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地聚合物可以作為水泥的替代品,而且更加環保

日期:2017-3-10
       達姆施塔特工業大學的研究人員提出了將地聚合物作為水泥替代品的方案。這些礦物粘合劑不僅環保,而且它們更耐化學品和高溫。在討論溫室氣體的時候,通常會遇到一個很糟糕的問題:建築用混凝土影響氣候,它每年釋放出的二氧化碳比全球空中交通還要多。究其原因在於水泥(一種建築行業最流行的粘合劑)的生產過程。水泥是由石灰石、粘土和泥灰岩碾磨、燒製而成的。這個過程需要消耗大量能源,而且也從石灰石中去除了二氧化碳。全球5%以上的二氧化碳排放來自水泥的生產。達姆施塔特建設和建築材料研究所所長,土木工程師,Eddie Koenders教授認為,這種情況是可以改變的。他的團隊正在研究將地聚合物作為水泥的一個很有前景的替代品。地聚合物是雙組份係統,由反應性固體(含有矽和氧化鋁)和堿金屬氫氧化物的活化液或堿矽酸鹽溶液組成。固體是天然石頭或礦物,這就是為什麽地聚合物這個單詞的前綴是“地質”(geo)。當活化溶液與固體粉末混合時(總量和各物質組成,根據應用目的不同而變化),得到一種像岩石一樣堅硬的無機聚合物。分子組成、單體,是氧原子在四個角,矽或鋁原子在內部的一個四麵體結構。“地聚合物”這個名字是70年代法國化學家約瑟夫•戴維德維茨提出的,到目前為止,該材料還沒有進入大眾市場,但是持續進行的氣候問題爭論,給地聚合物的研究提供了機會。“有一個巨大的國際利益驅動”
        Koenders說,他與來自西班牙、法國、奧地利和英國的企業與研究機構一起合作,正在製定該材料在歐盟項目中的應用。首個地聚合物是以偏高嶺土為原料,一種熱處理的高嶺土。當加熱到600攝氏度時,高嶺土改變了結構,變得更具有反應性,而且與活化液接觸的時候凝結很快。問題是,預熱處理也會消耗大量能源。但是,由於高嶺土在加熱過程中不會釋放出二氧化碳,而且點火溫度比燒製水泥的時候要低的多,因此它的碳足跡更少。偏高嶺土是一種極好的材料,與用它製成的地聚合物密切合作,效果與它和水泥漿體的合作完全不同。例如,它們具有觸變性:當你攪拌或搖晃它們時,它們能夠溶解,像番茄醬一樣,最初它們粘著在瓶子裏,然後突然湧出。活化液使地聚合物具有粘性,這就是為什麽很難將它從模板上去除。Koenders強調,如果它們有相同的可使用性,地聚合物會替代混凝土和水泥。他的工作人員,Neven Ukrainczyk博士和Oliver Vogt正在測試不同的原材料,改善處理方法。不太純的高嶺土,含鐵的氧化物和其他礦物質,是更適合的原材料,而且更具成本效益。粉煤灰,一種來自煙道氣體的廢物和天然石材火山土是偏高嶺土的一種可能混合物或替代品。研究人員采集了來自艾費爾高原的火山土,它是火山噴發之後形成的。挖掘之後,火山土經過研磨,可以直接使用。另一個優點是它富含堿。這樣可以降低堿性活化液溶液的濃度,從而降低成本。本研究不僅聚焦於地聚合物的組成,也在尋找新的混合物(能夠賦予新的建築材料特殊的性質)。
      例如,傳統的高效減水劑,在自密實混凝土中與粘合劑顆粒分離,在地聚合物中就沒有效果,因為地聚合物有不同的化學組成,因此必須重新設計它們。Vogt 和 Ukrainczyk非常勝任這項研究工作,因為作為一個合格的土木工程師,Vogt總能著眼於實際應用,而化學工程師Ukrainczyk,是分子基礎和理化分析專家。2014年當他加入達姆施塔特工業大學的時候,Koenders認為可以建立一個微觀實驗室,用於在微觀到納米尺度上研究地聚合物和其它建築材料。新材料發生反應需要多少水?它的分子結構是什麽?它在不同溫度下表現如何,如在零下60攝氏度和超過100攝氏度時?熱量計、X射線折射儀、粘度計和其它特殊設備都可以在微觀實驗室裏加以利用,用來回答類似問題。
       將來還會采購大氣掃描電子顯微鏡,可以在不同濕度、溫度以及不同機械載荷下研究建築材料。傳統的掃描電子顯微鏡,隻能在高度真空環境下工作,不能反映建築材料應用的環境條件下的真實情況。水泥是世界上最常用的建築材料,但地聚合物在某些特殊應用方麵,有潛力與水泥一爭高下。不僅它們的碳足跡更少,而且它們也有技術優勢。地聚合物的熱穩定性比混凝土更高,發生火災時,混凝土中的水會產生蒸汽壓力,導致混凝土剝落或開裂。地聚合物也更具耐化學性,因為它們不含水化產物(遇酸或其他腐蝕性物質會溶解)。值得一提的是,地聚合物隻需一天時間就可以形成與高性能混凝土相同的抗壓強度。它們可以快速脫膜,這個特性使它們適合預製建築元素的批量生產。研究團隊目前正忙於製作地聚合物汙水管,它們具有耐生物化學性。直到現在,新的建築材料都比傳統的混凝土或水泥更貴,Koenders說,但是它們的耐用性證明了它們值這麽多錢。“AG视讯正在尋找更經濟的解決方案。AG视讯希望能讓地聚合物盡快得到實際應用。”

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