Студенты укрепляют бетон, добавляя переработанный пластик: добавление кусочков облученных пластиковых бутылок с водой может сократить выбросы углерода цементной промышленностью

Студенты MIT обнаружили, что, подвергая пластиковые хлопья небольшим безвредным дозам гамма-излучения, а затем измельчая хлопья в мелкий порошок, они могут смешать пластик с цементной пастой для производства бетона, который на 20 процентов прочнее обычного бетона.
Бетон — второй по популярности материал на планете после воды.

Производство бетона генерирует около 4.5 процентов мировых выбросов углекислого газа, вызванных деятельностью человека. Таким образом, замена даже небольшой части бетона облученным пластиком может помочь снизить глобальный углеродный след цементной промышленности.
Повторное использование пластика в качестве добавки к бетону также может перенаправить старые бутылки из-под воды и соды, большая часть которых в противном случае оказалась бы на свалке.
«Ежегодно на свалки вывозится огромное количество пластика, — говорит Майкл Шорт, доцент кафедры ядерной науки и техники Массачусетского технологического института. «Наша технология извлекает пластик со свалки, фиксирует его в бетоне, а также использует меньше цемента для изготовления бетона, что снижает выбросы углекислого газа.

Это может привести к перемещению пластиковых отходов со свалки в здания, где это действительно может помочь сделать их более прочными."
В команду входят Кэролайн Шефер ’17 и старший сотрудник Массачусетского технологического института Майкл Ортега, инициировавший исследование как проект класса; Кунал Купваде-Патил, научный сотрудник Департамента гражданской и экологической инженерии; Энн Уайт, доцент кафедры ядерной науки и техники; Орал Буюкозтюрк, профессор кафедры инженерного строительства и окружающей среды; Кармен Сориано из Аргоннской национальной лаборатории; и короткие. Новая статья появилась в журнале Waste Management.

«Это часть наших целенаправленных усилий в нашей лаборатории по вовлечению студентов в выдающийся исследовательский опыт, связанный с инновациями в поисках новых, лучших бетонных материалов с разнообразным классом добавок различного химического состава», — говорит Буюкозтюрк, директор лаборатории. для науки об инфраструктуре и устойчивости. "Результаты этого студенческого проекта открывают новую арену в поисках решений для устойчивой инфраструктуры."

Идея, кристаллизованная
Шефер и Ортега начали исследовать возможность использования бетона, армированного пластмассой, в рамках проекта 22.033 (Проект дизайна ядерных систем), в котором студентов попросили выбрать свой собственный проект.
«Они хотели найти способы снизить выбросы углекислого газа, а не просто« давайте построим ядерные реакторы », — говорит Шорт. «Производство бетона — один из крупнейших источников углекислого газа, и они задумались:« Как мы можем атаковать это? »?’Они просмотрели литературу, и тогда идея кристаллизовалась."
Студенты узнали, что другие пытались ввести пластик в цементные смеси, но пластик ослабил получившийся бетон.

Продолжая расследование, они обнаружили доказательства того, что воздействие на пластик доз гамма-излучения приводит к изменению кристаллической структуры материала таким образом, что пластик становится более прочным, жестким и жестким. Действительно ли облучение пластика способствует укреплению бетона??

Чтобы ответить на этот вопрос, ученики сначала получили хлопья полиэтилентерефталата — пластикового материала, используемого для изготовления бутылок с водой и газировкой — на местном предприятии по переработке.

Шефер и Ортега вручную отсортировали хлопья, чтобы удалить кусочки металла и другой мусор. Затем они спустились с образцами пластика в подвал здания 8 Массачусетского технологического института, где находится облучатель кобальта-60, излучающий гамма-лучи, источник излучения, который обычно используется в коммерческих целях для обеззараживания пищевых продуктов.
«От этого типа облучения нет остаточной радиоактивности», — говорит Шорт. "Если воткнуть что-то в реактор и облучить нейтронами, получится радиоактивный.

Но гамма-лучи — это другой вид излучения, которое в большинстве случаев не оставляет следов излучения."
Команда подвергала различные партии хлопьев воздействию низкой или высокой дозы гамма-излучения. Затем они измельчали ​​каждую партию хлопьев в порошок и смешивали порошки с серией образцов цементной пасты, каждый с традиционным порошком портландцемента и одной из двух распространенных минеральных добавок: летучей золы (побочный продукт сгорания угля) и микрокремнезема ( побочный продукт производства кремния).

Каждый образец содержал около 1.5 процентов облученного пластика.
После того, как образцы были смешаны с водой, исследователи вылили смеси в цилиндрические формы, дали им затвердеть, сняли формы и подвергли полученные бетонные цилиндры испытаниям на сжатие. Они измерили прочность каждого образца и сравнили его с аналогичными образцами, изготовленными из обычного необлученного пластика, а также с образцами, не содержащими пластика.
Они обнаружили, что в целом образцы с обычным пластиком были слабее, чем образцы без пластика.

Бетон с летучей золой или дымом кремнезема был прочнее, чем бетон, сделанный только с портландцементом. А присутствие облученного пластика еще больше усиливает бетон, увеличивая его прочность на 20 процентов по сравнению с образцами, изготовленными только с портландцементом, особенно в образцах с высокодозным облученным пластиком.
Бетонная дорога впереди
После испытаний на сжатие исследователи пошли еще дальше, используя различные методы визуализации, чтобы исследовать образцы, чтобы понять, почему облученный пластик дает более прочный бетон.

Команда отвезла свои образцы в Аргоннскую национальную лабораторию и в Центр материаловедения и инженерии (CMSE) Массачусетского технологического института, где они проанализировали их с помощью дифракции рентгеновских лучей, электронной микроскопии обратного рассеяния и рентгеновской микротомографии. Изображения с высоким разрешением показали, что образцы, содержащие облученный пластик, особенно при высоких дозах, демонстрируют кристаллические структуры с большим количеством поперечных связей или молекулярных связей. В этих образцах кристаллическая структура, казалось, также блокировала поры в бетоне, делая образцы более плотными и, следовательно, более прочными.
«На наноуровне этот облученный пластик влияет на кристалличность бетона», — говорит Купваде-Патил. «Облученный пластик обладает некоторой реакционной способностью, и когда он смешивается с портландцементом и летучей золой, все три вместе дают волшебную формулу, и вы получаете более прочный бетон."
«Мы заметили, что в рамках параметров нашей программы испытаний, чем выше доза облучения, тем выше прочность бетона, поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы адаптировать смесь и оптимизировать процесс облучения для достижения наиболее эффективных результатов», — сказал Купваде.

Патил говорит. «Этот метод может обеспечить устойчивые решения с улучшенными характеристиками как для структурных, так и для неструктурных применений."
В дальнейшем команда планирует экспериментировать с различными типами пластмасс, а также с различными дозами гамма-излучения, чтобы определить их влияние на бетон. На данный момент они обнаружили, что замена примерно 1.5 процентов бетона с облученным пластиком позволяют значительно повысить его прочность.

Хотя это может показаться небольшой долей, говорит Шорт, реализованная в глобальном масштабе, замена даже такого количества бетона может иметь значительное влияние.
«Бетон производит около 4.5 процентов выбросов углекислого газа в мире ", — говорит Шорт. "Выньте 1.5 процентов от этого, а вы уже говорите о 0.0675 процентов мировых выбросов углекислого газа.

Это огромное количество парниковых газов одним махом."
«Это исследование является прекрасным примером междисциплинарной работы нескольких групп над поиском творческих решений и представляет собой образцовый образовательный опыт», — говорит Буюкозтюрк.

Портал обо всем