胡萝卜水泥 最环保的混凝土 – 全球新知

混凝土是无数建筑结构的首选建筑材料，但具有巨大的环境足迹，主要原因为其主要成分——水泥的生产过程，会排放巨量的二氧化碳。现在，研究人员正试验使用根茎类蔬菜和回收塑料结合混凝土，以了解这是否可以使其更坚固、更环保，甚至可为路灯或空污传感器供电。

混凝土是世界上使用第二广泛的物质，仅次于水。生产水泥是混凝土的重要组成部分，约占全球二氧化碳（CO2）排放量的8％。其生产过程包括燃烧大量矿物、贝壳及页岩等物质，将窑炉加热至约1400°C，化石燃料通常为主要能源，产生CO2。

此外，产生熟料（水泥的中间产物，小的固体块）是高温化学反应的结果，该反应也是能源密集型的。

上图：传统水泥的排碳量大，许多研究人员正开发突破性的绿色新水泥。Image Credit: Pexel

西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚理工大学研究员尼古拉·托希奇（NikolaTošić）博士说：“水泥行业正在努力降低碳排放… 然而，化学反应的二氧化碳排放是不可避免的，除非我们提出不同类型的水泥。”

当水泥与水混合时，它会形成一种糊状，将诸如沙子和碎石之类的骨料粘合在一起，使混凝土硬化并使其具有强度和结构。

降低水泥对环境的影响的一种策略，是使水泥更坚固，从而减少水泥的用量。来自英国兰开斯特大学的 Mohamed Saafi 教授及其同事的 B-SMART 项目，旨在实现这一目标。

水泥需要与水混合，将沙子和碎石粘合在一起。但是此过程中，并非所有的水泥颗粒都会水合。萨菲教授说：“其中的大多数颗粒基本上保持原样，这是浪费。” “如果我们能够增强这种水合作用机制，提高其强度，就可以使用更少的水泥。”

根茎类蔬菜

萨菲教授和他的团队转向根菜类蔬菜。他们调查是否可将胡萝卜加工成婴儿食品的废料或甜菜糖提取的残渣添加到水泥中以增强水泥强度。他们使用计算机模拟蔬菜扔入水泥浆中所制的超薄片材，如何与水泥相互作用，并观察它们对水泥水化作用及其产生的机械性能的影响。然后，他们在实验室中进行实验，以验证模拟结果。

研究人员发现，掺入植物废料制成的板材确受可以改善水泥的水合作用。这些片材充当储存器，使水能够到达更多的水泥颗粒，从而提高其粘结能力。萨菲教授说：“与此同时，水合后的胡萝卜纳米片会保留在水泥中，并使水泥的结构变得非常坚固。” “这是我们前所未见的了不起发现。”

萨菲教授和他的同事发现还发现，在水泥中添加块根蔬菜还有其他好处。例如，在胡萝卜上施加压力产生的电能，可以为小型LED灯或电子设备供电，制造能发电的混凝土。如果用于建造桥梁的话，当汽车经过或行人引起的振动，也会产生电力。如此，就可以利用混凝土中的电力为LED路灯供电，或为监测空气污染的传感器供电。”

混凝土产生的电，还可以深入了解结构的健康状况。如果结构出现裂缝，其产生的电压将发生变化。因此，在建筑物或桥梁中结合跟踪电力输出的监视设备，可以帮助确定结构安全性，从而防止灾难性故障。 

该小组现在正在进行现场测试，以查看他们是否可以用胡萝卜水泥建造具有与实验室相同性能的结构，以及是否能使用现有工艺生产改良混凝土，以降低成本。

如果一切顺利，研究小组预计他们的植物胶可以将建造建筑物所需的水泥量减少每立方米10公斤。萨菲教授说：“希望将来我们可以更好地进行优化，进一步减少所需的水泥量。”

Stronger cement made with recycled plastic could allow the construction industry to reduce the use of unsustainable reinforcement components such as steel. Image credit – Nikola Tošić / Source: Horizon Magazine

粉煤灰

目前也有其他类型的废料在测试中，使混凝土更具可持续性。工业副产品，如粉煤灰（煤燃烧后残留的细粉状材料）和高炉矿渣（钢铁生产的残渣颗粒）可部分替代水泥。

托希奇博士说：“我们可以将水泥的量减少30％至50％，而增加这些工业副产品，”他正在探索这种方法，并将其作为一个名为GREEN-FRC的项目的一部分。

将塑料掺入混凝土中也在研究内容之中，回收的塑料纤维可用来使结构更坚固，并减少不可回收资源的组件，例如用于加固水泥的钢。自该项目于2020年初开始以来，该团队一直在将不同数量和类型的聚丙烯塑料纤维掺入混凝土中，并测试其长期性能。

绿色的混凝土最初将用于人行道、隧道衬砌和建筑立面面板，因为与建筑等结构相比，它们所需的钢筋更少。一些建筑公司已经对免费提供的实验材料而对该项目产生了兴趣。托希奇博士说：“去年，我们注意到建筑公司正在改变思维方式。” 他们也看到，未来可持续发展对他们来说是必要的，否则将失去市场。

原文：Carrot cement: How root vegetables and ash could make concrete more sustainable (CC BY 4.0) 
This article was originally published in Horizon, the EU Research and Innovation magazine