斯坦福以火山岩取代石灰,盼研发出“无钢筋”混凝土

火山岩可不可以取代水泥中的石灰岩(碳酸钙)呢?水泥业可说是全球排碳大户,如何在二氧化碳排放和环境间取得平衡,是各家水泥企业所面对的课题,如今斯坦福大学提出一项解决方案,希望能降低石灰岩的使用量,减少碳排放,最终打造出不需钢筋加固的绿色混凝土。

石灰是波特兰水泥的重要成分,可以提供制造水泥所需的氧化钙,但也是水泥业环境破坏、碳排放的主要来源。首先需引爆山上的石块取得石灰块,然后打破、粉碎成精细的粉末,再将粉末和页岩、黏土或其他物质高温下充分混合锻烧,混凝土三分之一的碳排放都在处理水泥熟料,剩下也是由石灰岩贡献,石灰石高温加热时会排放出二氧化碳,最后变成氧化钙细粉。

斯坦福大学地球物理学助理教授Tiziana Vanorio团队长期研究石灰替代方案,认为火山岩也可以用来制作熟料,最后变成水泥的一部分。纵使改用火山岩也需要能源密集处理,但至少在锻烧过程中不会排放任何二氧化碳。

Vanorio表示,我们可以将火山岩研磨成细粉,再用相同设备与步骤加热制出熟料。研究指出,火山岩熟料与热水混合后也能制造出水泥,而且有助打造出又长又密集的分子链,通过显微镜观察,这种分子链看起来有如纠缠在一起的纤维。过去也曾经在存在2000年的罗马港口、以及热液环境(hydrothermal)中胶结岩石看到此现象,初步显示有良好的承受能力。

扫描电子显微镜下的断层岩胶结材料(Source:斯坦福大学)

团队希望借由该研究,让未来的混凝土不需要钢筋加固。钢筋混凝土是最常见的加固形式,在混凝土中加入钢筋、钢筋网、钢板或纤维,利用组合材料改善混凝土抗拉强度不足的力学性质,Vanorio指出,团队发现的微小矿物纤维可以抵抗材料脆性,希望能深入了解纤维微结构如何有效加固岩石,以及它们的自然生长条件,最终通过纳米工程进行混凝土加固。

目前为了降低水泥业的碳排放,各国科学家也是绞尽脑汁寻找可以替代石灰的方案,从珊瑚礁、龙虾壳和虾蛄寻找灵感,又或是以工业废弃物飞灰(Fly ash)替代部分熟料,希望能让全球二氧化碳排放占8%的水泥业“绿化”,斯坦福大学材料科学与工程教授Alberto Salleo表示,地球如同一个巨大的实验室,各种材料在高温高压下混合,谁知道还有多少其他有趣且有用的结构呢?

(首图来源:pixabay)