用自愈混凝土和生物水泥打造未来

需要创新思维来使建筑材料更具可持续性，同时使其价格实惠且用途广泛。信用：©muratart，Shutterstock

继水之后，混凝土是地球上使用最广泛的物质。从住房和工业到海防和基础设施的应用，混凝土和水泥是生活的基石，从字面上看。

不幸的是，建筑业也对环境产生重大影响。根据一份报告，仅水泥生产就产生了高达8%的全球碳排放量，高于航空业(2.5%)，但低于农业部门(12%)。

需要创新思维来使建筑材料更具可持续性，同时使其价格合理且用途广泛。业内一些人正在使用新技术来制造超耐用的混凝土，而另一些人则转向生物学来制造可持续的生物水泥。

米兰理工大学结构分析与设计教授LiberatoFerrara表示，新型可持续混凝土是为风电场等其他可持续基础设施奠定基础的关键。

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

惩罚设置

他领导了一个名为ReSHEALience的项目，该项目着手开发超高耐久性混凝土(UHDC)。这种混凝土在用于海洋环境和地热能发电厂等恶劣环境中的建筑时能够承受极端条件并自愈。

“这些环境是混凝土结构中最具侵略性的情况之一，”费拉拉教授说。

量身定制的配方使这些混凝土混合物具有强度和耐用性，包括结晶添加剂、氧化铝纳米纤维和纤维素纳米晶体等成分。

混凝土在其使用寿命期间不可避免地会开裂，但结晶混合物的特点之一是它们会刺激自愈。通过与混凝土中的水和成分反应，它们会形成针状晶体，这些晶体会生长以填充裂缝。通过它混合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。

UHDC已被测试为贻贝养殖中传统木筏的耐用替代品，并在沿海地区制造浮动风力涡轮机平台的一部分。它还在地热发电厂的恶劣条件下进行了测试，其性能优于传统的施工方法。

它用于修复马耳他的一座旧水塔，证明了混凝土在维护遗产建筑方面的潜力。

可持续材料

费拉拉教授说：“从各个角度来看，飞行员都符合预期。”“我们成功地证明了UHDC本质上是一种可持续材料。它允许使用更少的材料来建造相同的结构，因此最终环境足迹和经济平衡会更好。”

这种材料一开始就减少了所需材料的数量，而且使用寿命更长，从而大幅削减了资源使用，费拉拉教授预测，在需要大量维护之前，它可能有长达50年的潜力。

它可以使用当地材料在各种不同的地点生产，适用于许多不同的应用。此外，粉碎的UHDC作为一种可回收成分，有望生产出与母体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紧迫性要求以新的方式“全面”看待建筑。

“这是关于传播一种新的混凝土结构思维方式，考虑到计划结构的整个价值链和使用寿命，”他说。“你要考虑结构设计，材料的采购，材料的耐用性和生命周期。如果你不这样想，你总是会有部分信息，创新也不会突破。”

生物水泥

在其他地方，研究人员正在研究建筑领域完全不同的创新方式，利用生物体的自然过程。

对于铁路公司而言，随着时间的推移，铁路下方路基中的土壤沉降会造成严重问题，并增加维护成本和乘客延误。

固定研磨材料或化学稳定剂的机械方法通常用作解决方案。然而，这些可能具有破坏性且成本高昂，具有环境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，将地面视为一个活的有机体，而不是一个由推土机移动的不起眼的物体。

这个想法是，通过称为“生物水泥”的过程产生的更坚固的土壤可以减少对土方工程和混凝土等材料的需求。

细菌培养

在生物胶结过程中，通过为细菌提供营养和所谓的胶结剂来刺激细菌的生长和代谢活动。细菌产生的酶催化最终形成碳酸钙等物质的反应，这些物质将土壤颗粒结合在一起。

该技术已被认为在具有较大颗粒的土壤(例如沙质土壤)中具有潜力，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，由于细菌、水和其他物质的移动受到更多限制，粘土和泥炭等细粒土壤出现了更大的挑战。NOBILIS没有被吓倒，正在寻求探索在更广泛的土壤上使用生物水泥的方法。

最近在英国东安格利亚的工作证明了生物水泥化泥炭土的可能性。伦敦南岸大学(LSBU)的岩土研究员和项目负责人MariaMavroulidou教授说，NOBILIS项目旨在通过实地试验扩大这项工作。

模式转变

Mavroulidou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。

她说：“告诉一名执业的土木工程师你将使用细菌来加固地面，这让人大吃一惊，”她说，因为这是该行业的范式转变。

同样在LSBU的环境工程研究员WilsonMwandira表示，NOBILIS正在研究在生物胶结发生时将二氧化碳锁定在土壤中的技术，并研究在该过程中使用更多本土细菌的潜力。

Mwandira解释说，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。“如果你把新细菌带入一个社区，你就会破坏这个系统，”他说。

希望这种生物水泥技术将更广泛地适用于一般的建筑工作。LSBU的岩土工程师MichaelGunn教授说：“我们还试图将这项技术更广泛地扩展到建筑物和土木工程建筑下的地基中发现的其他岩土材料。”“所有建筑都需要某种形式的地面改良。”

他认为，这些技术可能需要数年时间才能以更常规的方式使用，但必须探索这种创新方法以应对建筑中的长期挑战。

“二氧化碳形式的温室气体排放的很大一部分归结为建筑业，”他说。“所以我们需要摆脱传统流程。”