原创【废弃轮胎的回收与应用】
1.Einleitung1.1 Was ist Altreifen?
1.2 Welche Reifen gelten als Abfall?
1.3 Mengenentwirklungen der Altreifen
1.4 Reifenaufbau
2. Stoffliche Zusammensetzung von Altreifen
3. Chemische Zusammensetzung von Altreifen
4. Stand der Technik
4.1 Thermische Verwertung
4.2 Stoffliche Bewertungen
5. Die Eigenschaften des Gummis
6. Eigenschaften des Sandes
7. Eigenschaft des Gummi-Boden-Mischung
7.1 Elementgewichte
7.2 Scherfestigkeiten der Gummi-Boden-Mischung
7.3 Scher Wirksamkeit
7.4 Immediate Kompression
7.5 Spannung-Verformung-Kurven
7.6 Verformungsmodule
7.7 Langzeitkompressionen
7.8 Durchlässigkeit 1. Einleitung
Altreifen sind wegen ihrer Form, Beschaffenheit und Brennbarkeit ein relativ problematischer Abfallstoff. Die Technik und das Know-how, Altreifen auf umweltfreundliche und wirtschaftliche Weise in einen wertvollen Rohstoff zu verwandeln, ist seit Jahren verfügbar, wird jedoch nicht in dem Maße eingesetzt, wie es im Sinne eines sinnvollen Umganges mit der Umwelt und den immer knapper werdenden Ressourcen und öffentlichen Mitteln wünschenswert wäre. 1.1. Was ist Altreifen?
Altreifen sind Reifen, die nicht mehr für den jeweiligen Einsatzzweck geeignet oder zugelassen sind, wie beispielsweise Autoreifen mit weniger als 1,6 mm Profiltiefe oder wo das Gummi versprödet ist. 1.2 Welche Reifen gelten als Abfall?
- Reifen mit einer Profiltiefe von weniger als 1,6 mm;
- wegen Beschädigungen nicht mehr bestimmungsgemäß verwendbare Reifen;
- zerkleinerte Reifen in Form von Schnitzeln, Granulat oder Pulver
- Karkassen, die zur Aufgummierung bestimmt sind. 1.3 . Mengenentwirklungen der Altreifen in Deutschland
Im Jahre 1910 war die Automobilindustrie sich schnell entwirkt, und auch in dieser Zeit die Reifensmenge hat deutlich steigt, im 1910 hat man schon die Reifen durch die Mahlung und Separierung wiederzuverwerten , die einzige Gründ ist nicht wegen die Umwelt, sonder die Preis, weil damals die Preis von Naturgummi wie Silber teuer ist. Von obere zwei Tabelle können wir wissen, dass die relativ problematischer Abfallstoff-Altreifen eine große Problem für unsere Zukunft ist. Es wird somit wichtiger denn je, innovative Produkte aus Gummigranulat bzw. Gummimehl zu suchen. Das ist also meine heutige Therme -Mechanisches Verhalten von Boden-Gummi-Mischungen. Ich möchte im folgende Punkte zu bearbeiten:
Stoffliche und chemische Zusammensetzungen von Altreifen
Stand der Technik ( Verwertungsarten )
Die verwendeten Materialien sind anhand eigner Laboratoriumsversuche zunächst zu beschreiben ( Indexversuche )
Bodenmechanische Kenngrößen von Boden-Gummi-Mischungen ( Durchlässigkeit, Scherfestigkeitsparameter, Zugfestigkeit, ....) 2. Stoffliche und chemische Zusammensetzungen von Altreifen
2.1 Reifenaufbau
Reifen setzen sich aus einem Grundkörper (Karkasse) und dem Laufstreifen (4), der auf die Karkasse aufgebracht wird, Die Karkasse gibt dem Reifen die notwendige Festigkeit. Sie besteht in der Regel aus gummiummantelten Textilseilen (1) – heute vorwiegend aus Kunstfasern wie Rayon oder Nylon -, dem Gürtel (2) und dem Wulst. (3). 2.2 Stoffliche Zusammensetzung von Altreifen
Altreifen bestehen zur Hauptsache aus synthetischem oder natürlichem Kautschuk, Russ und Siliziumoxid sowie Stahl und Gewebe (Tabelle 3).
Tabelle 3: Stoffliche Zusammensetzung von Altreifen (Beispiel PW)
Ein Reifen enthält so um 30 verschiedene Synthesekautschuke, etwa 8 Typen von Naturkautschuk, ca. 8 Qualitäten von Industrieruß, dann Stahl und Textilgewebe sowie etwa 40 weitere Substanzen wie Wachse, Öle, Pigmente, Antioxidaktien, etc. 2.2.1 Kautschuk und Gummi
Naturkautschuk ist eine im Mischsaft tropischer Wolfsmischgewächse enthaltene langkettige Kohlenwasserstoffverbindung. Die Grundeinheit ist Isopren. Naturkautschuk besteht zu knapp 90% aus Kohlenstoff, den die Pflanzen aus dem Kohlendioxidanteil der Luft beziehen (ca. 3,3 kg CO2 pro kg Naturkautschuk). Auch Erdöl besteht aus Kohlenwasserstoffen, aus einer Mischung unterschiedlich langer C-Kettenmoleküle.
Kautschuk sind unvernetzte Kettenmoleküle (Polymere), deren Kristallisationstemperaturen ( Glastemperatur, weil sie dann glashart werden) unterhalb der Gebrauchstemperatur liegen, d.h. sie sind bei Zimmertemperatur weich. Werden sie erhitzt, wird die Masse ab der Erweichungstemperatur zähflüssig, und bei weiterer Erwärmung tritt schließlich die Zersetzung ein. Solche Polymere werden Thermoplaste genannt und können bei höheren Temperaturen und/oder dem Einfluss von deformierenden Kräften formgebend verarbeitet werden.
Chemisch leicht vernetztet Kautschuke werden Elastomere (Gummi) genannt. Die wesentliche Eigenschaft von Elastomeren ist ihre ausgeprägte Kautschuk- oder Gummielastizität. Durch Zusatz verschiedenster Additiv ( Weichmacher, Füllstoffe, Alterungsschutzmittel, etc.) werden die Verarbeitbarkeit und Mischbarkeit der Kautschuk verbessert, die Vernetzung gesteuert und insbesondere die Eigenschaften des Fertigproduktes stark beeinflusst. Natur- und Synthesekautschuk
Die Naturkautschuk-Produktion erfolgt vornehmendlich in Südostasien auf kleinbäuerlichen Betrieben. Thailand und Indonesien produzieren rund 80% der Weltproduktion von etwa 7000000 t pro Jahr. Ein Kautschukbaum produziert ca. 2 kg Naturkautschuk pro Jahr und kann 25-35 Jahre genutzt werden.
Durch Lieferengpässe beim Naturkautschuk ausgelöst, wurde 1911 vom Chemieunternehmen Bayer in Deutschland der erste Synthesekautschuk hergestellt. Die Ausgangsprodukte liefert die Petrochemie. Im Gegensatz zum Naturkautschuk enthält Synthesekautschuk Kohlenstoff.
In einem Reifen können mehr als 10 unterschiedliche Synthesekautschuke enthalten sein. Den dominierenden Anteil hat Styrol-Butadien-Kautschuk. Weitere sind Butadien-Kautschuk, Isopren-Kautschuk, Butyl-Kautschuk und chlorierter bzw. bromierter Butyl-Kautschuk. Synthesekautschuke sind chemisch reiner und einheitlicher und können hinsichtlich bestimmter Eigenschaften den Naturkautschuk übertreffen.
Die weltweite Jahresproduktion von Synthesekautschuk übertrifft jene des Naturkautschuks und liegt bei über 10000000 t; rund 60% des Synthesekautschuks geht in die Reifenproduktion.
Die weltweite Gummi-Produktion liegt im Bereich von 17 Mio.t2 Gemäss derselben Quelle liegt der Marktpreis in der EU für Naturkautschuk bei 750 Euro pro Tonne und jener für Synthesekautschuk bei 1400 Euro pro Tonne.
Bild.2Naturkautschuk
Reifengummi
Damit ein Gummi die an ihn gestellt Aufgabe erfüllen kann, müssen der Kautschukmischung diverse Additive zugesetzt werden. Bei Reifen ist Russ der wichtigste Füllstoff. Russ erfüllt verschiedene Aufgaben und sorgt u.a. für eine verbesserte Verschleißbeständigkeit; ohne Russ würde der Reifen auch auf der Fahrbahn festkleben. In der Reifenherstellung werden 6-8 unterschiedliche Russqualitäten eingesetzt. Eine Teilmenge des Rußes kann durch Siliziumdioxid (SiO2) ersetzt sein, um den Reifen geräuscharmer zu machen und den Fahrwiderstand zu reduzieren. Um die natürliche Zersetzung von Kautschuk zu bremsen, werden Alterungsschutzmittel wie z.B. Antioxidaktien und Chelatbildner zugemischt. Pigmente und Styrolharze sind weitere Füllstoffe. Nach den Füllstoffen kommt den Weichmachern in Kautschukmischungen Mengenmäßig die nächstgrößte Bedeutung zu.
2.2.1 Russ
Der in der Reifengummi-Herstellung benötigte Russ ist nicht einfach aus irgendeiner Verbrennung, sondern ein großtechnisch hergestelltes Qualitätsprodukt, das genau spezifizierte physikalische, chemische und anwendungstechnische Eigenschaften aufweisen muss. Auch im Reifengummi werden nur genau spezifizierte Russqualitäten eingesetzt. Etwa 93% der Weltrussproduktion wird von der Gummiindustrie verwerte und davon rund 75% in der Reifenindustrie. Industrieruß wird durch kontrollierte Pyrolyse oder im Aerosolverfahren in einem Russreaktor durch unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erzeugt. Beim Furnace-Verfahren wird ein Öl-Gas-Gemisch in einem Flammenreaktor eingeblasen und auf 1200-22000C erhitzt, um dann mit eingesprühten Wassertröpfchen als Kondensationskeimen feinste Russpartikelchen zuzeugen. Der Kohlenstoff des Rußes ist also fossilen Ursprungs.
Weil die Reifenherstellung den größten Russbedarf aufweist, wäre es sehr sinnvoll zu versuchen, den Russ aus den Altreifen jeweils wieder zurückzugewinnen und in die Reifenherstellung zurückzuführen. 2.3 Chemische Zusammensetzung von Altreifen
Die chemische Zusammensetzung von Reifen gibt es viele Arte, und jeden Firma hat seine selbst chemischen Reifenszusammensetzung. Man kann nicht genau sagen, wie die Elemente von einer Reifen zusammgesetzt sind. Die Folgend Tabelle ist nur eine Angabe, die den groben Rahmen aufzeigen.
Tabelle 4 : Chemische Zusammensetzung
3. Stand der Technik
Grundsätzlich lassen sich die Entsorgungs-/ Verwertungsverfahren in zwei Klassen unterscheiden. Einerseits lassen sich die Altreifen aufgrund ihres hohen Heizwertes, wie schon erwähnt, thermisch verwerten. Andererseits ist aber auch eine stoffliche Verwertung möglich. In den folgenden Abschnitten werden die Möglichkeiten vorgestellt.
3.1 Thermische Verwertung/ Energetische Verwertung
Verwendung als Ersatzbrennstoff in Zementwerken
Ganze Altreifen werden am kalten Ende des Drehrohrofens zugegeben und müssen deshalb nicht vorbehandelt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die thermische Verwertung in einer Vorbrenn- oder Pyrolysekammer, welche eine gleichmäßigere Nutzung der freiwerdenden Energie ermöglicht, die zur Vorwärmung des Rohmaterials für die Klinkerherstellung genutzt wird. Der Mengendurchsatz muss so gewählt werden, dass die Klinkerqualität die Werte der BUWAL-Richtlinie: Entsorgung von Abfällen in Zementwerken einhält, zudem muss auch die LRV (Luftreinhalte-Verordnung) eingehalten werden.
BildAltreifen als Ersatzbrennstoff und Zuschlag für die Zementherstellung
Pyrolyse
Bei der Pyrolyse werden die Altreifen unter Zufuhr von sauerstoffarmer bzw. sauerstofffreier Luft thermisch zersetzt. Dabei werden einerseits sogenannte Pyrolysegase/-öle produziert, welche thermisch genutzt werden. Andererseits entsteht Russ, welcher in einer Reihe von industriell erzeugten Produkten (Toner, Gummi, Kunststoffe usw.) als Pigment wieder eingesetzt werden kann. Ein weiteres Nebenprodukt ist der Stahlschrott der ebenfalls wieder recycliert wird.
Verbrennung in Kehrichtverbrennungsanlagen
Die Verbrennung in Kehrichtverbrennungsanlagen ist nur im Notfall zu wählen. Zwar ist die Verbrennung technisch möglich, sie macht aber wenig Sinn, weil der Durchsatz aufgrund des hohe Heizwertes der Altreifen vermindert wird, was bei den zur Zeit voll ausgelasteten Anlagen nicht erwünscht ist.
3.2 Stoffliche Verwertung
Eine ökologisch günstigere Lösung als die thermische Verwertung ist allerdings die stoffliche Verwertung der Altreifen. Dabei sollte die Verwertung so gestaltet sein, dass deren Produkte zu einem möglichst großen Teil wieder in der Reifenproduktion eingesetzt werden können. Die Anwendung von Granulaten und Mehlen als Füllstoff in der Reifenindustrie wäre der naheliegendste Einsatzbereich, weil die Branche die mit Abstand größte Menge an Elastomeren verwendet. Weltweit werden ca. 65% aller jährlich produzierten Elastomere zu Reifen verarbeitet. Zwar ist es möglich, ohne nennenswerte Qualitätseinbußen Recyclingmaterial bei der Herstellung von Reifen einzusetzen, dies wird aber zur Zeit nur von einigen wenigen Reifenherstellern praktiziert.
Eine weitere Möglichkeit, die noch immer besser als die direkte Verbrennung abschneidet, ist die Verlängerung der Lebensdauer der eingesetzten Produkte (wie z.B. Gummigranulat, Gummimatten als Lärmschutz usw.), welche schlussendlich noch immer thermisch verwertet werden können. Seit dem erneuten Aufschwung der Altreifen - Recyclingbranche in den frühen 90er Jahren sind eine ganze Reihe von Anwendungen für Granulate und Mehle entstanden, bei denen man nicht unbedingt von Recycling im eigentlichen Sinne sprechen kann; es handelt sich vielmehr um völlig neuartige Anwendungen für ein Material, das sich in vielerlei Hinsicht von den herkömmlichen Kautschukmischungen unterscheidet. Dabei sollte das Recyclingmaterial nicht in Verbundstoffen eingesetzt werden, weil die Trennung später kaum mehr möglich ist. Es sollte zudem zumindest gewährleistet sein, dass das Material später zur Verbrennung gelangt.
Runderneuerung
Runderneuerte PKW-Reifen spielen auf dem heutigen Markt nur noch eine untergeordnete Rolle. Dies liegt zum einen daran, dass in den letzten Jahren qualitativ zufriedenstellende Importreifen angeboten werden, die sich preislich nur unwesentlich von runderneuerten Reifen unterscheiden. Zum anderen haben moderne Radialreifen - im Gegensatz zu Gürtelreifen - recht dünne und empfindliche Seitenwände, die nur selten zwei "Reifenleben" aushalten. Ganz anders verhält es sich mit LKW-Reifen, die bis zu drei Mal runderneuert werden können. Zusätzlich kann das Profil von LKW-Reifen und Spezialreifen mit der Aufschrift "Regroovable" nachgeschnitten werden. Die Karkasse eines LKW-Reifens kann somit, bei sachgemäßer Behandlung, gut und gerne eine Laufleistung von mehr als einer Million km erreichen.
Granulate / Mehle
Ziel des Granulierens und Vermahlens von Altreifen ist es, durch Zerkleinern ein kleines
Gummikorn (möglichst 100 bis 600 Mikrometer) mit einer möglichst großen, zerklüfteten Oberfläche zu erzeugen, das frei von Metall- und Textilresten ist. Die so erhaltenen Granulate und Mehle werden einer geeigneten Verwertung zugeführt. Das Granulieren beruht auf einer Kombination aus Schneiden, Quetschen, und Reißen und wird üblicherweise in mehrstufigen Anlagen durchgeführt. Zwischen den einzelnen Stufen
können Granulate unterschiedlicher Körnung und Reinheit ausgeschleust werden. Für die zur Verfügung stehenden Verfahren ist, außer einer Vorzerkleinerung, keine spezielle Anforderung an das Aufgabegut zu erfüllen. Grundsätzlich ist das Warmmahl- und das Kaltmahlverfahren zu unterscheiden, aber auch Kombinationen von beiden Verfahren sind bekannt.
4. Statistische Übersicht
Die folgen Tabelle ist die Mengen von der Altreifenverwertung in Deutschland und die Prozentanteil der Altreifenbehandlungen in Deutschland.
Tabelle 5 Altreifenverwertung in Deutschland
Tabelle 6Verwendung und Entsorgung der Altreifen in Deutschland
5. Die verwendeten Materialien sind anhand eigner Laboratoriumsversuche zunächst zu beschreiben ( Indexversuche )
Die neue bau Materialen ----- Boden-Gummi-Mischung
Die Boden-Gummi-Mischung ist eine gute Bau-materialen, die die Bodenmechanische Verhältnis sich verbessert kann, Diese Bau-materiale kann in viele Breichen anwenden, z.B. Dammbau, Straßenfüllungen, Raumgitterstützmauer,etc. Diese Verwertungsverfahren von Altreifen kann die globale große Altreifen-Problem gut lösen.
Eigenschaften des Altreifensgummis
Die Eigenschaften des Gummis betragen:
1) höher Elastizität
Der E-Modul der Gummi ist sehr klein, ungefähr 5N/mm2 , die horizontale Verformung des Gummis ist sehr groß, kann 1000% erreichen und kann noch sich verkleinern. Der Gummi kann auch seine Elastizität in sehr weite Temperatur-Bereich(-50℃-150℃) halten.
2) Viskosität
Wegen der Zusammenkräfte des Molekül, wird der Gummi bei der Verformung von dem Temperatur und der Zeit beeinflusst. Gleichzeitig entsteht die Entspannung und das Kriechen.
3) Verringerung der Schwingung
Der Gummi kann auch die Schwingung und die Ausbreitung vom Schall verringern, damit man der Lärm verhindern kann.
4) Isolierung
Wie der Plastik ist der Gummi auch Isolierungsmaterial, beim Natürlichem Gummi kann der Strom-Widerstand über 1015Ωcm sein.
5) Abhängigkeit von der Temperatur
Bei tiefer Temperatur wird der Gummi spröder und härter sein. Bei höher Temperatur wird der Gummi verweichert, schmelzt, oxydiert, zerlegt, sogar sich brennen.
6) Alterung
Wie Ätzung des Metalls, Verderbung des Holzes, Verwitterung des Felsens kann der Gummi sich auch mit der Veränderung der Umgebung veraltern. Damit entstehen die schlechte Eigenschaften und kürzere Lebensdauer.
Außerdem, hat der Gummi auch andere Vorteile. Z.B. weinige Dicht, leichte Gewicht, weicheres Material, schlechtere Luftdurchlässigkeit und Wasserdurchlässigkeit. Mit solchen Vorteilen ist das Einsatzgebiet des Gummis sehr weit. Tausende Produkte des Gummis werden derzeit entdeckt und benutzt.
Der Vorteil der Stabilität von Gummiprodukten wird dann zum Nachteil, wenn sie zu Abfallprodukten werden. Die Trennung von artfremdem und artgerechtem Einsatz sowie die chemische und thermische Verwertung werden sich unterscheiden. Dabei wird das Thema der Stofftrennung, welches ausführlich in der Jahrgangstufe 8 behandelt wird, angesprochen und Altes mit eurem verzahnt. Eigenschaften des Sandes
a) Physikalische Eigenschaft:
-Körner sind vom 0.06 mm bis 63 mm groß und mit dem Auge erkennbar.
-meinst sind gedrungene Kornform, rundkantig, und glatt; seltener scharfkantig und länglich.
-Einzelkorngefüge, Körner bilden ein Skelett, berühren sich und übertragen Reibung.
b) Wassergehalt
Der Wassergehalt w ist das Verhältnis der Masse des Wassers im Boden mw zur Masse des trockenen Bodens md.
W= mw / md* 100 (%)
Das Wasser befindet sich im Porenraum zwischen den Bodenkörnern. Der natürliche Wassergehalt ist der Wassergehalt des Bodens an Ort und Stelle.
Zahlenwerte:erdfeuchter Sand und Kies: w= 2-10 %
c) Dichte des Sandes
Die Dichte p ist die Masse m der feuchten Probe bezogen auf ihr Volumen V (einschließlich der mit Wasser und Luft gefüllten Poren):
P =m/ V(g/cm3)
Zahlenwerte: für Sand 1.7-2.2 g/cm3 je nach Lagerungsdichte
d) Korndichte:
Die Korndichte ps eines Bodens ist die Dichte seiner festen Bestandteile, also die Rohdichte der einzelnen Körner. Sie ist das Verhältnis:
Ps = md / vk (g/cm3) mit: md=Trockenmasser der Körner
Vk=Volumen der Körner
Zahlenwerte: grobkörnige Böden: Ps = 2.65 g/cm3
Sie sind meist durch mechanische Verwitterung entstanden. Es überwiegen die Mineralien der gebirgsbildenden Gesteine wie z.B. Quarz, Feldspat, Glimmer.
e) Organische Bestandteile; Glühverlust
Organische Bestandteile im Boeden sind nicht mineralischer Art, sondern biologisch entstanden: Rest von Pflanzen und Kleinlebewesen. Sie lassen sich verbrennen und werden durch den Glühverlust bestimmt. Typische sind dunkle Farbe, gauliger Geruch.
Der Glühverlust Vgl eines Bodens ist seine Masse, die bei hoher Temperatur verglüht, bezogen auf die Masse des trockenen Bodens md.
Vgl = (md- mgl )/ md*100 (%)
Mit mgl = Masse nach dem Glühen
Zahlenwerte: Oberboden,nichtbindigBoden3 –15 %
f) Kalkgehalt
Der Kalkgehalt Vca eines Bodens ist der Anteil an Calcium- und Magnesiumkarbonat mca in Bezug zur Masse des trockenen Bodens md:
Vca = mca/ md*100 (%)
g) Wasserdurchlässigkeit
Die Wasserdurchlässigkeit eines Bodens wird durch das Filtergesetz von DARCY beschrieben:
v = k* i v=Filtergeschwindigkeit(m/s)
k=Wasserdurchlässigkeitsbeiwert(m/s)
i=hydraulisches Gefälle
miti= h / l h=Differenz zweier Wasserspiegel(m)
l=zugehöriger Fliessweg im Boden(m)
mitv=Q/A Q=Vw/t Wassermenge pro Zeit(m3/s)
A=Fläche senkrecht zur Fliessrichtung(m2)
n=Porenanteil
Zahlenwerte: für Sand k=10-6- 10-4 (m/s)
h) Kompressionsversuch
Im Kompressionsversuch wird die Zusammendrückbarkeit eines Bodens unter vertikaler Spannung untersucht.
Die Zusammendrückung(vertikale Verformung) von Böden unter einer Last entsteht dadurch, dass sich die Bodenkörner umlagern und sich damit der Porenraum des Bodens verringert. Der Porenwasser wird dabei verdrängt. Die elastische Verformung der Bodenkörner selbst ist unbedeutend. Ein locker gelagerter Boden wird also unter gleicher Last stärker zusammengedrückt als ein dicht gelagerter Boden.
Zahlenwerte:Es= 20 – 300 MN / m2
i) Bestimmung der Scherfestigkeit; direkter Scherversuch
Unter Bauwerkslasten wird der Boden vertikal zusammengedrückt und zugleich tangential auf Schub beansprucht. Der maximale Widerstand des Bodens gegen Schub ist seine Scherfestigkeit. Sie setzt sich zusammen aus Reibungsfestigkeit und Kohäsion (Haftfestigkeit). Wenn die äußerer Schubbelastung so groß wird wie die Scherfestigkeit, tritt im Boden ein Bruch ein. Dann besteht der Grenzzustand der Tragfähigkeit.
Den Zusammenhang zwischen Normal- und Scherspannung beschreibt die Gleichung nach Coulomb/Mohr (Schergerade):
τ = c + σ* tanφ mit: τ= Scherspannung(kN/m2)
c = Kohäsion(kN/m2)
φ=innerer Reibungswinkel(º)
σ=Normalspannung(kN/m2)
Die Reibungsfestigkeit ist also von der Normalspannung σ und dem Winkel der inneren Reibung φ abhängig. Sie nimmt mit diesen beiden Größen zu.
Die Kohäsion ist nur abhängig von der Beschaffenheit des Bodens. Echte Kohäsion ist nur bei bindigen Böden vorhanden. Bei feuchten nichtbindigen Böden kann scheinbare Kohäsion auftreten. Sie beruht aufOberflächenspannungen zwischen Wasser und Bodenkorn (Kapillardruck). Sie verschwindet, wenn der Boden austrocknet oder voll wassergesättigt wird (z.B.: Eine steile Böschung aus Sand rutscht unter Sonneneinstrahlung zusammen).
C und φ werden als Scherparameter bezeichnet. Sie sind wichtige Bodenkennwerte und für erdstatische Berechnungen, bei denen Bruchzustände untersucht werden, notwendig (z.B. Grundbruch, Geländerbruch, Gleitsicherheit, Ermittlung des Erddrucks).
Die Scherparameter sind auch vom Entwässerungszustand des Bodens abhängig. Man unterscheidet:
a) Undränierter Boden: Scherparameterφu und cu
Werden Böden so schnell belastet, dass das Porenwasser nicht abfließen kann, wird die aufgebrachte Bauwerkslast zunächst ganz oder teilweise vom Porenwasser getragen(Porenwasserdruck u). Dann ist die Reibungsfestigkeit praktisch gleich Null. Es wirkt nur “undränierte Kohäsion cu”. Die Schergerade verläuft etwa parallel zur x-Achse.
τ = cu + σ* tanφu mit φu =0
Dieser Zustand ist nur bei schwer durchlässigen Böden, also bindigen, wassergesättigten Böden von Bedeutung. In solchen Fällen muss mit den undränierten Scherparametern die Anfangsstandsicherheit von Bauwerken berechnet werden.
b) Dränierter Boden: wirksame oder effektive Scherparameterφ’ und c’
Wenn das Porenwasser unter Belastung abgeflossen ist und so ein dränierter Zustand besteht, wird die Last nur Korngerüst getragen, der Porenwasserdruck ist dann Null. Unter diesen wirksamen Normalspannungen φ’ (Korn-zu-Korn-Druck) werden die Scherparameter mit φ’ und c’ bezeichnet. Damit wird die Endstandsicherheit von Bauwerken berechnet.
Bei durchlässigen, also nichtbindigen Böden tritt dieser dränierte Zustand schnell ein. Bei bindigen Böden dauert die Konsolidation länger( vgl. Kompressionsversuch, Zeit-Setzung).
Zahlenwerte: Sand,locker φ’ =30,0º
Sand,mitteldichtφ’=32,5º
Feinsand, dicht φ’=37,5º Eigenschaft des Gummi-Boden-Mischung
Elementgewicht
Der Probekörper von Gummi-Boden-Mischung haben die statische bestimmte Beziehungen zwischen Elementgewicht und Altreifenchips, vor dem Verdichtung zerkleint den Probekörper in 19mm Partiale. Nach dem Verdichtung ist die Wassergehalte vom Probekörper ca.12%(Tab.1 und Bild.8),
Bild.8 Particle Durchmesser von Boden-Gummi-Mischung
Tab.2 Charakteristische Werte von Mischboden
Der Probeköper werde durch eine große Verdichtungsmaschine bei Edil und bosscher(1994) verdichtet, diese Maschine wird von zwei Rolle hergestellt, eine ist 155mm, eine ist 305mm, Durch 44 mal Schlage wird der Probeköper fertig verdichtet.
Die End-Ergebnisse zeigt im Bild.9, wenn die Gummianteil immer steigt, dann senkt die Elementgewichte weiter.
Bild.9 Elementgewicht der Mischboden
Scherfestigkeit des Gummi-Boden-Mischung
Die Scherfestigkeit des Gummi-Sand-Mischung kann durch die direkter Scherversuch von Foose (1993) bemessen. Die Scherfestigkeit wird im Bild 1 gezeigt. Der Scher-Ring sind zwei Ringe, die von zwei 12,7mm Stahlrolle herstellt sind. Das Innerdurchmesser von dem Scher-Ring ist 279mm, und die Lange von dem Scher-Ring ist 314mm. Die maximale Verschiebung ist 60mm.
Die normal Spannung ist angewendete an einem lufthaltigen System, und die Querkraft ist angewendete an einem Gewebegitter System. Zwei linnear- variable verschiedene Transformatoren sind für die vertikal and horizontal Verschiebung sich bemessen. Ein belastete Punkte ist für die Scherfestigkeit zu bemessen, die Datensammlung wird von einem PC bearbeitet. Eine genau Darstellung für diese Versuchsmaschine wird bei Foose (1993) und Tatlisoz (1996) gemacht.
Die Versuchsstück für Scherversuch wird breit mit Verdichtungsverfahren gemacht, die direkt auf dem Scher-Ring aufzusetzen. Die Scher-Geschwindigkeit ist 0.04 cm/min.
ScherfestigkeitfürSand-Reifen-Michung
von Foose 1996
Schlamm-Gummi-Mischung : Es gibt Unterschied zwischen Schlamm und Schlamm-Gummi-Mischung für Scherfestigkeit und die horizontal Verschiebung( Bild 2), Für die 100% Anteil Schlamm wird die Scherfestigkeit am Anfang steigt, und am Punkte, die horizontal Verschiebung 0,5 bis 1,0 cm ist, wird die Scherfestigkeit nicht mehr weiter steigt. Zum Vergleichung, steigt die Scherfestigkeit von Schlamm-Gummi-Mischung immer weiter mit horizontal Verschiebung.
Bild.2 Scherfestigkeit und horizontal Verschiebung von Schlamm-Gummi-Mischung
Die Endergebnisse des direkter Scherversuch der Schlamm-Gummi-Mischung zeigt im Bild.3, Die Scherfestigkeit von Schlamm-Gummi-Mischung ist viele größer als die Scherfestigkeit von Schlamm. Die einzelne Grund ist die höhere Reibungswinkel und die größere Kohäsion. Und je mehrere Gummianteilen ist, desto größere Scherfestigkeit hat die Schlamm-Gummi-Mischung.
Bild. 3 – Scherfestigkeit für Schlamm-Gummi-Mischung
Foose. (1996) hat die ähnliche Ergebnisse mit die Sand-Gummi-Mischung im direkter Scherversuch gemacht. Die Scherfestigkeitsänderung durch Sandanteile von 0% bis 10% ist wegen Vergrößerung von Kohäsion, und die Scherfestigkeitsänderung durch Sandanteile von 10% bis 30% ist wegen Vergrößerung von Reibungswinkel(Tab.2).
Tab.2 Scherfestigkeitsparameter von Schlamm und Schlamm-Gummi-Mischung
Ton-Gummi-Mischung : Die Scherfestigkeit von Ton-Gummi-Mischung zeigt im Bild.4. Tatsächlich steigt nicht die Scherfestigkeit der Ton-Gummi-Mischung durch der Vergrößerung der Gummianteil. Die einzeln Gründ ist die schwache Beziehung zwischen Ton und Gummi.
Bild.5 Scherfestigkeit der Ton-Gummi-Mischung
Scher Wirksamkeit : Die immer steigende Scherfestigkeit durch die Vergrößerung von Gummianteil kann man im Scher-Wirksamkeit darstellen, Eτ, die definite mit:
τst ist die Scherfestigkeit von Boden-Gummi-Mischung, τs ist die Scherfestigkeit von Boden, Die Scher-Wirksamkeit mit normal Spannung von Sand-Gummi-Mischung (Foose. 1996,) und Schlamm-Gummi-Mischung zeigt im Bild.7 .
Bild.7 Scherfestigkeit von Sand-Gummi-Mischung und Schlamm-Gummi-Mischung
Die Scher-Wirksamkeit von Sand-Gummi-Mischung zwischen 1,1 und 2,2(Bild.7a), für die gegebene Probe, ist die Scher-Wirksamkeit immer konstant bis eine Punkte, von diese Punkte senkt die Scher-Wirksamkeit durch die vergrößernde normal Spannung. Wenn die normale Spannung steigt immer weiter, dann die Scher-Wirksamkeit reduziert bis 1,0. Durch obere Bild kann man sagen, das gültige Bereich für Sand-Gummi-Mischung ist unter niedrige normale Spannung.
Die Scher-Wirksamkeit von Schlamm-Gummi-Mischung zwisch 1,3 und 3,2(Bild.7b), für die Gummianteil von 10% Probe, mit der immer steigende normale Spannung steigt die Scher-Wirksamkeit von Schlamm-Gummi-Mischung bis 2,3, zum Unterschied, die Scher-Wirksamkeit der Gummianteil von 20% und 30% Probe senkt immer bis 2,4. Durch obere Bild kann man sagen, das gültige Bereich für Schlamm-Gummi-Mischung ist unter größere normale Spannung.
Immediate Kompression
Ein-Dimension immediate Kompression von Boden-Gummi-Mischung ist statische bestimmte unter Seitlich eingespannte Bedingung, die Kompressions-Versuch wird durch eine 225KN Kompression Maschine gemacht.
Vertikale Verformungen werden durch die normale Spannung je 4 Kpa geschrieben, Vor dem Kompression, mache man eine Vorspannung als 6 Kpa, Die maximale normale Spannung ist 120 Kpa, Die Höhe von Probekörper ist ca.7m, dann die Geschwindigkeit von Vergrößere normale Spannung ist 5 Kpa/min, wenn die normale Spannung 120 Kpa ist, dann senkt die normale Spannung mit gleich Geschwindigkeit ab. Durch drei mal Einlastung und Entlastung wird diese Versuch fertig gemacht.
Spannung-Verformung-Kurve ----Vertikal Verformungen für die Sand-Gummi-Mischung und die Schlamm-Gummi-Mischung mit dem Gummianteil von 30% zeigt im Bild.9, Die normale Figur von Spannung-Verformung-Kurve ist für alle Mischung ähnlich, Oberwohl die Bodenart nicht gleich ist. Hauptsächlich bei der Kompression ist Gummi, nicht Boden. Trotzdem gibt es auch kleine Verformung im Boden (Tatlisoz 1996). Für alle Boden-Gummi-Mischung hat die größestet Verformung bei der erste Einlastung(-5%), die Verformung ist bei der 2 mal oder 3mal Einlastung immer wenigere als erste mal(2%-3%).
Bild.9 Spannung-Verformung-Kurve für Sand-Gummi-Mischung und Schlamm-Gummi-Mischung mit Gummianteil von 30%
Die Verformung am End der erste Einlastung heißt „Statische Verformung“, und die maximale Verformung am weiteren Einlastung heißt „Dauerschwingungsverformung“("elastische Verformung“, Edil and Bosscher 1994). Die statische Verformung von Sand-Gummi-Mischung zeigt im Bild.10, Durch die Vergrößert Gummianteil steigt die statische Verformung immer weiter, das kann man so sagen, die Verdichtbarkeit von Mischung ist nur wegen die Größe der Gummianteile. Nicht wegen die Art von Boden. Trotzdem ist die Verdichtbarkeit von Ton-Gummi-Mischung größere als die Verdichtbarkeit von Sand-Gummi-Mischung und Schlamm-Gummi-Mischung. Die Probekörper mit Gummianteil 100%(Elementgewicht 5,1KN/m3 hat die größte Verdichtbarkeit, die statisch Verformung ist fast 26%. Dann kann man sagen, wenn diese Mischung als füllmaterial machen möchten, muss diese Mischung die wenige Verdichtbarkeit hat.
Hauptsächlich ist die statische Verformung nicht recoverierbar, aber bei manche Entlastungsfalle gibt auch den Rückprall (Bild.9). Zusätzlich macht die weitere Einlastung nicht viele Dauerverformung(5%/mal). Die Recoverierbarverformung auf der elastische Verformung sind zwischen 0,2% und 10% von Boden-Gummi-Mischung. Und je höhere der Gummianteil ist, desto hat die Probekörper mehrere Recoverierbarverformung. Zum Vergleichung ist 13% die Recoverierbarverformung auf der elastische Verformung von 100% Gummi-Mischung(Tatlisoz 1996).
Bild.9. Statische Verformung für Boden-Gummi-Mischung mit 120 kPa.
Verformungsmodul—Der Verformungsmodul, M, kann für die Kompressionsfertigkeit und Setzungsrechung von Boden-Gummi-Mischung darstellen. Kann man so rechen bei :
Δσn i,j ist Spannungsänderung zwischen Einlastung i und Einlastung j, und Δεi,j ist Verformungsänderung zwischen Einlastung i und Einlastung j.
Die Kompressions-Kurve ist nicht linear, und die Verformungsmodul ist eine Funktion von Spannung, mit dem steigenden Spannung kann man deutlich sehen, dass Verformungsmodul steigt immer. Dann kann man folgen Gleichung anwenden :
K und n ist konstant, σn ist die Vertikale normale Spannung (Kpa), und σ0 ist gleich 10 kPa, der konstant K und n für verschiedene Boden-Gummi-Mischung zeigt im Bild.11, wenn die Gummianteil sich erhöht, dann die K und n gleichzeitlich absenkt.
Bild.11 Parameter K und n für Verformungsmodul
Der Verformungsmodul von der Sand-Gummi-Mischung und Schlamm-Gummi-Mischung und Ton-Gummi-Mischung zeigt im Bild.12 unter der vertikal Spannung(σn) von 120 kPa. Für jeder Mischung ist bei 30% Gummianteil die größestet Absenkung von Verformungsmodul auftreten. Wenn die Gummianteil weiter steigt, wird die Verformungsmodul nicht mehr viele ändert. Und wenn die Gummianteil größer als 30% ist, sind die Verformungsmodul von Schlamm-Gummi-Mischung und Sand-Gummi-Mischung fast gleich. Zum Vergleichung sind bei normale Falle die Verformungsmodul von Sand-Gummi-Mischung und Schlamm-Gummi-Mischung größer als die Verformungsmodul von Ton-Gummi-Mischung.
Bild.12. Verformungsmodul von Boden-Gummi-Mischung unter 120 kPa
Langzeitkompression
Ein Konsolidiermeter mit dem 306mm Durchmesser und 37 mm Tief wird abgerechnet für langzeitlich vertikale Verformung unter einen konstant 20 kPa vertikale Spannung für Boden-Gummi-Mischung. Die Konsolidiermeterrolle herstellt bei dem Faserglas, um die seitliche Reibung zu reduzieren.
Das Langzeitkompressionsversuch dauert ca.4 Monat. Das Ergebnisse von diese Versuch zeigt im Bild.13.
Die Verformung der Probe von 100% Gummianteil sind viele größere als die Verformung von Boden-Gummi-Mischung (Bild.13). Für die Verformung der Probe von 100% Gummianteil gibt es 8% immediate Verformung und 13% die Endverformung. Zum Vergleichung gibt es die Sand-Gummi-Mischung die kleinere immediate Verformung von 1,5% und wenigere Endverformung. (nach 150 Tage gibt es 2% Endverformung). Die Verformung der Schlamm-Gummi-Mischung (immediate Verformung 3,6%) sind größere als die Verformung von Sand-Gummi-Mischung.
Bild.13 Langzeitkompression von Gummi und Boden-Gummi-Mischung mit 30% Gummianteil
Durchlässigkeit
Die Durchlässigkeit wird von folgen Gleichung definiert :
Q = K*i*A 〖m3/s〗
Q = Durchfluss 〖m3/s〗
K = Durchlässigkeitsbeiwert 〖m/s〗
I = Hydraulische Gradient 〖-〗
A = Querschnittsflache 〖m2〗
Die Tabelle 3 zeigt die Durchlässigkeit von Boden-Gummi-Mischung. Von diese Tabelle kann man deutlich sehen, dass die Durchmesser der Gummichips von 0,18 bis 5,5 Zoll rangartig bewertet, und die Durchlässigkeitsbeiwert von 0,0005 cm/s bis 59,3 cm/s rangartig bewertet.
Die niedrigsten Durchlässigkeitsbeiwert sind 0,002 bis 0,0005 cm/s, diese Wert wird von Masad im 1996 gemessen. Wenn die Durchmesser der Gummichips kleinere als 0,18 Zoll ist, ist die Durchlässigkeit von dieser Mischung nicht gut wegen der klein Durchlässigkeitsbeiwert und der hohen Sparrenauffütterholzkosten. Reddy und Saichek(1998) haben von groß Gummichips (0,5 bis 5,5 Zoll) die kleine Durchlässigkeit gefunden, aber diese Probe sind unter 21,000 psf (Pound per Quadratfuß) sich gemessen. Für die normale Einlastung (100-400psf) ist die Durchlässigkeit immer größere als 1,0 cm/s.
Weil die hohe Durchlässigkeit der Boden-Gummi-Mischung gibt, wird diese Material für Bodenentwässerungsmaterial an der Deponie angewendet. Die Durchlässigkeit von Bemessung der Boden-Gummi-Mischung unter sehr hohe vertikale Spannungen ( Das ist besonders für den Entwässerungsschicht im Deponiefundament ) sind deutliche kleiner als die Durchlässigkeit von Bemessung der Boden-Gummi-Mischung unter normale vertikale Spannung ( Das ist besonders für den Entwässerungsschicht im Deponiedachdecke). Reddy and Saichek (1998) haben schon gefunden, dass unter 21,000 psf die Durchlässigkeit 0,01 cm/s ist.
Tab.3 Durchlässigkeit der Boden-Gummi-Mischung mit verschiedene Gummichipgroße
Bild.14 zeigt die Durchlässigkeit der Boden-Gummi-Mischung mit maximale, minimale und durchschnittliche Clipsgrößer. Kann man einfach sehen, dass je größer der Chips sind, desto gibt es höhere Durchlässigkeit.
Bild.14. Durchlässigkeit mit verschiedene Chipgroße Fazit
Die Boden-Gummi-Mischung ist ein gute Füllmateriale mit hohen Kommpressierbarkeit und Duktilität.
Literatur
Edil, T., Fox, P., and Lan, L.(1991), "End-of-Primary Consolidation of Peat," Proc.Tenth European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Florence,Italy, Vol. 1, S. 65-68.
Foose, G. (1993), "Shear Strength of Sand Reinforced with Shredded Waste Tires," MSThesis, Dept. of Civil and Environmental Engineering, University of Wisconsin-Madison.
Foose, G., Benson, C., and Bosscher, P., "Sand Reinforced with Shredded Waste Tires,"Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 122, No.9, S. 760-767.
Tatlisoz, N. (1996), "Using Tire Chips in Earthen Structures," MS Thesis, Dept. of Civil and Environmental Engineering, University of Wisconsin-Madison
Benson, C. and Khire, M. (1994), "Soil Reinforcement with Strips of Reclaimed HDPE,"Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 120, No.5, S. 838-855. 献花
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