东大开发了用无水泥、催化剂将沙子连接起来的建材

Wsz6868 2021-04-21

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东大开发了用无水泥、催化剂将沙子连接起来的建材

东京大学发表说，不使用水泥和树脂等粘接成分，用催化剂将沙子直接连接起来开发建材。可以使用常见的砂、砂砾等以二氧化硅( SiO2)为主要成分的材料。据悉，如果实用化，除了解决混凝土原料不足的问题之外，因为可以在低温下进行，所以也能抑制制造时的能源消耗。

原料沙子和做出来的建材。硅砂和沙漠砂(东京大学酒井雄也研究室提供)

作为建材等广泛普及的混凝土一般是在砂和砂砾中加入起到“连接”作用的水泥和水制造的。但是，作为合适尺寸的砂石、水泥主要原料的优质石灰石的不足成为世界范围内的课题，长期以来对建筑和土木工程的影响令人担忧。另外在水泥的制造中会产生很多二氧化碳( CO2 )。人们正在寻求能够使用不枯竭的原料、以少的能源进行制造的建材。在这种情况下，东京大学生产技术研究所的酒井雄也副教授(混凝土工学)研究新一代建材开发。向酒精中溶解有催化剂氢氧化钾( KOH )的液体中加入沙子，在密闭容器内加热到240度。之后通过冷却至室温，成功地制作出了人工坚硬的石头。这是不使用水泥之类的连接，通过加热暂时切断砂的化学键，通过冷却使砂与其他键结合的结构。由硅砂、玻璃、沙漠砂、模拟月球砂等以SiO2为主要成分的材料制造出坚硬的石头。

水泥生产工序需要1450度这样的高温。另外，即使是溶解并粘在沙子本身上的方法也需要1000度以上，会耗费很大的能量。与此相反，该技术成功实现了大幅度的低温化。制造后剩下的酒精和催化剂可以重复使用。与混凝土相比耐久性高，但强度目前只有混凝土的一半左右。不过据说今后通过催化剂的种类和量、沙粒的大小、加热时间和温度等方面的改进，可以提高强度。以进一步降低加热温度为目标继续进行研究。 SiO2除了是很多沙子和碎石的主要成分外，还包含在废玻璃等中。据悉，如果使用该技术，也可以利用球状小沙漠的沙子等以往不能作为混凝土材料使用的沙子和碎石，避免资源枯竭。据说也是月球和火星的砂的主要成分，将来也可以考虑用这种方法在当地采购建材，用于天体表面的基地建设。酒井副教授表示:“这有助于消除世界范围内建材原料不足的问题，可以抑制能源消耗，减少二氧化碳的排放。这是一种对宇宙开发也能起到巨大贡献的技术”。成果由东京大学于14日发表。该大学生产技术研究所研究速报杂志《生产研究》将于5月1日刊登。

使用玻璃珠的情况。下面的显微镜照片中间隙很明显，但是也可以无间隙地粘在一起(东京大学酒井雄也研究室提供)

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【记者发表】成功制造出无粘结材料，将砂直接粘结在一起的建设材料~也期待应用于月球表面等地球外的建设~ ○演讲者: 酒井雄也(东京大学生产技术研究所副教授) ○发表要点: ◆开发了不使用水泥和树脂等粘接成分，使用催化剂将砂直接粘接的技术 ◆砂、砂砾、玻璃等，如果是以SiO2为主要成分的材料的话，可以作为原料，例如也可以由沙漠的砂、月面的砂来制造 ◆目前的制造温度为240℃左右，与需要1000℃以上的熔融等方法相比，可以大幅降低温度。正在进行进一步降低必要温度的研究，能源消耗的降低、温室气体的排放的抑制备受期待 ○发布概要: 东京大学生产技术研究所的酒井雄也副教授开发了通过使用催化剂将砂直接粘接在一起来制造建设材料的技术。在制造中，基本上只需要将砂、酒精、催化剂混合加热，砂以外的材料已经确认可以再次利用。除了沙子以外，如果是废玻璃等以SiO2为主要成分的材料，也可以粘接。 SiO2以地球上的很多沙子和碎石为主要成分，可以在地球上的任何地方半无限量地采购原料，不用担心枯竭。通过本技术，可以利用至今为止难以利用的沙漠砂等制造建设材料，可以避免资源枯竭。另外，由于SiO2也是月球和火星上砂的主要成分，因此，不仅在地球上，在月球和火星上的建设中的应用也备受期待。本成果将于2021年5月1日(星期六)在东京大学生产技术研究所研究速报杂志《生产研究》( https://www.j stage.jst.go.jp/browse/seisankenkyu/- char/ja/)上发表

○发表内容: <研究背景> 典型的建筑材料混凝土一般是在水泥、沙子和碎石中加水制造的。水泥的制造中产生很多CO2，其量占全世界CO2排放量的8%。另外，上述混凝土原料的不足正在世界范围内进行。例如水泥的主要原料是石灰石，但在被认为在不久的将来会成为世界上最大的水泥生产国的印度，石灰石的质量已经成为问题。另外，近年来，虽然因纪录片和书籍而广为人知，但用于混凝土的砂石和碎石在世界范围内不足，很多国家禁止出口，另一方面，非法挖掘层出不穷。在沙漠占国土98%的沙特阿拉伯，由于砂不足，暂时禁止砂的出口。在沙子看起来很丰富的沙特阿拉伯，禁止沙子出口是因为沙漠的沙子呈球状且很小，很难作为混凝土等建筑材料使用。另外，近年来，月球和火星等的探测变得活跃起来，为了将来的定居，在地球外的建设也带有现实意义。作为基地的材料，最好能够在当地采购，但是例如在使用月面砂的建设材料的制造中，需要通过超过1000℃的热量进行烧制和熔融，因此，能量的确保和温度管理并不容易。基于以上背景，人们正在寻求一种原料不偏不倚，可以在地球上的任何地方(尽可能在月球表面和火星上)获得，使用不用担心枯竭的原料，可以低能耗制造的建设材料。 <研究内容> 东京大学生产技术研究所的酒井雄也副教授开发了将砂、酒精和催化剂放入密闭容器中加热冷却，切断砂的化学键，进行再生，从而制造固化体的技术。硅砂(图1 )、砂岩、玻璃(图2 )、沙漠砂(图3 )、月球模拟砂(图4、模拟砂由inichireki株式会社提供)等以SiO2为主要成分的材料，可以利用本技术制造固化体。制造后产生的由酒精、催化剂组成的废液可以反复利用。 <研究的意义和展望> 地壳被以SiO2为主要成分的砂石和砂砾所复盖，因此通过活用本技术，期待着能够不浪费以前不能活用的砂石和砂砾，作为建设材料使用。原料枯竭也不会半永久性地发生。由于月球和火星的表面也是由以SiO2为主要成分的矿物构成的，因此在月球表面和火星上的基地建设方面也有望得到应用。另外，混凝土由于水泥硬化体的存在，溶解和干湿引起的体积变化很明显，但本技术是将砂和砂砾直接粘接在一起的技术，因此与混凝土相比，有望具有飞跃性的高耐久性。地下数百~数千米用于保管放射性核废弃物的混凝土，要求具有数万年、数十万年的耐久性，但如果使用本技术，则可以期待达到接近以硅为主体的岩石的耐久性。另外，与熔融法需要1000℃以上的温度相比，本方法所需的温度最大也只有240℃，因此有望大幅削减能源消耗和随之而来的CO2。 ○咨询方式: 东京大学生产技术研究所副教授酒井雄也传真: 03-5452-6410 E-mail:ysakai (请在末尾加上@iis.u-tokyo.ac.jp ) 研究室: https://r.goope.JP/y sakai

○添付資料：