ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ ΜΕ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΑΝΑΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΕΛΑΣΤΙΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΔΑΠΕΔΑ ΑΘΛΟΠΑΙΔΙΩΝ

ΣΚΥΡΟΔΕΜΑ ΜΕ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΑΝΑΚΥΚΛΩΜΕΝΟΥ ΕΛΑΣΤΙΚΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΔΑΠΕΔΑ ΑΘΛΟΠΑΙΔΙΩΝ Αλέξανδρος Μπάτσιος MSc Πολ. Δομικών Έργων, Εργαστήριο Δομικών Υλικών Α.Π.Θ. Iωάννα Παπαγιάννη Καθηγήτρια Α.Π.Θ., Εργαστήριο Δομικών Υλικών Σοφία Μαυρίδου Γεωλόγος Α.Π.Θ., Μsc Υπ. Διδάκτορας Τμήματος Πολ. Μηχ/κών Α.Π.Θ. Ηρακλής Κόλλιας Καθηγητής Βιοκινητικής, Εργαστήριο Βιοκινητικής ΤΕΦΑΑ Α.Π.Θ. Λέξεις κλειδιά: ανακυκλωμένα ελαστικά αυτοκινήτων, σκυρόδεμα, απορρόφηση ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην πλαίσια της παρούσα εργασίας πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις (με δυναμοδάπεδο) σε δάπεδα συμβατικού σκυροδέματος και σκυροδέματος με ανακυκλωμένο ελαστικό. Καθορίστηκαν για σκυρόδεμα κατηγορίας C16/20 τα μηχανικά χαρακτηριστικά (θλίψη, κάμψη, διάρρηξη και μέτρο ελαστικότητας) και η κατακόρυφη αντίδραση σε διάφορα είδη αλμάτων. Στη συνέχεια αντικαταστάθηκε η άμμος του συμβατικού αναμίγματος σε ποσοστό 30 και 60% κατ όγκο της άμμου με ανακυκλωμένο ελαστικό αυτοκινήτων αντίστοιχης κοκκομετρίας και μετρήθηκαν τα παραπάνω μεγέθη προς σύγκριση. Στην εργασία παρουσιάζονται τα φυσικά χαρακτηριστικά του ανακυκλωμένου ελαστικού, οι συνθέσεις σκυρ/τος και οι μετρήσεις που έγιναν βάσει των οποίων γίνεται σχετική πρόταση για τις προοπτικές εφαρμογής. 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 1

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το δάπεδο των χώρων αθλοπαιδιών παίζει σημαντικό ρόλο στην απορρόφηση των κατακόρυφων αντιδράσεων που δέχεται ο αθλητής που καταπονούν ιδιαίτερα τις αρθρώσεις των κάτω άκρων. Σύμφωνα με τους Kollias, Panoutsakopoulos, Papaiakovou (2004), η κατακόρυφη αντίδραση κατά την εκτέλεση κατακόρυφου άλματος από ύψος 60 εκατοστών μεταξύ αθλητών από διάφορα αθλήματα, βρέθηκε ίση μέχρι και 5 φορές το βάρος του σώματος. Οι McKay, Tsang, Heinonen, MacKelvie, Sanderson & Khan (2005), εξετάζοντας τις αντιδράσεις που αναπτύσσονται (με τη χρήση δυναμοδαπέδου) από το έδαφος κατά την εκτέλεση αλμάτων ύψους 10, 30 και 50 εκατοστά, σε μαθητές ηλικίας 8,3 έως 11,7 ετών, βρήκαν ότι αναπτύσσονται σημαντικότατες κατακόρυφες αντιδράσεις έως και 5 φορές το βάρος του σώματος. Το πρόβλημα αντιμετωπίζεται σήμερα μόνο μερικώς με κατάλληλα υποδήματα. Στην εργασία αυτή εξετάζεται η δυνατότητα τροποποίησης του δαπέδου για την αντιμετώπιση του θέματος με χρήση κοκκοποιημένου ανακυκλωμένου ελαστικού αυτοκινήτων ως αδρανές υλικό στο σκυρόδεμα. Το ανακυκλωμένο ελαστικό προέρχεται είτε από μηχανική είτε από κρυογενή κοκκοποίηση φθαρμένων ελαστικών με ταυτόχρονη απομάκρυνση των μεταλλικών και υφασμάτινων ινών που περιέχονται σε αυτά. Στην Ευρωπαϊκή Ένωση, σύμφωνα με στοιχεία της European Tire Recycling Association -E.T.R.A-, αποσύρονται περίπου 3δις τόνοι ενώ στην Ελλάδα οι ετήσιες ποσότητες φθαρμένων ελαστικών ανέρχονται σε περισσότερους από 58500 τόνους. Υπάρχει ήδη θεσμοθετημένη νομοθεσία και συγκεκριμένα το υπ αριθμόν 109/75/2004 Προεδρικό Διάταγμα που θέτει προδιαγραφές και στόχους για την εναλλακτική διαχείριση των μεταχειρισμένων ελαστικών. Σύμφωνα με αυτό, η αξιοποίηση των μεταχειρισμένων αποβλήτων ελαστικών οχημάτων πρέπει να καλύπτει τουλάχιστον το 65% των αποσυρόμενων ελαστικών με ταυτόχρονη ανακύκλωση 10% της συνολικής τους ποσότητας. Στο Εργαστήριο Δομικών Υλικών έχουν πραγματοποιηθεί ήδη προκαταρκτικές μελέτες σχετικά με τη συμπεριφορά του ελαστικού σε προϊόντα τσιμέντου όπως τσιμεντοκονιάματα (Οικονόμου Ν. κ.α 2005). Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας εξετάζεται η συμπεριφορά του ανακυκλωμένου ελαστικού σε μίγματα σκυροδέματος για δάπεδα αθλοπαιδιών. Για το σκοπό αυτό παρασκευάσθηκαν μίγματα σκυροδέματος δαπέδων με στόχο κατηγορία C16/20 στα οποία καθορίστηκαν η κατακόρυφη αντίδραση σε διάφορα είδη αλμάτων, παράλληλα με τις 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 2

μηχανικές αντοχές (θλίψη, κάμψη, διάρρηξη, δυναμικό και στατικό μέτρο ελαστικότητας). Σε δεύτερη φάση μέρος της άμμου (30 και 60% κατ όγκο της) αντικαταστάθηκε με ανακυκλωμένο ελαστικό αυτοκινήτων αντίστοιχης κοκκομετρίας (0-4mm) και μετρήθηκαν τα παραπάνω μεγέθη προς σύγκριση με τα συμβατικά. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.1 Υλικά, συνθέσεις Στο εργαστήριο παρασκευάσθηκαν 4 σειρές μιγμάτων σκυροδέματος κατηγορίας C16/20. Στην πρώτη σύνθεση (μάρτυρας) χρησιμοποιήθηκε τσιμέντο CEM ΙV B 32.5, άμμος θραυστή ασβεστολιθική (0-4mm), ρύζι (4-8mm), γαρμπίλι (8-16mm) και ρευστοποιητής Pozzolith 390N της BASF HELLAS S.A. Στη δεύτερη και τρίτη σύνθεση χρησιμοποιήθηκε ίδιας κατηγορίας τσιμέντο, ρύζι και ασβεστολιθική άμμος, η οποία αντικαταστάθηκε κατά 30% και 60% κ.ό. αντίστοιχα από ανακυκλωμένο ελαστικό (0-4mm) ελληνικής προέλευσης (Καραμπάς ΑΕΒΕ). Στην τέταρτη σύνθεση, η οποία είχε ως στόχο τη βελτίωση των μηχανικών αντοχών των μιγμάτων χρησιμοποιήθηκε τσιμέντο υψηλής αντοχής CEM Ι 42.5, ενώ τα υπόλοιπα συστατικά παρέμειναν κοινά με την τρίτη σύνθεση. Παρασκευάσθηκαν δοκίμια (κυβικά, κυλινδρικά, πρισματικά καθώς και πλάκες 50x50cm και πλάκες 36x36cm), τα οποία συντηρήθηκαν σύμφωνα με τις προδιαγραφές σε θάλαμο συντήρησης του Εργαστηρίου Δομικών Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Α.Π.Θ. Τα χαρακτηριστικά των αδρανών που χρησιμοποιήθηκαν ήταν: Φαινόμενο ειδικό βάρος αδρανών: 2,65 t/m³ Τα φυσικά χαρακτηριστικά του ανακυκλωμένου ελαστικού ήταν: Φαινόμενο ειδικό βάρος ανακυκλωμένου ελαστικού: 0.9 t/m 3 Υδατοαπορροφητικότητα ανακυκλωμένου ελαστικού: 0 % Οι κοκκομετρικές καμπύλες των αδρανών που χρησιμοποιήθηκαν στις διάφορες συνθέσεις αντιστοιχούν στις παρακάτω καμπύλες: 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 3

100 100,0 αθροιστικό διερχόμενο (%) 80 69,9 60 40 40,4 24,1 20 12,0 6,3 0 1,0 0 0,25 0,5 1 2 4 8 16 κόσκινο (mm) Εικόνα 1. Κοκκομετρική καμπύλη 1 ης σύνθεσης (μάρτυρας) 100 98,85 αθροιστικό διερχόμενο (%) 80 60 40 20 0 3,2 9,01 17,16 32,47 56,06 0 0,25 0,5 1 2 4 8 κόσκινο (mm) Εικόνα 2. Κοκκομετρική καμπύλη 2 ης σύνθεσης (30% κ.ό. ανακυκλωμένου ελαστικού) 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 4

100 98,56 αθροιστικό διερχόμενο (%) 80 60 40 20 25,35 51,57 11,84 1,99 5,66 0 0 0,25 0,5 1 2 4 8 κόσκινο (mm) Εικόνα 3. Κοκκομετρική καμπύλη 3 ης - 4 ης σύνθεσης (60% κ.ό. ανακυκλωμένου ελαστικού) Η 1 η σύνθεση συνιστάται από 33% άμμο (0-4mm), 27% ρύζι και 40% γαρμπίλι. Πίνακας 1.Αναλογίες της 1 ης σύνθεσης σκυροδέματος Τσιμέντο CEM IV/B 32.5 Νερό (Ν/Τ=0,60) Άμμος (33%) Ρύζι (27%) Γαρμπίλι (40%) Ρευστοποιητής 1% κ.β.τσιμ. Νέος λόγος Ν/Τ=0,55 Κάθιση Φαιν. ειδ. βάρος νωπού σκυρ/τος 325,0 Kg 195,0 Kg 598,5 Kg 489,7 Kg 725,5 Kg 3,25 Kg 178,7 Kgr 4,0 cm 2,3 t/m³ 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 5

Η 2 η σύνθεση συνιστάται από 35% άμμο (0-4mm), 15% ανακυκλωμένο ελαστικό (μέγεθος κόκκου 2mm) και 50% ρύζι. Πίνακας 2.Αναλογίες της 2 ης σύνθεσης σκυροδέματος Τσιμέντο CEM IV/B 32.5 Νερό (Ν/Τ=0,60) Άμμος (50%) Ρύζι (50%) Λάστιχο 30% κ.ό. της άμμου Ρευστοποιητής 1% κ.β.τσιμ. Νέος λόγος Ν/Τ=0,50 Κάθιση Φαιν. ειδ. βάρος νωπού σκυρ/τος 325,0 Kg 195,0 Kg 634,8 Kg 906,8 Kg 92,9 Kg 3,25 Kg 162,5 Kgr 1,5 cm 2,1 t/m³ Η 3 η και 4 η σύνθεση συνιστάται από 20% άμμο (0-4mm), 30% ανακυκλωμένο ελαστικό (μέγεθος κόκκου 2mm) και 50% ρύζι. Πίνακας 3.Αναλογίες της 3 ης σύνθεσης σκυροδέματος Τσιμέντο CEM IV/B 32.5 Νερό (Ν/Τ=0,60) Άμμος (50%) Ρύζι (50%) Λάστιχο 60% κ.ό. της άμμου Ρευστοποιητής 1%κ.β. τσιμ. Νέος λόγος Ν/Τ=0,45 Κάθιση Φαιν. ειδ. βάρος νωπού σκυρ/τος 325,0 Kg 195,0 Kg 362,7 Kg 906,8 Kg 186,2 Kg 3,25 Kg 146,2 Kgr 2,5 cm 2,0 t/m³ 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 6

Πίνακας 4.Αναλογίες της 4 ης σύνθεσης σκυροδέματος Τσιμέντο CEM I 42.5 Νερό (Ν/Τ=0,70) Άμμος (50%) Ρύζι (50%) Λάστιχο 60% κ.ό. της άμμου Ρευστοποιητής 1%κ.β. τσιμ. Νέος λόγος Ν/Τ=0,42 Kάθιση Φαιν. ειδ. βάρος νωπού σκυρ/τος 300,0 Kg 210,0 Kg 358,0 Kg 895,0 Kg 183,0 Kg 3,0 Kg 126,3 Kgr 2,0 cm 2,0 t/m³ 2.2 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Οι μέσοι όροι των αποτελεσμάτων δίνονται στα παρακάτω ιστογράμματα. 30,0 25,0 28,0 20,0 15,0 14,5 10,0 5,0 0,0 6,5 1 2 3 4 9,9 Ιστόγραμμα 1. Θλιπτική αντοχή κυβικών δοκιμίων 28 ημερών (ΜPa) 5,00 4,95 4,60 4,40 4,70 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 1 2 3 4 Ιστόγραμμα 2. Αντοχή σε κάμψη (ΜPa) 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 7

3,00 2,57 2,21 2,02 2,12 2,00 1,00 0,00 1 2 3 4 Ιστόγραμμα 3. Αντοχή σε διάρρηξη (ΜPa) 50,00 44,76 40,00 32,76 30,00 20,00 18,60 25,92 10,00 0,00 1 2 3 4 Ιστόγραμμα 4. Δυναμικό μέτρο ελαστικότητας (GPa) 30 24 20 17 12 10 7,5 0 1 2 3 4 Ιστόγραμμα 5. Στατικό μέτρο ελαστικότητας (GPa) 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 8

2,5 2,0 2,3 2,1 2,0 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 1 2 3 4 Ιστόγραμμα 6. Ειδικό βάρος (t/m 3 ) 3. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΕ ΔΥΝΑΜΟΔΑΠΕΔΑ 3.1 Όργανα Οι βιοκινητικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Βιοκινητικής του Τ.Ε.Φ.Α.Α. Α.Π.Θ. Κατασκευάστηκε προσομοιωτής σκέλους και μηχανισμός απελευθέρωσής του από ελεγχόμενο ύψος σε δυναμοδάπεδο AMTI OR6-5-1 (AMTI, Newton, MA). Το δυναμοδάπεδο είναι ένα όργανο μέτρησης της δύναμης, με ορθογώνια επίπεδη επιφάνεια διαστάσεων συνήθως 50Χ60 cm, που τοποθετείται στο δάπεδο με την επιφάνειά του να βρίσκεται στο ίδιο επίπεδο με αυτή του δαπέδου. Λόγω της χρησιμοποίησης τεσσάρων τρισδιάστατων μετατροπέων δύναμης, έναν σε κάθε γωνία, το δυναμοδάπεδο έχει την δυνατότητα της μέτρησης της εφαρμοζόμενης δύναμης στους τρεις καρτεσιανούς άξονες Χ, Υ, Ζ και την δυνατότητα ορισμού του σημείου όπου εφαρμόζεται η συνισταμένη δύναμη (κέντρο πίεσης). Επίσης καταγράφηκε η κίνηση με κάμερα υψηλής ανάλυσης Redlake Motionscope PCI 1000S (1000 καρέ/sec). (Εικόνα 7). 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 9

Εικόνα 7. Διάταξη μέτρησης 3.2 Μεθοδολογία Υπολογίστηκε η κινητική ενέργεια που παράγεται σε άλμα ύψους 30 εκατοστών για μέσο όρο βάρους 76,5kg που ανταποκρίνεται για μαθητές λυκείου (Κόλλιας, 1997). Κατά την προσομοίωση σκέλος βάρους 11,2kg απελευθερώθηκε από ύψος 13εκ. ώστε να αναπαράγονται δυνάμεις αντίδρασης σύμφωνα και με τη βιβλιογραφία (McKay, 2005; Kollias, 2004). Στο σκέλος προσαρμόστηκε αθλητικό πάνινο παπούτσι, από τα πλέον δημοφιλή στις μαθητικές ηλικίες αλλά και με τις περισσότερες πωλήσεις παγκοσμίως στην ιστορία του αθλητικού παπουτσιού. 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 10

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Fz0 fz30 fz60 fz60y Διάγραμμα 8. Κατακόρυφες αντιδράσεις εδάφους (Fz) σε Νt συναρτήσει του χρόνου σε msec για τις διάφορες συνθέσεις Με βάση το παραπάνω διάγραμμα παρατηρείται μείωση της απόλυτης τιμής της κατακόρυφης αντίδρασης του εδάφους για τις συνθέσεις με το ελαστικό σε σύγκριση με τον μάρτυρα με παράλληλη καθυστέρηση στο χρόνο εκδήλωσης της μέγιστης τιμής (tfz), που είναι σημαντική στην προετοιμασία του μυοτενόντιου συστήματος του ατόμου ώστε να δεχθεί την αντίδραση. Τέλος η κλίση της καμπύλης της αντίδρασης δηλώνει καθυστέρηση στο ρυθμό εμφάνισης της κατακόρυφης αντίδρασης στα δοκίμια με το ελαστικό. Οι τιμές αυτές φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 5. Αποτελέσματα μέτρησης κατακόρυφων αντιδράσεων εδάφους, χρόνου επαφής και χρόνου εκδήλωσης της μέγιστης κατακόρυφης αντίδρασης για τις διάφορες συνθέσεις contact Σύνθεση (msec) Fz (Nt) tfz (msec) 1 η 22,4 6599 11,2 2 η 26,4 6430 13,6 3 η 28,0 6084 15,2 4 η 28,8 5727 16,0 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 11

4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ- ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σύμφωνα με τις μετρήσεις, η αντικατάσταση της άμμου με ελαστικό στις συνθέσεις έδωσαν μειωμένες μηχανικές αντοχές σε σχέση με το μάρτυρα, αλλά ικανοποιητικές για δάπεδα αθλοπαιδιών όπως οι αυλές σχολείων (γυμνασίων λυκείων). Παράλληλα, οι βιοκινητικές μετρήσεις έδειξαν μείωση όχι μόνο της απόλυτης τιμής της κατακόρυφης αντίδρασης του εδάφους στις συνθέσεις με το ελαστικό αλλά ταυτόχρονα ομαλοποίηση του ρυθμού εκδήλωσης της αντίδρασης αλλά και καθυστέρηση του χρόνου εκδήλωσης της μέγιστης τιμής που είναι σημαντικά στοιχεία για τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν. Επομένως, η προσθήκη ελαστικού σε μίγματα σκυροδέματος δαπέδων αθλοπαιδιών φαίνεται να λειτουργεί ικανοποιητικά για τη συγκεκριμένη εφαρμογή δαπέδων αθλοπαιδιών ενώ η βελτίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών αυτών των μιγμάτων σκυρ/τος αποτελεί θέμα περαιτέρω έρευνας. ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1. Kollias, I., Panoutsakopoulos, V., & Papaiakovou, G. (2004). Comparing jumping ability among athletes of various sports: vertical drop jumping from 60 centimeters. Journal of Strength and Conditioning Research, 18(3), 546-550. 2. McKay, H., Tsang, G., Heinonen, A., MacKelvie, K., Sanderson, D., & Khan, K. (2005). Ground reaction forces associated with an effective elementary school based jumping intervention. Br J Sports Med, 39(1), 10-14. 3. Κόλλιας Η. Α, (1997) «Βιοκινητική της Αθλητικής Κίνησης», Θεσσαλονίκη, Εκδόσεις Ελίμια 4. EUROPEAN TIRE RECYCLING ASSOCIATION, Εισαγωγή στην ανακύκλωση των ελαστικών, http://www.etra.eu.com 5. Προεδρικό Διάταγμα υπ αριθμ.109,(2004) Μέτρα και όροι για την εναλλακτική διαχείριση των μεταχειρισμένων ελαστικών των οχημάτων. Πρόγραμμα για την εναλλακτική διαχείρισή τους, 5 Μαρτίου 2004, Εφημερίδα της Κυβερνήσεως της Ελληνικής Δημοκρατίας, Τεύχος Πρώτο. 6. Οικονόμου Ν., Στεφανίδου Μ., Μαυρίδου Σ., Εσκίογλου Π., (2005), Μελέτη μικροδομής τσιμεντοκονιαμάτων τροποποιημένων με φθαρμένα ελαστικά αυτοκινήτων, Πρακτικά 1 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Για την Αξιοποίηση Βιομηχανικών Παραπροϊόντων στη δόμηση,(ε.βι.παρ.) σελ.129-140, Θεσσαλονίκη. 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και Στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, 21-23 Μαΐου, 2008 12