mit-studenter styrker betong ved å legge til resirkulert plast

Kasserte plastflasker kan en dag brukes til å bygge sterkere, mer fleksible betongkonstruksjoner, fra fortau og gatebarrierer, til bygninger og broer, ifølge en ny studie.

MIT studenter har funnet ut at VED å utsette plastflak for små, ufarlige doser gammastråling, og deretter pulverisere flakene i et fint pulver, kan de blande bestrålt plast med sementpasta og flyveaske for å produsere betong som er opptil 15 prosent sterkere enn vanlig betong.

Betong er, etter vann, det nest mest brukte materialet på planeten. Produksjonen av betong genererer om lag 4,5 prosent av verdens menneskeskapte karbondioksidutslipp. Å erstatte selv en liten del av betong med bestrålt plast kan dermed bidra til å redusere sementindustriens globale karbonavtrykk.

Gjenbruk av plast som betongtilsetninger kan også omdirigere gamle vann-og brusflasker, hvorav hoveddelen ellers ville ende opp i en deponi.

“det er en stor mengde plast som deponeres hvert år,” sier Michael Short, en assisterende professor I Mits Institutt For Kjernefysisk Vitenskap og Ingeniørfag. “Vår teknologi tar plast ut av deponi, låser den opp i betong, og bruker også mindre sement for å lage betongen, noe som gir færre karbondioksidutslipp. Dette har potensial til å trekke plast deponi avfall ut av deponi og inn i bygninger, hvor det faktisk kan bidra til å gjøre dem sterkere.”

teamet inkluderer Carolyn Schaefer ’17 og mit senior Michael Ortega, som initierte forskningen som et klasseprosjekt; Kunal Kupwade-Patil, forsker Ved Institutt For Sivil Og Miljøteknikk; Anne White, førsteamanuensis Ved Institutt For Kjernefysisk Vitenskap Og Ingeniørfag; Oral B@yüöö, professor Ved Institutt For Bygg-Og Miljøteknikk; Carmen Soriano Av Argonne National Laboratory; Og Kort. Det nye papiret vises i tidsskriftet Avfallshåndtering.

” Dette er en del av vår dedikerte innsats i vårt laboratorium for å involvere studenter i fremragende forskningserfaringer som arbeider med innovasjoner på jakt etter nye, bedre betongmaterialer med en mangfoldig klasse tilsetningsstoffer av forskjellige kjemikalier,” sier B@yy Hryvnek@zt Hryvrk, som er direktør For Laboratorium For Infrastrukturvitenskap Og Bærekraft. “Funnene fra dette studentprosjektet åpner en ny arena i søket etter løsninger på bærekraftig infrastruktur.”

en ide, krystallisert

Schaefer og Ortega begynte å utforske muligheten for plast-armert betong som en del av 22.033 (Nuclear Systems Design Project), der elevene ble bedt om å velge sitt eget prosjekt.

“de ønsket å finne måter å redusere karbondioksidutslipp som ikke bare var, “la oss bygge atomreaktorer”, Sier Short. “Betongproduksjon er en av de største kildene til karbondioksid, og de tenkte:” hvordan kunne vi angripe det? De så gjennom litteraturen, og så krystalliserte de en ide.”

studentene lærte at andre har forsøkt å introdusere plast i sementblandinger, men plasten svekket den resulterende betongen. Ved å undersøke videre fant de bevis på at eksponering av plast til doser av gammastråling gjør materialets krystallinske struktur endring på en måte at plasten blir sterkere, stivere og tøffere. Ville bestråling av plast faktisk virke for å styrke betong?

for å svare på det spørsmålet, fikk studentene først flak av polyetylentereftalat-plastmateriale som brukes til å lage vann-og brusflasker – fra et lokalt gjenvinningsanlegg. Schaefer Og Ortega sorteres manuelt gjennom flakene for å fjerne biter av metall og annet rusk. De gikk deretter plastprøvene ned til kjelleren I MITS Bygning 8, som huser en kobolt-60-stråler som avgir gammastråler, en strålekilde som vanligvis brukes kommersielt til å dekontaminere mat.

“det er ingen gjenværende radioaktivitet fra denne typen bestråling,” Sier Short. “Hvis du stakk noe i en reaktor og bestrålte det med nøytroner, ville det komme ut radioaktivt. Men gammastråler er en annen type stråling som under de fleste omstendigheter ikke gir spor av stråling.”

teamet utsatt ulike grupper av flak til enten en lav eller høy dose av gammastråler. De malte deretter hver gruppe flak i et pulver og blandet pulverene med en serie sementpastaprøver, hver med tradisjonelt Portland sementpulver og ett av to vanlige mineraltilsetninger: flyveaske (et biprodukt av kullforbrenning) og silikafume (et biprodukt av silisiumproduksjon). Hver prøve inneholdt omtrent 1,5 prosent bestrålt plast.

når prøvene ble blandet med vann, helte forskerne blandingene i sylindriske former, tillot dem å kurere, fjernet formene og underkastet de resulterende betongflasker til kompresjonstester. De målte styrken til hver prøve og sammenlignet den med lignende prøver laget med vanlig, ikke-utstrålet plast, så vel som med prøver som ikke inneholdt plast i det hele tatt.

de fant at generelt var prøver med vanlig plast svakere enn de uten plast. Betongen med flyveaske eller silisiumrøyk var sterkere enn betong laget med Bare Portland sement. Og tilstedeværelsen av bestrålt plast sammen med flyveaske styrket betongen ytterligere, og økte styrken med opptil 15 prosent sammenlignet med prøver laget bare Med Portland sement, spesielt i prøver med høy dose bestrålt plast.

betongveien foran

etter kompresjonstestene gikk forskerne et skritt videre, ved hjelp av ulike bildeteknikker for å undersøke prøvene for ledetråder om hvorfor bestrålt plast ga sterkere betong.

teamet tok sine prøver Til Argonne National Laboratory og Center For Materials Science And Engineering (CMSE) VED MIT, hvor de analyserte dem ved Hjelp Av Røntgendiffraksjon, backscattered electron microscopy og X-ray microtomography. De høyoppløselige bildene viste at prøver som inneholdt bestrålt plast, spesielt ved høye doser, viste krystallinske strukturer med mer kryssbinding eller molekylære forbindelser. I disse prøvene syntes den krystallinske strukturen også å blokkere porene i betong, noe som gjorde prøvene mer tette og derfor sterkere.

“på et nanonivå påvirker denne bestrålede plasten krystalliniteten av betong,” Sier Kupwade-Patil. “Den bestrålede plasten har litt reaktivitet, og når den blandes Med Portland sement og flyveaske, gir alle tre sammen den magiske formelen, og du blir sterkere betong.”

“vi har observert at jo høyere bestrålt dose, jo høyere styrke av betong, så det er nødvendig med videre forskning for å skreddersy blandingen og optimalisere prosessen med bestråling for de mest effektive resultatene, Sier Kupwade-Patil. “Metoden har potensial til å oppnå bærekraftige løsninger med forbedret ytelse for både strukturelle og ikke-strukturelle applikasjoner.”

Fremover planlegger teamet å eksperimentere med ulike typer plast, sammen med ulike doser gammastråling, for å bestemme effekten på betong. For nå har de funnet ut at erstatning av ca 1,5 prosent av betong med bestrålt plast kan forbedre styrken betydelig. Selv om Det kan virke som en liten brøkdel, Sier Short, implementert på global skala, og erstatter selv den mengden betong kan ha en betydelig innvirkning.

“Betong produserer om lag 4,5 prosent av verdens karbondioksidutslipp,” Sier Short. “Ta ut 1,5 prosent av det, og du snakker allerede om 0,0675 prosent av verdens karbondioksidutslipp. Det er en stor mengde drivhusgasser i ett fall.”

” denne forskningen er et perfekt eksempel på tverrfaglig multiteamarbeid mot kreative løsninger, og representerer en modell pedagogisk opplevelse, ” Sier büü

denne historien er oppdatert for å klargjøre at betong som inneholder både bestrålt plast og flyveaske, i stedet for bestrålt plast alene, er sterkere, med opptil 15 prosent, sammenlignet med konvensjonell betong.