Ballastrensing

1 Kort om krav til ny ballast

(For en mer omfattende og detaljert beskrivelse av ballast som komponent i overbygningen vises til lærebok 533 kap. 5, Ballast)

Jernbaneverkets krav til ballastmateriale er i hovedsak knyttet til fire egenskaper:

• fraksjonering/kornfordeling
• renhet
• kornform
• slitestyrke

1.1 Fraksjonering

Kornfordelings-kurven Kornfordelingskurven til et materiale viser fraksjoneringen, altså vektprosenten av korn med diameter opp til bestemte størrelser. Ballasten skal ha en kornfordelingskurve som tilfredsstiller kravene som f.eks. Jernbaneverket har fastsatt i sine retningslinjer, men det er umulig å definere et statisk/rigid krav til kornfordelingskurven. Jernbaneverket har derfor definert et “rom” som kornfordelingskurven for ny ballast skal ligge innenfor.

Mye av den ballasten som leveres til Jernbaneverkets anlegg ligger helt opptil maksimalgrensa for innhold av de minste fraksjonene. Dette er selvfølgelig en fordel for leverandørens økonomi, men hva har det å si for ballastens levetid? Nettopp på grunn av stort innhold av de minste fraksjonene har det i en periode vært vanlig å kreve at ballasten skulle vært vasket ved levering til Jernbaneverket. Dette øker selvfølgelig produksjonskostnaden betydelig, og effekten har vært diskutert.

Tabell 7.1 Sammenligning av krav til ny ballast i nordiske land

Selskap	nom. fraksjon [mm]	nom. fraksjon [mm]	vekt% < nom. fr.	vekt% > nom. fr.	maks. diam. [mm]	mindre fraksjoner	mindre fraksjoner
	maks.	min.				diam.	maks. vekt%
JBV (Norge)	63	25	10	10	73	1,6	0,5
BV (Sverige)	63	32	10	4	80	11,2	0,5
VR (Finland)	64	32	10	8	70	1,0	2,0
BS (Danmark)	45	32	20	20	84	16,0	5,0
					1,0	1,5

1.2 Renhet

Ballastmateriale skal være fritt for jord, vekstrester ol. Hvis det finnes slike ting i ballasten vil det forandre ballastlaget dynamiske og drenerende egenskaper. Dårlig drenering i ballastlaget kan føre til redusert stabilitet og problemer ved frost, og hvis spisskreftene fra trafikken ikke blir tilstrekkelig dempet av ballastlaget vil det i tillegg bli en uakseptabel påkjenning og slitasje på de andre komponentene i overbygningen.

1.3 Kornform

Ballasten har best dynamiske egenskaper når en stor andel av kornene i ballasten har tilnærmet kubisk fasong, og det er grenser for hvor stor andel flisig og stenglig materiale ballasten bør inneholde. Dette har betydning både for materialets motstand mot nedknusing og ballastlagets ”elastisitet”. Ved kontroll i Jernbaneverket vurderes andelene visuelt og ved telling av steiner i stikkprøver.

1.4 Slitestyrke

Los Angeles maskin

Slitestyrken beskriver materialets motstand mot nedknusing og slitasje. Det finnes flere måter å undersøke dette på. Flere selskaper, blant annet Jernbaneverket, har funnet at prøving i Los Angeles maskin gir materialet en behandling som er mest relevant i forhold til påkjenningene ballasten blir utsatt for i sporet. Los Angeles-maskinen kombinerer slite- og slagstyrke fordi materialet både slites på innsida av trommelen og dessuten “kastes” i trommelveggen av en innvendig kant når trommelen roterer.

2 Krav til ballast i sporet

Jernbaneverkets krav er i utgangspunktet rettet mot ny ballast, og det er ingen tekniske og objektive krav til ballasten etter at den er lagt i sporet og tatt i bruk.

I Jernbaneverkets tekniske regelverk står det litt om ballastrensing:

”Ballastrensing skal iverksettes når

• det er problemer med å få justeringen til å stå, og årsaken til dette ligger i ballasten (ikke ustabile fyllinger). Høydefeil med bølgelengder mellom 3,5 og 30 m stammer i hovedsak fra dårlig ballast.
• pukkprøver viser at pukken ikke tilfredsstiller krav til kornfordeling, slitestyrke og kornform.
• man har problemer med vaskesviller, frost og tele i ballasten.”

I andre deler av det tekniske regelverket til Jernbaneverket er det kun henvist til tillatt nominell fraksjon for ballasten, 25-63 mm, og ut fra det andre punktet over kan man tro at kravet til nominell fraksjon også gjelder for ballasten som er tatt i bruk/ligger i trafikkert spor. Dette blir naturligvis ikke rimelig. Disse retningslinjene er ikke lette å håndtere, og vurderinger av rensebehov på Jernbaneverkets baner er basert på subjektivt, men kvalifisert skjønn fra blant annet lokalt banemannskap og strekningsledere.

Banestyrelsen (Danmark) ser ut til å fokusere på andelen materiale med diameter mindre enn 16 mm men har ingen offisielle forskrifter angående dette.

Banverket(Sverige) ser på andelen av tre fraksjoner; 0-11,2 mm, 11,2-22,4 mm og 22,4-31,5 mm i ferdig renset spor, men heller ikke der finnes noe objektivt inngrepskriterium for ballastrensing.

Office for research and experiments og the international union of railways. ORE ,har gjennomført et program som gir forslag til klassifisering av ballastkvaliteten og metoder for å undersøke ballasten i sporet. For flere selskaper kan det være aktuelt å legge dette arbeidet til grunn for formulering av kriterier for ballastrensing.

Det er viktig å vurdere behovet for ballastrensing i sammenheng med hele sporkonstruksjonenes tilstand, f.eks. dreneringssystemet og ballastlagets tykkelse.

3 Kvalitetsendring i sporet

Kornfordeling

Til tross for at den ballastmaterialet som brukes tilfredsstiller kravene idet det legges ned i sporet, vil det med arbeidsoperasjoner, trafikkbelastning og eventuelle feil i sporkonstruksjonen, relativt hurtig skje en endring i ballastens egenskaper. Endringer skjer både når det gjelder kornform, kornfordeling og ballastprofil. Figur 7.1 viser at kornfordelingskurven som følge av disse prosessene vil forskyves opp og mot venstre i diagrammet, med negative konsekvenser for andelen finstoff og dermed ballastens stabilitet og egenskaper ved frost.

Figur 7.1 Ballasten endrer kornfordeling etter en tid i sporet

Når det kommer vann til, vil dette finstoffet fungere som smøring mellom de større kornene i ballasten og den mister sin sentrale elastiske egenskap, og det blir umulig og opprettholde sporjusteringen. Sporkreftene gjør at det glir bort fra ønsket posisjon.

Prøver som Jernbaneverket har tatt av ballasten på Kongsvingerbanen (lite til moderat trafikkbelastning), viser en viss sammenheng mellom andelen av små fraksjoner i ballasten og antall år siden siste ballastrensing, se figur 7.2.

Figur 7.2 Sammenhengen mellom finstoffinnhold og år siden siste ballastrensing for ballastprøver fra Kongsvingerbanen

For baner med trafikkbelastning som ligner Kongsvingerbanens kan tidsintervall for rensing gi en vel så effektiv ressursbruk som rensing på bakgrunn av sikteanalyse av ballastprøver. For baner med stor trafikk eller spesielle lokale forhold kan siktekurver fra ballastprøver være gode indikatorer på rensebehovet.

3.1 Årsaker til økning i finstoffinnholdet

Det vanligste årsakene til økning av finstoffinnholdet i ballasten er:

• nedknusing på grunn av trafikklaster
• oppressing av materiale fra underbygningen
• arbeid i sporet
• lekkasjer fra transportert gods
• tilførsel av materialer fra omgivelsene
• ballastens bergart

De to første og det siste av punktene over har utgangspunkt i overbygningens konstruksjon og materialenes egenskaper. Finstoffanrikelse på bakgrunn av disse skjer gradvis. De tre andre årsakene kan foregå i nokså avgrensede tidsrom, og det er større mulighet for å redusere omfanget ved innskjerping av og endring i selskapenes interne rutiner.

3.1.1 Trafikklaster

En viss nedknusing av selve ballastmaterialet på grunn av trafikkbelastninger er ikke til å unngå, men omfanget er også avhengig av den opprinnelige kvaliteten på ballasten. Prosessen har et nogenlunde kontinuerlig forløp, og kan beskrives skjematisk ved hjelp av en kurve med antall år ballasten har ligget i sporet langs x-aksen, og vekt% finstoff langs y-aksen, som vist i figur 7.3.

Figur 7.3 Økning av andel finstoff i ballasten i sporet

Kurven er brattest i tiden rett etter at sporet er åpnet for trafikk. Kornformen tilpasses kraftbildet i ballastlaget, det vil si at spisser og kanter blir "slått av" og kornene kiler seg på plass; sporet "setter seg". Denne effekten avtar etterhvert som kornene får “ideell” form, og kurven flater ut.

Bruk av betongsviller øker finstoffproduksjonen i sporet. Betongsvillenes stivhet, overflate og tyngde gjør at samspillet mellom sville og ballast blir et helt annet enn ved bruk av tresviller. Nedknusingen av selve ballastmaterialet øker, og steinene i ballasten kan også raskt slite på betongen i svillene. Hvis det kommer vann til dette sementstøvet (fra betongsvillene) kan ballastlagets dynamiske egenskaper forandres radikalt. I spesielle tilfeller kan det skje en “reherding” av sementen og (restene av) betongsvilla blir liggende å slå mot ei betongsåle.

3.1.2 Materialer fra underbygningen

Årsaken til oppressing av materiale fra underbygningen er ofte for tynt ballastlag eller for dårlig bæreevne i selve underbygningen. En vanlig årsak er økning i trafikkbelastningen (aksellast eller hastighet) uten at man samtidig øker ballastlagets tykkelse. Ballastlaget blir på den måten for tynt til at kreftene fra trafikken blir spredt godt nok utover formasjonsplanet og underbygningen tåler ikke påkjenningene. For dårlig filterlag mellom over- og underbygning kan også føre til oppressing av materialer fra underbygningen.

3.1.3 Arbeid på og nær sporet

Flere typer arbeid på og i nærheten av sporet kan tilføre ballasten finstoff. En av disse er pakking/justering av sporet, som skjer ved at det føres "labber" ned i ballasten. Deretter beveges labbene slik at ballast dyttes under svilla, og skinnens overkant kommer i ønsket høyde, se figur 7.4. Dette er en ganske stor mekanisk påkjenning for ballasten og det er rimelig å anta en del nedknusing, selv om dette ikke er tallfestet. Operasjonen kan også skade betongsvillene, og det fører til enda mer finstoff i ballasten.

Figur 7.4 Labbene på en pakkmaskin

Det er viktig å være klar over at endringer i metode eller utstyr for pakking kan gi en endring i finstoffanrikelsen av ballastlaget som selve operasjonen gir. Et eksempel er endring i labbenes hardhet. Stor slitasje på labbene har vært ansett som en stor ulempe for framdriften i pakkingsarbeidet. Å skifte labber er en relativt omfattende operasjon. Jernbaneverket byttet derfor til en annen type labber som hadde en annen stålkvalitet og slites senere. Kreftene og bevegelsene som ble brukt var derimot de samme, og det er nærliggende og tro at slitasjen på labbene er erstattet av økt nedknusing av ballasten.

Anleggsarbeid ved sporet

Anleggsarbeid ved sporet kan føre til at ballasten tilføres finstoff. Det kan for eksempel være støv fra graving. Slike hendelser gir en kort strekning hvor ballasten har en helt annen fraksjonering enn tilliggende strekninger. Dette kan føre til svært lokale variasjoner i blant annet ballastlagets drenerende evne og dermed også egenskaper ved frost. Ujevne setninger og driftsproblemer kan bli resultatet.

3.1.4 Lekkasjer fra transporter

Omfanget av lekkasjer fra godstransporter varierer svært mellom strekningene. Enkelte steder kan være spesielt utsatt for eksempel på grunn av lasting og lossing. Flis, grus og malm er noen av mange godstyper som kan gi betydelig problemer i ballasten.

Ofotbanen Ofotbanen er en spesiell bane og et eksempel på at godstransporten sannsynligvis har betydning for forurensing av ballastlaget. Når man tar prøver av ballasten der er det lett å se at kuleformede pellets (diameter 10-15mm) og "malmstøv" utgjør en betydelig del av finstoffet.

3.1.5 Tilførsel av materialer fra omgivelsene

Kontroll med og rydding av vegetasjonen langs sporet er viktig for å begrense mengden av løv, kvister og annet organisk materiale i ballasten. Ballasten sprøytes med jevne mellomrom for å hindre frø i å spire og sette rot i ballasten.

3.1.6 Ballastens bergart

Basalt er godt som ballastmateriale, mens granitt kan ha store variasjoner i mineralsammensetningen, og denne bergarten må derfor kontrolleres nøye. For stor andel av enkelte mineraler, for eksempel feltspat, øker bergartens sprøheten og dermed nedknusingen i sporet.

Andre mineraler har i utgangspunktet ingen negativ effekt på ballastens sprøhet. Over tid kan det likevel være prosesser som gjør at innholdet av akkurat det mineralet reduserer ballasten slitestyrke. Dette gjelder kloritt. Kalk- og klorholdige bergarter er generelt ugunstige å bruke som ballastmateriale.

Resultatene kan også tyde på at det er ugunstig med innhold av malm i ballasten fordi varmeutvidelseskoeffisientene for mineralkornene er svært ulike og mikrosprekker oppstår ved temperatursvingninger. På enkelte baner kan mekanisk forvitring (pga. fukt og temp.) bli en betydelig faktor.

3.2 Hvorfor renses ballasten

Årsaken til at man renser ballasten er at den ikke lenger fyller sin nødvendige funksjon på grunn av for høy andel materiale med liten diameter eller innhold av andre uønskede materialer. Ballastrensingen fjerner dette, og det erstattes med ny og “riktig” pukk slik at kornfordelingen blir god, ballasten blir fri for humus etc. og ballastprofilet blir stort nok. Ved å rense ballasten oppnår man i første rekke en forbedret fraksjonering, men også renhet. Samtidig nytter man den delen av ballasten i sporet som fortsatt tilfredsstiller selskapets krav.

Kreftene som oppstår i sporet føres via skinner og sviller til ballasten hvor den spres i ”pyramider” eller ”vifter” ned til formasjonsplanet/underbygningen, se figur 7.5. Hvis ballasten er forurenset vil “pyramidene” ha brattere sidekanter og kraftfordelingen på formasjonsplanet blir dårligere enn tilfellet er ved god ballast. Vi får da en situasjon hvor områdene under ”pyramidene” får store spenningskonsentrasjoner mens områdene mellom dem så og si er spenningsfrie. Dette kan føre til at pukken under svilla fortrenger materialene i underbygningen som i sin tur skyves opp i ballastlaget mellom spenningspyramidene. Ballasten får høyt finstoffinnhold og mister sine ønskede egenskaper i forbindelse med drenering, frost og dermed motstand mot sideforskyvning av sporet.