Vasúti védőrétegek optimálása Dr. Fischer Szabolcs egyetemi adjunktus SZE MTK Közlekedésépítési Tanszék Kő- és Kavicsbányászati Napok, Velence, 2014 2014.02.27.
Az előadás tartalma A kutatási projekt (K+F munka) rövid bemutatása Az új MÁV D.11 Utasítással kapcsolatos kérdések felvetése Gazdaságosság, előállítás Nemzetközi tapasztalatok Szemmegoszlás, Proctor- és CBR-vizsgálatok és eredményei Laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok és eredményei Hidrológiai szimuláció és eredményei Összefoglalás
Saját forrásból finanszírozott K+F munka: címe/témája: Szemcsés vasúti védőrétegek összehasonlító elemzése laboratóriumi vizsgálat-sorozat és egyéb műszaki-gazdasági szempontok alapján, megbízó: Colas Északkő Kft., vállalkozó: Universitas-Győr Nonprofit Kft. időtartam: 2013. szeptember 2013. december (4 hónap).
A K+F munka célkitűzései: az újonnan bevezetésre kerülő MÁV D.11. számú Vasúti alépítmény tervezése, építése, karbantartása és felújítása c. utasítás SZK1 és SZK2 keverékeinek és az olcsóbban keverés, és technológiai többletlépések nélkül előállított termékek teljesítőképességének összevetése, valamint a D.11. utasítás által támasztott követelmények műszaki-gazdaságossági hatásainak, valamint azok létjogosultságának vizsgálata. A franciaországi vasúti védőréteg építési gyakorlat összevetése a hazai terminológiával, a francia gyakorlat magyarországi alkalmazási lehetőségének és korlátainak vizsgálata, valamint egy ehhez kapcsolódó többszintes nyíróládás laboratóriumi vizsgálatsorozatot elvégzése SZK1, SZK2, M22 és FZKA 0/32 törtszemcsés keverékek esetén. Az eltérő összetételű és vízzáróságú védőréteg anyagok védelmi hatékonyságának felmérése, 2D-s hidrológiai szimulációs vizsgálatok elvégzése.
A MÁV D.11. földművekre és védőrétegekre vonatkozó előírásai: az útépítés és vasútépítés tekintetében a földművekre vonatkozó követelmények összehangolásra kerültek (ÚME-k és D.11.), ellenben a védő(alap)rétegek esetén jelentős eltérések állnak fenn.
Vasúti védőrétegek: védőréteg: a teherbírás-növelő szerepét a tervezés során nem vesszük figyelembe, erősítőréteg: csak teherbírás-növelés a feladata, védő-erősítőréteg: kombinált funkció.
A MÁV D.11. A vasúti védőrétegek feladatai: A terhelés egyenletes elosztása. A teher alatti süllyedések mérséklése. Rétegelválasztás. Az alépítmény védelme a csapadékvizektől. Vízelvezetés. Szűrési szerep. A teherviselő rétegrendszer megerősítése. Fagyvédelem. Rezgéscsökkentés. Útépítési alaprétegek feladatai, követelményei: Hatékony teherelosztás. Megfelelő teherbíró-képességet adjon. Káros utótömörödés elkerülése a forgalom alatt. Elég sík és egyenletes felületű. Nem lehet víz- és fagyérzékeny. Nem okozhat repedéseket a felette levő aszfaltburkolaton. Mint alkalmas építési pálya bármikor tegye lehetővé az építési forgalom lebonyolítását. Gazdaságosság. Élettartama a tervezettnek prognosztizálhatóan megfeleljen.
A D.11. utasításban szereplő vasúti kiegészítő rétegekre vonatkozó előírásokkal kapcsolatos kérdések/felvetések: Az SZK1 és SZK2 védőrétegek szemeloszlási határgörbéinek a nagyon szűk, erőteljesen szigorú volta (a Ril. 836-ban szereplő határgörbék) milyen műszaki követelmény, és ok miatt lettek így kialakítva? Van-e ezeknek olyan szintű, szigorú előírást megkövetelő jelentősége, ami miatt ettől nem lehet eltérni? Az SZK1 keverékre megadott szemeloszlási határgörbékkel gyártott, kevert védőréteg valóban vízzáró lesz-e (k 10 6 m/s)? Műszakilag indokolható-e a vízzárósági igény? A keverék portartalma (5 g/g %) szigorú szabályozásának van-e megalapozott műszaki indoka? Miért nem a magyarországi kő- és kavicsgyártásban járatos, könnyebben és olcsóbban előállítható szemeloszlási kritériumok lettek definiálva az SZK keverékekre a D.11. sz. utasításban? Miért csak a Ril. 836 lettek figyelembe véve a D.11. készítésekor? Miért került ilyen követelmény az utasításba: a törtszemcsés adalék tömegszázaléka max. 30 %, frakciója pedig 0/16 lehet?
Gazdaságosság, előállítás: Forrás: Ézsiás L.
Gazdaságosság, előállítás: SZK1 keverék összetétele SZK2 keverék összetétele Alkotó Keverési Tarifaár Alkotó frakció Keverési Tarifaár frakció arány Ft/t arány Ft/t M22 50 % 1 250 FZKA 0/32 40 % 3 400 0/1 15 % 3 400 0/2 40 % 2 100 0/2 25 % 3 400 32/63 20 % 2 800 16/32 5 % 3 350 32/50 5 % 3 800 SZK1 100 % 2 500 SZK2 100 % 2 900 M22 100 % 1 250 FZKA 0/32 100 % 2 100 SZK1/M22 költségarány: 200% SZK2/FZKA 0/32 költségarány: 138% Forrás: Ézsiás L.
Gazdaságosság, előállítás: ~500e tonna FZKA 0/32
Áthullott anyagmennyiség (%) VASÚTI VÉDŐRÉTEGEK OPTIMÁLÁSA Nemzetközi tapasztalatok: 120 0/32 Francia (V>160 km/h) FZKA 0/32 100 80 60 40 20 0 0,01 0,1 1 10 100 Szemcseátmérő (log(d)) Forrás: Ézsiás L.
Szemmegoszlás, Proctor-vizsgálat, CBR-vizsgálat: w (%) SZK1 M22 SZK2 FZKA 0/32 5 167,5 240 335 87,5 7 128,6 142,5 137,5 77,5 9 19,25 72,5 39 195 11 0 46,5 * * 13 * * * * *- A vizsgált anyag képtelen volt további víz felvételére, ezáltal alapvetően ellehetetlenítette az ezen víztartalmon történő bedolgozást. Forrás: Colas Hungária
Szemmegoszlás, Proctor-vizsgálat, CBR-vizsgálat: Fotó: Ézsiás L. M22
Szemmegoszlás, Proctor-vizsgálat, CBR-vizsgálat: Fotó: Ézsiás L. SZK1
Többszintes laboratóriumi nyíróládás vizsgálat: A szemcsés anyagok belső nyírási ellenállási függvényének meghatározása a mélység függvényében. Vizsgálati paraméterek: állandó paraméterek: alépítményt modellező rugalmas réteg teherbírási modulusa: E 2 =7,2 MPa, homokréteg vastagsága: 10 cm, szemcsés anyagok vastagsága a nyíróládában: 40 cm, csak tömörített minták: tömörítés két rétegben: a +20 és a +40 cm-es magasságokban, tömörség meghatározása számítással, nyírási síkok száma: 4, függőleges terhelés alkalmazása: nincs, változó paraméterek: vizsgálandó anyagtípusok: SZK1, SZK2, M22, FZKA 0/32, víztartalom: száraz (w=x %=leszállított állapotú törtszemcsés keverékek víztartalma), optimális víztartalom (w=w opt %), nedves (w=w opt % + z %).
Többszintes laboratóriumi nyíróládás vizsgálat: Víztartalmak: M22: Száraz: 5,82 %, Optimális: 7,0 %, Nedves: 8,0 %, FZKA 0/32: Száraz: 3,33 %, Optimális: 6,0 %, Nedves: 8,2 %, SZK1: Száraz: 5,29 %, Optimális: 9,0 %, Nedves: 11,7 %, SZK2: Száraz: 4,65 %, Optimális: 5,6 %, Nedves: 9,72 %.
A nyírási síkok nyírási sík Nr.4 nyírási sík Nr.3 nyírási sík Nr.2 nyírási sík Nr.1 alapsík (Nr.0)
Tömörítés: - 20 cm és 40 cm vastagságban. Tömörítő eszköz: - L-2/C típus, - tömeg: 68 kg, - teljesítmény: 1,1 kw, - névleges vibrációs frekvencia: 3000/min, - tömörítőlap: 500x500 mm. A zúzottkő ágyazat tömörítése Fontos: azonos legyen a tömörítési munka minden vizsgálat előtt.
Nyomóerő Ellenerő Elmozdulás
Erő (kn) VASÚTI VÉDŐRÉTEGEK OPTIMÁLÁSA 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Az átlagerők meghatározása 0 5 10 15 20 25 30 35 Elmozdulás (mm) Georács, tömörített Nyomóerő1 Nyomóerő2 Nyomóerő3 12,4 12,6 12,8 13 13,2 13,4 13,6 13,8 14 14,2 14,4 14,6 14,8 15 15,2 15,4 15,6 15,8 16 16,2 16,4 16,6 16,8 17 17,2 17,4 17,6 17,8 18 18,2
M22 nedves mintájának tömörítése
FZKA 0/32 nedves mintájának tömörítése
SZK1 nedves mintájának tömörítése
SZK2 nedves mintájának tömörítése
Többszintes laboratóriumi nyíróládás vizsgálat, eredmények:
Többszintes laboratóriumi nyíróládás vizsgálat, eredmények:
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal: Csapadék szimuláció. Lefolyás és beszivárgás kalkuláció. Víznyomás (szívás mélység, nyomás magasság) számítás.
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal:
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal: Réteg Talajtípus K s (mm/s) K s (m/s) Porozitás Rez. Vízt. vg par. vg par. n(-) r (-) (1/cm) n (-) 1. Lösz (L) 2,8E-03 2,8E-06 0,43 0,078 0,036 1,56 2. Löszös homok(ls) 0,04 4,0E 05 0,41 0,057 0,124 2,28 3. Homokos lösz Homokos agyag lösz (SCL) Iszapos agyag (SC) Agyag (C) 0,012 3,6E-04 5,0E-06 5,0E-07 1,2E 05 3,6E-07 5,0E-09 5,0E-10 0,41 0,39 0,36 0,38 0,065 0,1 0,070 0,068 0.075 0,059 0,005 0,008 1.89 1,48 1,09 1,09 4. Kavics (S) 1,5 1,5E 03 0,5 0,045 0,145 2,68
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal: Kiinduló feltételek, hidrosztatikai nyomáseloszlás, a talajvízszint a keresztszelvény aljától 2 m mélyen van a talajvíz nem volt jelentős hatással az eredményekre.
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal: Víztartalom, (porozitás), szívás
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal: Peremfeltételek: A talajfelszínen csapadék intenzitása volt meghatározva, feltételezett azonnali lefolyással, tehát nyomás alatti beszivárgást nem feltételezünk. A talajszelvény alján szabad kifolyást feltételeztünk, ha talajvíz hatásával nem számolunk. Talajvíz esetében a talajvíz mélysége a felszíntől 1m-re volt meghatározva. A párolgást nem vettük figyelembe.
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal, eredmények:
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal, eredmények:
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal, eredmények:
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal, eredmények:
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal, eredmények: k=3,6e 07 m/s k=1,2e 05 m/s
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal, eredmények: Víztartalom ~8 nappal a csapadék után k=3,6e 07 m/s, k=1,2e 05 m/s, valamint 30 cm vastag védőréteg esetén. k=3,6e 07 m/s k=1,2e 05 m/s
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal, eredmények: Víztartalom 8 nappal a csapadék után k=5,0e 10 m/s és 10 cm vastag védőréteg esetén.
2D-s hidrológiai szimuláció Hydrus 2.xx programmal, eredmények: Víztartalom 8 nappal a csapadék után k=5,0e 10 m/s és 60 cm vastag védőréteg esetén.
Összefoglaló megállapítások 1. Az útépítésben is alkalmazott M-es anyagok és FZKA anyagok vasútépítési megfelelőségét igazoltuk. A D.11. sz. utasításban az SZK keverékekre előírt szemeloszlási követelmények a magyarországi ásványvagyon optimális felhasználhatóságával, illetve a kisszemcsés frakciók miatti szétosztályozódási veszély. A szemeloszlási határgörbék francia gyakorlat, 160 km/h-ás pályasebesség szemcsés rétegre előírt szemeloszlási követelményt a magyarországi FZKA 0/32 termék teljes mértékben kielégíti. (Pluszban igazolandók: szilárdsági és időállósági jellemzők). Az SZK1 keverékek előállításához (5 frakcióból) kő- és kavicsbányászati termékeket is fel kellett használni, amely a nagytömegű üzemi előállítás szempontjából, figyelembe véve a jelenlegi piaci lehetőségeket, csaknem lehetetlen helyzetet jelent.
Összefoglaló megállapítások 2. A CBR-vizsgálat eredményei: az SZK1 és SZK2 típusú keverékek 5 %-os víztartalomról 9 %-osra való változtatásával a teherbírásuk közel 85-90 %-át elveszítették. Az M22 anyagnál 9 %-os víztartalom esetén is megvan az 5 %-os víztartalomnál mért teherbírás 30 %-a, 11 %-os víztartalom esetén a teherbírás 19 %-a. Az FZKA 0/32 anyagnál 7 %-os víztartalom esetén is megvan az 5 %-os víztartalomnál mért teherbírás 89 %-a, 9 %-os víztartalom esetén a teherbírás 2,23-szorosa. Ezek azt vetítik előre, hogy az SZK1 és SZK2 típusú termékek a víztartalom növekedésével rohamos ütemben veszíthetik el a teherbírásukat, még betömörített, beépített állapotukban is. Az M22 és FZKA 0/32 típusú termékeknél ez a jelenség csekély mértékben következik be.
Összefoglaló megállapítások 3. A laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálat eredményei alapján megállapítható, hogy első megközelítésben a vizsgált négy típusú termék a belső nyírási ellenállás értékét figyelembe véve nem mutat mértékadó különbségeket, kivéve az SZK2 terméknél a 9,72 %-os víztartalmú minta, amelynél erőteljes átázás, telítődés volt tapasztalható, a kiugró belső nyírási ellenállás értékeket a viszkózussá válása magyarázza, ellenben ezt a pozitív változást lényegesen befolyásolja a teherbírásának elvesztése. Az SZK1 termék nedves mintájánál a teherbírás szintén jelentősen visszaesett, ezt a laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatoknál szemrevételezéssel állapítottuk meg, míg a CBRvizsgálat ezt be is bizonyította.
Összefoglaló megállapítások 4. Hidrológiai szimuláció eredményei: Mértékadó (i=1 %) 60 perces csapadék figyelembevétele. Mind a vízzáró (k=3,6e 07 m/s), mind a kvázi vízáteresztő (k=1,2e 05 m/s) védőréteg esetén eljut a víz a földműig, azt eláztathatja SZK termékeknél ez a teherbírás-vesztést is eredményezheti. Teljesen vízzáró védőrétegnél (k=5,0e 10 m/s) a nedvesség megreked a rétegben, kijutása több napig is eltarthat. Az oldalirányú vízelvezetést gyorsítandó javasolt minden esetben geotextília alkalmazása: szűrés, elválasztás, réteg irányú vízkivezetés gyorsítása szempontjából.
Összefoglaló megállapítások 5. Az elvégzett kutatásaink és vizsgálataink alapján továbbá megállapítható: vízérzékeny termék védőrétegnek való beépítése nem javasolt, a vizsgált SZK1 és SZK2 termékek a víztartalom növekedésére a CBR mérések alapján a kezdeti szilárdságukat jelentősen elveszíthetik, mindenképpen vízáteresztő és nem vízérzékeny talaj javasolt alépítményi védőréteg funkció ellátására, amely követelményt az M22 és az FZKA 0/32 termékek teljes mértékben kielégítenek, ezt a laboratóriumi többszintes nyíróládás vizsgálatok és a CBR mérések is igazolták. Geotexília réteg beépítésének szükségessége a védőréteg alá. Az elvégzett kutatásaink és vizsgálataink alapján az SZK1 típusú termék helyett az M22 termék, míg az SZK2 típusú termék helyett az FZKA 0/32 termék általános alkalmazását-alkalmazhatóságát javasoljuk. Az új MÁV D.11 Utasítás vasúti védőrétegekre előírt követelményeit felül kellene bírálni, lehetőség szerint még a tényleges bevezetése előtt!
Köszönetnyilvánítás Köszönettel tartozunk a Colas-Északkő Kft.-nek a kutatás-fejlesztési munkánk finanszírozásáért, valamint különös tekintettel Ézsiás László minőségirányítási és minőségellenőrzési vezetőnek, aki szakmailag támogatta a kutatásunkat. Ezen kívül köszönjük Simon Noémi építőmérnök egyetemi szakos hallgatónk aktív munkáját és közreműködését.
Köszönöm a megtisztelő figyelmet! E-mail: fischersz@sze.hu