MIT diákok megerősítik beton hozzáadásával újrahasznosított műanyag

eldobott műanyag palackok egy nap lehet használni, hogy építsenek erősebb, rugalmasabb betonszerkezetek, a járdák és utcai akadályok, az épületek és hidak, egy új tanulmány szerint.

az MIT egyetemi hallgatói azt találták, hogy a műanyag pelyheket kis, ártalmatlan dózisú gamma-sugárzásnak teszik ki, majd a pelyheket finom porrá porítják, összekeverhetik a besugárzott műanyagot cementpasztával és pernye hogy akár 15 százalékkal erősebb betont állítsanak elő, mint a hagyományos beton.

a beton a víz után a második legszélesebb körben használt anyag a bolygón. A betongyártás a világ ember által kiváltott szén-dioxid-kibocsátásának mintegy 4,5% – át termeli. Így a beton egy kis részének besugárzott műanyaggal való helyettesítése hozzájárulhat a cementipar globális szénlábnyomának csökkentéséhez.

a műanyagok beton adalékanyagként történő újrafelhasználása a régi víz-és üdítőpalackokat is átirányíthatja, amelyek nagy része egyébként hulladéklerakóba kerülne.

“hatalmas mennyiségű műanyag kerül hulladéklerakóba minden évben” – mondja Michael Short, az MIT nukleáris tudományos és mérnöki tanszékének adjunktusa. “Technológiánk kiveszi a műanyagot a hulladéklerakóból, betonba zárja, és kevesebb cementet használ a beton előállításához, ami kevesebb szén-dioxid-kibocsátást eredményez. Ez azzal a potenciállal rendelkezik, hogy a műanyag hulladéklerakókat a hulladéklerakóból az épületekbe húzza, ahol ténylegesen elősegítheti azok erősebbé tételét.”

a csapat magában foglalja Carolyn Schaefer ’17-et és az MIT vezető Michael Ortega-t, akik osztályprojektként kezdeményezték a kutatást; Kunal Kupwade-Patil, a polgári és Környezetmérnöki Tanszék kutatója; Anne Fehér, egyetemi docens a Tanszék a Nukleáris Tudomány, Mérnöki; Szóbeli Büyüköztürk, egy professzor a Tanszék Polgári jogi, Környezetvédelmi Mérnöki; Carmen Soriano az Argonne Nemzeti Laboratórium; Rövid. Az új cikk a hulladékgazdálkodás folyóiratban jelenik meg.

“ez a laboratóriumunk elkötelezett erőfeszítéseinek része, hogy az egyetemistákat bevonjuk az innovációkkal kapcsolatos kiemelkedő kutatási tapasztalatokba, új, jobb betonanyagok keresésében, különböző kémiai adalékanyagokkal” – mondja B. számú, az Infrastruktúratudományi és fenntarthatósági Laboratórium igazgatója. “Az egyetemi hallgatói projekt eredményei új arénát nyitnak a fenntartható infrastruktúra megoldásainak keresésében.”

egy ötlet, kikristályosodott

Schaefer és Ortega kezdte felfedezni a lehetőségét műanyag-vasbeton részeként 22.033 (Nuclear Systems Design Project), amelyben a diákok arra kérték, hogy válassza ki a saját projekt.

“olyan módszereket akartak találni a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére, amelyek nem csak “építsünk atomreaktorokat” – mondja Short. “A betongyártás az egyik legnagyobb szén-dioxid-forrás, és arra gondoltak ,hogy” hogyan tudnánk ezt megtámadni? Átnézték az irodalmat, majd egy ötlet kristályosodott ki.”

a diákok megtudták, hogy mások megpróbálták bevezetni a műanyagot a cementkeverékekbe, de a műanyag gyengítette a kapott betont. További vizsgálatok során bizonyítékot találtak arra, hogy a műanyagot gamma-sugárzásnak kitéve az anyag kristályszerkezete megváltozik oly módon, hogy a műanyag erősebbé, merevebbé és keményebbé válik. A műanyag besugárzása valóban megerősítené a betont?

hogy megválaszolják ezt a kérdést, a diákok először polietilén — tereftalát pelyheket — víz-és üdítőpalackok készítéséhez használt műanyagot-szereztek be egy helyi újrahasznosító létesítményből. Schaefer és Ortega kézzel válogatta át a pelyheket, hogy eltávolítsa a fémdarabokat és más törmelékeket. Ezután a műanyag mintákat az MIT 8. épületének alagsorába vitték, ahol egy kobalt-60 besugárzó található, amely gammasugarakat bocsát ki, egy olyan sugárforrást, amelyet általában kereskedelmi forgalomban használnak az élelmiszerek fertőtlenítésére.

“az ilyen típusú besugárzásból nincs maradék radioaktivitás” – mondja Short. “Ha valamit beragasztunk egy reaktorba, és neutronokkal besugározzuk, az radioaktívvá válik. De a gammasugarak egy másfajta sugárzás, amely a legtöbb esetben nem hagy nyomot a sugárzásnak.”

a csapat különböző pelyhek tételeit tette ki alacsony vagy nagy dózisú gammasugaraknak. Ezután a pelyhek minden egyes tételét porrá őrölték, és a porokat cementpasztaminták sorozatával keverték össze, mindegyik hagyományos Portlandcementporral és két általános ásványi adalékanyag egyikével: pernye (a szénégetés mellékterméke) és szilícium-dioxid-füst (a szilíciumgyártás mellékterméke). Mindegyik minta körülbelül 1,5% besugárzott műanyagot tartalmazott.

miután a mintákat vízzel összekeverték, a kutatók a keverékeket hengeres formákba öntötték, lehetővé tették a kikeményedést, eltávolították a formákat, és a kapott betonhengereket kompressziós teszteknek vetették alá. Megmérték az egyes minták szilárdságát, és összehasonlították a szokásos, nem sugárzó műanyagból készült hasonló mintákkal, valamint olyan mintákkal, amelyek egyáltalán nem tartalmaznak műanyagot.

azt találták, hogy általában a szokásos műanyag minták gyengébbek voltak, mint a műanyag nélküli minták. A pernye vagy szilícium-dioxid-füst beton erősebb volt, mint a csak Portlandcementből készült beton. A besugárzott műanyag és a pernye jelenléte pedig még tovább erősítette a betont, akár 15 százalékkal növelve annak szilárdságát a Portlandcementből készült mintákhoz képest, különösen a nagy dózisú besugárzott műanyag mintákban.

az előttünk álló betonút

a kompressziós tesztek után a kutatók egy lépéssel tovább mentek, különféle képalkotó technikák alkalmazásával, hogy megvizsgálják a mintákat arra vonatkozóan, hogy a besugárzott műanyag miért adott erősebb betont.

a csapat az Argonne Nemzeti laboratóriumba és az MIT Anyagtudományi és mérnöki központjába (CMSE) vitte a mintákat, ahol röntgen-diffrakcióval, visszaszórt elektronmikroszkóppal és röntgen-mikrotomográfiával elemezték őket. A nagy felbontású képek azt mutatták, hogy a besugárzott műanyagot tartalmazó minták, különösen nagy dózisokban, kristályos szerkezeteket mutattak, több térhálósodással vagy molekuláris kapcsolatokkal. Ezekben a mintákban úgy tűnt, hogy a kristályszerkezet blokkolja a beton pórusait is, így a minták sűrűbbek, ezért erősebbek.

“nano szinten ez a besugárzott műanyag befolyásolja a beton kristályosságát” -mondja Kupwade-Patil. “A besugárzott műanyagnak van némi reaktivitása, és amikor Portlandcementtel és pernye hamuval keveredik, mindhárom együtt adja a mágikus formulát, és erősebb betont kapunk.”

“megfigyeltük, hogy tesztprogramunk paraméterein belül minél nagyobb a besugárzott dózis, annál nagyobb a beton szilárdsága, ezért további kutatásokra van szükség a keverék testreszabásához és a folyamat besugárzással történő optimalizálásához a leghatékonyabb eredmények érdekében”-mondja Kupwade-Patil. “A módszer képes fenntartható megoldások elérésére, jobb teljesítménnyel mind strukturális, mind nem szerkezeti alkalmazásokhoz.”

a továbbiakban a csapat különböző típusú műanyagokkal, valamint különböző Gamma-sugárzási dózisokkal kíván kísérletezni, hogy meghatározzák a betonra gyakorolt hatásukat. Jelenleg azt találták, hogy a beton körülbelül 1, 5% – ának besugárzott műanyaggal való helyettesítése jelentősen javíthatja szilárdságát. Bár ez egy kis töredéknek tűnhet, Short szerint, globális szinten hajtják végre, még ennek a betonmennyiségnek a cseréje is jelentős hatással lehet.

“a beton a világ szén-dioxid-kibocsátásának körülbelül 4,5 százalékát állítja elő” – mondja Short. “Vegyük ki ennek 1,5 százalékát, és máris a világ szén-dioxid-kibocsátásának 0,0675 százalékáról beszélünk. Ez hatalmas mennyiségű üvegházhatású gáz egy csapásra.”

“ez a kutatás tökéletes példája az interdiszciplináris multiteam munkának a kreatív megoldások felé, és modell oktatási tapasztalatot képvisel” – mondja B.

ezt a történetet frissítették annak tisztázására, hogy a besugárzott műanyagot és pernye is tartalmazó beton, nem csak besugárzott műanyaggal, akár 15 százalékkal erősebb, mint a hagyományos beton.