MIT-studenten versterken beton door toevoeging van gerecycled plastic

afgedankte plastic flessen kunnen op een dag worden gebruikt om sterkere, flexibelere betonconstructies te bouwen, van trottoirs en straathekken tot gebouwen en bruggen, volgens een nieuwe studie.Studenten van het MIT hebben ontdekt dat zij, door plastic vlokken aan kleine, onschadelijke doses gammastraling bloot te stellen en vervolgens de vlokken tot een fijn poeder te verpulveren, de bestraalde kunststof met cementpasta en vliegas kunnen mengen om beton te produceren dat tot 15% sterker is dan conventioneel beton.

beton is, na water, het op één na meest gebruikte materiaal op de planeet. De productie van beton genereert ongeveer 4,5 procent van ‘ s werelds door de mens veroorzaakte kooldioxide-uitstoot. Zelfs een klein deel van het beton vervangen door bestraald plastic kan de wereldwijde CO2-voetafdruk van de cementindustrie helpen verminderen.

het hergebruik van kunststoffen als betonadditieven kan ook leiden tot het omleiden van oude water-en natronflessen, waarvan het grootste deel anders op een stortplaats terecht zou komen.

” er wordt elk jaar een enorme hoeveelheid plastic gestort”, zegt Michael Short, assistent-professor aan de afdeling nucleaire wetenschap en techniek van het MIT. “Onze technologie haalt plastic uit de stortplaats, sluit het op in beton, en gebruikt ook minder cement om het beton te maken, wat minder CO2-uitstoot veroorzaakt. Dit heeft het potentieel om plastic afval uit de stortplaats te halen en in gebouwen te brengen, waar het daadwerkelijk zou kunnen helpen om ze sterker te maken.”

het team bestaat uit Carolyn Schaefer ‘ 17 en MIT senior Michael Ortega, die het onderzoek initieerde als een klasseproject; Kunal Kupwade-Patil, een onderzoekswetenschapper op de afdeling civiele en milieutechniek; Anne White, universitair hoofddocent bij de afdeling nucleaire wetenschap en techniek; Oral Büyüköztürk, hoogleraar bij de afdeling civiele en milieutechniek; Carmen Soriano van Argonne National Laboratory; en Short. Het nieuwe artikel verschijnt in het tijdschrift Waste Management.

” dit is een onderdeel van onze toegewijde inspanning in ons laboratorium om studenten te betrekken bij uitstekende onderzoekservaringen die te maken hebben met innovaties op zoek naar nieuwe, betere betonmaterialen met een diverse klasse van additieven van verschillende chemie, ” zegt Büyüköztürk, directeur van het laboratorium voor Infrastructuurwetenschap en duurzaamheid. “De bevindingen van dit bachelorproject openen een nieuwe arena in de zoektocht naar oplossingen voor duurzame infrastructuur.”

een idee, gekristalliseerd

Schaefer en Ortega begonnen de mogelijkheid van kunststof gewapend beton te onderzoeken als onderdeel van 22.033 (Nuclear Systems Design Project), waarin studenten werden gevraagd hun eigen project te kiezen.

” ze wilden manieren vinden om koolstofdioxide-emissies te verlagen die niet alleen ‘laten we kernreactoren bouwen’ waren, ” zegt Short. “Betonproductie is een van de grootste bronnen van kooldioxide, en ze dachten: ‘hoe kunnen we dat aanvallen?’Ze keken door de literatuur, en toen kristalliseerde een idee.”

de studenten leerden dat anderen hebben geprobeerd om plastic in cementmengsels te brengen, maar het plastic verzwakte het resulterende beton. Verder onderzoek, vonden ze bewijs dat het blootstellen van plastic aan doses van gammastraling maakt het materiaal kristallijne structuur veranderen op een manier dat het plastic sterker, stijver, en taaier wordt. Zou bestralen van plastic echt werken om beton te versterken?

om deze vraag te beantwoorden, haalden de studenten eerst vlokken polyethyleentereftalaat — kunststof voor de vervaardiging van water — en natronflessen-uit een lokale recyclinginstallatie. Schaefer en Ortega handmatig gesorteerd door de vlokken om stukjes metaal en ander puin te verwijderen. Vervolgens liepen ze met de plastic monsters naar de kelder van MIT ‘ s Gebouw 8, waar een Cobalt-60 bestralingsinstallatie staat die gammastralen uitzendt, een stralingsbron die meestal commercieel wordt gebruikt om voedsel te ontsmetten.

” er is geen resterende radioactiviteit van dit type bestraling, ” kort zegt. “Als je iets in een reactor steekt en bestraald met neutronen, dan komt het er radioactief uit. Maar gammastraling is een ander soort straling die, onder de meeste omstandigheden, geen spoor van straling achterlaat.”

het team stelde verschillende partijen vlokken bloot aan een lage of hoge dosis gammastraling. Vervolgens vermalen zij elke partij vlokken tot een poeder en mengen deze met een reeks cementpasta-monsters, elk met traditioneel Portlandcementpoeder en een van de twee gebruikelijke minerale additieven: vliegas (een bijproduct van de verbranding van kolen) en siliciumdamp (een bijproduct van de produktie van silicium). Elk monster bevatte ongeveer 1,5 procent bestraald plastic.

nadat de monsters met water waren gemengd, gootten de onderzoekers de mengsels in cilindrische mallen, lieten ze uitharden, verwijderden de mallen en onderwierpen de resulterende betonnen cilinders aan compressieproeven. Zij hebben de sterkte van elk monster gemeten en vergeleken met soortgelijke monsters gemaakt met gewone, niet-bestraalde plastic, evenals met monsters die helemaal geen plastic bevatten.

zij stelden vast dat monsters met gewoon plastic in het algemeen zwakker waren dan monsters zonder plastic. Het beton met vliegas of silica rook was sterker dan beton gemaakt met alleen Portland cement. En de aanwezigheid van bestraald plastic samen met vliegas versterkt het beton nog verder, waardoor de sterkte met maximaal 15 procent in vergelijking met monsters alleen gemaakt met Portland cement, met name in monsters met hoge dosis bestraald plastic.

de betonweg vooruit

na de compressieproeven gingen de onderzoekers een stap verder en onderzochten zij met behulp van verschillende beeldvormingstechnieken de monsters op aanwijzingen waarom bestraalde kunststof sterker beton opleverde.

het team nam hun monsters naar het Argonne National Laboratory en het Center for Materials Science and Engineering (CMSE) van het MIT, waar ze deze analyseerden met behulp van röntgendiffractie, backscattered elektronenmicroscopie en Röntgenmicrotomografie. Uit de beelden met hoge resolutie bleek dat monsters die bestraald plastic bevatten, met name bij hoge doses, kristallijne structuren vertoonden met meer cross-linking of moleculaire verbindingen. In deze monsters leek de kristallijne structuur ook poriën in beton te blokkeren, waardoor de monsters dichter en dus sterker werden.

” op nanoniveau beïnvloedt deze bestraalde kunststof de kristalliniteit van beton, ” zegt Kupwade-Patil. “Het bestraalde plastic heeft enige reactiviteit, en wanneer het mengt met Portland cement en vliegas, alle drie samen geven de magische formule, en je krijgt sterker beton.”

” we hebben vastgesteld dat binnen de parameters van ons testprogramma, hoe hoger de bestraalde dosis, hoe hoger de sterkte van beton, dus verder onderzoek nodig is om het mengsel op maat te maken en het proces met bestraling te optimaliseren voor de meest effectieve resultaten,” zegt Kupwade-Patil. “De methode heeft het potentieel om duurzame oplossingen te bereiken met verbeterde prestaties voor zowel structurele als niet-structurele toepassingen.”

in de toekomst is het team van plan om te experimenteren met verschillende soorten kunststoffen, samen met verschillende doses gammastraling, om hun effecten op beton te bepalen. Voor nu hebben ze ontdekt dat het vervangen van ongeveer 1,5 procent beton door bestraald plastic de sterkte aanzienlijk kan verbeteren. Hoewel dat een kleine fractie lijkt, zegt Short, geïmplementeerd op wereldwijde schaal, zou zelfs het vervangen van die hoeveelheid beton een aanzienlijke impact kunnen hebben.

“beton produceert ongeveer 4,5 procent van de CO2-uitstoot in de wereld,” Short zegt. “Haal daar 1,5 procent van uit, en je hebt het al over 0,0675 procent van de CO2-uitstoot in de wereld. Dat is een enorme hoeveelheid broeikasgassen in één klap.”

” dit onderzoek is een perfect voorbeeld van interdisciplinair multiteam werken naar creatieve oplossingen, en vertegenwoordigt een model educatieve ervaring,” Büyüköztürk zegt.

dit verhaal is bijgewerkt om te verduidelijken dat beton dat zowel bestraald plastic als vliegas bevat, in plaats van alleen bestraald plastic, tot 15% sterker is dan conventioneel beton.