Estudiantes del MIT fortalecen el hormigón añadiendo plástico reciclado

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Las botellas de plástico desechadas podrían usarse algún día para construir estructuras de hormigón más fuertes y flexibles, desde aceras y barreras de calles hasta edificios y puentes, según un nuevo estudio.

Los estudiantes universitarios del MIT han descubierto que, al exponer las escamas de plástico a dosis pequeñas e inofensivas de radiación gamma y luego pulverizar las escamas en un polvo fino, pueden mezclar el plástico irradiado con pasta de cemento y cenizas volantes para producir concreto que tiene hasta un 15 por ciento más resistente que el hormigón 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 concreto con plástico irradiado podría ayudar a reducir la huella de carbono global de la industria del cemento.

La reutilización de plásticos como aditivos de hormigón también podría redirigir las botellas viejas de agua y refrescos, la mayor parte de las cuales, de lo contrario, terminarían en un vertedero.

"Hay una gran cantidad de plástico que se desecha 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 el concreto y también 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 vertedero y llevarlos a los edificios. donde realmente podría ayudar a hacerlos más fuertes".

El equipo incluye a Carolyn Schaefer '17 y al estudiante de último año del MIT Michael Ortega, quien inició la investigación como un proyecto de clase; Kunal Kupwade-Patil, científica investigadora del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental; Anne White, profesora asociada en el Departamento de Ciencias e Ingeniería Nucleares; Oral Büyüköztürk, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental; Carmen Soriano del Laboratorio Nacional Argonne; y corto. El nuevo artículo aparece en la revista Waste Management.

"Esto es parte de nuestro esfuerzo dedicado en nuestro laboratorio para involucrar a los estudiantes universitarios en experiencias de investigación sobresalientes que se ocupan de las 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 director del Laboratorio. para la Ciencia de la Infraestructura y la Sostenibilidad. "Los hallazgos de este proyecto de estudiantes de pregrado abren un nuevo campo en la búsqueda de soluciones para la infraestructura sostenible".

Una idea, cristalizada

Schaefer y Ortega comenzaron a explorar la posibilidad del hormigón reforzado con plástico como parte de 22.033 (Proyecto de diseño de sistemas nucleares), en el que se pedía 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 concreto es una de las mayores fuentes de dióxido de carbono, y se pusieron a pensar, '¿cómo podemos atacar eso?' Revisaron la literatura y luego cristalizó una idea".

Los estudiantes aprendieron que otros han tratado de introducir plástico en las 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 plástico se vuelve más fuerte, más rígido y más resistente. ¿Funcionaría realmente la irradiación de plástico para fortalecer el hormigón?

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 desechos. Luego llevaron las muestras de plástico al sótano del Edificio 8 del MIT, que alberga un irradiador de cobalto-60 que emite rayos gamma, una fuente de radiación que normalmente se usa comercialmente para descontaminar alimentos.

"No hay radiactividad residual de este tipo de irradiación", dice Short. "Si metieras algo en un reactor y lo irradiaras con neutrones, saldría radiactivo. Pero los rayos gamma son un tipo diferente de radiación que, en la mayoría de las circunstancias, no deja rastro de radiación".

El equipo expuso varios lotes de copos a una dosis alta o baja de rayos gamma. Luego molieron cada lote de hojuelas hasta convertirlas en polvo y mezclaron los polvos con una serie de muestras de pasta de cemento, cada una con polvo de cemento Portland tradicional y uno de los 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, les permitieron 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 muestras similares hechas con plástico normal no irradiado, así como con muestras que no contenían plástico en absoluto.

Descubrieron que, en general, las muestras con plástico normal eran más débiles que las que no tenían plástico. El hormigón con cenizas volantes o humo de sílice fue más fuerte que el hormigón hecho solo con cemento Portland. Y la presencia de plástico irradiado junto con cenizas volantes reforzó aún más el concreto, aumentando su resistencia hasta en un 15 por ciento en comparación con muestras hechas solo con cemento Portland, particularmente en muestras con plástico irradiado en dosis altas.

El camino de cemento por delante

Después de las pruebas de compresión, los investigadores fueron un paso más allá, utilizando varias técnicas de imagen para examinar las muestras en busca de pistas sobre por qué el plástico irradiado producía un hormigón más fuerte.

El equipo llevó sus muestras al Laboratorio Nacional de 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 resolución revelaron que las muestras que contenían plástico irradiado, particularmente en dosis altas, exhibieron estructuras cristalinas con más enlaces cruzados 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 nanométrico, este plástico irradiado afecta la cristalinidad del concreto", 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 mágica y se obtiene un concreto más fuerte".

"Hemos observado que dentro de los parámetros de nuestro programa de prueba, cuanto mayor sea la dosis irradiada, mayor será 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- Dice Patil. "El método tiene el potencial de lograr soluciones sostenibles con un rendimiento mejorado tanto para aplicaciones estructurales como 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 sobre el concreto. Por ahora, han descubierto que sustituir alrededor del 1,5 por ciento del hormigón con plástico irradiado puede mejorar significativamente 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 hormigón produce alrededor del 4,5 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono del mundo", dice Short. "Quite el 1,5 por ciento de eso, y 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 invernadero de una sola vez".

"Esta investigación es un ejemplo perfecto de trabajo interdisciplinario de varios equipos hacia soluciones creativas y representa una experiencia educativa modelo", dice Büyüköztürk.

Esta historia se actualizó para aclarar que el concreto que contiene plástico irradiado y cenizas volantes, en lugar de plástico irradiado solo, es más resistente, hasta un 15 por ciento, en comparación con el concreto convencional.

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