Αξιοποίηση ανακυκλωμένων ελαστικών αυτοκινήτων σε ειδικών εφαρμογών κονιάματα και σκυροδέματα τσιμέντου ή ασφάλτου

Abstract

In terms of protection of the environment as well as of legislation regarding the means and terms for the alternative management of worn mobile tires in Greece, this PhD Thesis is dealing with the utilization of recycled rubber, as aggregate, in cement or asphalt mortars and concrete for special applications. Firstly, cement pastes with different amounts of recycled rubber are tested towards physical and mechanical properties. Following, the study is orientated towards improvement of mechanical characteristics of cement mortars with recycled rubber by using it at different amounts and gradation as replacement for aggregates or as additive, while treatment of its surface, by physical or chemical means, takes place. Moreover, properties of mortars with recycled rubber and chemical additives are examined. Furthermore, concrete mixtures are produced and tested as far as mechanical characteristics are concerned as well as their resistance to high temperatures, with aiming at the industrial production of concrete for kerb units, paving blocks and cement blocks. The second part is dealing with properties of rubberized mixtures based on asphalt. Especially, characteristics of warm and hot asphalt mixtures with recycled rubber are examined according to specifications. Warm mixtures include the ones for thin surface layers and repairing cement mortars with bitumen emulsion. As far as hot mixtures are concerned, such mixtures are produced by the “dry method” and are tested for their suitability for heavy traffic pavements, while their resistance to freezing and thawing is also checked. According to laboratory results, the addition of recycled rubber causes a loss in mechanical strength and an increase on waterproofness of both cement and asphalt mixtures, while cement mixtures’ resistance to chloride ion penetration and skid resistance are improved. Moreover, addition of a material of low specific weight causes a reduction in the weight of the mixtures it is added to. As far as practical applications are concerned, tire rubber can be used as replacement for natural aggregates in amounts up to 2.5-5% wt so as concrete - for the production of kerb units, paving and cement blocks - with satisfactory physical and mechanical characteristics is provided. In asphalt mixtures, addition of rubber is limited to 1-2% wt. Third part of this thesis is dealing with the affect of rubberized mixtures (based on cement or asphalt) to the environment through leaching tests. Laboratory result of them showed concentrations of heavy metals under specification limits, while addition of bitumen emulsion seems to further hold the heavy metals that already exist in tires composition. PhD Thesis is completed with main conclusions and topics for further research on cement and asphalt products.

Στα πλαίσια της προστασίας του περιβάλλοντος και δεδομένης της υπάρχουσας νομοθεσίας σχετικά με τα μέτρα και τους όρους για την εναλλακτική διαχείριση των φθαρμένων ελαστικών στην Ελλάδα, αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η αξιοποίηση του ελαστικού μέρους των φθαρμένων ελαστικών αυτοκινήτων, ως αδρανές υλικό, σε ειδικά κονιάματα και σκυροδέματα τσιμέντου ή ασφάλτου. Αρχικά μελετώνται φυσικές και μηχανικές ιδιότητες τσιμεντοπολτών με προσθήκη ανακυκλωμένου ελαστικού (ΑΕ) σε διάφορα ποσοστά. Στη συνέχεια, η έρευνα επεκτείνεται σε τσιμεντοκονιάματα με ΑΕ, στα οποία επιχειρείται βελτιστοποίηση των μηχανικών χαρακτηριστικών των μιγμάτων. Προς την κατεύθυνση αυτή χρησιμοποιείται ανακυκλωμένο ελαστικό, είτε ως αντικατάστατο μέρους της άμμου είτε ως πρόσθετο υλικό, διαφόρων κοκκομετρικών διαβαθμίσεων, επεξεργασμένου με φυσικά ή χημικά μέσα, διαφόρων ποσοστών καθαρότητας ενώ ελέγχονται και μίγματα με προσθήκη ελαστικού και ειδικών χημικών βελτιωτικών προϊόντων. Ακολουθεί παρασκευή και έλεγχος ιδιοτήτων μιγμάτων σκυροδέματος με ΑΕ. Ειδικότερα εξετάζεται η αντίσταση τέτοιου είδους μιγμάτων σε υψηλές θερμοκρασίες, με τελικό στόχο την προσθήκη του ελαστικού σε βιομηχανικά παραγόμενα μίγματα σκυροδέματος ειδικών εφαρμογών όπως για την παραγωγή κρασπέδων, κυβόλιθων και τσιμεντόλιθων. Το δεύτερο μέρος της διατριβής περιλαμβάνει πειραματικά αποτελέσματα ιδιοτήτων μιγμάτων με βάση την άσφαλτο και με προσθήκη ανακυκλωμένου ελαστικού ως αδρανές υλικό. Συγκεκριμένα παρασκευάζονται και ελέγχονται ιδιότητες ψυχρών και θερμών ασφαλτομιγμάτων σύμφωνα με τις ισχύουσες προδιαγραφές. Στα ψυχρά μίγματα με ελαστικό περιλαμβάνονται μίγματα λεπτών επιφανειακών στρώσεων και επισκευαστικά τσιμεντοκονιάματα με ασφαλτικό γαλάκτωμα. Όσον αφορά στα θερμά ασφαλτομίγματα με ανακυκλωμένο ελαστικό, αυτά παράγονται με τη ξηρή μέθοδο και εξετάζεται η καταλληλότητα τους για χρήση σε δρόμους βαρειάς κυκλοφορίας καθώς και η ανθεκτικότητά τους σε κύκλους θέρμανσης- ψύξης. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα η προσθήκη του ανακυκλωμένου ελαστικού προκαλεί μείωση των μηχανικών αντοχών των μιγμάτων και της υδατοαπορρόφησης (είτε σε προϊόντα τσιμέντου είτε σε ασφάλτου) στα οποία προστίθεται, ενώ σε προϊόντα τσιμέντου η αντίστασή τους έναντι διείσδυσης χλωριοϊόντων και σε ολίσθηση εμφανίζεται αυξημένη ενώ το ειδικό βάρος των μιγμάτων με ανακυκλωμένο ελαστικό είναι αισθητά μειωμένο. Όσον αφορά στις πρακτικές εφαρμογές που εξετάσθηκαν, προκύπτει πως μίγματα τσιμέντου με χρήση ελαστικού ως αντικατάστατο μέρους των φυσικών αδρανών σε ποσοστό 2,5-5% κβ των δεύτερων εμφανίζουν ικανοποιητικά φυσικά και μηχανικά χαρακτηριστικά. Όσον αφορά σε μίγματα ασφάλτου, η χρήση του ελαστικού περιορίζεται σε 1-2% κβ των αδρανών. Το τρίτο μέρος της διατριβής περιλαμβάνει εξέταση της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης των μιγμάτων (τσιμέντου ή ασφάλτου) με ανακυκλωμένο ελαστικό μέσω του ελέγχου έκπλυσης βαρέων μετάλλων. Όπως προκύπτει από τα πειραματικά αποτελέσματα, στα υγρά έκπλυσης μιγμάτων (είτε με βάση το τσιμέντο είτε την άσφαλτο) με ανακυκλωμένο ελαστικό δεν ανιχνεύονται συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων εκτός των επιτρεπόμενων σύμφωνα με τις προδιαγραφές ορίων ενώ η προσθήκη ασφαλτικού γαλακτώματος στα εξεταζόμενα μίγματα φαίνεται να δεσμεύει περαιτέρω τα βαρέα μέταλλα που υπάρχουν στη σύσταση του ελαστικού. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τα κύρια συμπεράσματα που προκύπτουν με βάση την ολοκληρωμένη θεώρηση του προβλήματος ενώ παρουσιάζονται τομείς περαιτέρω έρευνας τόσο σε προϊόντα τσιμέντου όσο και σε αντίστοιχα ασφάλτου.