水泥与混凝土的差异以及可持续发展的机会

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一般人对混凝土有很多了解。例如,它是多孔的。它是仅次于水的世界上使用最多的材料;而且,也许从最根本上讲,它不是水泥。

仅次于水,混凝土是地球上消耗最多的材料。麻省理工学院混凝土可持续发展中心的研究人员研究了如何减少其影响。

尽管许多人交替使用“水泥”和“ 混凝土 ”,但它们实际上是指两种不同但相关的材料:混凝土是由多种材料制成的复合材料,其中一种是水泥。

水泥生产始于石灰石,一种沉积岩。采石后,将其与二氧化硅源(例如工业副产品炉渣或粉煤灰)混合,并在华氏2700度的窑炉中烧制。

从窑中出来的东西称为熟料。水泥厂将熟料研磨成极细的粉末,并加入一些添加剂。最终结果是水泥。

麻省理工学院混凝土可持续发展中心(CSHub)的院长弗朗兹-约瑟夫·乌尔姆(Franz-Josef Ulm)教授解释说:“然后,水泥被带到与水混合的位置,在那里变成水泥浆。”

“如果在砂浆中加入沙子,它就会变成砂浆。如果在砂浆中加入大的骨料(直径最大为一英寸的石头),它将变成混凝土。”

使混凝土如此坚固的是水泥和水混合时发生的化学反应-这种过程称为水合作用。

乌尔姆说:“水合发生在水泥和水反应时。” “在水合过程中,熟料溶解到钙中,并与水和二氧化硅重新结合,形成二氧化硅钙水合物。”

水合二氧化硅钙或CSH是水泥固结性的关键。当它们形成时,它们结合在一起,形成紧密的结合,从而增强了材料的强度。这些连接产生令人惊讶的副产品-它们使水泥难以置信的多孔。

在CSH键之间的空间中,会形成3纳米大小的细孔,或者 大约八分之一英寸。这些被称为凝胶孔。

最重要的是,在水化过程中任何未反应形成CSH的水都会残留在水泥中,从而形成另一组较大的孔隙,称为毛细孔。

根据CSHub,法国国家科学研究中心和艾克斯-马赛大学进行的研究,水泥浆是如此多孔,以至于96%的孔都连通。

尽管具有这种孔隙率,但水泥仍具有出色的强度和粘结性能。当然,通过降低这种孔隙率,可以生产出密度更高甚至更坚固的最终产品。

从1980年代开始,工程师设计了一种材料-高性能混凝土(HPC)。

乌尔姆说:“高性能混凝土是在1980年代开发的,当时人们意识到可以通过降低水灰比来部分减少毛细孔。”

“还添加了某些成分,这会产生更多的CSH并减少水合后残留的水。从本质上讲,它可以减少充满水的较大毛孔并提高材料的强度。”

当然,乌尔姆指出,降低高性能混凝土的水灰比也需要更多的水泥。并且取决于水泥的生产方式,这会增加材料对环境的影响。

部分原因是,当在窑中烧制碳酸钙以生产常规水泥时,会发生化学反应,从而产生二氧化碳(CO 2)。

水泥CO 2排放的另一个来源来自加热水泥窑。由于窑中需要极高的温度(2,700 F),因此必须使用化石燃料进行加热。窑的电气化正在研究中,但目前在技术上或经济上都不可行。

由于混凝土是世界上最流行的材料,水泥是混凝土中使用的主要粘合剂,因此这两种CO 2来源是水泥造成全球排放量约8%的主要原因。

但是,CSHub的执行董事杰里米·格雷戈里(Jeremy Gregory)将混凝土的规模视为缓解气候变化的机会。

“混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料。由于我们使用了太多这种材料,因此我们减少其占地面积的做法将对全球排放量产生重大影响。”

他指出,当今已经存在许多减少混凝土足迹的技术。

格雷戈里解释说:“在减少水泥排放方面,我们可以通过增加使用废料作为能源而不是化石燃料来提高水泥窑的效率。”

“我们还可以使用熟料较少的混合水泥,例如波特兰石灰石水泥,在水泥生产的最后研磨步骤中将未加热的石灰石混合。最后我们要做的就是捕获,储存或利用水泥生产过程中排放的碳。 ”

碳的捕获,利用和储存具有巨大的潜力,可以减少水泥和混凝土对环境的影响,同时创造大量的市场机会。

根据气候与能源解决方案中心的数据,到2030年,混凝土的碳利用量将具有4000亿美元的全球市场。

像Solidia Cement和Carbon Cure这样的多家公司正在通过设计利用和隔离碳的水泥和混凝土来走在前列。生产过程中的CO 2。

格雷戈里说:“不过,显而易见的是,低碳混凝土混合物必须使用许多此类策略。这意味着我们需要重新考虑如何设计混凝土混合物。”

当前,混凝土混合物的确切规格被提前规定。虽然这降低了开发人员的风险,但同时也阻碍了降低排放量的创新混合物。

作为解决方案,Gregory提倡指定混合物的性能,而不是其成分。

他解释说:“许多规定性要求限制了改善混凝土对环境的影响的能力,例如对水灰比的限制以及混合物中废料的使用。” “转向基于性能的规范是鼓励更多创新并达到成本和环境影响目标的关键技术。”

格雷戈里认为,这需要文化转变。为了过渡到基于性能的规范,许多利益相关者,例如建筑师,工程师和说明者,将不得不合作为他们的项目设计最佳组合,而不是依赖预先设计的组合。

格雷戈里说,为鼓励其他低碳混凝土驱动因素,“我们[还]必须解决风险和成本障碍。我们可以通过要求生产商报告其产品的环境足迹并制定基于性能的规范来减轻风险。

为了解决成本问题,我们需要支持碳捕获和低碳技术的开发和部署。”尽管创新可以减少混凝土的初始排放,但混凝土也可以通过其他方式减少排放。

一种方法是通过其使用。在建筑物和基础设施中使用混凝土可以降低温室气体的排放量。例如,混凝土建筑可以具有较高的能源效率,而混凝土路面的表面和结构特性可使汽车消耗更少的燃料。

混凝土还可以通过暴露在空气中来减少其最初的影响。格雷格里说:“混凝土的独特之处在于,它实际上是在称为碳化的自然化学过程中吸收碳的。”

随着空气中的CO 2与水泥反应形成水和碳酸钙,碳化逐渐在混凝土中发生。《自然地球科学》(Nature Geoscience)上2016年的一篇论文发现。

自1930年以来,混凝土的碳酸化已抵消了水泥生产过程中碳酸钙化学转化为熟料产生的排放量的43%。

碳酸化有一个缺点。它可能导致通常放置在混凝土中的钢筋腐蚀。展望未来,工程师可能会寻求在碳化过程中最大程度地吸收碳,同时还将其可能引起的耐久性问题降至最低。

碳化,以及碳捕获,利用和储存等技术以及改进的混合料,都将为低碳混凝土做出贡献。格雷戈里说,但要使之成为可能,则需要学术界,工业界和政府的合作。

他认为这是一个机会。他指出:“改变并不一定要基于技术。” “通过我们为实现共同目标而共同努力,这也可能发生。”

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技术干货

竟然处理硝酸盐污染可以用这样的方法!

2020-4-11 10:48:07

技术干货

花粉可以转变为聚合物凝胶?科学家们做到了!

2020-4-11 12:03:06

0 条回复 A文章作者 M管理员
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