Feszített betonaljak az ÖBB hálózatán

A vasbeton alj egyszerű előre gyártott betonelemből napjainkra high-tech termékké vált, és fejlődésének és tökéletesedésének folyamán számos újításon ment keresztül.

Itt mutatkozott meg, hogy egy infrastruktúra-hálózat esetében végeredményben csak a többéves üzemi tapasztalat alapján lehet biztos kijelentéseket megfogalmazni a tartósságra vonatkozóan. A múlt kudarcaiból okulva azonban nagyon jó nemzetközi méretezési szabványok születtek, amelyek a vasbeton alj helyes előállításának esetén több mint 50 éves élettartamot garantálnak.

Életciklusköltség szempontjából az ÖBB vasúti pályára vonatkozó stratégiája (ÖBB Strategie Fahrweg) betonaljak használatát írja elő. Ha napjainkban az ÖBB-nél betonaljakat bontanak ki a pályából, akkor azok általában teljes mértékben működőképesek, viszont a kevésbé rugalmas aljak olyan intenzitással veszik igénybe az alépítményt, hogy az veszít a teherbírásából. Ebből a tényből kiindulva a napi 30 000 bruttótonnát meghaladó terhelésnél az aljakat a gyártás során aljpapuccsal látják el. Talpfákat már csak hegyi szakaszokon dilatációs hézagos vágányok esetében, illetve tolatóvágányok területén építenek be.

Az ÖBB pályahálózatában jelenleg több mint 16 millió keresztalj található, ennek kb. 60%-a készült betonból. Az első betonaljakat az 1950-es évek közepén építették be az ÖBB hálózatán. (A világon beépített összesen 3 milliárd vasúti keresztaljnak kb. 20%-a betonalj.)
Az ÖBB ezzel több mint 60 évnyi, összességében nagyon jó tapasztalatra tekinthet vissza a betonaljakat illetően.

Napjainkban Ausztriában a következő betonaljtípusokat alkalmazzák:

Vágányaljak:

• L2
  – Hossz: 2,60 m,
  – tengelyterhelés: 250 kN,
  – Vossloh sínleerősítés, gyártó: MABA

• K1
  – Hossz: 2,60 m,
  – tengelyterhelés: 250 kN,
  – Vossloh sínleerősítés, gyártó: SSL

• HDS
  – Hossz: 2,60 m,
  – tengelyterhelés: 250 kN,
  – Vossloh sínleerősítés, gyártó: SSL

 Kitérőalj:
– Különböző hosszak,
– tengelyterhelés: 250 kN,
– Vossloh sínleerősítés,
– gyártó: MABA és SSL

Feszített betonaljak gyártására vonatkozó előírások
A feszített betonaljakkal szembeni követelmények meghatározásakor Ausztriában 50 éves használati időtartammal számolnak.
Az ÖBB-nél beépített feszített betonaljak gyártásához C50/60 nyomószilárdsági osztályú betont és CEM 1 típusú portlandcementet használnak. A beton hosszú távú tartósságát Ausztriában a Taber-kopásállósággal fejezik ki, emellett igazolni kell a fagyás-olvadási ciklusoknak való ellenállást is. Az adalékanyagoknak meg kell felelniük az EN 12620, a katalizátoroknak pedig az EN 934-2 szabványnak. Más adalékok – például kalcium-klorid összetételek – alkalmazása tilos. A betonaljat előfeszítik, a próbakocka nyomószilárdságának az előfeszítő erő bevitelének időpontjában ≥ 45 N/mm²-nek kell lennie.
A feszített acélbetéttel szembeni követelmények tekintetében az ÖNORM EN 1992 szabvány 1-1. rész 2.3.2.1. pontja szerinti előírásokat kell betartani. Az aljak statikus vizsgálata során vizsgálni kell a sín felfekvési felülete alatt a beton és a betonacél közötti felületi kötést (tapadást). A mért csúszás értéke nem lépheti túl a 0,025 mm-t.
A méretezés 250 kN tengelyterhelést vesz alapul. Az ÖNORM EN 13230 szabvány szerint a pozitív Mdr (tervezési határnyomaték a sín alatt felül) érték szempontjából 20 kNm-t, a pozitív Mdc (tervezési határnyomaték a betonalj közepén) érték szempontjából 10,5 kNm-t és a negatív Mdc érték szempontjából –13,5 kNm-t kell dinamikusan igazolni, melyet a beton repedésmentesen fel képes venni. A beton hajlító-húzó szilárdsági peremfeszültségének maximális értéke + σ < 3,0 N/mm² lehet.

Az alj minőségének biztosítása
Az aljak megfelelő minőségének biztosítása érdekében az aljakat folyamatos vizsgálatoknak vetik alá. A vizsgálatok alapjául az Európai Szabványok szolgálnak. A típusengedély-vizsgálatokat az EN 13230-1:2009 szabvány szabályozza, ezeket akkreditált intézmények végzik egyszeri alkalommal. A rendszeres vizsgálatokat ezzel szemben folyamatosan végzik, ezek a gyártás folyamatos minőség-ellenőrzését szolgálják. Az előállítás közben a beton minőségét a nyomószilárdság és a víz-cement tényező alapján felügyelik. A feszített acél elhelyezkedését és az előfeszítő erő megfelelőségét háromhavonta ellenőrzik.
A kész termékek ellenőrzése háromhavonta három darab raktáron lévő keresztaljon elvégzett vizsgálatokkal történik. Ellenőrzik a betonalj méreteit, súlyát, a kitérőaljak vertikális elcsavarodását és a kapcsolószereket. A felület minőségét szemrevételezéssel ellenőrzik. Továbbá rendszeresen végeznek statikai vizsgálatokat a sínfelfekvési felületeken. A vonali keresztaljak hajlítóvizsgálatait (EN 13230-2) és a kitérőaljak hajlítóvizsgálatait (EN 13230-4) háromhavonta, a raktárban lévő három keresztaljon végzik el.

A betonaljak hasznos élettartama
A betonaljak hasznos élettartamát sok tényező befolyásolja, ezért nem könnyű meghatározni. Günther Leykauf egyetemi professzor a München Műszaki Egyetem Szárazföldi Közlekedésépítési Ellenőrző Hivatalától (Prüfamt für Bau von Landverkehrswegen) és Nasser Maleki okl. mérnök tudományos munkatárs Feszítettbeton aljak hosszú távú viselkedése című cikkükben feszített betonaljakon végzett hosszú távú vizsgálatokat ismertettek. Pályában 26, illetve 35 évnyi üzemi terhelésnek kitett feszített betonaljakat vizsgáltak. A szemrevételezéses vizsgálat során az aljak alsó oldalán enyhe kopási jelenségeket, valamint a széleken kitöredezéseket találtak. Ennek ellenére látható volt, hogy a vizsgált aljakon 35 évnyi pályában, üzemi terhelés alatt töltött idő után sem mutatkoztak repedések a hajlítási zónában. Továbbá megállapították, hogy a feszítőbetétben még meglévő hatékony előfeszítő erő megfelelt a megkövetelt névleges feszítőerőnek. További vizsgálatok is azt mutatták, hogy 35 év pályában töltött idő után sem lehetett még fáradási jelenségeket megállapítani.

Aljpapuccsal ellátott aljak
Azáltal, hogy az aljak alsó részét aljpapuccsal látják el, elkerülhető a zúzottkő ágyazat károsodása. A nagyobb érintkezési felületek révén javul a tehereloszlás. A nyomvezetési képesség tartósabbá válása nyomán meghosszabbodnak a szabályozási ciklusok, és ez hozzájárul a karbantartási költségek csökkenéséhez is. Emellett ritkábban alakul ki rovátkás kopás a kis sugarú ívekben, és csökken a vibráció is.
A tapadó-húzószilárdság megállapításához leszakítási vizsgálatokat végeznek (a BN 918 145-1 szabvány szerint a DIN EN 1542 szabvánnyal összhangban) 0,01 N/mm² másodpercenkénti terhelési sebességgel. Az elvárt minimum 0,4 N/mm², a legalább három próbából számított elvárt középértéknek ≥ 0,5 N/mm²-nek kell lennie.

HD aljak
A HD feszített betonaljat speciálisan nagy sebességű szakaszokon, nagy tengelyterhelésű és ívekben gazdag vasúti szakaszokon történő alkalmazásra fejlesztették ki. Az előnyök a zúzott kőre gyakorolt kisebb nyomásból, a keresztirányú ellenállás növekedéséből, a szabályozási menetek számának csökkenéséből és a nagyobb szilárdságból és teherbírásból adódnak. A HD aljak alkalmazásával jelentős mértékben csökken a vágány karbantartási szükséglete. Az ÖBB 200 méter alatti ívsugárnál ezeket az aljakat alkalmazza.
A HD aljak (HDS, angolul: heavy duty sleeper = nagy teherbírású alj) kialakítása lehetővé teszi a 250 kN-os tengelyterhelések elviselését. A feszítőbetéten kívül a sín felfekvési felületét is ellátják feszítetlen vasalattal, az előfeszítő erő 480 kN. A felfekvési felület, vagyis az alj és a zúzott kő közötti érintkezési felület 0,9 m².

Feszített betonaljak repedési viselkedése
A repedések képei az aljakon nagy eltéréseket mutatnak. Alapvetően keresztirányú, hajlításból eredő és hosszirányú repedésekre (a műanyag betétektől kiinduló „dübelrepedések”, a rés alakú és széthasító repedések) osztják őket.
Az aljak gyártása során különösen hornyok mentén, a műanyag betétek mellett és a keresztaljak homlokoldalán léphetnek fel repedések. A műanyag betétek mellett kétfajta repedés lép fel. Rövid hosszirányú repedések nagyon könnyen felléphetnek a gyártás során a sablon és az alj között fellépő feszültségek miatt. Ez a károsodás a sínleerősítés műanyag betétjétől indul ki. Ez tehát egy olyan repedés, amely a gyártás közben az anyag túlzott igénybevétele miatt keletkezik, és csak a beépítés után válik láthatóvá. Ezek a repedések az idő előrehaladtával egyre kisebb mértékben növekednek, majd a növekedés teljesen leáll; a repedéshosszak 5–20 cm-re korlátozódnak. Ezt a repedésfajtát az ÖBB figyelemmel kíséri, de az aljakat nem cserélik, mivel teherbírás-csökkenés nem várható.
A hosszirányú repedések második fajtáját másodlagos ettringitképződés következtében fellépő térfogat-növekedés okozza, és szintén a műanyag betéttől indul ki. Egy bizonyos idő után a repedések az alj közepe és az aljvégek irányába kiszélesednek. Ezeknek a repedéseknek a képződése lassan indul, 4–6 év után azonban méretük és számuk is egyre gyorsabban növekszik. Amennyiben a károsodás már annyira előrehaladott, hogy eléri az alj közepét és/vagy az alj végét, akkor a kezdeti dübelrepedés rés alakú repedésbe megy át. Ha a repedés az alj teljes hosszát érinti és a repedésszélesség tovább nő, akkor a továbbiakban a keresztalj belseje is megreped. Körülbelül 10 év után elkerülhetetlen az aljcsere. A vágány teherbírása sokáig megmarad, és csak akkor csökken, ha több, egymás mellett fekvő keresztaljon lép fel átmenő hosszirányú repedés, és az aljak széthasadnak.
A repedésképződés okának feltárását megnehezíti, hogy gyakran több körülménynek kell összejátszania egy károsodás megjelenéséhez. A keresztalj gyártási eljárásának döntő befolyása van a repedésképződésre. Nagyobb a repedésképződés veszélye a késleltetett kizsaluzást alkalmazó gyártási eljárásnál az azonnali kizsaluzással szemben, mivel a megkötött beton és a sablon között feszültségek léphetnek fel. Az előzetes károsodás további okai lehetnek a hibás hőkezelések vagy a túl rövid kötési időtartam. A késleltetett ettringitképződés elkerülése érdekében lehetőleg alacsony szulfát- és alumíniumtartalmú cementet célszerű használni, fontos továbbá a beton hőmérsékletének korlátozása a kötés időtartama alatt.
Az ÖBB szállítási feltételei alapvetően nem fogadják el a repedéseket, tehát repedésmentes aljakat kell szállítani. A repedés-ellenőrzést a kb. 4 héttel azelőtt legyártott, raktárban tárolt aljakon végzik.

Összegzés
A betonaljak gazdasági és műszaki előnyei messze túlszárnyalják a faaljak előnyeit. A jövőben az ÖBB-nél egyre inkább csökkenni fog a faalj jelentősége, és a betonalj foglalja majd el a faalj helyét. A repedésképződésből eredő káresetek az ÖBB meglévő hálózatában elhanyagolhatóak és nem jelentenek lényegi problémát. Fontos feltétel, hogy az infrastruktúra-üzemeltetők időben jelezzék betonaljigényüket a gyártók felé, hogy az aljak gyártása a megfelelő előkészítés mellett és megfelelő minőségben történhessen. A standardszerűen aljpapuccsal ellátott, fővonali szakaszokon beépített vonali és kitérőaljak tekintetében kb. 14 év igénybevétel után a vártnál kisebb karbantartási ráfordítás mutatkozik. Jelenleg az ÖBB meglévő hálózatában nagyjából 1,4 millió aljpapuccsal ellátott betonalj és kb. 800 csoport aljpapuccsal ellátott kitérő található. A szabályozási ciklusok nagymértékben hosszabbodnak, a zúzott kő kevésbé károsodik és az alépítményre gyakorolt igénybevétel is sokkal kisebb. Megfelelő minőségű előállítás esetén a betonalj biztosan eléri az 50 éves élettartamot.