麻省理工学院的工程师与科威特科学家合作发现，将火山岩磨成细灰后，可作为可持续添加剂用于混凝土结构。
研究人员在网上发表的一篇论文中指出，论文刊载于《清洁生产杂志》，以一定比例的火山灰替代传统水泥，可以降低混凝土结构的“隐含能耗”，即制造混凝土所消耗的总能量。据他们估算，建造一座试点社区（其中有26栋混凝土建筑，混凝土含50%的火山灰）所需能量，比完全使用传统波特兰水泥建造同样建筑少16%。
研究人员将火山灰研磨成越来越细的颗粒后发现，与仅用水泥制成的结构相比，较细粉末与波特兰水泥混合制成的混凝土结构强度更高。然而，将火山灰研磨至如此细小的颗粒需要能量，进而增加成品结构的隐含能耗。因此，使用火山灰时，混凝土结构的强度与隐含能耗之间存在权衡。
研究人员根据各种混凝土与火山灰混合物的实验结果，以及对成品结构隐含能耗的计算，绘制出强度与隐含能耗之间的关系图。他们表示，工程师可以把这种关系当作一种设计蓝图，例如据此选择用火山灰替代多少比例的水泥，以满足特定结构的需求。
“你可以按需调整，”麻省理工学院土木与环境工程系（CEE）教授奥拉尔·布尤科兹图尔克（Oral Buyukozturk）说。“例如，如果是用作交通隔离墩，所需强度可能不如高层建筑那么高。这样就能以少得多的能量制造这些构件。考虑到全球混凝土的用量，这意义重大。”
布尤科兹图尔克与一支跨学科研究团队共同撰写了论文，团队成员包括CEE研究科学家库纳尔·库普瓦德-帕蒂尔（Kunal Kupwade-Patil）和本科生斯蒂芬妮·秦（Stephanie Chin）、麻省理工学院建筑系前博士生凯瑟琳·德沃尔夫（Catherine De Wolf）和教授约翰·奥肯多夫（John Ochsendorf）、科威特科学研究所的阿里·哈吉亚（Ali Hajiah），以及科威特大学的阿迪尔·阿尔穆明（Adil Al-Mumin）。
天然添加剂
混凝土是世界上用量最大的材料，仅次于水。混凝土制造首先要从采石场爆破开采石灰岩等岩石，再将岩石运到磨坊进一步破碎，并经过多道工序在高温下处理，最终制成水泥。
这些高能耗工序会造成显著的环境影响；传统波特兰水泥的生产约占全球二氧化碳排放量的5%。为减少这类排放，布尤科兹图尔克等人一直在寻找可持续的添加剂和水泥替代品。
火山灰作为混凝土制造添加剂有几项可持续优势：这种岩质材料在全球活火山和休眠火山周边储量丰富，可直接从自然界获取；它通常被视为废弃物，因为人们一般不会大规模利用它；某些火山灰具有天然的“火山灰质”特性，也就是说，以粉末形式存在时，只需较少水泥，便能与水和其他材料自然结合，形成类似水泥的浆体。
“水泥生产耗能很大，因为涉及高温，而且工序繁多，”秦说。她与库普瓦德-帕蒂尔在布尤科兹图尔克指导下，以本科生研究机会计划（UROP）学生的身份，主导了团队的大部分实验工作。“这正是我们寻找替代品的主要动机。火山灰是在高温高压下形成的，大自然某种程度上替我们完成了所有这些化学反应。”
团队首先考察，用水泥和火山灰的混合物制成混凝土，与仅用水泥相比，需要多少能量。为此，研究人员查阅了多个数据库，其中收录了其他人对各种工业流程隐含能耗的计算，例如破碎岩石或养护水泥所需的能量。研究人员梳理这些数据库，汇总出生产传统水泥以及含10%至50%火山灰水泥所涉及的各项流程。
随后，他们在实验室制作了含不同比例火山灰的小块混凝土样品，以及仅由波特兰水泥制成的样品。秦和同事对每个样品进行了标准强度测试，例如不断加压，直至结构开始开裂。随后，他们将每个样品的强度与计算得出的隐含能耗对应起来。
根据研究结果，以平均粒径为17微米的火山灰替代50%的传统水泥，可使混凝土的隐含能耗降低16%。然而，在这一粒径下，火山灰可能会削弱混凝土的整体强度。将火山灰研磨至约6微米的粒径，可显著提高混凝土强度，因为颗粒越小，表面积越大，水和水泥便有更多区域发生化学结合。
火山灰建成的城市
团队将研究结果外推，考察部分使用火山灰建造的结构，在整栋建筑和社区的尺度上会如何影响混凝土的隐含能耗。
研究人员聚焦科威特的一个社区，其中有13栋住宅楼和13栋商业建筑，全部使用传统波特兰水泥建造，水泥大多从欧洲进口。在科威特合作者的帮助下，他们驾驶无人机飞越社区，采集影像和测量数据。他们还咨询了当地政府部门，后者提供了各建筑系统的补充信息。
团队利用这些信息计算了该社区现有建筑的隐含能耗，并进一步估算：如果改用含不同比例火山灰的混凝土建造，隐含能耗会如何变化。中东地区火山灰储量丰富。
与实验室中的结果一致，他们发现，如果用含30%火山灰的水泥混合物制成的混凝土建造相同建筑，社区基础设施所需能量会大幅减少。
布尤科兹图尔克说：“我们的发现表明，混凝土可以用具有所需性能的天然添加剂制造，同时降低隐含能耗；在建造社区或城市时，这能够转化为显著的节能效果。”
这项研究部分由科威特科学促进基金会资助。该项目是科威特—麻省理工学院关于科威特建成环境可持续性的重点合作项目之一，布尤科兹图尔克担任项目首席研究员。
本科生共同署名
在第二篇论文中，作者秦和同为前UROP学生的玛兰达·L·约翰斯顿（Maranda L. Johnston）探讨了以细磨火山灰替代波特兰水泥时涉及的结合机制。该论文即将发表于美国土木工程师学会（ASCE）的《土木工程材料杂志》。团队采用多种技术，包括在阿贡国家实验室进行同步辐射X射线衍射，以研究硬化水泥浆体的微观结构。
他们发现，粒径更小的火山灰颗粒在水泥浆体硬化过程中会生成纳米级产物，有助于浆体养护时基体变得更加致密。库普瓦德-帕蒂尔说：“我们的研究为工程师提供了依据，使他们能够根据具体要求，利用天然添加剂优化配比。”
布尤科兹图尔克说：“在我的实验室里，让大一新生和其他UROP学生参与高水平的多学科研究并发表期刊论文，逐渐成了一种传统。这种学习经历是我们教育体系中的重要组成部分。”
