| dc.contributor.advisor | Militz, Holger Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Starck, Michael | |
| dc.date.accessioned | 2022-05-31T11:00:08Z | |
| dc.date.available | 2022-06-07T00:50:23Z | |
| dc.date.issued | 2022-05-31 | |
| dc.identifier.uri | http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?ediss-11858/14072 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9270 | |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 630 | de |
| dc.title | Impregnation of railway sleepers - Process optimisation by using an oily wood preservative and a mechanical pre-treatment | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Militz, Holger Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2021-11-10 | de |
| dc.description.abstractger | Kreosot als Holzschutzmittel hat bereits eine lange Geschichte. Seit mehr als 170 Jahren werden hölzerne Eisenbahnschwellen mit Kreosot imprägniert. Während zunächst Vakuumdruckverfahren zur Imprägnierung verwendet wurden, wurden kurz darauf Sparverfahren entwickelt, welche bis heute eingesetzt werden. Aufgrund politischer Entwicklungen sowie seiner bedenklichen Eigenschaften für die menschliche Gesundheit und Umwelt, wird Kreosot in naher Zukunft mit hoher Wahrscheinlichkeit für den europäischen Markt verboten. Zwar werden heute vorwiegend Betonschwellen verbaut, gleichwohl sind Holzschwellen nach wie vor in einigen Bereichen unverzichtbar. Dies gilt insbesondere für Streckenabschnitte mit engen Kurvenradien, für Bergstrecken mit unebenen Untergrundverhältnissen und geringen Schotterbettstärken, für Weichen, für Eisenbahnbrücken und für Rangierbahnhöfe. Ohne ein Ersatzprodukt für Kreosot müssten Holzschwellen entweder wieder ohne ausreichenden Schutz gegen holzzerstörende Organismen eingebaut werden oder möglicherweise durch Schwellen aus alternativen Materialien wie Beton, Stahl oder Polymeren ersetzt werden. Um die zukünftige Verwendung von Holzschwellen im Gleisoberbau nach einem möglichen Verbot von Kreosot sicherzustellen, wurden folglich zwei verschiedene Arten der Prozessoptimierung für Schwellen aus europäischer Buche (Fagus sylvatica L.) auf ihr Potential untersucht. Bei der ersten Art der Prozessoptimierung handelte es sich um eine mechanische Vorbehandlung mittels Schlitzperforation. Hierbei wurde der Einfluss der Schlitzperforation auf die Trocknungsdauer, die Rissbildung und die Dimensionsstabilität untersucht. Die Schlitzperforation zeigte einen positiven Einfluss auf die Rissbildung bei Schwellen aus europäischer Buche. Die Länge, Breite und Tiefe der auftretenden Risse konnte bis zum Erreichen der Tränkreife reduziert werden. Eine Verkürzung der Trocknungsdauer sowie ein Einfluss auf die Feuchteverteilung innerhalb der Schwelle konnte durch die Schlitzperforation wiederum nicht nachgewiesen werden. Auch eine erhöhte Dimensionsstabilität während der Trocknung wurde nicht erreicht. Bei der zweiten Art der Prozessoptimierung wurde der Fokus auf eine vollständige Penetration des Schwellenquerschnitts unter Verwendung eines alternativen öligen Holzschutzmittels gelegt. Dieses soll als möglicher Ersatz für Kreosot dienen. Da das Penetrationsverhalten verschiedener alternativer öliger Produkte bei Buchenschwellen bisher nur wenig untersucht ist, wurden zunächst hydrophobe Trägersubstanzen hinsichtlich ihrer Viskosität sowie Eindringung in Buchenholz untersucht. Die untersuchten hydrophoben Trägersubstanzen zeigten bei Temperaturerhöhung eine Abnahme in der Viskosität. Bei Zugabe von Kupferhydroxid und einem Co-Biozid nahm die Viskosität bei steigender Temperatur ebenfalls ab. Eine makroskopische Evaluierung des Penetrationsverhaltens der hydrophoben Trägersubstanzen in Buche und Kiefernsplintholz (Pinus sylvestris L.), zeigte eine unvollständige Penetration bei Buche und eine vollständige Penetration bei Kiefernsplintholz. Hierbei waren die Hirnseiten versiegelt.
Eine mikroskopische Analyse der Penetrationswege von zwei hydrophoben Trägersubstanzen zeigte Ähnlichkeiten im Vergleich zu Kreosot. Bei Buche erfolgte der größte Teil der Penetration in Längsrichtung über Gefäße und Fasern, während eine geringere Penetration innerhalb der Holzstrahlen stattzufinden schien. Bei Kiefernsplintholz erfolgte die Penetration in Längsrichtung durch das Lumen des Spät- und Frühholzes, aber auch durch die Harzkanäle. Die Imprägnierung von Buche mit einem alternativen öligen Holzschutzmittel führte bei Spar- und Vollzellprozessen nicht zu einer vollständigen Durchdringung der Prüfkörperquerschnitte. Bei den Sparverfahren konnten die Einbringmenge durch eine Variation der Luftdruckintensität und der Flüssigkeitsdruckdauer verringert bzw. erhöht werden. Erhöhte Einbringmengen führten jedoch nicht zu einer Verbesserung der Schutzmittelpenetration. Ein Vorwärmen des Buchenholzes durch zwei modifizierte Varianten der angewendeten Sparverfahren führte ebenfalls zu vergleichbaren Einbringmengen. Erneut konnte eine Optimierung der Schutzmittelpenetration nicht erreicht werden. Durchgeführte Messungen zum Druckverlauf während der Imprägnierung von Buchenschwellen, schlossen einen möglichen negativen Einfluss von komprimierter Luft als Ursache für die unzureichende Penetration des alternativen öligen Holzschutzmittels aus. Allerdings wurde ein erheblicher Einfluss der longitudinalen Richtung auf die Luftdruckverteilung (bis zu 700 mm) im Holzinneren festgestellt. Des Weiteren wurde eine Verzögerung der Druckverteilung in transversaler Richtung beobachtet. Weiterführende Untersuchungen bezüglich des Einflusses der drei holzanatomischen Richtungen auf die Schutzmittelpenetration zeigten, dass die Schutzmittelpenetration in axialer Richtung deutlich effektiver ist. Um die Vorteile der axialen Schutzmittelpenetration zu nutzen, wurde das bereits vorhandene Bohrbild zur Verbesserung der Kreosotpenetration an das Penetrationsverhalten des alternativen öligen Schutzmittels angepasst. Die Ergebnisse zeigten zwar eine deutliche Verbesserung der Schutzmittelpenetration, eine vollständige Durchdringung des Querschnittes wurde jedoch nicht erreicht. Aufgrund dessen wurden weitere Prozessoptimierungen durchgeführt. Beim Einsatz von wasserbasierten, chromfreien und kupferbasierten Schutzmitteln konnte im Gegensatz zum alternativen öligen Schutzmittel, eine vollständige Durchdringung des Schwellenquerschnittes erreicht werden. Dies war auch ohne Bohrbild und Schlitzperforation möglich. Hierdurch konnte die unzureichende Penetration des öligen Schutzmittels im Schwelleninneren ausgeglichen werden. Somit kommt die Imprägnierung mit wasserbasierten Holzschutzmitteln, als erster Schritt einer Doppelimprägnierung in Kombination mit dem alternativen öligen Holzschutzmittel in Frage.
Bei der Doppelimprägnierung zeigte die Schlitzperforation einen positiven Effekt auf die Einbringmenge sowie Penetration des alternativen öligen Holzschutzmittels im Bereich der einzelnen Schlitze. Des Weiteren zeigte sich, dass für eine homogene Penetration des Randbereiches der Schwellen ein Rohgewicht von mindestens 950 kg/m³ erforderlich war, um eine zusätzliche homogene Penetration durch das alternative ölige Holzschutzmittel zu gewährleisten. Beide Arten der Prozessoptimierung zeigten großes Potenzial, die Eigenschaften von Buchenschwellen zu verbessern und den Einsatz von Holzschwellen auch über ein mögliches Verbot von Kreosot hinaus zu gewährleisten. | de |
| dc.description.abstracteng | The use of creosote as a wood preservative has a long history. For more than 170 years wooden railway sleepers are impregnated with creosote. After initially using vacuum pressure processes for impregnation, empty cell processes have been developed quickly and are used until today. Because of political developments and its alarming properties against human health and environment, creosote will probably be banned from the European market in the near future. Today, most of the sleepers in track are concrete sleepers, but wooden sleepers are still essential for particular applications such as tracks with narrow curve radii, mountain tracks with uneven underground conditions and low ballast bed thicknesses, for switches, for railway bridges and for shunting stations. Without a successor product, wooden sleepers have to be installed either again without adequate protection against wood destroying organisms or will possibly be replaced by sleepers made from alternative materials like concrete, steel or polymers. To ensure the use of wooden sleepers as part of the track superstructure after a possible ban of creosote, two different types of process optimisation for sleepers made from European beech (Fagus sylvatica L.) have been evaluated regarding their potential.
The first type of process optimisation was carried out by a mechanical pre-treatment namely incising. It was evaluated regarding its influence on seasoning speed, check formation and dimensional stability. Incising reduced the formation of checks in length, width and depths for sleepers made from European beech until they were sufficiently seasoned. No decrease in seasoning duration as well as no influence on the moisture distribution inside the sleeper was shown due to incising. An increased dimensional stability during seasoning was also not achieved. The second type of process optimisation focused on reaching a complete penetration of the sleeper cross section using an alternative oily wood preservative as possible replacement for creosote. The penetration behaviour of different alternative oily products after pressure impregnation is hardly investigated so far. Therefore, research has been carried out in regard of hydrophobic carrier substances and their viscosity and penetration behaviour for Beech sleepers. By increasing the temperature, the investigated hydrophobic carrier substances showed decreasing viscosities, also with the addition of copper hydroxide and a co-biocide as biocidal components. A macroscopically investigation of the penetration behaviour of three hydrophobic carrier substances in Beech and Scots pine sapwood (Pinus sylvestris L.) showed incomplete penetration of the cross section for Beech and complete penetration of the cross section for Scots pine sapwood, when end grains were sealed.A microscopic analysis of two hydrophobic carrier substances showed similar penetration pathways compared to creosote. For Beech, most of the penetration of the hydrophobic carrier substances took place in longitudinal direction via vessels and fibers, whereas less penetration seemed to occur within the wood rays. For Scots pine sapwood, penetration in longitudinal direction took place through the lumen of the late- and earlywood, but also through resin canals. The impregnation of European beech using an alternative oily wood preservative did not result in complete penetration of the specimen cross section, using empty cell and full cell processes. In case of empty cell processes, retentions were de- and increased by variations of air pressure intensity and fluid pressure duration. However increased retentions did not improve the penetration depth. Modified versions of the empty cell process including pre-heating of the specimens did also not improve preservative penetration at comparable retentions. Measurements regarding pressure gradients during the impregnation of Beech sleepers were carried out, excluding a possible negative influence of compressed air as cause for the insufficient penetration of the alternative oily wood preservative. However, a substantial influence of the longitudinal direction on the air pressure distribution (up to 700 mm) became apparent. Furthermore, a delay in pressure distribution in transversal direction was also observed. Additional evaluations regarding the influence of the three anatomical directions on the preservative penetration, showed that preservative penetration is considerably more effective in axial direction during an applied fluid pressure. To take advantage of the axial preservative penetration, the existing drilling pattern, which improves the penetration of creosote in Beech sleepers, was adapted to the penetration behaviour of the alternative oily wood preservative. Although, results showed a considerable improvement in preservative penetration, a complete penetration of the cross section was not reached.
Further process optimisations using water-based, chromium-free and copper-based preservatives resulted in complete penetration of the sleeper cross section even without attached drilling pattern and incising. Hereby, the insufficient penetration of the sleeper cross section by the alternative oily wood preservative was compensated. Therefore, the potential of being the first step of a double impregnation in combination with the alternative oily wood preservative became apparent.
During the double impregnation a positive effect of incising on retention and -penetration of the alternative oily wood preservative was occurring in the area of the incision. Furthermore, it became evident, that a gross weight of at least 950 kg/m³ was needed for penetrating the peripheral area of the sleepers, to achieve an additional homogenous envelope treatment by the alternative oily wood preservative. Both types of process optimisation showed great potential for improving the properties of Beech sleepers and ensuring the use of wooden sleepers even beyond a possible ban of creosote. | de |
| dc.contributor.coReferee | Euring, Markus PD. Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Brischke, Christian PD Dr. | |
| dc.contributor.thirdReferee | Zhang, Kai Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | wood preservation | de |
| dc.subject.eng | railway sleepers | de |
| dc.subject.eng | creosote | de |
| dc.subject.eng | oily wood preservatives | de |
| dc.subject.eng | double impregnation | de |
| dc.subject.eng | incising | de |
| dc.subject.eng | check formation | de |
| dc.subject.eng | moisture content monitoring | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-ediss-14072-7 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.description.embargoed | 2022-06-07 | de |
| dc.identifier.ppn | 1806821788 | |