Aszfalt a vasúti pályaszerkezetben

Folyamatos témaként kezelhetjük, hogy a vasúti pálya építésekor kiemelt figyelmet kell szentelni az alépítmény helyes kialakításának, valamint a kellő teherbírás és megtámasztás elérésének, hiszen a pálya tartósságának, illetve lassabb romlásának bizony komoly feltétele a kiváló megtámasztás a földmű, valamint a kiegészítő réteg részéről.A kiegészítő rétegek alkalmazásáról általában

1. A kiegészítő rétegek alkalmazásáról általában
Számos ismert kiegészítő réteget ismerünk, melyek megoldásokat nyújtanak a legfontosabb problémákra, többek között a teherbírás növelésére, vízelvezetésre vagy éppen a rétegelválasztásra. Ezek bekerülési költségük miatt akár már rövid távon eredményezhetnek költségcsökkentést a földmunkák redukálásával, vagy lehetnek elsőre nagyobb költséggel járó megoldások, melyek hosszú távon életciklusköltség (LCC) alapján jelentik a gazdasági hatékonyságot. Utóbbi technológiák közé tartozik a cikk tárgyát képező aszfalt kiegészítő réteg, melyet Magyarországon már a ’70-es évek végén is alkalmaztak. Manapság azonban az SZK1, SZK2 szemcsés kiegészítő rétegek, valamint a különféle geoműanyagok alkalmazásával új építésnél az aszfalttechnológia már szinte egyáltalán nem használt. Ennek ellenére a régi beépített szakaszok vizsgálatával és a pályafenntartási tapasztalatok felhasználásával kialakítható egy olyan kép, amely már összehasonlítható a külföldi építési és üzemeltetési tapasztalatokkal, ezzel a technológiát újra előtérbe lehet helyezni, hiszen a mellékelt példák azt mutatják, van a törekvésnek realitása.

2. Magyarországi tapasztalatok
A pályakorszerűsítések, illetve az üzemeltetés során is sokszor megállapítást nyer, hogy a jelenlegi vasúti alépítmény állapotok Magyarországon nem megfelelőek. A teherforgalom vonzóbbá tételében a tengelyterhelés növelése szükséges feltétel. A hazai vonalakon (még) leginkább a 210 kN tengelyterhelésre engedélyezett vasútvonalak a mérvadók, így a 210 kN feletti tengelyterhelésű teherkocsikat rendkívüli küldeményként kell kezelni. Természetesen ehhez hozzátartozik, hogy a 225 kN tengelyterhelés eléréséhez mind alépítményi, mind felépítményi szempontból meg kell felelni az elvárásoknak. Elfogadott azonban, hogy előbbi teljesítéséhez az aszfalt kiegészítő réteg kiváló megoldást nyújt, hisz a teherbíró képesség növelésén felül kiváló rétegelválasztást és vízelvezetést biztosít. Ezenfelül a kiegészítő réteg homogenitásának következtében az alépítményi hibákból eredő, lokálisan jelentkező fekszinthibák és sárosodások hosszú távon is jelentős mértékben visszaszoríthatók. A beépítésnél alkalmazandó legkisebb vastagság 0,12 m, egyéb műszaki paramétereit a D.11.-es utasítás I. kötetének 9.5. fejezete tartalmazza. Az így megépített padka nagy könnyebbséget nyújt a feladatukat ellátó vonalgondozóknak és a karbantartási munkát végzőknek (1. kép).

Magyarországon körülbelül 100 km-es nagyságrendben alkalmazták az aszfaltréteg-beépítési technológiát, leginkább az erősen árvízveszélyes, gyenge talajmechanikai tulajdonságú, magas talajvízszintű területeken. Ezek életkora 20–40 év közöttire tehető. Vizsgálataink során többnyire a folyóvágány alá beépített kiegészítő réteget vettük górcső alá, viszont mindenképpen meg kell említeni, hogy sok esetben alkalmazták a kitérők alatti alépítmény alapozására. Ezek a megoldások a Pécsi Pályafenntartási Főnökség területén csaknem 30 helyen figyelhetők meg, valamennyi helyen megfelelő alátámasztást nyújtva. Az általam bejárt és megvizsgált szakaszok a táblázatban és az 1. ábrán láthatók.

A tapasztalatok továbbá azt mutatták, hogy az aszfaltréteg kiváló erősítő és rétegelválasztó szerepe által az alépítményre visszavezethető hibák minimálisak. Kiderült, hogy a megfelelő alappal rendelkező kiegészítő rétegek tartósan masszív alátámasztást nyújtanak, míg ahol az alapként szolgáló réteg gyenge agyag- vagy tőzegtalaj és homokos kavicsréteg, ott már jellemző a problémák kialakulása. Előbbire megfelelő példa lehet a 30. sz. vasútvonal Zalakomár–Zalaszentjakab szakaszon található rész, míg utóbbira a 40. sz. vasútvonal Vásárosdombó–Godisa közötti 4 rövid, összesen kb. 2 km vonalszakasz. A vizsgálatok során minél több referenciaszakasz bejárását próbáltuk véghezvinni. A szemrevételezési vizsgálatok során az alábbi 7 jellemző hiba fordult elő:

1. Oldalsó letöredezettség (2. kép),
2. Hosszirányú repedések,
3. Keresztirányú repedések (3. kép),
4. Burkolt árok elemeinek elmozdulása,
5. Hullámosodás (1. kép),
6. Agresszív növényzet,
7. Sárosodás.

Legfőbb általános megállapítások az aszfalttal megerősített szakaszokon:

– 20-30-40 év elteltével is a kiegészítő rétegek megfelelően ellátják feladatukat.
– A szélesebb/jelentősebb keresztirányú repedéseket leszámítva, a kiegészítő réteg hibáira visszavezethető pályageometriai romlás nem tapasztalható.
– A kivölgyelődött AT hegesztéseknél, valamint a sínillesztéseknél előforduló, ütközések okozta dinamikus erőhatások nem jelentenek szabályszerű töredezést a kiegészítő rétegen, azonban a már korábban keletkezett törések tovább romolhatnak.
– Még ha a rétegelválasztás tökéletes is, az ágyazat sárosodása hosszú távon így is előfordulhat. A felülről érkező por, valamint egyéb szennyeződés hatására az ágyazat cserélendő/rostálandó, azonban annak üzemideje lényegesen növelhető a hagyományos részekhez képest. A különbség szabad szemmel is látható (4. kép).

– Megfelelő burkolt árok kialakítása a pályaszerkezet mellett tovább tökéletesíti az aszfalt kiegészítő réteg tartósságát. Nem megfelelő oldalsó megtámasztás esetén az aszfalt széle letöredezik, az alapként szolgáló anyag „kifolyik”.

2.1. Főbb tapasztalatok, konkrét példák
A 30-as számú Budapest–Murakeresztúr vasútvonal Kápolnásnyék–Dinnyés, 471+50-497+10 és 509+77-568+02 szelvények közötti szakaszain, a ’82-es átépítés előtt a pálya erőteljesen vízzsákos volt a magas talajvízszint és a gyenge teherbírású talaj miatt. Ennek ellensúlyozására aszfalt védőréteg került beépítésre. Leginkább a régi zúzottkő ágyazatot, valamint HK réteget alkalmaztak alapként. Ettől függetlenül is, egyes részeken 0,4 m vastag aszfalt beépítése volt szükségszerű. 2004-ben a Tárnok–Székesfehérvár szakasz átépítésével megvizsgálták a jelenlegi rétegeket, és egyes helyeken akár 400 MPa teherbírási modulust is mértek, emellett a kritikus szakaszokon is 100 MPa feletti értékek voltak kimutathatók. Bár a kirívóan magas talajvíz okán az aszfalt alatti réteg nem tudott kiszáradni, a védőréteghez végül nem nyúltak, hiszen a 120 km/h sebességre elegendő alátámasztás végig biztosítva volt. Az 1-es számú Budapest–Hegyeshalom vasútvonal Kelenföld–Tatabánya szakaszán 1978-ban építettek be aszfalt kiegészítő réteget. Az 526+00-532+00-ig tartó szakaszon ágyazatcserét végeztek 2011-ben, mert erősen elsárosodott. Ettől függetlenül az aszfaltot a feltárások során meglepően jó állapotban találták, tehát a sárosodás nem volt visszavezethető alépítményi hibára. Laboratóriumban kiértékelt minták alapján a megerősítés még mindig megfelelően működött. A pályarész szakaszmérnöke segítségével hozzájuthattam az ágyazatcserekor készült képekhez, ami elegendő igazolást nyújt a védőréteg hatékonyságáról. A megépített pályán a vízelvezetés kialakítása rendkívül szabályos volt, amely a mai napig megfelelően működik. Az alépítmény ilyen optimális nedvességtartalmú szinten tartásának köszönhetően az alépítmény sem deformálja az aszfaltot, és a (képek tanúsága alapján) repedések kialakulása sem megfigyelhető.
2010-ben a 40-es számú Budapest–Pécs vasútvonal Vásárosdombó–Godisa szakaszát körbevevő régióra olyan mennyiségű csapadék zúdult, hogy a vasúttal szinte párhuzamosan folyó Baranya-csatorna nem volt képes a megnövekedett vízhozamot megfelelően elvezetni. Egyes részeken a vízszint elérte a sínkorona szintet is. Pozitív tényező volt, hogy a víznek ezen a szakaszon nem volt komoly sodrása, így a vasúti pályát nem mosta el olyan szinten, hogy azt teljes egészében át kelljen építeni. Az 1673+00 és 1678+00 szelvények között a pályát el kellett bontani, és az alépítményt meg kellett erősíteni. Erre a célra a cementstabilizációs eljárást választották akkor. Aszfalt szempontjából ez megint csak kedvező, hiszen ez a pályarész két, aszfalttal megerősített szakasz között helyezkedik el. Ebből is látszik, hogy az a vonalszakasz lett a legkomolyabb környezeti hatásnak kitéve, de a tárgyalt szakaszok jól helytálltak.
Végezetül pedig érdemes megemlíteni, hogy a Balaton déli parti vasútjának átépítése kapcsán a 30-as számú vasútvonal 1746+00-1753+00 szelvényei között szintén érintett volt egy szakasz, aminek tervezése és átépítési javaslata alapján az aszfalt kiegészítő réteget újabb réteggel megerősíteni nem kellett. A zúzottkő ágyazat elbontása után egy helyen volt látható érdemi, de vágánygeometriát hosszú távon nem befolyásoló süllyedés, melyben megállt a víz. Ez már egy megvalósult konszolidációs folyamat eredménye lehetett, így nem visszatérő, egyre romló hibáról beszélünk. Az elbontás utáni állapot az 5. képen látható.

Látható volt továbbá, hogy a két réteg aszfalt nem teljes szélességben került beépítésre. A felső réteg kevésbé széles kialakítása arra enged következtetni (beépítés utáni megvalósulási dokumentáció hiányában), hogy az csak a tehereloszlási zónába eső részt támasztja alá. Ezen felül a két réteg aszfalt a korábban meghatározott 6+6 cm helyett helyenként nagyobb vastagságban került beépítésre. A javítás kapcsán meg kell említeni, hogy a letöredezett széleket újraaszfaltozták, a rézsűmegtámasztást újra megoldották  (6. kép).

A kialakított szabványárok képes lesz a felszíni vizek elvezetésére, azonban ehhez a megtámasztó rézsű tartósan jó állapota elengedhetetlen.

3. Fontosabb külföldi tapasztalatok
Ha az ember jobban beleássa magát a témába, kiderül, hogy számos, fejlettebb vasúttal rendelkező ország folyamatos kutatásokat végez az aszfalt kiegészítő réteggel kapcsolatban. Míg például az Egyesült Államokban a nagy tengelyterhelésű tehervonatok miatt kiemelt figyelmet kap a teherbírás növelése, Japánban pedig a rétegelválasztás a legfontosabb, addig Olaszországban a nagysebességű vasútvonalak alátámasztása történik ezzel a módszerrel. Ausztriában az Osztrák Államvasutak (ÖBB) már régóta kísérletezik innovatív megoldásokkal. Az alkalmazott aszfaltréteg-vastagság 0,08 és 0,12 m között került meghatározásra. Az első beépített aszfaltréteg 1963-ra tehető, azóta az első feltárásig karbantartást nem igényelt! A ’90-es években teljes felépítménycsere történt, majd a vizsgálatok azt mutatták, hogy az aszfaltréteg javítása nem szükséges. Ebből a példából a pálya élettartamának költségét számolták, ami kifejezetten gazdaságos eredményt mutatott. Peter Veit életciklusköltséggel foglalkozó szakember számításai szerint az aszfalt védőréteget alkalmazó szakaszokon a nagygépes vágányszabályozás szükségszerűsége is kitolódott közel 67%-kal. Az életciklusköltség és az üzemidő kapcsolatából kiderült, hogy az üzemidő csaknem 17%-kal megnőtt [1]. Japánban a vasutak tervezésénél és építésénél 2007 óta külön szabványt alkalmaznak a vasúti felépítmény és az alépítmény közötti rész (többek között) technológiai utasításairól és méreteiről egyaránt. Azelőtt a méretek pontosan meg voltak határozva, azóta pedig a teljesítményalapú tervezés kötelező. Ezek a teljesítményi osztályzatok tartalmazzák a pálya fáradási élettartamát az áthaladó vonatok száma alapján. Teljesítmény szerint az alábbi osztályok kerültek kidolgozásra (rétegrendek felülről lefelé sorolva) [2]:

– 1. osztály: beton (0,18 m) vagy aszfalt (0,15) alap ágyazat nélkül, jól osztályozott zúzottkő alap (0,15 m), földmű,
– 2. osztály: ágyazat, aszfaltalap (0,05 m !!!), jól osztályozott zúzottkő alap (0,15-0,6 m), földmű,
– 3. osztály: normál ágyazatos felépítés, földmű

Az itthoni tapasztalatok miatt érdekes tény, hogy a japánoknál a 0,05 m aszfalt beépítését (2. osztály) már 30-40 éve alkalmazzák. Ez azért fontos, mert itthon 0,06 m beépítése csak egyszer történt meg, azonban az táblásan feltöredezett, kvázi használhatatlanná vált [3]. További releváns kutatások történtek Németországban és Spanyolországban, ezenfelül Olaszországban az 1200 km nagysebességű vasúti hálózaton, valamint a francia TGV gyorsvasút keleti részén is ilyen rétegszerkezettel került megépítésre a vasúti pályaszerkezet. Általánosságban elmondható, hogy az általunk megkövetelt 80-120 km/h sebességre megfelelő 80 MPa E2 modulust a külföldi nagysebességű vasútvonalakon sok esetben már az aszfalt kiegészítő réteg alsó síkján megkövetelik. Az ágyazat alsó síkján már ≥200 MPa értéket kell elérni.

4. Összegzés
Az itthoni tapasztalatok összességében nem nyújtanak rossz képet. Elegendő információval rendelkezünk további kutatások elvégzéséhez, melyek segítenének az aszfaltréteg alkalmazásának hosszú távú tervezésében. Napjainkban kiemelten, egyre nagyobb szerepet kap a fenntarthatóság és a sebesség növelése is. Ezen aspektusok újabb vagy már meglévő, de precízebb követelményeket fogalmaznak meg, amelyekre a tárgyalt technológia kifejezetten jó megoldást jelenthet. A tartósan megfelelő alátámasztásnak és vízelvezető képességének hála nagy tengelyterhelésű és nagysebességű vonalakon egyaránt jó megoldást jelent az aszfaltréteg alkalmazása, melyet alátámaszt számos kutatási és tapasztalati eredmény is. Egy másik, a környezetünk adta újabb felfogást igényel a változó klíma okozta rövid ideig tartó, de nagy mennyiségű csapadék. Ezen tényező kiemelt fontosságú lesz a közeli jövőben, hiszen a nagyobb intenzitású csapadék jobban károsítja az alépítményi földmű állapotát is. Az aszfalt védőréteg tökéletes vízelvezetést biztosít, így rendkívül hatékony megoldást nyújt majd. Tehát az egyre inkább előtérbe helyezett életciklusköltségek (LCC) figyelembevétele, valamint a hazai és nemzetközi tapasztalatok alapján érdemes foglalkozni a témával, és tovább optimalizálni a létesítési és fenntartási utasításokat, a még hatékonyabb feladatellátás érdekében.

Felhasznált irodalom

[1] Rose J., Teixeira P., Veit P. (2011): International design practices, applications, and performances of asphalt/bituminous railway trackbeds, GeoRail 2011 International (http://www.engr.uky.edu)
[2] Momoya Y. (2007): New Railway Roadbed Design, Railway Technology Avalanche, No. 20, pp, 4
[3] Teixeira P., Ferreira P., Pita A., Casas A., Bachiller A. (2009): The Use of Bituminous Subballast on Future High-Speed Lines in Spain: Structural Design and Economical Impact, International Journal of Railway, Vol. 2, No. 1, pp. 1-7