Las botellas de plástico desechadas algún día podrían usarse para construir estructuras de concreto más fuertes y flexibles, desde aceras y barreras de calles, hasta edificios y puentes, según un nuevo estudio.
Los estudiantes de pregrado del MIT han descubierto que, al exponer escamas de plástico a dosis pequeñas e inofensivas de radiación gamma y luego pulverizar las escamas en un polvo fino, pueden mezclar el plástico con pasta de cemento para producir concreto que es hasta un 20 por ciento más fuerte quehormigón convencional.
El hormigón es, después del agua, el segundo material más utilizado en el planeta. La fabricación de hormigón genera alrededor del 4,5 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono inducidas por el hombre en el mundo. Reemplazar incluso una pequeña porción de hormigón con plástico irradiado podría ayudar a reducirla huella de carbono global de la industria del cemento.
La reutilización de plásticos como aditivos para el concreto también podría redirigir las botellas viejas de agua y refrescos, la mayor parte de las cuales terminarían en un vertedero.
"Hay una gran cantidad de plástico que se vierte en vertederos cada año", dice Michael Short, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT. "Nuestra tecnología saca el plástico del vertedero, lo encierra en concreto ytambién usa menos cemento para hacer el concreto, lo que genera menos emisiones de dióxido de carbono. Esto tiene el potencial de sacar los desechos plásticos del relleno sanitario del vertedero a los edificios, donde en realidad podría ayudar a fortalecerlos ".
El equipo incluye a Carolyn Schaefer '17 y Michael Ortega, senior del MIT, quienes iniciaron la investigación como un proyecto de clase; Kunal Kupwade-Patil, un científico investigador en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental; Anne White, profesora asociada en el Departamentode Ciencias e Ingeniería Nuclear; Oral Büyüköztürk, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental; Carmen Soriano del Laboratorio Nacional Argonne; y Short. El nuevo artículo aparece en la revista Gestión de residuos .
"Esto es parte de nuestro esfuerzo dedicado en nuestro laboratorio para involucrar a los estudiantes universitarios en experiencias de investigación sobresalientes que tratan con innovaciones en la búsqueda de nuevos y mejores materiales de concreto con una clase diversa de aditivos de diferentes químicas", dice Büyüköztürk, quien es el directordel Laboratorio de Ciencia de la Infraestructura y Sustentabilidad. "Los hallazgos de este proyecto de estudiantes de pregrado abren un nuevo campo en la búsqueda de soluciones para la infraestructura sustentable".
Una idea, cristalizada
Schaefer y Ortega comenzaron a explorar la posibilidad del concreto reforzado con plástico como parte de 22.033 Proyecto de diseño de sistemas nucleares, en el que se pidió a los estudiantes que eligieran su propio proyecto.
"Querían encontrar formas de reducir las emisiones de dióxido de carbono que no fueran simplemente 'construyamos reactores nucleares'", dice Short. "La producción de hormigón es una de las mayores fuentes de dióxido de carbono, y se pusieron a pensar"¿Cómo podríamos atacar eso? 'Miraron a través de la literatura, y luego cristalizó una idea ".
Los estudiantes aprendieron que otros habían tratado de introducir plástico en mezclas de cemento, pero el plástico debilitó el concreto resultante. Investigando más, encontraron evidencia de que exponer el plástico a dosis de radiación gamma hace que la estructura cristalina del material cambie de una manera que el plásticose vuelve más fuerte, más rígido y más resistente. ¿Irradiar plástico funcionaría realmente para fortalecer el concreto?
Para responder a esa pregunta, los estudiantes primero obtuvieron escamas de tereftalato de polietileno, material plástico que se usa para hacer botellas de agua y refrescos, de una instalación de reciclaje local. Schaefer y Ortega clasificaron manualmente las escamas para eliminar trozos de metal y otros desechosLuego caminaron con las muestras de plástico hasta el sótano del Edificio 8 del MIT, que alberga un irradiador de cobalto-60 que emite rayos gamma, una fuente de radiación que se usa habitualmente para descontaminar alimentos.
"No hay radiactividad residual de este tipo de irradiación", dice Short. "Si colocas algo en un reactor y lo irradias con neutrones, saldrá radiactivo. Pero los rayos gamma son un tipo diferente de radiación que, en la mayoría de los casos,circunstancias, no dejes rastro de radiación. "
El equipo expuso varios lotes de escamas a una dosis baja o alta de rayos gamma. Luego, molieron cada lote de escamas en un polvo y mezclaron los polvos con una serie de muestras de pasta de cemento, cada una con cemento Portland en polvo tradicional y unade dos aditivos minerales comunes: cenizas volantes un subproducto de la combustión del carbón y humo de sílice un subproducto de la producción de silicio. Cada muestra contenía aproximadamente un 1,5 por ciento de plástico irradiado.
Una vez que las muestras se mezclaron con agua, los investigadores vertieron las mezclas en moldes cilíndricos, dejaron curar, quitaron los moldes y sometieron los cilindros de concreto resultantes a pruebas de compresión. Midieron la resistencia de cada muestra y la compararon con similaresmuestras hechas con plástico regular no irradiado, así como con muestras que no contienen plástico en absoluto.
Encontraron que, en general, las muestras con plástico regular eran más débiles que las que no tenían plástico. El concreto con cenizas volantes o humo de sílice era más fuerte que el concreto hecho solo con cemento Portland. Y la presencia de plástico irradiado fortaleció el concreto aún más., aumentando su resistencia hasta en un 20 por ciento en comparación con las muestras hechas solo con cemento Portland, particularmente en muestras con plástico irradiado de alta dosis.
El camino de hormigón por delante
Después de las pruebas de compresión, los investigadores dieron un paso más y utilizaron varias técnicas de imagen para examinar las muestras en busca de pistas sobre por qué el plástico irradiado produjo un concreto más resistente.
El equipo llevó sus muestras al Laboratorio Nacional Argonne y al Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales CMSE del MIT, donde las analizaron mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de retrodispersión y microtomografía de rayos X. Las imágenes de alta resoluciónrevelaron que las muestras que contenían plástico irradiado, particularmente en dosis altas, exhibían estructuras cristalinas con más reticulación o conexiones moleculares. En estas muestras, la estructura cristalina también parecía bloquear los poros dentro del concreto, haciendo que las muestras fueran más densas y por lo tanto más fuertes.
"A un nivel nano, este plástico irradiado afecta la cristalinidad del hormigón", dice Kupwade-Patil. "El plástico irradiado tiene cierta reactividad, y cuando se mezcla con cemento Portland y cenizas volantes, los tres juntos dan la fórmula mágicay obtienes hormigón más fuerte ".
"Hemos observado que dentro de los parámetros de nuestro programa de prueba, cuanto mayor es la dosis irradiada, mayor es la resistencia del concreto, por lo que se necesita más investigación para adaptar la mezcla y optimizar el proceso con irradiación para obtener los resultados más efectivos".Kupwade-Patil dice: "El método tiene el potencial de lograr soluciones sostenibles con un rendimiento mejorado para aplicaciones estructurales y no estructurales".
En el futuro, el equipo planea experimentar con diferentes tipos de plásticos, junto con varias dosis de radiación gamma, para determinar sus efectos en el concreto. Por ahora, han descubierto que sustituir alrededor del 1.5 por ciento del concreto con plástico irradiado puedemejorar su resistencia. Si bien eso puede parecer una pequeña fracción, dice Short, implementado a escala global, reemplazar incluso esa cantidad de concreto podría tener un impacto significativo.
"El concreto produce alrededor del 4.5 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono del mundo", dice Short. Si se elimina el 1.5 por ciento de eso, ya está hablando del 0.0675 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono del mundo. Esa es una gran cantidad de gases de efecto invernaderode un solo golpe. "
"Esta investigación es un ejemplo perfecto de trabajo interdisciplinario de múltiples equipos hacia soluciones creativas y representa una experiencia educativa modelo", dice Büyüköztürk.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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