estudantes do MIT fortificam Concreto adicionando plástico reciclado

garrafas de plástico descartadas poderiam um dia ser usadas para construir estruturas de concreto mais fortes e flexíveis, desde calçadas e barreiras de rua, a edifícios e pontes, de acordo com um novo estudo.

estudantes de graduação do MIT descobriram que, expondo os flocos de plástico a pequenas e inofensivas doses de radiação gama, pulverizando os flocos num pó fino, eles podem misturar o plástico irradiado com pasta de cimento e voar cinzas para produzir concreto que é até 15 por cento mais forte do que o concreto convencional.

concreto é, depois da água, o segundo material mais usado no planeta. A fabricação de concreto gera cerca de 4,5 por cento das emissões de dióxido de carbono induzidas pelo homem no mundo. Substituir mesmo uma pequena porção de concreto por plástico irradiado poderia, assim, ajudar a reduzir a pegada global de carbono da indústria do cimento.

reutilizar plásticos como aditivos de betão também pode redireccionar garrafas velhas de água e soda, a maior parte das quais acabaria num aterro.

“há uma enorme quantidade de plástico que é depositado em aterros todos os anos”, diz Michael Short, um professor assistente no departamento de Ciência e engenharia Nuclear do MIT. “Nossa tecnologia tira plástico do aterro, tranca-o em concreto, e também usa menos cimento para fazer o concreto, o que faz menos emissões de dióxido de carbono. Isto tem o potencial de retirar resíduos de aterros de plástico do aterro e para edifícios, onde poderia realmente ajudar a torná-los mais fortes.”

A equipe inclui Carolyn Schaefer ’17 e MIT sénior Michael Ortega, que iniciou a pesquisa como um projeto de classe; Kunal Kupwade-Patil, um cientista de pesquisa no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental; Anne White, professora associada no departamento de Ciências e Engenharia nucleares; Büyüköztürk Oral, professora do Departamento de Engenharia Civil e ambiental; Carmen Soriano do Laboratório Nacional de Argonne; e Short. O novo artigo aparece na revista Waste Management.

“esta é uma parte do nosso esforço dedicado em nosso laboratório para envolver os estudantes em experiências de pesquisa de excelência que lidam com inovações na busca de materiais de concreto novos e melhores, com uma classe diversificada de aditivos de diferentes químicos”, diz Büyüköztürk, que é o diretor do Laboratório de Ciência da infraestrutura e Sustentabilidade. “Os resultados deste projeto estudantil de graduação abrem uma nova arena na busca de soluções para infra-estrutura sustentável.”

uma ideia, cristalizada

Schaefer e Ortega começaram a explorar a possibilidade de betão armado em plástico como parte de 22.033 (projecto de concepção de Sistemas nucleares), no qual os estudantes foram convidados a escolher o seu próprio projecto.

“they wanted to find ways to lower carbon dioxide emissions that were not just,’ let’s build nuclear reactors, ‘” Short says. “A produção de concreto é uma das maiores fontes de dióxido de carbono, e eles começaram a pensar, ‘como poderíamos atacar isso? Eles olharam através da literatura, e então uma ideia cristalizou.”

os alunos aprenderam que outros tentaram introduzir plástico em misturas de cimento, mas o plástico enfraqueceu o concreto resultante. Investigando mais, eles encontraram evidências de que expor o plástico a doses de radiação gama faz com que a estrutura cristalina do material mude de uma forma que o plástico se torne mais forte, mais resistente e mais resistente. Será que irradiar plástico funcionaria realmente para fortalecer o concreto?

para responder a esta pergunta, os estudantes obtiveram primeiro flocos de poli (tereftalato de etileno) — material plástico utilizado para produzir água e garrafas de soda — a partir de uma instalação local de reciclagem. Schaefer e Ortega separaram-se manualmente através dos flocos para remover pedaços de metal e outros detritos. Eles então andaram as amostras de plástico até a cave do Edifício 8 do MIT, que abriga um irradiador de cobalto-60 que emite raios gama, uma fonte de radiação que é tipicamente usada comercialmente para descontaminar alimentos.

“não há radioactividade residual deste tipo de irradiação”, diz Short. “Se enfiasses algo num reactor e o irradiasses com neutrões, sairia radioactivo. Mas os raios gama são um tipo diferente de radiação que, na maioria das circunstâncias, não deixa vestígios de radiação.”

the team exposed various batches of flakes to either a low or high dose of gamma rays. Eles, em seguida, trituram cada lote de flocos em um pó e misturam os pós com uma série de amostras de pasta de cimento, cada um com pó de cimento Portland tradicional e um dos dois aditivos minerais comuns: cinza de mosca (um subproduto da combustão de carvão) e sílica fume (um subproduto da produção de silício). Cada amostra continha cerca de 1,5% de plástico irradiado.

uma vez que as amostras foram misturadas com água, os pesquisadores derramaram as misturas em moldes cilíndricos, permitindo-lhes curar, removeram os moldes, e submeteram os cilindros de concreto resultantes a testes de compressão. Mediram a resistência de cada amostra e compararam-na com amostras semelhantes feitas com plástico regular e não irradiado, bem como com amostras que não contêm nenhum plástico.

eles descobriram que, em geral, amostras com plástico regular eram mais fracas do que aquelas sem qualquer plástico. O cimento com cinza voadora ou sílica fume era mais forte do que o cimento feito apenas com cimento Portland. E a presença de plástico irradiado junto com cinzas volantes fortaleceu ainda mais o concreto, aumentando sua força em até 15 por cento em comparação com amostras feitas apenas com cimento Portland, particularmente em amostras com plástico irradiado de alta dose.

the concrete road ahead

After the compression tests, the researchers went one step further, using various imaging techniques to examine the samples for clues as to why irradiated plastic yielded stronger concrete.

the team took their samples to Argonne National Laboratory and The Center for Materials Science and Engineering (CMSE) at MIT, where they analyzed them using X-ray diffraction, backscompraated electron microscopy, and X-ray microtomography. As imagens de alta resolução revelaram que as amostras que contêm plástico irradiado, particularmente em doses elevadas, exibiam estruturas cristalinas com mais ligações cruzadas ou ligações moleculares. Nestas amostras, a estrutura cristalina também parecia bloquear poros dentro do concreto, tornando as amostras mais densas e, portanto, mais fortes.

“a um nano-nível, este plástico irradiado afeta a cristalinidade do concreto”, diz Kupwade-Patil. “O plástico irradiado tem alguma reatividade, e quando ele se mistura com cimento Portland e cinzas voadoras, todos os três juntos dão a fórmula mágica, e você obtém concreto mais forte.”

“observamos que dentro dos parâmetros do nosso Programa de teste, quanto maior a dose irradiada, maior a resistência do concreto, então mais pesquisas são necessárias para adaptar a mistura e otimizar o processo com irradiação para os resultados mais eficazes”, diz Kupwade-Patil. “O método tem o potencial de alcançar soluções sustentáveis com melhor desempenho para aplicações estruturais e não estruturais.”

indo em frente, a equipe está planejando experimentar diferentes tipos de plásticos, juntamente com várias doses de radiação gama, para determinar seus efeitos no concreto. Por agora, eles descobriram que substituir cerca de 1,5 por cento de concreto com plástico irradiado pode melhorar significativamente a sua força. Embora isso possa parecer uma pequena fração, diz Short, implementada em escala global, substituindo mesmo essa quantidade de concreto pode ter um impacto significativo.

“Concreto produz cerca de 4,5 por cento das emissões de dióxido de carbono do mundo”, diz Short. “Tire 1,5 por cento disso, e você já está falando sobre 0,0675 por cento das emissões de dióxido de carbono do mundo. É uma quantidade enorme de gases de efeito estufa de uma só vez.”

“esta pesquisa é um exemplo perfeito de trabalho multitarefa interdisciplinar para soluções criativas, e representa uma experiência educacional modelo”, diz Büyüköztürk.

esta história foi actualizada para esclarecer que o betão que contém tanto o plástico irradiado como as cinzas volantes, em vez de apenas o plástico irradiado, é mais forte, até 15%, em comparação com o betão convencional.