MIT-studerende befæstede beton ved at tilføje genanvendt plast

kasserede plastflasker kunne en dag bruges til at bygge stærkere, mere fleksible betonkonstruktioner, fra fortove og gadebarrierer, til bygninger og broer, ifølge en ny undersøgelse.

MIT-studerende har fundet ud af, at ved at udsætte plastflager for små, ufarlige doser gammastråling og derefter pulverisere flagerne til et fint pulver, kan de blande den bestrålede plast med cementpasta og flyveaske for at producere beton, der er op til 15 procent stærkere end konventionel beton.

beton er efter vand det næstmest anvendte materiale på planeten. Fremstilling af beton genererer omkring 4,5 procent af verdens menneskeskabte kulstofemissioner. Udskiftning af selv en lille del beton med bestrålet plast kan således hjælpe med at reducere cementindustriens globale kulstofaftryk.

genbrug af plast som betontilsætningsstoffer kunne også omdirigere gamle vand-og sodavandflasker, hvoraf størstedelen ellers ville ende på en losseplads.

“der er en enorm mængde plast, der deponeres hvert år,” siger Michael Short, adjunkt i MIT ‘ s Institut for nuklear videnskab og teknik. “Vores teknologi tager plastik ud af lossepladsen, låser det op i beton og bruger også mindre cement til at fremstille betonen, hvilket giver færre kulstofemissioner. Dette har potentialet til at trække plastaffald ud af lossepladsen og ind i bygninger, hvor det rent faktisk kunne bidrage til at gøre dem stærkere.”

holdet inkluderer Carolyn Schaefer ’17 Og mit senior Michael Ortega, der startede forskningen som et klasseprojekt; Kunal Kupvade-Patil, forsker ved Institut for Civil-og Miljøteknik; Anne hvid, lektor ved Institut for nuklear videnskab og teknik; mundtlig B. P. P. P. P. P. P., professor ved Institut for Civil-og Miljøteknik; Carmen Soriano fra Argonne National Laboratory; og Short. Det nye papir vises i tidsskriftet affaldshåndtering.

“dette er en del af vores dedikerede indsats i vores laboratorium for at involvere studerende i fremragende forskningserfaringer, der beskæftiger sig med innovationer på jagt efter nye, bedre betonmaterialer med en forskellig klasse af tilsætningsstoffer til forskellige kemikalier,” siger B. “Resultaterne fra dette bachelorstudereprojekt åbner en ny arena i søgen efter løsninger på bæredygtig infrastruktur.”

en ide, krystalliseret

Schaefer og Ortega begyndte at undersøge muligheden for plastforstærket beton som en del af 22.033 (Nuclear Systems Design Project), hvor eleverne blev bedt om at vælge deres eget projekt.

” de ønskede at finde måder at sænke kulstofemissioner, der ikke kun var,” lad os bygge atomreaktorer, ” siger Short. “Betonproduktion er en af de største kilder til kulsyre, og de kom til at tænke:” hvordan kunne vi angribe det?’De kiggede gennem litteraturen, og så krystalliserede en ide.”

eleverne lærte, at andre har forsøgt at introducere plast i cementblandinger, men plasten svækkede den resulterende beton. Efter at have undersøgt yderligere fandt de bevis for, at udsættelse af plast for doser af gammastråling får materialets krystallinske struktur til at ændre sig på en måde, så plasten bliver stærkere, stivere og hårdere. Ville bestråling af plast faktisk arbejde for at styrke beton?

for at besvare dette spørgsmål fik de studerende først flager af polyethylenterephthalat — plastmateriale, der blev brugt til at fremstille vand — og sodavandsflasker-fra et lokalt genbrugsanlæg. Schaefer og Ortega sorteres manuelt gennem flagerne for at fjerne metalstykker og andet affald. De gik derefter plastprøverne ned til kælderen i MIT ‘ s Building 8, der huser en cobalt-60-stråler, der udsender gammastråler, en strålingskilde, der typisk bruges kommercielt til at dekontaminere mad.

“der er ingen resterende radioaktivitet fra denne type bestråling,” siger Short. “Hvis du stak noget i en reaktor og bestrålede det med neutroner, ville det komme ud radioaktivt. Men gammastråler er en anden form for stråling, der under de fleste omstændigheder ikke efterlader spor af stråling.”

holdet udsatte forskellige partier flager for enten en lav eller høj dosis gammastråler. De malede derefter hvert parti flager i et pulver og blandede pulverne med en række cementpastaprøver, hver med traditionelt Portlandcementpulver og et af to almindelige mineraladditiver: FLYVEASKE (et biprodukt af kulforbrænding) og silica-røg (et biprodukt af siliciumproduktion). Hver prøve indeholdt omkring 1,5 procent bestrålet plast.

når prøverne blev blandet med vand, hældte forskerne blandingerne i cylindriske forme, lod dem hærde, fjernede formene og udsatte de resulterende betoncylindre for kompressionstest. De målte styrken af hver prøve og sammenlignede den med lignende prøver fremstillet med almindelig, ikke-bestrålet plast såvel som med prøver, der slet ikke indeholder plast.

de fandt ud af, at prøver med almindelig plast generelt var svagere end dem uden plastik. Betonen med flyveaske eller silica røg var stærkere end beton lavet med bare Portlandcement. Og tilstedeværelsen af bestrålet plast sammen med flyveaske styrkede betonen yderligere og øgede dens styrke med op til 15 procent sammenlignet med prøver lavet bare med Portlandcement, især i prøver med højdosis bestrålet plast.

betonvejen foran

efter kompressionstestene gik forskerne et skridt videre ved hjælp af forskellige billeddannelsesteknikker til at undersøge prøverne for spor om, hvorfor bestrålet plast gav stærkere beton.

holdet tog deres prøver til Argonne National Laboratory og Center for Materials Science and Engineering (CMSE) på MIT, hvor de analyserede dem ved hjælp af røntgendiffraktion, backscattered elektronmikroskopi og Røntgenmikrotomografi. Billederne i høj opløsning afslørede, at prøver indeholdende bestrålet plast, især ved høje doser, udviste krystallinske strukturer med mere tværbinding eller molekylære forbindelser. I disse prøver syntes den krystallinske struktur også at blokere porer i beton, hvilket gjorde prøverne mere tætte og derfor stærkere.

“på nanoniveau påvirker denne bestrålede plast betonets krystallinitet,” siger Kupvade-Patil. “Den bestrålede plast har en vis reaktivitet, og når den blandes med Portlandcement og flyveaske, giver alle tre sammen den magiske formel, og du får stærkere beton.”

” vi har observeret, at inden for parametrene i vores testprogram, jo højere den bestrålede dosis, jo højere styrke af beton, så der er behov for yderligere forskning for at skræddersy blandingen og optimere processen med bestråling for de mest effektive resultater,” siger Kupvade-Patil. “Metoden har potentialet til at opnå bæredygtige løsninger med forbedret ydeevne til både strukturelle og ikke-strukturelle applikationer.”

fremadrettet planlægger teamet at eksperimentere med forskellige typer plast sammen med forskellige doser gammastråling for at bestemme deres virkning på beton. 1,5 procent af beton med bestrålet plast kan forbedre dens styrke betydeligt. Selvom det kan virke som en lille brøkdel, siger Short, implementeret på globalt plan, kan udskiftning af selv den mængde beton have en betydelig indvirkning.

” beton producerer omkring 4,5 procent af verdens kulstofemissioner,” siger Short. “Tag 1,5 procent af det ud, og du taler allerede om 0,0675 procent af verdens kulstofemissioner. Det er en enorm mængde drivhusgasser i et fald.”

” denne forskning er et perfekt eksempel på tværfagligt multiteam-arbejde mod kreative løsninger og repræsenterer en modelpædagogisk oplevelse, ” siger B.

denne historie er blevet opdateret for at præcisere, at beton, der indeholder både bestrålet plast og flyveaske, snarere end med bestrålet plast alene, er stærkere med op til 15 procent sammenlignet med konventionel beton.