Gli studenti del MIT fortificano il calcestruzzo aggiungendo plastica riciclata

Le bottiglie di plastica scartate potrebbero un giorno essere utilizzate per costruire strutture in calcestruzzo più forti e flessibili, da marciapiedi e barriere stradali, a edifici e ponti, secondo un nuovo studio.

Gli studenti universitari del MIT hanno scoperto che, esponendo i fiocchi di plastica a piccole dosi innocue di radiazioni gamma, quindi polverizzando i fiocchi in una polvere fine, possono mescolare la plastica irradiata con pasta di cemento e ceneri volanti per produrre calcestruzzo che è fino al 15% più forte del calcestruzzo convenzionale.

Il calcestruzzo è, dopo l’acqua, il secondo materiale più utilizzato del pianeta. La produzione di calcestruzzo genera circa il 4,5% delle emissioni di anidride carbonica indotte dall’uomo nel mondo. Sostituire anche una piccola porzione di calcestruzzo con plastica irradiata potrebbe quindi contribuire a ridurre l’impronta di carbonio globale dell’industria del cemento.

Il riutilizzo di materie plastiche come additivi per calcestruzzo potrebbe anche reindirizzare vecchie bottiglie di acqua e soda, la maggior parte delle quali altrimenti finirebbe in una discarica.

“C’è un’enorme quantità di plastica che viene messa in discarica ogni anno”, afferma Michael Short, un assistente professore nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria nucleare del MIT. “La nostra tecnologia estrae la plastica dalla discarica, la blocca nel calcestruzzo e utilizza anche meno cemento per produrre il calcestruzzo, il che rende meno emissioni di anidride carbonica. Ciò ha il potenziale per estrarre i rifiuti di plastica dalla discarica e negli edifici, dove potrebbe effettivamente contribuire a renderli più forti.”

Il team comprende Carolyn Schaefer ’17 e MIT senior Michael Ortega, che ha avviato la ricerca come un progetto di classe; Kunal Kupwade-Patil, un ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e ambientale; Anne White, professore associato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria Nucleare; Oral Büyüköztürk, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale; Carmen Soriano di Argonne National Laboratory; e Short. Il nuovo documento appare sulla rivista Waste Management.

“Questa è una parte del nostro impegno dedicato nel nostro laboratorio per coinvolgere studenti universitari in eccezionali esperienze di ricerca che si occupano di innovazioni alla ricerca di nuovi, migliori materiali concreti con una diversa classe di additivi di diverse chimiche”, afferma Büyüköztürk, che è il direttore del Laboratorio per la scienza delle infrastrutture e la sostenibilità. “I risultati di questo progetto di studenti universitari aprono una nuova arena nella ricerca di soluzioni per infrastrutture sostenibili.”

Un’idea, crystallized

Schaefer e Ortega hanno iniziato a esplorare la possibilità di cemento armato in plastica come parte di 22.033 (Nuclear Systems Design Project), in cui agli studenti è stato chiesto di scegliere il proprio progetto.

“Volevano trovare modi per ridurre le emissioni di anidride carbonica che non erano solo, ‘costruiamo reattori nucleari'”, dice Short. “La produzione di calcestruzzo è una delle più grandi fonti di anidride carbonica, e hanno avuto modo di pensare, ‘come potremmo attaccarlo?”Hanno guardato attraverso la letteratura, e poi un’idea si è cristallizzata.”

Gli studenti hanno appreso che altri hanno cercato di introdurre la plastica nelle miscele cementizie, ma la plastica ha indebolito il calcestruzzo risultante. Indagando ulteriormente, hanno trovato prove che l’esposizione della plastica a dosi di radiazioni gamma fa cambiare la struttura cristallina del materiale in modo che la plastica diventi più forte, più rigida e più dura. Irradiare la plastica funzionerebbe effettivamente per rafforzare il calcestruzzo?

Per rispondere a questa domanda, gli studenti hanno prima ottenuto fiocchi di polietilene tereftalato — materiale plastico usato per fare bottiglie di acqua e soda — da un impianto di riciclaggio locale. Schaefer e Ortega ordinati manualmente attraverso i fiocchi per rimuovere pezzi di metallo e altri detriti. Hanno poi camminato i campioni di plastica fino al seminterrato dell’edificio 8 del MIT, che ospita un irradiatore di cobalto-60 che emette raggi gamma, una sorgente di radiazioni che viene tipicamente utilizzata commercialmente per decontaminare il cibo.

“Non c’è radioattività residua da questo tipo di irradiazione”, dice Short. “Se si bloccato qualcosa in un reattore e irradiato con neutroni, sarebbe venuto fuori radioattivo. Ma i raggi gamma sono un diverso tipo di radiazione che, nella maggior parte delle circostanze, non lasciano traccia di radiazioni.”

Il team ha esposto vari lotti di fiocchi a una dose bassa o alta di raggi gamma. Hanno quindi macinato ogni lotto di fiocchi in una polvere e mescolato le polveri con una serie di campioni di pasta di cemento, ciascuno con polvere di cemento Portland tradizionale e uno dei due additivi minerali comuni: ceneri volanti (un sottoprodotto della combustione del carbone) e fumi di silice (un sottoprodotto della produzione di silicio). Ogni campione conteneva circa l ‘ 1,5% di plastica irradiata.

Una volta che i campioni sono stati mescolati con acqua, i ricercatori hanno versato le miscele in stampi cilindrici, hanno permesso loro di curare, rimosso gli stampi e sottoposto i cilindri di calcestruzzo risultanti a test di compressione. Hanno misurato la forza di ciascun campione e lo hanno confrontato con campioni simili realizzati con plastica regolare e non irradiata, nonché con campioni che non contengono affatto plastica.

Hanno scoperto che, in generale, i campioni con plastica normale erano più deboli di quelli senza plastica. Il calcestruzzo con ceneri volanti o fumi di silice era più forte del calcestruzzo realizzato con solo cemento Portland. E la presenza di plastica irradiata insieme a ceneri volanti ha rafforzato ulteriormente il calcestruzzo, aumentando la sua resistenza fino al 15% rispetto ai campioni realizzati solo con cemento Portland, in particolare nei campioni con plastica irradiata ad alte dosi.

La strada del cemento

Dopo i test di compressione, i ricercatori hanno fatto un ulteriore passo avanti, utilizzando varie tecniche di imaging per esaminare i campioni alla ricerca di indizi sul motivo per cui la plastica irradiata ha prodotto calcestruzzo più forte.

Il team ha portato i loro campioni all’Argonne National Laboratory e al Center for Materials Science and Engineering (CMSE) del MIT, dove li hanno analizzati utilizzando la diffrazione a raggi X, la microscopia elettronica backscattered e la microtomografia a raggi X. Le immagini ad alta risoluzione hanno rivelato che campioni contenenti plastica irradiata, in particolare a dosi elevate, mostravano strutture cristalline con più reticolazione o connessioni molecolari. In questi campioni, la struttura cristallina sembrava anche bloccare i pori all’interno del calcestruzzo, rendendo i campioni più densi e quindi più forti.

“A livello nano, questa plastica irradiata influenza la cristallinità del calcestruzzo”, afferma Kupwade-Patil. “La plastica irradiata ha una certa reattività, e quando si mescola con cemento Portland e ceneri volanti, tutti e tre insieme danno la formula magica, e si ottiene cemento più forte.”

“Abbiamo osservato che all’interno dei parametri del nostro programma di test, maggiore è la dose irradiata, maggiore è la resistenza del calcestruzzo, quindi sono necessarie ulteriori ricerche per adattare la miscela e ottimizzare il processo con irradiazione per i risultati più efficaci”, afferma Kupwade-Patil. “Il metodo ha il potenziale per ottenere soluzioni sostenibili con prestazioni migliorate sia per applicazioni strutturali che non strutturali.”

Andando avanti, il team sta progettando di sperimentare diversi tipi di plastica, insieme a varie dosi di radiazioni gamma, per determinare i loro effetti sul calcestruzzo. Per ora, hanno scoperto che la sostituzione di circa l ‘ 1,5% del calcestruzzo con plastica irradiata può migliorare significativamente la sua resistenza. Mentre che può sembrare una piccola frazione, Breve dice, implementato su scala globale, sostituendo anche quella quantità di calcestruzzo potrebbe avere un impatto significativo.

“Il calcestruzzo produce circa il 4,5% delle emissioni mondiali di anidride carbonica”, afferma Short. “Prendi l’ 1,5% di quello, e stai già parlando dello 0,0675% delle emissioni di anidride carbonica del mondo. Questa è un’enorme quantità di gas serra in un colpo solo.”

“Questa ricerca è un perfetto esempio di lavoro multiteam interdisciplinare verso soluzioni creative e rappresenta un’esperienza educativa modello”, afferma Büyüköztürk.

Questa storia è stata aggiornata per chiarire che il calcestruzzo contenente sia plastica irradiata che ceneri volanti, piuttosto che con la sola plastica irradiata, è più forte, fino al 15%, rispetto al calcestruzzo convenzionale.