MIT-Studenten verstärken Beton durch Hinzufügen von recyceltem Kunststoff
Ausrangierte Plastikflaschen könnten eines Tages verwendet werden, um stärkere, flexiblere Betonkonstruktionen zu bauen, von Bürgersteigen und Straßensperren bis hin zu Gebäuden und Brücken, so eine neue Studie.
MIT-Studenten haben herausgefunden, dass sie, indem sie Kunststoffflocken kleinen, harmlosen Dosen von Gammastrahlung aussetzen und dann die Flocken zu einem feinen Pulver pulverisieren, den bestrahlten Kunststoff mit Zementpaste und Flugasche mischen können, um Beton herzustellen, der bis zu 15 Prozent stärker ist als herkömmlicher Beton.
Beton ist nach Wasser das am zweithäufigsten verwendete Material auf dem Planeten. Die Herstellung von Beton erzeugt etwa 4,5 Prozent der weltweit vom Menschen verursachten Kohlendioxidemissionen. Der Ersatz eines kleinen Teils von Beton durch bestrahlten Kunststoff könnte somit dazu beitragen, den globalen Kohlenstoff-Fußabdruck der Zementindustrie zu verringern.
Die Wiederverwendung von Kunststoffen als Betonzusatzstoffe könnte auch alte Wasser- und Sodaflaschen umleiten, deren Großteil sonst auf einer Mülldeponie landen würde.
“Es gibt eine riesige Menge an Plastik, die jedes Jahr deponiert wird”, sagt Michael Short, Assistenzprofessor am MIT Department of Nuclear Science and Engineering. “Unsere Technologie nimmt Plastik aus der Deponie, sperrt es in Beton ein und verwendet auch weniger Zement, um den Beton herzustellen, was weniger Kohlendioxidemissionen verursacht. Dies hat das Potenzial, Kunststoffabfälle aus der Deponie in Gebäude zu ziehen, wo es tatsächlich dazu beitragen könnte, sie stärker zu machen.”
Das Team umfasst Carolyn Schaefer ’17 und MIT Senior Michael Ortega, der die Forschung als Klassenprojekt initiierte; Kunal Kupwade-Patil, Wissenschaftler am Department of Civil and Environmental Engineering; Anne White, außerordentliche Professorin am Department of Nuclear Science and Engineering; Oral Büyüköztürk, Professor am Department of Civil and Environmental Engineering; Carmen Soriano vom Argonne National Laboratory; und Kurz. Das neue Papier erscheint in der Zeitschrift Waste Management.
“Dies ist Teil unserer engagierten Bemühungen in unserem Labor, Studenten in herausragende Forschungserfahrungen einzubeziehen, die sich mit Innovationen auf der Suche nach neuen, besseren Betonmaterialien mit einer vielfältigen Klasse von Additiven unterschiedlicher Chemie befassen”, sagt Büyüköztürk, Direktor des Labors für Infrastrukturwissenschaft und Nachhaltigkeit. “Die Ergebnisse dieses Studentenprojekts eröffnen eine neue Arena bei der Suche nach Lösungen für eine nachhaltige Infrastruktur.”
Eine Idee, kristallisiert
Schäfer und Ortega begannen im Rahmen von 22.033 (Nuclear Systems Design Project), in dem die Studenten gebeten wurden, ihr eigenes Projekt auszuwählen, die Möglichkeit von Kunststoffbeton zu erkunden.
“Sie wollten Wege finden, um die Kohlendioxidemissionen zu senken, die nicht nur “Lasst uns Kernreaktoren bauen” waren”, sagt Short. “Die Betonproduktion ist eine der größten Kohlendioxidquellen, und sie dachten:”Wie könnten wir das angreifen? Sie schauten sich die Literatur an, und dann kristallisierte sich eine Idee heraus.”
Die Schüler erfuhren, dass andere versucht haben, Kunststoff in Zementmischungen einzuführen, aber der Kunststoff schwächte den resultierenden Beton. Bei weiteren Untersuchungen fanden sie Hinweise darauf, dass sich die kristalline Struktur des Materials durch die Einwirkung von Gammastrahlung so verändert, dass der Kunststoff stärker, steifer und zäher wird. Würde die Bestrahlung von Kunststoff tatsächlich zur Verstärkung von Beton beitragen?
Um diese Frage zu beantworten, erhielten die Schüler zunächst Flocken aus Polyethylenterephthalat — Kunststoff, aus dem Wasser— und Sodaflaschen hergestellt werden – von einer örtlichen Recyclinganlage. Schäfer und Ortega sortierten die Flocken manuell, um Metallstücke und andere Rückstände zu entfernen. Anschließend gingen sie die Kunststoffproben in den Keller des MIT-Gebäudes 8, in dem sich ein Cobalt-60-Bestrahlungsgerät befindet, das Gammastrahlen aussendet, eine Strahlungsquelle, die normalerweise kommerziell zur Dekontamination von Lebensmitteln verwendet wird.
“Es gibt keine Restradioaktivität von dieser Art der Bestrahlung”, sagt Short. “Wenn man etwas in einen Reaktor steckt und es mit Neutronen bestrahlt, kommt es radioaktiv heraus. Gammastrahlen sind jedoch eine andere Art von Strahlung, die unter den meisten Umständen keine Spur von Strahlung hinterlässt.”
Das Team setzte verschiedene Flockenchargen entweder einer niedrigen oder einer hohen Dosis Gammastrahlen aus. Anschließend mahlen sie jede Charge Flocken zu einem Pulver und mischen die Pulver mit einer Reihe von Zementpastenproben, jeweils mit traditionellem Portlandzementpulver und einem von zwei üblichen mineralischen Zusätzen: Flugasche (ein Nebenprodukt der Kohleverbrennung) und Kieselsäuredampf (ein Nebenprodukt der Siliziumproduktion). Jede Probe enthielt etwa 1,5 Prozent bestrahlten Kunststoff.
Nachdem die Proben mit Wasser gemischt waren, gossen die Forscher die Mischungen in zylindrische Formen, ließen sie aushärten, nahmen die Formen heraus und unterwarfen die resultierenden Betonzylinder Drucktests. Sie maßen die Festigkeit jeder Probe und verglichen sie mit ähnlichen Proben aus normalem, nicht bestrahltem Kunststoff sowie mit Proben, die überhaupt keinen Kunststoff enthielten.
Sie fanden heraus, dass Proben mit normalem Kunststoff im Allgemeinen schwächer waren als solche ohne Kunststoff. Der Beton mit Flugasche oder Kieselsäuredampf war stärker als Beton, der nur mit Portlandzement hergestellt wurde. Und das Vorhandensein von bestrahltem Kunststoff zusammen mit Flugasche verstärkte den Beton noch weiter und erhöhte seine Festigkeit um bis zu 15 Prozent im Vergleich zu Proben, die nur mit Portlandzement hergestellt wurden, insbesondere in Proben mit hochdosiertem bestrahltem Kunststoff.
Die Betonstraße vor uns
Nach den Kompressionstests gingen die Forscher noch einen Schritt weiter und untersuchten die Proben mit verschiedenen bildgebenden Verfahren auf Hinweise, warum bestrahlter Kunststoff zu stärkerem Beton führte.
Das Team brachte ihre Proben zum Argonne National Laboratory und zum Center for Materials Science and Engineering (CMSE) am MIT, wo sie sie mit Röntgenbeugung, Rückstreuelektronenmikroskopie und Röntgenmikrotomographie analysierten. Die hochauflösenden Bilder zeigten, dass Proben, die bestrahlten Kunststoff enthielten, insbesondere bei hohen Dosen kristalline Strukturen mit mehr Vernetzung oder molekularen Verbindungen aufwiesen. In diesen Proben schien die kristalline Struktur auch Poren im Beton zu blockieren, wodurch die Proben dichter und daher stärker wurden.
“Auf Nanoebene beeinflusst dieser bestrahlte Kunststoff die Kristallinität von Beton”, sagt Kupwade-Patil. “Der bestrahlte Kunststoff hat eine gewisse Reaktivität, und wenn er sich mit Portlandzement und Flugasche vermischt, ergeben alle drei zusammen die Zauberformel, und Sie erhalten stärkeren Beton.”
“Wir haben beobachtet, dass innerhalb der Parameter unseres Testprogramms, je höher die bestrahlte Dosis, desto höher die Festigkeit des Betons, so dass weitere Forschung erforderlich ist, um die Mischung anzupassen und den Prozess mit Bestrahlung für die effektivsten Ergebnisse zu optimieren”, sagt Kupwade-Patil. “Die Methode hat das Potenzial, nachhaltige Lösungen mit verbesserter Leistung sowohl für strukturelle als auch für nicht-strukturelle Anwendungen zu erzielen.”
In Zukunft plant das Team, mit verschiedenen Arten von Kunststoffen zusammen mit verschiedenen Dosen von Gammastrahlung zu experimentieren, um ihre Auswirkungen auf Beton zu bestimmen. Im Moment haben sie herausgefunden, dass der Ersatz von etwa 1,5 Prozent Beton durch bestrahlten Kunststoff seine Festigkeit erheblich verbessern kann. Während das wie ein kleiner Bruchteil erscheinen mag, sagt Short, auf globaler Ebene umgesetzt, könnte das Ersetzen selbst dieser Betonmenge erhebliche Auswirkungen haben.
“Beton produziert etwa 4,5 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen”, sagt Short. “Nehmen Sie 1,5 Prozent davon heraus, und Sie sprechen bereits von 0,0675 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen. Das ist eine riesige Menge an Treibhausgasen auf einen Schlag.”
“Diese Forschung ist ein perfektes Beispiel für interdisziplinäre Multiteam-Arbeit für kreative Lösungen und stellt eine vorbildliche pädagogische Erfahrung dar”, sagt Büyüköztürk.
Diese Geschichte wurde aktualisiert, um klarzustellen, dass Beton, der sowohl bestrahlten Kunststoff als auch Flugasche enthält und nicht nur bestrahlten Kunststoff enthält, im Vergleich zu herkömmlichem Beton um bis zu 15 Prozent stärker ist.