Студенты MIT укрепляют бетон путем добавления переработанной пластмассы

Студенты MIT укрепляют бетон путем добавления переработанной пластмассы

“Наша технология использует пластмассу из мусора, добавляя её в бетон, уменьшая тем самым использование цемента, что в свою очередь, снижает выделение углекислого газа”, говорит доцент Майкл Шорт.

Добавление нарезанных облученных пластмассовых частей батометров, предотвращают выброс углерода в промышленности. Пластмассовые бутылки, от которых отказываются, могут использоваться для постройки более сильных, более гибких бетонных конструкций, от тротуаров и уличных барьеров, зданий и мостов, согласно новому исследованию.

Студенты бакалавриата MIT исследовали, что разделив пластмассу на мелкие чешуйки, воздействуя на них безопасной дозой гамма радиации, а затем распылив их в мелкий порошок, можно смешать облученную пластмассу с пастой цемента и зольной пылью, чтобы произвести бетон, который до 15 процентов более прочен, чем обычный бетон.

Бетон, второй после воды широко используемый материал на всей планете. При производстве бетона приблизительно выделяется 4,5 процента, вызванных человеком выделений углекислого газа в мире. Замена даже небольшой части бетона с облученной пластмассой поможет уменьшить общий урон от углеродного следа при производстве цемента.

Многократное использование пластмассы, как добавки, позволит использовать повторно старые батометры и бутылки содовой, это лучшая альтернатива закапыванию мусора в землю.

“Существует огромное количество пластмассы, которая заполняет землю каждый год”, говорит Майкл Шорт, доцент в Отделении MIT Ядерной Науки и Разработки. “Наша технология предотвратить от закапывания пластмассы на мусорных свалках, использовать её в бетоне, что уменьшит использование цемента при производстве бетона и выделений углекислого газа. Это потенциал, использовать пластмассовые отходы, как закопанного мусора, так и утилизированного, но еще не закопанного мусора в здания, где это может сделать их более прочными”.

Команда включает Кэролайн Шефер 17 лет и MIT старший Майкл Ортега, инициировавший исследование как проект класса; Кунал Купвад-Патил, исследователь в Отделении Гражданского строительства и Инженерной защиты окружающей среды; Энн Вайт, адъюнкт-профессор в Отделении Ядерной Науки и Разработки; Орал Бюиюкезтюрк (Büyüköztürk), преподаватель в Отделении Гражданского строительства и Инженерной защиты окружающей среды; Кармен Сориано из Национальной лаборатории Аргонна и Шорт.

“Это - часть наших специализированных работ нашей лаборатории для включения студентов в фундаментальных исследованиях, имеющих дело с инновациями в поисках новых, лучших конкретных материалов с разнообразным классом добавок различных химических показателей”, говорит Бюиюкезтюрк (Büyüköztürk), который является директором лаборатории Науки Инфраструктуры и Устойчивости. “Результаты исследования этого проекта студентами бакалавриата открывают новое направление в поиске решений надежной и стабильной инфраструктуры”.

Как кристаллизовалась идея

Шефер и Ортега начали исследовать возможность пластмассового железобетона, как часть 22.033 (Ядерный Проект Проектирования систем), в котором студентов попросили выбрать их собственный проект.

“Они хотели найти способы снизить выделения углекислого газа, которые не были просто, ‘давайте построим ядерные реакторы”, говорит Шорт. “Конкретное производство является одним из крупнейших источников углекислого газа, и они подумали, “как мы можем решить это?” Они просмотрели литературу, после чего выдвинули идею”.

Студенты узнали, что были другие попытки использовать пластмассу в смеси цемента, но пластмасса ослабляла заканчивающийся бетон. Занимаясь расследованиями далее, они нашли доказательства, что облучение пластмассы определенными дозами гамма радиации изменяют структуру материал, что пластмасса становится более прочной, более жесткой, и более прочной. Облучение пластмассы на самом ли деле работает, чтобы усилить бетон?

Чтобы ответить на тот вопрос, студенты сначала получили чешуйки полиэтилентерефталата — из этого пластмассового материала раньше делали батометры и бутылки содовой — от местного рециркуляторного средства. Шефер и Ортега вручную отсортировали чешуйки, чтобы удалить части металла и другого жестяного налета. Они нашли пластмассовые образцы внизу в подвале здания MIT 8, которого есть помещение для облучения гамма-лучами кобальта-60, как правило радиационный источник, использующийся в коммерческих целях для дезактивации еды.

“Нет никакой остаточной радиоактивности от этого типа облучения”, говорит Шорт. “Если бы Вы засунули что-то в реактор и облучили эту вещь нейтронами, то она бы вышел радиоактивной. Но гамма-лучи являются другим видом радиации, которые, при большинстве обстоятельств, не оставляют следа радиации”.

Команда подвергла различные варианты чешуек, как низкой, так и большей дозе гамма-лучей. Каждую партию чешуек дробили в порошок и смешали его с серией образцов пасты цемента, с традиционным Портлендским порошком цемента и одной из двух общих минеральных добавок: зольной пылью (побочный продукт сжигания угля) и дымом кварца (побочный продукт производства силикона). Каждый образец содержал приблизительно 1.5 процента облученной пластмассы.

Как только образцы были смешаны с водой, исследователи залили смеси в цилиндрические формы, позволили им настояться, удалили формы и подвергли эти цилиндры компрессионному анализу. Они измерили прочность каждого образца и сравнили его с подобными образцами, сделанными обычным способом, не облучая пластмассу, а также с образцами, содержащими пластмассу вообще.

Они нашли, что в целом образцы с обычной пластмассой были более слабыми, чем без пластмассы. Бетон с зольной пылью или дымом кварца был более прочным, чем бетон, сделанный только с Портлендским цементом. А наличие облученной пластмассы наряду с зольной пылью усилило бетон еще больше, увеличив его прочность максимум на 15 процентов по сравнению с образцами, сделанными только с Портлендским цементом, особенно в образцах с облученной пластмассой большей дозы.

Вперед по бетонной дороге

После компрессионных анализов исследователи продвинулись на шаг вперед, изучив разные варианты результатов исследований образов, получили подсказки относительно того, почему облученная пластмасса была более прочной, чем бетон.

Команда взяла эти образцы в Национальную лабораторию Аргонна и Центр Материаловедения и Разработки (CMSE) в MIT, где они проанализировали их, используя дифракцию рентгеновских лучей, обратного рассеивания электронной микроскопии и рентгеновской микротомографии. Изображения с высоким разрешением показали, что образцы, содержащие облученную пластмассу, особенно в больших дозах, показали кристаллические структуры с большим количеством перекрестного сшивания или молекулярных связей. В этих образцах кристаллическая структура, казалось, заблокированной в поры бетона, делая образцы более плотными и поэтому более сильными.

“В наноуровне эта облученная пластмасса влияет на кристалличность бетона”, говорит Купвад-Патил. “Облученная пластмасса имеет некоторую реактивность и когда это смешивается с Портлендским цементом и зольной пылью, все три компонента вместе дают волшебную формулу, и вы получаете более прочный бетон”.

“Мы заметили, что в параметрах нашей тестовой программы, чем выше облученная доза, тем выше прочность бетона, таким образом, дальнейшее исследование необходимо, чтобы скроить смесь и оптимизировать процесс с облучением для самых эффективных результатов”, говорит Купвад-Патил. “Метод имеет потенциал, чтобы достигнуть стабильного результата с улучшенной производительностью для обоих структурного и неструктурного применения”.

В дальнейшем команда планирует экспериментировать с различными типами пластиков, наряду с различными дозами гамма радиации, определяя их эффекты на бетон. На данный момент они нашли замену приблизительно 1.5 процентам бетона с облученной пластмассой, которая может значительно улучшить свою прочность. В тоже время это может показаться мелочью, что небольшая часть, говорит Шорт, может оказать существенное значение в глобальном масштабе, заменяя даже, определенное количество бетона.

“Бетон производит приблизительно 4,5 процента выделений углекислого газа в мире”, говорит Шорт. “Уберите 1,5 процента из этого, и Вы уже можно говорить о снижении приблизительно на 0.0675 процента выделений углекислого газа в мире. Это - огромное количество парниковых газов одним махом”.

“Это исследование является идеальным примером междисциплинарной работы мультикоманд к творческим решениям и представляет образцовый образовательный опыт”, говорит Бюиюкезтюрк (Büyüköztürk).

Эта тема была обновлена, показывая, что бетон, содержащий облученную пластмассу и зольную пыль, а не только облученную пластмассу, более прочен, максимум на 15 процентов, по сравнению с обычным бетоном.

Источник информации новостной раздел сайта Massachusetts Institute of Technology