A vasúti zúzottkő ágyazat szerepe, feladatai és igénybevételei Dr. Szabó József (PhD) adjunktus

1. VI. Kő- és Kavicsbányászat Konferencia 2013 Budapest, 2013. június 13-14. A vasúti zúzottkő ágyazat szerepe, feladatai és igénybevételei Dr. Szabó József (PhD) adjunktus Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Út és Vasútépítési Tanszék

2. A vasúti zúzottkő ágyazat – szemléletek Zúzottkő ágyazat A zúzottkő ágyazat, mint ÉPÍTŐANYAG, mint egy TERMÉK, amit elő kell állítani. A zúzottkő ágyazat, mint a vasúti pályaszerkezet egyik nagyon fontos ALKOTÓELEME.

3. A vasúti pályaszerkezet A vasúti pályaszerkezet feladatai: • A vasúti járművek VEZETÉSE (a sín és a nyomkarimás kerék kapcsolata). • A vasúti járművek ALÁTÁMASZTÁSA (a járművek terheinek felvétele, szétosztása, és továbbítása a földműre).

4. A vasúti pályaszerkezet A klasszikus vasúti pályaszerkezet felépítése: Felépítmény • Sínek • Sínleerősítések • Keresztaljak • Zúzottkő ágyazat Alépítmény • Védőréteg • Földmunka } Vágányrács

5. A vasúti pályaszerkezet Sínleerősítés Sín Keresztmetszet Ágyazat Keresztalj Védőréteg Földmunka Sín Sínleerősítés Keresztalj Hosszmetszet Ágyazat Védőréteg Földmunka

6. A vasúti pályaszerkezet Tengelyterhelés Kerékterhelés Nyomó feszültség Felület Hely Kerék/ Sín Sín/ Alátétlemez Alátétlemez/Keresztalj Keresztalj/ Ágyazat Ágyazat/ Földmunka

7. A vasúti zúzottkő ágyazat funkciója A vasúti zúzottkő ágyazat feladatai: • Alátámasztás (szilárd, de rugalmas) • Teherelosztás és teherátadás (a keresztaljakról az alépítményre) • Rugalmas ágyazás • Állékonyság biztosítása (megfelelő ellenállás a hossz- és keresztirányú erőkkel szemben) • Vízelvezetés (a vágányra hullott csapadékvizek gyors elvezetése)

8. A vasúti zúzottkő ágyazat funkciója A vasúti zúzottkő ágyazat feladatai: • Irány- és fekszintállapot biztosítása (a vágány vízszintes és függőleges geometriája állandó, stabil és pontos legyen) • Irány és fekszint szabályozásának biztosítása (a vágány vízszintes és függőleges geometriája szabályozási munkákkal könnyen és pontosan helyreállítható legyen)

9. A vasúti zúzottkő ágyazat funkciója Az ágyazattal szembeni követelmények: • Megfelelő tömörség • Megfelelő rugalmasság • Szennyeződéstől való mentesség (tisztaság) • Megfelelő ellenállás biztosítása

10. A vasúti zúzottkő ágyazat funkciója A zúzottkővel szembeni követelmények: • Megfelelő szilárdság (megfelelő anyag) • Megfelelő szemmegoszlás, méret és szemszerkezet • Érdes felület, éles élek, zömök szemcsealakok • Nagy belső súrlódás • Fagyállóság

11. A vasúti zúzottkő ágyazat igénybevételei A zúzottkő ágyazat a vasúti pályaszerkezeten belül egy közbenső közvetítő elem, így az igénybevételei nagymértékben függnek a vágányt terhelő erőktől. A vasúti vágányt terhelő erők A vasúti zúzottkő ágyazat igénybevételei

12. A vasúti vágányt terhelő erők A vasúti vágányt terhelő erők: • Függőleges erők • Oldalirányú erők • Hosszirányú erők

13. A vasúti vágányt terhelő erők A vasúti vágányt terhelő függőleges erők: A járműkerekek statikus és dinamikus terheléséből adódnak • Statikus terhelés: álló jármű súlyereje tengelyteher (225 kN) – kerékteher (112,5 kN) (V43-as mozdony tömege 80 t, így Zstat = 100 kN) • Dinamikus terhelés: függ a sebességtől, valamint a jármű és a pálya kialakításától és állapotától Zdin =β * Zstat (kedvezőtlen esetben β ≈ 1,5-2,0)

14. A vasúti vágányt terhelő erők A vasúti vágányt terhelő oldalirányú erők: A járműkerekek nyomkarimái által adódnak át • Ívekben: a szabad oldalgyorsulás következtében, nagysága függ a sebességtől, az ívsugártól, a jármű tengelyelrendezésétől és állapotától (kedvezőtlen esetben Y ≈ 60 - 80 kN) • Egyenesben: a járművek kígyózó mozgása miatt (kisebbek, mint az ívekben lévő oldalirányú erők)

15. A vasúti vágányt terhelő erők A vasúti vágányt terhelő hosszirányú erők: A vonatforgalom és a hőmérséklet-változás hatására keletkeznek • Vonatforgalom hatására: • a fékezés és gyorsítás hatása (állomások előtt-után) • a gördülő kerekek súrlódó hatása • emelkedésben / esésben a súlyerő lejtő irányú komponense • Hőmérséklet-változás hatására: dilatációs erők

16. A vasúti vágányt terhelő erők Dilatációs erők: hőmérsékletváltozás hatására, a hézagnélküli vágányban (gátolt dilatáció) • Hőmérséklet-növekedés esetén: nyomóerők • Hőmérséklet-csökkenés esetén: húzóerők Magyarországon a sínhőmérséklet • felső határa: +60 ºC • alsó határa: -30 ºC A semleges hőmérséklet: +23 ºC (eltérés +5 ºC és -8 ºC) A semleges hőmérsékleti tartomány: +15 ºC – +28 ºC

17. A vasúti vágányt terhelő erők Dilatációs erő: F = α * E * A * ΔT ahol • F [N] a belső dilatációs erő • α [1/ºC] a vonalas hőtágulási együttható • E [N/mm2] a sín rugalmassági modulusa • A [mm2] a sín keresztmetszeti területe • ΔT [ºC] a hőmérséklet-változás

18. A vasúti vágányt terhelő erők A dilatációs erő értéke különböző sínrendszerek és hőmérséklet-változások esetében [kN]:

19. A vasúti zúzottkő ágyazat vízszintes igénybevételei A vágány állékonysága és stabilitása szempontjából fontos az ágyazat hossz- és oldalirányú ellenállása! • Az ágyazat hosszirányú ellenállása: • Az aljak talpfelületeinél ébredő súrlódási ellenállás • Az aljak homlokfelületeinél ébredő súrlódási ellenállás • Az aljak oldalfelületeinél ébredő passzív ellenállás Értéke: – új fektetésű vágánynál: 5 N/mm – tömörödött vágánynál: 6-8 N/mm – összefagyott ágyazatnál (télen): 15-20 N/mm

20. A vasúti zúzottkő ágyazat vízszintes igénybevételei A vágány állékonysága és stabilitása szempontjából fontos az ágyazat hossz- és oldalirányú ellenállása! • Az ágyazat oldalirányú ellenállása: • Az aljak talpfelületeinél ébredő súrlódási ellenállás • Az aljak oldalfelületeinél ébredő súrlódási ellenállás • Az aljak homlokfelületeinél ébredő passzív ellenállás Értéke: – 5-10-15 N/mm – növelhető az aljtávolság csökkentésével, és az ágyazatszélek + aljközök tömörítésével

21. A vasúti zúzottkő ágyazat vízszintes igénybevételei Az ágyazat hossz- és oldalirányú ellenállása tiszta ágyazatban (eső után) akár 10-15 %-kal nőhet, viszont szennyezett ágyazatban akár 50-60 %-kal csökkenhet!

22. A vasúti zúzottkő ágyazat függőleges igénybevételei Mivel a zúzottkő ágyazat a pályaszerkezetben egy közbenső elem, így önálló (az alépítménytől független) teherbírásáról nem lehet beszélni! Az ágyazatnál elsősorban az alépítményre átadott nyomás értéke a fontos, ezt kell ellenőrizni! • Értéke megfelelő, ha pf = 5-10 N/cm2 • Módszerek: • Schramm-módszer (a nyomáseloszláson alapul) • Boussinesq-Steinbrenner-módszer (a zárt felületen átadódó nyomófeszültségen alapul)

23. A vasúti zúzottkő ágyazat avulása A zúzottkő ágyazat üzemszerű elhasználódása: Legjellemzőbb az elszennyeződés és aprózódás, okai: • Rendszeres terhelés hatására aprózódás • Rossz minőségű alépítmény esetén a terhelés hatására nagy finomszemcse tartalmú anyag nyomódik (pumpálódik) fel az ágyazatba • Szállított árukból lehulló anyagok szennyező hatása • Időjárás hatásai: a víz és a szél hordta anyagok porral és gyomosodással szennyezik az ágyazatot, a hőmérséklet-változás és a fagy aprózó hatása

24. A vasúti zúzottkő ágyazat fenntartása Ágyazati problémák megszűntetésének módszerei: • Vízkivezetés (az ágyazatban rekedt víz elvezetése) • Ágyazatpótlás • Gyomirtás • Ágyazattisztítás (kézi vagy gépi ágyazatrostálás) • Ágyazatcsere

25. A vasúti zúzottkő ágyazat minőségellenőrzése 1.) Minőségbiztosítás az előállítás helyszínén • a lelőhely vizsgálata • a zúzottkő tulajdonságainak vizsgálata • az üzem értékelése 2.) Minőségvizsgálat a beépítés/kivitelezés helyszínén • az előírt anyagjellemzőktől, valamint • a tervezett keresztszelvényi méretektől való eltérés alapján

26. A vasúti zúzottkő ágyazat minőségellenőrzése A.) Az anyagjellemzők vizsgálata • szemrevételezés és helyszíni vizsgálatok • tisztaság • szemnagyság, szemalak (szemalak-tényező, lemezesség) • laboratóriumi vizsgálatok • szemmegoszlás (szemmegoszlási görbe) • Los Angeles vizsgálat (aprózódási ellenállás) • Mikro-Deval vizsgálat (kopásállóság) B.) A méretek vizsgálata • az ágyazat keresztirányú méreteinek felmérése • az ágyazat vastagságának felmérése

27. Példa egy konkrét vizsgálatra Szakértői vélemény a vasúti zúzottkő ágyazat előzetes állapotvizsgálatáról (2012) • BME Út és Vasútépítési Tanszék • BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék Cél: a meglévő vasúti zúzottkő ágyazat előzetes állapotvizsgálata

28. Példa egy konkrét vizsgálatra A vizsgált vonalszakasz akkori műszaki paraméterei: • A vasúti pálya egyvágányú • A vonal nem villamosított, dízel vontatás üzemel • Döntően személyforgalom, minimális teherforgalom • Személyforgalom: napi 25 vonatpár, Desiro szerelvények • Teherforgalom: napi 2 vonatpár

29. Példa egy konkrét vizsgálatra

30. Példa egy konkrét vizsgálatra

31. Példa egy konkrét vizsgálatra

32. Példa egy konkrét vizsgálatra A vizsgálat főbb lépései: • Helyszíni bejárás • A zúzottkő ágyazat állapotának szemrevételezése • A meglévő zúzottkő ágyazat geometriai méreteinek felvétele és ellenőrzése mérésekkel • A mintavételi helyek kijelölése • Mintavétel (a keresztaljak alól, az ágyazati rézsűből) • egyenesben • ívben (kissugarú és nagysugarú ívben) • fékezési szakaszon

33. Példa egy konkrét vizsgálatra

34. Példa egy konkrét vizsgálatra

35. Példa egy konkrét vizsgálatra

36. Példa egy konkrét vizsgálatra A vizsgálat főbb lépései: • Geometriai vizsgálatok laboratóriumban • szemmegoszlás meghatározása – szitavizsgálat • szemalak meghatározása – lemezesség • szemalak meghatározása – szemalak-tényező • Kőzetfizikai vizsgálatok laboratóriumban • aprózódási ellenállás – vasúti Los Angeles vizsgálat • kopásállóság – vasúti Mikro-Deval vizsgálat • időállóság – magnéziumszulfátos kristályosítási vizsgálat • testsűrűség (légszáraz kőzetfizikai állapotban), vízfelvétel

37. Zárszó A vasúti zúzottkő ágyazat minősége: Mivel a vasúti vágány stabilitásának kb. 60 %-át az ágyazat, és csak kb. 40 %-át a vágány keret-merevsége biztosítja, így a vasúti felépítmény állapotát és a vágány erőhatásokkal szembeni ellenállását nagymértékben befolyásolják az ágyazat tulajdonságai, tehát a vasúti zúzottkő ágyazat minősége döntően fontos!

38. VI. Kő- és Kavicsbányászat Konferencia 2013 Budapest, 2013. június 13-14. Köszönöm a figyelmet! szabojozsef@uvt.bme.hu Dr. Szabó József (PhD) adjunktus BME Út és Vasútépítési Tanszék