Des étudiants du MIT renforcent le béton en ajoutant du plastique recyclé

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Selon une nouvelle étude, les bouteilles en plastique jetées pourraient un jour être utilisées pour construire des structures en béton plus solides et plus flexibles, des trottoirs et des barrières de rue aux bâtiments et aux ponts.

Les étudiants de premier cycle du MIT ont découvert qu'en exposant des flocons de plastique à de petites doses inoffensives de rayonnement gamma, puis en pulvérisant les flocons en une poudre fine, ils peuvent mélanger le plastique irradié avec de la pâte de ciment et des cendres volantes pour produire du béton jusqu'à 15 %. plus solide que le béton traditionnel.

Le béton est, après l'eau, le deuxième matériau le plus utilisé sur la planète. La fabrication du béton génère environ 4,5 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone d'origine humaine. Remplacer ne serait-ce qu'une petite partie du béton par du plastique irradié pourrait ainsi contribuer à réduire l'empreinte carbone globale de l'industrie du ciment.

La réutilisation des plastiques comme additifs pour le béton pourrait également rediriger les vieilles bouteilles d'eau et de soda, dont la majeure partie finirait autrement dans une décharge.

"Il y a une énorme quantité de plastique qui est mise en décharge chaque année", explique Michael Short, professeur adjoint au Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires du MIT. « Notre technologie retire le plastique de la décharge, l'enferme dans du béton et utilise également moins de ciment pour fabriquer le béton, ce qui produit moins d'émissions de dioxyde de carbone. où cela pourrait réellement aider à les rendre plus forts."

L'équipe comprend Carolyn Schaefer '17 et Michael Ortega, senior du MIT, qui a lancé la recherche en tant que projet de classe; Kunal Kupwade-Patil, chercheur scientifique au Département de génie civil et environnemental ; Anne White, professeure agrégée au Département des sciences et du génie nucléaires ; Oral Büyüköztürk, professeur au Département de génie civil et environnemental ; Carmen Soriano du Laboratoire National d'Argonne ; et court. Le nouvel article paraît dans la revue Waste Management.

"Cela fait partie de nos efforts dévoués dans notre laboratoire pour impliquer les étudiants de premier cycle dans des expériences de recherche exceptionnelles traitant d'innovations à la recherche de nouveaux matériaux de béton de meilleure qualité avec une classe diversifiée d'additifs de différentes chimies", déclare Büyüköztürk, directeur du laboratoire. pour la science des infrastructures et la durabilité. "Les résultats de ce projet d'étudiant de premier cycle ouvrent une nouvelle arène dans la recherche de solutions pour une infrastructure durable."

Une idée, cristallisée

Schaefer et Ortega ont commencé à explorer la possibilité de béton armé de plastique dans le cadre de 22.033 (projet de conception de systèmes nucléaires), dans lequel les étudiants ont été invités à choisir leur propre projet.

"Ils voulaient trouver des moyens de réduire les émissions de dioxyde de carbone qui n'étaient pas simplement, 'construisons des réacteurs nucléaires'", a déclaré Short. "La production de béton est l'une des plus grandes sources de dioxyde de carbone, et ils se sont mis à penser, 'comment pourrions-nous attaquer cela?' Ils ont parcouru la littérature, puis une idée s'est cristallisée."

Les étudiants ont appris que d'autres ont essayé d'introduire du plastique dans des mélanges de ciment, mais que le plastique a affaibli le béton résultant. En approfondissant leurs recherches, ils ont trouvé des preuves que l'exposition du plastique à des doses de rayonnement gamma modifie la structure cristalline du matériau de manière à ce que le plastique devienne plus solide, plus rigide et plus résistant. Le plastique irradiant fonctionnerait-il réellement pour renforcer le béton ?

Pour répondre à cette question, les étudiants ont d'abord obtenu des flocons de polyéthylène téréphtalate - matière plastique utilisée pour fabriquer des bouteilles d'eau et de soda - auprès d'une installation de recyclage locale. Schaefer et Ortega ont trié manuellement les flocons pour éliminer les morceaux de métal et autres débris. Ils ont ensuite transporté les échantillons de plastique jusqu'au sous-sol du bâtiment 8 du MIT, qui abrite un irradiateur au cobalt 60 qui émet des rayons gamma, une source de rayonnement généralement utilisée dans le commerce pour décontaminer les aliments.

"Il n'y a pas de radioactivité résiduelle de ce type d'irradiation", explique Short. "Si vous coinciez quelque chose dans un réacteur et que vous l'irradiiez avec des neutrons, cela deviendrait radioactif. Mais les rayons gamma sont un autre type de rayonnement qui, dans la plupart des cas, ne laisse aucune trace de rayonnement."

L'équipe a exposé divers lots de flocons à une dose faible ou élevée de rayons gamma. Ils ont ensuite broyé chaque lot de flocons en une poudre et mélangé les poudres avec une série d'échantillons de pâte de ciment, chacun avec de la poudre de ciment Portland traditionnelle et l'un des deux additifs minéraux courants : les cendres volantes (un sous-produit de la combustion du charbon) et la fumée de silice (un sous-produit de la production de silicium). Chaque échantillon contenait environ 1,5 % de plastique irradié.

Une fois les échantillons mélangés avec de l'eau, les chercheurs ont versé les mélanges dans des moules cylindriques, les ont laissés durcir, ont retiré les moules et ont soumis les cylindres de béton résultants à des tests de compression. Ils ont mesuré la résistance de chaque échantillon et l'ont comparé avec des échantillons similaires fabriqués avec du plastique ordinaire non irradié, ainsi qu'avec des échantillons ne contenant pas du tout de plastique.

Ils ont constaté qu'en général, les échantillons contenant du plastique ordinaire étaient plus faibles que ceux sans plastique. Le béton contenant des cendres volantes ou de la fumée de silice était plus résistant que le béton fabriqué uniquement avec du ciment Portland. Et la présence de plastique irradié ainsi que de cendres volantes a encore renforcé le béton, augmentant sa résistance jusqu'à 15 % par rapport aux échantillons fabriqués uniquement avec du ciment Portland, en particulier dans les échantillons contenant du plastique irradié à haute dose.

La route bétonnée à venir

Après les tests de compression, les chercheurs sont allés plus loin en utilisant diverses techniques d'imagerie pour examiner les échantillons à la recherche d'indices expliquant pourquoi le plastique irradié a donné un béton plus résistant.

L'équipe a emmené ses échantillons au Laboratoire national d'Argonne et au Centre de science et d'ingénierie des matériaux (CMSE) du MIT, où ils les ont analysés par diffraction des rayons X, microscopie électronique rétrodiffusée et microtomographie aux rayons X. Les images à haute résolution ont révélé que les échantillons contenant du plastique irradié, en particulier à fortes doses, présentaient des structures cristallines avec plus de réticulation ou de connexions moléculaires. Dans ces échantillons, la structure cristalline semblait également bloquer les pores du béton, rendant les échantillons plus denses et donc plus résistants.

"Au niveau nanométrique, ce plastique irradié affecte la cristallinité du béton", explique Kupwade-Patil. "Le plastique irradié a une certaine réactivité, et lorsqu'il se mélange avec du ciment Portland et des cendres volantes, les trois ensemble donnent la formule magique, et vous obtenez un béton plus fort."

"Nous avons observé que dans les paramètres de notre programme de test, plus la dose irradiée est élevée, plus la résistance du béton est élevée, donc des recherches supplémentaires sont nécessaires pour adapter le mélange et optimiser le processus avec irradiation pour les résultats les plus efficaces", Kupwade- dit Patil. "La méthode a le potentiel de parvenir à des solutions durables avec des performances améliorées pour les applications structurelles et non structurelles."

À l'avenir, l'équipe prévoit d'expérimenter différents types de plastiques, ainsi que diverses doses de rayonnement gamma, afin de déterminer leurs effets sur le béton. Pour l'instant, ils ont découvert que le remplacement d'environ 1,5 % du béton par du plastique irradié peut améliorer considérablement sa résistance. Bien que cela puisse sembler être une petite fraction, dit Short, mis en œuvre à l'échelle mondiale, le remplacement même de cette quantité de béton pourrait avoir un impact significatif.

"Le béton produit environ 4,5 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone", déclare Short. "Enlevez 1,5% de cela, et vous parlez déjà d'environ 0,0675% des émissions mondiales de dioxyde de carbone. C'est une énorme quantité de gaz à effet de serre d'un seul coup."

"Cette recherche est un exemple parfait de travail interdisciplinaire multi-équipes vers des solutions créatives et représente une expérience éducative modèle", a déclaré Büyüköztürk.

Cette histoire a été mise à jour pour clarifier que le béton contenant à la fois du plastique irradié et des cendres volantes, plutôt que du plastique irradié seul, est plus résistant, jusqu'à 15 %, par rapport au béton conventionnel.

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