Kierrätysmuovien hiilijalanjälki ja käyttömahdollisuudet ratarakenteissa

Abstract

Ilmastonmuutos on ihmiskunnan suurimpia haasteita nykyaikana. Ilmastonmuutoksen kehittymistä kiihdyttää erityisesti kasvihuonekaasupäästöjen jatkuva lisääntyminen. Jotta ilmastonmuutoksen eteneminen saataisiin hidastettua ja pysäytettyä, on merkittävästi vähennettävä kasvihuonekaasupäästöjen tuottamista. Rautatieliikenteessä suurimpia kasvihuonekaasupäästöjen aiheuttajia ovat infrastruktuurin ylläpitoon ja rakentamiseen käytettävät materiaalit. Ratarakenteiden materiaaleina on tyypillisesti käytetty hyvin korkean hiilijalanjäljen omaavia materiaaleja, kuten betonia ja terästä. On tärkeää selvittää, onko radan rakenteissa mahdollista käyttää pienemmän hiilijalanjäljen omaavia materiaaleja. Yksi potentiaalisista pienemmän hiilijalanjäljen omaavista materiaaleista voisi mahdollisesti olla kierrätysmuovi. Työssä tutkittiin kierrätysmuovien käyttömahdollisuuksia radan rakenteissa. Tämän lisäksi työssä selviteltiin, pystyttäisiinkö radan rakentamisen ja ylläpidon aiheuttamia kasvihuonekaasupäästöjä vähentämään kierrätysmuovien käytön avulla. Ratarakenteista kierrätysmuovin potentiaaliseksi käyttökohteeksi valikoitui ratapölkyt, sillä niihin käytettävät materiaalimäärät ja siten niiden vaikutus ratarakenteiden kokonaispäästöihin on yksi merkittävimpiä. Työssä selvitettiin, millaisia ominaisuuksia ratapölkkyjen materiaaleille vaaditaan ja voisiko kierrätysmuovi täyttää ne. Työssä tutkittaviksi kierrätysmuovijakeiksi valikoitui tällä hetkellä polttamalla hyötykäytettävät jätemateriaalit, sähkö- ja elektroniikkajätteen sisältämä ABS-muovi ja nestepakkauskartongin kierrätyksen pulpperoinnin rejekti. Valittujen materiaalien mekaanisten ominaisuuksien riittävyyttä ratapölkkyyn käytettäväksi tarkasteltiin laboratoriotestien avulla. Laboratoriossa suoritettiin testattavista kierrätysmuovijakeista ruiskuvaletuille koesauvoille veto- ja taivutuskokeet yleistestauslaitteella. Näiden lisäksi materiaalien pehmenemislämpötilat mitattiin Vicat- ja HDT-testeillä. Työn tuloksena saatiin selvitettyä, että kierrätysmuovien käytöllä ratapölkyissä voitaisiin vähentää ratarakenteen aiheuttamaa hiilijalanjälkeä. Hiilijalanjäljen pienenemiseen vaikuttaa merkittävästi se, että kierrätysmuovimateriaalilla on takana jo yksi elinkaari ja ratapölkyn elinkaaren jälkeen materiaali on mahdollista kierrättää uudelleen, jolloin aiheutetut nettopäästöt ovat pienemmät kuin perinteisesti radan rakenteissa käytetyillä materiaaleilla. Päästöintensiteettien perusteella voidaan päätellä, että tutkituista materiaaleista nestepakkauskartongin pulpperoinnin rejektin mekaaninen kierrätys ratapölkyksi tuottaisi noin puolet pienemmät päästöt verrattuna sähkö- ja elektroniikkajätteen ABS-muoviin. Tutkittujen materiaalien kierrätysvirtojen perusteella voidaan todeta, että sähkö- ja elektroniikkajätteen sisältämän ABS-muovin vuotuisesta kierrätysmäärästä voidaan rakentaa noin 15,3 km rataa ja pulpperoinnin rejektin vuotuisesta kierrätysmäärästä noin 19,3 km rataa. Mekaanisten testien tulosten perusteella voidaan päätellä, että testatuista materiaaleista sähkö- ja elektroniikkajätteestä kierrätetty ABS-muovi olisi selvästi potentiaalisempi vaihtoehto radan rakenteisiin kuin nestepakkauskartongin pulpperoinnin rejekti. Sellaisenaan kierrätetty ABS-muovi ei kuitenkaan aivan kelpaa taivutusominaisuuksiensa perusteella korvaamaan tyypillisen puupölkyn mitoituksella valmistetun ratapölkyn korvaajaksi 22,5 tonnin akselipainon ja 160 km/h nopeusrajoituksen rataosuudelle. Muovimateriaalin ollessa kyseessä, materiaalin mekaanisia ominaisuuksia voidaan hieman parantaa esimerkiksi lisäämällä kierrätettyjä lasikuituja vahvikkeeksi ratapölkyn rakenteeseen, jonka avulla kelpoisuus voitaisiin mahdollisesti saavuttaa.

Climate change is one of the humanity’s greatest challenges in modern times. The development of climate change is being accelerated by the continued increase in greenhouse gas emissions. To slow down and stop the progress of climate change, the production of greenhouse gas emissions must be significantly reduced. In railway transport, the biggest contributors to greenhouse gas emissions are the materials used for infrastructure maintenance and construction. Materials with very high carbon footprint, such as concrete and steel, have typically been used as materials for track structures. It is important to find out if it is possible to use materials with smaller carbon footprint in track structures. One of the potential materials with a smaller carbon footprint could potentially be recycled plastic. The work explored the potential for use of recycled plastics in track structures. In addition, the work examined whether greenhouse gas emissions from the construction and maintenance of the track could be reduced using recycled plastics. Sleepers were selected as a potential use for recycled plastic, as the quantities of material used for them and thus their impact on overall emissions from track structures is one of the most significant. The work explored what kind of properties are required for the materials of railway sleepers and whether recycled plastic could meet them. Recycled plastic fractions to be examined at work were currently recycled by incineration, ABS plastic from electrical and electronic waste and the pulping reject of liquid packaging board. The adequacy of the mechanical properties of selected materials for use in railway sleepers was examined through laboratory tests. Tensile and bending tests were performed in the laboratory with universal testing machine on test samples injection molded from recycled fractions. In addition, softening temperatures of the materials were measured with Vicat and HDT tests. As a result of the work, it was found that the carbon footprint caused by the track structure could be reduced by using recycled plastics in sleepers. The reduction of the carbon footprint is significantly affected by the fact that the recycled plastic material already has one life cycle behind it and after the sleeper life cycle, the material can be recycled again, resulting in lower net emissions than with materials traditionally used in track constructions. Based on emission intensities, it can be concluded that the mechanical recycling of liquid packaging board pulping reject into sleeper would produce roughly half the emissions compared to ABS plastic from electrical and electronic waste. Based on the recycling flows of materials studied, approximately 15,3 km of track can be constructed from an annual recycling volume of ABS plastic contained in electrical and electronic waste and approximately 19,3 km of track from the annual recycling volume of the pulping reject. Based on the results of the mechanical tests, it can be concluded that among the tested materials, ABS plastic recycled from electrical and electronic waste would clearly be a more potential alternative to track structures than the liquid packaging board pulping reject. As such recycled ABS plastic is not quite suitable, based on its bending properties, to replace a typical wooden sleeper for the track section with an axle weight of 22,5 tons and a speed limit of 160 km/h. In the case of plastic material, the mechanical properties of the material can be slightly improved, for example by adding recycled fiberglass as reinforcement to the sleeper structure, which could possibly be used to achieve eligibility.