リサイクルプラスチックを追加してコンクリートを強化

廃棄されたプラスチックボトルは、新しい研究によると、歩道や通りの障壁から建物や橋に至るまで、より強く柔軟なコンクリート構造物を構築するためにいつか使用することができます。

MITの学部生は、プラスチックフレークを無害な線量のガンマ線にさらし、フレークを微粉末に粉砕することにより、照射されたプラスチックにセメ

コンクリートは、水に次いで地球上で2番目に広く使用されている材料です。 コンクリートの製造は、世界の人為的な二酸化炭素排出量の約4.5％を生成します。 コンクリートの小さな部分でさえ、照射されたプラスチックに置き換えることは、セメント産業の世界的な二酸化炭素排出量を削減するのに役立ちます。

プラスチックをコンクリート添加剤として再利用することは、古い水やソーダボトルをリダイレクトする可能性もあり、その大部分は埋立地に

「毎年大量のプラスチックが埋め立てられています」と、MITの原子力科学工学部門の助教授であるMichael Short氏は言います。 “私たちの技術は、埋立地からプラスチックを取り出し、コンクリートに固定し、コンクリートを作るためにセメントを使用しないため、二酸化炭素の排出 これは、埋立地からプラスチック埋立地の廃棄物を建物に引き込む可能性があり、実際にそれらをより強くするのに役立つ可能性があります。”

チームには、クラスプロジェクトとして研究を開始したCarolyn Schaefer’17とMITシニアMichael Orega、土木環境工学部門の研究科学者であるKunal Kupwade-Patilが含まれています; 原子力科学工学部門の准教授であるAnne White、土木環境工学部門の教授であるOral Büyüköztürk、Argonne国立研究所のCarmen Soriano、Short。 新しい論文は、廃棄物管理誌に掲載されています。

“これは、異なる化学物質の添加剤の多様なクラスを持つ新しい、より良いコンクリート材料を求めて革新に対処する優れた研究経験に学部生を関与させるための私たちの研究室での献身的な努力の一部である、”Büyüköztürk、インフラ科学と持続可能性のための研究室のディレクターである氏は述べています。 “この学部学生プロジェクトからの調査結果は、持続可能なインフラストラクチャへの解決策の検索で新しい分野を開きます。”

アイデア、結晶化

SchaeferとOregaは、学生が自分のプロジェクトを選択するように求められた22.033（原子力システム設計プロジェクト）の一環として、プラスチック製鉄筋コンクリートの可能性を探求し始めました。

「彼らは、「原子炉を建設しよう」だけではなく、二酸化炭素排出量を削減する方法を見つけたかったのです」とShort氏は言います。 「コンクリートの生産は二酸化炭素の最大の供給源の1つであり、彼らは「どうやってそれを攻撃できるのか」と考えるようになりました。”彼らは文献を見て、アイデアが結晶化しました。”

学生たちは、他の人がセメント混合物にプラスチックを導入しようとしたことを学びましたが、プラスチックは結果として生じるコンクリートを弱 さらに調査すると、彼らは、プラスチックをガンマ線の線量に曝すと、プラスチックがより強く、より硬く、より強くなるように材料の結晶構造が変化するという証拠を発見した。 プラスチックを照射することは、実際にコンクリートを強化するために働くのでしょうか？

その質問に答えるため、学生たちはまず、地元のリサイクル施設からポリエチレンテレフタレートのフレーク—水やソーダボトルの製造に使用されるプ SchaeferおよびOregaは手動で金属および他の残骸のビットを取除くために薄片を通って分類した。 彼らはその後、プラスチックサンプルをMITのビル8の地下に歩いて行き、ガンマ線を放射するコバルト-60照射器を収容しています。

「このタイプの照射による残留放射能はありません」とShort氏は言います。 “原子炉に何かを詰めて中性子を照射すると、放射性物質が出てくるでしょう。 しかし、ガンマ線は、ほとんどの状況下では、放射線の痕跡を残さない、放射線の異なる種類です。”

チームは様々なバッチのフレークを低線量または高線量のガンマ線に曝した。 その後、フレークの各バッチを粉末に粉砕し、一連のセメントペーストサンプルと粉末を混合し、それぞれに伝統的なポルトランドセメント粉末と、フライアッシュ（石炭燃焼の副産物）とシリカヒューム（シリコン生産の副産物）の二つの一般的なミネラル添加剤のいずれかを混合した。 各サンプルには約1.5パーセントの照射プラスチックが含まれていました。

サンプルを水と混合した後、研究者は混合物を円筒型に注ぎ、硬化させ、型を除去し、得られたコンクリートシリンダーに圧縮試験を施した。 彼らは各サンプルの強さを測定し、規則的な、nonirradiatedプラスチックと、またプラスチックを全く含んでいないサンプルとなされる同じようなサンプルと比較

彼らは、一般的に、通常のプラスチックを含むサンプルは、プラスチックを含まないサンプルよりも弱いことを発見しました。 フライアッシュまたはシリカヒュームコンクリートはポルトランドセメントだけで作られたコンクリートよりも強かった。 また、フライアッシュと一緒に照射されたプラスチックの存在は、コンクリートをさらに強化し、特に高線量の照射されたプラスチックのサンプルでは、ポルトランドセメントだけで作られたサンプルと比較して最大15パーセントの強度を増加させた。

先のコンクリートの道

圧縮試験の後、研究者はさらに一歩進んで、様々なイメージング技術を用いて、照射されたプラスチックがなぜより強いコンクリートを

チームはサンプルをArgonne National LaboratoryとMITのCenter for Materials Science and Engineering（CMSE）に持ち込み、X線回折、後方散乱電子顕微鏡、X線マイクロトモグラフィーを用いて分析した。 高分解能画像から，特に高用量で照射されたプラスチックを含む試料は，より多くの架橋または分子結合を有する結晶構造を示すことが明らかになった。 これらの試料では，結晶構造もコンクリート内の細孔をブロックし，試料をより密にし，したがってより強くするように見えた。

“ナノレベルでは、この照射されたプラスチックはコンクリートの結晶性に影響を与えます”とKupwade-Patil氏は言います。 “照射されたプラスチックは、いくつかの反応性を持っており、それがポルトランドセメントとフライアッシュと混合すると、三つのすべてが一緒に魔法の式を与え、あなたはより強いコンクリートを得る。”

“我々は、試験プログラムのパラメータ内で、照射線量が高いほどコンクリートの強度が高いことを観察したので、混合物を調整し、最も効果的な結果を得るた “この方法は、構造および非構造の両方のアプリケーションのための改善された性能を有する持続可能な解決策を達成する可能性を秘めています。”

今後、チームは様々な種類のプラスチックと様々な線量のガンマ線を実験して、コンクリートへの影響を判断する予定です。 今のところ、彼らは、照射されたプラスチックとコンクリートの約1.5％を置き換えることが大幅にその強度を向上させることがで それはほんの一部のように見えるかもしれませんが、ショートは言う、地球規模で実装され、コンクリートのさえその量を置き換えることは大きな影

「コンクリートは世界の二酸化炭素排出量の約4.5％を生産しています」とShort氏は言います。 「そのうちの1.5％を取り出して、あなたはすでに世界の二酸化炭素排出量の0.0675％について話しています。 それは一挙に温室効果ガスの膨大な量です。”

“この研究は、創造的なソリューションに向けた学際的なマルチチームの仕事の完璧な例であり、モデルの教育経験を表しています”とBüyüköztürk氏は言います。

この話は、照射プラスチックのみではなく、照射プラスチックとフライアッシュの両方を含むコンクリートが、従来のコンクリートと比較して最大15％強