根茎类蔬菜和灰烬如何使混凝土更具可持续性

混凝土已成为我们无数结构(例如桥梁，塔和水坝)的首选建筑材料。但是它也具有巨大的环境足迹，这主要归因于水泥生产的二氧化碳排放(水泥的主要成分之一)。现在，研究人员正在试验根茎类蔬菜和混凝土中的再生塑料，以了解这是否可以使其更坚固(更可持续)，甚至为路灯或空气污染传感器供电。

仅次于水，混凝土是世界上使用最广泛的物质。生产水泥是混凝土的重要组成部分，约占全球二氧化碳(CO 2)排放量的8%。它涉及在加热到约1400°C的窑炉中燃烧许多矿物，贝壳，页岩和其他成分，在这些窑炉中，化石燃料通常被用作能源，从而产生CO 2排放。

此外，产生熟料(小的，固体的结块是水泥的中间产物)是高温化学反应的结果，该反应也是能量密集的。

西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚理工大学研究员尼古拉·托希奇(NikolaTošić)博士说：“水泥行业正在努力降低化石燃料的碳含量，并减少其足迹。” “但是除非我们提出(完全)不同类型的水泥，否则二氧化碳排放的化学部分是不可避免的。”

当水泥与水混合时，它会形成一种糊状，将诸如沙子和碎石之类的骨料粘合在一起，从而使混凝土硬化并使其具有强度和结构。

降低水泥对环境的影响的一种策略是使水泥更坚硬，从而需要更少的水泥。来自英国兰开斯特大学的Mohamed Saafi教授及其同事旨在实现这一目标，是B-SMART项目的一部分。

水泥需要与水混合，因此它会粘附在沙子和碎石上并将它们粘合在一起。但是，在此过程中，并非所有的水泥颗粒都会水合。萨菲教授说：“他们中的大多数人基本上仍然坐在那里，什么也不做，这是浪费。” “如果我们能够增强这种水合作用机制，它的强度将会大大提高，因此我们可以使用更少的水泥。”

研究人员希望通过用粉煤灰等工业废物代替部分水泥，从而使混凝土更具可持续性。图片来源：NikolaTošić

根茎类蔬菜

萨菲教授和他的团队求助于根菜类蔬菜。他们调查了是否可以将胡萝卜加工成婴儿食品的废料或甜菜糖提取的残渣添加到水泥中以增强其强度。通过使用计算机模拟，他们能够查看由这些蔬菜制成并扔入水泥浆中的超薄片材将如何与水泥相互作用，并观察它们对水泥水合作用及其产生的机械性能的影响。然后，他们在实验室中进行了实验，以尝试验证模拟结果。

研究人员发现，掺入植物废料制成的板材可以改善水泥的水合作用。这些片材充当储存器，使水能够到达更多的水泥颗粒，从而提高其粘结能力。萨菲教授说：“与此同时，一旦水合，这些胡萝卜纳米片中的一些就会保留在水泥中，并使水泥的结构非常坚固。” “我们以前从未见过，这确实是一个了不起的发现。”

人们还发现，在水泥中添加块根蔬菜还有其他好处。例如，在胡萝卜上施加压力产生的电能可以为小型LED灯或电子设备供电。当胡萝卜纳米片被添加到水泥中时，萨菲教授和他的同事发现他们可以制造能发电的混凝土。例如，如果用于建造桥梁，则当汽车经过时或由于行人引起的振动或运动会产生电力。萨菲教授说：“我们可以利用混凝土中的电力为LED或路灯供电。” “它还可以为传感器供电以监测空气污染。”

混凝土产生的电还可以深入了解结构的健康状况。例如，如果出现裂缝，产生的电压将发生变化。因此，在建筑物或桥梁中安装跟踪电力输出的监视设备可以帮助确定何时出现故障以及需要检查结构，从而防止灾难性故障。

该团队现在正在进行现场测试，以查看他们是否可以用胡萝卜水泥建造具有与实验室相同性能的结构。他们还旨在在生产改性混凝土时使用现有工艺，以帮助降低成本。

如果一切顺利，研究小组预计他们的植物胶可以将建筑结构所需的水泥量减少每立方米10公斤。萨菲教授说：“希望将来我们可以更好地优化它，并进一步减少所需的水泥量。”

用再生塑料制成的更坚固的水泥可以使建筑业减少对钢铁等不可持续的增强组件的使用。图片来源：NikolaTošić

粉煤灰

正在测试其他类型的废料，以使混凝土更具可持续性。工业副产品，如粉煤灰(煤燃烧后残留的细粉状材料)和高炉矿渣(钢铁生产中产生的颗粒残渣)可以部分替代水泥。

托希奇博士说：“我们可以将水泥的量减少30%至50%，而增加这些工业副产品，”他正在探索这种方法，并将其作为一个名为GREEN-FRC的项目的一部分。

该团队致力于生产用于城市环境的纤维增强混凝土，例如制造人行道和建筑物。他们将对不同的混凝土混合物进行试验，以找到从可持续性角度出发且机械性能未受到损害的最佳混合物。

最初将使用数学模型根据其组成预测较绿色的混凝土的性能，随后将进行实验室测试。托希奇博士说：“我们希望它们的行为与传统的传统混凝土有所不同。”

将塑料掺入混凝土中也是令人感兴趣的。回收的塑料纤维最终可以用来使其更坚固，也许可以减少不可持续的组件，例如用于加固水泥的钢。自该项目于2020年初开始以来，该团队一直在将不同数量和类型的聚丙烯塑料纤维掺入混凝土中，并测试其长期性能。在承受恒定载荷时，混凝土会随着时间的推移而不断变形，因此，他们想了解当其成分发生变化时混凝土的行为。托希奇博士说：“我们需要能够预测这一点。”

很快，该团队还将开始研究如何使用某些粘土来部分替代混凝土中的水泥。水泥具有额外的环境足迹，这种足迹来自天然资源，例如制造水泥所需的粘土和矿物。但是使用石灰石钙粘土代替可能是一种更可持续的选择，因为它比用于制造传统水泥的其他天然材料以及其他替代产品(例如工业副产品)丰富得多。

Tošić博士认为，较绿色的混凝土最初将用于人行道，隧道衬砌和建筑立面面板，与建筑等结构相比，它们所需的钢筋更少。一些建筑公司已经通过提供免费的实验材料而对该项目产生了兴趣。托希奇博士说：“去年，我们注意到建筑公司正在改变或改变思维方式。” “他们看到，未来对他们来说可持续性是必要的，否则他们将失去市场。”

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