Estudantes de graduação do MIT criam concreto reforçado com plástico reciclado

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A adição de pedaços de garrafas plásticas irradiadas pode reduzir as emissões de carbono da indústria de cimento.

De acordo com um novo estudo, garrafas plásticas descartadas poderiam ser usadas para construir estruturas de concreto mais fortes, desde calçadas até prédios e pontes.

Estudantes de graduação do MIT descobriram que a mistura de pó de plástico irradiado com pasta de cimento e cinzas volantes resulta em um concreto que é até 15% mais forte do que o concreto convencional.

Concreto é o segundo material mais utilizado no planeta, ficando atrás apenas da água. A fabricação de concreto gera cerca de 4,5% das emissões de dióxido de carbono gerado pelo homem. Assim, a substituição de uma pequena quantidade de concreto por plástico irradiado poderia contribuir para a redução da pegada de carbono global da indústria de cimento.

A reutilização de plásticos como aditivos de concreto também dá um novo destino a garrafas plásticas, que em sua maioria acabam em aterros sanitários.

“Há uma enorme quantidade de plástico que termina em aterros anualmente”, diz Michael Short, professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT. “Nossa tecnologia tira o plástico do aterro sanitário. Quando usado como aditivo, reduz a quantidade necessária de cimento usado para fazer concreto, que por sua vez reduz as emissões de dióxido de carbono. Isto tem o potencial de desviar resíduos plásticos de aterros sanitários, utilizando-o em edifícios e tornando-os mais resistentes”.

A equipe de pesquisa inclui Carolyn Schaefer (classe de 2017) e Michael Ortega, que iniciou a pesquisa como um projeto de classe; Kunal Kupwade-Patil, cientista de pesquisa no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental; Anne White, professora associada do Departamento de Ciência e Engenharia Nucleares; Oral Büyüköztürk, professor do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental; Laboratório Nacional Carmen Soriano de Argonne. O artigo foi publicado na revista Waste Management.

“Esta é uma parte do esforço dedicado em nosso laboratório para envolver estudantes em experiências de pesquisa lidando com inovações, em busca de novos e melhores composições de concreto, utilizando diversas substâncias químicas como aditivos”, diz Büyüköztürk, diretor do Laboratório para Ciência da Infra-estrutura e Sustentabilidade. “Os resultados desse projeto de estudantes de graduação abrem um novo caminho na busca de soluções para infraestrutura sustentável”. 

 

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Uma idéia, cristalizada

Schaefer e Ortega começaram a explorar a possibilidade de concreto reforçado com plástico como parte da matéria 22.033 (Projeto de Sistemas Nucleares), no qual os alunos são convidados a escolherem seu próprio projeto.

“Eles queriam encontrar maneiras de reduzir as emissões de dióxido de carbono que não eram apenas a mera construção de reatores nucleares”, diz Short. “A produção de concreto é uma das maiores fontes de dióxido de carbono, e eles conseguiram se dedicaram a este problema. Os alunos buscaram soluções na literatura existente, e então uma idéia se cristalizou”.

Os alunos aprenderam que outros tentaram introduzir o plástico em misturas de cimento, mas o plástico enfraqueceu o concreto resultante. Investigando mais a fundo eles descobriram evidências de que a exposição de plástico a doses de radiação gama faz com que a estrutura cristalina do material mude de forma, tornando o plástico mais forte e resistente. A irradiação de plástico realmente funcionaria para fortalecer o concreto?

Para responder a essa pergunta, os alunos obtiveram, em primeiro lugar, flocos de tereftalato de polietileno – material plástico usado para fazer garrafas de água e refrigerante – a partir de locais de reciclagem. Após a separação manual dos retalhos, Schaefer e Ortega levaram o material a um irradiador de cobalto-60 que emite raios gama, uma fonte de radiação que normalmente é usada comercialmente para descontaminar alimentos.

“Não há radioatividade residual desse tipo de irradiação”, diz Short. “Se você estivesse preso em um reator e irradiado com nêutrons, ele viria a ser radioativo. Mas os raios gama são um tipo diferente de radiação que, na maioria das circunstâncias, não deixa vestígios de radiação “.

A equipe expôs vários lotes de retalhos a uma dose baixa ou alta de raios gama. Em seguida, trituraram cada lote destes retalhos, transformando-os em pó, e misturaram os pós com uma série de amostras de pasta de cimento, cada uma com pó tradicional de cimento e um dos dois aditivos minerais comuns: cinzas volantes (um subproduto da combustão do carvão) e fumaça de sílica (uma subproduto da produção de silício). Cada amostra continha cerca de 1,5 por cento de plástico irradiado.

Uma vez que as amostras foram misturadas com água, os pesquisadores derramaram as misturas em moldes cilíndricos, permitiram a cura, retiraram os moldes e submeteram os cilindros de concreto resultantes aos testes de compressão. Eles mediram a força de cada amostra e compararam-na com amostras similares feitas com plástico regular, não irradiado, bem como com amostras que não contêm plástico.

Eles descobriram que, em geral, as amostras com plástico regular eram mais fracas do que aquelas sem plástico. O concreto com cinzas volantes ou fumaça de sílica foi mais forte do que o concreto feito apenas com cimento. E a presença de plástico irradiado juntamente com cinzas volantes reforçou o concreto ainda mais, aumentando a sua força em até 15% em comparação com as amostras feitas apenas com cimento, particularmente em amostras com plástico irradiado com altas doses.

 

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A estrada concreta à frente

Após os testes de compressão, os pesquisadores foram um passo adiante, usando várias técnicas de imagem para examinar as amostras para indícios de por que o plástico irradiado resultou em um concreto mais forte.

A equipe levou suas amostras para o Laboratório Nacional Argonne e para o Centro de Ciência e Engenharia de Materiais (CMSE) no MIT, onde os analisaram usando difração de raios X, microscopia eletrônica retransmitida e microtomografia de raios-X. As imagens de alta resolução revelaram que amostras contendo plástico irradiado, particularmente em altas doses, apresentavam estruturas cristalinas com mais reticulação ou conexões moleculares. Nessas amostras, a estrutura cristalina também pareceu bloquear os poros dentro do concreto, tornando as amostras mais densas e, portanto, mais fortes.

“Em um nível nano, este plástico irradiado afeta a cristalinidade do concreto”, diz Kupwade-Patil. “O plástico irradiado tem alguma reatividade, e quando se mistura com cimento e cinzas volantes, os três juntos dão a fórmula mágica, e você obtém concreto mais forte”.

“Observamos que, dentro dos parâmetros de nosso programa de teste, quanto maior a dose irradiada, maior a força do concreto, então são necessárias mais pesquisas para adaptar a mistura e otimizar o processo com a irradiação para os resultados mais efetivos”, Kupwade- Diz Patil. “O método tem potencial para alcançar soluções sustentáveis ​​com melhor desempenho tanto para aplicações estruturais quanto não estruturais”.

Avançando, a equipe planeja experimentar diferentes tipos de plásticos, juntamente com várias doses de radiação gama, para determinar seus efeitos sobre o concreto. Por enquanto, eles descobriram que substituir cerca de 1,5 por cento do concreto com plástico irradiado pode melhorar significativamente a sua força. Embora isso possa parecer uma pequena fração, Short diz, implementado em uma escala global, substituir até mesmo essa quantidade de concreto poderia ter um impacto significativo.

“O concreto produz cerca de 4,5% das emissões mundiais de dióxido de carbono”, diz Short. “Tirar 1,5 por cento disso, e você já está falando sobre 0,0675 por cento das emissões mundiais de dióxido de carbono. Essa é uma grande quantidade de gases de efeito estufa de uma só vez “.

 

 

Texto escrito por:

Jennifer Chu | MIT News Office

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