研究发现，将人类粪便制成的生物炭按比例替代水泥，不仅能减少碳排放，还能使混凝土抗折强度提升42%。
混凝土是现代建筑的基石，几乎所有工程项目都离不开它 。然而，生产混凝土的核心原料水泥，对环境并不友好 。高温加热和加工石灰石制备水泥的过程，是全球二氧化碳排放的主要来源之一 。为了减缓这一问题，研究人员一直在寻找合适的替代材料 。
近期的一项研究提出了一种巧妙的解决方案，既能减少水泥用量，又能解决排泄物处理难题 。研究人员利用污水处理厂加工的粪便生物炭，按不同比例替换传统混凝土中的水泥，结果发现这种新材料不仅可行，还能显著提升混凝土的性能 。
纤维黏性生物炭在表面(左)及研磨后用于混凝土
每个人每天产生的排泄物数量有限，大约为400克，但全球数十亿人口每天产生的粪便总量却十分惊人 。在某些地区，专门的粪便污泥处理厂通过无氧加热的热解技术，将干燥后的污泥转化为生物炭 。具体的制作过程是将污泥在350至450摄氏度的低氧环境中加热，再研磨筛分成细粉 。
研究团队将这种粪便生物炭粉末分别以5%、10%和15%的比例替代传统混凝土中的水泥，并进行了多项性能测试 。实验结果令人惊喜，适量的粪便生物炭让混凝土变得更加坚固 。
总体来看，当生物炭替代比例为5%时，混凝土综合性能最佳 。而在养护91天后，替换10%水泥的混凝土表现出了惊人的强度增幅，其抗压强度提高了21%，抗折强度更是大幅提升了42% 。同时，加入5%生物炭的混凝土吸水率和孔隙率更低，干燥收缩率也明显低于普通混凝土 。
制备并测试生物炭混凝土的抗压强度
为什么加入粪便生物炭会让混凝土变得更强 ？原因在于多个物理和化学机制的协同作用 。首先，粪便生物炭具有高度多孔结构，内部微孔可以在混凝土养护过程中储存水分并缓慢释放 。这些微孔就像微型内部水库，持续为水泥硬化所需的化学反应提供水分 。
其次，生物炭富含二氧化硅，能够与水泥养护过程中生成的化合物发生反应，形成更多赋予混凝土强度的水化硅酸钙 。这种化学反应与古罗马混凝土利用火山灰提高强度的原理十分相似 。此外，细小的生物炭颗粒还能填补混凝土内部的微细缝隙，使整体结构更加紧密 。显微镜观察显示，含有5%生物炭的混凝土内部结构比传统混凝土更致密 。
不过，生物炭的添加量并非越多越好 。当替代比例达到15%时，混凝土内部出现了较多孔隙和微裂纹，整体强度开始下滑 。
尽管这项技术展现出广阔的前景，但在真正投入商业应用之前，还需要进一步测试材料在冻融循环、高盐度以及极端温度等真实环境下的长期耐久性，并评估重金属残留的安全性 。无论如何，利用源源不断的人类废弃物替代部分水泥，为建筑行业的绿色转型提供了一条极具潜力的可行路径 。
原文：https://www.sciencealert.com/scientists-are-making-concrete-with-human-poop-and-it-gets-42-stronger