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End of Service Life Recycling of Thermoplastic PVC Roofing Membranes

By S.P. Graveline, Vice President Technical Services, Sika Sarnafil, a Division of Sika Corp.

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air welded into position and had the same life expectancy as the base membrane it protected. The program was very effective and it is estimated that over 1,000 tons of material were diverted from the landfill over a period of about 10 years from a single plant.

With time, membrane manufacturing technology has evolved, and state of the art production lines are now capable of incorporating scrap material back into their feedstock. The material is first processed into granulate, to enable effective blending. The recycled material is typically substituted for new resin at a rate of 5% to 15% by weight. It is used exclusively in the membrane back-side, never on the exposed surface, where any colour variation could impact surface reflectivity and/ or esthetics.

The grinding process is very effective at separating scrim, as well as the polyester felt backing used in some applications, from the polymer matrix. The residual fluff can be used as a reinforcing fibre in the production of cement blocks for landscaping and retention wall construction or as feedstock in waste to energy conversion processes.

Although a significant amount, the roughly four million pounds of trimmings material produced, processed and recycled annually by one manufacturer, pales in comparison to the potential volumes available for post consumer recycling. When one considers the billions of square feet of vinyl membranes installed in North America over the past decades, one begins to get an appreciation for the magnitude of material that could potentially be recycled.

End of Service Life of Roofing MaterialsThe EPA estimates that 136 million tons of construction

and demolition waste are generated annually in the USA, which represents somewhere between 25 and 40% of all solid waste. In a study conducted in Wisconsin, they found that roofing materials make up four per cent of debris in new construction. In renovation and demolition however, they found that roofing waste accounts for 26% of the total.

RRecycling of Thermoplastic PVCPre consumer and post industrial recycling of products made

from poly-vinyl chloride (PVC) is already well established in a variety of industrial segments. According to one study, approximately one billion pounds of PVC are recycled annually in North America. With regards to thermoplastic PVC roofing membranes, efforts to reclaim and recycle plant trimmings go back well over a decade. The earliest initiatives involved collecting the material for processing by third party companies who would pulverize the scraps and remove the bulk of the reinforcing fabric. The resulting powder was used to manufacture injected molded roof walk way pads. The treaded membrane material could be hot

Target Store, Waldorf, MD

Photos courtesy of Sika Sarnafil.

14 ROOFING CANADA SpRING/SummeR 2010 • COuVeRTuReS CANADA pRINTempS/ÉTÉ 2010

L

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dans la fabrication de plaques de marche-toit moulées par injection. Le matériau à reliefs se soudait à l’air chaud et sa durée de vie attendue équivalait à celle de la membrane de base qu’il protégeait. Ce programme a été très efficace, avec plus de 1000 tonnes de matériel détourné des sites d’enfouissement en 10 ans, à partir d’une seule usine.

La technologie de fabrication des membranes a évolué avec le temps; les lignes de production les plus modernes peuvent désormais réintégrer les rebuts aux matières premières. Le matériau est d’abord transformé en granulés pour permettre un mélange efficace. Généralement, le matériau recyclé remplace la nouvelle résine à raison de 5 % à 15 % en poids. Il est utilisé exclusivement pour l’arrière de la membrane; toute variation de couleur de la surface exposée pourrait altérer sa réflectivité ou son aspect.

Le processus de broyage excelle à séparer de la matrice polymère le canevas et l’endos de polyester utilisé dans certaines applications. La peluche résiduelle peut servir de fibre de renfort dans la production de blocs de ciment pour l’aménagement paysager et les murs de rétention ou comme matière première dans les procédés de conversion de déchets en énergie.

Bien que cela représente une quantité importante, les quelque 1 800 000 kilos de retailles produites, traitées et recyclées annuellement par un fabricant sont minimes comparativement aux volumes potentiels disponibles pour le recyclage postconsommation. Quand on pense aux milliards de pieds carrés de membranes de vinyle installés en Amérique du Nord dans les dernières décennies, on commence à comprendre l’ampleur des quantités recyclables.

La fin de vie utile des matériaux de couverture

L’EPA (l’agence de protection de l’environnement des États-Unis) estime que les États-Unis produisent annuellement

Le recyclage des membranes en PVC thermoplastique à la fin de leur vie utile

Par S.P. Graveline, vice-président aux services techniques, Sika Sarnafil, une division de Sika Corp.

Le recyclage du PVC thermoplastiquePlusieurs secteurs industriels ont déjà adopté le recyclage

préconsommation et postindustriel des produits faits en polychlorure de vinyle (PVC). Selon une étude, on recycle annuellement plus de 450 millions de kilos de PVC en Amérique du Nord. Quant aux membranes de toiture en PVC thermoplastique, on s’efforce de récupérer et recycler les retailles en usine depuis plus de dix ans. Dans les premières initiatives, la cueillette du matériel se faisait par des sociétés tierces qui pulvérisaient les morceaux et enlevaient l’essentiel du tissu de renfort. La poudre ainsi obtenue entrait

Target Store, Waldorf, MD

Photos courtoisie de Sika Sarnafil.

15ROOFING CANADA SpRING/SummeR 2010 • COuVeRTuReS CANADA pRINTempS/ÉTÉ 2010

Recognizing the enormity of the issue, the Canadian Federal Government organized a multi stakeholder two day workshop in Toronto in February, 2007. The attendees represented a broad cross section of material manufacturers, government agencies, environmental organizations, researchers, waste management companies, and others. Although attendees were able to identify general actions that need to

be taken, consensus was not achieved on how best to move forward, and unfortunately only very limited progress has been achieved since then.

The challenge is indeed daunting. Qualification of material types and condition suitable for recycling, removal of the installed products, separation from other system components, collection, distribution and processing

as well as re-integrating recycled materials into new products create a complex set of issues to be resolved.

Post Consumer Recycling of Thermoplastic PVC Membranes

In Europe in the early 1990s, the leading manufacturers of PVC roofing membranes began recycling PVC roofing membranes at the end of their service life for re-use. The first installations of membrane produced with post consumer recycled composition were completed in 1994. To date there has been no difference in the field performance of these materials when compared to those produced exclusively with virgin raw materials.

The first trial project done in North America was the Boston Marriott® Long Wharf hotel in 2005. The tiered design of this landmark waterfront structure, although an interesting architectural feature, contributed to the extensive leakage experienced at each of the six lower roof levels. The problems started shortly after the hotel was opened, and a complete re-roof in 1984 did little to reduce the ongoing water infiltration. Ultimately, the problem was found to be due to the omission of through wall flashings in the original construction. The only effective

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136 millions de tonnes de déchets de construction et de démolition, soit entre 25 % et 40 % de tous les déchets solides. Une étude menée dans le Wisconsin démontre que les matériaux de couverture représentent 4 % des débris générés par les nouvelles constructions. Dans la rénovation et la démolition, cette part s’élève à 26 %.

Conscient de l’énormité de la question, le gouvernement fédéral canadien a organisé, en février 2007, un atelier multipartite de deux jours à Toronto. Un vaste éventail de fabricants de matériaux, de corps gouvernementaux, d’organismes environnementaux, de chercheurs, de sociétés de gestion des déchets et d’autres intervenants y étaient représentés. Même si les participants ont pu identifier des mesures générales à adopter, ils n’ont pas pu s’entendre sur la manière de procéder. Malheureusement, on a peu progressé depuis.

Certes, le défi est immense. Les questions à résoudre forment un ensemble complexe : types et état des matériaux propices au recyclage; enlèvement des produits installés, leur séparation des autres composants; collecte, distribution et traitement des matériaux recyclés, ainsi que leur réinsertion dans de nouveaux produits.

Le recyclage postconsom-mation des membranes en PVC thermoplastique

En Europe, au début des années 1990, les principaux fabricants de membranes de toiture en PVC ont commencé à recycler celles-ci pour les réutiliser à la fin de leur durée de vie utile. Les premières installations de membranes contenant des matières recyclées postconsommation ont été achevées en 1994. À ce jour, on ne constate aucune différence entre la performance de ces

matériaux et celle de produits faits entièrement de matières premières vierges.

Le premier projet pilote en Amérique a été l’hôtel Marriott® Long Wharf à Boston en 2005. La conception multi-niveaux de cet édifice marquant du secteur riverain, si elle constitue un élément architectural d’intérêt, a contribué aux fuites importantes aux toits des six niveaux inférieurs. Les problèmes ont commencé peu après l’ouverture de l’hôtel et une refonte complète du toit en 1984 n’a guère

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solution was to remove nine courses of brick and rebuild the lower portion of the walls with a through wall flashing. Taking into account the small horizontal surface area of each roof section, the need to remove all membrane flashings and the high likelihood of mechanical damage to the existing membrane, it was decided to proceed simultaneously with a complete re-roof, despite the fact the existing membrane was in excellent

condition, having retained more than 70% of its original plasticizer content.

The Protected Membrane (PMR) system was easily “dis-assembled”. The ballast was sold to a landscaping company for re-use. The extruded polystyrene was likewise sold for re-use in other applications such as insulating agricultural buildings. The PVC membrane was cut into strips, rolled up and sent to the processing company where it was ground and forwarded to the membrane manufacturer for recycling.

In 2008, a Michigan contractor carried-out what is believed to be the biggest roofing recycling project ever in North America. A 250,000 square foot automotive facility was re-roofed in Lansing, MI. The existing roof which actually consisted of two complete roof assemblies (the roof was recovered once) was removed to the steel deck. A new mechanically attached 60 mil PVC membrane assembly was installed

in its place. Both layers of PVC membrane were recycled, diverting close to one half of a million square feet of material from the landfill.

The program is now being introduced in Canada. Commitments have already been made to recycle more than 75,000 ft2 of material to be removed from two projects in the coming months. In both cases; Lester B. Pearson International Airport’s Terminal 3 and the Oakridge Arena in London, Ontario, the buildings will be re-roofed with new PVC membrane assemblies.

In a sign that PVC recycling is gaining acceptance, a prominent national retail chain has embraced the program. The company has an ambitious goal of becoming a “zero waste” company. They have already cut waste internally by more than 70 per cent through a variety of recycling and re-use programs. They specify PVC membranes on practically all of their roofs and have done so for decades. In the Spring of 2007, the

membrane on a store in Maryland had reached the end of its service life, and was due for replacement. During the tear-off, the membrane was segregated from the balance of the construction waste for recycling. The company, which keeps very detailed documentation on all its roofing activities, estimated that cutting, rolling and storing the material for recycling, as opposed to simply disposing of all materials in a single, mixed dumpster did take some extra time. However they found that they were able to reduce that time to a minimum once they got over the initial



Approximately 5 million square feet of membrane that in the past would have gone to landfill at the end of its service life has been recycled back into new membrane products that will once again provide decades of performance across.

Target Rolling Membrane


diminué les infiltrations d’eau. En fin de compte, on a diagnostiqué l’absence de solins à travers les murs dans la construction d’origine. Seule solution efficace : enlever neuf rangées de briques et reconstruire la partie inférieure des murs en y mettant des solins. Étant donné la petite surface horizontale de chaque section de toit, la nécessité d’enlever tous les solins de membranes et le risque élevé de dommages mécaniques à la membrane

existante, on a décidé de procéder simultanément à une refonte complète du toit malgré l’excellent état de la membrane actuelle, celle-ci ayant conservé plus de 70 % de sa teneur originale en plastifiant.

On a pu démonter facilement la membrane protégée (PMR). Le lest a été vendu à une entreprise d’aménagement paysager qui l’a réutilisé. De même, on a vendu le polystyrène extrudé pour qu’il soit réutilisé dans d’autres applications, dont l’isolation des bâtiments agricoles. La membrane de PVC a été coupée

en lanières, roulée et envoyée à une entreprise de transformation qui l’a pulvérisée puis retournée au fabricant de la membrane pour le recyclage.

En 2008, un entrepreneur du Michigan a réalisé ce qui doit être le plus grand projet de recyclage de toiture nord-américain. On a refait le toit d’une usine d’automobiles de 250 000 pi. ca. à Lansing, au Michigan. L’ancien toit,

constitué de deux toitures complètes (le toit avait été recouvert une fois) a été retiré jusqu’à l’acier. Une nouvelle membrane de PVC de 60 mil a été installée à la place. On a recyclé les deux couches de membrane en PVC, détournant ainsi du site d’enfouissement près d’un demi-million de pieds carrés de matériel.

Le programme s’implante maintenant au Canada. Des engagements ont déjà été pris pour recycler plus de 75 000 pi2 de matériel à enlever dans deux projets à venir dans les prochains

mois. Dans les deux cas (le terminal 3 de l’aéroport international Lester B. Pearson et l’aréna Oakridge à London, en Ontario), les toitures seront refaites en nouvelles membranes PVC.

Signe qu’on souscrit de plus en plus au recyclage du PVC, une chaîne nationale de détail bien en vue a adopté le programme. Celle-ci compte devenir une entreprise à « zéro déchet », un objectif ambitieux. Elle

a déjà réduit les déchets à l’interne par plus de 70 %, grâce à divers programmes de recyclage et de réutilisation. Elle exige des membranes PVC sur la quasi-totalité de ses toits depuis des décennies. Au printemps 2007, la membrane d’un magasin du Maryland avait atteint la fin de sa vie utile et devait être remplacée. À son enlèvement, on l’a séparée des autres déchets de construction pour la recycler. La société, qui documente exhaustivement ses activités de couverture, estime que couper, rouler et stocker les matières à recycler, plutôt que de tout déposer

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Environ 5 millions de pieds carrés de membrane qui, autrefois, seraient allés à la décharge ont été recyclés en nouvelles membranes qui fourniront des décennies de rendement.

Target Rolling Membrane


learning curve. To date the membrane from more than 20 stores has been recycled.

Converting Post Consumer Waste into New Products

Although the program is geared towards recycling of the manufacturer’s own membranes at the end of their service life, competitive PVC products have represented a significant portion of the recycled materials. All non-adhered (mechanically attached, loose laid) membrane produced by the manufacturer is eligible for recycling, regardless of age or condition. Competitive materials are tested and qualified prior to a decision being made on whether or not to accept them for recycling.

Recovered materials are processed into three specific applications. One is the production of the company’s standard walkway membrane. Loadings as high as 25% have successfully been integrated into this 96 mil thick material, without any impact on the product’s physical properties. A 55 mil thick protection layer for use in green/ vegetated roof assemblies has similar loadings. Both products can incorporate a blend of both in-house produced and competitive materials.

Lesser amounts of the post consumer material are recycled into the back side of roofing/ waterproofing membranes. Competitive materials are not used in the production of these membranes.

Research is being carried out to develop a mechanism for recycling membranes which are adhered to insulation, cover boards or other substrates. Preliminary results are positive and trials are ongoing.

Economic ViabilityThe ultimate success of the program

depends heavily on its economic viability. The two largest cost drivers in the program

are the freight to move the material from the project to the processor and ultimately to the membrane manufacturer, and the fee to process it. Plant trimmings, which are clean and free of debris, are processed in-house. Despite the best efforts in the field, tear-off material inevitably contains a variety of debris such as fasteners, lumber, ballast, etc. Third party processing plants are typically well equipped with magnetic systems for drawing out metal pieces, appropriate conveyors which allow for manual removal of debris and other associated equipment and are therefore always used for post consumer recycling.

One manufacture covers all costs (freight from the job site to the processor, processing/grinding and freight to the manufacturer) for projects in the Eastern half of the USA and Canada. Additionally, the elimination of tipping fees that would normally have been paid to dispose of the membrane appears to more than offset any minimal additional labor involved in sorting and preparing the materials for transport. For projects in the Western half of the continent, net costs (excluding tipping fee savings and any increase in labor) are in the range of a few hundred dollars to a few thousand dollars, depending on project size and location. As new processing partners



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are identified and brought on line in the West, it is anticipated that the program will be offered at no charge across Canada and the USA in the near future.

ConclusionThermoplastic has demonstrated that

it can be recycled back into new roofing membrane products at the end of its service life. After a two year technical and market trial, the program was launched commercially in the USA in 2007. Approximately 5 million square feet of membrane that in the past would have gone to landfill at the end of its service life has been recycled back into new membrane products that will once again provide decades of performance across. The program is having an important impact, and was recently recognized by the Massachusetts Department of Energy and Environmental Affairs.

While this article highlights the experiences of a single company, it should be noted that the members of the Vinyl Roofing Division of the Chemical Fabrics and Films Association are working together to develop a comprehensive, industry wide roof recycling program. Combining the roofing volumes of all member companies will further improve the feasibility of the

program by attracting additional material processors and adding to the collective recycling experience of the industry.

References

Principia Partners, Post Industrial and Post Consumer Vinyl Reclaim, July, 1999

Graveline, S.P., Recycling of Thermoplastic PVC Roof Membranes,

Interface, April/ May, 2007

U.S. Environmental Protection Agency, Characterization of Building Related

Construction and Demolition Debris in the United States (EPA530-R-98-010), 1998

Camp, Dresser & McKee, Quantity and Composition Study of Construction and

Demolition Debris in Wisconsin, February, 1998

Goodfellow Agricola Consultants Inc., Enhancing Recovery of End-of-Life

Roofing Materials: An Implementation Plan, Canadian Construction Innovation

Council, Toronto, March 2007

Kyle, B.R., Pending Changes to Roofing Waste Diversion Practices,

Roofing Canada, Spring/ Summer 2008

Graveline, S.P., PVC recycling, Professional Roofing, December, 2007

Graveline, S.P., End of Service Life Recycling of Low Slope Roofing

Materials, RCI Foundation Symposium on Building Sustainability, Washington,

DC, April 30 – May 1, 2009



dans un même conteneur, a demandé plus de temps. Cependant, elle a pu réduire ce temps au minimum avec un peu d’expérience. À ce jour, elle a recyclé la membrane de plus de 20 magasins.

La conversion de déchets de consommation en nouveaux produits

Bien que le programme cible le recyclage des membranes par leur fabricant à la fin de leur durée de vie, les produits en PVC concurrents représentent une bonne part des matériaux recyclés. Toute membrane non collée (fixée mécaniquement ou non fixée) produite par le fabricant est admissible au recyclage, peu importe l’âge ou l’état. Les matériaux concurrents sont testés et qualifiés avant d’être acceptés ou refusés pour le recyclage.

On transforme les matériaux récupérés en trois applications spécifiques. L’une est la production des membranes marche-toit standard de l’entreprise. Ce matériau épais de 96 mils peut prendre jusqu’à 25 % de matière recyclée sans nuire à ses propriétés physiques. La même chose s’applique à la couche protectrice de 55 mils utilisée dans les assemblages de toitures vertes ou végétalisées. Ces deux produits peuvent incorporer un mélange de matériaux produits par l’entreprise et ses concurrents.

De plus petites quantités de matériaux postconsommation sont recyclées dans l’endos des membranes de toiture et d’étanchéité. On n’y intègre pas de matériaux concurrents.

On cherche actuellement un moyen de recycler les membranes collées à l’isolant, aux planches ou à d’autres substrats. Les résultats préliminaires sont positifs et des essais sont en cours.

Viabilité économiqueUltimement, le succès du programme

dépend surtout de sa viabilité économique. Les deux facteurs majeurs de coût sont le fret pour déplacer les matériaux du chantier à l’usine de traitement, puis au fabricant de la membrane, ainsi que les frais de traitement. Les retailles d’usine, propres et sans débris, sont traitées sur place. Malgré les meilleurs efforts sur les chantiers, les retailles contiennent inévitablement des débris. Les usines de traitement extérieures ont des systèmes

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magnétiques pour capter les pièces de métal, des convoyeurs de tri permettant de retirer les débris et d’autres équipements.

Une manufacture couvre tous les frais (transport du chantier au traiteur, traitement et pulvérisation, transport au fabricant) des projets de la moitié est des États-Unis et du Canada. En outre, les redevances de déversement qu’on aurait normalement versées pour jeter la membrane semblent plus que compenser la légère main-d’oeuvre supplémentaire requise pour trier et préparer les matériaux pour le transport. Pour les projets dans la moitié ouest du continent, les coûts nets (excluant les redevances de déversement et la main-d’oeuvre supplémentaire) représentent quelques centaines à quelques milliers de dollars, selon la taille et l’emplacement du chantier. On prévoit que le programme sera offert sans frais partout au Canada et aux États-Unis lorsqu’on aura trouvé d’autres partenaires de traitement.

ConclusionLe thermoplastique a démontré

qu’il pouvait être recyclé dans de nouvelles membranes de toit à la fin de sa vie utile. Le lancement commercial du programme aux États-Unis a eu lieu en 2007, après deux ans d’essais. Environ 5 millions de pieds carrés de membrane qui, autrefois, seraient allés à la décharge ont été recyclés en nouvelles membranes qui fourniront des décennies de rendement. Le programme a un impact important et a récemment reçu l’aval du ministère de l’Énergie et des Affaires environnementales du Massachusetts.

Bien que cet article souligne les expériences d’une seule entreprise, il convient de noter que les membres de la branche toitures en vinyle de la Chemical Fabrics and Films Association collaborent pour créer un programme de recyclage des toitures qui s’étendra à toute l’industrie. Combiner les volumes de couverture de toutes les sociétés membres augmentera la faisabilité du programme. Cela permettra d’attirer d’autres usines de traitement et de nourrir notre expérience collective en recyclage.

Références

Principia Partners, Post Industrial and Post Consumer Vinyl Reclaim, juillet 1999.

Graveline, S.P., Recycling of Thermoplastic PVC Roof Membranes,

Interface, avril-mai 2007.

U.S. Environmental Protection Agency, Characterization of Building Related

Construction and Demolition Debris in the United States (EPA530-R-98-010), 1998.

Camp, Dresser & McKee, Quantity and Composition Study of Construction and

Demolition Debris in Wisconsin, février 1998.

Goodfellow Agricola Consultants Inc., Enhancing Recovery of End-of-Life

Roofing Materials : An Implementation Plan, Conseil canadien de l’innovation

dans la construction, Toronto, mars 2007

Kyle, B.R., Pending Changes to Roofing Waste Diversion Practices,

Roofing Canada, printemps-été 2008.

Graveline, S.P., PVC recycling, Professional Roofing, décembre 2007.

Graveline, S.P., End of Service Life Recycling of Low Slope Roofing

Materials, RCI Foundation Symposium on Building Sustainability, Washington,

DC, 30 avril–1er mai 2009.

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