未來的城市可以用當地可用的火山灰建造

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】與科威特科學家合作的麻省理工學院的工程師們發現，火山岩被粉碎成細灰時，可以作為混凝土結構中的可持續性添加劑。在《清潔生產期刊》在線發表的一篇論文中，研究人員報告說，通過用火山灰取代一定比例的傳統水泥，可以減少混凝土結構的「蘊含能量」，也可以減少混凝土的總能量。根據計算，用50%的火山灰建造一個有26座混凝土建築的試驗區，需要消耗16%的能源，相比之下，用傳統的硅酸鹽水泥建造同樣的建築需要耗費能源。研究人員發現當火山灰沉降到越來越小的粒徑時，更細的粉末和硅酸鹽水泥的混合物會產生更強的混凝土結構，而僅由水泥製成的混凝土結構。

與科威特科學家合作的麻省理工學院的工程師們發現，火山岩被粉碎成細灰時，可以作為混凝土結構中的可持續性添加劑。與科威特科學家合作的麻省理工學院的工程師們發現，火山岩被粉碎成細灰時，可以作為混凝土結構中的可持續性添加劑。圖片版權：Massachusetts Institute of Technology

然而將火山灰磨成細顆粒的過程需要能量，而能量反過來又會增加產生的結構的能量。因此，當使用火山灰時，混凝土結構的強度與它所蘊含的能量之間存在著一種權衡。通過對各種混凝土和火山灰混合物的實驗，以及由此產生的結構能量的計算，研究人員繪製出了強度與內含能量之間的關係。工程師可以利用這種關係作為一種藍圖來幫助他們選擇，例如希望用火山灰取代水泥的百分比來產生一個給定的結構。

麻省理工學院土木與環境工程學院(CEE)的教授Oral Buyukozturk說：可以定製，例如如果是交通堵塞，可能不需要像高層建築那樣的強度。所以可以用更少的能量生產這些東西。如果你想想世界上使用的混凝土的數量，那就太大了。Buyukozturk加入了一篇論文,是一個跨學科的研究團隊,包括研究科學家Kunal Kupwade-Patil和本科的斯蒂芬妮的下巴中東歐前博士生凱瑟琳德沃爾夫和麻省理工學院的John Ochsendorf教授的部門架構,阿里的Hajiah科威特科學研究所和Adil Al-Mumin科威特大學。

自然的添加劑

混凝土是世界上使用最豐富的材料，僅次於水。混凝土的製造包括先從採石場中取出石灰石，然後將岩石輸送到磨坊，在高溫下通過各種工藝將其碾碎和處理，從而產生水泥。這種能源密集型的過程創造了一個重要的環境足跡;傳統的硅酸鹽水泥約佔全球二氧化碳排放量的5%。為了減少這些排放，Buyukozturk和其他人一直在尋找可持續的添加劑和水泥替代品。火山灰有幾個可持續的優勢，作為製造混凝土的添加劑:在世界各地活躍和不活躍的火山周圍有充足供應的岩石材料，是天然存在的;它通常被認為是一種廢料，因為人們通常不會為了任何廣泛的目的而使用它。

一些火山灰具有內在的「火山灰」性質，這意味著，在粉末形式中，少量的水泥可以與水和其他材料結合，形成水泥狀的粉狀。「水泥生產需要大量的能量，因為有很高的溫度，而且這是一個多階段的過程，他和Kupwade-Patil一起領導了該小組在Buyukozturk大學的本科生研究機會項目(UROP)的實驗工作。這是尋找另一種選擇的主要動機。火山灰分在高溫高壓下形成，自然會對我們產生化學反應。研究小組首先研究了水泥和火山灰混合物對水泥的影響。為了做到這一點，研究人員查閱了一些資料庫，在這些資料庫中，其他人計算了與各種工業過程相關的具體能量，例如進入破碎岩石或固化水泥的能量。

研究人員在據庫中挑選出了與生產傳統水泥和水泥(含10%至50%火山灰)相關的單個工藝。然後他們進入了實驗室，在那裡他們製造了一些混凝土的小樣本，其中有不同比例的火山灰，以及僅由硅酸鹽水泥製成的樣品。Chin和她的同事們對每個樣本進行了強度的標準測試，比如壓縮結構直到開始破裂。然後他們將每個樣本的強度與計算出來的能量對應起來。根據研究結果，用平均粒徑17微米的火山灰替代50%的傳統水泥，可以將混凝土的內含能量降低16%。然而，在這種顆粒大小的情況下，火山灰會破壞混凝土的整體強度。將火山灰粉碎至大約6微米的粒徑會顯著增加混凝土的強度，因為較小的顆粒會提供更多的表面積，而水和水泥可以在化學上結合。

該團隊推斷其結果，以觀察在整個建築和社區的規模上，部分由火山灰產生的結構會影響混凝土的具體能量。研究人員集中在科威特的一個社區，那裡有13棟住宅和13棟商業建築，都是用傳統的波特蘭水泥生產的，大部分都是從歐洲進口的。在他們在科威特的合作者的幫助下，他們駕駛一架無人機在鄰近地區收集圖像和測量數據。他們還諮詢了當地政府，提供了關於每個建築系統的額外信息。利用所有這些信息，研究小組計算出了這個社區現有的能量，然後計算出如果用由不同比例的火山灰組成的建築，這些能量將如何變化，這些火山灰在中東地區有充足的供應。

就像他們在實驗室里做的實驗一樣，發現如果用水泥混合製成的混凝土(30%的火山灰)，就可以用更少的能源來建造一個社區的基礎設施。混凝土可以用天然的添加劑來製造，並具有所需的性能，並且減少了所蘊含的能量，當你在創造一個社區或一個城市時，它可以轉化為巨大的節能效果。」這項研究在一定程度上得到了科威特發展科學基金會的支持。該項目作為科威特-麻省理工學院建築環境可持續性的標誌性項目的一部分進行，Buyukozturk是該項目的首席研究員。

在第二篇論文中，將很快出現在土木工程材料的ASCE期刊上，共同作者Chin和Maranda L. Johnston，也曾是一名學生，探討當硅酸鹽水泥被細磨碎的火山灰取代時所涉及的結合機制。該研究小組使用了各種技術，包括在阿貢國家實驗室的同步加速器x射線衍射，以檢查硬化的水泥漿料的微觀結構。在水泥漿糊中，這些顆粒大小的火山灰顆粒會產生納米級的產品，從而使基質在固化過程中變得更加緻密。在實驗室里，讓新生和其他泌尿科的學生參與高水平的多學科研究，這已經成為一種傳統，這種學習經驗是我們教育體系的重要組成部分。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：Jennifer Chu

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：麻省理工學院

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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