XPS-routalevyjen toimivuus ratarakenteessa

Abstract

Pääosa Suomen rataverkosta on rakennettu 1900-luvun alkupuolella sen aikaisten laatuvaatimusten mukaisesti. Liikenteen vaatimustason ja nopeuksien kasvaessa myös ratarakenteen laatuvaatimukset ovat muuttuneet, eikä rakenne vastaa nykyisiä vaatimuksia pääosalla rataverkosta. Jatkuvasta perusparannuksesta huolimatta aikanaan tehdyt ratkaisut aiheuttavat edelleen routahaittoja rataverkolla. Pohjamaan routimisesta aiheutuva epätasainen routanousu ja roudan sulamisvaiheessa tapahtuva sulamispehmeneminen vaikuttavat radan turvallisuuteen ja liikennöitävyyteen. Olemassa olevien ratojen routasuojauksen parantamiseen on käytetty routaeristelevyjä vuodesta 1970 lähtien. Vuodesta 1981 alkaen on siirrytty käyttämään yksinomaan suulakepuristetusta polystyreenistä valmistettuja XPS-routalevyjä. XPS-routalevyjen käyttö perustuu niiden hyvään lämmöneristävyyteen ja sen säilymiseen levyyn radassa kohdistuvasta suuresta kuormituksesta ja kosteusrasituksesta huolimatta. Tämän diplomityön aiheena oli XPS-routalevyjen toimivuus ratarakenteessa. Työssä tutkittiin käytettyjen routalevyjen kunnon vaikutusta ratarakenteessa toteutuvaan routasuojaukseen sekä levyjen kestävyyttä oletetun käyttöiän ajan. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää routalevyjen kunnon vaikutus roudan tunkeutumissyvyyteen ja arvioida, voitaisiinko routalevyjä käyttää ratarakenteessa nykyistä pitempään. Kirjallisuusosiossa perehdyttiin roudan esiintymiseen ratarakenteessa sekä XPS-routalevyjen käyttöön ratarakenteen routasuojauksessa ja radan kuormitusympäristön routalevyihin kohdistamiin vaikutuksiin. Kokeellisessa osuudessa tutkittiin ratarakenteessa käytettyjen XPS-routalevyjen kuntoa Lielahti-Kokemäki ja Tampere-Seinäjoki rataosilta vaihdealueilta otetuista näytteistä. Routalevynäytteistä määritettiin vesipitoisuus, lämmönjohtavuus ja puristuslujuus. Routalevyn ominaisuuksien vaikutuksia roudan syvyyteen mallinnettiin TEMP/W-ohjelmalla. Routalevynäytteille tehtyjen tutkimusten tuloksista havaittiin levyjen mekaanisen vaurioitumisen ja vesipitoisuuden välillä olevan yhteys, sillä rakenteeltaan ehjiltä vaikuttaneiden levyjen vesipitoisuus oli huomattavasti alhaisempi kuin vaurioituneiden levyjen. Puristuskokeissa huomattiin levyn ehjän rakenteen ja matalan vesipitoisuuden korreloivan myös korkean puristuslujuuden kanssa. Lämmönjohtavuuskokeiden perusteella routalevynäytteisiin ajan myötä imeytynyt kosteus oli kasvattanut levyjen lämmönjohtavuutta. Routalevyjen lämmöneristävyyden heikentymisen vaikutusta roudan tunkeutumissyvyyteen tutkittiin TEMP/W-mallinnuksen avulla. Mallinnuksen perusteella routasuojausominaisuuksiltaan heikentyneestäkin levystä on selkeää hyötyä verrattuna tilanteeseen, jossa levyä ei ole ollenkaan. Työn lopuksi tehdyssä elinkaaritarkastelussa routalevyn kunnolla ei havaittu olevan säännönmukaista vaikutusta radan kunnossapitotarpeeseen tai geometriavirheiden kehittymiseen tarkastelluissa vaihteissa. Suurin osa tutkituista routalevyistä oli kestänyt mekaanista kuormitusta ja vastustanut kosteuden imeytymistä riittävällä tavalla. Näissä levyissä voidaan olettaa olleen vielä käyttöikää jäljellä. Routalevyjen käyttöikävaatimus on 40 vuotta, joka ei tällä hetkellä toteudu vaihteenvaihtosyklin pituuden takia. Käyttöiän kasvattaminen kahteen vaihteenvaihtosykliin ei kuitenkaan ole kannattavaa, koska routalevytyksen kustannus suhteessa vaihteenvaihdon kokonaiskustannuksiin on pieni eikä käytettyjen routalevyjen jättäminen rakenteeseen vaihteenvaihdon yhteydessä tuo merkittäviä taloudellisia säästöjä.

The majority of the Finnish railway network was constructed in the early 20th century according to the quality requirements of that time. As traffic requirements and speeds have increased, the quality requirements for the track structure have also changed, and the current structure does not meet these new requirements for most of the network. Despite ongoing improvements, past solutions continue to cause frost damage. Uneven frost heave and thawing during the melting phase affect the safety and operability of the tracks. Since 1970, frost insulation boards have been used to enhance frost protection on existing lines, with extruded polystyrene (XPS) boards being exclusively used since 1981. The use of XPS insulation boards is based on their excellent thermal insulation properties, which are maintained despite high load and moisture stress. This thesis investigates functionality of XPS insulation boards in the track structures. The study examines the impact of the condition of used insulation boards on frost protection and their durability over the assumed service life. The aim is to determine how the condition of the insulation boards affects frost penetration depth and to assess whether the boards can be used longer than currently anticipated. The literature review explores the presence of frost in the railway field, the use of XPS insulation boards for frost protection and the effects of track load on these boards. In the experimental section, the condition of XPS insulation boards from the track between Lielahti-Kokemäki and Tampere-Seinäjoki was analyzed. The XPS specimens were tested for water content, thermal conductivity, and compressive strength. The effects of insulation board properties on frost depth were modeled using TEMP/W. A correlation was found between mechanical damage to the XPS boards and water content; structurally intact specimens had significantly lower water content than damaged ones. Compression tests showed that intact specimens with low water content also had high compressive strength. Thermal conductivity tests indicated that moisture absorbed over time increased the thermal conductivity of the XPS boards. The impact of reduced thermal insulation of XPS boards on frost penetration depth was studied using TEMP/W modeling. The results showed that even boards with diminished frost protection properties provided a clear advantage over having no boards at all. The life cycle review found that insulation boards did not significantly affect track maintenance needs or the development of geometry errors in the turnouts examined. Most of the studied XPS specimens were resistant to mechanical stress and moisture absorption, suggesting they still have a viable lifespan. The current service life requirement for XPS insulation boards is 40 years, which is not being met due to the length of the turnout change cycle. However, increasing the service life to two turnout change cycles is not profitable because the cost of installing XPS boards relative to the total cost of turnout change is small and leaving the used frost plates in the structure at the time of turnout change does not bring significant economic savings.