MIT-Studenten verstärken Beton durch Zugabe von recyceltem Kunststoff

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Laut einer neuen Studie könnten weggeworfene Plastikflaschen eines Tages zum Bau stärkerer, flexiblerer Betonkonstruktionen verwendet werden, von Gehwegen und Straßenabsperrungen bis hin zu Gebäuden und Brücken.

Studenten des MIT haben herausgefunden, dass sie den bestrahlten Kunststoff mit Zementleim und Flugasche mischen können, um Beton mit einem Anteil von bis zu 15 Prozent herzustellen, indem sie Plastikflocken kleinen, harmlosen Dosen Gammastrahlung aussetzen und die Flocken dann zu einem feinen Pulver pulverisieren stärker als herkömmlicher Beton.

Beton ist nach Wasser das am zweithäufigsten verwendete Material auf dem Planeten. Die Herstellung von Beton verursacht etwa 4,5 Prozent der weltweit vom Menschen verursachten Kohlendioxidemissionen. Selbst ein kleiner Teil des Betons durch bestrahlten Kunststoff zu ersetzen, könnte somit dazu beitragen, den globalen CO2-Fußabdruck der Zementindustrie zu verringern.

Durch die Wiederverwendung von Kunststoffen als Betonzusatzstoffe könnten auch alte Wasser- und Limonadenflaschen umgeleitet werden, die sonst größtenteils auf der Mülldeponie landen würden.

„Jedes Jahr wird eine riesige Menge Plastik auf der Mülldeponie landen“, sagt Michael Short, Assistenzprofessor am Department of Nuclear Science and Engineering des MIT. „Unsere Technologie entfernt Plastik aus der Mülldeponie, bindet es in Beton ein und verbraucht außerdem weniger Zement zur Herstellung des Betons, was zu weniger Kohlendioxidemissionen führt. Dies hat das Potenzial, Plastikmüll aus der Mülldeponie in Gebäude zu befördern.“ wo es tatsächlich helfen könnte, sie stärker zu machen.

Zum Team gehören Carolyn Schaefer '17 und MIT-Senior Michael Ortega, der die Forschung als Klassenprojekt initiierte; Kunal Kupwade-Patil, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen; Anne White, außerordentliche Professorin am Department of Nuclear Science and Engineering; Oral Büyüköztürk, Professor am Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwesen; Carmen Soriano vom Argonne National Laboratory; und kurz. Das neue Papier erscheint in der Zeitschrift Waste Management.

„Dies ist Teil unserer engagierten Bemühungen in unserem Labor, Studenten in herausragende Forschungserfahrungen einzubeziehen, die sich mit Innovationen auf der Suche nach neuen, besseren Betonmaterialien mit einer vielfältigen Klasse von Zusatzstoffen unterschiedlicher Chemie befassen“, sagt Büyüköztürk, der Leiter des Labors für Infrastrukturwissenschaft und Nachhaltigkeit. „Die Erkenntnisse aus diesem Bachelor-Studentenprojekt eröffnen ein neues Feld bei der Suche nach Lösungen für eine nachhaltige Infrastruktur.“

Eine Idee, kristallisiert

Schaefer und Ortega begannen im Rahmen von 22.033 (Nuclear Systems Design Project) mit der Erforschung der Möglichkeiten von Kunststoffbeton, bei dem die Studierenden gebeten wurden, ihr eigenes Projekt auszuwählen.

„Sie wollten Wege finden, die Kohlendioxidemissionen zu senken, die nicht einfach nur lauteten: ‚Lasst uns Kernreaktoren bauen‘“, sagt Short. „Die Betonproduktion ist eine der größten Kohlendioxidquellen, und sie dachten: ‚Wie können wir das bekämpfen?‘ Sie haben die Literatur durchgesehen und dann kristallisierte sich eine Idee heraus.

Die Schüler erfuhren, dass andere versucht haben, Kunststoff in Zementmischungen einzubringen, der Kunststoff jedoch den resultierenden Beton schwächte. Bei weiteren Untersuchungen fanden sie Hinweise darauf, dass die Einwirkung von Gammastrahlung auf Kunststoff die Kristallstruktur des Materials so verändert, dass der Kunststoff stärker, steifer und zäher wird. Würde die Bestrahlung von Kunststoff tatsächlich dazu beitragen, Beton zu stärken?

Um diese Frage zu beantworten, besorgten sich die Schüler zunächst Flocken aus Polyethylenterephthalat – Kunststoffmaterial, das zur Herstellung von Wasser- und Limonadenflaschen verwendet wird – von einer örtlichen Recyclinganlage. Schaefer und Ortega sortierten die Flocken manuell, um Metallteile und andere Ablagerungen zu entfernen. Anschließend brachten sie die Plastikproben in den Keller des MIT-Gebäudes 8, in dem sich ein Kobalt-60-Strahler befindet, der Gammastrahlen aussendet, eine Strahlungsquelle, die typischerweise kommerziell zur Dekontamination von Lebensmitteln eingesetzt wird.

„Bei dieser Art der Bestrahlung bleibt keine Restradioaktivität zurück“, sagt Short. „Wenn man etwas in einen Reaktor steckt und es mit Neutronen bestrahlt, wird es radioaktiv. Aber Gammastrahlen sind eine andere Art von Strahlung, die in den meisten Fällen keine Spuren von Strahlung hinterlässt.“

Das Team setzte verschiedene Flockenchargen entweder einer niedrigen oder einer hohen Dosis Gammastrahlen aus. Anschließend mahlten sie jede Flockencharge zu einem Pulver und vermischten die Pulver mit einer Reihe von Zementleimproben, jeweils mit traditionellem Portlandzementpulver und einem von zwei üblichen mineralischen Zusatzstoffen: Flugasche (ein Nebenprodukt der Kohleverbrennung) und Silikastaub (ein Nebenprodukt der Siliziumproduktion). Jede Probe enthielt etwa 1,5 Prozent bestrahltes Plastik.

Sobald die Proben mit Wasser vermischt waren, gossen die Forscher die Mischungen in zylindrische Formen, ließen sie aushärten, entfernten die Formen und unterzogen die resultierenden Betonzylinder Drucktests. Sie maßen die Festigkeit jeder Probe und verglichen sie mit ähnlichen Proben, die aus normalem, nicht bestrahltem Kunststoff hergestellt wurden, sowie mit Proben, die überhaupt kein Kunststoff enthielten.

Sie fanden heraus, dass Proben mit normalem Kunststoff im Allgemeinen schwächer waren als solche ohne Kunststoff. Der Beton mit Flugasche oder Quarzstaub war fester als Beton, der nur aus Portlandzement hergestellt wurde. Und das Vorhandensein von bestrahltem Kunststoff zusammen mit Flugasche verstärkte den Beton noch weiter und erhöhte seine Festigkeit um bis zu 15 Prozent im Vergleich zu Proben, die nur aus Portlandzement hergestellt wurden, insbesondere bei Proben mit hochdosiertem bestrahltem Kunststoff.

Der konkrete Weg liegt vor uns

Nach den Kompressionstests gingen die Forscher noch einen Schritt weiter und untersuchten die Proben mithilfe verschiedener bildgebender Verfahren auf Hinweise darauf, warum bestrahlter Kunststoff festeren Beton ergab.

Das Team brachte seine Proben zum Argonne National Laboratory und zum Center for Materials Science and Engineering (CMSE) am MIT, wo sie sie mithilfe von Röntgenbeugung, Rückstreuelektronenmikroskopie und Röntgenmikrotomographie analysierten. Die hochauflösenden Bilder zeigten, dass Proben, die bestrahlten Kunststoff enthielten, insbesondere bei hohen Dosen, kristalline Strukturen mit stärkerer Vernetzung oder molekularen Verbindungen aufwiesen. In diesen Proben schien die kristalline Struktur auch die Poren im Beton zu verstopfen, wodurch die Proben dichter und damit fester wurden.

„Auf Nanoebene beeinflusst dieser bestrahlte Kunststoff die Kristallinität von Beton“, sagt Kupwade-Patil. „Der bestrahlte Kunststoff hat eine gewisse Reaktivität, und wenn er sich mit Portlandzement und Flugasche mischt, ergeben alle drei zusammen die Zauberformel und man erhält festeren Beton.“

„Wir haben beobachtet, dass innerhalb der Parameter unseres Testprogramms die Festigkeit des Betons umso höher ist, je höher die Bestrahlungsdosis ist. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Mischung anzupassen und den Prozess mit Bestrahlung zu optimieren, um die effektivsten Ergebnisse zu erzielen“, sagte Kupwade- Patil sagt. „Die Methode hat das Potenzial, nachhaltige Lösungen mit verbesserter Leistung sowohl für strukturelle als auch nichtstrukturelle Anwendungen zu erreichen.“

Zukünftig plant das Team, mit verschiedenen Kunststoffarten und verschiedenen Dosen Gammastrahlung zu experimentieren, um deren Auswirkungen auf Beton zu bestimmen. Derzeit haben sie herausgefunden, dass der Ersatz von etwa 1,5 Prozent des Betons durch bestrahlten Kunststoff seine Festigkeit deutlich verbessern kann. Auch wenn dies nur ein kleiner Bruchteil zu sein scheint, sagt Short, könnte der Ersatz selbst dieser Betonmenge bei einer weltweiten Umsetzung erhebliche Auswirkungen haben.

„Beton verursacht etwa 4,5 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen“, sagt Short. „Wenn man 1,5 Prozent davon herausnimmt, spricht man bereits von 0,0675 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen. Das ist eine riesige Menge an Treibhausgasen auf einen Schlag.“

„Diese Forschung ist ein perfektes Beispiel für interdisziplinäre Multiteam-Arbeit zur Erzielung kreativer Lösungen und stellt eine vorbildliche Bildungserfahrung dar“, sagt Büyüköztürk.

Diese Geschichte wurde aktualisiert, um klarzustellen, dass Beton, der sowohl bestrahlten Kunststoff als auch Flugasche enthält, und nicht nur bestrahlten Kunststoff, im Vergleich zu herkömmlichem Beton um bis zu 15 Prozent fester ist.

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