában történő nagyobb szemcseszámú minták mozgásainak mérésére, CT röntgenberendezés segítségével. Itt akár egy lekicsinyített méretű zúzottköves vasúti pálya is modellezhető lenne laboratóriumi körülmények esetén. Ezzel kapcsolatos kezdeti méréseink már vannak.

Köszönetnyilvánítás

A cikk az EFOP 3.6.1-16-2017-00017 azonosító számú, „Oktatói, kutatói és hallgatói utánpótlás megteremtése, a tudás és technológiai transzfer fejlesztése” című projekt támogatásával készült.