Cette thèse a pour objet de développer une nouvelle méthodologie pour valoriser les poudrettes de pneus usagés (PPU). Celles-ci résultent du broyage de la partie caoutchoutique des pneus usagés qui conserve l’excellente élasticité. L’idée est de profiter de leur élasticité pour renforcer la résistance au choc des polymères fragiles tels que le polystyrène (PS) en y incorporant les PPU. Cependant, la réalisation de cette idée a besoin de relever deux défis majeurs : (1) les PPU commerciales ont typiquement des diamètres de l’ordre de plusieurs centaines de micromètres. Or elles doivent être deux ordres de grandeur plus petits en taille pour pouvoir améliorer la résistance au choc des polymères fragiles. (2) L’adhésion interfaciale entre les polymères et les PPU est mauvaise et constitue donc des défauts mécaniques du matériau. Ces deux défis sont liés à la nature même des PPU qui sont intrinsèquement des réseaux réticulés chimiquement. Cette thèse choisit le PS pour représenter les polymères fragiles. La méthodologie visant à renforcer sa résistance au choc est de polymériser le styrène par voie radicalaire au sein des PPU. Cette polymérisation forme à la fois des chaines en PS libres et des greffons en PS liés chimiquement aux mailles du réseau des PPU. Les inclusions des chaines en PS libres facilitent la dispersion des PPU en taille plus petite lorsqu’une action mécanique leur est appliquée lors de l’extrusion par exemple. La formation des greffons en PS sur les mailles du réseau des PPU renforce l’adhésion interfaciale entre le PS et les PPU. Cette thèse a développé un modèle complet permettant de décrire la cinétique de polymérisation radicalaire du PS libre et celle des greffons en PS liés aux mailles du réseau des PPU. Elle l’a validé par un plan d’expériences judicieux / This thesis aims to develop a novel approach to value ground tire rubber (GTR). The latter results from grounding of the rubber part of used tires which retains excellent elasticity. The idea is to take the advantage of its elasticity to toughen brittle polymers such as polystyrene (PS) upon incorporating GTR into them. However, two challenges have to be overcome to realize this idea. (1) Commercial GTR is typically in the form of particles of a few hundreds of micrometers in diameter. However, it has to be at least one to two orders of magnitude smaller when incorporated in a brittle polymer so as to be able to improve its impact resistance. (2) The interfacial adhesion between the polymer and GTR is weak. These two challenges are related to the intrinsic nature of the GTR which is chemically cross-linked. This thesis chooses PS to represent brittle polymers. The approach aiming at toughening it is to polymerize styrene in a free radical manner inside cross-linked GTR particles. This leads to the formation of both free PS and PS that is grafted onto the GTR, denoted as grafted PS. The inclusions of the free PS inside the GTR particles help break them down by mechanical shear in a screw extruder for example and the formation of grafted PS improves the interfacial adhesion between the PS and the GTR. This thesis has developed a comprehensive kinetic model for the polymerization of free PS and that of grafted PS. This model is validated by experimental designs

Orientador: José Maria Campos Dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-27T18:02:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gali_MarcosRodolfo_M.pdf: 8846565 bytes, checksum: b82ad0724e54e69642945eea2e744eaf (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Em 2012, Rhyne & Cron desenvolveram um modelo analítico para estimar a mínima Resistência ao Rolamento (RR) para pneus destinados aos veículos de passageiro. Os parâmetros estudados pelos autores foram a área de contato, a espessura e a largura da rodagem, o raio da cintura metálica, o módulo elástico do composto da banda de rodagem, a carga vertical imposta, a pressão de inflação do pneu e a área efetiva de contato do pneu com o solo. Para o fator área de contato, os autores simplificaram a abordagem matemática que defini a interação entre o pneu e o pavimento, não considerando a área total formada devido à deformação na região de interação com o pavimento (que muda com a pressão interna do pneu e com a carga imposta sobre o mesmo). O objetivo do presente estudo foi desenvolver um modelo analítico baseado no modelo de Rhyne & Cron, para estimar a resistência ao rolamento de pneus de carga, considerando a área de contato formada na região de interação entre o pneu e o pavimento. Os modelos analíticos foram implementados em MatLab versão R2008a para obtenção das curvas de resistência ao rolamento e compará-las com as curvas obtidas através de modelo numérico que interagiu com um modelo de elementos finitos (FEM). Os resultados dos modelos analíticos e numéricos foram validados e comparados com resultados experimentais obtidos em laboratório segundo condições da norma ISO 28.580. Os resultados obtidos através do modelo analítico proposto mostraram uma satisfatória correlação comportamental quando comparados com as curvas experimentais, sendo uma ferramenta interessante durante o desenvolvimento do projeto do pneu, pois permite ter uma estimativa da resistência ao rolamento / Abstract: In 2012, Rhyne & Cron developed an analytical model to estimate the minimum Rolling Resistance (RR) for tires intended for passenger vehicles. The parameters studied by the authors were the contact area, the thickness and width of the tread, the radius of the metal belt, elastic modulus of the tread compound, the imposed vertical load, the tire inflation pressure and effective contact area tire with ground. For contact area's factor, the authors simplified the mathematical approach that define the interaction between the tire and the ground, not considering the total area formed due to deformation in the interaction region with the ground (which changes with the tire internal pressure and the imposed load). The objective of this study was to develop an analytical model based on the Rhyne & Cron model to estimate the truck tires' rolling resistance, considering the contact area formed at the interaction region between the tire and the pavement. The analytical models were implemented in MatLab R2008a version to obtain the rolling resistance curves and compare them with the curves obtained through numerical model that interacted with a finite element model (FEM). The results of analytical and numerical models were validated by comparison with experimental results obtained according ISO 28580 standard. The obtained results using the proposed analytical model showed a satisfactory behavioral correlation when compared with the experimental curves, being an interesting tool for the development of tire design because it allows having an estimation of the rolling resistance / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Ce projet s’intéresse à la valorisation de deux résidus retrouvés dans les sites d’enfouissement: le polystyrène (PS) et le caoutchouc de pneus usés (SBR). En particulier, on propose de mélanger ces deux matières afin de produire un matériau de bonne qualité. Les procédés d’extrusion et d’injection ont été utilisés pour une large gamme de concentrations: entre 0 et 94% en poids de SBR. Afin d’améliorer la compatibilité entre les deux phases, un prétraitement par le PS en solution dans le toluène a été effectué sur les particules de caoutchouc. Pour évaluer l’efficacité du traitement, une caractérisation complète en termes de morphologie, densité, dureté et propriétés mécaniques (tension, flexion, torsion et impact) a été effectuée. De plus, deux types de matrice PS ont été comparées: un PS expansé (recyclé) et un PS cristal (vierge). Les résultats démontrent que le prétraitement permet d’améliorer les propriétés des mélanges. Par exemple, une augmentation de 20% du module de Young a été observée pour le PS expansé. Néanmoins, l’effet du traitement se fait surtout sentir pour des concentrations supérieures à 50% de SBR. / This project focuses on the revalorization of two residues found in landfills: polystyrene (PS) and waste tire rubber (SBR). In particular, it is proposed to mix both materials to produce a good quality compound. Extrusion and injection molding were used for a wide range of SBR concentration: between 0 and 94% by weight. To improve the compatibility between both phases, a pre-treatment with PS in solution (toluene) was carried out on the rubber particles. To assess the efficiency of the treatment, a complete characterization in terms of morphology, density, hardness, and mechanical properties (tension, bending, torsion, and impact) was performed. In addition, two types of PS (matrix) were compared: an expanded PS (recycled) and a crystal PS (virgin). The results show that pre-treatment improves the properties of the blends. For example, a 20% increase in Young's modulus was observed for expanded PS. However, the treatment was most effective for SBR concentrations above 50%.

Dans ce travail, des composites à base de caoutchouc de pneus moulus (GTR)/résines thermoplastiques ont été produits avec succès en combinant une technique de mélange à sec avec un procédé de rotomoulage. Afin d'améliorer les propriétés mécaniques des composites résultants, certaines méthodes de modification ont été utilisées. À partir des composites rotomoulés, un ensemble complet de caractérisation comprenant les propriétés morphologiques, physiques (masse volumique et dureté) et mécaniques (traction, flexion et impact) a été réalisé. La première partie du travail a étudié l'effet de l'incorporation d'agents gonflants chimiques, de fibres de bois d'érable et de deux traitements de surface du GTR (modifié par le polyéthylène maléaté (MAPE) en solution et traité par irradiation micro-ondes) sur les propriétés mécaniques des composites GTR/polyéthylène linéaire de basse densité (LLDPE) produits par rotomoulage. La deuxième partie du travail a étudié l'effet du GTR traité au MAPE sur les propriétés mécaniques des composites GTR/polypropylène (PP) préparés par rotomoulage. Les propriétés mécaniques ont indiqué que le GTR traité par MAPE, parmi ces méthodes de modification, était une approche efficace pour améliorer la compatibilité et l'adhésion interfaciale des composites GTR/thermoplastiques. Par exemple, la résistance à l’impact du LLDPE/GTR (85/15) a montré une amélioration de 30% avec l’addition de 0.3% en poids de MAPE comparé au composite avec la même concentration de GTR sans traitement au MAPE. Aussi, e une augmentation de 52% de la résistance en impact pour le composite PP/GTR (50/50) a été obtenu avec l’introduction de 2% en poids de MAPE en comparaison avec une teneur similaire de GTR sans traitement au MAPE. / In this work, ground tire rubber (GTR)/thermoplastic composites were successfully produced by combining a dry-blending technique with a rotational molding process. In order to improve the mechanical properties of the resulting composites, different modification methods were used. From the rotomolded composites produced, a complete set of characterization including morphological, physical (density and hardness) and mechanical properties (tensile, flexural and impact) was performed. The first part of the work investigated the effect of chemical blowing agent and maple wood fibers concentration, as well as two GTR surface treatments (maleated polyethylene (MAPE) in solution and microwave irradiation) on the mechanical properties of GTR/linear low density polyethene (LLDPE) composites. The second part of the work studied the effect of MAPE treated GTR on the mechanical properties of GTR/polypropylene (PP) composites. Overall, the results showed that MAPE treated GTR was an effective approach for improving the compatibility and interfacial adhesion between GTR and thermoplastic composites. For example, the impact strength of LLDPE/GTR (85/15) composite reached a 30% improvement by adding 0.3 wt.% MAPE above that of the same GTR content without MAPE treatment. A 52% improvement of impact strength for PP/GTR (50/50) by introducing 2 wt.% MAPE was obtained compared to the composite with the same content of untreated GTR.

Nul ne peut ignorer que le pneu usagé, ce déchet encombrant, constitue une menace et à l'environnement par le risque potentiel d'incendie et de lixiviation, et à la santé des habitants qui vivent à proximité des dépotoirs par le risque potentiel de maladies dues aux fumées toxiques, qui résulteraient des incendies éventuels, ou dues aux piqûres de moustiques qui peuplent les interstices des amas constitués. Une gestion proactive du pneu en fin de vie s'impose indéniablement si l'on veut éviter aux générations futures d'être confrontées eux également a la complexité du problème des gisements historiques. Nous proposons dans ce recueil un modèle de plan de gestion global d'un projet d'édification d'une entité industrielle, s'assignant comme vocation spécifique le recyclage et la pré-valorisation des pneus en fin de vie. Ainsi donc une entité industrielle apte à se déployer dans le mouvement de la logistique inverse et à s'inscrire dans l'effort du développement durable. Ce modèle quoiqu'essentiellement théorique devrait permettre, d'une part, aux investisseurs économiques, citoyens des pays en développement plus particulièrement, désireux de se lancer dans la filière en question, d'avoir en mains un savoir-faire essentiel et des outils indispensables dont ils devraient naturellement disposer. Et, d'autre part, aux chercheurs scientifiques s'intéressant à l'étude d'autres produits en fin de vie, de s'inspirer de la logique de l'étude et de l'approfondissement de l'analyse qui ont conduit à l'aboutissement de ce modèle.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma tecnologia para a atenuação do impacto provocado pelo passivo ambiental gerado por pneus inservíveis, conjuntamente ao desenvolvimento de novos materiais compostos para uso na construção.Os pneus têm uma estrutura física especial, com grande resistência e durabilidade, mesmo ao término de sua vida útil e, por isso, sua deposição em aterros sanitários é inadequada, já que eles não permitem compactação, tornando-se favoráveis para a criação de agentes causadores de enfermidades e oferecem grandes riscos de incêndios, o que acarreta sérios danos ao meio ambiente. A tecnologia desenvolvida utilizou a borracha de pneus inservíveis, após serem picados por processo mecânico, segundo diferentes tamanhos, para a composição de produtos de baixo custo e utilizáveis na construção civil em elementos construtivos, placas de amortecimento sonoro e de revestimento de pisos para edificações, sinalização horizontal em vias públicas, absorvedores de impacto em estradas,etc. O agente de aglomeração utilizado foi a resina poliuretânica derivada do óleo de mamona (Ricinus communis), uma fonte renovável, que também apresenta estabilidade física e química, e um excelente desempenho como aglomerante. O composto obtido foi testado com relação à durabilidade, às propriedades mecânicas como resistência à compressão e tração, módulo de elasticidade e fluência por meio da termo análise, demonstrando resultados satisfatórios e confirmada sua aplicação em vários campos da construção civil. / The objective of this work is to develop a technology for the impact attenuation caused by the passive environmental generated by scrap tires, jointly to the development of new composites for being used in construction. The tires have a special physical structure, with great resistance and durability, also in the term of their useful life, therefore, their deposit in landing fields are inadequate, once they do not allow compacting, becoming favorable for the creation of causes of diseases and they offer great fires risks, what causes serious damages to the environment. The developed technology used the rubber of useless tires, after being fragmented by mechanic process, according to different sizes, for the composition of products of low cost to be used in the civil construction in constructive elements, noise reduction plates and lining of floors for constructions, horizontal signaling in public ways, impact insulating in highways, and so on. The agent of mass used was the polyurethane resin, derived of the castor oil (Ricinus communis), a renewable source that also presents physical and chemical stability, and a good bonding behavior. The obtained composite was tested in relation to durability behavior, mechanical properties which the compression forces and tension, and also its modulus of elasticity and creep by use of thermo analisys, demonstrated satisfactory results and confirmed its application in a many fields of the civil construction.

The main current challenges of the mining industry include aspects such leveraging the mine productivity, controlling costs and reducing environmental impacts. In most surface mining operations, overburden removal requires haulage over short distances. A comparison of different haulage options for short distances with respect to energy efficiency in open-pit mining is a key aspect for decision making, but only a limited number of recent research efforts have considered energy efficiency as a control variable in mining projects. Loading and haulage have an energy source that is highly dependent on fossil fuels. In addition, the equipment involved in these operations use tyres as an important input. There are many studies relating the fuel consumption and tyre wear to several performance indicators, but a methodology that identifies and prioritizes higher-impact variables under each specific operating condition is not available. This research proposes new methods using alternative equipment simulations for fuel consumption and tyre wear management. Such methods include multiple regression analysis, stochastic simulation and specialized software routines in order to identify and control operational performance variables related to diesel consumption, tyre wear and selection of new alternatives equipments. Considering alternative scenarios of equipment models, the results of the proposed method include a 14% reduction in specific fuel consumption and a 16% increase in productivity. Regarding the fuel management method, the reduction of diesel consumption reached 10%. For the tyre wear management method, the results indicated a potential to save up to 8.9 t of tyre rubber in only one quarter. / Na atualidade, a indústria de mineração possui como principal desafio alavancar sua produtividade, controlar custos e reduzir impactos ambientais. Muitas operações de mineração exigem transporte em pequenas distâncias. A comparação de diferentes opções de transporte em distâncias curtas considerando a eficiência energética é uma necessidade de operações de lavra a céu aberto, mas existem poucos estudos recentes que priorizam esta variável em projetos de mineração. As operações de carga e transporte são amplamente dependentes de combustíveis fósseis. Essas operações também necessitam de pneus como um importante insumo. Existem alguns trabalhos que relacionam o consumo de combustíveis e o desgaste dos pneus a variáveis operacionais, mas uma metodologia que identifique as variáveis de maior impacto frente a condições específicas ainda não está disponível. O presente trabalho fornece novos métodos de simulação para equipamentos alternativos, consumo de combustíveis e gestão do desgaste de pneus. Análises de regressão linear múltipla, simulações e ferramentas de desenho de mina permitem identificar e controlar variáveis ligadas ao consumo de combustíveis, desgaste de pneus e seleção de equipamentos. Os estudos envolvendo equipamentos alternativos alcançaram uma redução de 14% no consumo de diesel e um aumento de 16% na produtividade. Com relação às técnicas de gestão do consumo de combustível aplicada aos caminhões observou-se uma redução de 10%. Considerando o sistema de gestão de desgaste de pneus, a aplicação do método proposto possui um potencial de evitar o descarte de 8,9 t de borracha para pneus em apenas um trimestre.

Este trabalho apresenta estudo sobre a viabilidade técnica da incorporação de borracha de pneus em ligantes asfálticos utilizados em obras de pavimentação. Trata-se de uma alternativa para solucionar um grave problema ambiental, pois no Brasil, anualmente, são descartados mais de 30 milhões de pneus, dos quais a maior parte é disposta em locais inadequados, servindo para a procriação de vetores de doenças e representando risco de contaminação do meio-ambiente. Os efeitos dos principais fatores que condicionam o comportamento do ligante asfalto-borracha (teor e granulometria da borracha, temperatura de mistura, tempo de reação) são avaliados através de ensaios tradicionais de caracterização de ligantes asfálticos e também ensaios do Método Superpave, que determinam propriedades fundamentais, diretamente relacionadas ao desempenho dos pavimentos no campo. Os resultados da análise estatística da programação fatorial de ensaios laboratoriais desenvolvida evidenciam o efeito preponderante do teor de borracha e, principalmente, que o ligante asfalto-borracha pode aumentar a resistência ao acúmulo de deformação permanente e ao aparecimento de trincas por fadiga do revestimento. / This work presents the results of a study about the technical feasibility of the use of asphalt-rubber binder by the asphalt paving industry. In Brazil, more than 30 million tires a year are disposed, mostly in inadequate sites, causing serious health and environmental problems. The effects of the main factors (rubber content, rubber particle size, temperature of mixture, reaction time) on the behavior of asphalt-rubber binders are evaluated by traditional tests and also by tests of the Superpave Method, which are based on fundamental properties, directly related to field performance. The results of the statistical analysis of the factorial design of laboratory experiments show the most significant effect of rubber content and, mainly, that asphalt-rubber binder can increase the resistance to permanent deformation and fatigue cracking.

A utilização de resíduos tem se mostrado como uma boa alternativa na redução do impacto causado pelo consumo desordenado de matéria-prima e pela redução das áreas de disposição, em virtude do grande volume de resíduos descartados a cada ano em todo mundo. Neste contexto se inserem os resíduos de pneus provenientes da recauchutagem. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de estudar algumas propriedades de pavers de concreto, com substituição parcial do agregado por resíduos de pneus. Para a produção dos pavers foram consideradas as faixas de consumo de cimento Portland de 292,84 kg/m³, 323,06 kg/m³ e 347,00 kg/m³, e os níveis de incorporação dos resíduos estudados foram de 8%, 10%, 12%, 15% e 20%, em volume. As propriedades foram: resistência à compressão, absorção de água, resistência ao impacto, resistência à abrasão profunda e expansão por umidade. Os resultados mostram que ocorre queda na resistência à compressão. Na absorção de água, não podemos afirmar que essa propriedade é afetada de maneira negativa. Os pavers demonstraram grande capacidade de absorção de energia (tenacidade). Os resultados de resistência à abrasão mostram-se interessantes para a aplicação em ambientes com baixas solicitações. A expansão por umidade não afetará o intertravamento dos pavers. Dessa forma, os resultados mostraram viabilidade na utilização dos pavers com resíduos de pneus em pavimentação intertravada com solicitações leves. / Concerns regarding the environment and shortage of natural resources have led the way for sustainable alternatives. The recycling process seems to be a suitable alternative to minimize the use of natural resources as well as the lack of proper disposal sites caused by the large amounts of discarded waste worldwide. Within this context, rubber residues from recapped tires are used for insertion. This work was developed with the objective of studying some of the properties of concrete paving, with partial substitution of the aggregate for tire residues. For the production of pavers the bands of Portland cement consumption was considered at 292,84 kg/m³, 323,06 kg/m³ and 347,00 kg/m³, and the levels of residues incorporation at 8%, 10%, 12%, 15% and 20%, in volume. The studied properties were: compressive strength, water absorption, impact resistance, deep abrasion and expansion resistance to humidity. The results show decrease in the compressive strength. The water absorption does not undergo negative influence. Pavers demonstrated substantial capacity for energy absorption (tenacity). The results of abrasion resistance reveal interesting applications for locales with low degree of demands. Expansion by humidity will not affect the interspersing of pavers. However, the results have shown viability in the use of pavers interspersed with tire residues in asphalt with light load demands.

Atualmente a destinação final de pneus inservíveis tornou-se um dos grandes problemas ambientais enfrentados pelo Poder Público. Esse tipo de resíduo é de decomposição muito lenta, baixa compressibilidade, o que resulta grandes volumes, além de oferecer prejuízos a natureza e à saúde pública quando não são encaminhados a uma destinação final ambientalmente adequada e segura. Diante dessa constatação, pesquisas estão sendo intensificadas considerando-se a viabilidade técnica da incorporação de borracha de pneus em materiais de construção civil. Dentre as possíveis utilizações desse resíduo destaca-se a sua incorporação como agregado em concretos de cimento Portland. No entanto, os diversos trabalhos elaborados apenas restringiram-se a avaliar o comportamento mecânico da borracha de pneus no compósito. Este trabalho tem como objetivo principal contribuir com a proposição de uma metodologia que permite correlacionar o provável desempenho físico-mecânico do concreto com borracha. O estudo foi elaborado a partir de resultados de ensaios em concretos dosados com diferentes teores de borracha incorporada em substituição à massa da areia, comparando-os com os de um concreto de referência. Os resultados permitiram concluir que quanto maior o teor de borracha incorporado no concreto, maior é a redução das suas propriedades em comparação ao concreto de referência, tais como: resistência à compressão, resistência à tração na flexão, módulo de elasticidade. O estudo também permitiu concluir, a partir de uma curva baseada na Teoria de Abrams, que a borracha incorporada se comporta como um poro no concreto e pode ser correlacionada juntamente com a água. / Nowadays, the final destination of unworthy tires has come to be one of the biggest environmental issues to government authorities. This kind of waste or residue has very low decomposition rates, and poor compressibility, which results on huge amounts. It also has the potential to provoke damages to nature and public health, especially when it was not take to an adequate and environmentally safe final destination. Upon this ascertaining, research has been increasingly made to verify the technical feasibility of incorporating tire-rubber to construction materials. One of the most feasible applications of this waste is to incorporate into Portland cement concrete as an aggregate. But several of these studies are limited to the evaluation of the mechanical properties when tire rubber is used in the compound. The main purpose of this research is to evaluate a methodology to correlate the expected physical and mechanical performances of concrete with rubber aggregate content. In this research, the concrete was submitted to tests with different rates of rubber aggregated in mass substitution of the sand, together with the reference concrete. The results show that with the increase of the rubber aggregate rate there is a decrease of the concrete properties in relation with the standard reference concrete, such as: compressive and flexural strengths, and elastic modulus. The study has also concluded, using a curve based on Abrams Law, that rubber aggregated acts like a pore in the concrete, and could be correlated together with water.