麻省理工学院工程师通过将再生塑料添加到混凝土中切割碳排放量

通过将辐照塑料水瓶添加到混凝土，麻省理工学院工程师将塑料从垃圾填埋场占用，降低水泥行业的碳排放。

根据一项新的研究，丢弃的塑料瓶可以用来为建造更强大，更灵活的混凝土结构，从人行道和街道屏障到建筑物和桥梁。

麻省理工学院本科生发现，通过将塑料薄片暴露在小，无害的剂量的γ辐射，然后将薄片粉碎成细粉末，它们可以将塑料与水泥膏混合，产生比传统混凝土更强的混凝土。 。

混凝土是在水之后，地球上的第二种最广泛使用的材料。混凝土的制造产生了世界诱导二氧化碳排放的约4.5％。因此，更换诸如辐照塑料的一小部分混凝土可以帮助降低水泥行业的全球碳足迹。

作为混凝土添加剂的重用塑料也可以将旧水和苏打瓶重定向，其中大部分将在垃圾填埋场中最终结束。

“每年填埋填埋量的巨大塑料，”麻省理工学院核科学与工程系的助理教授Michael Short说。“我们的技术采用垃圾填埋场塑料，将其锁定在混凝土中，并使用较少的水泥使混凝土制作，这使得二氧化碳排放量更少。这有可能将塑料垃圾填埋场浪费从垃圾填埋场和建筑物中拉出，实际上有助于使它们更强壮。“

该团队包括Carolyn Schaefer'17和MIT MICHAEL ORTEGA，他将该研究作为一个班级项目启动;民族和环境工程系研究科学家Kunal Kupwade-Patil;核科学与工程系副教授安妮白;安民安部和环境工程系教授口服博伊布茨塔尔克;阿尔冈国家实验室的Carmen Soriano;和短。新文件出现在废物管理期刊。

“这是我们在我们的实验室中涉及优秀研究经验的专业努力的一部分，这些研究经验处理新的，更好的混凝土材料的创新，并具有不同化学物质的持久性添加剂，”实验室主任Büyüköztürk说基础设施科学与可持续发展。“本科生项目的调查结果在寻求可持续基础设施方面的解决方案中开辟了一个新的舞台。”

一个想法，结晶

Schaefer和Ortega开始探讨塑料钢筋混凝土的可能性，作为22.033（核系统设计项目）的一部分，其中学生被要求选择自己的项目。

“他们想找到降低不仅仅是”让我们建立核反应堆“的二氧化碳排放的方法，”缩短说。“混凝土生产是最大的二氧化碳来源之一，他们要思考，”我们怎样才能攻击这一点？“他们透过文学，然后一个想法结晶。“

学生们了解到其他人试图将塑料引入水泥混合物，但塑料削弱了所得混凝土。进一步调查，他们发现证据表明将塑料暴露于γ辐射的剂量，使得材料的晶体结构变化，使塑料变得更强，更硬，更难以。照射塑料实际上是为了加强混凝土吗？

为了回答这个问题，学生首先获得了用于制造水和苏打瓶的聚对苯二甲酸乙二醇酯 - 塑料材料的薄片 - 从局部回收设施。Schaefer和Ortega手动穿过薄片排序，以去除金属等碎片。然后，它们将塑料样品走向麻省理工学院建筑物8的地下室，其容纳一个钴-60辐射器，它发出伽马射线，辐射源通常用于净化食物。

“这种类型的辐射没有残留的放射性，”缩短说。“如果你在反应堆中粘在一起并用中子照射它，它会出局放射性。但伽玛射线是一种不同的辐射，在大多数情况下，没有痕迹辐射。“

该团队将各种涂料暴露于低或高剂量的伽马射线。然后将每批薄片研磨成粉末并用一系列水泥糊样品混合粉末，每种水泥糊样品，每种水泥粉末和两个常见的矿物添加剂之一：飞灰（煤燃烧的副产品）和硅粉（A硅生产的副产品）。每个样品包含约1.5％的辐照塑料。

一旦将样品与水混合，研究人员将混合物倒入圆柱形模具中，使其能够固化，取出模具，使得到的混凝土汽缸进行压缩试验。它们测量了每个样品的强度，并将其与用规则，非阳性塑料制成的类似样品以及含有含有塑料的样品。

他们发现，通常，具有常规塑料的样品比没有塑料的塑料较弱。粉煤灰或硅粉的混凝土比与平板水泥制成的混凝土更强。辐照塑料的存在甚至进一步加强了混凝土，与在与波特兰水泥的样品相比，将其强度提高至多20％，特别是在具有高剂量照射塑料的样品中。

前方的混凝土道路

在压缩测试之后，研究人员更进一步，使用各种成像技术来检查用于为何照射塑料产生更强的混凝土的线索的样品。

该团队在MIT将其样本与Argonne National实验室和材料科学和工程中心（CMSE）一起使用，在那里他们使用X射线衍射，反向散射电子显微镜和X射线微观图分析它们。高分辨率图像显示，含有辐照塑料的样品，特别是高剂量，具有更交联或分子连接的结晶结构。在这些样品中，结晶结构也似乎在混凝土中堵塞孔，使样品更致密，因此更强。

“在纳米级，这种辐照塑料会影响混凝土的结晶度，”Kupwade-Patil说。“照射的塑料具有一些反应性，当它与波特兰水泥和粉煤灰混合时，所有三个都会给出魔法配方，你会变得更强壮的混凝土。”

“我们已经观察到在我们的测试程序的参数内，辐照剂量越高，混凝土的强度越高，因此需要进一步的研究来定制混合物并优化具有最有效结果的照射的过程，”kupwade-帕特尔说。“该方法有可能实现可持续解决方案，以改善结构和非结构应用的性能。”

展望未来，该团队正计划试验不同类型的塑料，以及各种剂量的γ辐射，以确定它们对混凝土的影响。目前，他们发现，用辐照塑料替换约1.5％的混凝土可以显着提高其强度。虽然这似乎可能是一个小部分，但简短的说，在全球范围内实施，即使混凝土的数量也可能产生重大影响。

“混凝土产生了世界上二氧化碳排放量的约4.5％”，“缩短说。“占据了1.5％，你已经谈到了世界上二氧化碳排放的0.0675％。这是一个猛扑猛扑的大量温室气体。“

“这项研究是对创意解决方案的跨学科多数工作的完美举例，代表了一种模型教育体验，”Büyüktürk说。

出版物：Carolyn E.Schaefer等，“照射再生塑料作为混凝土添加剂，改善化学机械性能和较低的碳足迹”，废物管理，2017年; DOI：10.1016 / J.Wasman.2017.09.033