MIT studenty zpevnění betonu přidáním recyklovaného plastu

Vyřazené plastové lahve by mohl být jednoho dne použit k vybudování silnější, více flexibilní betonových konstrukcí, chodníky a ulice překážek, budov a mostů, podle nové studie.

MIT vysokoškolských studentů zjistili, že, tím, že vystaví plastové vločky malé, neškodné dávky gama záření, pak drcení vločky na jemný prášek, mohou mix ozářené plastové s cementovou pastou a popílek k výrobě betonu, který je až o 15 procent silnější než běžného betonu.

beton je po vodě druhým nejpoužívanějším materiálem na planetě. Výroba betonu generuje asi 4,5 procenta světových emisí oxidu uhličitého vyvolaných člověkem. Nahrazení i malé části betonu ozářeným plastem by tak mohlo pomoci snížit globální uhlíkovou stopu cementářského průmyslu.

opětovné použití plastů jako přísad do betonu by také mohlo přesměrovat staré lahve s vodou a sodou, jejichž většina by jinak skončila na skládce.

“každý rok se skládkuje obrovské množství plastů,” říká Michael Short, odborný asistent na Katedře jaderné vědy a inženýrství MIT. “Naše technologie trvá plast mimo skládku, zámky v betonu, a také používá méně cementu na výrobu betonu, který je méně oxidu uhličitého. To má potenciál vytáhnout plastový skládkový odpad ze skládky a do budov, kde by to mohlo skutečně pomoci, aby byly silnější.”

tým zahrnuje Carolyn Schaefer ’17 a MIT senior Michael Ortega, který inicioval výzkum jako projekt třídy; Kunal Kupwade-Patil, vědecký pracovník v Oddělení Občanských a Environmentálního Inženýrství; Anne Bílá, docent na Oddělení Vědy a Jaderného Inženýrství; Ústní Büyüköztürk, profesor v Oddělení Občanských a Environmentálního Inženýrství; Carmen Soriano z Argonne National Laboratory; a Krátké. Nový článek se objevuje v časopise Odpadové hospodářství.

“To je součástí našeho úsilí věnované v naší laboratoři pro zapojení studentů ve vynikající zkušenosti výzkumu zabývající se inovací v hledání nových, lepších konkrétních materiálů s rozmanitou třídy doplňkových látek, různých chemických,” říká Büyüköztürk, který je ředitelem Laboratoře pro Infrastrukturu Vědy a Udržitelnosti. “Zjištění z tohoto vysokoškolského studentského projektu otevírají novou arénu při hledání řešení udržitelné infrastruktury.”

nápad, vykrystalizovala

Schaefer a Ortega začal zkoumat možnosti plast-železobetonové jako součást 22.033 (Jaderných Systémů Návrh Projektu), ve kterém studenti byli požádáni, aby vybrat svůj vlastní projekt.

” chtěli najít způsoby, jak snížit emise oxidu uhličitého, které nebyly jen “postavme jaderné reaktory”, ” říká krátký. “Výroba betonu je jedním z největších zdrojů oxidu uhličitého a oni si mysleli:” jak bychom na to mohli zaútočit? Prohlédli si literaturu a pak vykrystalizoval nápad.”

studenti se dozvěděli, že jiní se pokusili zavést plast do cementových směsí, ale plast oslabil výsledný beton. Vyšetřování dále, našli důkazy, že vystavení plastové dávky gama záření je materiál v krystalické strukturu změnit tak, že plast se stává silnější, tvrdší a tvrdší. Ozařování plastů by skutečně fungovalo na zpevnění betonu?

Na tuto otázku odpovědět, studenti nejprve získat vločky z polyethylentereftalátu — plastový materiál se používá, aby se voda a soda láhve — z místní recyklační zařízení. Schaefer a Ortega ručně třídili vločky, aby odstranili kousky kovu a jiné nečistoty. Oni pak šli plastové vzorky dolů do suterénu MIT Budova 8, která se nachází kobalt-60 ozařovač, který emituje gama záření, zdroj záření, který se obvykle používá komerčně k dekontaminaci potravin.

“neexistuje žádná zbytková radioaktivita z tohoto typu ozařování,” říká Short. “Pokud jste něco zasekli v reaktoru a ozařovali ho neutrony,vyšlo by to radioaktivní. Ale gama paprsky jsou jiný druh záření, který za většiny okolností nezanechává žádné stopy záření.”

tým vystavil různé šarže vloček nízké nebo vysoké dávce záření gama. Oni pak zem každé šarže vločky na prášek a smísí prášky s řadou cementové pasty vzorky, každý s tradiční Portlandský cement prášek a jeden ze dvou společných minerální látky: popílek (vedlejší produkt spalování uhlí) a křemičitý úlet (vedlejší produkt z výroby křemíku). Každý vzorek obsahoval asi 1,5 procenta ozářeného plastu.

Jakmile vzorky byly smíchány s vodou, vědci nalil směsi do válcové formy, dovolil jim, aby se léčit, odstranit plísně, a podrobí výsledné betonové válce na kompresní testy. Měřili sílu každého vzorku a ve srovnání s podobnými vzorky vyrobené s pravidelným, nonirradiated plastu, stejně jako u vzorků obsahujících žádný plast.

zjistili, že vzorky s běžným plastem byly obecně slabší než vzorky bez plastu. Beton s popílkem nebo výparem oxidu křemičitého byl silnější než beton vyrobený pouze z portlandského cementu. A přítomnost ozářených plastu spolu s popílek posílil beton ještě dále, což zvyšuje jeho pevnost až o 15 procent ve srovnání se vzorky vyrobené jen s Portlandského cementu, zejména ve vzorcích s vysokou dávkou ozáření plastu.

betonové silnici před sebou

Po kompresi testy, vědci šli ještě o krok dále, za použití různých zobrazovacích technik zkoumat vzorky pro vodítka k tomu, proč ozářených plastové přinesly silnější betonu.

tým vzal vzorky na Argonne National Laboratory a Centrum pro materiálové Vědy a techniky (CMSE) na MIT, kde jsou analyzovány pomocí X-ray difrakce, difrakce zpětně odražených elektronů mikroskopie, X-ray microtomography. Snímky s vysokým rozlišením odhalily, že vzorky obsahující ozářený plast, zejména při vysokých dávkách, vykazovaly krystalické struktury s více zesítěním, nebo molekulární spojení. V těchto vzorcích, krystalická struktura se také zdálo blokovat póry v betonu, což vzorků více husté, a proto silnější.

“na nanoúrovni tento ozářený plast ovlivňuje krystalinitu betonu,” říká Kupwade-Patil. “Ozářený plast má určitou reaktivitu, a když se mísí s portlandským cementem a popílkem, všechny tři dohromady dávají magický vzorec a získáte silnější beton.”

“Máme zjištěno, že v rámci parametrů náš testovací program, tím vyšší ozáření dávka, tím vyšší je pevnost betonu, takže je potřeba další výzkum přizpůsobit směsi a optimalizovat proces s ozářením pro nejefektivnější výsledky,” Kupwade-Patil říká. “Metoda má potenciál dosáhnout udržitelných řešení se zlepšeným výkonem pro strukturální i nestrukturální aplikace.”

do budoucna tým plánuje experimentovat s různými typy plastů, spolu s různými dávkami gama záření, určit jejich účinky na beton. Prozatím zjistili, že nahrazení asi 1,5 procenta betonu ozářeným plastem může výrazně zlepšit jeho pevnost. I když se to může zdát jako malý zlomek, krátký říká, implementováno v globálním měřítku, nahrazení I tohoto množství betonu by mohlo mít významný dopad.

“beton produkuje asi 4,5 procenta světových emisí oxidu uhličitého,” říká Short. “Neber to 1,5 procenta, a ty už mluvíš o 0.0675 procent světových emisí oxidu uhličitého. To je obrovské množství skleníkových plynů najednou.”

“Tento výzkum je dokonalým příkladem interdisciplinární multiteam pracovat na kreativní řešení, a představuje model vzdělávací zkušenost,” Büyüköztürk říká.

Tento příběh byl aktualizován na vyjasnit, že se konkrétní obsahující jak ozářených plastu a popílek, spíše než s ozářených plastu sám, je silnější, a to až o 15 procent, ve srovnání s konvenčním betonem.