當前聚焦：研究人員正在制造更好的低碳混凝土

正如研究繼續(xù)顯示的那樣，在這個領(lǐng)域工作的科學家們并不缺乏想法。

(資料圖)

混凝土作為一種建筑材料已經(jīng)使用了幾千年，并且至今仍非常受歡迎這是有原因的。它很便宜、很堅固、制造簡單且持續(xù)時間很長。今天，全球混凝土的使用量約為每年300億噸，預計需求量將從這里開始增加。

混凝土的巨大碳足跡主要源于一種關(guān)鍵成分：水泥。它被添加到沙子、礫石和水中，從而形成濕的混凝土，當它們干燥時可以被倒入模具中形成結(jié)構(gòu)，但水泥的生產(chǎn)是該過程中碳密集度最高的部分。

它涉及使用化石燃料將石灰石和粘土加熱到極端溫度，約1400℃。這不僅需要大量的能源，而且石灰石需要從地球上提取，并在烘烤前被粉碎。這個蒸煮過程本身還會釋放出大量儲存的二氧化碳，每生產(chǎn)一噸水泥就有約600公斤的二氧化碳。總而言之，水泥生產(chǎn)占全球碳排放的8%左右。

石灰石的替代物？

由于石灰石是水泥的關(guān)鍵成分，因此是科學家們探索更多環(huán)境友好型替代品的一個重點。去年，斯坦福大學的科學家制作了一種低碳水泥配方，他們將石灰石換成了火山巖。這種材料需要以同樣的能源密集型方式處理以形成水泥，但不包含任何會在整個過程中釋放的儲存碳。

同樣在去年，另一個有趣的方法來自德國和巴西的科學家，他們的低碳水泥配方使用了一種豐富的采礦廢料--稱為Belterra粘土，其可以取代50%到60%的石灰石。這使得更多的碳被鎖在地下，而且它還可以在較低的溫度下烘烤。雖然人們發(fā)現(xiàn)這種材料符合傳統(tǒng)水泥的性能標準，但其配方可以減少2/3的碳排放。

低碳水泥的一個特別有趣的例子是今年早些時候來自科羅拉多大學博爾德分校的科學家，他們受到了微小的微藻的啟發(fā)，這些微藻能自然地封存二氧化碳并將其轉(zhuǎn)化為碳酸鈣殼，他們將其描述為“石灰石的盔甲”。科學家們能飼養(yǎng)這些微藻并讓它們生產(chǎn)這種生物生長的石灰石，然后將其納入水泥生產(chǎn)以取代開采的材料。

使這項研究如此引人注目的是，由此產(chǎn)生的混凝土不僅看起來和表現(xiàn)得像普通的混凝土而且實際上可以實現(xiàn)碳中和，甚至是負碳。這是因為微藻捕獲更多的二氧化碳以作為生產(chǎn)碳酸鈣的燃料，而不是通過這一過程產(chǎn)生的二氧化碳。

這些科學家獲得了320萬美元的資助，從而用于擴大其生物石灰石和碳中性混凝土的生產(chǎn)規(guī)模。他們估計，1-2萬英畝的露天池塘將提供足夠的空間來培養(yǎng)滿足美國水泥需求所需的微藻類。

經(jīng)久不衰的混凝土

雖然混凝土的彈性是其有吸引力的特點之一，但這并不意味著沒有改進的余地。如當混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時就會導致水進入，從而大大影響其強度。這可能使它們的維護費用昂貴，甚至可能需要完全更換以防止災難性的倒塌。這間接地增加了材料的碳足跡，但也有一些有趣的解決方案在其中。

其中包括使用特殊膠水將自身的裂縫編織在一起的混凝土形式及用真菌填充裂縫的其他形式。這種自我修復的混凝土的一個版本來自伍斯特理工學院的科學家，他們使用了一種在人類血液中發(fā)現(xiàn)的酶，這種酶可以在混凝土成型之前被加工成混凝土粉末。

當混凝土中形成一個小裂縫時，這種酶通過跟空氣中二氧化碳的反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鈣晶體，然后繼續(xù)填充縫隙。在測試中，混凝土被證明能在24小時內(nèi)修復自己的裂縫，科學家們預測，這項技術(shù)可以將混凝土結(jié)構(gòu)的壽命延長20至80年。

科學家們尋求加強混凝土耐久性的其他方法之一--也許并不令人驚訝--就是使用世界上最強的人工材料。將石墨烯融入混凝土已被證明可以使其更加堅固和耐水，去年大家就有看到它在世界上可能采取的形狀。

曼徹斯特大學的Concretene的特點是在水和水泥中加入極少量的石墨烯用來作為機械支持并促進化學反應(yīng)以將混合物變成混凝土。其結(jié)果是，混凝土具有更強的粘結(jié)力，強度提高了約30%。去年，這種材料被澆筑成世界上第一個石墨烯增強的混凝土板，工程師將在那里監(jiān)測其性能。

他們的想法是，由于Concretene比傳統(tǒng)混凝土強得多，因此需要使用更少的混凝土來為建筑物帶來同樣的結(jié)構(gòu)強度。從事這項工作的團隊計算出，如果在全球供應(yīng)鏈中部署這種材料那么可以使全球的排放量減少約2%。