根據一項新的研究，用火山岩代替混凝土的一種主要成分可以將製造這種材料的碳排放量減少近三分之二。

混凝土給了我們羅馬萬神殿、悉尼歌劇院、胡佛水壩和無數塊狀巨石。 人造岩石覆蓋了我們的城市和道路，是風力發電場和太陽能電池板陣列的基礎——並且將大量湧入由美國和國外 COVID 恢復投資支持的基礎設施項目中。

然而，應對氣候變化的努力付出了巨大的代價，因為 水泥- 與沙子、礫石和水混合製成混凝土的結合元素 - 是全球變暖的最大工業貢獻者之一。

“混凝土無處不在，因為它是最實惠的建築材料之一，它易於操作，幾乎可以塑造成任何形狀，”斯坦福大學地球物理學副教授 Tiziana Vanorio 說。

但水泥生產釋放了與人類活動相關的年度二氧化碳排放量的 8%，隨著城市化和經濟發展推動新建築和基礎設施的建設，預計未來幾十年需求將增加。

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“如果我們要將碳排放量減少到避免災難性氣候變化所必需的水平，我們需要改變製造水泥的方式，”Vanorio 說。

珊瑚礁、龍蝦殼和螳螂蝦

混凝土公司₂ 問題始於石灰石，一種主要由碳酸鈣構成的岩石。 為了製造波特蘭水泥——現代混凝土中糊狀的主要成分——石灰石被開採、粉碎，並與粘土和少量其他材料在巨型窯爐中高溫烘烤。 產生這種熱量通常涉及燃燒煤或其他化石燃料，佔與混凝土相關的碳排放量的三分之一以上。

熱量引發化學反應，產生大理石大小的灰色塊狀物，稱為 熟料，然後將其研磨成我們認為是水泥的細粉。 該反應還釋放出碳，否則這些碳可能會被鎖定在石灰石中數億年。 這一步貢獻了大部分剩餘的 CO₂ 混凝土生產的排放。

Vanorio 及其同事現在正在製作消除 CO 的水泥原型₂-通過使熟料與 火山岩 它包含所有必要的構建塊，但不含碳。

作為地球上最常用的建築材料，混凝土長期以來一直是改造的目標。 研究人員和公司在珊瑚礁、龍蝦殼和錘子狀的棍棒中找到了新食譜的靈感。 螳螂蝦. 其他人則用工業廢物（如煤電廠的飛灰）部分替代熟料，或將捕獲的二氧化碳注入混合物中，以減少混凝土對氣候的影響。

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跳過石灰石

Vanorio 建議完全取消石灰石，而是從可以在世界各地許多火山地區開采的岩石開始。 “我們可以取出這種岩石，研磨它，然後使用目前用於從石灰石製造熟料的相同設備和基礎設施將其加熱以生產熟料，”她說。

與這種低碳熟料混合的熱水不僅可以將其轉化為水泥，還可以促進長而纏結的分子鏈的生長，在顯微鏡下觀察時，這些分子鏈看起來像纏結的纖維。 類似的結構存在於在熱液環境中自然膠結的岩石中 - 滾燙的熱水在地下循環的地方 - 以及混凝土羅馬港口，這些港口已經經受了 2,000 年腐蝕性海水和波浪的襲擊，現代混凝土通常會在幾十年內崩潰。

就像現代混凝土結構中常用的防止開裂的鋼筋一樣，這些微小的礦物纖維可以對抗材料通常的脆性。

“混凝土不喜歡被拉伸。 如果沒有某種加固，它會在受壓前彎曲，”Vanorio 說，他是近期論文的高級作者 微觀結構 在羅馬海洋混凝土中的作用 岩石物理學 向低碳未來轉型。 大多數混凝土現在都使用鋼材進行大規模加固。

“我們的想法是通過了解纖維微結構如何有效地加固岩石，以及產生它們的自然條件，在納米尺度上加固它，”她說。

癒合和復原力的課程

Vanorio 設想的轉型過程 火山岩 進入混凝土類似於岩石在熱液環境中水泥的方式。 通常在火山周圍和活動板塊邊界上方發現，熱液條件允許岩石在不比家用烤箱熱的溫度下快速反應和重新組合，使用水作為強溶劑。

就像癒合皮膚一樣，地球最外層的裂縫和斷層通過礦物質和熱水之間的反應隨著時間的推移而粘合在一起。 “大自然一直是模仿生物生命的創新材料的重要靈感來源，”Vanorio 說。 “我們還可以從地球進程中汲取靈感，從而實現癒合和破壞恢復能力。”

從磚塊和鍛造金屬到玻璃和塑料，人們長期以來一直使用驅動地球岩石循環的相同力來製造材料：熱量、壓力和水。 許多考古學和礦物學研究表明，古羅馬人可能已經學會了利用火山灰製作已知最早的混凝土配方，觀察它在與水自然混合時變硬。

“今天，我們有機會通過 21 世紀的技術和環境影響知識來觀察膠結作用，”瓦諾里奧說。

Vanorio 與材料科學與工程教授 Alberto Salleo 合作，超越模仿地質學，使用納米工程來操縱其特定結果和機械性能的過程。 “越來越明顯的是，水泥可以在納米尺度上進行設計，也應該在該尺度上進行研究，”Salleo 說。

擁抱混凝土的缺陷

水泥的許多性能取決於小 缺陷 Salleo 說，這取決於不同組件之間的結合強度。 在粉狀岩石膠結過程中生長和交織的細小纖維就像拉緊繩索，賦予強度。 “我們喜歡說材料就像人：正是它們的缺陷使它們變得有趣，”他說。

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2019 年，他對在羅馬長大的孩子在廢墟中看到的古老混凝土的持久好奇促使 Salleo 聯繫了 Vanorio，她在那不勒斯的童年經歷了地殼的活力後，開始了自己的岩石物理學之旅位於火山口中心的港口城市，羅馬混凝土最初是在這裡建造的。

從那時起，Salleo 開始將受地質過程啟發的低碳熟料的工作視為與他的小組與可持續性相關的項目的邏輯契合，例如基於塑料材料的低成本太陽能電池和用於儲能的電化學裝置。

“考慮低碳熟料是減少我們排放到大氣中的二氧化碳量的另一種方法，”他說。 但這只是開始。 “地球是一個巨大的實驗室，材料在高溫高壓下混合。 誰知道還有多少其他有趣且最終有用的結構呢？”

資源： 斯坦福大學

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