Recycling-Kunststoffschwellen im Straßenbahn- und Eisenbahnbau

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1 HTW Dresden PF Dresden HOCHSCHULE FÜR TECHNIK UND WIRTSCHAFT DRESDEN (FH) Professor Dr. Wolfgang Rank Fachbereich Bauingenieurwesen/ Architektur Vortrag Recycling-Kunststoffschwellen im Straßenbahn- und Eisenbahnbau 1. Allgemeines 1.1 Problemstellung und Grundgedanken In der heutigen Zeit werden im Bereich von Weichen hauptsächlich Holzschwellen verwendet. Dabei kann die Länge der Schwellenbalken erheblich von der Regellänge abweichen. Die Maximallänge beträgt dabei 7 bis 8 m. Bei dieser Länge haben Betonschwellen aufgrund ihres hohen Gewichts erhebliche Nachteile, da sie zu schwer für die Verlegmaschine sind. Holzschwellen dieser Dimension stehen heute nur noch zu überhöhten Preisen zur Verfügung. Ein Alternativmaterial können deshalb Kunststoffschwellen aus Recyclingmaterial sein. Wichtigstes Kriterium des Einsatzes sind die Materialkennwerte, die Form der Bearbeitbarkeit und die ausreichende Bereitstellung in großer Stückzahl. Das Recyclingkunststoffgemisch aus Relumat 2000 bietet sich als Ausgangsstoff für die Herstellung von Querschwellen an. In der Vergangenheit wurden große Mengen Kunststoff durch Verbrennung entsorgt. Entsprechend der EU-Gesetzgebung ist aber die innovative Verwendung des Recyclingmaterials zwingend vorgeschrieben. Im Zuge der Entwicklung innovativer Produkte aus Recyclingmaterial gelang es der Firma Reluma aus Sachsen aus dem von der Deutschen Gesellschaft für Kunststoffrecycling mbh (DKR) gelieferten Ausgangsmaterialien leistungsfähige Produkte für die Bauwirtschaft herzustellen. Im Jahr 2004 wurden durch die Firme Reluma erstmals Querschwellen aus Relumat 2000 hergestellt. Die Material- und Eignungstests wurden von der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH) in Zusammenarbeit mit den Dresdner Verkehrsbetrieben durchgeführt. Friedrich-List-Platz Dresden 1 Postanschrift PF Dresden

2 Wichtige Gründe für die Ablösung von Holzschwellen im Weichenbereich sind weiterhin: - Anstieg der Rohholzpreise für Schwellenbalken mit Längen ab 4 m - Wegfall der Umweltbelastung in hochsensiblen Naturräumen da keine Imprägnierung erforderlich ist - Beständigkeit gegenüber Meersalzhaltigen Baugründen. 1.2 Internationaler Stand Der Einsatz von Kunststoff zur Herstellung von Querschwellen ist in Europa und speziell in Deutschland kaum erforscht. In den USA, Kanada, Mexiko, Australien, Indien und Japan sind schon seit mehr als 10 Jahren Bahnschwellen aus Kunststoff in einer Größenordnung von über Schwellen im Einsatz. Sie haben sich mit Betriebsbelastungen von über 8 Mill. t in der Praxis bewährt. Dabei wurden in den erwähnten Ländern vorwiegend Neumaterialien mit Zumischung von % Altgummi eingesetzt. Die Firma Reluma aus Sachsen beschreitet mit der Querschwelle aus 100 % Recyclingkunststoff einen völlig neuen Weg. Das Material Relumat 2000 wird ausschließlich aus Verpackungskunststoffen, Fraktion Gelber Sack, gewonnen. Das verwendete Kunststoffgemisch besteht zu 65 % aus Polypropylen (PP) und 35 % Polyethylen (PE). Das Ausgangsmaterial wird sortiert, gereinigt und mittels Schredder granuliert. Das eigentliche Herstellverfahren ist ein Fließgießverfahren bestehend aus einer Kombination aus Spritzgieß - Extrusionsverfahren mit anschließender Intrusion. Durch eine zweckmäßige Kombination der beiden Ausgangsmaterialien erhält das Endprodukt seine Materialkennwerte. Die zugeführten Kunststoffteile (Granulat) werden aufgeschmolzen, homogenisiert, verdichtet und in das Formwerkzeug intrudiert. Dabei füllt sich der Hohlraum mit Kunststoffschmelze welche komprimiert und in das angeschlossene Formteil eingepresst wird. 2. Technische Grundlagen - Versuchsprogramm 2.1 Grundlagen Es gelten im wesentlichen die Zulassungsbestimmungen für Eisenbahnschwellen die sich aus der DIN EN ergeben. Die Recycling Kunststoffschwelle muss die Vertikal- und Horizontalkräfte aufnehmen. Im wesentlichen sind zu nennen: Achslasten der Schienenfahrzeuge Abhebwelle der Schiene Führungskräfte der Fahrzeuge quer zum Gleis (Schlingerbewegung) Führungskräfte im Bogen (Fliehkräfte) Längskräfte durch Bremsen, Beschleunigen und Schienenwandern Übertragung der Kräfte auf die Bettung. Die Eignungstests des neuen Schwellenmaterials Relumat 2000 wurden entsprechend der vorgenannten Zielstellung sowohl als Laborversuch als auch Feldversuch insbesondere im Straßenbahngleisbau durchgeführt. Im einzelnen wurden folgende Versuche durchgeführt: als Laborversuch 1. Eindreh- und Ausziehverhalten der Befestigungsmittel (Schienenschrauben) 2. Statische Prüfung des Schienenbefestigungssystems 3. Dynamische Prüfung des Schienenbefestigungssystems 2

3 als Feldversuch 1. Messstrecke Straßenbahn Dresden Prohlis. 2.2 Eindreh- und Ausziehversuche Gleisanlagen sind einer Vielzahl von Belastungen ausgesetzt. Außer den statischen und dynamischen Einflüssen sind die Witterung und die chemischen Angriffe zu beachten. Aus diesem Grund haben die einzelnen Bauteile des Gleises unterschiedliche Lebensdauern und müssen nach Ablauf ersetzt oder überarbeitet werden. Die Liegedauer der Schwelle ist etwa doppelt so hoch wie die der Schiene. Es ist deshalb unbedingt erforderlich, dass Schwellenschrauben ausgedreht und erneut festgezogen werden können, ohne das ein Verlust der Verbindungskraft zwischen Schraube und Schwelle auftritt. Die notwendigen Eindreh- und Ausziehversuche wurden an Probanden mit Originalschwellendimensionen durchgeführt. Als Schwellenschraube wurde für alle Versuche die Standardschraube Ss 8 gewählt. Das Ein- und Ausdrehmoment wurde mit Hilfe eines elektrischen Drehmomenten- Messsystems, welches zwischen Drehmomentenschlüssel und Nuss installiert wurde, gemessen. Bild 1: Drehmomenten - Messsystem TT1 Ergebnisse Im Vergleich der durchgeführten Aus- und Wiedereindrehversuche ergibt sich folgende eindeutige Aussage: Bei Holzschwellen ist das Ersteindrehmoment ca. 30 % höher als bei den Kunststoffschwellen. Das Wiedereindrehmoment nimmt bei Kunststoff nicht ab, sondern es ist eine geringfügige Erhöhung zu beobachten, bei Holzschwellen hingegen sinkt das Wiedereindrehmoment stark ab, die Abnahme kann mit 30 % beziffert werden. Der Effekt, dass sich bei Kunststoffschwellen das Wiedereindrehmoment nicht verringert, beruht auf einer mit zunehmender Lebensdauer eintretenden Nachverfestigung bzw. noch enthaltene Reste von Weichmachern verhärten sich mit zunehmendem Alter. Die eingesetzte Schwellenschraube Ss 8 hat darüber hinaus aufgrund der Schärfe ihres Gewindes einen strukturzerstörenden Einfluss auf das Schwellenmaterial, dies trifft auf die Holz- wie auch auf die Kunststoffschwelle zu. 3

4 Im Ergebnis der mit der Schwellenschraube Ss 8 durchgeführten Untersuchung wurden die weitere Ermittlung der statischen wie dynamischen Kennwerte mit der Schwellenschraube Ss 35 mit abgerundeten Holzgewinde durchgeführt. Bei dieser Schraube wird die Festigkeit im wesentlichen durch den Anpressdruck bewirkt. Diese Schraube ist in den üblichen Abmessungen erhältlich und erfordert keine veränderte Einbautechnologie (Schraube siehe Bild 2). Bild 2: Schwellenschraube Ss Ermittlung der statischen Kennwerte nach DIN Im ersten Teil der Untersuchungsreihe wurde die statische Steifigkeit der Kunststoffschwelle für Straßen- und Eisenbahnlasten getrennt ermittelt. Die Versuche für die Straßenbahngleisschwelle wurden mit einer einzuleitenden Maximallast von 40 kn als Einzelradlast durchgeführt. Das nachfolgende Bild 3 zeigt ein Kraftverformungsdiagramm für eine Kunststoffschwelle bei Straßenbahnmaximallast Bild 3: Kraftverformungsdiagramm für Kunststoffschwellen bei Straßenbahnmaximallast 4

5 Die Versuche zur Ermittlung der Kennwerte von Eisenbahnlasten wurden mit einer Einzelradlast von 85 kn durchgeführt. Bild 4: Kraftverformungsdiagramm für Kunststoffschwellen bei Eisenbahnlast 85 kn Neben dem Vergleich der reinen Festigkeitswerte ist aber die Betrachtung der statischen Steifigkeit des Schwellenmaterials maßgebend. Die Versuche zur Ermittlung der statischen Steifigkeit wurden bei 3 unterschiedlichen Prüftemperaturen von 23 C, 30 C und 50 C durchgeführt. Nachstehendes Bild zeigt die Abhängigkeit der statischen Steifigkeit von der Temperatur. Bild 5 Der Steifigkeitsverlust bei einem Temperaturunterschied von 23 C 50 C beträgt dabei 5 kn/mm. Das ist eine Steifigkeitsabnahme von ca. 14 %. 5

6 Ergebnisse Die durchgeführten Eignungstests zeigen, dass die Kunststoffschwelle eine deutlich höhere statische Steifigkeit gegenüber der Holzschwelle bei einer Einzelradlast von 85 kn besitzt. Aufgrund dieser hohen statischen Steifigkeit ist das Material Relumat 2000 für die Herstellung von Kunststoffschwellen geeignet. Ermittlung der Kennwerte für Eisenbahnlasten Die einzuleitende Maximallast F max für Eisenbahnen bezieht sich auf die einzelnen Radlasten und beträgt 85 KN. Die versuchstechnisch aufgebrachte Vorlast F 1 wurde auf 2,0 kn festgelegt. Bild 6: Prüfstand mit Eisenbahnschwelle unter dynamischer Belastung Kraft-Verformungsdiagramm Eisenbahnlasten Bild 7: Kraft-Verformungsdiagramm unter Eisenbahnlasten 6

7 2.4 Prüfung der Schienenbefestigungssysteme nach DIN EN Die Versuchsanordnung wird aufgebaut, wobei das Schwellenstück bzw. die Schwelle auf einer starren Fläche aufliegt. Anschläge müssen auf der starren Auflage befestigt werden, um Längs- oder Querbewegungen der Prüfstücke vorzubeugen. Es wird eine Lasteinbringungsanordnung ohne Änderung des Schienenfußes verwendet. Der theoretisch geschilderte Versuchaufbau wurde nach den labortechnischen Möglichkeiten umgesetzt. Dabei wurde eine Stahlauflagerung gewählt, mit welcher man den Belastungswinkel α mittels Gewindestangen einstellen kann. Dieser musste ausreichend biegesteif sein und gegen jegliche Art von Verschiebungen gesichert werden. Der Winkel α ist abhängig vom Bogenradius. Bei Bogenradien < 800 m ist α = 31 und bei Bogenradien 800 m ist α = 22 zu wählen. Auf die Stahlauflagerung wird die Schwelle aufgebaut und gegen Verschiebungen gesichert. Die auf die Schwelle aufgebrachte Rippenplatte wurde mittels Spezialschrauben Ss 35 und einem Anzugsmoment von 225 Nm befestigt. Die Schwellenschrauben haben ein abgerundetes Gewinde. Das abgerundete Gewinde der Schwellenschraube Ss 35 soll ein mehrmaliges Ein- und Ausdrehen gewährleisten, ohne das Material zu zerstören. Um ein Einleiten der Kraft in die Schwelle zu ermöglichen, wurde ein besonderes Schienenstück UIC 60 angefertigt. Das UIC 60 Versuchstück wurde am Schienenkopf mit einer Stahldruckplatte verschweißt. Mit Hilfe dieser Stahlplatte wurde die Verbindung zum Zylinder hergestellt. Der Schienenfuß wurde mittels Hakenschrauben auf der Rippenplatte befestigt. Um Verschiebungen und eventuelle Lockerungen der Schwellenschrauben zu beobachten, wurden auf den Schraubenkopf Glasblättchen aufgeklebt und Wegaufnehmer aufgesetzt. Ebenso wurde auf die Rippenplatte ein Wegaufnehmer positioniert, um eventuelle Horizontalverschiebungen in Bezug zur Schwelle zu erkennen. Bild 8 : Versuchsaufbau Dauerschwingversuch Das Bild 8 zeigt den Versuchsaufbau Dauerschwingversuch. Ergebnisse Der durchgeführte Dauerschwingversuch bestätigt die besondere Eignung der Kunststoffschwelle in Verbindung mit der Schwellenschraube Ss 35. Im Umkehrschluss ist somit der Einsatz von Relumat 2000 für die Kunststoffschwelle mit dem Prädikat besonders geeignet zu bewerten. 7

8 3. Versuchsstrecke Straßenbahngleisschwellen - Prohlis Im Rahmen der durchgeführten Eignungsversuche für Kunststoffschwellen wurde im September 2004 auf einem Gleisabschnitt der Dresdner Verkehrsbetriebe ein Versuchsabschnitt mit Kunststoffschwellen errichtet. Der Versuchsabschnitt befindet sich in einem leichten Übergangsbogen unter einer Weicheneinrichtung. Zweck dieses Versuchsstückes ist es, die Lagestabilität und die damit zusammenhängenden Verzahnungseigenschaften zwischen Schwelle und Schotterbett zu erforschen und im Vergleich zu herkömmlichen Holzschwellen, die zum gleichen Zeitpunkt eingebaut wurden, darzustellen. Die praktische Erprobung soll zeigen, wie hoch die Quer- und Längsverschiebungen des Gleisrostes bzw. der einzelnen Schwellen sind und ob eine Höhenänderung unter realen Lasteinflüssen auftritt. Hierzu wurde eine geodätische Bauwerksüberwachung durchgeführt. Die Versuchsstrecke ist Teil eines Schottergleises. Dieses besteht im wesentlichen aus einem tragfähigen Untergrund, einer Planums- und Frostschutzschicht, dem Schotterbett mit der darin eingebetteten Querschwelle und der darauf befestigten Schiene. Ergebnisse 1. Die durchgeführten monatlichen Messungen der Lagestabilität sowohl des Kunststoffschwellenbereiches als auch des Holzschwellenbereiches zeigen, dass es keine Querverschiebungen nach 22 Monaten gibt. Hingegen sind im Bereich der Holzschwellen Querverschiebungen zu beobachten. 2. Ein Vergleich Kunststoffschwelle Holzschwelle zeigt, dass bei 30 % der eingesetzten Holzschwellen nach 22 Monaten eine deutliche Rissbildung zu beobachten ist. Darüber hinaus kommt es zum Ausspülen umweltbeeinflussender Holzschwellen-Imprägniermittel, siehe Bildanhang. 3. Im angrenzenden Gleisabschnitt mit Betonschwellen sind Abplatzungen an den Betonschwellenköpfen deutlich sichtbar, die sich aus Belastungen der Querverschiebungen ergeben. 4. Aufgrund der gewonnenen Ergebnisse wird der Einsatz von Relumat 2000 als Kunststoffschwellen als besonders geeignet beschrieben. Dresden, Professor Dr. W. Rank 8

9 Anhang Bild A 1: Teststrecke Prohlis Bild A 2: Kunststoffschwelle aus Relumat 2000, Liegedauer 22 Monate 9

10 Bild A 3: Vergleich Holzschwelle Kunststoffschwelle Bild A 4: Freiliegende Schwellenköpfe infolge Querverschiebung im Bereich Holzschwellen, Liegedauer 22 Monate 10

11 Bild A 5.1: Rissbildung mit Austritt Imprägniermittel im Bereich der Holzschwellen, Liegedauer 22 Monate Bild A 5.2: siehe vorheriges Bild 11

12 Bild A 6: Einsatz langer durchgängiger Holzschwellenbalken > 2,5 m im Weichenbereich, Liegedauer 22 Monate Bild A 7: Zerstörungen der Schwellenköpfe im Bereich der Betonschwelle infolge der Querverschiebung, Liegedauer 22 Monate 12

13 Bild A 8: Gesamtansicht Kunststoffschwellenbereich nach 22 Monaten, Querverschiebung nicht erkennbar 13