火山灰减少了制造混凝土所需的能量

麻省理工学院工程师与科威特科学家合作发现火山岩，当粉碎成细灰时，可以用作混凝土结构中的可持续添加剂。

在清洁生产杂志上发布的论文中，研究人员报告说，通过用火山灰取代一定比例的传统水泥，它们可以减少混凝土结构的“体现能量”或制造混凝土的总能量。根据他们的计算，能量减少16％，以建造一个带有50％的火山灰制造的26个混凝土建筑物的能量减去了16％，与其完全由传统的波特兰水泥的能量相比，它相比。

当它们地面火山灰降至越来越小的粒子尺寸时，研究人员发现，与单独的水泥制成的那些相比，更精细粉末和波特兰水泥的混合物产生了更强的混凝土结构。然而，将火山灰磨削到这种细颗粒的过程需要能量，这又增加了所得结构的体现能量。然后，当使用火山灰时，混凝土结构的强度和体现能量之间的权衡。

基于各种混凝土和火山灰混合物的实验，以及由此产生的结构体现的能量计算，研究人员已经绘制了强度和体现能量之间的关系。他们称工程师可以使用这种关系作为各种各样的蓝图，以帮助他们选择，例如，他们想要用火山灰更换的水泥百分比产生给定结构。

“你可以定制这一点，”麻省理工学院公民和环境工程系教授（CEE）教授Oral Buicukozturk说。例如，如果它是交通块，例如，您可能不需要尽可能多的强度，例如，对于高层建筑。所以你可以产生更少的能量。如果你想到世界上使用的混凝土的数量，那就是巨大的。“

Buyukozturk由跨学科的研究人员联合在纸上，包括研究科学家Kunal Kupwade-Patil和Cee的大学，前博士生Catherine de Wolf和MIT系列建筑部的教授John Ochsendorf，Ali Hajiah的科威特研究所科威特大学的科学研究和Adil Al-Mumin。

一种天然的添加剂

混凝土是世界上最丰富的材料，仅次于水。混凝土的制造涉及第一个爆破岩石，例如石灰石从争吵，然后将岩石运送到磨机，在那里它们通过各种方法进一步粉碎并在高温下进行处理，导致水泥生产。

这种能量密集型工艺创造了重要的环境足迹;传统波特兰水泥的生产约占世界二氧化碳排放量的5％。为了减少这些排放，Buyukozturk和其他人一直在寻找可持续添加剂和水泥的替代品。

火山灰具有若干可持续的优势，作为制造混凝土中的添加剂：在世界各地的活跃和不活跃的火山周围提供岩石材料，自然可用;它通常被认为是废物材料，因为人们通常不会用于任何广泛目的;一些火山灰具有内在的“热水”特性，意味着粉末形式，具有减少量水泥的灰分可以自然与水和其他材料结合，以形成水泥样糊状物。

“水泥生产需要很多能量，因为涉及高温，而且这是一个多级过程，”Chin说，kupwade-patil领导的大部分集团的实验工作是本科研究机会（乌克）的学生Buyukozturk。“这是试图找到替代品的主要动力。火山灰在高热和高压下形成，以及对我们的所有这些化学反应都有本质。“

该团队首先看着将混凝土从水泥和火山灰混合制作多少能量，而不是单独使用水泥。为此，研究人员咨询了几个数据库，其中其他数据库计算了与各种工业过程相关的体现能量，例如进入岩石或固化水泥的能量。研究人员通过数据库挑选，组装与生产传统水泥和含有10％至5​​0％的火山灰的水泥相关的近分散方法。

然后他们进入了实验室，在那里他们制造了小型混凝土样品，各种百分比的火山灰，以及仅由波特兰水泥制成的样品。下巴和她的同事使每个样品进行标准的强度测试，例如压缩结构直到它们开始破裂。然后他们将每个样本的强度缩小到其计算的体现能量。

根据其结果，用平均粒度为17微米的火山灰取代50％的传统水泥，可以将混凝土的体现为16％。然而，在这种粒径下，火山灰可以损害混凝土的总体强度。将灰分磨削至约6微米的粒度显着提高了混凝土的强度，因为较小的颗粒提供更多的表面积，水和水泥可以化学结合。

灰烬的城市

该团队推断了其结果，以了解部分与火山灰的结构如何影响混凝土的体现能量，以整个建筑物和社区的规模。

研究人员专注于科威特的一个社区，拥有13个住宅和13个商业建筑，所有这些建筑都与传统的波特兰水泥制成，大多从欧洲进口。在科威特的合作伙伴的帮助下，他们在附近飞行了一个无人机，以收集图像和测量。他们还咨询了地方当局，谁提供了关于每个建筑系统的其他信息。

使用所有这些信息，该团队计算了邻域现有的体现能量，然后计算在用由中东的各种百分比的混凝土组成的混凝土制造建筑物的建筑物，这是如何改变该体现的能量。

与实验室的实验一样，如果使用由30％的火山灰制成的水泥混合物制成的混凝土，则可以使邻里的基础设施能够相当较少。

“我们发现的是，可以用具有所需性质的天然添加剂制造混凝土，并且当您创建一个社区或城市时，可以将其减少的体现能量减少，这可以在创建社区或城市时转化为显着的节能。”

本研究部分受到科威特基金会进行科学的推进。该项目是作为科威特 - 麻省理工学院签名项目的一部分，可持续发展科威特建造环境的可持续性，因为Buyukozturk是主要调查员。

本科生分享作者

在第二篇论文中，这将很快出现在土木工程中的材料中，共同作者Chin和Maranda L. Johnston，也是一位前尿布学生，探讨了波特兰水泥用精细研磨的火山灰更换了波特兰水泥的绑定机制。该团队使用了各种技术，包括Argonne National实验室的同步X射线衍射，以检查硬化水泥糊的微观结构。

它们发现精细大小的火山灰颗粒在硬化时产生的水泥浆料中的纳米级产品，这有助于将基质固化而致密。“我们的工作为工程师提供了根据其特定要求优化其与天然添加剂混合的基础，”Kupwade-Patil说。

“它已经成为我实验室中的传统，让新生和其他乌克克学生在高级多学科研究中导致期刊出版物，”Buyukozturk说。“这种学习体验是我们教育系统的重要组成部分。”

出版物：Kunal Kupwade-Patil等，“体现能源对材料/建筑物的影响，通过天然波兹兰火山灰部分替代普通波特兰水泥（OPC）”，“清洁生产”，2018年清洁生产。 DOI：10.1016 / J.JCLEPRO.2017.12.234