Asfaltbetoon taaskasutatud plastikust ning bio-bituumenist

Tiirats, Taavi (2020) Asfaltbetoon taaskasutatud plastikust ning bio-bituumenist. [thesis] [en] Asphalt Concrete from Recycled Plastic and Bio-Bitumen.

[thumbnail of lõputöö - digidoc] Other (lõputöö - digidoc) - Published Version
Restricted to Registered users only

Download (1MB)
[thumbnail of retsensioon - digidoc] Other (retsensioon - digidoc) - Other
Restricted to repository personnel only

Download (23kB)

Abstract

Bio-bituumeni rakendamise tehnoloogia puhul võib välja tuua olulised keskkonnaalased säästud. Igal aastal jõuab toodetavast plastikust 8 miljonit tonni saastena ookeanidesse. Kasutades plastikut sideaine lisandina või täitematerjali asendajana, taaskasutatakse olmet ning seeläbi satub seda vähem ümbritsevasse loodusesse. Bio-bituumeni kasutamise puhul on õhku sattuvad toksilised ühendid välistatud, mis välistab keskkonnasaaste ning erinevad asfaldi paigaldamisest tulenevad terviseprobleemid. Siiani välja töötatud bio-asfaldi segud ja rajatud katselõigud on näidanud, et töötavad sama hästi või paremini kui traditsioonilised asfaltsegud. Vaatluse all olnud bio-bituumeni formatsioonid täidavad nõudmisi, mis on kehtestatud bituumen sideainetele. Parameetrid, mida hinnatakse kas sideaine on kõlbulik, ületavad sideainetele kehtestatud omaduste puhul minimaalseid piirväärtusi. Plastmassi 8% lisamise puhul sideainele, mis on optimaalne kogus osalise asendamise puhul, saavutas 25°C juures elastsusmooduli 3422 MPa, mis on peaaegu kahekordne võrreldes tavalise asfaltseguga. Samuti oli plastikuga modifitseeritud asfaldi stabiilsus ning dünaamiline libisemine kordades suurem klassikalisest asfaltsegust. Organosolv tüüpi ligniin kui sideaine lisand, suurendab segu jäikuse parameetrit ning on sideainele optimaalne lisada kuni 10-25%. 4-punktilise paindekatse tulemusena selgus, et kõik katsega määratavad parameetrid vastavad bituumensideainete normidele. Kraft tüüpi ligniini lisamisel vähenes sõidukite veeretakistus -3,4%, sõidukite poolt tekitatav müra -4,2 dB ja peatumisteekond +0,8 m/s2. Tee eluiga ning vastupanuvõime suureneb. Rehvi pulbriga modifitseeritud bituumeni puhul võib välja tuua parema segunemise võime, millest tulenevalt on vastupanuvõime vananemisele ja müra summutamise võime parem. Tulenevalt vastupanuvõimest vananemisele, teekatte suurenenud hõõrdetaskistusest, riisumis-, ja hõõrumis vastasest kasutuseast, väheneb teede hooldustasu, pidurdusteekond lüheneb ja paraneb liiklejate turvalisus. Polüstüreeni eelisteks sideaine lisandina on kasutamise võimalus soojemates kliimatingimustes. Optimaalne on lisada 5% polüstüreeni sideainele, mille puhul suureneb tee tugevus. Teadaolevalt polüstüreeni sisalduse suurenemisega sideaines vähenevad elastsed ja läbitungivuse omadused kattel. Leekpunkt ja viskoossus suurenevad polüstüreeni sisalduse suurenemisega. Bio-õlide kasutamise puhul sideaine lisandina on eelisteks väiksemad segamis-, ja tihenemis temperatuurid, mille puhul on süsinikuheide väiksem. Bioõli reageerib bituumeniga 125° C kui tavaline sideaine aga 185° C. Mikrovetikatest toodetakse biodiislikütust (MB), mida on lisatud segule, kus on kasutatud rehvipulbrit. Tulemuseks on suurenenud keskmine taastumiskiirus, kompleksmoodul ning faasinurga vähenemine. MB sisaldus segus on võrdeline katte vastupanuvõimega väsimusele ehk mida suurem on MB sisaldus, seda parem on vastupanuvõime. Taaskasutatud rehvidest valmistatud graanulite (RTR) lisamisel sideainele on optimaalne kogus 15-22%. Sideaine viskoossus suureneb, sõidukite poolt tekitatud müra väheneb ning katte puhul on tagatud vee läbilaskvus, mis aitab ära hoida suuremate lompide teket. Liiga suurte graanulite kasutamisel võib esineda sideaines settimist, tulenevalt materjalide mitte segunemisest ja kummi massist, mis on suurem kui bituumenil. Hetkel on maksumust veel raske hinnata kuna pole veel loodud tehnoloogiaid, mis teevad materjalide käitlemise ning bio-bituumeni tootmise optimaalseks. Bio-bituumeni valmistamise puhul ligniinist tuleb hinnaks 907,12€/t, optimaalse koguse ehk 5% polüstüreeni lisamisel bituumenile tuleb 3,75 meetri laiuse ning 1 kilomeetri pikkuse teelõigu kohta lisaks bituumenile hinnaks 422 €. Tavalise bituumeni hinnaks seisuga 02.2020. a. on keskmiselt 250-260 €/t. Materjali saadavuse puhul probleeme ei esine kuna tegemist on kiiresti taastuvate loodusvaradega, igal aastal jääb keskmiselt seisma 223 miljonit rehvi ning plastikut toodetakse igal aastal üle 300 miljoni tonni. Siiani pole katsetud bio-bituumeni ning plastik täitematerjali kooslust asendades 100% naftast toodetud bituumenit ja killustikku. Täitematerjali on osaliselt asendatud plastikuga, mis pikendas tee eluiga, suurendas katte jäikus parameetrit, suurenes Marshalli stabiilsus 250% ja jaotusväärtus, segu tiheduse koefitsent vähenes 16%, vooluväärtus segus vähenes. Tuleks vaadelda ning määratleda laboratoorselt bio asfalti sobivust erinevates kliimatingimustes, omadusi ning selgitada välja, kas bio asfalti kasutamine Eesti tingimustes oleks reaalne. Samuti tuleb proovida materjalide 100% asendamist, sest selle toimivuse puhul tulenev mõju keskkonna säästlikkuse ja majandusliku tasuvuse suunas oleks suur võit. Uurida tuleks bio-asfalti taaskasutamise võimalusi ning muutusi taaskasutatava materjali omaduste puhul. Maksumuse puhul oleks hea rajada väikese mahulised katselõigud, kus kasutada erinevaid variatsioone, et näha katte ehitamise reaalset maksumust.

Abstract [en]

Asphalt Concrete from Recycled Plastic and Bio-Bitumen. In the case of bio-bitumen application technology, significant environmental savings can be identified. Every year, 8 million tonnes of the plastic produced reach the oceans as pollution. By using plastic as a binder additive or as a substitute for aggregates, the household is recycled and thus less exposed to the surrounding environment. The use of bio-bitumen eliminates the release of toxic compounds into the air, which eliminates environmental pollution and various health problems resulting from the installation of asphalt. Bio-asphalt mixtures developed so far and test sections built have shown that they work as well or better than traditional asphalt mixtures. The bio-bitumen formations under consideration meet the requirements for bitumen binders. The parameters for assessing the suitability of a binder exceed the minimum limits for the properties of the binders. The addition of 8% plastic to the binder, which is the optimal amount for partial replacement, achieved a modulus of elasticity of 3422 MPa at 25 ° C, which is almost twice that of a conventional asphalt mix. The stability and dynamic slip of plastic-modified asphalt were also many times greater than that of the classic asphalt mix. Organosolv type lignin as a binder additive increases the stiffness parameter of the mixture and is optimal to add up to 10-25% to the binder. As a result of the 4-point bending test, it was found that all the parameters determined by the test meet the standards of bituminous binders. Addition of Kraft-type lignin reduced vehicle rolling resistance by -3.4%, noise generated by the vehicles decreases -4.2 dB and stopping distance by +0.8 m / s2. Road lifespan and resilience increase. In the case of tire-modified bitumen, better mixing properties can be obtained, resulting in better resistance to aging and better noise reduction. Due to the resistance to aging, the increased friction resistance of the road surface, the service life against rubbing and abrasion, the road maintenance fee is reduced, the braking distance is shortened and the safety of road users is improved. The advantages of polystyrene as a binder additive are the possibility of use in warmer climatic conditions. It is optimal to add 5% polystyrene to the binder, which increases the strength of the road. As the polystyrene content of the binder is known to increase, the elastic and permeability properties of the coating decrease. The flash point and viscosity increase with increasing polystyrene content. The advantage of using bio-oils as binder additives is lower mixing and compaction temperatures with lower carbon emissions. Bio-oil reacts with bitumen at 125 ° C but normal binder at 185 ° C. Microalgae produce biodiesel (MB), which is added to a mixture where tire powder is used. The result is an increased average recovery rate, a complex modulus, and a decrease in phase angle. The MB content in the mixture is proportional to the fatigue resistance of the coating, i.e. the higher the MB content, the better the resistance. When adding granules made from retreaded tires (RTR) to the binder, the optimal amount is 15-22%. The viscosity of the binder increases, the noise generated by the vehicles decreases and the coating ensures water permeability, which helps to prevent the formation of larger puddles. If too large granules are used, sedimentation may occur in the binder due to non-mixing of the materials and a rubber weight that is higher than that of the bitumen. At the moment, it is still difficult to estimate the cost because no technologies have yet been developed that will optimize the handling of materials and the production of bio-bitumen. In the case of bio-bitumen production, the price of lignin is 907.12 € / t, if the optimal amount or 5% polystyrene is added to the bitumen, the price will be 422 € for a section of 3.75 meters wide and 1 kilometer long in addition to bitumen. The price of ordinary bitumen as of 02.2020. a. is on average 250-260 € / t. There are no problems with the availability of the material, as these are fast-renewable resources, with an average of 223 million tires left standing each year and more than 300 million tons of plastic produced each year. To date, bio-bitumen and plastic aggregates have not been tested, replacing 100% petroleum-produced bitumen and crushed stone. The aggregate has been partially replaced by plastic, which extended the life of the road, increased the stiffness of the pavement, increased the Marshall stability by 250% and the distribution value, decreased the density of the mixture by 16%, decreased the flow value in the mixture. The suitability and properties of bio asphalt in different climatic conditions should be observed and determined in a laboratory, and it should be determined whether the use of bio asphalt in Estonian conditions would be realistic. Attempts should also be made to replace 100% of materials, as the impact on environmental sustainability and cost-effectiveness of this performance would be a major win-win. The possibilities of reusing bio-asphalt and changes in the properties of the recycled material should be studied. In terms of cost, it would be a good idea to build small-volume test sections where different variations can be used to see the real cost of building the pavement.

Item Type: thesis
Advisor: Sven Sillamäe
Subjects: Construction > Road Construction
Divisions: Institute of Construction > Road Construction
Depositing User: Taavi Tiirats
Date Deposited: 21 May 2020 12:31
Last Modified: 04 Jun 2020 10:01
URI: https://eprints.tktk.ee/id/eprint/5496

Actions (login required)

View Item View Item