mit: n opiskelijat linnoittavat betonia lisäämällä kierrätysmuovia

käytöstä poistettuja muovipulloja voitaisiin uuden tutkimuksen mukaan jonain päivänä käyttää vahvempien, joustavampien betonirakenteiden rakentamiseen jalkakäytäviltä ja katuesteistä rakennuksiin ja siltoihin.

MIT: n perustutkinto-opiskelijat ovat havainneet, että altistamalla muovihiutaleet pienille, vaarattomille gammasäteilyannoksille ja jauhamalla hiutaleet hienoksi jauheeksi he voivat sekoittaa säteilytettyä muovia sementtitahnaan ja lentotuhkaan ja tuottaa betonia, joka on jopa 15 prosenttia vahvempaa kuin tavanomainen betoni.

betoni on veden jälkeen planeetan toiseksi käytetyin materiaali. Betonin valmistus tuottaa noin 4,5 prosenttia maailman ihmisen aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä. Pienenkin osan betonista korvaaminen säteilytetyllä muovilla voisi näin vähentää sementtiteollisuuden maailmanlaajuista hiilijalanjälkeä.

muovien uudelleenkäyttö betonin lisäaineina voisi ohjata myös vanhoja vesi-ja soodapulloja, joista pääosa muuten päätyisi kaatopaikalle.

“vuosittain kaatopaikalle päätyy valtava määrä muovia”, sanoo mit: n Ydintieteen ja-tekniikan laitoksen apulaisprofessori Michael Short. “Teknologiamme vie muovin pois kaatopaikalta, lukitsee sen betoniin ja käyttää myös vähemmän sementtiä betonin valmistukseen, mikä tekee vähemmän hiilidioksidipäästöjä. Tällä on mahdollista vetää muoviset kaatopaikkajätteet pois kaatopaikalta rakennuksiin, joissa ne voisivat itse asiassa vahvistua.”

ryhmään kuuluvat Carolyn Schaefer ‘ 17 ja MIT: n vanhempi Michael Ortega, jotka aloittivat tutkimuksen luokkaprojektina; Kunal Kupwade-Patil, siviili-ja ympäristötekniikan laitoksen tutkija; Anne White, apulaisprofessori Department of Nuclear Science and Engineering; Oral Büyüköztürk, professori Department of Civil and Environmental Engineering; Carmen Soriano, Argonne National Laboratory; ja lyhyt. Uusi paperi ilmestyy Jätehuolto-lehdessä.

“tämä on osa omistautunutta ponnisteluamme laboratoriossamme saadaksemme opiskelijat mukaan erinomaisiin tutkimuskokemuksiin, jotka koskevat innovaatioita uusien, parempien betonimateriaalien etsimisessä, jossa on erilaisia lisäaineita eri kemisteissä”, sanoo Büyüköztürk, joka on Laboratory for Infrastructure Science and Sustainability-laboratorion johtaja. “Tämän perustutkinto-opiskelijahankkeen tulokset avaavat uuden areenan kestävän infrastruktuurin ratkaisujen etsinnässä.”

idea, kiteytettynä

Schaefer ja Ortega alkoivat tutkia muovi-Teräsbetonin mahdollisuutta osana 22.033 (Nuclear Systems Design Project) – projektia, jossa opiskelijoita pyydettiin valitsemaan oma projektinsa.

” he halusivat löytää keinoja vähentää hiilidioksidipäästöjä, jotka eivät olleet vain ‘rakennetaan ydinreaktoreita'”, Short sanoo. “Betonin tuotanto on suurimpia hiilidioksidin lähteitä, ja he alkoivat ajatella: ‘miten voisimme hyökätä sitä vastaan? He katsoivat kirjallisuutta, ja sitten ajatus kiteytyi.”

oppilaat saivat tietää, että muut ovat yrittäneet lisätä muovia sementtiseoksiin, mutta muovi heikensi syntynyttä betonia. Tutkiessaan asiaa tarkemmin he löysivät todisteita siitä, että muovin altistaminen gammasäteilylle saa materiaalin kiderakenteen muuttumaan siten, että muovista tulee vahvempaa, jäykempää ja kovempaa. Voisiko muovin säteilyttäminen todella vahvistaa betonia?

vastatakseen tähän kysymykseen oppilaat hankkivat ensin polyeteenitereftalaattihiutaleita — vesi-ja soodapullojen valmistuksessa käytettävää muovimateriaalia-paikallisesta kierrätyslaitoksesta. Schaefer ja Ortega lajiteltiin käsin hiutaleiden läpi metallin ja muiden roskien poistamiseksi. Sitten he kävelivät muovinäytteet alas mit: n rakennuksen 8 kellariin, jossa on koboltti-60-säteilyttäjä, joka lähettää gammasäteitä, säteilylähdettä, jota käytetään tyypillisesti kaupallisesti ruoan puhdistamiseen.

“tämäntyyppisestä säteilytyksestä ei jää radioaktiivisuutta jäljelle”, Short sanoo. “Jos laittaisi jotain reaktoriin ja säteilyttäisi sitä neutroneilla, se tulisi ulos radioaktiivisena. Gammasäteily on kuitenkin erilaista säteilyä, joka useimmissa olosuhteissa ei jätä jälkeäkään säteilystä.”

ryhmä altisti erilaisia hiutaleita joko pienelle tai suurelle annokselle gammasäteitä. Sen jälkeen he jauhoivat jokaisen hiutaleerän jauheeksi ja sekoittivat jauheet sarjaan sementtitahnanäytteitä, joissa kussakin oli perinteistä Portlandsementtijauhetta ja yksi kahdesta tavallisesta kivennäisainelisäaineesta: lentotuhka (kivihiilen polton sivutuote) ja piidioksidisumu (piituotannon sivutuote). Kukin näyte sisälsi noin 1,5 prosenttia säteilytettyä muovia.

kun näytteet oli sekoitettu veteen, tutkijat kaatoivat seokset lieriömäisiin muotteihin, antoivat niiden parantua, poistivat muotit ja tekivät tuloksena oleville betonisylintereille puristuskokeita. He mittasivat kunkin näytteen vahvuuden ja vertasivat sitä vastaaviin näytteisiin, jotka oli tehty tavallisesta, säteilemättömästä muovista, sekä näytteisiin, jotka eivät sisältäneet muovia lainkaan.

he havaitsivat, että tavallista muovia sisältävät näytteet olivat yleensä heikompia kuin ne, joissa ei ollut lainkaan muovia. Lentotuhkaa tai piidioksidisumua sisältävä betoni oli vahvempaa kuin pelkällä Portlandsementillä tehty betoni. Säteilytetyn muovin ja lentotuhkan läsnäolo vahvisti betonia entisestään ja lisäsi sen lujuutta jopa 15 prosenttia verrattuna pelkästään portlandsementistä tehtyihin näytteisiin, erityisesti näytteisiin, joissa käytettiin suuriannoksista säteilytettyä muovia.

edessä oleva betonitie

puristuskokeiden jälkeen tutkijat menivät askeleen pidemmälle, käyttäen erilaisia kuvantamistekniikoita tutkiakseen näytteistä vihjeitä siitä, miksi säteilytetty muovi tuotti vahvempaa betonia.

ryhmä vei näytteensä Argonne National Laboratoryyn ja MIT: n materiaalitieteen ja-tekniikan keskukseen (Center for Materials Science and Engineering, CMSE), jossa ne analysoitiin röntgendiffraktiolla, takaisinsirotulla elektronimikroskopialla ja Röntgenmikrotomografialla. Korkearesoluutioiset kuvat paljastivat, että säteilytettyä muovia sisältäneissä näytteissä oli etenkin suurina annoksina kiteisiä rakenteita, joissa oli enemmän ristikkäis-eli molekyyliliitoksia. Näissä näytteissä kiderakenne näytti myös tukkivan betonin sisällä olevia huokosia, jolloin näytteistä tuli tiheämpiä ja siten vahvempia.

“nanotasolla tämä säteilytetty muovi vaikuttaa betonin kristallipitoisuuteen”, Kupwade-Patil sanoo. “Säteilytetyllä muovilla on jonkin verran reaktiivisuutta, ja kun se sekoittuu Portlandsementtiin ja lentotuhkaan, kaikki kolme yhdessä antavat maagisen kaavan, ja saat vahvempaa betonia.”

” olemme havainneet, että mitä suurempi säteilytetty annos on, sitä suurempi on betonin lujuus, joten lisätutkimuksia tarvitaan seoksen räätälöimiseksi ja prosessin optimoimiseksi säteilytyksellä tehokkaimpien tulosten saavuttamiseksi”, Kupwade-Patil sanoo. “Menetelmällä on mahdollista saavuttaa kestäviä ratkaisuja, jotka parantavat suorituskykyä sekä rakenteellisissa että ei-rakenteellisissa sovelluksissa.”

jatkossa ryhmä aikoo kokeilla erilaisia muoveja sekä erilaisia gammasäteilyannoksia selvittääkseen niiden vaikutuksia betoniin. Toistaiseksi he ovat havainneet, että noin 1,5 prosentin betonin korvaaminen säteilytetyllä muovilla voi parantaa merkittävästi betonin lujuutta. Vaikka se saattaa Shortin mukaan vaikuttaa globaalissa mittakaavassa toteutettuna pieneltä murto-osalta, jo tuon betonimäärän korvaamisella voisi olla merkittävä vaikutus.

“Betoni tuottaa noin 4,5 prosenttia maailman hiilidioksidipäästöistä”, Short sanoo. “Kun siitä otetaan pois 1,5 prosenttia, puhutaan jo 0,0675 prosentista maailman hiilidioksidipäästöistä. Se on valtava määrä kasvihuonekaasuja yhdellä iskulla.”

“tämä tutkimus on täydellinen esimerkki poikkitieteellisestä monialaisesta työstä kohti luovia ratkaisuja ja edustaa mallikasvatuksellista kokemusta”, büyüköztürk sanoo.

tätä juttua on päivitetty selventämään, että betoni, joka sisältää sekä säteilytettyä muovia että lentotuhkaa pelkän säteilytetyn muovin sijaan, on vahvempaa, jopa 15 prosenttia, verrattuna tavanomaiseen betoniin.