史丹佛以火山岩取代石灰,盼研發出「無鋼筋」混凝土

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 12 日 10:12 | 分類 尖端科技 , 環境科學 Telegram share ! follow us in feedly


火山岩可不可以取代水泥中的石灰岩(碳酸鈣)呢?水泥業可說是全球排碳大戶,如何在二氧化碳排放和環境間取得平衡,是各家水泥業者所面對的課題,如今史丹佛大學提出一項解決方案,希望能降低石灰岩的使用量,減少碳排放,最終打造出不需鋼筋加固的綠色混凝土。

石灰是波特蘭水泥的重要成分,可以提供製造水泥所需的氧化鈣,但也是水泥業環境破壞、碳排放的主要來源。首先需引爆山上的石塊取得石灰塊,然後打破、粉碎成精細的粉末,再將粉末和頁岩、黏土或其他物質高溫下充分混合鍛燒,混凝土三分之一的碳排放都在處理水泥熟料,剩下也是由石灰岩貢獻,石灰石高溫加熱時會排放出二氧化碳,最後變成氧化鈣細粉。

史丹佛大學地球物理學助理教授 Tiziana Vanorio 團隊長期研究石灰替代方案,認為火山岩也可以用來製作熟料,最後變成水泥的一部份。縱使改用火山岩也需要能源密集處理,但至少在鍛燒過程中不會排放任何二氧化碳。

Vanorio 表示,我們可以將火山岩研磨成細粉,再用相同設備與步驟加熱製出熟料。研究指出,火山岩熟料與熱水混合後也能製造出水泥,而且有助打造出又長又密集的分子鏈,透過顯微鏡觀察,這種分子鏈看起來有如糾纏在一起的纖維。過去也曾經在存在 2000 年的羅馬港口、以及熱液環境(hydrothermal)中膠結岩石看到此現象,初步顯示有良好的承受能力。

▲掃描電子顯微鏡下的斷層岩膠結材料(Source:史丹佛大學

團隊希望藉由該研究,讓未來的混凝土不需要鋼筋加固。鋼筋混凝土是最常見的加固形式,在混凝土中加入鋼筋、鋼筋網、鋼板或纖維,利用組合材料改善混凝土抗拉強度不足的力學性質,Vanorio 指出,團隊發現的微小礦物纖維可以抵抗材料脆性,希望能深入了解纖維微結構如何有效加固岩石,以及它們的自然生長條件,最終透過奈米工程進行混凝土加固。

目前為了降低水泥業的碳排放,各國科學家也是絞盡腦汁尋找可以替代石灰的方案,從珊瑚礁、龍蝦殼和蝦蛄尋找靈感,又或是以工業廢棄物飛灰(Fly ash)替代部分熟料,希望能讓全球二氧化碳排放佔 8% 的水泥業「綠化」,史丹佛大學材料科學與工程教授 Alberto Salleo 表示,地球如同一個巨大的實驗室,各種材料在高溫高壓下混合,誰知道還有多少其他有趣且有用的結構呢?

(首圖來源:pixabay