روش جدید تقویت بتن با پلاستیک تحت تابش اشعه گاما

بتن، پس از آب، دومین ماده ای است که به طور گسترده ای در این سیاره استفاده می شود. تولید بتن سهمی در حدود 4/5 درصد از انتشار گاز دی اکسید کربن ناشی از فعالیت های انسانی را در جهان دارا است. جایگزینی حتی یک بخش کوچک از بتن با این نوع پلاستیک می تواند به کاهش جهانی ردپای کربن در صنعت سیمان کمک کند. استفاده مجدد از پلاستیک ها به عنوان افزودنی های بتن و یکی از روش های تقویت بتن می تواند بطری های آب کهنه و بطری های نوشابه را به سمتی مناسب هدایت کند که عمده آنها معمولاً در محل دفن زباله قرار می گیرند.

مایکل شرت استادیار گروه علوم و مهندسی هسته ای دانشگاه MIT می گوید : مقدار زیادی پلاستیک وجود دارد که هر ساله در محل دفن زباله تخلیه می شوند. این تکنولوژی پلاستیک را از محل دفن زباله خارج و در بتن جای می دهد و همچنین سبب می شود که برای ساخت بتن از سیمان کمتری استفاده شود که خود باعث کاهش تولید دی اکسید کربن می گردد. این پتانسیل وجود دارد که پلاستیک های مدفون در محل دفن زباله را از آنجا خارج کرده و به درون ساختمان ها بکشانیم که در آنجا واقعاً می تواند به مستحکم تر شدن سازه ها منجر شود.

پیشنهاد مطالعه : بتن با عملکرد بالا (بتن توانمند) و طرح اختلاط آن

این تیم شامل کارولین شافر (Carolyn Schaefer) هفتاد و یک ساله و مایکل اورتگا (Michael Ortega)، دانشجوی کارشناسی دانشگاه MIT که این تحقیق را به عنوان یک پروژه کلاسی آغاز کردند، کونال کوپوید پایتل (Kunal Kupwade-Patil)، محقق دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست؛ آن وایت (Anne White)، استاد دانشکده علوم و مهندسی هسته ای؛ اورال بویوکوزتورک (Oral Büyüköztürk)، استاد گروه مهندسی عمران و محیط زیست؛ کارمن سوریو (Carmen Soriano) از آزمایشگاه ملی آوگونه؛ و شرت (Short) است.

بویوکوزتورک، مدیر آزمایشگاه علوم زیرساختی و پایداری می گوید : این پژوهش به منظور تقویت بتن بخشی از تلاش های اختصاص داده شده ما در آزمایشگاهمان برای جذب دانشجویان مقطع کارشناسی برای کسب تجربه های برجسته تحقیقاتی در زمینه نوآوری و جستجوی مواد جدید و بهتر با مواد شیمیایی متفاوت و با مواد افزودنی با پایه شیمیایی مختلف است. یافته های این پروژه دانشجویان کارشناسی عرصه جدیدی را در جستجوی راه حل های زیرساختی پایدار فراهم می کند.

شکل 1 . تقویت بتن با پلاستیک تحت تابش اشعه گاما

یک ایده شکل گرفت

شافر و اورتگا شروع به بررسی امکان استفاده از بتن مسلح پلاستیک دار به عنوان بخشی از پروژه 22/033 (پروژه طراحی سیستم های هسته ای) کردند. این پروژه یکی از چندین پروژه ای بود که از آنها خواسته شده بود یکی را انتخاب کنند.

شرت می گوید، آنها می خواستند راه هایی برای کاهش انتشار دی اکسید کربن و همچنین تقویت بتن پیدا کنند و قرار نبود که فقط یک راکتور هسته ای بسازند. تولید بتن یکی از بزرگترین منابع ایجاد دی اکسید کربن است و آنها فکر کردند که چگونه می توانیم این مشکل را حل کنیم ؟ آنها ابتدا به بررسی مطالعات پیشین پرداختند و سپس این ایده در ذهن آنها شکل گرفت. آنها دریافتند که قبلاً افرادی تلاش کرده اند پلاستیک را در مخلوط های سیمان وارد کنند، اما پلاستیک، بتن حاصل را تضعیف می کند. آنها بیشتر تحقیق کردند و شواهدی دریافتند که قرار دادن پلاستیک در معرض تابش اشعه گاما، ساختار بلوری ماده را تغییر می دهد تا پلاستیک قوی تر، سخت تر و سفت تر شود. آیا پلاستیک تحت تابش قرارگرفته واقعاً برای تقویت بتن جواب می دهد ؟

برای پاسخ به این سؤال، ابتدا دانشجویان خرده هایی از پلی اتیلن ترفتالات (مواد پلاستیکی که برای ساختن بطری های آب و بطری های نوشابه استفاده می شود) از یک مرکز بازیافت محلی جمع آوری کردند. شافر و اورتگا به صورت دستی تکه های  پلاستیک را مرتب کردند و تکه های فلزی و سایر ضایعات را از میان آنها خارج کردند. سپس نمونه های پلاستیکی را به زیر زمین ساختمان شماره ۸ دانشگاه MIT که تابش دهنده کبالت 60 در آنجا قرار داشت و اشعه گاما منتشر می کرد، بردند. این دستگاه یک منبع تابش معمول تجاری برای از بین بردن آلودگی مواد غذایی است.

شرت می گوید : هیچ گونه اثر رادیواکتیو باقیمانده ای در اثر این نوع تابش وجود ندارد. اگر چیزی را در یک راکتور قرار دادید و آن را با نوترون پرتودهی کردید، یک ماده رادیواکتیو از راکتور بیرون می آید؛ اما اشعه گاما نوع دیگری از تابش است که در بیشتر موارد هیچ نشانه ای از تابش را از خود نشان نمی دهد.

این گروه دسته های مختلفی از تکه های پلاستیک را در معرض دوز کم یا زیاد اشعه گاما قرار دادند. سپس آنها را به پودر تبدیل کرده و هر کدام را با پودر سیمان پرتلند و یکی از دو افزودنی معدنی معمول شامل خاکستر (یک محصول جانبی از احتراق زغال سنگ) و سیلیکا فوم (یک محصول جانبی تولید سیلیکون) مخلوط کردند. هر نمونه حاوی حدود 1/5 درصد پلاستیک تابش داده شده بود.

پس از این که نمونه ها با آب مخلوط شد، محققان مخلوط ها را در قالب های استوانه ای ریختند و به آنها اجازه دادند تا خود را بگیرند، سپس قالب ها را برداشتند و سیلندرهای بتنی را مورد آزمایش های فشاری قرار دادند. آنها مقاومت هر نمونه را اندازه گیری کردند و آن را با نمونه های مشابه ساخته شده با پلاستیک معمولی، تحت تابش قرار نگرفته و همچنین نمونه های حاوی هیچگونه پلاستیکی، مقایسه کردند.

پیشنهاد مطالعه : کاربردهای بتن بدون ریزدانه و طرح اختلاط آن

نتایج تقویت بتن با پلاستیک تحت تابش اشعه گاما

آنها دریافتند که به طور کلی، نمونه هایی با پلاستیک معمولی ضعیف تر از نمونه های بدون پلاستیکی بودند. بتن با خاکستر و یا سیلیکا فوم از بتن ساخته شده با فقط سیمان پرتلند مقاوم تر است و حضور پلاستیک تابش داده شده، بتن را حتی بیشتر تقویت می کند و مقاومت آن را تا 20 درصد، به ویژه در نمونه هایی که با پلاستیک تحت تابش دوز بالایی از اشعه گاما بوده اند در مقایسه با نمونه های بتنی ساخته شده فقط با سیمان پرتلند، افزایش می دهد.

پس از آزمایش های مقاومت فشاری، محققان یک گام دیگر رو به جلو برداشته و از تکنیک های مختلف تصویر برداری برای بررسی نمونه ها و یافتن سرنخ هایی که آنها را به این نتیجه برساند چرا بتن دارای پلاستیک تابش داده شده مقاوم تر است؛ استفاده کردند.

این تیم نمونه های خود را به آزمایشگاه ملی آرگون و مرکز علوم مواد و مهندسی (CMSE) در دانشگاه MIT بردند که در آنجا می توانستند با استفاده از پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی تابشی (BSE) و میکروتوموگرافی اشعه ایکس آنها را تجزیه و تحلیل کردند. تصاویر با وضوح بالا نشان داد که نمونه هایی که حاوی پلاستیک تابش داده شده، به ویژه در دوزهای بالا بودند، دارای ساختارهای بلوری با اتصال مولکولی بیشتر هستند. در این نمونه ها، ساختار بلوری به نظر می رسید که منافذ را درون بتن مسدود می کند و نمونه ها را متراکم تر می کند و بنابراین مقاوم تر می شود.

تاثیر پلاستیک تحت تابش اشعه گاما بر شکل بلوری بتن

کوپ وید پاتیل می گوید : در سطح نانو، این پلاستیک تابش داده شده، بر شکل بلوری بتن تأثیر می گذارد. پلاستیک تابش داده شده دارای حالت های واکنش دهی است و هنگامی که آن را با سیمان پرتلند و خاکستر مخلوط می کند، هر سه با هم یک فرمول جادویی تشکیل می دهند و بتن قوی تر می شود. کوپ وید پاتیل می گوید، ما دریافتیم که هر چه دوز تابش بالاتر باشد، مقاومت بتن نیز بالاتر است، بنابراین تحقیقات بیشتری برای طراحی مخلوط و بهینه سازی با تابش دهی برای رسیدن به نتایج مؤثرتر لازم است.

در ادامه مسیر تیم تحقیقاتی در نظر دارد تا آزمایش هایی را با انواع مختلف پلاستیک، همراه با دوز های مختلف تابش گاما، برای تعیین اثرات آن بر تقویت بتن ، انجام دهد. در حال حاضر، آنها دریافتند که جایگزین کردن حدود 1/5 درصد از بتن با پلاستیک تابش داده شده می تواند به طور قابل توجهی مقاومت بتن را بهبود بخشد. با وجود اینکه ممکن است این مقدار جایگزینی پلاستیک ناچیز به نظر رسد اما شرت می گوید، اجرای آن در مقیاس جهانی، حتی با جایگزین کردن این مقدار کم در بتن می تواند تأثیر قابل توجهی داشته باشد. شرت می گوید : بتن حدود 4/5 درصد در تولید و انتشار گاز دی اکسید کربن نقش دارد. اگر 1/5 درصد از آن را حذف کنید، درباره کاهش حدود 0/0675 درصد از انتشار دی اکسید کربن در سطح جهان صحبت می کنیم که این یک حجم عظیمی از گازهای گلخانه ای است.  بویوکوزتورک می گوید : این تحقیق نمونه ای کامل از کارِ میان رشته ای چند تیمی به سوی یافتن راه حل های خلاقانه است و نشان دهنده یک مدل تجربه آموزشی است.

منبع : ترجمه نوشتاری از سایت csengineermag.com توسط پوریا نخعی، از مقالات تحلیلی ترجمه شده توسط گروه آموزشی 808