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印、美联合团队研究称"混凝土中掺入人粪,抗折强度提高 42%",如何理解该研究的理论和现实意义?

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据 ScienceAlert 等海外科技媒体 9 月 28 日报道,印美联合团队在《科学报告》发布研究:在水泥中掺入 “人粪” 制成的混凝土,比普通混凝土强度更高,引发关注。此外,其生产过程还能减少二氧化碳等温室气体排放,因而更具环保优势。

材料学界对屎这个东西,多少是有点执念的。

2018年就有研究人员把牛粪烧成灰,拿来替代一部分水泥。[1]到了2023年,又有团队从牛粪里提取没有被消化掉的植物纤维,处理以后掺进砂浆,结果发现还能改善材料性能。[2]



所以材料学研究有时候就是这么朴实,只要一种废物里还有能用的纤维、矿物质或者碳,研究人员是真的敢往水泥里掺。



然后现在,他们终于对人粪下手了。

今年9月,印度和美国研究团队在《Scientific Reports》发表了一项研究,把人类粪便污泥制成的生物炭用来替代部分水泥。

结果还挺离谱。

在10%的替代比例下,混凝土养护91天以后,抗压强度相比普通混凝土提高了约21%,抗折强度提高了约42%。[3]

新闻里那个最吸引眼球的42%,就是这么来的。

不过研究人员当然不是把刚拉出来的人粪直接倒进混凝土搅拌机,他们用的是经过脱水、干燥,再高温缺氧热解以后得到的粪便污泥生物炭。



到这一步,它其实已经不太像我们平时理解的屎了,而是一种黑色、多孔、富含碳和无机矿物的粉末。

那问题来了:

这种东西为什么反而能让混凝土更结实?

首先是填缝。

水泥和砂石混在一起以后,内部总会留下很多微小孔隙。磨得比较细的生物炭颗粒,可以填进去一部分,让结构更加致密。

其次,生物炭本身是多孔材料,会吸进去一部分水。

等水泥开始硬化以后,这些水又可以慢慢释放出来,让周围的水泥继续进行水化反应。

这在材料学里叫内部养护。

除此之外,粪便污泥生物炭里还含有硅、铝、钙等无机成分,其中一部分活性成分还可能继续参与火山灰反应,形成新的胶凝物质。

所以简单来说,它大概干了三件事:

填孔、储水、再参与一点后续反应。

这也不是第一次发现生物炭能增强水泥材料。2024年一项汇总51篇论文、606组数据的meta分析就发现,在合适的原料、热解温度和加入比例下,生物炭确实可能提高水泥材料强度。[4]

但重点是:

不是加得越多越好。

这篇研究里,5%和10%的效果比较好,到了15%,优势就开始下降。[3]

因为生物炭本身也是多孔材料。少量的时候可以填孔、储水,加得太多,孔隙本身反而会变成缺陷,还会吸走太多水,同时减少真正承担胶凝作用的水泥。



所以最后一定存在一个比较合适的比例。

这也是为什么不同研究结果差别很大。有的生物炭能增强,有的没什么作用,还有的加多了反而会让强度下降。原料、热解温度、颗粒大小和添加比例都很重要。

当然这东西也是要因地制宜,比如对于一个粪便本来就不好处理的国家来说,这个研究还真有点用。

对,说的就是印度。

很多地方产生的粪便需要单独收集、运输和处理,本身就是一个麻烦。

那如果能把它做成生物炭,再拿去替代一部分水泥,就把原本需要花钱处理的废物,现在有机会变成一种建筑材料。

当然这东西离真正拿去盖楼还早。

现在主要证明的是材料性能不错,但实验室养护91天,和建筑物用几十年完全是两回事。

后面还得继续看长期耐久性、重金属浸出、钢筋腐蚀这些问题。

我是感觉够呛,要不这研究也不会发到Scientific Reports是不……

参考

  1. ^Ramachandran D, Vishwakarma V, Viswanathan K. Detailed studies of cow dung ash modified concrete exposed in fresh water. Journal of Building Engineering. 2018;20:173–178.
  2. ^Li K, Yang Z, Yan X, et al. Effect of Modified Cow Dung Fibers on Strength and Autogenous Shrinkage of Alkali-Activated Slag Mortar. Materials. 2023;16(20):6808.
  3. ^abTiwari R, Mehra P, Hussain S, et al. Mechanical, durability, and microstructural performance of biochar-modified concrete using faecal sludge-derived biochar. Scientific Reports. 2026.
  4. ^Zhao Z, El-Naggar A, Kau J, et al. Biochar affects compressive strength of Portland cement composites: a meta-analysis. Biochar. 2024;6:21.

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