より環境に優しいコンクリートには、火山岩を使用しますか?

セメント ミキサーと掘削機の注ぐ基礎の航空写真

新しい研究によると、コンクリートの主要成分の XNUMX つだけを火山岩で置き換えるだけで、材料の製造に伴う炭素排出量を XNUMX 分の XNUMX 近く削減できる可能性があります。

コンクリートは私たちにローマのパンテオン、シドニーオペラハウス、フーバーダム、そして無数のブロック状のモノリスを与えてくれました。 人工岩は、私たちの都市や道路を覆い、風力発電所やソーラー パネル アレイの下にあり、米国および海外での COVID 回復投資によって支援されるインフラストラクチャ プロジェクトに大量に注ぎ込まれます。

しかし、気候変動と戦うための努力には多大なコストがかかります。 セメント砂、砂利、水と混合してコンクリートを作る結合要素は、地球温暖化の最大の産業貢献者のXNUMXつです。

「コンクリートは、最も手頃な建築材料のXNUMXつであり、操作が簡単で、ほぼすべての形状に成形できるため、どこにでもあります」と、スタンフォード大学の地球物理学の准教授であるTizianaVanorio氏は述べています。

しかし、セメントの生産は人間の活動に関連する年間二酸化炭素排出量の8%を解放し、都市化と経済発展が新しい建物やインフラの建設を推進するにつれて、需要は今後数十年で増加すると予想されます。

「壊滅的な気候変動を回避するために必要なレベルまで炭素排出量を削減する場合は、セメントの製造方法を変更する必要があります」とバノリオ氏は言います。

サンゴ礁、アカザエビの殻、シャコ

コンクリートのCO2 問題は、主に炭酸カルシウムでできた岩である石灰岩から始まります。 現代のコンクリートのペースト状の主成分であるポルトランドセメントを作るには、石灰石を採掘し、粉砕し、巨大な窯で粘土や少量の他の材料と一緒に高温で焼きます。 この熱の発生には通常、石炭やその他の化石燃料の燃焼が含まれ、コンクリートに関連する炭素排出量のXNUMX分のXNUMX以上を占めています。

熱は化学反応を引き起こし、大理石サイズの灰色の塊を生成します。 クリンカー、次にセメントとして認識される微粉末に粉砕されます。 この反応はまた、何億年もの間石灰岩に閉じ込められたままになる可能性のある炭素を放出します。 このステップは残りのCOのほとんどに貢献します2 コンクリート生産からの排出。

Vanorioらは現在、COを排除するセメントのプロトタイピングを行っています。2-クリンカーを作ることによるげっぷ化学反応 火山岩 必要な構成要素はすべて含まれていますが、炭素は含まれていません。

地球上で最も使用されている建築材料として、コンクリートは長い間再発明の対象となってきました。 研究者や企業は、サンゴ礁、アカザエビの殻、ハンマーのようなクラブの新しいレシピのインスピレーションを見つけました。 カマキリのエビ。 他の人々は、コンクリートの気候への影響を縮小する方法として、クリンカーを石炭プラントからのフライアッシュのような産業廃棄物に部分的に置き換えたり、捕捉された二酸化炭素を混合物に注入したりしています。

ジョー・バイデン大統領は、2005年までに米国の温室効果ガス排出量を2030年のレベルから半減させるために、炭素回収の拡大とセメント製造における水素燃料の使用を求めています。

石灰岩をスキップします

ヴァノリオは、石灰岩を完全に取り除き、代わりに世界中の多くの火山地域で採掘できる岩から始めることを提案しています。 「この岩を取り、粉砕し、加熱して、石灰岩からクリンカーを作るのに現在使用されているのと同じ機器とインフラストラクチャを使用してクリンカーを作ることができます」と彼女は言います。

この低炭素クリンカーと熱湯を混ぜると、セメントに変化するだけでなく、顕微鏡で見ると絡み合った繊維のように見える分子の長く絡み合った鎖の成長を促進します。 同様の構造は、熱水環境(熱湯が地下を循環する場所)で自然にセメントで固められた岩石や、腐食性の塩水やスラッシング波による2,000、XNUMX年の攻撃に耐えてきたコンクリートのローマの港にも存在し、現代のコンクリートは通常数十年以内に崩壊します。

現代のコンクリート構造でひび割れを防ぐために一般的に使用されている鉄筋のように、これらの小さな鉱物繊維は、材料の通常の脆弱性に対抗します。

「コンクリートは引き伸ばされるのが好きではありません。 なんらかの補強がなければ、ストレスで曲がる前に壊れてしまいます」と、最近の論文の上級著者であるバノリオは述べています。 微細構造 ローマの海洋コンクリートとの役割について 岩石物理学 低炭素の未来への移行において。 現在、ほとんどのコンクリートは鋼を使用して大規模に補強されています。

「私たちのアイデアは、繊維状の微細構造が岩石を効果的に強化する方法と、岩石を生成する自然条件を学習することによって、ナノスケールでそれを強化することです」と彼女は言います。

癒しと回復力のレッスン

バノリオが変革のために想定しているプロセス 火山岩 コンクリートへの結合は、熱水環境で岩がセメントを固める方法に似ています。 火山の周りや活発な構造プレートの境界の上によく見られる熱水条件により、岩石は強力な溶媒として水を使用して、家庭用オーブンよりも高温ではない温度で迅速に反応して再結合することができます。

肌を癒すように、地球の最外層の亀裂や断層は、ミネラルとお湯の反応によって時間の経過とともに固まります。 「自然は、生物学的生命を模倣する革新的な材料の素晴らしいインスピレーションの源です」とバノリオは言います。 「私たちはまた、癒しとダメージの回復力を可能にする地球のプロセスからインスピレーションを得ることができます。」

レンガや鍛造金属からガラスやプラスチックに至るまで、人々は長い間、地球の岩石サイクルを駆動するのと同じ力、つまり熱、圧力、水を使用して材料を製造してきました。 数多くの考古学的および鉱物学的研究によると、古代ローマ人は、火山灰が自然に水と混ざり合ったときに固まるのを観察することにより、最も初期の既知の具体的なレシピのために火山灰を利用することを学んだ可能性があります。

「今日、私たちは21世紀の技術のレンズと環境への影響に関する知識を使ってセメンテーションを観察する機会があります」とVanorio氏は言います。

Vanorioは、材料科学および工学の教授であるAlberto Salleoと協力して、地質学の模倣を超えて、ナノスケール工学を使用して特定の結果と機械的特性のプロセスを操作しました。 「セメントはナノスケールで設計できることがますます明らかになりつつあり、そのスケールでも研究する必要があります」とサレオ氏は言います。

コンクリートの欠陥を受け入れる

セメントの特性の多くは、 欠陥 そして、異なるコンポーネント間の結合の強さについて、サレオは言います。 粉砕された岩石のセメンテーション中に成長して織り交ぜられる小さな繊維は、ロープを締めるように機能し、強度を与えます。 「私たちは、材料は人のようなものだと言いたいのです。それらの欠陥がそれらを面白くしているのです」と彼は言います。

2019年、ローマで育った子供として廃墟の中で見た古代のコンクリートに対する好奇心から、サレオはバノリオに手を差し伸べました。バノリオは、ナポリタンで幼少期に地球の地殻のダイナミズムを体験した後、岩石物理学への独自の旅を始めました。ローマンコンクリートが最初に設計されたカルデラの中心にある港湾都市。

それ以来、サレオは、プラスチック材料に基づく低コストの太陽電池やエネルギー貯蔵用の電気化学デバイスなど、持続可能性に関連する彼のグループのプロジェクトと論理的に適合するものとして、地質学的プロセスに触発された低炭素クリンカーの研究を見るようになりました。

「低炭素クリンカーについて考えることは、私たちが大気中に放出するCO2の量を減らすもうXNUMXつの方法です」と彼は言います。 しかし、それはほんの始まりに過ぎません。 「地球は、材料が高温高圧で混合する巨大な実験室です。 他に興味深く、最終的に有用な構造がいくつあるか誰が知っていますか?」

ソース: スタンフォード大学

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