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止于至善

有混凝土的地方,就会有我

 
 
 

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学校外硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员,中国土木工程学会混凝土耐久性专业委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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地聚合物可以作为水泥的替代品:成本更低更环保  

2017-02-03 08:04:12|  分类: 行业发展 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在讨论温室气体的时候,通常会遇到一个很糟糕的问题:建筑用混凝土影响气候,它每年释放出的二氧化碳比全球空中交通还要多。究其原因在于水泥(一种建筑行业最流行的粘合剂)的生产过程。水泥是由石灰石、粘土和泥灰岩碾磨、烧制而成的。

这个过程需要消耗大量能源,而且也从石灰石中去除了二氧化碳。全球5%以上的二氧化碳排放来自水泥的生产。达姆施塔特建设和建筑材料研究所所长,土木工程师,Eddie Koenders教授认为,这种情况是可以改变的。他的团队正在研究将地聚合物作为水泥的一个很有前景的替代品。

地聚合物是双组份系统,由反应性固体(含有硅和氧化铝)和碱金属氢氧化物的活化液或碱硅酸盐溶液组成。固体是天然石头或矿物,这就是为什么地聚合物这个单词的前缀是“地质”(geo)。当活化溶液与固体粉末混合时(总量和各物质组成,根据应用目的不同而变化),得到一种像岩石一样坚硬的无机聚合物。分子组成、单体,是氧原子在四个角,硅或铝原子在内部的一个四面体结构。

地聚合物可以作为水泥的替代品:成本更低更环保


“地聚合物”这个名字是70年代法国化学家约瑟夫·戴维德维茨提出的,到目前为止,该材料还没有进入大众市场,但是持续进行的气候问题争论,给地聚合物的研究提供了机会。“有一个巨大的国际利益驱动”Koenders说,他与来自西班牙、法国、奥地利和英国的企业与研究机构一起合作,正在制定该材料在欧盟项目中的应用。

首个地聚合物是以偏高岭土为原料,一种热处理的高岭土。当加热到600摄氏度时,高岭土改变了结构,变得更具有反应性,而且与活化液接触的时候凝结很快。问题是,预热处理也会消耗大量能源。

但是,由于高岭土在加热过程中不会释放出二氧化碳,而且点火温度比烧制水泥的时候要低的多,因此它的碳足迹更少。

偏高岭土是一种极好的材料,与用它制成的地聚合物密切合作,效果与它和水泥浆体的合作完全不同。例如,它们具有触变性:当你搅拌或摇晃它们时,它们能够溶解,像番茄酱一样,最初它们粘着在瓶子里,然后突然涌出。活化液使地聚合物具有粘性,这就是为什么很难将它从模板上去除。

Koenders强调,如果它们有相同的可使用性,地聚合物会替代混凝土和水泥。他的工作人员,Neven Ukrainczyk博士和Oliver Vogt正在测试不同的原材料,改善处理方法。不太纯的高岭土,含铁的氧化物和其他矿物质,是更适合的原材料,而且更具成本效益。

粉煤灰,一种来自烟道气体的废物和天然石材火山土是偏高岭土的一种可能混合物或替代品。研究人员采集了来自艾费尔高原的火山土,它是火山喷发之后形成的。挖掘之后,火山土经过研磨,可以直接使用。另一个优点是它富含碱。

这样可以降低碱性活化液溶液的浓度,从而降低成本。本研究不仅聚焦于地聚合物的组成,也在寻找新的混合物(能够赋予新的建筑材料特殊的性质)。例如,传统的高效减水剂,在自密实混凝土中与粘合剂颗粒分离,在地聚合物中就没有效果,因为地聚合物有不同的化学组成,因此必须重新设计它们。

Vogt和Ukrainczyk非常胜任这项研究工作,因为作为一个合格的土木工程师,Vogt总能着眼于实际应用,而化学工程师Ukrainczyk,是分子基础和理化分析专家。2014年当他加入达姆施塔特工业大学的时候,Koenders认为可以建立一个微观实验室,用于在微观到纳米尺度上研究地聚合物和其它建筑材料。新材料发生反应需要多少水?它的分子结构是什么?它在不同温度下表现如何,如在零下60摄氏度和超过100摄氏度时?

热量计、X射线折射仪、粘度计和其它特殊设备都可以在微观实验室里加以利用,用来回答类似问题。将来还会采购大气扫描电子显微镜,可以在不同湿度、温度以及不同机械载荷下研究建筑材料。传统的扫描电子显微镜,只能在高度真空环境下工作,不能反映建筑材料应用的环境条件下的真实情况。

水泥是世界上最常用的建筑材料,但地聚合物在某些特殊应用方面,有潜力与水泥一争高下。不仅它们的碳足迹更少,而且它们也有技术优势。地聚合物的热稳定性比混凝土更高,发生火灾时,混凝土中的水会产生蒸汽压力,导致混凝土剥落或开裂。地聚合物也更具耐化学性,因为它们不含水化产物(遇酸或其他腐蚀性物质会溶解)。值得一提的是,地聚合物只需一天时间就可以形成与高性能混凝土相同的抗压强度。

它们可以快速脱膜,这个特性使它们适合预制建筑元素的批量生产。研究团队目前正忙于制作地聚合物污水管,它们具有耐生物化学性。直到现在,新的建筑材料都比传统的混凝土或水泥更贵,Koenders说,但是它们的耐用性证明了它们值这么多钱。“我们正在寻找更经济的解决方案。我们希望能让地聚合物尽快得到实际应用。”

人造骨有可能替代钢筋水泥成为建筑材料

全世界对于碳排放的限制越来越严格,因此企业在绿色技术方面的投资也在不断攀升。钢筋混泥土的生产过程是工业领域碳排放重灾区,现在仍然没有明确的方案能够显著控制由这些生产活动带来的碳排放。为了寻求解决办法,研究人员正尝试用新的材料来替代钢筋混凝土。剑桥大学工程学院的研究人员专注于从仿生学的方面来寻找替代材料。

基本上,他们研究自然界中的模式、系统和元素,尝试仿造它们制造出新的材料。这样制造出来的材料能够具有钢筋混凝土的强度,却又不会产生大量的碳排放。

地聚合物可以作为水泥的替代品:成本更低更环保 科技世界网

我们的骨头坚硬并且难以损坏的原因是其中含有近乎相等的蛋白质和矿物质。另外,骨头还具有自愈的能力。Michelle Oyen博士作为研究的领导人,掌管着生产人造骨头和蛋壳样品的实验室。骨头强度高作为建筑材料还说得过去,但是易碎的蛋壳为何也是研究方向呢?这是因为从蛋壳的厚度和它能够承受的力量来看,蛋壳是十分坚固的。

人造骨头和蛋壳可以在正常室温下利用动物界中被大量抛弃的胶原蛋白制造出来,不仅如此,把整个制造过程规模化以用于大量生产也并不难。

Oyen博士和她的研究团队发现:如果将胶原蛋白制造的骨头和蛋壳混合起来,就会得到一种“晶格型结构(attice-type structure)”,这种结构比单纯的人造骨头或蛋壳更强。此外,该团队还尝试了利用合成蛋白和高分子聚合物来替换天然胶原蛋白,这对大规模生产新材料或进一步提升强度也是有帮助的。

人造骨有可能替代钢筋水泥成为建筑材料

虽然让人造骨材料真正成为建筑材料还需要十多年,但是从早期研发成果来看,这种技术前景是乐观的。如果最终应用的材料能够保有骨头自愈的特性,建构在地震带附近的房屋将更加安全。

水泥碳排放量并非固定不变

《自然—地球科学》在线发表的一篇论文报告称,过去70年里水泥生产所产生的近一半二氧化碳后续被水泥产品截存。

水泥生产占化石燃料燃烧和工业工艺所产生的所有二氧化碳排放量的5%。在生产水泥的煅烧过程中会释放二氧化碳,而在与之相对的碳化过程中,二氧化碳会被水泥产品吸收。但是总的来说,在评估水泥碳足迹时,碳化作用未被纳入考虑范围。虽然政府间气候变化专门委员会(IPCC)的国家温室气体清单指南提供了量化水泥生产过程中的二氧化碳排放量的方法,但是并未考虑水泥材料碳化所吸收的二氧化碳。

地聚合物可以作为水泥的替代品:成本更低更环保

美国加州理工学院刘竹及同事使用有关水泥特性的过往数据和新数据,建立数学模型来量化四种不同的水泥材料在使用、拆除和二次使用期间,在全球范围内所截存的二氧化碳数量。据其估算,1930—2013年间有45亿吨的碳被截存,相当于同期水泥煅烧所释放的二氧化碳的43%。

他们表示,水泥生产一直被视为人类导致的二氧化碳排放的重要来源,但是本文估算的水泥在生产之后所吸收的二氧化碳量表明,水泥同时也是重要的二氧化碳汇。

和雾霾说拜拜 能吃掉空气污染的水泥

秋冬季节是雾霾的高发期,尤其是在帝都生活的小伙伴基本上又要进入“看霾模式”。出门口罩回家空气吸尘器基本成了大部分人的共识,但是口罩真的能够保护我们的身体吗?想要完全忽视室外的污染,还需要从空气着手。

西班牙建筑设计事务所打算改造当地的一个过街天桥,用一种能“吃掉”空气污染的水泥来替换原有的灰色表面。据说,这种逆天的神器叫“光催化水泥”,是一种自清洁材料,能够将空气中的氮化合物吸收掉,并转化为无害的物质,雨水一冲就能清洁干净。

地聚合物可以作为水泥的替代品:成本更低更环保

看到这个,生活在雾霾中的小伙伴就有福了。接下来的事情很简单,我们只需要把正常水泥都换成这种能“吃掉”空气污染的水泥,即可减少雾霾的污染。


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