科学家正在用自愈混凝土和生物水泥为我们打造低碳未来

除了水，混凝土是地球上使用最广泛的物质。从住房、工业到海防和基础设施，毫不夸张地说混凝土和水泥是生活的基石。


不幸的是，建筑业对环境也有很大的影响。根据一份报告，仅水泥生产就产生了高达8%的全球碳排放，高于航空业(2.5%)，尽管低于农业部门(12%)。


创新思维需要使建筑材料更可持续，同时保持它们的价格合理和用途多样。一些业内人士正在使用新技术使混凝土变得超级耐用，而另一些人则转向生物学来制造可持续的生物水泥。


意大利米兰理工大学结构分析与设计教授Liberato Ferrara表示，新型可持续混凝土是为其他可持续基础设施(如风电场)提供基础的关键。


他说“如果我们考虑到我们现在对能源转型的所有需求，我想说，没有混凝土我们就无法做到这一点。”



惩罚设置


他领导了一个名为ReSHEALience的项目，该项目旨在开发超高耐久性混凝土(UHDC)。这种混凝土能够承受极端的条件，在海洋环境和地热能发电厂等恶劣环境中使用时能够自我修复。


对于混凝土结构来说，这些环境是最具挑战性的。


量身定制的配方赋予了这些混凝土混合物强度和耐久性，包括晶体添加剂、氧化铝纳米纤维和纤维素纳米晶体等成分。


混凝土在使用期间不可避免地会出现裂缝，但结晶混合物的一个特点是它们能促进自愈。通过与水和混凝土中的成分反应，它们形成了针状的晶体，长大后填补裂缝。混合在其中的纳米纤维增加了材料的机械强度，有助于增强其韧性，使其能够承受极端条件。


在贻贝养殖中，UHDC已被测试为传统木筏的耐用替代品，并在沿海地区制造部分浮动风力涡轮机平台。它还在地热发电厂的恶劣条件下进行了测试，在那里，它的性能比传统的建造方法有所提高。


它在马耳他一座旧水塔的修复中使用，展示了混凝土在遗产建筑维护方面的潜力。


可持续材料


费拉拉教授表示“这些试点项目在各个方面都符合预期。我们成功地证明了UHDC本质上是一种可持续的材料。它允许使用更少的材料来建造相同的结构，所以最终环境足迹和经济平衡更好。”


这种材料既减少了所需材料的数量，又延长了使用寿命，从而大幅削减了资源的使用。费拉拉教授预测，这种材料在需要大量维护之前，可能可以使用长达50年。


它可以在许多不同的地方生产，使用当地的材料进行许多不同的应用。此外，碾碎的UHDC有望作为再生成分生产出与原混凝土具有相同机械性能和耐久性的新混凝土。


费拉拉教授补充说，实现可持续发展目标的日益紧迫要求以“整体”的新方式看待建筑。


他说这是关于为混凝土结构传播一种新的思维方式，考虑到整个价值链和计划结构的使用寿命。你必须考虑到结构设计、材料采购、材料的耐久性和使用周期。如果你不这样想，你的信息就永远是片面的，创新就无法突破。



生物水泥


在其他地方，研究人员正在寻找建筑领域截然不同的创新方式，利用生物有机体的自然过程。


对于铁路公司来说，铁路路基上的土壤长期沉降会造成严重的问题，增加维护成本和乘客延误。


通常采用机械方法固定地面材料或化学稳定剂作为解决方案。然而，这些措施可能会造成破坏，成本高昂，对环境产生副作用，并产生碳排放。


因此，NOBILIS项目正在让细菌来完成这项工作，将地面视为一个有生命的有机体，而不是一个由推土机移动的不名一文的物体。


他们的想法是，通过“生物胶结”过程创造出更强的土壤，可以减少对土方工程和混凝土等材料的需求。


细菌含量


在生物胶结过程中，细菌的生长和代谢活动是通过提供营养物质和所谓的胶结剂来刺激的。细菌产生的酶催化反应，最终形成碳酸钙等物质，将土壤颗粒结合在一起。


该技术已被公认为在颗粒较大的土壤中具有潜力，如沙质土壤，包括形成海滩岩石，以防止海岸侵蚀，以及在土木或环境工程中的其他应用。


然而，更大的挑战出现在细粒土壤，如粘土和泥炭，由于细菌、水和其他物质的移动更有限。NOBILIS并未气馁，正在寻求在更广泛的土壤上使用生物胶结的方法。


最近在英国东安格利亚的研究证明了生物胶结泥炭土壤的可能性。伦敦南岸大学(lbu)岩土研究人员和项目负责人Maria Mavroulidou教授表示，NOBILIS项目旨在通过实地试验扩大这项工作的规模。



思考模式的转移


马夫鲁里杜教授说，这种受生物学启发的方法需要新的思维方式和对陌生技术的信心。


她告诉一位实习的土木工程师，你要用细菌来加固地面，会让人吃惊。因为这是该行业的一种范式转变。


同样来自LSBU的环境工程研究员威尔逊·姆万迪拉(Wilson Mwandira)说，NOBILIS正在研究在生物胶结发生时将二氧化碳锁在土壤中的技术，同时也在研究在这一过程中使用更多本地细菌的可能性。


使用土壤中已经存在的细菌可以避免对环境中已经存在的生物产生负面影响。如果你把新的细菌带入一个群落，就会破坏这个系统。


人们希望这种生物胶结技术将更广泛地应用于一般的建筑工作。我们还试图将这项技术推广到建筑和土木工程建筑地基中的其他岩土材料，所有的建筑都需要某种形式的地面改善。


他认为，这项技术可能需要数年的时间才能以更常规的方式使用，但探索这种创新方法来解决建设中的长期挑战是至关重要的。以二氧化碳形式排放的温室气体中，有很大一部分来自建筑业。因此，我们需要摒弃传统工艺。