Bahnschwellen aus Kunststoffrecyclat

Bahnschwellen aus Kunststoffrecyclat

Kunststoffrecyclatbahnschwellen in Deutschland – Fiktion oder Wirklichkeit?

Bahnschwellen gestern und heute

Die Gesamtlänge des Schienennetzes in Deutschland beträgt mehr als 60.000 km. Es ist das größte in Europa (Gesamtlänge in Europa ca. 200.000 km). Bei 1.660 Schwellen pro Kilometer sind rund 100 Millionen Schwellen auf deutschen Eisenbahnstrecken verlegt, wobei ca. 70% aus Beton, 15% aus Holz und 15% aus Stahl bestehen. (1) In Deutschland müssen aus klimatischen Gründen alle Holzschwellen mit Konservierungsmitteln imprägniert sein. Dafür wird seit Jahrzehnten das sogenannte „Kreosot“, ein bei der Steinkohleverarbeitung anfallendes Teeröl-Abprodukt eingesetzt. In Europa steht diese Kreosot-Holzschwelle auf Grund der mit der EU-Biozidrichtlinie (2) verbundenen Anwendungseinschränkungen kresothaltiger Imprägnieröle spätestens zum 31.5.2018 vor dem Aus. In Deutschland sind davon rund 15 Mio. Holzschwellen betroffen – europaweit sind es weit mehr als 100 Millionen Stück. Beton- oder Stahlschwellen können in Gebieten starker Bebauung oder aus statischen Gründen nicht eingesetzt werden. Für Brückenschwellen ist Beton aus Gewichtsgründen nicht verwendbar. In Deutschland gibt es einen Bedarf von je rund 150.000 Schwellen innerhalb und außerhalb der Netze der Deutschen Bahn AG, die nicht durch Betonschwellen ersetzbar sind.

In der Vergangenheit wurden weltweit verschiedene Anstrengungen unternommen, um Schwellen auf der Basis von Kunststoffen zu entwickeln. Beispiele dafür sind:

  • SEKISUI®-Schwellen aus PUR und Endlos-Glasfasern (Japan)
  • „TieTek® Composite“ -Schwellen aus 85% recycelten Mischkunststoffen (USA)
  • Bahnschwellen aus Kunststoff ohne EBA-Zulassungen (EBA=Eisenbahnbundesamt) (Deutschland)
  • Polyolefin-Schwellen, verstärkt mit Stahlbewährung der der Fa. LANKHORST Mouldings b.v. ohne EBA-Zulassung (Niederlande)

PAV - Recyclat-Kunststoffschwellen RPT® - für die Anforderungen des deutschen und europäischen Marktes

In mehreren Forschungsprojekten, initiiert durch die Firma PAV Berlin (Plastic-Aufbereitungs- u. Verarbeitungsgesellschaft mbH & Co. Vertriebs KG), wurde gemeinsam mit anderen Partnern nach Lösungswegen gesucht, um auf der Basis von Recyclatwerkstoffen (Sekundärpolyolefine und Recylatglasfasern) und einem kontinuierlichen Extrusionsprozess Kunststoffschwellen zu erzeugen, die nach einer EBA-Zulassung mit anschließender Betriebserprobung bei der DB Netz AG künftig Holzschwellen ersetzen sollen.

Die Substitution konventioneller Schwellenmaterialien (Holz, Beton, Stahl) durch Kunststoffe aus dem Recylataufkommen der Sekundärrohstoffwirtschaft leistet einen nachhaltigen Beitrag zur Ressourcenschonung und zur Erhöhung der Ressourceneffizienz.

Mit dem Einsatz von thermoplastischen Kunststoffen als Schwellenwerkstoff sind darüber hinaus positive akustische Eigenschaften verbunden, die eine Dämpfung von hörbarem und Körperschall bewirken, was zu einer nicht unterschätzbaren Lärmminderung und damit Umweltentlastung beitragen wird. Die Schall- und Schwingungsdämpfung würde darüber hinaus das Auftreten von Bauwerksschäden durch den Eisenbahnbetrieb reduzieren.

Im Verlauf der Projektarbeiten wurden erste Versuchschwellen hergestellt, die umfangreiche Tests auf Prüfständen des Bereiches Verkehrswegebau der TU München zu bestehen hatten.

© PAV Plastic-Aufbereitungs- u. Verarbeitungsgesellschaft mbH & Co. Vertriebs KG

links: Dauerermüdungstest TU München

rechts: VIBROGIR-Test – SNCF/RFF-Labor

Durch frühzeitige und kontinuierliche Kontakte mit dem EBA und auf Grundlage der bisherigen Erfolge wurden durch das Eisenbahnbundesamt bereits im August 2011 bzw. September 2013 die Zulassungen zur Betriebserprobung von „RPT® – Railway Plastic Tie Kunststoff-Brückenschwellen und -Gleisschwellen" für unbegrenzte Geschwindigkeiten und Achslasten erteilt. PAV konnte vor kurzem berichten, dass die RPT®-Gleisschwelle im Labor der SNCF/RFF den sogenannten „VIBROGIR“-Test, den für die französische Staatsbahn wichtigsten Schwellentest bestanden hat.

Kunststoffbahnschwelle - Bahnschwelle RPT Railway Plastic Tie® der Fa. PAV
© STRAIL GmbH & Co KG

Bahnschwelle RPT Railway Plastic Tie® der Fa. PAV

PAV ist im Moment dabei, bis Ende 2013 gemeinsam mit den Maschinenlieferanten GRAEWE GmbH, dem Extruderbauer KOMAX GmbH sowie einem Extrusionswerk-zeugbauer eine Kleinserienproduktionsanlage zur Herstellung der RPT®-Kunststoffrecyclatschwellen am Standort der Firma NAFTEX GmbH in Wiesmoor zu errichten. Durch die Fa. ProCon X-Ray GmbH wird eine inline arbeitende Röntgenanlage zur Qualitätsüberwachung aufgebaut. Die Bundesregierung fördert diese Investition aus Mitteln des Umweltinnovationsprogramms.

Werkstoffentwicklung am KuZ

Vor kurzem hat PAV in einer Pressemitteilung berichtet, dass am 31.7.2013 ein gemeinsam mit der Kunststoff-Zentrum in Leipzig gGmbH durchgeführtes zweijähriges ZIM-KF Projekt erfolgreich beendet wurde. Im Rahmen dieses Projektes wurden am KuZ verschiedene mögliche Rezepturen mit auf dem europäischen Recyclat-Markt verfügbaren Altkunststoffen entwickelt und getestet, so dass für ein in der Planung befindliches Kunststoffschwellenwerk mit einer Kapazität von 100.000 Schwellen p.a. ein Portfolio an geeigneten Rezepturen zur Verfügung steht. In einer Studie im Auftrage der PAV ermittelte die CONSULTIC GmbH, Herausgeber der jährlichen „CONSULTIC-Studie“ zum Altkunststoffmarkt im Auftrag des BVSE, dass für ein Schwellenwerk der o. g. Größenordnung maximal 5 % der in Deutschland verfügbaren und als für die Schwellen geeignet herausgefundenen Altkunststoffe benötigt würden. Gemeinsam mit dem KuZ konnte PAV die für erfolgreiche Schwellenprüfungen geeigneten Altkunststoffe identifizieren. Die daraus hergestellten Compound-Rezepturen mit am Markt verfügbaren Glasfasern wurden mit Glasfaser-Polymer-Kopplern und anderen rezepturverbessernden Zusätzen getestet und einsatzoptimiert. Daneben wurde die vollständige werkstoffliche Recyclierbarkeit der Schwelle nach einem Ausbau aus dem Gleiskörper nachgewiesen.

Ein Bestandteil der am KuZ durchgeführten Untersuchungen beinhaltete die Ermittlung des Einflusses der Glasfaserlänge auf die mechanischen Eigenschaften. Für diese angestrebten Untersuchungen wurde ein glasfasergefülltes HDPE-Compound mit einem definierten Anteil an Glasfasern hergestellt. Bei der Herstellung der Compounds sollten die Glasfasern so schonend wie möglich in das Polymer eingearbeitet werden. Werden die Glasfasern bei der Compoundierung einer zu starken Scherung ausgesetzt, ist mit einer deutlichen Einkürzung der Glasfasern zu rechnen. Die Glasfaserlänge und das L/D-Verhältnis haben signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Compounds. Deshalb wurden verschiedene Versuche mit unterschiedlichen Compoundierbedingungen geplant und durchgeführt.

Die mittlere Glasfaserlänge wurde mikroskopisch am Glührückstand der Compounds ausgewertet. Die folgenden Abbildungen zeigen die tendenzielle Abhängigkeit des Biegemoduls und der Biegefestigkeit von der mittleren Glasfaserlänge. Da der GF-Gehalt bei der Compoundierung geringfügig schwankt, wurden die ermittelten Kennwerte auf den Glührückstand (GF-Anteil) normiert. Das ist notwendig, da die Kennwerte stark vom GF-Gehalt beeinflusst werden. Die beobachtete Erhöhung der Biegekennwerte mit zunehmender GF-Länge steht in Übereinstimmung mit Literaturangaben. Danach nimmt die Verbesserung der Zug- oder Biegekennwerte mit zunehmender Faserlänge bis zum Erreichen einer kritischen Länge kontinuierlich zu. (3)

Normierter Biegemodul in Abhängigkeit von der mittleren Glasfaserlänge

Normierter Biegemodul in Abhängigkeit von der mittleren Glasfaserlänge

Normierte Biegefestigkeit in Abhängigkeit von der mittleren Glasfaserlänge

Normierte Biegefestigkeit in Abhängigkeit von der mittleren Glasfaserlänge

Kontakt

Dr. Frank Giesel

Telefon +49 (0)30 700 766 0

giesel(at)pav-recyclate.de

Markus Tröbs

Telefon +49 (0)341 4941 804

troebs(at)kuz-leipzig.de

Gefördert durch Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des 

Reg.-Nr.: KF204280SU1

(1) Precast concrete railway track systems, State of art report. Bulletin 37. Fédération internationale du béton.

(2) Richtlinie 98/8/EG des Europäischen Parlamentes und des Rates vom 16. Februar 1998 über das Inverkehrbringen von Biozid-Produkten (Biozidgesetz), Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften. L 123/1. 24.4.98. I.

(3) Ehrenstein, G.W.: Polymer Werkstoffe, Hanser Verlag München Wien (1999), S. 125