Les étudiants du MIT fortifient le béton en ajoutant du plastique recyclé

Les bouteilles en plastique jetées pourraient un jour être utilisées pour construire des structures en béton plus solides et plus flexibles, des trottoirs et des barrières de rue aux bâtiments et ponts, selon une nouvelle étude.

Les étudiants de premier cycle du MIT ont découvert qu’en exposant des flocons de plastique à de petites doses inoffensives de rayonnement gamma, puis en pulvérisant les flocons en une poudre fine, ils peuvent mélanger le plastique irradié avec de la pâte de ciment et des cendres volantes pour produire du béton jusqu’à 15% plus résistant que le béton conventionnel.

Le béton est, après l’eau, le deuxième matériau le plus utilisé sur la planète. La fabrication du béton génère environ 4,5% des émissions mondiales de dioxyde de carbone d’origine humaine. Remplacer même une petite partie du béton par du plastique irradié pourrait ainsi contribuer à réduire l’empreinte carbone mondiale de l’industrie du ciment.

La réutilisation des plastiques comme additifs pour béton pourrait également rediriger les vieilles bouteilles d’eau et de soda, dont la majeure partie se retrouverait autrement dans une décharge.

“Il y a une énorme quantité de plastique qui est mise en décharge chaque année”, explique Michael Short, professeur adjoint au Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires du MIT. “Notre technologie extrait le plastique de la décharge, l’enferme dans le béton et utilise également moins de ciment pour fabriquer le béton, ce qui réduit les émissions de dioxyde de carbone. Cela a le potentiel d’extraire les déchets de décharge en plastique de la décharge et de les introduire dans les bâtiments, où cela pourrait en fait contribuer à les rendre plus solides.”

L’équipe comprend Carolyn Schaefer ’17 et Michael Ortega, senior du MIT, qui a initié la recherche en tant que projet de classe; Kunal Kupwade-Patil, chercheur au Département de Génie civil et environnemental; Anne White, professeure agrégée au Département de Sciences et d’Ingénierie Nucléaires; Oral Büyüköztürk, professeur au Département de Génie Civil et Environnemental; Carmen Soriano du Laboratoire National d’Argonne; et Short. Le nouvel article paraît dans la revue Waste Management.

“Cela fait partie de nos efforts consacrés dans notre laboratoire pour impliquer les étudiants de premier cycle dans des expériences de recherche exceptionnelles traitant des innovations à la recherche de nouveaux matériaux de béton de meilleure qualité avec une classe diversifiée d’additifs de différentes chimies”, explique Büyüköztürk, directeur du Laboratoire pour la science des infrastructures et la durabilité. “Les résultats de ce projet étudiant de premier cycle ouvrent une nouvelle arène dans la recherche de solutions pour une infrastructure durable.”

Une idée, cristallisée

Schaefer et Ortega ont commencé à explorer la possibilité du béton armé plastique dans le cadre de 22.033 (Projet de conception de systèmes nucléaires), dans lequel les étudiants étaient invités à choisir leur propre projet.

“Ils voulaient trouver des moyens de réduire les émissions de dioxyde de carbone qui ne se contentaient pas de “construisons des réacteurs nucléaires””, explique Short. “La production de béton est l’une des plus grandes sources de dioxyde de carbone, et ils se sont demandé: “comment pourrions-nous attaquer cela?”Ils ont regardé à travers la littérature, puis une idée s’est cristallisée.”

Les étudiants ont appris que d’autres ont essayé d’introduire du plastique dans des mélanges de ciment, mais le plastique a affaibli le béton résultant. En poursuivant leur enquête, ils ont trouvé des preuves que l’exposition du plastique à des doses de rayonnement gamma modifie la structure cristalline du matériau de manière à ce que le plastique devienne plus fort, plus rigide et plus résistant. L’irradiation du plastique fonctionnerait-elle réellement pour renforcer le béton?

Pour répondre à cette question, les élèves ont d’abord obtenu des flocons de polyéthylène téréphtalate — matière plastique utilisée pour fabriquer des bouteilles d’eau et de soda — dans une installation de recyclage locale. Schaefer et Ortega ont trié manuellement les flocons pour éliminer les morceaux de métal et autres débris. Ils ont ensuite descendu les échantillons de plastique au sous-sol du bâtiment 8 du MIT, qui abrite un irradiateur au cobalt 60 qui émet des rayons gamma, une source de rayonnement généralement utilisée dans le commerce pour décontaminer les aliments.

“Il n’y a pas de radioactivité résiduelle de ce type d’irradiation”, dit Short. “Si vous coinciez quelque chose dans un réacteur et que vous l’irradiiez avec des neutrons, il en sortirait radioactif. Mais les rayons gamma sont un autre type de rayonnement qui, dans la plupart des circonstances, ne laisse aucune trace de rayonnement.”

L’équipe a exposé divers lots de flocons à une dose faible ou élevée de rayons gamma. Ils ont ensuite broyé chaque lot de flocons en une poudre et mélangé les poudres avec une série d’échantillons de pâte de ciment, chacun avec de la poudre de ciment Portland traditionnelle et l’un des deux additifs minéraux courants: les cendres volantes (un sous-produit de la combustion du charbon) et les fumées de silice (un sous-produit de la production de silicium). Chaque échantillon contenait environ 1,5% de plastique irradié.

Une fois les échantillons mélangés à de l’eau, les chercheurs ont versé les mélanges dans des moules cylindriques, les ont laissés durcir, ont retiré les moules et ont soumis les cylindres de béton résultants à des tests de compression. Ils ont mesuré la résistance de chaque échantillon et l’ont comparé avec des échantillons similaires fabriqués avec du plastique ordinaire non irradié, ainsi qu’avec des échantillons ne contenant pas de plastique du tout.

Ils ont constaté que, en général, les échantillons avec du plastique ordinaire étaient plus faibles que ceux sans plastique. Le béton avec des cendres volantes ou des fumées de silice était plus résistant que le béton fabriqué uniquement avec du ciment Portland. Et la présence de plastique irradié et de cendres volantes a encore renforcé le béton, augmentant sa résistance jusqu’à 15% par rapport aux échantillons fabriqués uniquement avec du ciment Portland, en particulier dans les échantillons contenant du plastique irradié à haute dose.

La route du béton

Après les tests de compression, les chercheurs sont allés plus loin, en utilisant diverses techniques d’imagerie pour examiner les échantillons à la recherche d’indices sur les raisons pour lesquelles le plastique irradié a donné du béton plus résistant.

L’équipe a emmené ses échantillons au Laboratoire national d’Argonne et au Center for Materials Science and Engineering (CMSE) du MIT, où elle les a analysés en utilisant la diffraction des rayons X, la microscopie électronique rétrodiffusée et la microtomographie aux rayons X. Les images à haute résolution ont révélé que les échantillons contenant du plastique irradié, en particulier à fortes doses, présentaient des structures cristallines avec plus de réticulation, ou connexions moléculaires. Dans ces échantillons, la structure cristalline semblait également bloquer les pores dans le béton, rendant les échantillons plus denses et donc plus forts.

“Au niveau nanométrique, ce plastique irradié affecte la cristallinité du béton”, explique Kupwade-Patil. “Le plastique irradié a une certaine réactivité, et lorsqu’il se mélange au ciment Portland et aux cendres volantes, les trois donnent ensemble la formule magique, et vous obtenez un béton plus solide.”

“Nous avons observé que dans les paramètres de notre programme de test, plus la dose irradiée est élevée, plus la résistance du béton est élevée, de sorte que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour adapter le mélange et optimiser le processus avec l’irradiation pour les résultats les plus efficaces”, explique Kupwade-Patil. “La méthode a le potentiel d’obtenir des solutions durables avec des performances améliorées pour les applications structurelles et non structurelles.”

À l’avenir, l’équipe prévoit d’expérimenter différents types de plastiques, ainsi que diverses doses de rayonnement gamma, pour déterminer leurs effets sur le béton. Pour l’instant, ils ont constaté que la substitution d’environ 1, 5% du béton par du plastique irradié peut améliorer considérablement sa résistance. Bien que cela puisse sembler une petite fraction, dit Short, mise en œuvre à l’échelle mondiale, le remplacement même de cette quantité de béton pourrait avoir un impact significatif.

“Le béton produit environ 4,5% des émissions mondiales de dioxyde de carbone”, explique Short. “Retirez 1, 5% de cela, et vous parlez déjà de 0, 0675% des émissions mondiales de dioxyde de carbone. C’est une énorme quantité de gaz à effet de serre d’un seul coup.”

“Cette recherche est un parfait exemple de travail interdisciplinaire multi-équipes vers des solutions créatives et représente une expérience éducative modèle”, explique Büyüköztürk.

Cette histoire a été mise à jour pour préciser que le béton contenant à la fois du plastique irradié et des cendres volantes, plutôt que du plastique irradié seul, est plus résistant, jusqu’à 15%, par rapport au béton conventionnel.