Kota masa depan yang dibangun dengan abu vulkanik?

Gambar melaluiDENGAN.


Oleh Jennifer Chu/MIT

Insinyur MIT yang bekerja dengan para ilmuwan di Kuwait telah menemukan bahwa batuan vulkanik, ketika dihaluskan menjadi abu halus, dapat digunakan sebagai aditif berkelanjutan dalam struktur beton.


Dalam sebuah kertasditerbitkan secara onlinedalamJurnal Produksi Bersih, para peneliti melaporkan bahwa, dengan mengganti persentase tertentu dari semen tradisional dengan abu vulkanik, mereka dapat mengurangi struktur betonenergi yang terkandung, atau total energi yang digunakan untuk membuat beton. Menurut perhitungan mereka, dibutuhkan energi 16 persen lebih sedikit untuk membangun lingkungan percontohan dengan 26 bangunan beton yang terbuat dari abu vulkanik 50 persen, dibandingkan dengan energi yang dibutuhkan untuk membuat struktur yang sama seluruhnya dari bangunan tradisional.semen portland.

Ketika mereka menggiling abu vulkanik menjadi ukuran partikel yang semakin kecil, para peneliti menemukan bahwa campuran bubuk yang lebih halus dan semen Portland menghasilkan struktur beton yang lebih kuat, dibandingkan dengan yang terbuat dari semen saja. Namun, proses penggilingan abu vulkanik menjadi partikel halus membutuhkan energi, yang pada gilirannya meningkatkan energi yang terkandung dalam struktur yang dihasilkan. Jadi, ada tradeoff antara kekuatan struktur beton dan energi yang terkandung di dalamnya, ketika abu vulkanik digunakan.

Berdasarkan percobaan dengan berbagai campuran beton dan abu vulkanik, dan perhitungan energi yang terkandung dalam struktur yang dihasilkan, para peneliti telah memetakan hubungan antara kekuatan dan energi yang terkandung. Mereka mengatakan para insinyur dapat menggunakan hubungan ini sebagai semacam cetak biru untuk membantu mereka memilih, misalnya, persentase semen yang ingin mereka ganti dengan abu vulkanik untuk menghasilkan struktur tertentu.

Oral Buyukozturk adalah profesor di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan (CEE) MIT dan penulis makalah. Buyukozturk berkata:




Anda dapat menyesuaikan ini. Jika untuk blok lalu lintas, misalnya, di mana Anda mungkin tidak membutuhkan kekuatan sebanyak, katakanlah, untuk gedung bertingkat. Jadi Anda bisa menghasilkan barang-barang itu dengan energi yang jauh lebih sedikit. Itu sangat besar jika Anda memikirkan jumlah beton yang digunakan di seluruh dunia.

Buyukozturk bergabung di atas kertas oleh tim peneliti interdisipliner, termasuk ilmuwan peneliti Kunal Kupwade-Patil dan sarjana Stephanie Chin dari CEE, mantan mahasiswa doktoral Catherine De Wolf dan Profesor John Ochsendorf dari Departemen Arsitektur MIT, Ali Hajiah dari Institut Kuwait untuk Riset Ilmiah, dan Adil Al-Mumin dari Kuwait University.

Aditif alami

Beton adalah bahan yang paling banyak digunakan di dunia, kedua setelah air. Pembuatan beton melibatkan peledakan batu pertama seperti batu kapur dari tambang, kemudian mengangkut batu ke pabrik, di mana mereka dihancurkan lebih lanjut dan diperlakukan di bawah suhu tinggi melalui berbagai proses yang menghasilkan produksi semen.


Proses intensif energi semacam itu menciptakan jejak lingkungan yang signifikan; produksi semen Portland tradisional menyumbang sekitar 5 persen dari emisi karbon dioksida dunia. Untuk mengurangi emisi ini, Buyukozturk dan lain-lain telah mencari aditif berkelanjutan dan alternatif untuk semen.

Abu vulkanik memiliki beberapa keunggulan berkelanjutan sebagai aditif dalam pembuatan beton: Bahan berbatu, yang terletak pada pasokan yang cukup di sekitar gunung berapi aktif dan tidak aktif di seluruh dunia, tersedia secara alami; itu biasanya dianggap sebagai bahan limbah, karena orang biasanya tidak menggunakannya untuk tujuan yang meluas; beberapa abu vulkanik memiliki sifat intrinsik, “pozzolonik”, yang berarti bahwa, dalam bentuk bubuk, abu dengan jumlah semen yang dikurangi secara alami dapat mengikat air dan bahan lain untuk membentuk pasta seperti semen.

Stephanie Chin, dengan Kupwade-Patil, memimpin sebagian besar pekerjaan eksperimental kelompok sebagai mahasiswa di Program Peluang Penelitian Sarjana (UROP) dengan Buyukozturk. Dia berkata:

Produksi semen membutuhkan banyak energi karena melibatkan suhu tinggi, dan ini merupakan proses multitahap. Itulah motivasi utama untuk mencoba mencari alternatif. Abu vulkanik terbentuk di bawah panas tinggi dan tekanan tinggi, dan alam melakukan semua reaksi kimia itu untuk kita.


Tim pertama-tama melihat berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk membuat beton dari campuran semen dan abu vulkanik, dibandingkan semen saja. Untuk melakukan ini, para peneliti berkonsultasi dengan beberapa database di mana orang lain telah menghitung energi yang terkandung yang terkait dengan berbagai proses industri, seperti energi yang digunakan untuk menghancurkan batu atau menyembuhkan semen. Para peneliti memilih melalui database untuk merakit proses individu yang terkait dengan memproduksi semen tradisional dan semen yang mengandung 10 sampai 50 persen abu vulkanik.

Mereka kemudian pergi ke laboratorium, di mana mereka membuat sampel kecil beton dengan berbagai persentase abu vulkanik, serta sampel yang hanya terbuat dari semen Portland. Chin dan rekan-rekannya melakukan uji kekuatan standar pada setiap sampel, seperti mengompresi struktur sampai mulai retak. Kemudian mereka memetakan kekuatan masing-masing sampel terhadap energi yang terkandung yang dihitung.

Menurut hasil mereka, mengganti 50 persen semen tradisional dengan abu vulkanik dengan ukuran partikel rata-rata 17 mikrometer dapat menurunkan energi beton sebesar 16 persen. Namun, pada ukuran partikel ini, abu vulkanik dapat membahayakan kekuatan beton secara keseluruhan. Menggiling abu hingga ukuran partikel sekitar 6 mikrometer secara signifikan meningkatkan kekuatan beton, karena partikel yang lebih kecil memberikan lebih banyak area permukaan yang dapat mengikat air dan semen secara kimia.

kota abu

Tim mengekstrapolasi hasilnya untuk melihat bagaimana struktur yang dibuat sebagian dengan abu vulkanik akan memengaruhi energi yang terkandung dalam beton pada skala seluruh bangunan dan lingkungan.

Para peneliti berfokus pada lingkungan di Kuwait dengan 13 perumahan dan 13 bangunan komersial, semuanya dibuat dengan semen Portland tradisional, sebagian besar diimpor dari Eropa. Dengan bantuan kolaborator mereka di Kuwait, mereka menerbangkan drone di atas lingkungan untuk mengumpulkan gambar dan pengukuran. Mereka juga berkonsultasi dengan pihak berwenang setempat, yang memberi mereka informasi tambahan tentang setiap sistem bangunan.

Dengan menggunakan semua informasi ini, tim menghitung energi yang terkandung di lingkungan yang ada, dan kemudian menghitung bagaimana energi yang terkandung itu akan berubah jika bangunan dibuat dengan beton yang terdiri dari berbagai persentase abu vulkanik, yang cukup banyak tersedia di Timur Tengah.

Seperti percobaan mereka di laboratorium, mereka menemukan bahwa infrastruktur lingkungan dapat dibuat dengan energi yang jauh lebih sedikit jika bangunan yang sama dibangun dengan beton yang terbuat dari campuran semen yang terdiri dari 30 persen abu vulkanik. Buyukozturk berkata:

Apa yang kami temukan adalah bahwa beton dapat diproduksi dengan aditif alami dengan sifat yang diinginkan, dan mengurangi energi yang terkandung, yang dapat diterjemahkan ke dalam penghematan energi yang signifikan saat Anda membuat lingkungan atau kota.

Intinya: Sebuah tim ilmuwan dan insinyur telah menemukan bahwa abu vulkanik dapat digunakan sebagai aditif berkelanjutan dalam struktur beton.