Ha megvizsgáljuk a zúzottkő ágyazatos vasúti pályák szerkezeti kialakítását, akkor szembetűnő, hogy a felépítmény legnagyobb kiterjedésű – egyben legnagyobb tömegű – részét a zúzottkő ágyazat teszi ki. Funkciói között megemlíthető:

• a vágány szilárd (az aljak alacsony maradó elmozdulásának biztosítása a terhelés áthaladásakor), de mégis rugalmas alátámasztása (természetesen a korlátozott rugalmas süllyedés biztosítása is fontos a járművek futásjósága és az utazáskomfort miatt);
• a teherviselés (a vágányról érkező kü­lönböző irányú erők felvétele) és a tehertovábbítás (az alépítményi kiegészítő réteg vagy ennek hiányában az alépítményi földmű irányába);
• a hézagnélküli vágányok szerkezeti stabilitásának biztosításában való meghatározó szerep betöltése;
• a csapadékvizek elvezetése (átengedése) az alépítményi koronáig vagy egyéb oldalirányú vízelvezető rétegig;
• a vágány geometriai szabályozásának egy­szerűen történő lehetővé tétele.

Ehhez fontos, hogy az ágyazati kőanyag

• szívós,
• kopásálló,
• nagy szilárdságú (terhelésnek törés és aprózódás nélkül ellenálló),
• hosszúkás és kubikus alakú,
• éles, törtszemcsés szerkezetű,
• tömör (nem porózus) és vízfelvételnek ellenálló,
• időjárásálló (pl. fagyálló, mállásnak ellenálló stb.) legyen.

Az ágyazattal (halmazzal) kapcsolatos elvárások:

• érdes felületű legyen a kellő mértékű belső súrlódás miatt;
• jó vízáteresztő;
• kohézió nélküli;
• olcsó és gazdaságos legyen.

A magas teherbírású, szilárd, tartós alátámasztást biztosító feltételek nem feltétlenül állíthatók párba a jó vízáteresztő tulajdonsággal. Az első „hármas feltétel” sokkal inkább egy folyamatos szemelosz­lású, jól és könnyen betömöríthető szemcsés réteget igényelne, míg a jó vízáteresztést egy egyszemcsés vagy egy „finom frakciók” nélküli anyag, amely ha 4 mm-nél kisebb szemcséket egyáltalán nem tartalmazna, optimálisan tudná biztosítani ezt az elvárást. Az alsó szemcsemérethatár viszont a vasúti zúzottkő ágyazatnál 22,4 mm, így nehezen tömöríthető, és a megfelelő teherbírás biztosítása miatt okoz nehézséget. Hasonló a gond a vágány egyszerű geometriai szabályozhatósága szempontjából is: a kvázi egyszemcsés szerkezet megfelelő erre, viszont az aljak alatti réteg kellő tömörségének elérése itt is probléma – ami a folytonos szemeloszlást „igényelné”. A keresztaljak alatti egyenletes talpfeszültség-eloszlást a nyújtottabb szemeloszlású alapréteg lenne képes biztosítani, nem a közel egyszemcsés rétegek.
Érdekes tényként megállapítható, hogy az útépítésben több helyen találkozni olyan területekkel, ahol a felső, teherbíró réteg alatt nagyobb finomszemcse-tartalmú anyagot alkalmaznak, például beton térkő alá homok ágyazóréteg is kerülhet a CKt vagy szemcsés alaprétegre; aszfaltréteg alá is szabványos, bevált megoldás FZKA (az új elnevezés szerint Z, NZ és KZ anyagok [2]) típusú anyagot beépíteni. A vasúti pályaszerkezetben a keresztaljak között és alatt tradicionálisan is viszonylag nagy szemcséjű ágyazati anyagot alkalmaztak (Magyarországon régebben 20/65, 2006-tól 31,5/50, valamint 31,5/63 mm) a világon szinte mindenhol (pl. a Deutsche Bahnnál az ún. széles aljak [Breitschwelle] alá is hagyományos zúzottkő ágyazati réteget terítenek). Ezzel ellentétben, a merevlemezes pályaszerkezetben a vasbeton pályalemez alá folytonos szemeloszlású (főként tört-) szemcsés alapréteg kerül, általában mind alépítményi teherbírásnövelési, mind fagyvédelmi szempontból, valamint magas talajvízszint esetén akár kapilláris megszakító rétegként is. Utóbbi rétegeket az ágyazatos felépítmény alatt is alkalmazzák.
A vasútépítési gyakorlat a jelenlegi állapot szerint erőteljesen a (megszokott és bevált) zúzottkő ágyazatos felépítményi struktúrát preferálja, aminek okát feltételezni lehet. A vasúttársaságok jelentős része az aláverő-kalapácsos, ágyazattömörítéses eljárást alkalmazza (pl. Plasser&Theurer, Matisa célgépekkel), ehhez viszont technológiailag a nagyobb szemcseméretű zúzottkő ágyazati anyagszerkezet szükséges. A technológia egyik hátrányaként meg lehet említeni, hogy az aláverő kalapácsok a tömörítés során erőteljesen törik, aprózzák a köveket, ezzel rövidítve a szükséges ágyazatrostálások ciklusidejét, növelve a karbantartási költségeket, egyben csökkentve az élettartamot. További hátránya, hogy a keresztaljak alatti betömörödött ágyazati gerendákat minden vágányszabályozás során fellazítják, így a vasúti pályás szakemberek által közismert jelenséggel lehet találkozni, miszerint a legtömörebb zúzottkő ágyazati réteg (az aljak alatt) és a legtökéletesebb vasúti pályageometria általában nem érhető el egyszerre. Az 1900-as évek közepéig-végéig a MÁV-nál is használták az ún. alázúzalékolási technológiát – tudomásunk szerint kizárólag lokális pályageometriai hibák kézi eszközökkel történő javítására –, amely ez utóbbi problémát igyekezett kiküszöbölni. Gépláncos megoldását (ún. stoneblower) hazánkban nem vezették be, viszont például a Network Railnél (Egyesült Királyság) jelenleg is alkalmazzák [3].
Abból az okból kifolyólag, hogy a már bevált szerkezeti kialakítás megváltoztatására alig van esély – hiszen a világ legnagyobb országai és vasúttársaságai is ezt alkalmazzák –, így elsődlegesen újító szándékkal a napjainkban használt megoldás optimalizálásával szeretnénk foglalkozni. Speciálisan az ágyazati szemcsék szerkezeti degradációja (a szemcsék aprózódása, törése, kopása), realisztikus és pontos mérési módszerek kifejlesztése, valamint a degradáció csökkentési lehetőségei a témakörhöz kapcsolódó kutatási területünk.

Szemcsék degradációjának vizsgálata

Amennyiben a zúzottkő ágyazati szemcsék degradációját szeretnénk tanulmányozni, első közelítésként azt kell meghatároznunk, hogy mit értünk jelen esetben degradáción, másodsorban pedig azt, hogy pontosan milyen hatások okozzák ezt a jelenséget.
A degradáción a vasúti zúzottkő ágyazat szemcséinek avulását, leépülését, részbeni vagy teljes tönkremenetelét értjük. Megkülönböztethetünk ezen belül szemcseaprózódást és kopást. Ezek általában egyszerre, bizonyos esetekben egymás hatását erősítve, máskor pedig csök­kentve, jelentkeznek. Üzemi körülmények között forgalmi terhelés, illetve kézi és gépi geometriai szabályozás között a nagyobb „kárral”, leépüléssel járó folyamat az aprózódás. Ebben az esetben kisebb-nagyobb darabok válnak le a szemcsékről – főként az éleikről, sarkaikról –, esetleg a kő több darabra törik szét. A kopás, ahogy az elnevezése is jelzi, a szemcsék egymáson, valamint például a vasúti alj alsó síkján történő kisebb-nagyobb elmozdulások hatására alakul ki. A szemcsékre gyakorolt térfogatváltoztató hatásnak a mértéke általában lényegesen kisebb, mint az aprózódásnak. A kopás „eredményterméke” főként kőpor.
Az 1. ábrán az ágyazati szennyeződések forrásait szemléltetjük a [4]-es irodalom alapján.

Az alábbiakban a szemcsék degra­dá­cióját kiváltó okokat vizsgáljuk meg. A vasúti zúzottkő ágyazatos pályákban (keresztaljas, kétblokkos magánaljas és hosszaljas kivitel alkalmazásakor viszont mindegyik esetén különböző mértékben) a zúzottkő ágyazat szemcséit statikus és dinamikus hatások is érik, amelyek közül a jelentősebbek az alábbiak:

• önsúlyteher (a szemcsék degradációja szempontjából általában elhanyagolható mértékű, ellenben a szemcsék mechanikai feszültségállapotát természetesen befolyásolják);
• járművek okozta erők, hatások közel tökéletes (geometriai és szerkezeti minőségű/állapotú) pályán;
• járművek okozta erők, hatások geometriai és/vagy szerkezeti hibás pályán (vágánygeometriai hibák, elverődött sínvégek, kivölgyelődött hegesztések stb.);
• természeti-környezeti hatások (fagyás, olvadás, napsütés, eső, szél stb.);
• rendkívüli hatások (földrengés, vihar, stb.);
• szintbeni útátjárókon a közúti járművek okozta erők, hatások;
• építő- és karbantartó gépek aláverő kalapácsainak, illetve az ágyazatszél- és aljköztömörítő gépek, valamint dinamikus vágánystabilizátorok szemcseaprózó hatása.

A szemcsék degradációját a fent felsoroltak figyelembevételével – a teljesség igénye nélkül, valamint nem fontossági sorrendben – legfőbb mértékben a következő tényezők befolyásolják:

• az ágyazat kőzetfizikai jellemzői (elsősorban az aprózódási és kopási ellenállás, fagyállóság – amelyek főként az alapkőzet anyagától, mechanikai ellenállásától függenek);
• a szemcsék statikus és dinamikus terhelésének nagysága, feszültségállapota, amely az alábbiak függvénye
  – a vasúti vágányt érő statikus és dinamikus terhelések és hatások nagysága (függőleges, vízszintes hosszirányú, vízszintes keresztirányú) mind üzemszerű, mind rendkívüli körülmények (pl. síntörés, kivölgyelődött hegesztés, lapos kerék stb.) között – amelyek vonatkozásában különösen megemlítendő a pályán engedélyezett statikus tengelyterhelés, sebesség (a sebesség a dinamikus terhelés frekvenciáját is befolyásolja, ami szintén kritikus paraméter lehet);
  – a vasúti vágány rendszere (hagyományos hevederes illesztéses vagy hézagnélküli)–
  – sínek, sínleerősítések, sínillesztések tí­pusa, geometriai és mechanikai jellemzői, keresztaljak anyaga (aljak esetén ez is befolyásolhatja a felfekvési felületet, pl. vasbeton aljak, faaljak);
  – (kereszt)aljak tengelytávolsága és felfekvési felülete;
  – a vágány alátámasztási és vízszintes megtámasztási rugalmassága;
  – az ágyazati réteg vastagsága, az ágyazati rézsű hajlásszöge;
  – a szemcsék mérete, szemeloszlása (a kezdeti és üzem közbeni állapot is lényeges az apró és finom szemcsék mennyiségének szempontjából), a szemcsék alakja, lemezessége, „élesélűsége” (tört élű vagy kerek/legömbölyödött/lekopott) stb.;
  – a kövek felülete (száraz, nedves/vizes/olajos/vegyszeres);
  – a zúzottkő ágyazat tömörsége;
  – a zúzottkő anyag előállítási módja (bányából érkező új anyag vagy recycling technológiával készült);
  – alkalmaztak-e különleges technológiát a zúzottkő ágyazati réteg erősítésére (pl. geoműanyagos erősítés, ágyazatragasztás stb.), mechanikai jellemzőinek módosítására (TDA, neoballast stb.), az aljak és az ágyazati réteg, valamint az ágyazati réteg alsó felfekvési síkján az érintkezési felületének növelésére és a kialakuló feszültségek csökkentésére (aljpapucs és alágyazati szőnyeg);
  – stb.

• a vasúti pályában a szerkezeti elemek, különösen az ágyazati réteg tervezett és „valós” élettartama (azaz, hogy ténylegesen mekkora forgalmi terhelést – tengelyáthaladást vagy átgördült elegytonnát – kell elviselniük). Itt fontos megemlíteni a karbantartási gyakorlatot is, ahol a kézi/gépi aláverések gyakorisága és az alkalmazott eszközök, gépek, gépláncok műszaki jellemzői is lényegesek, példaként megemlíthető, hogy az alázúzalékolás nem aprózza a köveket, a betömörödött ágyazati gerendát nem lazítja fel, viszont az ágyazati réteg szemeloszlását a finom szemcsék arányának növelésével rontja.

Fontosnak tartjuk megjegyezni, hogy a zúzottkő ágyazat igénybevételeire, feszültségállapotára alkalmazható klasszikus modellek (pl. Schramm-módszer) idealizálják az erőátadásokat. Nem veszik figyelembe a szemcsék különböző méretét, amorf alakját stb. A valóságban viszont a tényleges erőátadás a szemcsék között csúcs-csúcs, él-él és csúcs-él felületeken-vonalakon va­lósul meg. A merev testtel való érintkezéses kapcsolatban sem egyenletes feszültségeloszlás alakul ki (pl. acél, vasbeton anyagú keresztaljak, illetve merev alátámasztást adó ágyazatátvezetéses hidak). Belátható, hogy amennyiben ezekből a modellekből indulunk ki, vagy egyáltalán nem, vagy fals módon lehet csak figyelembe venni az ágyazati szemcsék aprózódását, kopását. (Természetesen az általuk alkalmazott statikus terhelés sem alkalmas a korrekt kalkulációkhoz.)
A 2. ábrán szemléltetjük a függőleges feszültség eloszlását a keresztalj alsó síkján a [4]-es irodalom alapján.

Zúzottkő ágyazatok anyagai

A zúzottkő ágyazatra a legmegfelelőbb anyagok a mélységi magmás kőzetek (gránit, bazalt, andezit, gabbró, porfír stb.), ezekből Magyarországon jellemzően a ba­zalt és az andezit érhető el megfelelő mennyiségben és minőségben erre a célra.
Mint minden mérnöki létesítmény építése esetén, a zúzottkő ágyazatos vasúti pályáknál is mindenhol az adott országban elérhető anyagokat célszerű elsődlegesen alkalmazni, figyelembe véve a szállítási (és esetlegesen felmerülő import) költségeket – természetesen igazodva az adott országban érvényes műszaki szabályozásokhoz. Ez utóbbit optimális esetben összehangolják a létesítmény teljes élettartamára számított összes felmerülő költségével (LCC, azaz life cycle costs), az elérhető alapanyagok típusával, minőségével – és természetesen a kialakítandó létesítmény főbb paramétereivel (jelen esetben a vágány rendszere, tervezési sebesség, tengelyterhelés stb.).