Estudiantes del MIT fortalecen el concreto agregando plástico reciclado
Las botellas de plástico desechadas podrían usarse algún día para construir estructuras de concreto más fuertes y flexibles, desde aceras y barreras en las calles hasta edificios y puentes, según un nuevo estudio.
Los estudiantes de pregrado del MIT han descubierto que, al exponer las escamas de plástico a pequeñas e inofensivas dosis de radiación gamma, y luego pulverizar las escamas en un polvo fino, pueden mezclar el plástico irradiado con pasta de cemento y cenizas volantes para producir concreto que es hasta un 15 por ciento más fuerte que el concreto convencional.
El hormigón es, después del agua, el segundo material más utilizado en el planeta. La fabricación de concreto genera alrededor del 4,5 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono inducidas por el hombre en el mundo. Reemplazar incluso una pequeña porción de concreto con plástico irradiado podría ayudar a reducir la huella de carbono global de la industria del cemento.
La reutilización de plásticos como aditivos para hormigón también podría redirigir botellas viejas de agua y refrescos, la mayor parte de las cuales, de lo contrario, terminarían en un vertedero.
” Hay una gran cantidad de plástico que se deposita en vertederos cada año”, dice Michael Short, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT. “Nuestra tecnología saca el plástico del vertedero, lo encierra en concreto y también utiliza menos cemento para fabricar el concreto, lo que genera menos emisiones de dióxido de carbono. Esto tiene el potencial de sacar los residuos plásticos del vertedero y llevarlos a los edificios, donde en realidad podría ayudar a hacerlos más fuertes.”
El equipo incluye a Carolyn Schaefer ‘ 17 y Michael Ortega, senior del MIT, quien inició la investigación como un proyecto de clase; Kunal Kupwade-Patil, un científico investigador en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental; Anne White, profesora asociada en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear; Oral Büyüköztürk, profesora en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental; Carmen Soriano, del Laboratorio Nacional Argonne;y Short. El nuevo artículo aparece en la revista Waste Management.
“Esto es parte de nuestro esfuerzo dedicado en nuestro laboratorio para involucrar a los estudiantes universitarios en experiencias de investigación sobresalientes relacionadas con innovaciones en busca de materiales de concreto nuevos y mejores con una clase diversa de aditivos de diferentes químicas”, dice Büyüköztürk, director de Laboratorio para Ciencia de Infraestructura y Sostenibilidad. “Los hallazgos de este proyecto de estudiantes de pregrado abren un nuevo campo en la búsqueda de soluciones para la infraestructura sostenible.”
Una idea, cristalizada
Schaefer y Ortega comenzaron a explorar la posibilidad de hormigón reforzado con plástico como parte de 22.033 (Proyecto de Diseño de Sistemas Nucleares), en el que se les pidió a los estudiantes que eligieran su propio proyecto.
” Querían encontrar formas de reducir las emisiones de dióxido de carbono que no fueran solo ‘construyamos reactores nucleares'”, dice Short. “La producción de concreto es una de las mayores fuentes de dióxido de carbono, y se pusieron a pensar, ‘¿cómo podríamos atacar eso?”Miraron a través de la literatura, y luego se cristalizó una idea.”
Los estudiantes aprendieron que otros han tratado de introducir plástico en mezclas de cemento, pero el plástico debilitó el hormigón resultante. Investigando más a fondo, encontraron evidencia de que la exposición del plástico a dosis de radiación gamma hace que la estructura cristalina del material cambie de una manera que el plástico se vuelve más fuerte, rígido y resistente. ¿El plástico irradiado realmente funcionaría para fortalecer el hormigón?
Para responder a esa pregunta, los estudiantes primero obtuvieron copos de tereftalato de polietileno — material plástico utilizado para hacer botellas de agua y refrescos — de una instalación de reciclaje local. Schaefer y Ortega ordenaron manualmente las escamas para eliminar trozos de metal y otros residuos. Luego llevaron las muestras de plástico hasta el sótano del edificio 8 del MIT, que alberga un irradiante de cobalto-60 que emite rayos gamma, una fuente de radiación que se usa típicamente comercialmente para descontaminar alimentos.
” No hay radiactividad residual de este tipo de irradiación”, dice Short. “Si estás atascado algo en un reactor y irradiados con neutrones, saldría radiactivos. Pero los rayos gamma son un tipo diferente de radiación que, en la mayoría de las circunstancias, no deja rastro de radiación.”
El equipo expuso varios lotes de copos a una dosis baja o alta de rayos gamma. A continuación, molieron cada lote de copos en un polvo y mezclaron los polvos con una serie de muestras de pasta de cemento, cada una con polvo de cemento Portland tradicional y uno de los dos aditivos minerales comunes: cenizas volantes (un subproducto de la combustión de carbón) y humo de sílice (un subproducto de la producción de silicio). Cada muestra contenía aproximadamente un 1,5 por ciento de plástico irradiado.
Una vez que las muestras se mezclaron con agua, los investigadores vertieron las mezclas en moldes cilíndricos, les permitieron curar, retiraron los moldes y sometieron los cilindros de concreto resultantes a pruebas de compresión. Midieron la resistencia de cada muestra y la compararon con muestras similares hechas con plástico normal no irradiado, así como con muestras que no contenían plástico en absoluto.
Encontraron que, en general, las muestras con plástico regular eran más débiles que las que no tenían plástico. El concreto con cenizas volantes o humo de sílice era más resistente que el concreto hecho solo con cemento Portland. Y la presencia de plástico irradiado junto con cenizas volantes fortaleció aún más el hormigón, aumentando su resistencia hasta en un 15 por ciento en comparación con las muestras hechas solo con cemento Portland, particularmente en muestras con plástico irradiado de alta dosis.
El camino de hormigón por delante
Después de las pruebas de compresión, los investigadores dieron un paso más, utilizando varias técnicas de imágenes para examinar las muestras en busca de pistas sobre por qué el plástico irradiado produjo concreto más fuerte.
El equipo llevó sus muestras al Laboratorio Nacional Argonne y al Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales (CMSE) del MIT, donde las analizaron mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica retrodispersión y microtomografía de rayos X. Las imágenes de alta resolución revelaron que las muestras que contenían plástico irradiado, particularmente en dosis altas, exhibían estructuras cristalinas con más enlaces cruzados o conexiones moleculares. En estas muestras, la estructura cristalina también parecía bloquear los poros dentro del concreto, haciendo que las muestras fueran más densas y, por lo tanto, más fuertes.
“A un nivel nano, este plástico irradiado afecta la cristalinidad del hormigón”, dice Kupwade-Patil. “El plástico irradiado tiene cierta reactividad, y cuando se mezcla con cemento Portland y cenizas volantes, los tres juntos dan la fórmula mágica, y obtienes concreto más fuerte.”
“Hemos observado que, dentro de los parámetros de nuestro programa de pruebas, cuanto mayor es la dosis irradiada, mayor es la resistencia del hormigón, por lo que se necesita más investigación para adaptar la mezcla y optimizar el proceso con irradiación para obtener los resultados más efectivos”, dice Kupwade-Patil. “El método tiene el potencial de lograr soluciones sostenibles con un rendimiento mejorado para aplicaciones estructurales y no estructurales.”
En el futuro, el equipo planea experimentar con diferentes tipos de plásticos, junto con varias dosis de radiación gamma, para determinar sus efectos en el hormigón. Por ahora, han descubierto que la sustitución de aproximadamente el 1,5 por ciento del hormigón por plástico irradiado puede mejorar significativamente su resistencia. Si bien eso puede parecer una pequeña fracción, dice Short, implementada a escala mundial, reemplazar incluso esa cantidad de concreto podría tener un impacto significativo.
” El hormigón produce aproximadamente el 4,5 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono del mundo”, dice Short. “Saca el 1,5 por ciento de eso, y ya estás hablando del 0,0675 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono del mundo. Es una gran cantidad de gases de efecto invernadero de un solo golpe.”
“Esta investigación es un ejemplo perfecto de trabajo interdisciplinario multiteam hacia soluciones creativas, y representa una experiencia educativa modelo”, dice Büyüköztürk.
Esta historia se ha actualizado para aclarar que el concreto que contiene plástico irradiado y cenizas volantes, en lugar de solo plástico irradiado, es más fuerte, hasta en un 15 por ciento, en comparación con el concreto convencional.
