Selected issues concerning the use of Shredded Rubber Waste (SRW) in binder-bound mixtures

• Autorzy: Walotek Konrad , Bzówka Joanna , Ciołczyk Adrian

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.149852

Warianty tytułu

PL

Wybrane zagadnienia dotyczące wykorzystania Rozdrobnionych Odpadów Gumowych w mieszankach związanych spoiwem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents the results of a composite consisting mainly of industrial waste bound by a hydraulic binder. The composite consists of unburnt coal-mining slate, shredded rubber waste (SRW), fly ash and CEM I cement. The purpose of using the above components was to protect the unburnt coal-mining slate from the negative effects of water, which causes degradation of the aggregate grain size and significantly affects the load-bearing capacity of the aggregate. This was achieved through the use of a binder consisting of shredded waste rubber, fly ash and cement, which imparts hydrophobic properties to the composite. The composite is to be used in road pavement construction and earthworks as a substitute for standard materials. This paper focuses on testing the effects of 5, 10 and 15% additions of shredded rubber waste (SRW) on the physical and mechanical parameters of the composite, mainly compressive strength, water absorption by mass, capillary rise and deformability under cyclic loading. The composite was tested under cyclic loading conditions using a measurement system based on digital image correlation (DIC), with which the deformations occurring on the surface of the test specimens were determined. The results obtained showed the influence of shredded rubber waste additives on the decrease in compression strength (after 7 and 28 days of specimen care), mass water absorption and capillary rise, as well as an increase in the deformability of the composite under destructive loading and cyclic loading.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań kompozytu składającego się głównie z odpadów przemysłowych, związanych spoiwem hydraulicznym. W skład mieszanki wchodzą: łupek przywęglowy nieprzepalony, rozdrobnione odpady gumowe, popiół lotny oraz cement CEM I. Celem zastosowania powyższych składników było zabezpieczenie łupka przywęglowego nieprzepalonego przed negatywnym wpływem wody, który powoduje degradację uziarnienia kruszywa, co znacząco wpływa na nośność kruszywa. Osiągnięto to poprzez zastosowanie spoiwa składającego się z rozdrobnionych odpadów gumowych popiołu lotnego oraz cementu, które powoduje nadanie kompozytowi właściwości hydrofobowych. Mieszanka może być wykorzystana w konstrukcji nawierzchni drogowej oraz w robotach ziemnych, jako substytut standardowo wykorzystywanych materiałów. W artykule skupiono się na badaniach wpływu 5, 10 oraz 15% dodatków rozdrobnionych odpadów gumowych na parametry fizykomechaniczne kompozytu, głównie wytrzymałość na ściskanie, nasiąkliwość masową, podciąganie kapilarne wody oraz odkształcalność pod wpływem cyklicznego obciążenia. W ramach testów kompozytu w warunkach cyklicznego obciążenia został wykorzystany system pomiarowy opierający się na cyfrowej korelacji obrazu (DIC), za pomocą którego określono odkształcenia zachodzące na powierzchni badanych próbek. Uzyskane wyniki badań pozwoliły stwierdzić wpływ dodatków rozdrobnionych odpadów gumowych na zmniejszenie się wytrzymałości na ściskanie (po 7 oraz 28 dniach pielęgnacji próbek), nasiąkliwości masowej i wysokości podciągania kapilarnego oraz podwyższenie odkształcalności kompozytu pod wpływem obciążeń niszczących, jak i obciążenia cyklicznego. Zaprezentowany kompozyt ze względu na swój skład, w którym wykorzystuje się głównie odpady przemysłowe dobrze wpisuje się w gospodarkę o obiegu zamkniętym oraz pozwala na znalezienie nowego sposobu wykorzystania odpadów górniczych, których utylizacja ciągle stanowi problem w Zagłębiu Górnośląskim.

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 2
• Strony: 79--95
• Opis fizyczny: Bibliogr. 62 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Walotek Konrad

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Geotechnics and Roads, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5170-6941

autor

Bzówka Joanna

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Geotechnics and Roads, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1765-7354

autor

Ciołczyk Adrian

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Geotechnics and Roads, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4484-4278

Bibliografia

• [1] H. Bukowski, W. Fabrycka, Closed-circuit construction in practice (Budownictwo w obiegu zamkniętym w praktyce). Warsaw: Polish Circular Hotspot, Institute for Innovation and Responsible Development, 2019 (in Polish).
• [2] A. Lachat, K. Mantalovas, T. Desbois, O. Yazoghli-Marzouk, A.-S. Colas, G. Di Mino, and A. Feraille, “From buildings’ end of life to aggregate recycling under a circular economic perspective: a comparative life cycle assessment case study”, Sustainability, vol. 13, no. 17, 2021, doi: 10.3390/su13179625.
• [3] C.-H. Tsai, Y.-H. Shen, and W.-T. Tsai, “Reuse of the materials recycled from renewable resources in the civil engineering: status, achievements and government’s initiatives in Taiwan”, Materials, vol. 14, no. 13, 2021, doi: 10.3390/ma14133730.
• [4] Z. Kledyński, P. Falaciński, A. Machowska, Ł. Szarek, and Ł. Krysiak, “Hardening slurries with fluidized bed combustion by-products and their potential significance in terms of circular economy”, Materials, vol. 14, no. 9, 2021, doi: 10.3390/ma14092104.
• [5] A. Benahsina, Y. Taha, R. Bouachera, M. Elomari, and M. A. Bennouna, “Manufacture and characterization of fired bricks from gold mine waste rocks”, Minerals, vol. 11, no. 7, 2021, doi: 10.3390/min11070695.
• [6] A. Fazli and D. Rodrigue, “Recycling waste tires into Ground Tire Rubber (GTR)/Rubber Compounds: a review”, Journal of Composites Science, vol. 4, no. 3, 2020, doi: 10.3390/jcs4030103.
• [7] IBDiM, Ocena i badania wybranych odpadów przemysłowych do wykorzystania w konstrukcjach drogowych (Evaluation and testing of selected industrial waste for use in road constructions). Warszawa: Instytut Badawczy Dróg i Mostów, 2004 (in Polish).
• [8] J. Szlugaj, Charakterystyka mineralogiczno-petrograficzna odpadów wydobywczych z wybranych kopalń węgla kamiennego w aspekcie ich wykorzystania do produkcji kruszyw mineralnych (Mineralogical and petrographic characteristics of mining waste from selected hard coal mines in terms of their use for the production of mineral aggregates). Kraków: Wydawnictwo Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, 2020 (in Polish).
• [9] W. Sokółand, A. Tabor, “Problemy zagospodarowania odpadów powęglowych z górnictwa węgla kamiennego w Polsce (Problems of management of post-coal waste from hard coal mining in Poland)”, Przegląd Geologiczny, vol. 44, no. 7, pp. 710-715, 1996 (in Polish).
• [10] Ł. Machniak and W. Kozioł, “Kruszywa alternatywne – baza zasobowa i kierunki wykorzystania w budownictwie (Alternative aggregates – resource base and directions of use in civil engineering)”, Kruszywa: produkcja – transport – zastosowanie, vol. 4, pp. 28-33, 2014 (in Polish).
• [11] W. Kozioł, A. Ciepliński, Ł. Machniak, and A. Borcz, “Kruszywa w budownictwie, Cz. 2. Kruszywa alternatywne (Aggregates in civil engineering, Part 2: Alternative aggregates)”, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, vol. 5, pp. 35-40, 2015 (in Polish).
• [12] B. Klojzy-Karczmarczyk, J. Mazurek, and K. Paw, “Możliwości zagospodarowania kruszyw i odpadów wydobywczych górnictwa węgla kamiennego ZG Janina w procesach rekultywacji wyrobisk odkrywkowych (Possibilities of managing aggregates and mining waste from the hard coal mining industry of ZG Janina in the reclamation processes of opencast excavations)”, Gospodarka Surowcami Mineralnymi, vol. 32, no. 3, pp. 111-134, 2016, doi: 10.1515/gospo-2016-0030.
• [13] A. Duszyński, W. Jasiński, and A. Pryga-Szulc, “A characteristic of coaly shale aggregate and its application for the road construction”, Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego, no. 472, pp. 321-326, 2018.
• [14] K. Skarzyńska, “Wykorzystanie nieprzepalonych odpadów powęglowych w budownictwie drogowym (The use of unburned coal waste in road construction)”, Inżynieria Morska i Geotechnika, no. 4, 1996 (in Polish).
• [15] K. Skarzyńska, Odpady powęglowe i ich zastosowanie w inżynierii lądowej i wodnej (Coal wastes and their application in civil and water engineering). Kraków: Akademia Rolnicza im. H. Kołłątaja, 1997 (in Polish).
• [16] J. Pieczyrak, “Characteristics and engineering usage of waste from coal mining”, Architecture Civil Engineering Environment, vol. 1, pp. 77-84, 2010.
• [17] P. Bing, H. Xie, B. Xu, and F. Dai, “Performance of sub-pixel registration algorithms in digital image correlation”, Measurement Science and Technology, vol. 17, pp. 1615-1621, 2006, doi: 10.1088/0957-0233/17/6/045.
• [18] M. Blajer, A. Stopkowicz, J. Adamczyk, and M. Cała, “The preliminary research of the physico-mechanical properties of aggregates based on the colliery shale, supplemented by fly ash”, Archives of Mining Sciences, vol. 64, no. 1 pp. 21-34, 2019, doi: 10.24425/ams.2018.124992.
• [19] M. Amrani, Y. Taha, Y. El Haloui, M. Benzaazoua, and R. Hakkou, “Sustainable reuse of coal mine waste: experimental and economic assessments for embankments and pavement layer applications in Morocco”, Minerals, vol. 10, no. 10, 2020, doi: 10.3390/min10100851.
• [20] L. Haibin and L. Zhenling, “Recycling utilization patterns of coal mining waste in China”, Resources, Conservation and Recycling, vol. 54, no. 12, pp. 1331-1340, 2010, doi: 10.1016/j.resconrec.2010.05.005.
• [21] P. Wowkowicz, A. Bojanowicz-Bablok, and B. Gaworek, “Use of thermal metallurgy and mining waste in road construction”, Middle Pomeranian Scientific Society of Environment Protection, vol. 20, pp. 1335-1349, 2018.
• [22] K. Sternik, “Wpływ degradacji parametrów mechanicznych odpadów kopalnianych na stateczność skarpy głębokiego wykopu”, Czasopismo Techniczne. Środowisko, vol. 108, no. 21, pp. 165-179, 2011.
• [23] K. Galos and J. Szlugaj, “Management of hard coal mining and processing wastes in Poland”, Mineral Resources Management, vol. 30, no. 4, pp. 51-64, 2014, doi: 10.2478/gospo-2014-0039.
• [24] A. Bauerek, J. Diatta, Ł. Pierzchała, A. Więckol-Ryk, and A. Krzemień, “Development of soil substitutes for the sustainable land reclamation of coal mine-affected areas”, Sustainability, vol. 14, no. 8, 2022, doi: 10.3390/su14084604.
• [25] K. Lach and M. Grodecki, “The colliery spoils as the tight element of flood banks – laboratory test and numerical symulations”, Technical Transactions, vol. 109, no. 3, pp. 43-52, 2012 (in Polish).
• [26] A. Gruchot, “Utilization of post coal waste composites and fly ash for levee constructions”, Przegląd Górniczy, vol. 70, no. 7, pp. 158-164, 2014 (in Polish).
• [27] Z. Xu, “Study on preparation of porous ceramics by using industrial wastes”, presented at 4th International Conference on Mechanical Materials and Manufacturing Engineering, 2016.
• [28] D. Sybilski, “Utylizacja odpadów gumowych w drogownictwie (Utilization of waste rubber in road construction)”, Przegląd Budowlany, no. 5, pp. 37-44, 2009 (in Polish).
• [29] R. Khran and A. Shalaby, “Performance of a road base constructed with shredded rubber tires”, presented at Annual Conference – Canadian Society for Civil Engineering, 2002.
• [30] J. Lv, T. Zhou, H. Wu, L. Sang, Z. He, G. Li, and K. Li, “A new composite slab using crushed waste tires as fine aggregate in self-compacting lightweight aggregate concrete”, Materials, vol. 13, no. 11, 2020, doi: 10.3390/ma13112551.
• [31] D. Lo Presti, “Recycled tyre rubber modified bitumens for road asphalt mixtures: a literature review”, Construction and Building Materials, vol. 49, pp. 863-881, 2013, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2013.09.007.
• [32] N. Oikonomou and S. Mavridou, “The use of waste tyre rubber in civil engineering works”, in Sustainability of Construction Materials. Woodhead Publishing Series in Civil and Structural Engineering. Woodhead Publishing, 2009, pp. 213-238, doi: 10.1533/9781845695842.213.
• [33] S. A. Alfayez, A. R. Suleiman, and M. L. Nehdi, “Recycling tire rubber in asphalt pavements: state of the art”, Sustainability, vol. 12, no. 21, 2020, doi: 10.3390/su12219076.
• [34] E. Ołdakowska, “Assessment of selected properties of normal concretes with the grinded rubber from worn out vehicle tyres”, Ecological Engineering and Environmental Technology, vol. 43, pp. 49-54, 2015, doi: 10.12912/23920629/58902.
• [35] E. Ołdakowska, “The influence of grinded vehicle tyres on the mechanical properties of concretes used in the agricultural building engineering”, Aparatura Badawcza i Dydaktyczna, vol. 19, no. 1, pp. 67-75, 2014 (in Polish).
• [36] T. Robaczyński, “Tire recycling. Pt. I. Company sources of used tires”, Recykling, no. 1, pp. 22-23, 2009 (in Polish).
• [37] A. Smejda-Krzywicka, K. Bociong, J. Skrodzka, A. Piwowarczyk, and W. Rzymski, “Review of rubber products recycling methods”, Przetwórstwo Tworzyw, no. 5, pp. 518-522, 2012 (in Polish).
• [38] F. Wang and W. Song, “Effects of crumb rubber on compressive strength of cement-treated soil”, Archives of Civil Engineering, vol. 61, no. 4, pp. 59-78, 2015, doi: 10.1515/ace-2015-0036.
• [39] M. Kowalska and M. Jastrzebska, “Pęcznienie mieszanek gruntu spoistego z granulatem gumowym (Swelling of clay-rubber mixtures)”, in Analizy i doświadczenia w geoinżynierii. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2017, pp. 261-270.
• [40] M. Glinicka, “Mechanical properties of soil-tire waste mixture”, Civil and Environmental Engineering, vol. 4, pp. 99-104, 2013.
• [41] L. Bałachowski and P. Gotteland, “Characteristics of tyre chips-sand mixtures from triaxial tests”, Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, vol. 54, pp. 25-36, 2007.
• [42] A. Szydło and H. Koba, Mineral-asphalt mixtures based on rubber-modified asphalt to reduce noise. Wrocław University of Science and Technology, 2009.
• [43] D. Sybilski, W. Bańkowski, R. Horodecka, A. Wróbel, and K. Mirski, “Metoda modyfikacji mieszanki mineralno–asfaltowej gumą z zastosowaniem dodatku “tecRoad”, Drogownictwo, no. 6, pp. 189-193, 2011.
• [44] A. Skawińska and T. Foszcz, “Study of rubber granules impact on selected mechanical properties of cement mortars”, Structure and Environment, vol. 11, no. 4, pp. 256-264, 2019, doi: 10.30540/sae-2019-019.
• [45] E. Ołdakowska, “Modified foundations of the access roads for the rural objects”, Aparatura Badawcza i Dydaktyczna, no. 4, pp. 51-56, 2012 (in Polish).
• [46] E. Ołdakowska, “Possibility of using the concretes modified with the disintegrated rubber waste material in the agricultural build engineering”, Aparatura Badawcza i Dydaktyczna, no. 2, pp. 61-68, 2012 (in Polish).
• [47] H. Liu, X.Wang, Y. Jiao, and T. Sha, “Experimental investigation of the mechanical and durability properties of crumb rubber concrete”, Materials, vol. 9, no. 3, 2016, doi: 10.3390/ma9030172.
• [48] R. Bušić, M. Benšić, I. Miličević, and K. Strukar, “Prediction models for the mechanical properties of self-compacting concrete with recycled rubber and silica fume”, Materials, vol. 13, no. 8, 2020, doi: 10.3390/ma13081821.
• [49] M. Hadzima-Nyarko, E. K. Nyarko, N. Ademović, I. Miličević, and T. Kalman Šipoš, “Modelling the influence of waste rubber on compressive strength of concrete by artificial neural networks”, Materials, vol. 12, no. 4, 2019, doi: 10.3390/ma12040561.
• [50] C.-Y. Chen and M.-T. Lee, “Application of crumb rubber in cement-matrix composite”, Materials, vol. 12, no. 3, 2019, doi: 10.3390/ma12030529.
• [51] A. Petrella and M. Notarnicola, “Lightweight cement conglomerates based on end-of-life tire rubber: effect of the grain size. Dosage and addition of perlite on the physical and mechanical properties”, Materials, vol. 14, no. 1, 2021, doi: 10.3390/ma14010225.
• [52] K. Strukar, T. Kalman Šipoš, T. Dokšanović, and H. Rodrigues, “Experimental study of rubberized concrete stress-strain behavior for improving constitutive models”, Materials, vol. 11, no. 11, 2018, doi: 10.3390/ma11112245.
• [53] J. Lv, T. Zhou, Q. Du, K. Li, and K. Sun, “Evaluation of stress-strain behavior of self-compacting rubber lightweight aggregate concrete under uniaxial compression loading”, Materials, vol. 12, no. 24, 2019, doi: 10.3390/ma12244064.
• [54] J. Lv, T. Zhou, K. Li, and K. Sun, “Shrinkage properties of self-compacting rubber lightweight aggregate concrete: Experimental and analytical studies”, Materials, vol. 12, no. 24, 2019, doi: 10.3390/ma12244059.
• [55] J. Fang, L. Zhao, and J. Shi, “Frost resistance and pore structure of concrete incorporated with rubber aggregates and nano-SiO2”, Materials, vol. 14, no. 5, 2021, doi: 10.3390/ma14051170.
• [56] A. M. Mhaya, M. H. Baghban, I. Faridmehr, G. F. Huseien, A. R. Z. Abidin, and M. Ismail, “Performance evaluation of modified rubberized concrete exposed to aggressive environments”, Materials, vol. 14, no. 8, 2021, doi: 10.3390/ma14081900.
• [57] PN-EN ISO 14688-1:2006 Badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów – Część 1: Oznaczanie i opis (Geotechnical tests. Identification and classification, Part 1: Identification and description).
• [58] WT-5 Mieszanki związane spoiwem do dróg krajowych (Mixtures bound with a binder for national roads). Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, Polska, 2010.
• [59] PN-S-06103:1997 Drogi samochodowe – Podbudowa z betonu popiołowego (Car roads – ash concreto foundation). Polish Committee for Standardization, 1997.
• [60] PN-B-06250:1988 Beton zwykły (Plain concrete). Polish Committee for Standardization, 1988.
• [61] W. Sas and A. Głuchowski, “Methods of determination of the modulus of elasticity (E and Mr) from the repeated loading tests CBR”, Scientific Review – Engineering and Environmental Sciences, vol. 57, pp. 171-181, 2012.
• [62] K. Walotek, J. Bzówka, and A. Ciołczyk, “Impact of Shredded Rubber Waste (SRW) on the range of elastic work of road construction mixtures containing industrial waste bound with a binder”, Materials, vol. 15, no. 23, 2022, doi: 10.3390/ma15238503.