Atık Lastiklerden Elde Edilen Kompozitlerin Ses Bariyeri Olarak Kullanılması

Atık Lastiklerden Elde Edilen Kompozitlerin Ses Bariyeri Olarak Kullanılması
Doçent Dr. Mehmet Atilla Taşdelen / Polimer Mühendisliği Bölümü - Mühendislik Fakültesi - Yalova Üniversitesi
Yük. Lisans Öğr. Cenk Kurtuluş / Polimer Mühendisliği Bölümü - Mühendislik Fakültesi - Yalova Üniversitesi
Yük. Lisans Öğr. Serhat Oran / Polimer Mühendisliği Bölümü - Mühendislik Fakültesi - Yalova Üniversitesi


Özet

Çoğunluğunu karayolu araçlarının oluşturduğu, atık lastiklerle ilgili problemler her geçen gün artmaktadır. Günümüzde, ömrünü tamamlamış araç lastikleri, oldukça fazla olmasının yanında, çevre kirliliğine sebebiyet vermekte ve insan sağlığı ile doğal dengeyi olumsuz bir şekilde etkilemektedir.

Yıllık üretilen ve hurdaya atılan taşıt lastik miktarının fazlalığı; geri kazanım ve yeniden kullanım açısından alternatif çözümler oluşturulmasını zorunlu kılmaktadır. Bu çözümlerden biri de; hızlı tren ve karayolları çevresinde oluşan gürültüyü azaltmak amacıyla tasarlanan kompozit ses yalıtım panellerinde ömrünü tamamlamış araç lastiklerinden elde edilen kauçuk kırıntılarının kullanılmasıdır.


1.Giriş

Ulaşımda taşıt ihtiyacının artması ve taşımacılık sektörünün ilerlemesine bağlı olarak lastik üretimi de hızlanmıştır. Lastik üretiminin artmasına paralel atık lastiklerde artmıştır. Bu durumda atık lastiklerin kontrol altında tutulması, dünyada olduğu gibi ülkemizde de büyük bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Bisiklet lastiklerinden, dev kazı makinelerinin lastiklerine kadar değişen pek çok lastiğin yapımında kauçuklar kullanılır. Çevre şartları açısından oldukça dayanıklı yüksek molekül ağırlıklı kauçuklardan üretilen ürünler, kullanım ömürlerinin tamamlamalarının ardından çevrede zor ortadan kalkacak atıklar oluşturmaktadır.

 

Hurda lastiklerin yığıldığı ve atıldığı yerlerde önemli iki çevre zararı söz konusu olmaktadır. Bunlar; bu yığınlarda meydana gelen şiddetli yangınlar ve diğeri ise bu yığınlarda rahatça çoğalma fırsatı bulan böcekler nedeniyle toplum için oldukça tehdit edici hastalıkların yayılma ihtimalidir. Lastiklerin yanmasıyla atmosfere tonlarca zararlı bileşikler yayılmaktadır. Siyah bir bulut gibi atmosfere yayılan bu maddeler içinde; karbon siyahı, uçucu ve yarı uçucu organikler, çok halkalı hidrokarbonlar, yağlar, kükürt oksitler, azot oksitler, karbon oksitler ve As, Cd, Cr, Pb, Zn, Fe ve benzeri gibi metaller bulunabilmektedir. Yangınlar ile atmosfere yayılan bu kirleticiler yakın çevredeki toprak ve suların kirlenmesine sebep olmakta, insan sağlığını tehdit etmektedir. Yangın sonrasında kalıntıların toprağı kirletme potansiyeli söz konusudur.

 

Ulaşımın %95’inin karayoluyla yapıldığı ülkemizde, her yılda ortalama 30 milyon lastik (yaklaşık; 300.000 ton) ömrünü tüketmektedir ve eskimiş lastiklerin ne olacağı konusu tam bir sorun haline gelmiştir. Bu sorunları ortadan kaldırmanın en etkin yollarından biri; atık lastiklerin yeniden işlenerek, endüstride çeşitli uygulamalarda kullanılmasıdır. Bu uygulamalardan biride; hızlı tren ve karayolları çevresinde oluşan gürültüyü azaltmak amacıyla oluşturulan kompozit ses bariyerlerinde kauçuk granüllerinin kullanılmasıdır. Burada temel amaç, kullanılmış lastik malzeme takviyesiyle bir taraftan çevre sorunlarına katkıda bulunmak iken, diğer taraftan malzeme temininin kolay ve ucuzluğu sebebiyle ses yalıtım maliyetini düşürmektir.

 

2. Atık Lastiğin Geri Kazanım Yöntemleri

Atık lastiğin geri kazanımı; atık lastiğin parçalanarak, çelik, fiber ve diğer kirleticilerden ayrılmasıdır. Bir otomobil atık lastiğinin ağırlığı 9,1 kg’dır. Atık lastiğin yaklaşık olarak %35’i doğal ve %65’i sentetik olan geri kazanılabilir kauçuktan meydana gelmektedir. Bir kamyon lastiği ise 18,2 kg ağırlığında olup, bu ağırlığın %60 ile %70’i geri kazanılabilir kauçuk içermektedir. Atık lastiklerden kazanılabilecek temel ürünlerin yüzdesel değerleri Çizelge 1’de verilmektedir.

Çizelge 1. Atık lastikten elde edilen ürünlerin yüzdesel değerleri

Atık lastiğin yeniden değerlendirilmesi için, atık lastiğin boyutlarını küçültecek olan endüstriyel işlemlerin yapılması gerekmektedir. Boyut küçültme işlemi, belirlenen amaç doğrultusunda, iki aşamadan oluşmaktadır:

 

• Kauçuk kısım içerisindeki elyaf ve çeliğin ayrıştırılması,

• Kauçuk parçaların pazarda satılabilir boyutlara indirgenmesi

 

Farklı boyutlara indirgenmiş atık lastiklerin teknik özelliklerinde bazı değişimler söz konusudur. Atık bir lastiğin yararlı bir başka endüstriyel ürün olarak kullanılabilmesi için; boyutlarının küçültülmesi gereklidir. Atık lastiklerin boyutlarının küçültülmesinde kullanılan yöntemleri; kullanılan makine ve makine gruplarının çalışma teknolojileri açısından, mekanik parçalama ve kriyojenik ortamda parçalama yöntemleri olarak iki temel başlıkta incelemek mümkündür.


2.1. Mekanik Parçalama Yöntemi

Atık lastiklerin parçalanarak boyutlarının küçültülmesi işlemi tamamen mekanik prensiplere göre yapılmaktadır. Atık lastikler, birinci aşamada genellikle 5 cm boyutunda parçalanır. Bu işlemle, atık lastiğin hacmi azaltılır ve böylece depolama hacminin yanında, taşıma maliyetleri de düşürülmüş olur. Bu işlemin en büyük faydası, ufaltılmış lastiklerin standart yükleyiciler ile yüklenebilmesi kolaylığı sağlamasıdır. Ön parçalama işleminde kullanılan makinelerin büyük çoğunluğu, düşük devirlerde karşılıklı olarak dönen iki milden oluşmaktadır. Bu tip sistemlerde, millerde oluşan yüksek tork yardımıyla her türlü atık lastik kolaylıkla parçalanabilmektedir. Atık lastik içerisindeki çelik teller, parçalayıcı ve öğütücü makinelerdeki yırtılma ve aşınmanın %70’ni oluşturduğu için, atık lastikleri parçalama işlemi başlamadan önce, çelik tel kısımlarının ayrıştırılması gereklidir.


Atık lastikler ön parçalayıcıda 5 cm boyutunda kesildikten sonra, çapı 10 mm’den daha küçük olan granül haline getirilmektedir. Granül oluştuktan sonra, manyetik bir sistem kullanılarak atık lastiğin içerisindeki çelik teller, sallama ve rüzgâr elekleri yardımıyla da elyaflar ayıklanmaktadır. Bazı uygulamalarda kullanılmak üzere; tane çapı daha küçük olan lastikler elde etmek için, ardışık öğütme işlemi de uygulanabilmektedir.

 

2.2. Kriyojenik Koşullarda Parçalama Yöntemi

Kriyojenik koşullarda parçalama yöntemi atık lastiklerin parçalama işlemi düşük sıcaklıklarda yapılmasıdır. Gevrek yani kırılgan hale getirilen lastik, daha sonra mekanik olarak parçalanmaktadır. Kriyojenik ortamda parçalama yöntemiyle lastik geri kazanımı işleminde, lastik veya lastik parçacıkları -80°C’nin altında soğutulmakta ve lastiğe cam gibi kırılganlık özelliği verilmektedir. Soğutma işlemi uygulandıktan sonra, lastiği ezerek veya kırarak lastik boyutu küçültme işlemi gerçekleştirilmektedir. Bu tür boyut küçültme işleminde ortam sıcaklığında yapılan boyut küçültme işlemine kıyasla, daha az enerjiye ve daha az makineye gerek duyulmaktadır. Kriyojenik ortamda parçalama işleminin bir diğer avantajı da, atık lastik içersindeki çelik ve elyaf kısmının ayrılmasının kolaylığı ve bunun sonucunda da daha temiz bir ürünün elde edilebilmesidir. Ancak sıvı azot fiyatının yüksek olması, bu sistemin zayıf yanlarından biri olarak ortaya çıkmaktadır. 5 cm’lik lastik parçalar; donma tünelinde sürekli olarak -120°C ve daha düşük sıcaklığa düşürüldükten sonra, yüksek devirde çalışan çekiçli öğütme kısmına dökülürler. Çekiçli öğütme işleminde, parçacıklar geniş bir boyutta olup, elyaf ve çelikten ayrılmışlardır. Malzeme daha sonra kurutulmakta ve belirli parçacık boyutlarında sınıflandırılmaktadır. Atık lastiklerin çok ince ve temiz olmasının istenmesi durumunda, kriyojenik ortamda parçalama yöntemi daha ekonomik olmaktadır.


3. Parçalanma Şekline Göre Parça ve Kırıntı Lastikler

Çoğunlukla, lastiklerin parçalanması veya kırıntı haline getirilmesi birinci ve ikincil parçalama işlemleri gerektirmektedir. Bir lastik parçalama makinesi, salınım veya ileri geri hareket eden kesme ağızlarıyla makaslama hareketi yapabilmekte ve böylece kesme işlemini etkili bir şekilde gerçekleştirebilmektedir.


Makinenin modeline ve bıçak ağzına bağlı olarak, birincil parçalama işleminde lastik parçalarını, 300– 460 mm uzunluğunda ve 100–230 mm genişliğinde boyutlara getirilebilmektedir. Atık lastik boyutlarını, 76 mm ile 13 mm arası boyutlarda değişen kırıntı lastik boyutuna getirmek için; birincil ve ikincil parçalama işlemi olarak adlandırılan iki aşama gerektirmektedir. İkincil parçalama işleminde, birincil parçalama işlemine göre daha eşit boyutta olan ince lastik taneleri elde edilmektedir. Parçalanmış atık lastiklerin yüzeyleri genellikle düzgün olmasına rağmen, şekil olarak düzensiz kaba parçalardan oluşmaktadır. Bu durumdaki atık lastik parçacıklarının içerisinde, keskin çelik tel parçacıkları bulunmaktadır. Kaba olarak parçalanmış lastik parçalarının uzunlukları, 25 mm’den büyük 460 mm’den küçük olmaktadır. Genellikle, çoğunluğunun boyları 100 ile 200 mm arasında değişmektedir.

 

Parçalanmış lastiğin gevşek birim ağırlığı, parça boyutuna ve şekline bağlı olarak 390 kg/m3 ile 535 kg/m3 arasında değişmektedir. Sıkışık birim ağırlığı ise, 650 kg/m3 ile 840 kg/m3 arasındadır. Kırıntı lastikler, parça lastiklerden daha düzgün ve uniform boyutlardadır (76 mm ile 13 mm). Kırıntı lastiklerin boyutları, kullanılan makine ve işlem şartlarına bağlı olarak granül boyutlarında olabilmektedir. Kırıntı lastiğin gevşek birim ağırlığı 320 kg/m3 ile 490 kg/m3 arasında değişmektedir. Sıkışık birim ağırlıkları ise, 570 kg/m3 ile 730 kg/m3 arasında olmaktadır. Kırıntı lastiklerin ağırlıkça su emme değerleri ise, %2 ile %3,8 arasında değişmektedir. Kırıntı lastikler, ısı ve ses yalıtım performanslarının iyi olması nedeniyle, dolgu malzemesi olarak altyapı uygulamalarında kullanılmakta ve tabii zemin malzemesine kıyasla, daha düşük donma derinliklerinin oluşmasına katkı sağlayabilmektedir. Parça ve kırıntı lastikler normal çevre koşularında reaktif değillerdir. Parça ve kırıntı lastiklerin temel kimyasal bileşeni, doğal ve sentetik kauçuklardır. Ancak ek bileşen olarak karbon siyahı, sülfür polimer, yağ, parafin pigment, bez, boncuk veya kuşak malzemeleri içermektedir.


4. Atık Lastiklerin Beton Sektöründe Kullanımı

Hafif beton dayanım kriterlerine göre beton sınıfları; taşıyıcı hafif beton, orta dayanımlı hafif beton ve düşük dayanımlı hafif beton olarak 3 sınıfa ayrılmıştır. Bu betonların minimum dayanımları sırasıyla 17, 7-17 MPa ve tanımlanmamış olarak sıralanmaktadır [1]. Yapılan bir araştırmada %20 oranında lastik agrega kullanımı ile taşıyıcı hafif beton; yaklaşık %60 oranında lastik agrega kullanımı ile de orta dayanımlı hafif beton üretiminin yapılabileceği ifade edilmiştir [2].

 

Literatüre göre beton içerisindeki katkı maddeleri değiştikçe betonun özelliklerinin de değiştiği bilinmektedir. Bu bağlamda atık lastiklerin beton içerisinde agrega olarak kullanılmasıyla basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve elastisite modülü değerlerinin azaldığı bilinmektedir [3].

 

Sadioğlu’nun yapmış olduğu çalışmada ince kırma taşlı betonlarda 29,48 MPa olan normal beton dayanımı, lastik ilavesi ile 13,24 MPa değerine; iri kırma taşlı betonlarda ise 31,25 MPa olan normal beton dayanımı, lastik ilavesi ile 11,15 MPa değerine düştüğü belirlenmiştir [3].

 

Topçu tarafından dayanım düşüklüğünü gidermek için yapılan bir çalışmada, atık oto lastiği ile uçucu kül ve hipera kışkanlaştırıcı katkı birlikte kullanılmıştır. Elde edilen bulgulara göre atık lastik, uçucu kül ve hiperakışkanlaştırıcı katkısının bir arada kullanılmasının olumlu sonuç verdiğis tespit edilmiştir [4].

 

Pelisser ve Zavarise tarafından yapılan bir diğer araştırmada, referans, %0-6,5 arasındaki oranlarında doğal atık lastik ve sodyum hidroksit (1M NaOH) çözeltisinde yıkanarak iyileştirilmiş atık lastik ile %15 oranında silis dumanı katılarak hazırlanmış 3 farklı numune üzerinde 2, 7 ve 28 gün sonlarında basınç dayanımı deneyleri uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre; iyileştirilmiş ve silis dumanı katılmış betonların 28 gün sonundaki basınç dayanımlarında referans betona göre %14 oranında bir azalma görülürken, silis dumanı katılmamış ve iyileştirilmemiş atık lastikli betonlarda %67 oranında bir dayanım düşüklüğü olduğu tespit edilmiştir [5].

 

Silis dumanı ve iyileştirilmiş atık lastik katkılı betonun mikro yapısını belirlemek için çekilen SEM resimleri Şekil 4’te verilmiştir.

Baylavlı tarafından yapılan bir diğer araştırmada; kendiliğinden yerleşen betonlarda, lastik agregalı karışımlar ile kontrol karışımlarının; taze ve sertleşmiş beton özelikleri, donmaçözülme ve yüksek sıcaklık etkileri karşılaştırılmıştır. Elde edilen verilere göre, kendiliğinden yerleşen beton karışımına eklenen, öğütülmüş atık otomobil lastikleri, betonun işlenebilirliğini arttırmıştır. Ancak 3, 7 ve 28 günlük basınç dayanımlarını, betonun yüksek sıcaklık etkisi sonundaki basınç dayanımlarını ve donma-çözülme etkisi sonundaki basınç dayanımlarını düşürmüştür [6].

 

5. Atık Lastiklerin Ses Bariyeri Olarak Değerlendirilmesi

Giderek artan nüfus ve büyüyen yerleşim alanları, gürültünün azaltılmasına yönelik çalışmaların yapılmasını gerektirmektedir. Otoyollara ve tren yollarına ses bariyerlerinin konulması, meydana gelen gürültünün azaltılması için ucuz ve etkin bir yöntem olmaktadır. Standart olarak ses bariyerlerinin inşaası tahta, çelik veya beton gibi malzemelerin kullanılmasıyla mümkün olmaktadır. Beton bariyerler; ses bariyeri olarak kullanılabilen diğer malzemeler ile karşılaştırıldığında; sert rüzgarlara ve kötü hava koşullarına dayanıklı oldukları için daha uzun kullanım ömrüne sahiptir. Tahta, alüminyum veya pleksiglas malzemelerin kullanımı sürekli bakım ve onarımlarının yapılmasını gerekmektedir. Uzun süreli kullanımda harcanan ücretin artmasına neden olacağı için beton bariyerler daha düşük maliyetlidirler. Böylece fiyat ve performans bakımından piyasaya daha uygun olduğu gözlemlenmiştir. Avrupa’nın önde gelen birçok ülkesi sıklıkla beton ses bariyerlerini tercih etmektedir. Ses absorbsiyonunu sağlamak için kullanılan bu beton bariyerlerin içerisine genellikle genişletilmiş kil ya da odun lifleri konulmaktadır. Bu tür doğal kaynakların kullanımı çevreyi ve doğal dengeyi olumsuz yönde etkilemektedir. Odun lifleri ve genişletilmiş kil kullanmak yerine ses absorbsiyonu konusunda aynı etkiyi gösterebilen ömrünü tamamlamış araç lastiklerinden elde edilen kauçuk granüllerin kullanılması bu konuda alternatif teşkil etmektedir. Geri dönüştürülmüş kauçuk granülleri akustik olarak genişletilmiş kil ve odun lifleri ile benzer özellikler gösterse de, beton bariyerlerde %40 gibi yüksek oranda kullanılabilme özelliğinden dolayı farklılık sergilemektedir. Böylelikle daha yüksek oranda kauçuk granül kullanımı doğal kaynakların daha az tüketilmesini sağlamaktadır. Avrupa’da geri dönüştürülmüş kauçuklar poliüretanla birlikte beton üzerine yapıştırılma esasına dayanılarak uygulanmaktadır (Şekil 5). Avrupa Birliği 7. Çerçeve proje desteğiyle Hırvatistan’ın Zagrep Üniversitesi İnşaat Mühendisliği bölümünden Prof. Dr. Stjepan Lakusic’in çalışma grubunun geliştirdiği RUCONBAR (Rubberised concrete noise barriers) projesi bu alanda yapılan önemli bir ticari çalışmadır [7]. Projeden üretilen ses bariyerleri Zagrep hayvanat bahçesinin duvarlarında kullanılarak hayvanların davranışları incelenmiştir. Yapılan bu çalışmayla trafik gürültüsüyle olumsuz davranışlar gösteren hayvanlar daha sakin bir görüntü sergilemişlerdir. Bu çalışma modernleşen toplumların kaçınılmaz bir sorunu olan gürültü kirliliğinin önüne geçilebilmesi için önemli bir örnektir.

Kauçuk partiküllerin beton karışıma katılması ses bariyeri olarak kullanılmasını sağlayacak olan gözenekli yapıyı arttırmaktadır. Kauçuk partiküller iki önemli parametreye göre mekanik ve gözenekli yapı özelliklerinde değişim gösterebilmektedir. Birinci parametre; çimento matrisi ile kauçuk partiküllerin adhezyonu, diğer parametre ise kauçuk granüller ile çimento matrisi arasındaki arayüzeyin kalitesidir. Çinko stearatın lastiğin içinde bulunması bu durumları olumlu yönde etkilemektedir. Kauçuk partiküllerin eklenmesi donma ve erimeye karşı direnci, mekanik çarpma direncini, klorür difüzyon direncini arttırdığı gözlemlenmiştir. Ayrıca kauçuk katkılı beton bariyerlerde kauçuklar çimento

hamuru ile etkileşim halinde olduğu için tutuşmaları oldukça azaltılmıştır.

 

Düşük yanmazlık özellikleri ve daha iyi dış görünüme sahip olmaları gibi çeşitli özelliklerinden dolayı bu malzemeler iyi bir çözüm yöntemi haline gelmiştir. Çizelge 2’de kauçuk katkılı beton bariyerin karışım yüzdeleri yer almaktadır.

Çizelge 2. Kauçuk katkılı beton bariyerin karışım yüzdeleri

Çevresel performansı ve ekonomik olması yönünden kauçuk katkılı bariyer betonlar hem ekolojik hem de inovatif bir çalışmadır. Genişletilmiş kil yerine kullanımında kaynaklar, üretim, konumlandırma ve geri dönüşüm özellikleri dikkate alınarak kıyaslandığında kauçuk katkılı beton bariyer %31 oranında daha az CO2 salınımı göstermektedir.

 

Hammadde kullanımını azaltması ve doğal kaynakların optimal seviyelerde kullanılması yönünden beton bariyerler iyi bir kaynak etkinliğine sahiptirler. %50 hacminde doğal agregat kullanımı yerine atık lastiklerin kullanılması metrekarede 77 kg ağırlığın korunmasına yardımcı olmakta ve her metrekarede genişletilmiş kil kullanımından 33 kg daha hafif özellik göstermektedir.

 

Ayrıca; Avrupa’da yapılan test sonuçları yoğun nüfuslu şehir merkezlerinde ve yüksek hızda geçen tren rotaları boyunca sesin %40’a kadar azaltıldığı, titreşimin ise %30’a kadar sınırlandırılabildiğini göstermiştir.

Şekil 6. Ses bariyeri uygulamaları için farklı tasarım denemeleri

 

 



Yapılan testlerde düz, ikiz kenar yamuk ve oval zeminlerin ses absorblama miktarları incelenmiştir (Şekil 6). Test sonuçlarına göre düz zeminin 6 dB, ikiz kenar yamuk zeminin 8.6 dB ve oval zeminin 8.7 dB sesi absorbladığı tespit edilmiştir.

Şekil 7. Farklı profillerde uygulanan absorblama miktarının frekansa göre değişim grafiği

Üç profile uygulanan ses absroblama testlerinde oval profilin en yüksek değerlerde sesi absorbadığı tespit edilmiştir. Araç lastiği takviyeli ses bariyerlerinin üretiminde oval profilin kullanılması uygun görülmüştür (Şekil 7).

 

5. Sonuçlar

Yapılan araştırmalar sonucunda atık lastiğin geri kazanımına yönelik çok büyük bir potansiyele sahip olduğu anlaşılmıştr. Ömrünü tamamlamış araba lastiklerinin geri dönüştürülmesinden elde edilen kauçuk granüllerin çimento ile karıştırılıp beton ses bariyerlerinin imal edilmesiyle ekonomik

verimlilik, sürdürülebilirlik ve çevre korunması gibi avantajların sağlandığı görülmektedir.

Atık lastiğin geri kazanımına yönelik uygulamaların ülkemizde yaygınlaştırılması; hem ekonomik, hem de çevresel faktörlerden dolayı artık zorunlu hale gelmiştir. Atık lastiğin çevre ve ekonomi boyutu göz önüne alındığında; kullanım ve geri kazanma stratejilerinin çok iyi planlanması gerekmektedir.