MITの学生がリサイクルプラスチックを加えてコンクリートを強化

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新しい研究によると、廃棄されたペットボトルは、いつか歩道や道路の柵から建物や橋に至るまで、より強く、より柔軟なコンクリート構造物を建設するために使用される可能性がある。

MITの学部生は、プラスチックのフレークを無害な少量のガンマ線に曝露し、フレークを微粉末に粉砕することで、照射したプラスチックをセメントペーストやフライアッシュと混合して最大15パーセントのコンクリートを製造できることを発見した。従来のコンクリートよりも強度があります。

コンクリートは、水に次いで地球上で 2 番目に広く使用されている材料です。 コンクリートの製造は、世界の人為的二酸化炭素排出量の約 4.5 パーセントを生成します。 したがって、コンクリートのごく一部であっても照射済みプラスチックに置き換えることは、セメント産業の世界的な二酸化炭素排出量の削減に役立つ可能性があります。

プラスチックをコンクリート添加剤として再利用すると、古い水やソーダのボトルを再利用することもでき、そうでなければその大部分が埋め立て地に送られることになる。

「毎年、膨大な量のプラスチックが埋め立てられています」とマサチューセッツ工科大学原子力科学工学部の助教授マイケル・ショートは言う。 「私たちの技術は、埋め立て地からプラスチックを取り出し、コンクリートの中に閉じ込め、またコンクリートを作る際に使用するセメントの量を減らし、二酸化炭素の排出量を減らします。これにより、プラスチック埋め立て廃棄物を埋め立て地から取り出して建物に取り込む可能性があります。それが実際に彼らを強くするのに役立つかもしれないのです。」

チームには、キャロリン シェーファー '17 と、クラス プロジェクトとして研究を開始した MIT 上級のマイケル オルテガが含まれています。 Kunal Kupwade-Patil 氏、土木環境工学部の研究員。 アン・ホワイト、原子力科学工学部准教授。 オーラル・ビューユコズテュルク、土木環境工学科教授。 アルゴンヌ国立研究所のカルメン・ソリアーノ氏。 そしてショート。 新しい論文は雑誌「Waste Management」に掲載されました。

「これは、異なる化学の多様な種類の添加剤を使用した、より優れた新しいコンクリート材料を探索するイノベーションに取り組む優れた研究経験に学部生を参加させるための、当研究室の献身的な取り組みの一環です」と、研究室所長のビューユコズテュルク氏は述べています。インフラ科学と持続可能性のための。 「この学部生のプロジェクトから得られた発見は、持続可能なインフラへの解決策の探求において新たな分野を切り開きます。」

アイデアが結晶化

シェーファーとオルテガは、学生に独自のプロジェクトを選択するよう求めた 22.033 (原子力システム設計プロジェクト) の一環として、プラスチック強化コンクリートの可能性を探求し始めました。

「彼らは、『原子炉を建てよう』というだけではない、二酸化炭素排出量を削減する方法を見つけたかったのです」とショート氏は言う。 「コンクリート製造は二酸化炭素の最大の発生源の一つであり、彼らは『どうすればこれを攻撃できるだろうか？』と考えるようになりました。 彼らは文献を調べて、あるアイデアが具体化しました。」

学生たちは、他の人がセメント混合物にプラスチックを導入しようとしたが、プラスチックが結果として得られるコンクリートを弱めてしまったことを学びました。 さらに調査を進めたところ、プラスチックをガンマ線の線量に曝露すると、材料の結晶構造が変化し、プラスチックがより強く、より硬く、より強靱になるという証拠を発見した。 プラスチックに放射線を照射することは実際にコンクリートを強化する効果があるのでしょうか?

その質問に答えるために、学生たちはまず、地元のリサイクル施設からポリエチレン テレフタレート (水やソーダのボトルの製造に使用されるプラスチック材料) のフレークを入手しました。 シェーファー氏とオルテガ氏は手作業でフレークを選別し、金属片やその他の破片を除去した。 次に、彼らはプラスチックのサンプルをMITの8号館の地下まで運びました。そこにはガンマ線を放出するコバルト60照射装置が設置されています。ガンマ線は食品の汚染除去に商業的に使用される放射線源です。

「この種の放射線照射による残留放射能はありません」とショート氏は言う。 「原子炉に何かを突っ込んで中性子を照射すると、放射性物質が放出されます。しかし、ガンマ線は別の種類の放射線であり、ほとんどの状況下では放射線の痕跡を残しません。」

研究チームは、さまざまなバッチのフレークを低線量または高線量のガンマ線に曝露しました。 次に、各バッチのフレークを粉末に粉砕し、その粉末を一連のセメント ペースト サンプルと混合しました。各サンプルには、伝統的なポルトランド セメント粉末と、フライアッシュ (石炭燃焼の副産物) とシリカ フューム (石炭燃焼の副産物) という 2 つの一般的な鉱物添加剤の 1 つが含まれています。シリコン製造の副産物）。 各サンプルには約 1.5% の照射済みプラスチックが含まれていました。

サンプルを水と混合したら、研究者らは混合物を円筒型に注ぎ、硬化させ、型を取り外し、得られたコンクリート円筒の圧縮試験を行った。 彼らは各サンプルの強度を測定し、通常の非照射プラスチックで作られた同様のサンプルや、プラスチックをまったく含まないサンプルと比較しました。

彼らは、一般に、通常のプラスチックを使用したサンプルは、プラスチックを使用していないサンプルよりも弱いことを発見しました。 フライアッシュまたはシリカフュームを含むコンクリートは、ポルトランドセメントのみで作られたコンクリートよりも強かった。 また、フライアッシュと一緒に照射されたプラスチックが存在することでコンクリートがさらに強化され、ポルトランドセメントのみで作られたサンプル、特に高線量の照射プラスチックを使用したサンプルと比較して強度が最大 15 パーセント増加しました。

目の前にあるコンクリートの道

圧縮試験の後、研究者らはさらに一歩進んで、さまざまな画像技術を使用してサンプルを検査し、照射されたプラスチックがなぜより強いコンクリートを生み出すのかについての手がかりを求めました。

研究チームはサンプルをアルゴンヌ国立研究所とマサチューセッツ工科大学材料科学工学センター（CMSE）に持ち込み、X線回折、後方散乱電子顕微鏡、X線マイクロトモグラフィーを用いて分析した。 高解像度画像から、特に高線量で照射されたプラスチックを含むサンプルは、より多くの架橋、つまり分子結合を伴う結晶構造を示していることが明らかになりました。 これらのサンプルでは、​​結晶構造がコンクリート内の細孔をブロックし、サンプルの密度を高め、したがって強度を高めているようです。

「ナノレベルでは、この照射されたプラスチックはコンクリートの結晶化度に影響を与えます」とクプワデ・パティル氏は言う。 「照射されたプラスチックにはある程度の反応性があり、ポルトランドセメントとフライアッシュと混合すると、3 つすべてが一緒になって魔法の処方が得られ、より強力なコンクリートが得られます。」

「テストプログラムのパラメーター内で、照射線量が高くなるほどコンクリートの強度が高くなることが観察されました。そのため、最も効果的な結果を得るには、混合物を調整し、照射によるプロセスを最適化するためにさらなる研究が必要です。」とクプワデ氏は述べています。パティル氏は言う。 「この方法は、構造用途と非構造用途の両方でパフォーマンスを向上させた持続可能なソリューションを実現する可能性を秘めています。」

研究チームは今後、さまざまな種類のプラスチックをさまざまな線量のガンマ線とともに実験し、コンクリートに対するその影響を調べる予定だ。 現時点では、コンクリートの約 1.5 パーセントを照射済みプラスチックに置き換えることで強度が大幅に向上することがわかっています。 それはほんの一部のように思えるかもしれないが、地球規模で実施されれば、たとえその量のコンクリートを置き換えただけでも重大な影響を与える可能性がある、とショート氏は言う。

「コンクリートは世界の二酸化炭素排出量の約 4.5 パーセントを生成します」とショート氏は言います。 「そのうちの 1.5 パーセントを取り出すと、すでに世界の二酸化炭素排出量の 0.0675 パーセントに達することになります。これは膨大な量の温室効果ガスを一度に排出することになります。」

「この研究は、創造的な解決策に向けた学際的なマルチチームの取り組みの完璧な例であり、模範的な教育経験を表しています」とビューユコズテュルク氏は言う。

この記事は、照射プラスチックのみを含むコンクリートよりも、照射プラスチックとフライアッシュの両方を含むコンクリートの方が、従来のコンクリートと比較して最大 15 パーセント強度が高いことを明らかにするために更新されました。

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