MIT-studenter förstärker betong genom att lägga till återvunnen plast

kasserade plastflaskor kan en dag användas för att bygga starkare, mer flexibla betongkonstruktioner, från trottoarer och gatubarriärer, till byggnader och broar, enligt en ny studie.

MIT-studenter har funnit att genom att utsätta plastflingor för små, ofarliga doser av gammastrålning och sedan pulverisera flingorna till ett fint pulver kan de blanda den bestrålade plasten med cementpasta och flygaska för att producera betong som är upp till 15 procent starkare än konventionell betong.

betong är, efter vatten, det näst mest använda materialet på planeten. Tillverkningen av betong genererar cirka 4,5 procent av världens humaninducerade koldioxidutsläpp. Att ersätta även en liten del betong med bestrålad plast kan därmed bidra till att minska cementindustrins globala koldioxidavtryck.

återanvändning av plast som betongtillsatser kan också omdirigera gamla vatten-och läskflaskor, varav huvuddelen annars skulle hamna i en deponi.

“det finns en enorm mängd plast som deponeras varje år”, säger Michael Short, biträdande professor i MIT: s avdelning för kärnvetenskap och teknik. “Vår teknik tar ut plast från deponiet, låser upp det i betong och använder också mindre cement för att göra betongen, vilket gör färre koldioxidutsläpp. Detta har potential att dra plastavfall från deponi och in i byggnader, där det faktiskt kan bidra till att göra dem starkare.”

teamet inkluderar Carolyn Schaefer ‘ 17 och MIT senior Michael Ortega, som initierade forskningen som ett klassprojekt; Kunal Kupwade-Patil, forskare vid Institutionen för Civil-och miljöteknik; Anne White, docent vid Institutionen för nukleär vetenskap och teknik; Oral B Acubiy Achibition, professor vid Institutionen för bygg-och miljöteknik; Carmen Soriano från Argonne National Laboratory; och kort. Det nya papperet visas i tidskriften Waste Management.

“Detta är en del av vår dedikerade insats i vårt laboratorium för att involvera studenter i enastående forskningserfarenheter som handlar om innovationer på jakt efter nya, bättre betongmaterial med en mångsidig klass av tillsatser av olika kemikalier”, säger B Oguiy Oguik Oguizt Oguirk, som är chef för laboratoriet för Infrastrukturvetenskap och hållbarhet. “Resultaten från detta studentprojekt öppnar en ny arena i sökandet efter lösningar på hållbar infrastruktur.”

en ide, kristalliserad

Schaefer och Ortega började undersöka möjligheten till plastarmerad betong som en del av 22.033 (Nuclear Systems Design Project), där eleverna ombads att välja sitt eget projekt.

“de ville hitta sätt att sänka koldioxidutsläppen som inte bara var” låt oss bygga kärnreaktorer”, säger Short. “Betongproduktion är en av de största källorna till koldioxid, och de fick tänka,” hur kunde vi attackera det? De tittade igenom litteraturen, och sedan kristalliserade en tanke.”

eleverna lärde sig att andra har försökt införa plast i cementblandningar, men plasten försvagade den resulterande betongen. Undersökande vidare fann de bevis för att exponering av plast för doser av gammastrålning gör att materialets kristallina struktur förändras på ett sätt som plasten blir starkare, styvare och hårdare. Skulle bestrålning av plast faktiskt fungera för att stärka betongen?

för att svara på den frågan fick eleverna först flingor av polyetentereftalat — plastmaterial som används för att göra vatten — och läskflaskor-från en lokal återvinningsanläggning. Schaefer och Ortega sorteras manuellt genom flingorna för att ta bort bitar av metall och annat skräp. De gick sedan plastproverna ner till källaren i MIT: s byggnad 8, som rymmer en kobolt-60-strålningsanordning som avger gammastrålar, en strålningskälla som vanligtvis används kommersiellt för att dekontaminera mat.

“det finns ingen återstående radioaktivitet från denna typ av bestrålning”, säger Short. “Om du fastnade något i en reaktor och bestrålade det med neutroner, skulle det komma ut radioaktivt. Men gammastrålar är en annan typ av strålning som under de flesta omständigheter inte lämnar några spår av strålning.”

laget exponerade olika partier flingor till antingen en låg eller hög dos gammastrålar. De malde sedan varje parti flingor i ett pulver och blandade pulverna med en serie cementpastaprover, var och en med traditionellt Portlandcementpulver och ett av två vanliga mineraltillsatser: flygaska (en biprodukt av kolförbränning) och kiseldioxidrök (en biprodukt av kiselproduktion). Varje prov innehöll cirka 1,5 procent bestrålad plast.

när proverna blandades med vatten hällde forskarna blandningarna i cylindriska formar, tillät dem att bota, avlägsna formarna och utsatte de resulterande betongcylindrarna för kompressionstester. De mätte styrkan hos varje prov och jämförde det med liknande prover gjorda med vanlig, icke-strålningsplast, liksom med prover som inte innehöll någon plast alls.

de fann att prover med vanlig plast i allmänhet var svagare än de utan plast. Betongen med flygaska eller kiseldioxid rök var starkare än betong gjord med bara Portlandcement. Och närvaron av bestrålad plast tillsammans med flygaska stärkte betongen ytterligare, vilket ökade dess styrka med upp till 15 procent jämfört med prover gjorda bara med Portlandcement, särskilt i prover med högdos bestrålad plast.

betongvägen framåt

efter kompressionstesterna gick forskarna ett steg längre och använde olika bildtekniker för att undersöka proverna för ledtrådar till varför bestrålad plast gav starkare betong.

teamet tog sina prover till Argonne National Laboratory och Center for Materials Science and Engineering (CMSE) vid MIT, där de analyserade dem med hjälp av röntgendiffraktion, backscattered elektronmikroskopi och Röntgenmikrotomografi. De högupplösta bilderna avslöjade att prover innehållande bestrålad plast, särskilt vid höga doser, uppvisade kristallina strukturer med mer tvärbindning eller molekylära anslutningar. I dessa prover verkade den kristallina strukturen också blockera porer i betong, vilket gjorde proverna tätare och därför starkare.

“på en nanonivå påverkar denna bestrålade plast betongens kristallinitet”, säger Kupwade-Patil. “Den bestrålade plasten har viss reaktivitet, och när den blandas med Portlandcement och flygaska, ger alla tre tillsammans den magiska formeln, och du får starkare betong.”

” vi har observerat att inom parametrarna för vårt testprogram, ju högre bestrålad dos, desto högre styrka av betong, så behövs ytterligare forskning för att skräddarsy blandningen och optimera processen med bestrålning för de mest effektiva resultaten, säger Kupwade-Patil. “Metoden har potential att uppnå hållbara lösningar med förbättrad prestanda för både strukturella och icke-strukturella tillämpningar.”

framöver planerar teamet att experimentera med olika typer av plast, tillsammans med olika doser av gammastrålning, för att bestämma deras effekter på betong. För närvarande har de funnit att ersättning av cirka 1,5 procent betong med bestrålad plast kan förbättra dess styrka avsevärt. Även om det kan verka som en liten bråkdel, säger Short, implementerat på global nivå, att ersätta även den mängden betong kan ha en betydande inverkan.

“betong producerar cirka 4,5 procent av världens koldioxidutsläpp”, säger Short. “Ta ut 1,5 procent av det, och du pratar redan om 0,0675 procent av världens koldioxidutsläpp. Det är en stor mängd växthusgaser i ett fall.”

“denna forskning är ett perfekt exempel på tvärvetenskapligt multiteam arbete mot kreativa lösningar, och representerar en modell pedagogisk erfarenhet”, säger B occupy Occupolzt Occupolrk.

denna berättelse har uppdaterats för att klargöra att betong som innehåller både bestrålad plast och flygaska, snarare än med bestrålad plast ensam, är starkare, med upp till 15 procent, jämfört med konventionell betong.