보다 친환경적인 콘크리트를 위해 화산암을 사용합니까?

시멘트 믹서 및 굴삭기 쏟아지는 기초의 공중보기

새로운 연구에 따르면 콘크리트의 주요 성분 중 하나만 화산암으로 교체하면 재료 제조시 발생하는 탄소 배출량을 거의 XNUMX/XNUMX까지 줄일 수 있습니다.

콘크리트는 우리에게 로마의 판테온, 시드니 오페라 하우스, 후버 댐 및 수많은 블록 기둥을 우리에게 제공했습니다. 인공 암석은 우리 도시와 도로를 덮고, 풍력 발전 단지와 태양 전지판 어레이의 기초가되며, 미국 및 해외에서 COVID 복구 투자로 지원되는 인프라 프로젝트에 엄청난 양이 쏟아 질 것입니다.

하지만 기후 변화에 대처하기위한 노력에는 엄청난 비용이 듭니다. 시멘트콘크리트를 만들기 위해 모래, 자갈 및 물과 혼합 된 결합 요소는 지구 온난화의 가장 큰 산업 기여자 중 하나입니다.

스탠포드 대학의 지구 물리학 부교수 인 Tiziana Vanorio는“콘크리트는 가장 저렴한 건축 자재 중 하나이고 쉽게 조작 할 수 있으며 거의 ​​모든 모양으로 성형 할 수 있기 때문에 어디에나 있습니다.

그러나 시멘트 생산은 인간 활동과 관련된 연간 이산화탄소 배출량의 8 %를 방출하며, 도시화와 경제 발전이 새로운 건물과 인프라 건설을 주도함에 따라 향후 수십 년 동안 수요가 증가 할 것으로 예상됩니다.

Vanorio는 "재앙적인 기후 변화를 방지하는 데 필요한 수준으로 탄소 배출량을 줄이려면 시멘트 제조 방식을 바꿔야합니다."라고 말합니다.

산호초, 가재 껍질, 사마귀 새우

콘크리트의 CO2 문제는 주로 탄산 칼슘으로 만들어진 석회암에서 시작됩니다. 현대 콘크리트의 주재료 인 포틀랜드 시멘트를 만들기 위해 석회암을 채굴하고 분쇄 ​​한 다음 거대 가마에서 점토와 소량의 기타 재료를 사용하여 고온에서 굽습니다. 이 열을 생성하는 데는 일반적으로 석탄이나 기타 화석 연료를 태우는 작업이 포함되며, 이는 콘크리트와 관련된 탄소 배출량의 XNUMX/XNUMX 이상을 차지합니다.

열은 화학 반응을 일으켜 대리석 크기의 회색 덩어리를 생성합니다. 수갑그런 다음 시멘트로 인식되는 미세한 분말로 분쇄됩니다. 반응은 또한 수억 년 동안 석회암에 갇혀있을 수있는 탄소를 방출합니다. 이 단계는 나머지 CO의 대부분에 기여합니다.2 콘크리트 생산으로 인한 배출.

Vanorio와 동료들은 이제 CO를 제거하는 시멘트 프로토 타입을 만들고 있습니다.2-클링커를 만들어 화학 반응을 트림 화산암 필요한 모든 구성 요소를 포함하지만 탄소는 포함하지 않습니다.

지구상에서 가장 많이 사용되는 건축 자재 인 콘크리트는 오랫동안 재창조의 대상이었습니다. 연구원과 회사는 산호초, 가재 껍질 및 망치 모양의 곤봉에서 새로운 요리법에 대한 영감을 찾았습니다. 사마귀 새우. 다른 기업들은 클링커를 석탄 발전소의 비산회와 같은 산업 폐기물로 부분적으로 대체하거나 콘크리트의 기후 영향을 줄이기 위해 포획 된 이산화탄소를 혼합물에 주입하고 있습니다.

Joe Biden 대통령은 2005 년까지 2030 년 수준에서 미국 온실 가스 배출량을 절반으로 줄이기 위해 시멘트 제조에 탄소 포집과 수소 연료 사용을 확대 할 것을 촉구했습니다.

석회암 건너 뛰기

Vanorio는 석회암을 완전히 없애고 대신 전 세계의 많은 화산 지역에서 채석 할 수있는 암석으로 시작할 것을 제안합니다. “우리는이 암석을 가져다가 갈아서 가열하여 현재 석회암으로 클링커를 만드는 데 사용되는 것과 동일한 장비와 인프라를 사용하여 클링커를 생산할 수 있습니다.”라고 그녀는 말합니다.

이 저탄소 클링커와 혼합 된 뜨거운 물은 시멘트로 변형 될뿐만 아니라 현미경으로 볼 때 얽힌 섬유처럼 보이는 길고 얽힌 분자 사슬의 성장을 촉진합니다. 열수 환경 (지상 바로 아래에서 뜨거운 물이 순환하는 곳)과 부식성 바닷물로부터 2,000 년 동안의 공격을 견뎌온 콘크리트 로마 항구에서 자연적으로 접합 된 암석과 현대 콘크리트가 일반적으로 수십 년 내에 부서지는 파도에 유사한 구조가 존재합니다.

균열을 방지하기 위해 현대 콘크리트 구조물에서 일반적으로 사용되는 철근과 마찬가지로이 작은 광물 섬유는 재료의 일반적인 취성을 방지합니다.

“콘크리트는 늘어나는 것을 좋아하지 않습니다. 어떤 종류의 보강이 없으면 스트레스로 인해 구부러지기 전에 부서 질 것입니다.”라고 최근 논문의 수석 저자 인 Vanorio는 말합니다. 미세 구조 로마 해양 콘크리트 및 역할 암석 물리학 저탄소 미래로의 전환에서. 대부분의 콘크리트는 이제 강철을 사용하여 대규모로 강화됩니다.

“우리의 아이디어는 섬유질 미세 구조가 암석을 효과적으로 강화하는 방법과 암석을 생성하는 자연 조건을 학습하여 나노 스케일로 강화하는 것입니다.”라고 그녀는 말합니다.

치유와 회복력에 대한 교훈

Vanorio가 혁신을 위해 구상하는 프로세스 화산암 콘크리트에 들어가는 것은 열수 환경에서 암석이 시멘트를 형성하는 방식과 유사합니다. 화산 주변과 활성 지각판 경계 위에서 흔히 발견되는 열수 조건은 물을 강력한 용매로 사용하여 가정용 오븐보다 뜨겁지 않은 온도에서 암석이 빠르게 반응하고 재결합 할 수 있도록합니다.

피부를 치유하는 것처럼, 미네랄과 뜨거운 물 사이의 반응을 통해 시간이 지남에 따라 지구 최외 각층 시멘트의 균열 및 결함이 함께 발생합니다. Vanorio는“자연은 생물학적 생명체를 모방 한 혁신적인 재료에 대한 큰 영감의 원천이었습니다. "우리는 또한 치유와 손상 회복력을 가능하게하는 지구 과정에서 영감을 얻을 수 있습니다."

벽돌과 단조 금속에서 유리와 플라스틱에 이르기까지 사람들은 지구의 암석 순환을 이끄는 동일한 힘 (열, 압력 및 물)을 사용하여 오랫동안 재료를 만들어 왔습니다. 수많은 고고학 및 광물학 연구에 따르면 고대 로마인들은 화산재가 물과 자연적으로 혼합 될 때 굳어지는 것을 보면서 가장 초기에 알려진 콘크리트 제조법으로 화산재를 활용하는 법을 배웠을 수 있습니다.

Vanorio는“오늘날 우리는 21 세기 기술의 렌즈와 환경 영향에 대한 지식을 통해 합착을 관찰 할 수있는 기회를 갖게되었습니다.

Vanorio는 재료 과학 및 엔지니어링 교수 인 Alberto Salleo와 협력하여 지질학을 모방하는 것에서 나노 스케일 엔지니어링을 사용하여 특정 결과 및 기계적 특성에 대한 프로세스를 조작하는 데까지 나섰습니다. “시멘트가 나노 스케일로 설계 될 수 있고 그 규모로도 연구되어야한다는 것이 점점 더 분명 해지고 있습니다.”라고 Salleo는 말합니다.

콘크리트의 결함 수용

시멘트의 많은 특성은 결함 그리고 서로 다른 구성 요소 간의 결합의 강도에 대해 Salleo는 말합니다. 분쇄 된 암석의 합착 과정에서 자라는 작은 섬유는 로프를 조여 힘을주는 역할을합니다. "우리는 재료가 사람과 같다고 말하고 싶습니다. 재료를 흥미롭게 만드는 것은 결함 때문입니다."라고 그는 말합니다.

2019 년 로마에서 어린 시절에 유적 사이에서 본 고대 콘크리트에 대한 끊임없는 호기심으로 살레 오는 어린 시절 나폴리에서 지각의 역 동성을 경험 한 후 암석 물리학으로의 여정이 시작된 바 노리오에게 손을 뻗었습니다. 로마 콘크리트가 처음 제작 된 칼데라 중심에있는 항구 도시.

그 이후로 Salleo는 에너지 저장을위한 플라스틱 재료를 기반으로하는 저비용 태양 전지 및 전기 화학 장치와 같은 지속 가능성과 관련된 그의 그룹 프로젝트에 논리적으로 적합한 지질 과정에서 영감을받은 저탄소 클링커에 대한 작업을 보러 왔습니다.

“저탄소 클링커에 대해 생각하는 것은 우리가 대기로 보내는 CO2의 양을 줄이는 또 다른 방법입니다.”라고 그는 말합니다. 그러나 이것은 시작에 불과합니다. “지구는 재료가 고온과 고압에서 혼합되는 거대한 실험실입니다. 다른 흥미롭고 궁극적으로 유용한 구조가 얼마나 많은지 누가 알겠습니까?”

출처: Stanford University

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