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 laboratóriumi vizsgálatról

A kutatás-fejlesztési munka során egy egyedi fárasztásos vizsgálatot dolgoztunk ki és alkalmaztunk. A vizsgálatról 2014-ben a Colas Északkő Kft. finanszírozásában elkészült egy K+F jelentés, valamint ezt követően több publikáció is [5], [6].
A vasúti zúzottkő ágyazati kőanyagok valóságoshoz közelebb álló igénybevételeinek megfelelően az új laboratóriumi aprózódási vizsgálatban az alábbi tulajdonságú kőanyagokat használtuk fel:

• két halmaz, különböző bányából származó andezit anyagú zúzottkő minta (MSZ EN 13450:2003 szerinti A típusú, 31,5/50 mm, a mintákat a Colas Északkő Kft.-től kaptuk);
• Los Angeles aprózódás és Micro-Deval kopás mérése a mintákon (a Colas Északkő Kft. végezte):
•    o 1. minta: LA_RB = 19%, M_DERB = 17%
•    o 2. minta: LA_RB = 16%, M_DERB = 4%
• a kőanyaghalmazokon szemeloszlás vizsgálata a laboratóriumi fárasztás előtt;
• 5 millió ciklusú fárasztás több „részletben” (azaz 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 3,0 és 5,0 millió ciklusig új kőanyag vizsgá­lata), kizárólag a 22,4 mm-nél nagyobb szemcsehalmazon (a fárasztás előtti szemeloszlás-vizsgálatnál leválasztottuk a d < 22,4 mm-es szemcsehalmazt);
• a kőanyaghalmazokon szemeloszlás vizsgálata a laboratóriumi fárasztások után.

Az egyedi laboratóriumi mérés pulzátoros vizsgálatot jelent, melyhez egy 10 szintes nyíróláda alsó 6 keretét használtuk. A kereteket csavarral erősítettük egymáshoz, hogy megelőzzük a vízszintes relatív elmozdulásokat. A nyíróládához tartozó görgőket nem szereltük fel a láda alsó részéhez.
A nyíróládában felépített rétegszerkezet az alábbi (alulról felfelé haladva), melyet az 1. ábrán szemléltetünk:

• 20 cm vastagságban a teljes 1,0 × 1,0 m felületen elterített Austrotherm Thermopan XPS hőszigetelő lapok;
• 1 rtg. Naue Secutex 151 GRK geotextília a teljes 1,0 × 1,0 m felületen elterítve;
• 10 cm homok (E2, XPS + 10 cm homok = 20,42 MPa);
• 1 rtg. Viacon GEO PP TC 1200 típusú hőkezelt nem szőtt, nagy nyomóképességű geotextília a teljes 1,0 × 1,0 m felületen elterítve + az oldalfalakon is;
• 30 cm vastag zúzottkő (felület: 46 × 46 cm);
• 46 × 42 cm-es acél terhelőlemez + D = 300 mm-es acél körtárcsa.

A zúzottkő mintákat a láda közepén, vasúti fa keresztaljakkal történő kirekesztéssel kialakított, 46 × 46 cm-es alapterületű, 30 cm mély „dobozba” helyeztük el. A falhatás csökkentése és esetleges kizárása érdekében a doboz belső négy oldalfalát (ahol a zúzottkő szemcsék a faaljakkal érintkeznének) 1 rtg. 1200 g/m²-es geotextíliával burkoltuk. A zúzottkő mintákra 460 × 420 mm felületű, vastag acél terhelőlemezt tettünk a terhelés egyenletesebb elosztása érdekében. Az összeállítást a terhelő lemez nélkül a 2–7. ábrák szemléltetik.

A laboratóriumi vizsgálatot a pulzátor segítségével hajtottuk végre, előre megadott ciklusszámban. A vizsgálat elvégzése után lemértük a minták szemeloszlását, ezeken kívül az alábbi számított értékeket kalkuláltuk, amelyek jelentését az [1] irodalomban ismertettük:

• FV (%),
• BBI,
• d < 22,4 mm (tömegszázalék),
• d < 0,5 mm (tömegszázalék),
• d < 0,063 mm (tömegszázalék),
• d60/d10,
• M paraméter, M arány [7],
• λ paraméter, λ arány [7].

Az értékek segítségével a prognosztizálható ágyazatrostálási ciklusidőket is meghatároztuk.

A legújabb mérések eredményei, összefoglalás

A két különböző bányából származó an­dezit kőanyag mintát a laboratóriumi vizsgálattal 5-5 millió ciklusig fárasztottuk. Az előző bekezdésben számított értékeket és a fárasztási ciklusszámot diagramokban ábrázoltuk. Három paraméter esetében lehetett korrelációt megállapítani az adathalmazokon belül.
A diagramokat a 8–12. ábrákon mutatjuk be.

A 8–12. ábrák alapján az alábbi meg­állapítások tehetők az 5 milliós maximális fárasztási ciklus figyelembevételével:
– mindkét vizsgált andezit anyagú zúzottkő minta fárasztása alapján a 8 számított paraméterből 4 esetén adódott szignifikáns – hatvány- és lineáris függvénnyel közelített – korreláció a fárasztási ciklusszám mint független változó szerint, ezek rendre:
   o FV, azaz a Dél-afrikai Vasúttársaság által – az ágyazatrostálás szükségességének előrejelzésére – javasolt paraméter [8], ez az érték hatványfüggvénnyel közelíthető a növekvő ciklusszámok esetén. 5 milliós fárasztási ciklusnál kb. 5 és 6,5%-os FV értékek adódtak a vizsgált zúzottkő anyagainkon. Érdekes tény, hogy a kőzetfizikailag jobb minőségű (a Los Angeles aprózódási és Micro-Deval kopási paraméterek alapján minősítve) 2. minta aprózódása gyorsabb volt, amit a 8. ábra hatvány regressziós függvénye bizonyít. Szakirodalom alapján az ágyazatrostálást az FV = 80% értéknél szükséges elvégezni [8]. Amennyiben a kapott hatvány regressziós függvényekkel kalkulálunk, és meghatározzuk az FV = 80%-hoz tartozó ciklusszámot, az 1. minta esetében 2,1 × 1016, míg a 2. minta esetében 2,24 × 1011 ciklus adódik. Látható, hogy ezek irreálisan magas értékek (összehasonlítva pl. a Kelenföld–Hegyeshalom oh. 1. számú MÁV fővonal terhelésével (évi kb. 15 millió elegytonna, azaz nagyjából 667 000 tengelyáthaladással), és az Európában elvárt, a TMK-ban is rögzített 12–15 éves, ágyazattisztításra vonatkozó munkáltatási és élettartam ciklusidővel, ez 8–10 millió ciklushoz (tengelyáthaladáshoz) tartozik [8]. Ilyen módon az ebből kapott ágyazatrostálási ciklusidőket nem lehet használni.

   o BBI (Ballast Breakage Index) ágyazataprózódási index, melyet Indraratna és Lackenby vezetett be annak számíthatóságára, hogy az ágyazati anyag minősége miképpen változik az avulás során. Az index számításához szükség volt a fárasztás előtti és utáni szemmegoszlási görbék ismeretére. A BBI index alakulása a fárasztási ciklusszám szerint lineáris regressziós kapcsolat szerinti, ellenben az 1. minta esetén negatív determináltsági koefficiens adódott (ennek a matematikai statisztikai jelentése, hogy a mérési adatsorra illesztett regressziós függvény rosszabb illeszkedést mutat, mint egy y = c (konstans) függvény) (9. ábra). Megemlítendő, hogy a BBI(0) = 0 értéket peremfeltételként kezeltük. Amennyiben megvizsgáljuk az 1 millió fárasz­tási ciklus előtti mért értékeinket, ezek láthatóan és jelentősen „kilógnak” a mérési adatsorra illeszthető lineáris trendből. A korrektebb értékelés érdekében a mérések megismétlésére lehet szükség. Az 5 milliós fárasztási ciklusnál kb. 0,15 és 0,20 BBI értékek adódtak a vizsgált zúzottkő anyagainkon. Érdekes tény ebben az esetben is, hogy a kőzetfizikailag jobb minőségű (a Los Angeles aprózódási és Micro-Deval kopási paraméterek alapján minősítve) 2. minta BBI trendje meredekebb (figyelmen kívül hagyva a negatív R2 értéket, mert 1,5 millió ciklus után a megadott lineáris trend feltételezhető). Szakirodalom alapján az ágyazatrostálást a BBI = 1,0 értéknél szükséges elvégezni. Amennyiben a kapott lineáris regressziós függvényekkel kalkulálunk, és meghatározzuk a BBI = 1,0 értékhez tartozó ciklusszámot, az 1. minta esetében 31,45 millió, míg a 2. minta esetében 25,84 millió ciklus adódik. Ez az előző példánknál maradva, körülbelül 47 és 39 éves rostálási ciklusidőt jelent.
   o d < 22,4 mm tömegszázalékban kifejezett paraméter a fárasztás utánra értendően és a fárasztási ciklusszám között hatvány regressziós kapcsolat állapítható meg a 10. ábra szerint. Az 5 milliós fárasztási ciklusnál kb. 3% és 4,25% körüli értékek adódtak a vizsgált zúzottkő anyagainkon. Érdekes tény ebben az esetben is, hogy a kőzetfizikailag jobb minőségű (a Los Angeles aprózódási és Micro-Deval kopási paraméterek alapján minősítve) 2. minta romlási trendje meredekebb. Szakirodalom alapján [8] az ágyazatrostálást 30%-os értéknél szükséges elvégezni. Amennyiben a kapott hatvány regressziós függvényekkel kalkulálunk, és meghatározzuk a 30%-os értékhez tartozó ciklusszámot, az 1. minta esetében 2,17 × 1012, míg a 2. minta esetében 3,27 × 1010 ciklus adódik. A kapott értékek – az FV-ből számolt ciklusidőkhöz hasonlóan – irreálisak [8].
   o az M arány, valamint a λ arány paraméternél [7] a lineáris függvénnyel közelített regresszió esetében (11., 12. ábra) a kiadódott trendek szerint a jobb kőzetfizikai paraméterekkel jellemezhető 2. minta avulása szignifikánsan nagyobb, mint az 1. minta esetében (a sebességek előjelei is eltérnek, a 2. mintánál pozitív, az 1. minta esetében negatív). Amennyiben részletesebben megvizsgáljuk a mérésből számított adatokat, azt tapasztaljuk, hogy az 5 milliós ciklusszámhoz tartozó M arány és λ arány esetén a 2. mintánál a trendből „kiugró” érték adódott, ennek okát további vizsgálatokkal lehet megállapítani a jövőben.

– a további 4 paraméter esetében sem a lineáris, sem a hatványfüggvénnyel közelített regresszió nem szignifikáns.
Szükséges megemlíteni, hogy a rostálási ciklusidők számításánál és az aprózódások értékelésénél nem vettük figyelembe az alábbiakat:

• a gépi és a kézi aláverés okozta aprózódást;
• alépítményi és felépítményi rendellenesség miatti gyorsuló romlási hatást;
• egyéb ágyazatszennyező hatást (pl. por, vasbeton keresztalj kopása, vízzsákoknál az ismétlődő dinamikus terhelés következtében kialakuló pumping hatás okozta finomszemcse-tartalom növekedése);
• valós körülmények között a teljes keresztmetszetben nem alakul ki ilyen mértékű aprózódás, mint amekkorát mértünk a laborvizsgálatok során (pl. ágyazati rézsű és váll esetében szinte alig aprózódnak a szemcsék);
• csak 225 kN-os tengelyterhelést vettünk figyelembe (ez inkább a tehervonatoknál teljesül, személyvonatoknál kb. 180 kN a reális);
• az egyéb dinamikus többletterhelések (pl. hegesztések, sínillesztések, kitérő keresztezési középrészek) hatását figyelmen kívül hagytuk.

Távlati célok

Távlati célunk, hogy tovább keressük a korrelációt a termékszabványban alkal­ma­zott Los Angeles és Micro-Deval vizs­gá­latok, a prognosztizálható rostálási cik­lusidők és az új laboratóriumi eredmények között. Reményeink szerint a fárasztási ciklusszám korábban megfogalmazott változtatásával a kőanyag aprózódá­sát precízebben meg lehet állapítani. 2019 februárjától újabb próbát teszünk a ré­teg­rendszerkezet módosítására, mivel a vizsgálatok során az XPS lapok rendkívüli mértékben deformálódtak, így egy merevebb réteg (pl. szemcsés kiegészítő réteg vagy akár acéllemez) beépítésével elvégzett fárasztással összehasonlítható eredményeket lehet publikálni a közeljövőben.
A kidolgozott új fárasztásos vizsgálat időigénye igen nagy, ezért a közeljövőben tervezzük, hogy a különböző származású ágyazati anyagok szemcséin kisebb időigényű szemcsehasító vizsgálatokat is elvégezünk, mivel így hamarabb tehetünk kőzetmechanikai szempontból is fontos megállapításokat.
Az eddigi eredményeink alapján a számított aprózódási értékek arányaiban jóval magasabbak, mint a valós vágányokban mérhető, már beavatkozást igénylő vasúti ágyazatokban. Ennek oka a laboratóriumi körülmények között megvalósult egyféle igénybevételi forma. Egy olyan módszert szeretnénk kidolgozni, melynek segítségével meghatározható ennek az értéknek a maximuma, valamint az egyéb vasúti ágyazatot érő hatások és igénybevételek arányainak becslése.

Köszönetnyilvánítás

A kutatás az EFOP 3.6.1-16-2016-00017 projekt támogatásával készült.