根据一项新的研究，用火山岩代替混凝土的一种主要成分可以将制造这种材料的碳排放量减少近三分之二。
混凝土给了我们罗马万神殿、悉尼歌剧院、胡佛水坝和无数块状巨石。 人造岩石覆盖了我们的城市和道路，是风力发电场和太阳能电池板阵列的基础——并且将大量涌入由美国和国外 COVID 恢复投资支持的基础设施项目中。
然而，应对气候变化的努力付出了巨大的代价，因为 水泥- 与沙子、砾石和水混合制成混凝土的结合元素 - 是全球变暖的最大工业贡献者之一。
“混凝土无处不在，因为它是最实惠的建筑材料之一，它易于操作，几乎可以塑造成任何形状，”斯坦福大学地球物理学副教授 Tiziana Vanorio 说。
但水泥生产释放了与人类活动相关的年度二氧化碳排放量的 8%，随着城市化和经济发展推动新建筑和基础设施的建设，预计未来几十年需求将增加。
“如果我们要将碳排放量减少到避免灾难性气候变化所必需的水平，我们需要改变我们制造水泥的方式，”Vanorio 说。
珊瑚礁、龙虾壳和螳螂虾
混凝土公司2 问题始于石灰石，一种主要由碳酸钙构成的岩石。 为了制造波特兰水泥——现代混凝土中糊状的主要成分——石灰石被开采、粉碎，并与粘土和少量其他材料在巨型窑炉中高温烘烤。 产生这种热量通常涉及燃烧煤或其他化石燃料，占与混凝土相关的碳排放量的三分之一以上。
热量引发化学反应，产生大理石大小的灰色块状物，称为 熟料，然后将其研磨成我们认为是水泥的细粉。 该反应还释放出碳，否则这些碳可能会被锁定在石灰石中数亿年。 这一步贡献了大部分剩余的 CO2 混凝土生产的排放。
Vanorio 及其同事现在正在制作消除 CO 的水泥原型2-通过使熟料与 火山岩 它包含所有必要的构建块，但不含碳。
作为地球上最常用的建筑材料，混凝土长期以来一直是改造的目标。 研究人员和公司在珊瑚礁、龙虾壳和锤子状的棍棒中找到了新食谱的灵感。 螳螂虾. 其他人则用工业废物（如煤电厂的飞灰）部分替代熟料，或将捕获的二氧化碳注入混合物中，以减少混凝土对气候的影响。
乔拜登总统呼吁扩大碳捕获和在水泥制造中使用氢燃料，以帮助到 2005 年将美国温室气体排放量从 2030 年的水平减少一半。
跳过石灰石
Vanorio 建议完全取消石灰石，而是从可以在世界各地许多火山地区开采的岩石开始。 “我们可以取出这种岩石，研磨它，然后使用目前用于从石灰石制造熟料的相同设备和基础设施将其加热以生产熟料，”她说。
与这种低碳熟料混合的热水不仅可以将其转化为水泥，还可以促进长而缠结的分子链的生长，在显微镜下观察时，这些分子链看起来像缠结的纤维。 类似的结构存在于在热液环境中自然胶结的岩石中 - 滚烫的热水在地下循环的地方 - 以及混凝土罗马港口，这些港口已经经受了 2,000 年腐蚀性海水和波浪的袭击，现代混凝土通常会在几十年内崩溃。
就像现代混凝土结构中常用的防止开裂的钢筋一样，这些微小的矿物纤维可以对抗材料通常的脆性。
“混凝土不喜欢被拉伸。 如果没有某种加固，它会在受压前弯曲，”Vanorio 说，他是近期论文的高级作者 微观结构 在罗马海洋混凝土中的作用 岩石物理学 向低碳未来转型。 大多数混凝土现在都使用钢材进行大规模加固。
“我们的想法是通过了解纤维微结构如何有效地加固岩石，以及产生它们的自然条件，在纳米尺度上加固它，”她说。
愈合和复原力的课程
Vanorio 设想的转型过程 火山岩 进入混凝土类似于岩石在热液环境中固化的方式。 通常在火山周围和活动板块边界上方发现，热液条件允许岩石在不比家用烤箱热的温度下快速反应和重新组合，使用水作为强溶剂。
就像愈合皮肤一样，地球最外层的裂缝和断层通过矿物质和热水之间的反应随着时间的推移而粘合在一起。 “大自然一直是模仿生物生命的创新材料的重要灵感来源，”Vanorio 说。 “我们还可以从地球进程中汲取灵感，使愈合和破坏恢复能力成为可能。”
从砖块和锻造金属到玻璃和塑料，人们长期以来一直使用驱动地球岩石循环的相同力来制造材料：热量、压力和水。 许多考古学和矿物学研究表明，古罗马人可能已经学会了利用火山灰制造已知最早的混凝土配方，观察它在与水自然混合时变硬。
“今天，我们有机会通过 21 世纪的技术和环境影响知识来观察胶结作用，”瓦诺里奥说。
Vanorio 与材料科学与工程教授 Alberto Salleo 合作，超越模仿地质学，使用纳米工程来操纵其特定结果和机械性能的过程。 “越来越明显的是，水泥可以在纳米尺度上进行设计，也应该在该尺度上进行研究，”Salleo 说。
拥抱混凝土的缺陷
水泥的许多性能取决于小 缺陷 Salleo 说，这取决于不同组件之间的结合强度。 在粉状岩石胶结过程中生长和交织的细小纤维就像拉紧绳索，赋予强度。 “我们喜欢说材料就像人：正是它们的缺陷使它们变得有趣，”他说。
2019 年，他对在罗马长大的孩子在废墟中看到的古老混凝土的持久好奇促使 Salleo 联系了 Vanorio，她在那不勒斯的童年经历了地壳的活力后，开始了自己的岩石物理学之旅位于火山口中心的港口城市，罗马混凝土最初是在这里建造的。
从那时起，Salleo 开始将受地质过程启发的低碳熟料的工作视为与他的小组与可持续性相关的项目的逻辑契合，例如基于塑料材料的低成本太阳能电池和用于储能的电化学设备。
“考虑低碳熟料是减少我们排放到大气中的二氧化碳量的另一种方法，”他说。 但这只是开始。 “地球是一个巨大的实验室，材料在高温高压下混合。 谁知道还有多少其他有趣且最终有用的结构呢？”
来源： 斯坦福大学
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这篇文章最初出现在 未来性
