تقویت بتن با استفاده از پرتوهای گاما و پلاستیک‌های پودر شده!

روز به روز اهمیت حفظ محیط زیست به ویژه در صنعت عظیم ساخت‌وساز بیشتر و بیشتر به چشم می‌آید و بسیاری از محققان و دانشمندان در تلاش هستند که با ابتکار عمل، فناوری و روش‌هایی نوین و پایدار را جایگزین روش‌های قدیمی کنند. بازیافت مواد و به کارگیری دوباره آن‌ها در بخش‌های مختلف پروژه‌های عمرانی از مهم‌ترین اقداماتی است که اجرای آن به پیشبرد اهداف ساخت‌وساز پایدار بسیار کمک می‌کند. در همین راستا دانشجویان دانشگاه ام آی تی با تاباندن پرتوهای گاما بر نوع خاصی از پلاستیک‌های پودر شده و استفاده از آن در بتن توانسته‌اند که استحکام آن را بهبود بخشند و یک بتن تقویت شده و نوین تولید کنند.

اهمیت فناوری نوین کاربرد زباله پلاستیکی در تقویت بتن

از فناوری‌های نوین ساخت بتن‌های مستحکم و یا تقویت آن‌ها استفاده از خرده‌های پلاستیکی است. در صورتی این تلاش دانشجویان ام آی تی به ثمر بنشیند می‌توان امید داشت که میزان کربن تولید شده به واسطه تولید سیمان و بتن و همچنین توده‌های انباشته شده از زباله‌های پلاستیکی را به مقدار قابل توجهی کاهش داد.

دکتر مایکل شورت از دپارتمان علوم و مهندسی هسته‌ای عنوان داشت که «هر ساله حجم سرسام آوری از زباله‌های پلاستیکی تلنبار می‌شوند بدون این که بتوان راه‌حل درست و حسابی برای آن‌ها مطرح کرد. تکنولوژی که ما در این تحقیق به کار گرفته‌ایم، لاستیک‌ها را از زباله‌دان‌ها بیرون می‌کشد و کاربرد درست و حسابی برای این حجم گسترده از زباله‌ها پیدا می‌کند. با به کارگیری صحیح این تکنولوژی تولید بتن نوین مصرف سیمان در تولید بتن کمتر خواهد شد که در نتیجه آن تولید دی اکسید کربن نیز کاهش می‌یابد.»

بیشتر بخوانید: بتن هوشمند چیست؟ معرفی انواع بتن هوشمند و کاربردهای آن‌ها

چرا پرتوهای گاما؟

بسیاری از تحقیقات نشان داده‌اند که یکی از راه حل‌های بالقوه بازیابی استحکام پلاستیک در هنگام اضافه شدن به بتن استفاده از پرتوهای گاما است. پلی اتیلن ترفنات یک پلی‌استر نیمه بلوری است به دلیل ترکیب آمورف شیشه‌ای دارای یک ریزساختار ایزوتروپیک است. به همین دلیل یکی از پلیمرهایی محسوب می‌شود که بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است. با تاباندن پرتوهای گاما، دو تاثیر گسستگی زنجیره‌ای و پیوند عرضی در این پلیمر از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند.

تحقیقات نشان داده است که گسستگی زنجیره‌ای در نتیجه تابش پرتوهای گاما باعث افزایش میزان بلورینگی یا درجه کریستالی در پلیمر پلی اتیلن ترفنات می‌شود. تعداد گسستگی‌های زنجیره‌ای رابطه مستقیمی با مقدار و شدت پرتوهای گاما دارند و از این رو باعث کاهش وزن مولکولی می‌شوند. این کاهش در وزن مسئول بهبود تحرک و تغییر پذیری مولکولی خواهد بود که متعاقباً آرایش‌های سفارشی مولکول‌ها در ساختارهای بلوری را تسهیل می‌کند. افزایش درجه کریستالی تاثیر مهمی در تعدادی از ویژگی‌های مکانیکی این پلیمر دارد. پلیمرهای دارای درجه کریستالی بالا از مودول، سختی، سفتی، استحکام و زبری بالاتری برخوردار هستند و همین موضوع باعث تولید بتن نوین با استحکام بالا می‌شود.

فرآیند استفاده از پلاستیک در تقویت بتن

پیش از این بارها از پلاستیک به منظور اهداف مختلف از جمله تولید بتن‌های سبک مورد استفاده قرار گرفته بود اما مهم‌ترین نقطه ضعف آن این بود که موجب تضعیف استحکام بتن می‌شد. با این همه دانشجویان دانشگاه ام آی تی به این نتیجه رسیدند که در صورتی که خرده‌های پلاستیک را تحت تاثیر مقدار مشخصی از پرتوهای گاما قرار دهند، ساختار بلوری ماده تغییر و آن را مستحکم‌تر، سخت‌تر و خشن‌تر خواهد کرد. این نوع از خرده‌های پلاستیکی که تحت عنوان پلیمر پلی اتیلن ترفنات شناخته می‌شوند به مقدار زیادی در پلاستیک‌های شفاف به کار رفته در ساخت بطری‌های آب معدنی یافت می‌شود.

به منظور بررسی این فناوری نوین ساخت و تقویت بتن، دانشجویان این پلاستیک‌ها را از کارخانه بازیافت نزدیک دانشگاه جمع آوری کردند و سپس آن‌ها را در دستگاه تابنده کبالت ۶۰ تحت تاثیر نوعی از پرتوهای گاما قرار دادند که در صنایع غذایی به منظور ضدعفونی کردن غذاها استفاده می‌شود. برای بررسی بهتر، دانشجویان انواع مختلفی از پلاستیک‌های پودر شده را در معرض مقادیر مختلفی از پرتوهای گاما قرار دادند. آن سپس هر یک از این پلاستیک‌های پودر شده را با سیمان پورتلند معمولی و خاکستر بادی و دوده سیلیس ترکیب کردند. ناگفته نماند که هر نمونه از سیمان آماده شده حاوی ۱/۵ درصد پلاستیک پودر شده قرار گرفته تحت تاثیر مقدار مشخصی از پرتوهای گاما است.

آزمایش تراکم فناوری نوین تقویت بتن

در مرحله بعد دانشجویان بر آن آمدند که میزان اعتبار این فناوری نوین استفاده از پلاستیک و پرتوهای گاما در تقویت و تولید بتن‌ نوین را بررسی کنند. بعد از اجرای آزمایش، دانشجویان به این نتیجه رسیدند که نمونه‌های دارای پلاستیک‌های معمولی و فاقد پرتوهای گاما، ضعیف‌تر از نمونه‌های فاقد هر گونه پلاستیک هستند. نمونه بتن حاوی خاکستر بادی و دوده سیلیس نسبت به نمونه بتن ساخته شده از سیمان پورتلند معمولی از استحکام بهتری برخوردار بود. در آخر هم در صورت استفاده از فناوری نوین پلاستیک‌های قرار گرفته تحت تابش پرتوهای گاما، مقاومت بتن افزایش خواهد یافت که مقدار این افزایش در مقایسه با بتن معمولی نزدیک به ۲۰ درصد است.

دانشجویان بعد از اطمینان از تاثیر مثبت پلاستیک‌های قرار گرفته تحت تاثیر پرتوهای گاما، سعی در پاسخ دادن به چرایی این موضوع داشتند؛ بنابراین آن‌ها در آزمایشگاه ملی آراگون و مرکز مهندسی و علوم مواد در دانشگاه ام آی تی، نمونه‌ها را با استفاده از دستگاه ایکس آر دی (XRD) مورد مطالعه قرار دادند. تصاویر به دست آمده حاصل از تابش پرتوهای ایکس روی نمونه‌های مورد نظر آشکار کرد که نمونه‌های حاوی پلاستیک‌های قرار گرفته تحت تاثیر پرتوهای گاما در مقادیر بالا دارای ساختار کریستالی و بلوری هستند که پیوند عرضی یا مولکولی در آن بیشتر است. در این نمونه‌ها، ساختار بلوری موجب محصور کردن حفرات داخل بتن و به همین دلیل باعث تشکیل یک ساختار مستحکم‌تر و متراکم‌تر شده است و محصول نهایی این فناوری نوین یک بتن نوین تقویت شده خواهد بود.