PL233756B1 - Mieszanka do wytwarzania materialow wibroizolacyjnych do zabezpieczania drog szynowych i kolowych - Google Patents

Abstract

Mieszanka do wytwarzania materiałów wibroizolacyjnych do zabezpieczania dróg szynowych i kołowych składa się z granulatów gumowych, korzystnie o granulacji 1-10 mm, w ilości 90-50% wagowych i 10-30% wagowych materiałów bitumicznych modyfikowanych polimerami termoplastycznymi, termoelastoplastycznymi lub kauczukami. Modyfikowane materiały bitumiczne pełnią rolę lepiszcza granulatu gumowego. Ponadto mieszanka może zawierać dodatki modyfikujące w postaci napełniaczy mineralnych, włókien czy żywic w ilości do 30% wagowych w stosunku do masy całej mieszanki. Jako granulat gumowy korzystnie stosuje się granulat z zużytych opon samochodowych, zużytych taśm i/lub pasów, odpadów produkcyjnych. Jako modyfikowane spoiwa bitumiczne korzystnie stosuje asfalt modyfikowany polimerami termoplastycznymi, termoelastoplastycznymi lub kauczukami. Jako polimery termoplastyczne korzystnie stosuje się polimery etylenu, kopolimery etylenowo-propylenowe. Jako polimery termoelastoplastyczne korzystnie stosuje się blokowe kopolimery styren-butadien-styren, styren-izopren-styren, styren-etylen/butylen-styren, styren-etylen/propylen-styren. Jako dodatki modyfikujące poprawiające właściwości mechaniczne, reologię, twardość korzystnie stosuje się włókna np. poliestrowe, bazaltowe, żywice naturalne i syntetyczne, np. kalafonię, żywicę wysokostyrenową, napełniacze mineralne o różnym uziarnieniu, np. kwarc.

Description

Przedmiotem wynalazku jest mieszanka do wytwarzania materiałów wibroizolacyjnych na bazie recyklingu materiałowego, z wykorzystaniem granulatów gumowych, przeznaczona do wibroizolacji dróg szynowych i kołowych.

Postęp cywilizacyjny w ostatnich kilkudziesięciu lat z jednej strony przynosi ludzkości nowatorskie rozwiązania, bez których trudno dziś funkcjonować, z drugiej zaś jest przyczyną nasilenia zjawisk stanowiących zagrożenie zdrowia i życia człowieka.

Wybitny udział w tym zagrożeniu ma intensywnie rozwijający się transport szynowy (kolej, tramwaj) jak również samochodowy. Niesie on ciągły rozwój sieci dróg szynowych i samochodowych, który coraz częściej jest przyczyną protestów osób narażonych na szkodliwe oddziaływania wibracji hałasu struktur komunikacyjnych.

Transport szynowy (kolej, tramwaj) oraz drogowy będąc źródłem drgań i hałasu wywiera niekorzystny wpływ na otoczenie człowieka. Hałas i drgania są problemem o powszechnym zasięgu społecznym i występują we wszystkich dziedzinach działalności człowieka, dotyczą wszystkich obywateli, wpływają niekorzystnie na zdrowie, utrudniają wypoczynek i regenerację sił, pomniejszając efekty ich pracy oraz zwiększając prawdopodobieństwo wystąpienia wypadków. Szczególnie narażeni na drgania są mieszkańcy dużych aglomeracji miejskich.

Transportowi nieodłącznie towarzyszą oddziaływanie dynamiczne na otoczenie powodujące drgania mechaniczne fundamentów, podłoża oraz konstrukcji inżynierskich, stąd konieczność minimalizacji ich szkodliwego działania jest zrozumiała i w ostatnich latach powszechnie uwzględniania w rozwiązaniach inżynierskich.

Zmniejszenie oddziaływania transportu jako źródła drgań i hałasu można osiągnąć zmieniając konstrukcję pojazdów (minimalizacja luzów, poprawa wyrównoważenia elementów wirujących, eliminacja wzajemnych uderzeń elementów współpracujących) czy wprowadzając układy redukujące wibracje (tłumiki drgań, wibroizolatory). Można też zastosować tłumienie drgań na drodze ich propagacji, co uzyskuje się np. przez wprowadzenie dylatacji między torowiskiem czy drogą a otoczeniem.

W tym celu stosowane są materiały wibroizolacyjne w różnej formie czy technologii np.: maty antywibracyjne wykonane z gumy czy granulatów gumowych oraz tworzyw termoelastoplastycznych (PU), podkładki z gumy i tworzyw termoplastycznych, gumowe wkłady przyszynowe. Opisane konstrukcje ograniczenia wibracji i hałasu charakteryzują się wysoką skutecznością, jednakże koszt ich realizacji jest bardzo wysoki. Dobrym sposobem redukcji nakładów finansowych, jest wykorzystanie tańszych surowców pochodzących z recyklingu materiałowego np. granulatów z opon samochodowych i taśm transporterowych. Są to materiały wykonane z jakościowych surowców zużyte jako wyrób, ale zachowujące praktycznie wyjściowe parametry materiałowe, które z powodzeniem można wykorzystać do tłumienia wibracji i dźwięku. Guma jest wielofazowym materiałem lepkosprężystym, dzięki temu jest w stanie dość efektywnie dyssypować przyłożone zmienne siły w dość szerokim zakresie częstotliwości, amplitud i warunków otoczenia.

Na rynku znane są rozwiązania wibroizolacyjne stosowane w drogownictwie, transporcie szynowym, budownictwie i przemyśle wykorzystujące specjalnie wulkanizowane mieszanki kauczukowe (gumy), materiały termoelastoplastyczne oraz kompozyty otrzymane z wykorzystaniem recyklingu materiałowego. W Polsce produkowane są np. maty do wibroizolacji torowisk wykonane z gumy wulkanizowanej, są one jednak drogie. Wytwarzane są również maty wibroizolacyjne na bazie oponowych granulatów gumowych w cenie o 40% niższej. Granulat łączony (klejony) jest za pomocą klejów poliuretanowych, stosowanych w ilości około 20-30%. Niedogodnością tego rozwiązania jest używanie znacznych ilości klejów poliuretanowych, które w warunkach pracy (wilgoć) mogą ulegać dość szybko hydrolizie tracąc bezpowrotnie właściwości użytkowe, tym samym powodując konieczność kosztownej i utrudniającej ruch ich wymiany.

Przeszkodą w szerszym wykorzystaniu materiałów wibroizolacyjnych w budownictwie dróg kołowych i szynowych niewątpliwie jest zbyt wysoka ich cena oraz brak rozwiązań, dzięki którym uzyskuje się wszystkie pożądane parametry wyrobu końcowego równocześnie w jednym wyrobie. Maty gumowe czy klejone za pomocą spoiw poliuretanowych granulaty posiadają dobre parametry wytrzymałościowe jednak tłumienie wibracji nie jest na najwyższym poziomie. Ponadto uważa się, że im więcej gumy w wyrobie końcowym tym właściwości wibroizolacyjne będą lepsze. Z tego powodu najczęściej stosuje się maty z gumy lub klejonego poliuretanem granulatu gumowego o wysokiej zawartości gumy w produkcie.

PL 233 756 B1

Niniejszy wynalazek redukuje znane problemy systemów wibroizolacji dróg. Mieszanka do wytwarzania materiałów wibroizolacyjnych do zabezpieczania dróg szynowych i kołowych według wynalazku składa się z granulatów gumowych, korzystnie o granulacji 1-10 mm w ilości 50-90% wagowych i 10-30% wagowych materiałów bitumicznych modyfikowanych polimerami termoplastycznymi, termoelastoplastycznymi lub kauczukami. Modyfikowane materiały bitumiczne pełnią rolę lepiszcza granulatu gumowego. Ponadto mieszanka może zawierać dodatki modyfikujące w postaci napełniaczy mineralnych, włóknin czy żywic w ilości do 30% wagowych.

Jako granulat gumowy korzystnie stosuje się granulat ze zużytych opon samochodowych, zużytych taśm i/lub pasów, odpadów produkcyjnych. Jako modyfikowane spoiwa bitumiczne korzystnie stosuje asfalt modyfikowany polimerami termoplastycznymi, termoelastoplastycznymi lub kauczukami.

Jako polimery termoplastyczne korzystnie stosuje się polimery etylenu, kopolimer etylenowo-propylenowy. Jako polimery termoelastoplastyczne korzystnie stosuje się blokowe kopolimery np. styren-butadien-styren (SBS), styren-izopren-styren (SIS), styren-etylen/butylen-styren (SEBS), styren-etylen/propylen-styren (SEPS). Jako dodatki modyfikujące poprawiające właściwości mechaniczne, reologię, twardość korzystnie stosuje się włókna np. poliestrowe, bazaltowe, żywice naturalne i syntetyczne, np. kalafonię, żywicę wysokostyrenową, napełniacze mineralne o różnym uziarnieniu, np. tani kwarc.

W przeprowadzonych badaniach własnych nieoczekiwanie okazało się, że w miejsce drogiego spoiwa poliuretanowego do klejenia granulatów gumowych, można wykorzystać tanie spoiwa bitumiczne modyfikowane niewielkimi ilościami polimerów (elastomerów) zwłaszcza jeśli do kompozycji dodatkowo wprowadzi się niewielkie ilości dodatków: włókien, żywic oraz napełniaczy mineralnych modyfikujących właściwości mechaniczne, reologię, twardość. Materiały gumowo-bitumiczne otrzymane z mieszanki według wynalazku nie nastręczają problemów technologicznych. W temperaturze około 170°C łatwo się je otrzymuje na drodze bezciśnieniowego mieszania, bitum bardzo dobrze zwilża granulat, mieszaninę łatwo się dozuje i formuje do pożądanych kształtów przy niewielkim ciśnieniu. Można je aplikować na miejscu użycia metodami stosowanymi w drogownictwie - wylewaniem na gorąco. Technologia otrzymywania jest zupełnie bezodpadowa, materiał można wielokrotnie przetwarzać, odpady technologiczne zawracać. Po wykorzystaniu kompozyty mogą być poddane recyklingowi produktowemu czy materiałowemu.

Materiały gumowo-bitumiczne otrzymane z mieszanki według wynalazku mają dobre właściwości mechaniczne i dynamiczne, odkształcenie trwałe przy ściskaniu poniżej 25%, tłumienie względne (histerezę) około 35% i powyżej. Materiały mogą być z powodzeniem stosowane w rozwiązaniach wibroizolacyjnych dróg kołowych i szynowych. Mogą być formowane na miejscu użycia w technologii analogicznej do stosowanej w przypadku mieszanek asfaltowo-mineraInych.

Opracowane materiały są co najmniej dwukrotnie tańsze od aktualnie dostępnych na rynku materiałów o podobnej funkcjonalności. Mogą być produkowane z mieszanki według wynalazku w formie gotowych płyt wibroizolacyjnych lub w formie mieszanki do nanoszenia na miejscu. Nanoszenie warstw wibroizolacyjnych na miejscu jest kolejną zaletą wynalazku, gdyż transport gotowych, dużych arkuszy czy mat wymaga ich transportu i przechowywania w odpowiednich warunkach i postaci. Zwijanie w rolki nie jest wskazane. Tak wiec możliwość wykonania warstwy wibroizolacyjnej na miejscu jest pożądaną cechą dodatkową.

Mimo zmniejszenia ilości gumy w wyrobie końcowym parametry użytkowe materiałów wykonanych z mieszanki według wynalazku są na podobnym poziomie jeśli chodzi o twardość i odkształcenie trwałe jak granulat klejony poliuretanem. Jednak ich tłumienie względne jak i odporność na wilgoć jest na wyższym poziomie a w zadaniach wibroizolacji jest to jeden z zasadniczych parametrów. Można przypuszczać, że sposób rozchodzenia się drgań (wibracji) w materiale, w którym pojedyncze granulki gumy są od siebie odseparowane warstwą modyfikowanych materiałów bitumicznych, jest odmienny i korzystniejszy niż w wyrobach gumowych czy granulatach klejonych spoiwami poliuretanowymi.

Ponadto, ponieważ mieszanka ma charakter termoelastoplastyczny, wyroby z niej wykonane ulegają pełnemu recyklingowi. Guma wulkanizowana jak i granulat klejony poliuretanami nie mają tej cechy. W porównaniu do najbardziej zbliżonego produktu aktualnie produkowanego - mieszanek granulat-poliuretan, uzyskuje się znacznie lepszą odporność na starzenia w warunkach pracy (kwaśna wilgoć).

Kolejną właściwością dającą przewagę nad znanymi materiałami jest możliwość aplikacji bezpośrednio na miejscu użycia za pomocą urządzeń stosowanych w drogownictwie, (mieszanki poliuretan-granulat można nanosić „wylewaniem” jednak nie za pomocą urządzeń drogowych).

PL 233 756 B1

Poza tym sieciowane są one wilgocią z powietrza więc uzależnienie od warunków pogodowych powoduje problemy z powtarzalnością.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1. Do cylindrycznego naczynia o pojemności 1 litr ogrzanego na łaźni olejowej do 170°C wprowadzono 210 g granulatu gumowego pochodzącego z zużytych opon o uziarnieniu 1-6 mm, 90 g spoiwa bitumicznego modyfikowanego termoelastoplastem SBS (triblokowy kopolimer styren-butadien-styren). Po stopieniu spoiwa wsad wymieszano mieszadłem mechanicznym. Kompozycję ogrzewano przez następne pół godziny, co chwilę mieszając. Następnie część gorącej mieszaniny wprowadzono do pierścienia stalowego o średnicy 150 mm zamkniętego od dołu płytą stalową, z góry zamknięto tłokiem o średnicy 146 mm i dociśnięto siłą 100 N.

Po schłodzeniu w temp. otoczenia otrzymano w ten sposób płytki materiału o grubości około 25 mm, z których wycięto nożem obrotowym korki o średnicy 35 mm do badań histerezy oraz o średnicy 29 mm do badań odkształcenia trwałego przy ściskaniu. Wyniki przeprowadzonych testów przedstawiono w tabeli 1.

P r z y k ł a d 2. Do cylindrycznego naczynia o pojemności 1 litr ogrzanego na łaźni olejowej d o 170°C wprowadzono 270 g granulatu gumowego pochodzącego z zużytych taśm transporterowych o uziarnieniu 1-6 mm oraz 30 g spoiwa bitumicznego modyfikowanego kauczukiem naturalnym. Po stopieniu spoiwa wsad wymieszano mieszadłem mechanicznym. Kompozycję ogrzewano przez następne pół godziny, co chwilę mieszając. Następnie część gorącej mieszaniny wprowadzono do pierścienia stalowego o średnicy 150 mm zamkniętego od dołu płytą stalową, z góry zamknięto tłokiem o średnicy 146 mm i dociśnięto siłą 100 N.

Po schłodzeniu w temp. otoczenia otrzymano w ten sposób płytki materiału o grubości około 25 mm, z których wycięto nożem obrotowym korki o średnicy 35 mm do badań histerezy oraz o średnicy 29 mm do badań odkształcenia trwałego przy ściskaniu. Wyniki przeprowadzonych testów przedstawiono w tabeli 1.

P r z y k ł a d 3. Do cylindrycznego naczynia o pojemności 1 litr ogrzanego na łaźni olejowej do 170°C wprowadzono 150 g granulatu gumowego pochodzącego z zużytych opon i odpadów produkcyjnych taśm transporterowych o uziarnieniu 1-10 mm oraz 60 g spoiwa bitumicznego modyfikowanego termoelastoplastem SEBS (kopolimer styren-etylen-butylen-styren), 30 g kalafonii, 30 g żywicy wysokostyrenowej, 3 g odpadowych włókien poliestrowych, 27 g kwarcu o uziarnieniu 0,5-2 mm. Po stopieniu spoiwa wsad wymieszano mieszadłem mechanicznym. Kompozycję ogrzewano przez następne pół godziny, co chwilę mieszając. Następnie część gorącej mieszaniny wprowadzono do pierścienia stalowego o średnicy 150 mm zamkniętego od dołu płytą stalową, z góry zamknięto tłokiem o średnicy 146 mm i dociśnięto siłą 100 N.

Po schłodzeniu w temp. otoczenia otrzymano w ten sposób płytki materiału o grubości około 25 mm, z których wycięto nożem obrotowym korki o średnicy 35 mm do badań histerezy oraz o średnicy 29 mm do badań odkształcenia trwałego przy ściskaniu. Wyniki przeprowadzonych testów przedstawiono w tabeli 1.

P r z y k ł a d 4. Do cylindrycznego naczynia o pojemności 1 litr ogrzanego na łaźni olejowej do 170°C wprowadzono 120 g granulatu gumowego pochodzącego z opon o uziarnieniu 1-6 mm, 120 g granulatu gumowego o tym samym pochodzeniu o uziarnieniu 4-10 mm, 45 g spoiwa bitumicznego modyfikowanego termoplastem - kopolimerem etylenu z propylenem, 9 g kalafonii, 3 g włókien bazaltowych. Po stopieniu spoiwa wsad wymieszano mieszadłem mechanicznym. Kompozycję ogrzewano przez następne pół godziny, co chwilę mieszając.

Następnie część gorącej mieszaniny wprowadzono do pierścienia stalowego o średnicy 150 mm zamkniętego od dołu płytą stalową, z góry zamknięto tłokiem o średnicy 146 mm i dociśnięto siłą 100 N.

Po schłodzeniu w temp. otoczenia otrzymano w ten sposób płytki materiału o grubości około 25 mm, z których wycięto nożem obrotowym korki o średnicy 35 mm do badań histerezy oraz o średnicy 29 mm do badań odkształcenia trwałego przy ściskaniu. Wyniki przeprowadzonych testów przedstawiono w tabeli 1.

P r z y k ł a d 5. Do cylindrycznego naczynia o pojemności 1 litr ogrzanego na łaźni olejowej do 170°C wprowadzono 120 g granulatu gumowego pochodzącego z zużytych opon o uziarnieniu 1-6 mm, 120 g granulatu gumowego zanieczyszczonego włókninami pochodzącego z zużytych taśm transporterowych o uziarnieniu 1-8 mm, 60 g spoiwa bitumicznego modyfikowanego termoelastoplastem SIS (kopolimer triblokowy styren-izopren-styren). Po stopieniu spoiwa wsad wymieszano mieszadłem mechanicznym. Kompozycję ogrzewano przez następne pół godziny, co chwilę mieszając. Następnie

PL 233 756 Β1 część gorącej mieszaniny wprowadzono do pierścienia stalowego o średnicy 150 mm zamkniętego od dołu płytą stalową, z góry zamknięto tłokiem o średnicy 146 mm i dociśnięto siłą 100 N.

Po schłodzeniu w temp, otoczenia otrzymano w ten sposób płytki materiału o grubości około 25 mm, z których wycięto nożem obrotowym korki o średnicy 35 mm do badań histerezy oraz o średnicy 29 mm do badań odkształcenia trwałego przy ściskaniu. Wyniki przeprowadzonych testów przedstawiono w tabeli 1.

Przykład 6. Do cylindrycznego naczynia o pojemności 1 litr ogrzanego na łaźni olejowej do 170°C wprowadzono 240 g granulatu gumowego pochodzącego z zużytych opon o uziarnieniu 1-6 mm, 45 g spoiwa bitumicznego modyfikowanego styren-etylen/propylen-styren (SEPS), 15 g kalafonii. Po stopieniu spoiwa wsad wymieszano mieszadłem mechanicznym. Kompozycję ogrzewano przez następne pół godziny, co chwilę mieszając. Następnie część gorącej mieszaniny wprowadzono do pierścienia stalowego o średnicy 150 mm zamkniętego od dołu płytą stalową, z góry zamknięto tłokiem o średnicy 146 mm i dociśnięto siłą 100 N.

Po schłodzeniu w temp, otoczenia otrzymano w ten sposób płytki materiału o grubości około 25 mm, z których wycięto nożem obrotowym korki o średnicy 35 mm do badań histerezy oraz o średnicy 29 mm do badań odkształcenia trwałego przy ściskaniu. Wyniki przeprowadzonych testów przedstawiono w tabeli 1.

Przykład 7. Do cylindrycznego naczynia o pojemności 1 litr ogrzanego na łaźni olejowej do 170°C wprowadzono 240 g granulatu gumowego pochodzącego z zużytych opon o uziarnieniu 1-6 mm, 45 g spoiwa bitumicznego modyfikowanego polietylenem małej gęstości, 15 g żywicy wysokostyrenowej. Po stopieniu spoiwa wsad wymieszano mieszadłem mechanicznym. Kompozycję ogrzewano przez następne pół godziny, co chwilę mieszając. Następnie część gorącej mieszaniny wprowadzono do pierścienia stalowego o średnicy 150 mm zamkniętego od dołu płytą stalową, z góry zamknięto tłokiem o średnicy 146 mm i dociśnięto siłą 100 N.

Po schłodzeniu w temp, otoczenia otrzymano w ten sposób płytki materiału o grubości około 25 mm, z których wycięto nożem obrotowym korki o średnicy 35 mm do badań histerezy oraz o średnicy 29 mm do badań odkształcenia trwałego przy ściskaniu. Wyniki przeprowadzonych testów przedstawiono w tabeli 1.

Przykład 8. Mata wykonana z gumy wulkanizowanej - badania porównawcze zamieszczono w tabeli 1.

Przykład 9. Mata wykonana z granulatu gumowego klejonego klejem poliuretanowym - badania porównawcze zamieszczono w tabeli 1.

Tabela 1

Wyniki badań odkształcenia trwałego, twardości i histerezy kompozytów.

Przykład wykonania	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Właściwość
Twardość IRHD, °IRH	33	38	46	41	40	42	43	58*	60
Odkształcenie trwałe [%]	32,1	28,3	24,4	24,3	26,1	28,1	24,6		20
Tłumienie względne, histereza [%]	41	36	37	35	37	35	32	29	25

Twardość w skali IRH, wg normy ISO 48:2010 met.n.

Odkształcenie trwałe przy ściskaniu, 24 godz., temp, pokojowa, 25%, wg normy PN-ISO 815:1998, z odstępstwem dot. grubości próbek.

Tłumienie względne, histereza, wg normy PN-87/C-04289, z odstępstwem dot. grubości próbek.

* twardość w skali ShA

PL 233 756 B1

Chociaż wynalazek został objaśniony za pomocą wybranych przykładów jego realizacji, to jest zrozumiałe, że możliwe są wielorakie modyfikacje, objęte zakresem ochrony zawartym w zastrzeżeniach patentowych.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (7)

1. Mieszanka do wytwarzania materiałów wibroizolacyjnych do zabezpieczania dróg szynowych i kołowych na bazie granulatu gumowego i lepiszcza, znamienna tym, że składa się z granulatów gumowych w ilości 50-90% wagowych i 10-30% wagowych materiałów bitumicznych modyfikowanymi polimerami termoplastycznymi, termoelastoplastycznymi lub kauczukami oraz 0-30% wagowych dodatków modyfikujących w postaci napełniaczy mineralnych, włóknin czy żywic.

2. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że stosuje się granulat gumowy o granulacji 1-10 mm.

3. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że jako granulat gumowy stosuje się granulat z zużytych opon samochodowych, zużytych taśm i/lub pasów, odpadów produkcyjnych.

4. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że jako modyfikowane spoiwa bitumiczne stosuje się asfalt modyfikowany polimerami termoplastycznymi, termoelastoplastycznymi lub kauczukami.

5. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że jako polimery termoplastyczne stosuje się polimery etylenowe, kopolimery etylenowo-propylenowe.

6. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że jako polimery termoelastoplastyczne stosuje się blokowe kopolimery styren-butadien-styren, styren-izopren-styren, styren-etylen/butylen-styren, styren-etylen/propylen-styren.

7. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że jako dodatki modyfikujące poprawiające właściwości mechaniczne, reologię, twardość stosuje się włókna poliestrowe, bazaltowe, żywice naturalne i syntetyczne, korzystnie kalafonię, żywicę wysokostyrenową, napełniacze mineralne o różnym uziarnieniu, korzystnie kwarc.