studenții MIT fortifică betonul prin adăugarea de plastic reciclat

sticlele de plastic aruncate ar putea fi folosite într-o zi pentru a construi structuri de beton mai puternice și mai flexibile, de la trotuare și bariere stradale, la clădiri și poduri, potrivit unui nou studiu.

studenții MIT au descoperit că, prin expunerea fulgilor de plastic la doze mici, inofensive de radiații gamma, apoi pulverizând fulgii într-o pulbere fină, pot amesteca plasticul iradiat cu pastă de ciment și cenușă zburătoare pentru a produce beton care este cu până la 15% mai puternic decât betonul convențional.

betonul este, după apă, al doilea cel mai utilizat material de pe planetă. Fabricarea betonului generează aproximativ 4,5% din emisiile de dioxid de carbon induse de om la nivel mondial. Înlocuirea chiar și a unei mici porțiuni de beton cu plastic iradiat ar putea contribui astfel la reducerea amprentei globale de carbon a industriei cimentului.

reutilizarea materialelor plastice ca aditivi pentru beton ar putea redirecționa, de asemenea, sticlele vechi de apă și sifon, a căror mare parte ar ajunge altfel într-un depozit de deșeuri.

“există o cantitate imensă de plastic care este depozitată în fiecare an”, spune Michael Short, profesor asistent la Departamentul de științe și Inginerie Nucleară al MIT. “Tehnologia noastră scoate plasticul din groapa de gunoi, îl blochează în beton și folosește, de asemenea, mai puțin ciment pentru a face betonul, ceea ce produce mai puține emisii de dioxid de carbon. Acest lucru are potențialul de a scoate deșeurile din depozitele de deșeuri din plastic din depozitele de deșeuri și în clădiri, unde ar putea ajuta de fapt să le facă mai puternice.”

echipa include Carolyn Schaefer ‘ 17 și mit Senior Michael Ortega, care a inițiat cercetarea ca un proiect de clasă; Kunal Kupwade-Patil, un om de știință de cercetare în cadrul Departamentului de Inginerie Civilă și de mediu; Anne White, profesor asociat în cadrul Departamentului de științe și Inginerie Nucleară; Oral B Oktsy Oktsyt Oktsyt Oktsrk, profesor în cadrul Departamentului de Inginerie Civilă și de mediu; Carmen Soriano de la Laboratorul Național Argonne; și scurt. Noua lucrare apare în revista Waste Management.

“aceasta este o parte a efortului nostru dedicat în laboratorul nostru pentru implicarea studenților în experiențe de cercetare remarcabile care se ocupă de inovații în căutarea de materiale concrete noi, mai bune, cu o clasă diversă de aditivi de diferite chimii”, spune B Oktsy Oktik Oktzt Oktcrk, care este directorul Laboratorului pentru știința infrastructurii și durabilitate. “Rezultatele acestui proiect Studențesc de licență deschid o nouă arenă în căutarea de soluții pentru infrastructura durabilă.”

o idee, cristalizată

Schaefer și Ortega au început să exploreze posibilitatea betonului armat cu plastic ca parte a 22.033 (proiectul de proiectare a sistemelor nucleare), în care elevii au fost rugați să-și aleagă propriul proiect.

“au vrut să găsească modalități de a reduce emisiile de dioxid de carbon care nu erau doar” să construim reactoare nucleare””, spune Short. “Producția de beton este una dintre cele mai mari surse de dioxid de carbon și au ajuns să se gândească:” cum am putea ataca asta? S-au uitat prin literatură și apoi s-a cristalizat o idee.”

elevii au aflat că alții au încercat să introducă plastic în amestecurile de ciment, dar plasticul a slăbit betonul rezultat. Investigând în continuare, au găsit dovezi că expunerea plasticului la doze de radiații gamma face ca structura cristalină a materialului să se schimbe într-un mod în care plasticul devine mai puternic, mai rigid și mai dur. Iradierea plasticului ar funcționa efectiv pentru întărirea betonului?

pentru a răspunde la această întrebare, elevii au obținut mai întâi fulgi de polietilen tereftalat — material plastic folosit la fabricarea sticlelor de apă și sifon — de la o instalație locală de reciclare. Schaefer și Ortega au sortat manual fulgii pentru a îndepărta bucățile de metal și alte resturi. Apoi au mers probele de plastic până la subsolul clădirii 8 a MIT, care găzduiește un iradiator de cobalt-60 care emite raze gamma, o sursă de radiații care este de obicei utilizată comercial pentru decontaminarea alimentelor.

“nu există radioactivitate reziduală din acest tip de iradiere”, spune Short. “Dacă ați blocat ceva într-un reactor și l-ați iradiat cu neutroni, ar ieși radioactiv. Dar razele gamma sunt un alt tip de radiații care, în majoritatea circumstanțelor, nu lasă urme de radiații.”

echipa a expus diferite loturi de fulgi la o doză mică sau mare de raze gamma. Apoi au măcinat fiecare lot de fulgi într-o pulbere și au amestecat pulberile cu o serie de probe de pastă de ciment, fiecare cu pulbere tradițională de ciment Portland și unul dintre cei doi aditivi minerali obișnuiți: cenușă zburătoare (un produs secundar al arderii cărbunelui) și fum de silice (un produs secundar al producției de siliciu). Fiecare probă conținea aproximativ 1,5% plastic iradiat.

odată ce probele au fost amestecate cu apă, cercetătorii au turnat amestecurile în matrițe cilindrice, le-au permis să se vindece, au îndepărtat matrițele și au supus buteliile de beton rezultate testelor de compresie. Au măsurat rezistența fiecărei probe și au comparat-o cu probe similare realizate cu plastic obișnuit, neiradiat, precum și cu probe care nu conțin deloc plastic.

au descoperit că, în general, probele cu plastic obișnuit erau mai slabe decât cele fără plastic. Betonul cu cenușă zburătoare sau fum de silice era mai puternic decât betonul realizat doar cu ciment Portland. Iar prezența plasticului iradiat împreună cu cenușa zburătoare au întărit și mai mult betonul, mărindu-i rezistența cu până la 15% în comparație cu probele făcute doar cu ciment Portland, în special în probele cu plastic iradiat cu doze mari.

drumul de beton din fața

după testele de compresie, cercetătorii au făcut un pas mai departe, folosind diferite tehnici imagistice pentru a examina probele pentru indicii cu privire la motivul pentru care plasticul iradiat a dat beton mai puternic.

echipa și-a luat probele la Laboratorul Național Argonne și la Centrul pentru știința și Ingineria Materialelor (CMSE) de la MIT, unde le-au analizat folosind difracție cu raze X, microscopie electronică împrăștiată și microtomografie cu raze X. Imaginile de înaltă rezoluție au arătat că probele care conțin plastic iradiat, în special la doze mari, au prezentat structuri cristaline cu mai multe legături încrucișate sau conexiuni moleculare. În aceste probe, structura cristalină părea, de asemenea, să blocheze porii din beton, făcând probele mai dense și, prin urmare, mai puternice.

“la un nivel nano, acest plastic iradiat afectează cristalinitatea betonului”, spune Kupwade-Patil. “Plasticul iradiat are o oarecare reactivitate, iar atunci când se amestecă cu ciment Portland și cenușă zburătoare, toate trei dau împreună formula magică și obțineți beton mai puternic.”

“am observat că în parametrii programului nostru de testare, cu cât doza iradiată este mai mare, cu atât este mai mare rezistența betonului, deci sunt necesare cercetări suplimentare pentru a adapta amestecul și a optimiza procesul cu iradiere pentru cele mai eficiente rezultate”, spune Kupwade-Patil. “Metoda are potențialul de a obține soluții durabile cu performanțe îmbunătățite atât pentru aplicații structurale, cât și pentru aplicații nestructurale.”

în viitor, echipa intenționează să experimenteze diferite tipuri de materiale plastice, împreună cu diferite doze de radiații gamma, pentru a determina efectele lor asupra betonului. Deocamdată, au descoperit că înlocuirea a aproximativ 1,5% din beton cu plastic iradiat îi poate îmbunătăți semnificativ rezistența. Deși acest lucru poate părea o fracțiune mică, spune Short, implementată la scară globală, înlocuirea chiar și a acelei cantități de beton ar putea avea un impact semnificativ.

“betonul produce aproximativ 4,5% din emisiile de dioxid de carbon din lume”, spune Short. “Scoateți 1,5% din aceasta și deja vorbiți despre 0,0675% din emisiile de dioxid de carbon din lume. Aceasta este o cantitate imensă de gaze cu efect de seră într-o singură lovitură.”

“această cercetare este un exemplu perfect de lucru interdisciplinar multiteam spre soluții creative, și reprezintă un model de experiență educațională”, spune B Unktiky Unktik Oktkrk.

această poveste a fost actualizată pentru a clarifica faptul că betonul care conține atât plastic iradiat, cât și cenușă zburătoare, mai degrabă decât cu plastic iradiat singur, este mai puternic, cu până la 15%, comparativ cu betonul convențional.