Van kunststenen tot gewapend beton

Betonnen dwarsliggers

Beton als bouwmateriaal was al bij de Romeinen bekend. Toch heeft het tot na de Tweede Wereldoorlog geduurd voor betonnen dwarsliggers de boventoon gingen voeren bij de aanleg van spoor- en tramwegen. Jan Roos gaat in op een moeizame ont­wikkeling van meer dan vijfenzeventig jaar.

De beperkte houdbaarheid van houten dwarsliggers hield de gemoederen van de spoorwegtechnici al bezig vanaf het moment dat er begin 19e eeuw openbare spoorwegen waren. De lengte daarvan nam snel enorm toe, evenals het gebruik en daarmee de onderhoudskosten, waarin de vervanging van vergane houten dwarsliggers een groot aandeel had.

Omstreeks 1830 begonnen experimenten met het conserveren van hout door het dompelen in vaak zeer giftige stoffen met gebruikmaking van processen waarvan er enkele vandaag nog steeds toegepast worden, zoals vóór onderdompeling vacumeren van het hout, gevolgd door onder druk impregneren met het be­scher­mings­middel.

Een andere weg die werd gevolgd was geen houten dwarsliggers te gebruiken, maar de rails op steenblokken te leggen, afbeelding 1. De steenblokken werden nauwelijks, een beetje of heel precies bewerkt. Ze waren zwaar – tot 200 kg per stuk toe – en daardoor moeilijk te hanteren.

Proeven met “kunststenen”

Rond 1850 kwam er in de bouwwereld een ontwikkeling die vergaande gevolgen zou hebben. Tot dusver werd er gemetseld met kalkmortel, terwijl rond die tijd cement – een product van gebrande mergel – in zwang kwam. Een mengsel van cement, water en zand werd met groot voordeel gebruikt voor klassiek metsel­werk in vooral water-, haven- en bruggenbouw. Als er grind aan het mengsel wordt toegevoegd, ontstaat beton dat in mallen kan worden gestort en zo konden constructies worden gemaakt die voorheen niet mogelijk waren. In de begintijd wordt er in de literatuur bijna geen onderscheid gemaakt tussen de termen “cement” en “beton”. Ze worden door elkaar gebruikt.

Al in 1867 werd in Oberschwaben (D), de streek ten noorden van het Bodenmeer, een proef gedaan met blokken van cement in plaats van natuurstenen ondersteuningen van de rails, die tamelijk goed beviel. Deze “kunststenen” bleken toch erg duur. De proef werd ook gedaan met gelijkvormige blokken van “asfalt” die aan hetzelfde euvel van een hoge prijs leden, afbeelding 2.

Gewapend beton

In diezelfde periode was er een Franse tuinman, Joseph Monier,  die van beton (een mengsel van cement, zand, fijn grind en water) bloempotten maakte. Hij was niet tevreden met het resultaat, want de potten bleken te bros. Dat veranderde drastisch toen hij eerst een matje van ijzerdraad in de mal deed en pas daarna het natte betonmengsel. In die combinatie nam het ijzerdraad de trek- en buigspanningen op, en het beton de drukspanningen. Dit “gewapende beton” bleek ook heel geschikt voor het maken van sterke buizen, balken en zelfs brug­delen [1].

In 1877 kwam hij tot een nagenoeg ideaal ontwerp voor dwarsliggers, afbeelding 3. Deze hadden een vloeiende vorm die krimpspanningen voorkwam, een slanke taille waar immers geen verticale krachten hoeven te worden opgenomen, en een fijn verdeeld wapeningsnet dat de buitenkant van de dwarsliggers zeer sterk maakte. Hij verkreeg daarvoor in 1881 het Duitse octrooi DE14673, dat als titel had “Verfahren zur Herstellung von Gegenständen verschiedener Art aus einer Verbindung von Metallgerippen mit Zement” [2].

In het octrooischrift wordt met geen enkel woord gerept over hoe het beton binnen de wapening aangebracht zou moeten of kunnen worden. Men zou kunnen denken dat het met een troffel binnen de wapening gepropt kan worden om zo de grote ruimtes te vullen. Verdichting van het beton lijkt moeilijk. Er bleek weinig belangstelling. Monier bleek met deze dwarsliggers zijn tijd té ver vooruit.

De eerste toepassingen

Volgens Wikipedia werden betonnen dwarsliggers het eerst gebruikt bij de Alford and Sutton Tramway in het Engelse Lincolnshire in 1884. Op websites over die tramlijn wordt dat echter niet bevestigd. De eerst vermelde toepassing van gewapend betonnen dwarsliggers op het Europese vasteland is in 1897 in het station van het Oostenrijkse Linz naar ontwerp van Jauβner. Daarbij ontstond echter spoedig ernstige corrosie van de wapening waardoor er stukken beton van de dwarsliggers werden afgedrukt [3].

Bij vele latere pogingen zou blijken dat aan de detaillering van de wapening en de samenstelling van het beton nog veel te verbeteren was. Dat laatste gold met name ook voor de plaats waar de rails opgelegd waren, waar de rails een schurende werking hebben, en het beton die druk vaak niet goed kon weerstaan. Het effect en de levensduur van tussen­plaatjes van vilt en hout was beperkt.

Talloze uitvindingen

De Amerikaanse uitvinder Charles Kubach ontwierp in 1891 een stevige gewapend betonnen dwarsligger met een scharnier in het midden, zodat de dwarsligger­helften veel minder zwaar waren dan een hele en de helften gemakkelijker op hun plaats te brengen (octrooischrift US445063), afbeelding 4.

Talloze vooral Amerikaanse uitvindingen met zeer uiteenlopende verschillen in vooral de wapening volgden in de decennia daarna. Denk bij die wapeningen aan T-profiel, staalplaat al dan niet geperforeerd, vlak of omgezet in U- of П-vorm, oude rails, stalen buizen en prikkeldraad, het kwam allemaal voorbij. Het is opmerkelijk dat er in die jaren hiervoor talloze octrooien werden verleend, wat wel aangeeft hoe “hot” de spoorwegen daar in die tijd waren. Niet veel van die opmerkelijke constructies kwamen tot uitvoering. Opvallend is dat er van enkele Franse ontwerpen uit het eerste kwart van de 20e eeuw die wél zijn uit­ge­pro­beerd, juist geen octrooischriften gevonden zijn.

De eerste 200 betonnen dwarsliggers in de VS werden gelegd bij de Reading Railroad in Pennsylvania in 1893 en werden binnen enkele jaren weer verwijderd wegens doorgeroeste railbevestigingen, scheuren in het beton en lekstromen. In Italië werden er tussen 1906 en 1908 liefst 200.000 stuks gelegd, terwijl de Engelse Great Northern Railway in 1920 begon met experimenten.

In een terugblik in “De Locomotief” van 1907 werden proeven met ongewapende betonnen dwarsliggers genoemd die van 1897 -1898 in Duitsland door Rutkowski zijn uitgevoerd. Hoewel de rails op ijzeren onderlegplaten waren opgelegd, werd vooral aan de stotende belasting geweten dat deze dwarsliggers meestal meteen braken.

Bij herhaling van zulke proeven in de VS werden  de rails op houten wiggen opgelegd die de stoten zouden moeten opnemen, maar dat toch niet deden. Bovendien werden de dwarsliggers door de ingelaten wiggen enorm verzwakt. Diverse andere passeerden de revue, maar over geen enkele werd echt positief geschreven. Ze waren te zwaar, te licht gewapend of te gevoelig voor kapot­vriezen.

Duo-betonblokken

In de VS werden vanaf 1901 de eerste proeven gedaan met dwarsliggers naar ontwerp van Kimball, waarbij duo-betonblokken door ijzeren of stalen strippen of hoeklijnen met elkaar verbonden zijn, afbeelding 5.

Uitgangspunt was dat dwarsliggers in het midden niets te dragen hebben en daar dus ook geen beton hoeft te zijn. Ook hergebruik van oude spoorstaven kreeg aandacht, zoals in 1903 door Bruckner een dwarsligger werd ontwikkeld waarin een omgekeerde rail omgeven wordt door een betonnen mantel zonder aanvullende wapening. Voor de railbevestiging is dan geen hout nodig!

Vele anderen volgden met grotere of kleinere variaties, maar vrijwel altijd zonder bevredigend resultaat. Een voorbeeld van de slechte zijn de Percival-liggers die al na twee jaar een troosteloos beeld geven van scheuren en verdwenen beton, afbeelding 6.

Proeven bij de RTM

De jonge Nederlandse Rotterdamsche Tramwegmaatschappij bleek een uiterst vooruitstrevend bedrijf, want het begon al in 1904 een proef met betonnen dwarsliggers! Waarschijnlijk is ook dat geen succes geworden, want noch in de bewaarde RTM-archieven noch in die van de betonfabrikant Van Waning is er iets over een vervolg te vinden. Deze dwarsliggers konden geïmpregneerde beuken­houten liggers kennelijk nog niet overtreffen. Alleen een advertentie in de vorm van een ansichtkaart is er van over gebleven. Afbeelding 7.

Achilleshiel

In 1905 meldt het tijdschrift “De Locomotief” bij de buitenlandse berichten: “Spoorwegdwarsliggers van ijzerbeton [4]. Bij wijze van proef zijn op de italiaansche spoorwegen, en thans ook op de fransche spoorbaan van Voiron naar St.Béron, met een spoorwijdte van 1 M., eveneens bij wijze van proef, onder­liggers van ijzerbeton in gebruik genomen. De onderliggers hebben een lengte van 1.80 M., een breedte van 0.18 M. en een hoogte van 0.14 M. .…. De rails liggen op een dunne hout- of viltlaag, om de uitwerking van de stooten tegen te gaan. Zij worden bevestigd door middel van schroeven, die in houten bouten [5] worden geschroefd, geplaatst in inlatingen, die in de dwarsliggers zijn uitgespaard ….”

Hiermee wordt meteen de Achilleshiel van de vroege betonnen dwarsliggers aangeroerd. De dwarsligger gaat dan wel langer mee dan de houten, maar de rails worden op vrijwel alle ontwerpen vastgezet met kraagbouten die in een ingestort houten blok gedraaid worden. Die stukken hout – waar nog geen alternatief voor was – vergingen minstens zo snel als de geheel houten dwars­liggers, dus de winst was nogal beperkt.

Pas door het latere gebruik van doorgaande moerbouten komt hier verbetering in, maar ook dat was beperkt want een boutkop of een moer onder de dwarsligger diep in de ballast was ook niet waar de baanwerkers op zaten te wachten.

Beton gemengd met pulp

Een aardige illustratie van de opmerkelijke wegen die soms werden bewandeld om een graantje mee te pikken van de booming spoorwegen in de VS zien we in het Britse octrooischrift GB190910163A van George Gates die in 1908 een elastische dwarsligger wilde maken door in het beton “geschikte hoeveelheden” puimsteen, asbest en houtpulp te mengen, zodat de stotende belasting geen schade zou kunnen aanrichten. Als wapening dacht hij prikkeldraad te gebruiken, waar het beton zich goed aan zou hechten. Het mag niet echt verwonderen dat ook hiervan later niets meer is vernomen. Afbeelding 8.

Weinig vooruitgang

Ondanks alle ideeën en een veelvoud van ontwerpen werd er in de VS ondanks veel geëxperimenteer geen voortgang gemaakt. Het bestuur van de American Railway Engineering Association kreeg er genoeg van en hield een grootscheepse inventarisatie van de resultaten bij alle maatschappijen waarvan het eindrapport op een congres in 1912 in Chicago, Illinois, aan de orde kwam.

De voorlopige conclusie was duidelijk: het beton verkruimelde heel snel en ligduren van twee jaar werden gemeld. Het Committee on Ties concludeert dat “dwarsliggers van beton, combinaties van beton en metaal of asfalt en metaal nog geen bewezen succes zijn vanwege breuk, hun gewicht, en verkruimeling. Een combinatie van staal en hout zou het wél kunnen worden en geheel stalen dwarsliggers voldoen bij zwaar verkeer en gematigde snelheid.”

Niet alleen het aanhoudende probleem met de railbevestigingen was een bezwaar voor grootscheepse toepassing van betonnen dwarsliggers, maar er was ook het “harde rijden”. Beton heeft immers niet de samendrukbaarheid en buigzaamheid van hout en dat leidde (mede) tot het slijten en verkruimelen van het bovenvlak van veel betonnen dwarsliggers.

Dat bracht in 1912 Louis Green van de East Indian Railway en George Moorse uit het Engelse Westminster ertoe de railbevestiging in samenhang met betonnen dwarsliggers te bestuderen in plaats van beide apart. Het probleem van het niet dragende middenstuk werd meteen opgelost door het weg te laten en de railoplegging te wijzigen in een railophanging boven betonblokken waarin een eenvoudige wapening zou volstaan, afbeelding 9.

Op de betonblokken werd voor zowel platvoet- als dubbelkoprail uit stalen strip een ophangconstructie ontworpen en voor beide werden proeftrajecten gelegd. Er bleken nogal wat verbeteringen te moeten worden aangebracht, ook om een betere kennis op te doen om voldoende veiligheid te bereiken, maar er werd geen hout meer gebruikt!

Holle dwarsliggers

Niet alleen Monnier bleek zijn tijd vooruit te zijn, dat overkwam ook de Zwitser Oscar Michael die al in 1914 een Brits octrooischrift (GB191412833A) verkreeg voor een holle betonnen dwarsligger, afbeelding 10. Van toepassing in zijn tijd is niets bekend geworden, maar met de eveneens holle Zwitserse Ruegg dwarsligger uit 1944 kan een duidelijk overeenkomst gezien worden, afbeelding 11.

In het boek “Steel Rails” uit 1913 worden twee betere railbevestigingen voor betonnen dwarsliggers getoond: van de Sarada Railway een ingestorte ge­pro­fi­leer­de stalen buis waar bouten doorheen gestoken worden (afbeelding 12), en de Riegler Tie met doorgaande bouten met een omkeerbaar klemstuk zoals later ook de Britse oorlogsdwarsliggers krijgen.

Nederlandsch-Indië

Dat de betonnen dwarsliggers in Nederlandsch-Indië aandacht kregen, blijkt uit een bericht in het “Indisch Tijdschrift voor Spoor- en Tramwegen” uit 1914 waar uitgebreid ingegaan wordt op de goede ervaringen bij de Malang Stoomtram-Maatschappij. Er wordt eerst een vermanend woord gesproken tegen het ondoordacht proberen op te lossen van gebreken. Bij veel proeven bleken scheuren in het midden op te treden, wat geweten werd aan een te geringe doorsnede op die plaats en “dus” volgde daar verzwaring, terwijl juist een betere onderstopping onder de einden van de liggers zou moeten plaatsvinden, waardoor in het midden nauwelijks nog belasting optreedt.

Een opmerkelijke railbevestiging wordt er toepast zonder gebruik te maken van hout. Er worden doorgaande gaten in het beton uitgespaard waarop met hulp van een nauwkeurige mal doorgaande bouten gestoken worden met de draadzijde boven de dwarsligger om later de oplegplaat mee vast te kunnen zetten. De overgebleven ruimte in de gaten wordt gevuld met cement. “Aangenaam is te verklaren dat nu na 14 maanden de bevestiging van rail op ligger nog rotsvast is en niet de minste beschadiging van den ligger onder de rail is te bespeuren.”

Emplacementsporen

In 1917 lijkt Columbus weer een ei te hebben uitgevonden als de Brit W.H. Meyrick een oplossing geeft voor ‘sidings’ (emplacementssporen) waar de snel­heden altijd laag zijn, maar wél zware locomotieven over rijden. Hij motiveert terecht dat de bouten voor de railbevestiging en het daarbij gebruikte hout altijd de boosdoeners zijn bij de betonnen dwarsliggers en daarom laat hij dat weg!

Hij ontwerpt eenvoudige betonnen blokken met een verlaging in het bovenvlak, waar de railstoelen (in Groot-Brittannië nog steeds voor dubbelkoprail) goed in passen. De stoelen staan op een dikke laag vilt voor een goede drukverdeling en hun gaten worden tevens gebruikt om stalen afstandhouders aan te bevestigen.

Aanvankelijk werden er stukken ijzergaas van de rol als wapening gebruikt, maar “zelfs als die werden weggelaten gingen de blokken niet kapot”. Ook voor platvoetrail zou de methode geschikt geweest zijn, omdat ook voor onderleg­platen een passende verlaging in het blok gemaakt kan worden. Afbeelding 13.

India

Ondanks alle bezwaren die inmiddels gebleken waren als er hout gebruikt wordt voor de railbevestiging, gaat men daar juist in India – waar hout een zó korte ligduur heeft, dat men bij voorkeur gietijzeren tweebloksliggers gebruikte – helemaal aan voorbij. Er wordt in 1923 een grote fabriek opgetuigd voor de productie van tweebloksliggers met een eenvoudige wapening, afbeelding 14. Een verschil met vele vorige versies is wel dat de hardhouten klossen voor de rail­bevestigingen niet werden ingestort in de natte beton, maar na uitharding ervan in de blokken werden geperst.

Orion-dwarsligger

Geen van de hierboven genoemde betonnen dwarsliggers was een lang leven beschoren, maar met het ontwerp volgens octrooischrift FR580776 uit 1924 van de Fransman Paul-Joseph Soulas ging dat heel anders, zie afbeelding 15.

Hoewel ook hierbij hardhouten blokken werden gebruikt voor de kraagbouten, is dit een aanzienlijk beter ontwerp. De blokken worden na het verharden van het beton vanaf de onderkant ingebracht en stuiten dan tegen voorzieningen die aan de wapening zijn vastgelast. Dus zou het hout door uitdroging krimpen en daar­door gaan loszitten, dan kunnen de klossen toch niet naar boven worden uitgetrokken.

De meest elementaire verbetering is echter dat het middendeel niet alleen smal is, maar ook boven het ballastbed ligt. Hierdoor is het middendeel alleen nog afstandhouder en niet meer vatbaar voor scheuren.

De dwarsliggers hebben de naam Orion gekregen en lagen nog in 1991 in Frankrijk in de baan, afbeelding 16. Dit is nog met dubbelkoprail in stoelen met David-spieën!

Oorlogsdwarsliggers

Ook Jules Gérard stelt in 1930 dwarsliggers voor die absoluut geen hout meer nodig hadden, geen kraagbouten en die in het middendeel nauwelijks nog draagkracht hebben, wat toen niet erg nieuw meer was, afbeelding 17.

Eén model had voor de reductie van de draagkracht lange uitsparingen, die nog maar 40% van de breedte overlieten. Zulke uitsparingen werden in de Tweede Wereldoorlog door het Britse leger (WD, War Department) op zeer grote schaal in hun ‘oorlogs­dwarsliggers’ gemaakt die op veel plaatsen gebruikt werden. Daarvan bleek de betonkwaliteit zó goed te zijn dat die dwarsliggers nog tot ver na 2014 hergebruikt werden en zo een levensduur van ruim 70 jaar bereikten! Afbeelding 18.

Afbeelding 17. Geen hout, geen kraagbout, lange openingen. L’Industrie des Voies Ferréeset des Transports Automobiles.

Afbeelding 18. Pas herlegde WD sleeper in Dereham (GB), 2014.

In België werden sinds 1942 grote aantallen Franki-Bagon dwarsliggers gebruikt. Deze bestaan uit drie betonnen delen: twee grote klassiek gewapende blokken onder de railoplegging met een tussenstuk en een doorgaande stang die de delen met elkaar verbindt. Tussen de blokken en het middendeel bevinden zich met kunststof geïmpregneerd  stukjes multiplex, waardoor twee scharnieren ontstaan, die toch (enigszins) tegen inwatering beschermd zijn. Afbeelding 19.

Voorgespannen wapening

Tot dusver was het gebruik van betonnen dwarsliggers vooral beperkt gebleven omdat de betontechnologie niet voldoende gerijpt was om de repeterende belasting door het spoorverkeer te kunnen weerstaan. Er was eerst de samen­stelling van het beton als probleem en later vooral de vorm en zwaarte van de bewapening die – op enkele uitzonderingen na – maar langzaam tot bevredigende resultaten leidden. Pas tegen 1940 kwam daar een kentering in.

Het werd steeds duidelijker dat de sterk wisselende belasting met de tot dan gebruikelijke wapening wel tot problemen moest leiden. De wapening wordt immers spanningsloos in de mal gelegd die gevuld wordt met beton om te verharden. Dan móet de dwarsligger als hij in gebruik is, eerst in bepaalde mate gebogen worden voor die wapening buigspanningen kan gaan opnemen en ondertussen ontstaan in het beton al haarscheurtjes, want het beton krijgt door de buiging aan één kant van de ligger een trekspanning te verduren die het niet kan opnemen.

Dit proces, steeds buigen tot de wapening in functie komt en dan weer terug, herhaalt zich bij elke passerende as, dus duizenden keren per dag, soms zelfs per uur. Dit is niet specifiek voor dwarsliggers, maar speelt bij alle betonconstructies waar frequent wisselende belastingen optreden, zoals ook bij betonnen bruggen.

Om dat op te lossen ontwikkelden enkele pioniers, waaronder de Fransman Eugene Freysinnet, al in de jaren 1920 beton met een voorgespannen wapening. Er werd daartoe een heel andere manier van produceren uitgewerkt: het beton wordt in bakken met daarin enkele buizen gestort. Na enige verstijving worden de buizen eruit getrokken zodat kanalen overblijven waarin na verdere uitharding van het beton wapeningsdraden met schroefdraad aan de einden gestoken worden. Die worden dan met hulp van moeren “aangetrokken”, dat wil zeggen onder een forse trekspanning gebracht waardoor de wapening het beton van de  dwarsligger onder die drukspanning iets samen trekt. De smalle ruimte tussen wapening en verharde beton wordt dan met grout [6] volgespoten zodat het geheel na uitharding stabiel is. Bij het optreden van een buigende belasting kan dan een beperkte doorbuiging plaats vinden zonder dat het beton al met trek belast wordt: eerst wordt de vooraf opgebouwde druk “geneutraliseerd”.

In West-Duitsland wordt dan een andere methode gevolgd. De wapening, voor­zien van een 1 mm dikke bitumenhuid, wordt in de natte beton gelegd. Daarbij ontstaat er geen hechting tussen wapening en beton en na uitharding kan de voorspankracht op vergelijkbare wijze worden aangebracht en de ligger door grouten gestabiliseerd.

Wapeningsstaven

Zie voor een iets andere methode de vormen in afbeelding 20. Wanneer dwars­liggers in een ‘langebaan’-installatie worden gemaakt, liggen er strengen van vele tientallen vormen achter elkaar, waar lange wapeningsstaven doorheen getrokken zijn, die al vóór het storten op spanning worden gebracht. Na het storten en versneld uitharden van het beton worden die wapeningsstaven doorgesneden en drukken ze omdat ze terug willen naar hun oorspronkelijke kortere lengte de dwarsliggers een beetje in elkaar, waardoor hetzelfde effect bereikt wordt.

Om een antwoord te vinden voor het tekort aan houten dwarsliggers dat door de oorlog was ontstaan, werd volgens dit laatste procedé in 1941 een proeffabriek van 100 meter lang gebouwd bij het Engelse Colwall in Worcestershire. De resultaten van deze dwarsliggers op zijsporen werden nauwkeurig gevolgd, met als resultaat vrijgave voor gebruik op hoofdlijnen, en een eerste gebruik op de hoofdlijn bij Cheddington al in 1942.

De proeffabriek had aan beide einde een enorm betonnen blok waartussen de wapeningsdraden van 5 mm doorsnede werden gespannen met een trekkracht van 60 tot 90 ton voor twee strengen dwarsliggers. Het beton werd bij het storten aangetrild en na verharding gedurende 10 tot 14 dagen werd die trekkracht weggenomen en konden de dwarsliggers van elkaar gescheiden worden. Al in 1944 stond er in Tallington (Lincolnshire, GB) een fabriek voor 20 strengen van 150 meter lang.

Elastische railbevestigingen

De stormachtige ontwikkeling van betonnen dwarsliggers na de Tweede Wereld­oorlog kan niet los gezien worden van de opkomst van elastische rail­bevestigingen, die op hun beurt nodig waren door de wens over te gaan op steeds langere spoorstaven. Terwijl nog enige jaren wordt doorgeborduurd op voor­oorlogse ontwerpen met houten klossen voor de kraagbouten zien we in Frankrijk, Groot-Brittannië en de Duitse Bondsrepubliek hoe daar de betonnen dwars­liggers ontwikkeld worden in sterke samenhang met de voorkeuren van elastische bevestigingen in die landen.

In Noord-Frankrijk was er de metaal­warenfabriek Ressorts du Nord die zich na de Tweede Wereldoorlog op rail­bevestigingen ging richten. In 1947 werd een octrooi verleend (DE880597) voor een van de eerste speciaal voor betonnen dwarsliggers nieuw ontwikkelde bevestigingen, waarbij de bout die de aandrukkracht op de railvoet levert, niet tevens de dwarskracht hoefde op te nemen. Bij de ontwikkelde RN-clip wordt de klembout niet meer op buiging belast, want door de vorm van de klemplaat wordt de dwarskracht meteen op de betonnen dwarsligger overgebracht. Deze railbevestiging zal – met een aantal varianten – lange tijd de Franse bovenbouw met betonnen dwarsliggers over­heersen. Afbeelding 21.

Kraagbouten

Bij de RN-bevestigingen worden gebruikelijke (tapse) kraagbouten gebruikt óf bouten die door een ruim gat worden doorgestoken. Voor de kraagbouten werden dan stalen Thiollier spiralen ingestort, afbeelding 23. De Thiollier spiraal werd oorspronkelijk gebruikt om de “schroefdraad” in houten dwarsliggers te ver­sterken. Bij de andere oplossing worden doorgaande bouten met een platte kop een kwartslag gedraaid in een speciaal gevormde holte waardoor de bout niet met de moer kon meedraaien, zie ook afbeelding 17.

Afbeelding 22. Stokschroef met spiraal van Thiollier om in betonnen dwarsliggers in te storten.

Afbeelding 23.  Ingestorte Pandrol cliphouder, Angelholm (S).

In 1949 werden voorgespannen betonnen dwarsliggers toegelaten voor massaal gebruik in West-Duitsland. Anders dan in het VK worden de dwarsliggers in Duitsland niet volgens het lange-bankprocedé gemaakt, en ze zouden nog jarenlang houten klossen voor kraagbouten krijgen voor de bevestiging van onderlegplaten of railklemmen.

In die periode wordt in Frankrijk ook de “RS” dwarsligger geïntroduceerd, een tweebloksligger met slap bewapende betonblokken die verbonden zijn door een stalen T of L profiel. De twee blokken hebben een grotere weerstand tegen zijdelings verschuiven dan monoblok-liggers, wat aantrekkelijk is tegen spoor­spattingen. In verschillende landen worden varianten ontwikkeld die oude rails, ingelijmde stalen buizen of een kunststof buis als verbinding tussen de blokken hebben.

Pandrol

In 1957 had de Noor Per Pande-Rolfsen een elastische railbevestiging uitgevonden waar zijn werkgever, de Noorse Staatsspoorwegen, weinig brood in zag. Hij verzuimde echter de uitvinding op zijn naam te zetten, waardoor de Britse Elastic Rail Spike Company kans zag om een jaar later op slinkse wijze het eigendoms­recht te claimen. De productie bij de ERS begon in 1959.

Het was de bedoeling de railclip met onderlegplaten op houten en betonnen dwarsliggers te gebruiken, wat ook nog steeds gebeurt, maar al in 1963 kwam de gedachte om klemhouders in betonnen dwarsliggers in te storten, afbeelding 23. Doordat onderlegplaat en bouten hierbij helemaal vervielen werd het spoor veel goedkoper in aanschaf én onderhoud. Waarschijnlijk heeft geen enkele combinatie van railbevestigingen op betonnen dwarsliggers zich zó snel wereldwijd verspreid als deze “Pandrol”-vinding. De naam Pandrol ging al snel ERS als bedrijfsnaam vervangen.

Duitsland

In Duitsland is men ondertussen vanaf 1948 een heel andere weg ingeslagen met betonnen dwarsliggers. Daarbij worden de wapeningstaven, voorzien van een ronde schijf aan beide einden en een moer aan één einde, in de mal gelegd. Het beton wordt op een triltafel in de mal (kist) gestort, waarna de dwarsligger meteen ontkist wordt en door een kamer gevoerd waar de temperatuur 60°C is en de atmosfeer verzadigd van waterdamp. Hierin verhardt het beton in korte tijd en wordt de voorspanning aangebracht door de moeren aan te draaien. De uitsparingen aan de einden van de wapeningstaven worden met specie afgedicht.

Deze dwarsliggers hebben echter nog allemaal ingestorte dikke houten “Wellendübel” (gegolfde deuvels) voor de railbevestigingen, afbeelding 24. Pas vanaf 1970 komt daar met kunststof deuvels verandering in.

Proeven door de UIC

In 1950 was het « Office de Recherches et d’Essais » (ORE) opgericht door de “Union Internationale des Chemins de fer” (UIC) dat voor de verzamelde Europese spoorwegen onderzoek zou gaan doen om doublures te vermijden. Blijkbaar was de veelheid van initiatieven in veel landen om goede betonnen dwarsliggers te maken voldoende reden voor het ORE om eens te onderzoeken hoe ver men gekomen was.

De Nederlandse Spoorwegen (NS) waren gastheer voor een experiment in 1958 waarbij van een zestal verschillende betonnen dwars- en langsliggers steeds een traject van cairca 500 meter gelegd zouden worden, voorzien van langgelaste NP46-rails die bij NS standaard waren. Er werd een traject in de Betuwelijn gekozen tussen Gorinchem en Giessendam, waar een voor Nederland gemiddelde grondslag was met naast het bestaande enkelspoor voldoende ruimte was om in een tweede spoor de proeven te doen. Afbeelding 25.

De proeven werden uitgevoerd met Zweedse tweeblokliggers met Fist-beves­tigingen, van de Deutsche Bundesbahn voorgespannen B53-liggers, uit het VK voorgespannen DowMac-liggers, uit België driedelige Franki-Bagon-liggers, uit Italië asbeston-dwarsliggers en uit Nederland door het Spoorwegbouwbedrijf geproduceerde langsligger “Laval” en zigzagspoor. Een vergelijkbaar proeftraject werd in Zwitserland aangelegd op een veel vastere bodem dan bij Hardinxveld-Giessendam.

Vergeleken met de kosten en omvang van de proef was de eindrapportage uit 1962 nogal mager. Dat de eerste betonnen dwarsliggers teleurstellend waren, werd er aan geweten dat vorm en afmetingen van houten dwarsliggers werden nagemaakt zonder naar de dynamische effecten van passerende treinen te kijken. Verder zou het beton van uitstekende kwaliteit moeten zijn en werden de beproefde dwarsliggers en daarbij gebruikte railbevestigingen beschreven zonder tot een eindoordeel te komen. “Elektrische isolatie zou wel mogelijk zijn”.

Zigzagspoor

Naast de permanente verbetering van de betontechnologie en railbevestigingen voor betonnen dwarsliggers was er door NS al in de jaren 1950 – naast een schuchter begin met voorgespannen dwarsliggers – een heel andere weg ingeslagen. Het gebruik van betonnen dwarsliggers gaat meestal samen met het gebruik van langgelaste spoorstaven waarbij die lengte tot zo’n 700 meter oploopt en waardoor een grotere kans op spoorspatting ontstaat. Speciaal in Nederland speelt dat een rol omdat hier Maasgrind gebruikt werd als ballast­materiaal, dat uit ronde stenen bestaat. In andere landen werd gebroken gesteente gebruikt dat scherpe vormen heeft. Op het ronde Maasgrind zou het spatten veel gemakkelijker optreden.

Het antwoord van Deenik en Eisses van NS was een spoor met betonblokken onder elke rail die in de linker en rechter rail versprongen liggen en verbonden zijn door zig-zag gelegde tussenverbindingen. Dit zigzagspoor voldeed zeer goed, maar was in zijn begintijd moeilijk te onderstoppen omdat de machines daarvoor nog niet waren aangepast. Later kwam daar als nadeel bij dat het leggen van betonnen monoblok-liggers helemaal kon worden geautomatiseerd. Afbeeldingen 26 en 27.

Alternatieven voor houten deuvels

Tot dan toe waren het behalve bij het Britse Pandrol en het Franse RN doorgaans kraagbouten in ingestorte houten deuvels waarmee de rails op betonnen dwarsliggers bevestigd waren. Vooral aan die houten deuvels kon geen lange levensduur toegeschreven worden.

In 1963 werd onder auspiciën van de British Railway Board een vergelijkend onderzoek gedaan naar de geschiktheid van andere materialen en methoden voor de bevestiging van (kraag)bouten in betonnen dwarsliggers. Onderzocht werden rubber, polystyreen, nylon, beukenhout, expansie bouten en epoxy hars. Er werd geconcludeerd dat rubber ongeschikt is, beukenhout en nylon geschikt zijn en epoxy hars een geschikt middel is om draadeinden vast te zetten.

Het is vast niet alleen door dit rapport dat vanaf die tijd kunststof deuvels een zeer belangrijke rol gaan spelen, maar wel een feit dat na die tijd talloze bedrijven zich daar mee gaan bezighouden, houten deuvels rap verdwijnen, meer ingestorte klemhouders verschijnen en er een enorme toename in het gebruik van betonnen dwarsliggers is waar te nemen.

Hoekgeleideplaat van Vossloh

In 1965 werd er een octrooi verleend aan Vossloh waar Hermann Meier het ontwikkelingswerk voortzette waarmee hij bij de DB begonnen was. Van deze vinding kon toen nog niet vermoed worden hoe het dwarsliggerlandschap wereldwijd zou worden veranderd. Vossloh had zich toen al lang opgewerkt van “Kleineisenhersteller” (fabrikant van kleine ijzeren onderdelen) tot een belangrijke leverancier van vele soorten elastische railbevestigingen voor alle soorten dwarsliggers.

Met het octrooischrift DE1257817 werd de hoekgeleideplaat (Winkel­führungs­platte) geïntroduceerd, een kunststof plaat waarmee de dwarskrachten van de railvoet zonder tussenkomst van een kraagbout werden overgebracht naar een eenvoudige inkeping in de bovenkant van een betonnen dwarsligger, dus qua effect vergelijkbaar met de RN-bevestigingen, maar anders vormgegeven.

De kraagbout had als enige functie de bijbehorende veerklem op de railvoet aan te drukken. Doordat deze kraagbout door een ruim gat in de hoekgeleideplaat gaat, werd die meteen op z’n plaats gehouden. De benodigde onderdelen van deze constructie zijn minimaal, terwijl door een reeks verschillende maten  van de hoekgeleideplaat de railligging en de spoorwijdte heel gemakkelijk kunnen worden aangepast. Afbeelding 28.

De opkomst van kunststof deuvels gaf de Deutsche Bundesbahn in 1966 gelegen­heid een programma voor het herstel van oudere betonnen dwarsliggers op te zetten. Aanleiding zou niet het rotten van de in teerolie gedrenkte beuken­houten deuvels zijn, maar veel meer de verruiming van de boutgaten door dwars­krachten op de kraagbouten en beschadiging door te zwaar aandraaien ervan. Met een speciaal door Plasser ontwikkelde machine konden de houten deuvels worden uitgetrokken en in het gat nieuwe tweedelige kunststof deuvels geplaatst.

Ontwikkelingen in VS en Canada

Ondanks alle ontwikkelingen (vooral in Europa) wordt er nog in 1976 in de VS gesteld dat er voor de vervanging van houten dwarsliggers door betonnen weinig economische rechtvaardiging is, want de betonnen zijn twee keer zo duur als houten en gaan maar de helft langer mee! Dat zou dan het resultaat zijn van de goede behandelingsmethoden die inmiddels voor hout beschikbaar zijn en de ruime beschikbaarheid van hout in dat land.

Een veel genuanceerder beeld wordt geschetst door Canadian National Railroad, waar gesteld wordt dat de constant toenemende belasting van het spoor er toe heeft geleid dat houten dwarsliggers daar niet meer aan kunnen voldoen. De treinlengte is van 60 wagens van maximaal 65 ton in de stoomtijd toegenomen tot 150 wagens met elk een bruto gewicht tot 92 ton bij moderne dieseltractie.

Daarom werd in 1972 een proeftraject van 10.000 voorgespannen dwarsliggers (ongeveer 6 km) gelegd, waarbij dan ook meteen de rail verzwaard werd naar 61 kg/meter en volledig langgelast, moderne Pandrol-bevestigingen werden gebruikt en grove ballast bijgestort. Dat beviel zo goed dat al in 1975 geconcludeerd werd dat zulk spoor veruit superieur was aan het conventionele en er werd een programma opgezet om per jaar 300.000 houten dwarsliggers te gaan vervangen door betonnen.

Oostenrijk

In Oostenrijk had men wat problemen op te lossen. Vanaf 1954 werden daar betonnen dwarsliggers gebruikt met maar één wapeningsdraad en een dunne taille, houten deuvels en onderlegplaten zoals op houten dwarsliggers (type B10). Vooral in bogen verschoven de onderlegplaten omdat de houten deuvels de dwarskrachten niet konden opnemen en ook door “biologische slijtage”. In de breedte van de dwarsligger was het moeilijk om plaats te vinden voor voldoende beton, de deuvels én de wapening. Het beton verkruimelde op die plaats.

De oplossing werd in 1975 gevonden in de dwarsligger type B19 die vier dunne wapeningsstaven kreeg, de Vossloh-bevestiging met hoekgeleideplaten en plastic deuvels, en toch veel dunner dan de vroegere houten.

Alkalischwellen

In 1987 wordt een groot probleem zichtbaar bij de Deutsche Reichsbahn, het staatsspoorbedrijf van de Deutsche Demokratische Republik, met de zogeheten ‘Alkalischwellen’. Er kwam een gerucht in omloop dat om de voorgespannen betonnen dwarsliggers die de DR zelf produceerde sneller te laten verharden, gips werd toegevoegd, dat later uitspoelde waardoor regen- en smeltwater konden binnendringen. Het gevolg zou zijn dat het beton uit elkaar valt en de wapening snel roest. Dit is door de DR nooit bevestigd, maar er was geen andere oplossing dan de aangetaste dwarsliggers te vervangen. Om het beton sneller te laten uitharden werd er algemeen warmte toegevoerd en Westduitse vakmensen veronderstelden dat daarbij te hoge temperaturen gebruikt waren. De DB stelde dat zulke problemen bij hen niet voorkwamen, ze kochten de dwarsliggers immers met vijf jaar garantie. Maar die problemen kwamen 35 jaar later toch!

Wikipedia meldt hierover: Halverwege de jaren 70 begon men in de DDR Oostzeegrind toe te voegen voor de productie van voorgespannen dwarsliggers, waardoor het beton zeer snel kristalliseerde en aanvankelijk een ongewone sterkte kreeg. Onder constante spanning ging de kristallisatie jarenlang door totdat het beton volledig was aangetast. Enkele duizenden kilometers spoorlijn werden getroffen, wat een enorme impact had op het treinverkeer, vooral op de drukke hoofdlijnen. Duizenden betonnen bovenleidingmasten werden ook aangetast. Zelfs na het einde van de DDR duurde het tot het einde van de jaren 1990 voordat alle getroffen lijnen hersteld waren. In 2007 werd een soortgelijke reactie ontdekt in het beton van de dwarsliggers van de spoorlijn Berlijn-Hamburg. De renovatie vond plaats in 2009.

Afbeelding 29. Alkalischwellen in het DB-museum Nürnberg 2012.

Afbeelding 30. Het DB-museum geeft een andere uitleg dan Wikipedia!

Dwarsligger NS90

Interessant is het onderzoek dat bij NS is gedaan om tot een goede keuze betondwarsligger te komen. Diverse bestaande modellen werden samen met de daarbij te gebruiken railbevestigingen onderzocht om tot één type te komen dat in het hele net kon worden gebruikt, want het net zou te klein zijn voor verschillende modellen. De voorlopige keuze viel op de Duitse B70-W, maar toch werden er nog aanvullende proeven gedaan bij de fabrikanten Schokbeton en Meteoor. Onderzocht werden de beste lengte, het systeem van de voorspan­verankering, de voorspankracht en de vorm van het toeslagmateriaal.

De conclusies waren dat zowel een lengte van 2,50 m als van 2,60 m zou kunnen voldoen en dat een voorspanning met eindverankering niet zou voldoen bij een hogere voorspanning, die voor een grotere zekerheid dat er geen haarscheuren optreden wenselijk werd geacht en de voorspanning op aanhechting bovendien goedkoper zou zijn. Het resultaat was de licht getailleerde dwarsligger NS90. Na enkele proefseries die verbeteringen opleverden, werd de NS90 in 1991 in gebruik genomen en vanaf toen geen nieuwe tweebloksliggers meer gekocht. Afbeelding 31.

Ballastloos spoor

Een nieuwe ontwikkeling in de bovenbouw is het ballastloze spoor – in het Duits meestal Feste Fahrbahn (FF) en in het Engels slabtrack genoemd – rond 1990. In Duitsland waren er tot dusver vrijwel uitsluitend  voorgespannen monoblok betonliggers gebruikt, maar de ontwikkeling van de FF bracht in eerste instantie een nauwkeurig aangelegde asfaltbaan met slap gewapende tweeblokliggers die daarop werden vastgelijmd.

Niet lang daarna werd er ballastloos spoor gemaakt op beton. Daarbij is een verscheidenheid van constructies in de praktijk uitgeprobeerd, waarvan vooral de Rheda 2000-versie is beklijfd. Er wordt dan een betonbaan gelegd met een zware conventionele vlechtwerk-wapening waarboven spoorramen worden gebouwd (of gelegd) die bestaan uit de rails en daaronder tweebloksliggers opgehangen met de definitieve railbevestigingen. Dit spoorraam wordt met draadspindels afgesteund op de verharde betonbaan en het geheel wordt in alle richtingen zeer nauwkeurig gesteld. Dan wordt een tweede betonlaag gestort die de twee blokken en de afstandhouders ertussen geheel omvat en zo bevestigt.

Dit systeem wordt sindsdien in talloze landen gebruikt voor gewone spoor- en tramlijnen en voor hogesnelheidslijnen. De dwarsliggers bij zulk ballastloos spoor laten we hier verder buiten beschouwing. Afbeelding 32 en 33.

Lange dwarsliggers bij wissels

Toen de eerste voorgespannen betondwarsliggers in Nederland in gebruik kwamen, zei een medewerker van een museumtram tegen me: “heel mooi, maar voor wissels zullen de lange houten liggers in gebruik moeten blijven.” Dat bleek flink buiten de waard gerekend. In Nederland werd de eerste wisseloverloop op voor­gespannen liggers in 1996 bij Boxtel gelegd. In Zweden werd beton op zulke plaatsen toen al twintig jaar toegepast en van die ervaring werd bij NS RIB [7] graag gebruikgemaakt.

De voorgespannen lange liggers van ongeveer 6,70 m lang werden bij Meteoor in een lange-bank gemaakt, waarbij meteen de kunststof deuvels moesten worden ingestort. Dat was een heel precies werkje, waarvoor de plaats van de gaten in de oplegplaten en dus van de deuvels en de deuvelpennen [8] met een nauwkeurigheid van ± 0,05 mm (!) werd uitgetekend, zie afbeelding 34.

Bij een wissel zijn die gaten in elke dwarsliggers anders en ook in de lange-bank moesten dus al die verschillende deuvelpennen apart geplaatst worden, waarbij de deuvels de voorspanwapening niet mochten raken. Het is gelukt en sindsdien talloze malen herhaald. Bedenk hierbij dat het gebruik van FFU-liggers [9] die eindloos gemaakt kunnen worden en waarin op elke plaats een boutgat geboord kan worden, veel gemakkelijker werkt.

Breitschwelle

Naast voortreffelijke technische eigenschappen is er natuurlijk altijd het financiële aspect van vernieuwingen. Dat werd in 1996 op een bijzondere manier onder­zocht. In Duitsland was er een idee om betonnen dwarsliggers van dubbele breedte (570 mm) te maken en die met een tussenruimte van slechts 30 mm te leggen, de Duitse naam is Breitschwelle, afbeelding 35. Die tussenruimte zou dan met een kunststof T-profiel worden afgedicht.

Doel was de onderhoudskosten te verlagen door minder vaak onderstoppen (mogelijk doordat er een lagere vlaktedruk op de ballast ontstaat), minder vaak reinigen van de bedding, betere vegetatiebestrijding, en minder vergruizing van de ballast.

Er waren zo nogal wat aparte zaken bij het project. Zo was er naast de voorgespannen wapening ook een slappe, waren er op het bovenvlak afwaterings­gootjes om regenwater naar de koppen af te voeren en was er in het midden aan de onderzijde een ingestort schuimplastic kussen om daar de dwarsligger niet op de ballast te laten dragen. Heel apart was het onderstoppen vanaf de zijkant (want tussen de liggers was maar 3 cm ruimte) en dat ging tot 70 cm “naar binnen”.

Met de gegevens die in 1999 beschikbaar waren, werd een integrale kosten­besparing berekend van 7%, die onder voorwaarden als een iets grotere liggerafstand en meer ervaring bij productie en leggen zou kunnen oplopen tot 10%. Misschien niet schokkend, maar over het hele Duitse spoornet gerekend natuurlijk wel een enorm bedrag.

Splijtwapening

Alles goed en wel zegt de betonfabriek Nigtevecht in 2001, voorgespannen wapening is prima en voldoet goed, maar het maakt de dwarsliggers te duur. Zonder voorspanning kan het ook goed volgens het octrooischrift NL1013074. Daarin wordt een werkwijze met klassieke wapening en dwarsbeugels beschreven “die elke vakman beheerst”. Er worden geen bijzondere eisen gesteld aan het wapeningsstaal of aan het gebruikte beton, als de dwarsliggers na het storten 28 dagen kunnen uitharden, wat nog steeds een heel gebruikelijke termijn is.

De dwarsliggers zijn met de aangegeven afmetingen en het gebruik van kunststof buizen – die stotende krachten dempen – om de kraagbouten in te schroeven, geschikt voor aslasten van 5 tot 18 ton (lightrail) en snelheden tot 150 km/u. Het nieuwe in het ontwerp is het gebruik van splijtwapening, die wordt aangebracht rondom de deuvels (de kunststof buizen) en die het splijten van de dwarsliggers op die plaats voorkomt, afbeelding 36.

Oude ideeën keren terug

Het was niet mogelijk in dit artikel alles over de ontwikkeling van betonnen dwarsliggers te vermelden dat in de literatuur te vinden is. Het valt wel op dat sommige zeer oude ideeën steeds weer de kop opsteken en als “nieuw” worden voorgesteld. Eén van die her-uitvindingen werd nota bene in 2012 gepubliceerd door het bekende ICE, het Britse Institute of Civil Engineering, en betrof vertanding aan de onderkant van de dwarsliggers, waardoor uiteraard de weerstand tegen zijdelingse verschuiving van het spoor toeneemt. Afbeelding 37.

Dat zoiets simpels gedragen wordt door hooggeleerde onderzoekers blijft verbazen. Maar verbazing is de basis van mijn nieuwsgierigheid en dus ook van deze hele hobby!

Ondanks alle alternatieven die momenteel in ontwikkeling zijn en deels ook al toepassing vinden, zullen voorgespannen betondwarsliggers vooral vanwege de lage kosten en de integratie met de railbevestigingen nog wel een hele tijd het spoorbeeld beheersen.

---

Jan Roos, railfix.nl