【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】与科威特科学家合作的麻省理工学院的工程师们发现，火山岩被粉碎成细灰时，可以作为混凝土结构中的可持续性添加剂。在《清洁生产期刊》在线发表的一篇论文中，研究人员报告说，通过用火山灰取代一定比例的传统水泥，可以减少混凝土结构的“蕴含能量”，也可以减少混凝土的总能量。根据计算，用50%的火山灰建造一个有26座混凝土建筑的试验区，需要消耗16%的能源，相比之下，用传统的硅酸盐水泥建造同样的建筑需要耗费能源。研究人员发现当火山灰沉降到越来越小的粒径时，更细的粉末和硅酸盐水泥的混合物会产生更强的混凝土结构，而仅由水泥制成的混凝土结构。
与科威特科学家合作的麻省理工学院的工程师们发现，火山岩被粉碎成细灰时，可以作为混凝土结构中的可持续性添加剂。与科威特科学家合作的麻省理工学院的工程师们发现，火山岩被粉碎成细灰时，可以作为混凝土结构中的可持续性添加剂。图片版权：Massachusetts Institute of Technology
然而将火山灰磨成细颗粒的过程需要能量，而能量反过来又会增加产生的结构的能量。因此，当使用火山灰时，混凝土结构的强度与它所蕴含的能量之间存在着一种权衡。通过对各种混凝土和火山灰混合物的实验，以及由此产生的结构能量的计算，研究人员绘制出了强度与内含能量之间的关系。工程师可以利用这种关系作为一种蓝图来帮助他们选择，例如希望用火山灰取代水泥的百分比来产生一个给定的结构。
麻省理工学院土木与环境工程学院(CEE)的教授Oral Buyukozturk说：可以定制，例如如果是交通堵塞，可能不需要像高层建筑那样的强度。所以可以用更少的能量生产这些东西。如果你想想世界上使用的混凝土的数量，那就太大了。Buyukozturk加入了一篇论文,是一个跨学科的研究团队,包括研究科学家Kunal Kupwade-Patil和本科的斯蒂芬妮的下巴中东欧前博士生凯瑟琳德沃尔夫和麻省理工学院的John Ochsendorf教授的部门架构,阿里的Hajiah科威特科学研究所和Adil Al-Mumin科威特大学。
自然的添加剂
混凝土是世界上使用最丰富的材料，仅次于水。混凝土的制造包括先从采石场中取出石灰石，然后将岩石输送到磨坊，在高温下通过各种工艺将其碾碎和处理，从而产生水泥。这种能源密集型的过程创造了一个重要的环境足迹;传统的硅酸盐水泥约占全球二氧化碳排放量的5%。为了减少这些排放，Buyukozturk和其他人一直在寻找可持续的添加剂和水泥替代品。火山灰有几个可持续的优势，作为制造混凝土的添加剂:在世界各地活跃和不活跃的火山周围有充足供应的岩石材料，是天然存在的;它通常被认为是一种废料，因为人们通常不会为了任何广泛的目的而使用它。
一些火山灰具有内在的“火山灰”性质，这意味着，在粉末形式中，少量的水泥可以与水和其他材料结合，形成水泥状的粉状。“水泥生产需要大量的能量，因为有很高的温度，而且这是一个多阶段的过程，他和Kupwade-Patil一起领导了该小组在Buyukozturk大学的本科生研究机会项目(UROP)的实验工作。这是寻找另一种选择的主要动机。火山灰分在高温高压下形成，自然会对我们产生化学反应。研究小组首先研究了水泥和火山灰混合物对水泥的影响。为了做到这一点，研究人员查阅了一些数据库，在这些数据库中，其他人计算了与各种工业过程相关的具体能量，例如进入破碎岩石或固化水泥的能量。
研究人员在数据库中挑选出了与生产传统水泥和水泥(含10%至50%火山灰)相关的单个工艺。然后他们进入了实验室，在那里他们制造了一些混凝土的小样本，其中有不同比例的火山灰，以及仅由硅酸盐水泥制成的样品。Chin和她的同事们对每个样本进行了强度的标准测试，比如压缩结构直到开始破裂。然后他们将每个样本的强度与计算出来的能量对应起来。根据研究结果，用平均粒径17微米的火山灰替代50%的传统水泥，可以将混凝土的内含能量降低16%。然而，在这种颗粒大小的情况下，火山灰会破坏混凝土的整体强度。将火山灰粉碎至大约6微米的粒径会显著增加混凝土的强度，因为较小的颗粒会提供更多的表面积，而水和水泥可以在化学上结合。
该团队推断其结果，以观察在整个建筑和社区的规模上，部分由火山灰产生的结构会影响混凝土的具体能量。研究人员集中在科威特的一个社区，那里有13栋住宅和13栋商业建筑，都是用传统的波特兰水泥生产的，大部分都是从欧洲进口的。在他们在科威特的合作者的帮助下，他们驾驶一架无人机在邻近地区收集图像和测量数据。他们还咨询了当地政府，提供了关于每个建筑系统的额外信息。利用所有这些信息，研究小组计算出了这个社区现有的能量，然后计算出如果用由不同比例的火山灰组成的建筑，这些能量将如何变化，这些火山灰在中东地区有充足的供应。
就像他们在实验室里做的实验一样，发现如果用水泥混合制成的混凝土(30%的火山灰)，就可以用更少的能源来建造一个社区的基础设施。混凝土可以用天然的添加剂来制造，并具有所需的性能，并且减少了所蕴含的能量，当你在创造一个社区或一个城市时，它可以转化为巨大的节能效果。”这项研究在一定程度上得到了科威特发展科学基金会的支持。该项目作为科威特-麻省理工学院建筑环境可持续性的标志性项目的一部分进行，Buyukozturk是该项目的首席研究员。
在第二篇论文中，将很快出现在土木工程材料的ASCE期刊上，共同作者Chin和Maranda L. Johnston，也曾是一名学生，探讨当硅酸盐水泥被细磨碎的火山灰取代时所涉及的结合机制。该研究小组使用了各种技术，包括在阿贡国家实验室的同步加速器x射线衍射，以检查硬化的水泥浆料的微观结构。在水泥浆糊中，这些颗粒大小的火山灰颗粒会产生纳米级的产品，从而使基质在固化过程中变得更加致密。在实验室里，让新生和其他泌尿科的学生参与高水平的多学科研究，这已经成为一种传统，这种学习经验是我们教育体系的重要组成部分。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Jennifer Chu
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：麻省理工学院
编译：中子星
审校：博科园
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