Zukünftige Städte mit Vulkanasche gebaut?

Bild überMIT.


Von Jennifer Chu/MIT

MIT-Ingenieure, die mit Wissenschaftlern in Kuwait zusammenarbeiten, haben herausgefunden, dass vulkanisches Gestein, wenn es zu einer feinen Asche pulverisiert wird, als nachhaltiger Zusatzstoff in Betonkonstruktionen verwendet werden kann.


In einem Papieronline veröffentlichtin demZeitschrift für sauberere Produktion, berichten die Forscher, dass sie durch den Ersatz eines bestimmten Prozentsatzes des traditionellen Zements durch Vulkanasche die Betonstruktur reduzieren könnenverkörperte Energie, oder die Gesamtenergie, die zur Herstellung von Beton verwendet wird. Nach ihren Berechnungen benötigt der Bau eines Pilotquartiers mit 26 Betongebäuden aus 50 Prozent Vulkanasche 16 Prozent weniger Energie als für die Herstellung der gleichen Gebäude vollständig aus traditionellenPortland-Zement.

Beim Mahlen von Vulkanasche auf immer kleinere Partikelgrößen stellten die Forscher fest, dass eine Mischung aus dem feineren Pulver und Portlandzement stärkere Betonstrukturen erzeugte als solche, die nur aus Zement hergestellt wurden. Das Mahlen von Vulkanasche zu solch feinen Partikeln erfordert jedoch Energie, was wiederum die verkörperte Energie der resultierenden Struktur erhöht. Es gibt also einen Kompromiss zwischen der Festigkeit einer Betonstruktur und ihrer verkörperten Energie, wenn Vulkanasche verwendet wird.

Auf der Grundlage von Experimenten mit verschiedenen Beton- und Vulkanaschemischungen und Berechnungen der Körperenergie der resultierenden Struktur haben die Forscher den Zusammenhang zwischen Festigkeit und Körperenergie kartiert. Sie sagen, dass Ingenieure diese Beziehung als eine Art Blaupause verwenden können, um beispielsweise den Prozentsatz des Zements auszuwählen, den sie durch Vulkanasche ersetzen möchten, um eine bestimmte Struktur herzustellen.

Oral Buyukozturk ist Professor am Department of Civil and Environmental Engineering (CEE) des MIT und Autor des Artikels. Büyükoztürk sagte:




Sie können dies anpassen. Wenn es zum Beispiel für eine Verkehrssperre ist, wo Sie möglicherweise nicht so viel Kraft benötigen wie beispielsweise für ein Hochhaus. Sie könnten diese Dinge also mit viel weniger Energie produzieren. Das ist enorm, wenn man bedenkt, wie viel Beton weltweit verwendet wird.

Buyukozturk wird von einem interdisziplinären Forscherteam begleitet, darunter der Forscher Kunal Kupwade-Patil und die Studentin Stephanie Chin von CEE, die ehemalige Doktorandin Catherine De Wolf und Professor John Ochsendorf vom Department of Architecture des MIT, Ali Hajiah vom Kuwait Institute for Wissenschaftliche Forschung und Adil Al-Mumin von der Universität Kuwait.

Ein natürlicher Zusatz

Beton ist nach Wasser das am häufigsten verwendete Material der Welt. Bei der Herstellung von Beton werden zunächst Gesteine ​​wie Kalkstein aus Steinbrüchen gesprengt und dann zu Mühlen transportiert, wo sie weiter zerkleinert und unter hoher Temperatur durch verschiedene Prozesse behandelt werden, die zur Herstellung von Zement führen.


Solche energieintensiven Prozesse verursachen einen erheblichen ökologischen Fußabdruck; Die Herstellung von traditionellem Portlandzement verursacht etwa 5 Prozent der weltweiten Kohlendioxidemissionen. Um diese Emissionen zu reduzieren, haben Buyukozturk und andere nach nachhaltigen Zusatzstoffen und Alternativen zu Zement gesucht.

Vulkanasche hat als Zusatzstoff bei der Herstellung von Beton mehrere nachhaltige Vorteile: Das Gesteinsmaterial, das rund um aktive und inaktive Vulkane auf der ganzen Welt reichlich vorhanden ist, ist natürlich verfügbar; es wird normalerweise als Abfallmaterial betrachtet, da die Menschen es normalerweise nicht für einen weit verbreiteten Zweck verwenden; Einige Vulkanaschen haben intrinsische, „puzzolische“ Eigenschaften, was bedeutet, dass sich die Asche in Pulverform mit einer reduzierten Zementmenge auf natürliche Weise mit Wasser und anderen Materialien zu zementähnlichen Pasten binden kann.

Stephanie Chin leitete mit Kupwade-Patil einen Großteil der experimentellen Arbeit der Gruppe als Studentin im Undergraduate Research Opportunities Program (UROP) bei Buyukozturk. Sie sagte:

Die Zementherstellung erfordert aufgrund der hohen Temperaturen viel Energie und ist ein mehrstufiger Prozess. Das ist die Hauptmotivation für den Versuch, eine Alternative zu finden. Vulkanasche bildet sich unter hoher Hitze und hohem Druck, und die Natur übernimmt alle diese chemischen Reaktionen für uns.


Das Team untersuchte zunächst, wie viel Energie erforderlich wäre, um Beton aus einer Mischung aus Zement und Vulkanasche herzustellen, im Gegensatz zu Zement allein. Dazu konsultierten die Forscher mehrere Datenbanken, in denen andere die graue Energie berechnet hatten, die mit verschiedenen industriellen Prozessen verbunden ist, etwa die Energie, die zum Zerkleinern von Gestein oder zum Aushärten von Zement benötigt wird. Die Forscher wählten die Datenbanken aus, um die einzelnen Prozesse zusammenzustellen, die mit der Herstellung von traditionellem Zement und Zement mit 10 bis 50 Prozent Vulkanasche verbunden sind.

Anschließend gingen sie ins Labor, wo sie kleine Betonproben mit unterschiedlichen Anteilen an Vulkanasche sowie nur aus Portlandzement hergestellte Proben herstellten. Chin und ihre Kollegen unterziehen jede Probe Standard-Festigkeitstests, beispielsweise dem Zusammendrücken der Strukturen, bis sie zu knacken beginnen. Dann haben sie die Stärke jeder Probe mit ihrer berechneten verkörperten Energie verglichen.

Nach ihren Ergebnissen kann der Ersatz von 50 Prozent des herkömmlichen Zements durch Vulkanasche mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 17 Mikrometern die graue Energie von Beton um 16 Prozent senken. Bei dieser Partikelgröße kann Vulkanasche jedoch die Gesamtfestigkeit des Betons beeinträchtigen. Das Zermahlen der Asche auf eine Partikelgröße von etwa 6 Mikrometern erhöht die Festigkeit des Betons erheblich, da kleinere Partikel mehr Oberfläche bieten, mit der sich Wasser und Zement chemisch binden können.

Städte aus Asche

Das Team extrapolierte seine Ergebnisse, um zu sehen, wie sich Strukturen, die teilweise aus Vulkanasche bestehen, auf die verkörperte Energie von Beton im Maßstab ganzer Gebäude und Nachbarschaften auswirken.

Die Forscher konzentrierten sich auf ein Viertel in Kuwait mit 13 Wohn- und 13 Geschäftsgebäuden, die alle aus traditionellem Portlandzement gebaut wurden, der hauptsächlich aus Europa importiert wurde. Mit Hilfe ihrer Mitarbeiter in Kuwait flogen sie eine Drohne über die Nachbarschaft, um Bilder und Messungen zu sammeln. Sie konsultierten auch die lokalen Behörden, die ihnen zusätzliche Informationen zu jedem Gebäudesystem zur Verfügung stellten.

Mit all diesen Informationen berechnete das Team die vorhandene graue Energie des Viertels und berechnete dann, wie sich diese körperliche Energie verändern würde, wenn Gebäude mit Beton gebaut würden, der aus verschiedenen Prozentsätzen von Vulkanasche besteht, die im Nahen Osten reichlich vorhanden ist.

Wie bei ihren Experimenten im Labor fanden sie heraus, dass die Infrastruktur eines Viertels mit deutlich weniger Energie gebaut werden kann, wenn dieselben Gebäude mit Beton gebaut werden, der aus einer Zementmischung besteht, die zu 30 Prozent aus Vulkanasche besteht. Büyükoztürk sagte:

Wir haben herausgefunden, dass Beton mit natürlichen Zusätzen mit gewünschten Eigenschaften und reduzierter grauer Energie hergestellt werden kann, was zu erheblichen Energieeinsparungen beim Bau eines Viertels oder einer Stadt führen kann.

Fazit: Ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren hat herausgefunden, dass Vulkanasche als nachhaltiger Zusatzstoff in Betonkonstruktionen verwendet werden kann.