mit students fortify concrete by adding recycled plastic

odrzucone plastikowe butelki mogą pewnego dnia zostać wykorzystane do budowy mocniejszych, bardziej elastycznych konstrukcji betonowych, od chodników i barier ulicznych, po budynki i mosty, zgodnie z nowym badaniem.

studenci studiów licencjackich mit odkryli, że poprzez wystawienie płatków plastikowych na małe, nieszkodliwe dawki promieniowania gamma, a następnie sproszkowanie płatków w drobny proszek, mogą mieszać napromieniowane tworzywo sztuczne z pastą cementową i popiołem lotnym w celu wytworzenia betonu, który jest do 15 procent silniejszy niż konwencjonalny Beton.

beton jest, po wodzie, drugim najczęściej stosowanym materiałem na planecie. Produkcja betonu generuje około 4,5 procent światowej emisji dwutlenku węgla wywołanej przez człowieka. Zastąpienie nawet niewielkiej części betonu napromieniowanym tworzywem sztucznym może w ten sposób pomóc zmniejszyć globalny ślad węglowy przemysłu cementowego.

ponowne wykorzystanie tworzyw sztucznych jako dodatków do betonu może również przekierować stare butelki z wodą i sodą, z których większość w przeciwnym razie trafiłaby na wysypisko.

“jest ogromna ilość plastiku, który jest składowany każdego roku”, mówi Michael Short, adiunkt w Wydziale Nauk jądrowych i Inżynierii MIT. “Nasza technologia usuwa plastik ze składowiska, blokuje go w betonie, a także zużywa mniej cementu do produkcji betonu, co powoduje mniejszą emisję dwutlenku węgla. Może to spowodować, że plastikowe odpady trafią na wysypiska i trafią do budynków, gdzie mogą być silniejsze.”

w skład zespołu wchodzą Carolyn Schaefer ’17 i starszy MIT Michael Ortega, który zainicjował badania jako projekt klasowy; Kunal Kupwade-Patil, naukowiec z Wydziału Inżynierii Lądowej i środowiska; Anne White, profesor nadzwyczajny na Wydziale Nauk jądrowych i Inżynierii; Oral Büyüköztürk, profesor na Wydziale Inżynierii Lądowej i środowiska; Carmen Soriano z Argonne National Laboratory; i krótko. Nowa praca pojawia się w czasopiśmie Gospodarka odpadami.

“jest to część naszych wysiłków w naszym laboratorium na rzecz zaangażowania studentów w wybitne doświadczenia badawcze dotyczące innowacji w poszukiwaniu nowych, lepszych materiałów betonowych z różnorodną klasą dodatków o różnych substancjach chemicznych”, mówi Büyüköztürk, który jest dyrektorem Laboratory for Infrastructure Science and Sustainability. “Wyniki tego projektu studenta otwierają nową arenę w poszukiwaniu rozwiązań dla zrównoważonej infrastruktury.”

pomysł, skrystalizowany

Schaefer i Ortega zaczęli badać możliwość żelbetu z tworzywa sztucznego w ramach 22.033 (Nuclear Systems Design Project), w którym uczniowie zostali poproszeni o wybór własnego projektu.

“chcieli znaleźć sposoby na obniżenie emisji dwutlenku węgla, które nie były tylko” budujmy reaktory jądrowe “” krótko mówi. “Produkcja betonu jest jednym z największych źródeł dwutlenku węgla, a oni zaczęli myśleć:” jak możemy to zaatakować?”Przejrzeli literaturę, a potem wykrystalizował się pomysł.”

uczniowie dowiedzieli się, że inni próbowali wprowadzić plastik do mieszanek cementowych, ale plastik osłabiał powstały Beton. Badając dalej, znaleźli dowody na to, że wystawienie plastiku na dawki promieniowania gamma powoduje zmianę struktury krystalicznej materiału w taki sposób, że tworzywo staje się silniejsze, sztywniejsze i twardsze. Czy napromieniowanie tworzywem sztucznym faktycznie wzmocni Beton?

aby odpowiedzieć na to pytanie, uczniowie po raz pierwszy otrzymali płatki z politereftalanu etylenu — tworzywa sztucznego używanego do produkcji butelek z wodą i sodą — z lokalnego zakładu recyklingu. Schaefer i Ortega ręcznie sortowane przez płatki, aby usunąć kawałki metalu i innych zanieczyszczeń. Następnie przenieśli próbki plastiku do piwnicy budynku MIT 8, w którym znajduje się napromieniacz kobaltu-60, który emituje promienie gamma, źródło promieniowania, które jest zwykle używane komercyjnie do odkażania żywności.

“nie ma resztkowej radioaktywności z tego typu napromieniowania”, krótko mówi. “Jeśli umieścisz coś w reaktorze i napromieniujesz neutronami, wyjdzie radioaktywnie. Ale promienie gamma to inny rodzaj promieniowania, które w większości przypadków nie pozostawia śladów promieniowania.”

zespół wystawił różne partie płatków na niską lub wysoką dawkę promieniowania gamma. Następnie zmielono każdą partię płatków na proszek i zmieszano je z serią próbek pasty cementowej, z których każda zawiera tradycyjny proszek cementu portlandzkiego i jeden z dwóch popularnych dodatków mineralnych: popiół lotny (produkt uboczny spalania węgla) i opary krzemionki (produkt uboczny produkcji krzemu). Każda próbka zawierała około 1,5% napromieniowanego plastiku.

po wymieszaniu próbek z wodą naukowcy wylali mieszaniny do cylindrycznych form, pozwolili na utwardzenie, usunęli formy i poddali powstałe cylindry betonowe testom ściskania. Zmierzyli wytrzymałość każdej próbki i porównali ją z podobnymi próbkami wykonanymi ze zwykłego, nieradiowanego plastiku, a także z próbkami niezawierającymi w ogóle plastiku.

stwierdzili, że ogólnie próbki ze zwykłym plastikiem są słabsze niż te bez plastiku. Beton z popiołem lotnym lub dymem krzemionkowym był mocniejszy niż beton z cementu portlandzkiego. A obecność napromieniowanego tworzywa sztucznego wraz z popiołem lotnym jeszcze bardziej wzmocniła Beton, zwiększając jego wytrzymałość nawet o 15 procent w porównaniu z próbkami wykonanymi tylko z cementu portlandzkiego, szczególnie w próbkach z wysoko dawkowym napromieniowanym tworzywem sztucznym.

betonowa droga przed nami

po testach ściskania naukowcy poszli o krok dalej, wykorzystując różne techniki obrazowania, aby zbadać próbki pod kątem wskazówek, dlaczego napromieniowane tworzywo sztuczne dało mocniejszy Beton.

zespół zabrał swoje próbki do Argonne National Laboratory i Center for Materials Science and Engineering (CMSE) w MIT, gdzie przeanalizowali je za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, mikroskopii elektronowej z przedziałami wstecznymi i mikrotomografii rentgenowskiej. Obrazy o wysokiej rozdzielczości wykazały, że próbki zawierające napromieniowany plastik, szczególnie w dużych dawkach, wykazywały struktury krystaliczne z większą liczbą połączeń sieciowych lub molekularnych. W tych próbkach struktura krystaliczna również wydawała się blokować pory w betonie, dzięki czemu próbki były bardziej gęste, a tym samym silniejsze.

“na poziomie nano napromieniowany plastik wpływa na krystaliczność betonu”, mówi Kupwade-Patil. “Napromieniowany plastik ma pewną reaktywność, a kiedy miesza się z cementem portlandzkim i popiołem lotnym, wszystkie trzy razem dają magiczną formułę i otrzymujesz mocniejszy Beton.”

” zauważyliśmy, że w ramach parametrów naszego programu testowego, im wyższa dawka napromieniowana, tym większa wytrzymałość betonu, dlatego potrzebne są dalsze badania, aby dostosować mieszaninę i zoptymalizować proces z napromieniowaniem w celu uzyskania najbardziej skutecznych wyników”, mówi Kupwade-Patil. “Metoda ta ma potencjał do osiągnięcia zrównoważonych rozwiązań o lepszej wydajności zarówno w zastosowaniach strukturalnych, jak i niestrukturalnych.”

w przyszłości zespół planuje eksperymentować z różnymi rodzajami tworzyw sztucznych, wraz z różnymi dawkami promieniowania gamma, aby określić ich wpływ na beton. Na razie odkryli, że zastąpienie około 1,5 procent betonu napromieniowanym tworzywem sztucznym może znacznie poprawić jego wytrzymałość. Choć może się to wydawać niewielkim ułamkiem, jak mówi Short, wdrożonym na skalę światową, zastąpienie nawet takiej ilości betonu może mieć znaczący wpływ.

“Beton wytwarza około 4,5 procent światowej emisji dwutlenku węgla”, krótko mówi. “Wyjmij 1,5 procent z tego, a już mówisz o 0,0675 procentach światowej emisji dwutlenku węgla. To ogromna ilość gazów cieplarnianych za jednym zamachem.”

“to badanie jest doskonałym przykładem interdyscyplinarnej pracy wielozadaniowej w kierunku kreatywnych rozwiązań i reprezentuje modelowe doświadczenie edukacyjne”, mówi Büyüköztürk.

ta historia została zaktualizowana, aby wyjaśnić, że beton zawierający zarówno napromieniowany plastik, jak i popiół lotny, a nie tylko napromieniowany plastik, jest mocniejszy, nawet o 15 procent, w porównaniu z konwencjonalnym betonem.