混凝土是現代建築的基石，幾乎所有工程項目都離不開它。然而，生產混凝土的核心原料水泥，對環境並不友好。高溫加熱和加工石灰石製備水泥的過程，是全球二氧化碳排放的主要來源之一。為了減緩這一問題，研究人員一直在尋找合適的替代材料。
近期的一項研究提出了一種巧妙的解決方案，既能減少水泥用量，又能解決排泄物處理難題。研究人員利用污水處理廠加工的糞便生物炭，按不同比例替換傳統混凝土中的水泥，結果發現這種新材料不僅可行，還能顯著提升混凝土的性能。
每個人每天產生的排泄物數量有限，大約為400克，但全球數十億人口每天產生的糞便總量卻十分驚人。在某些地區，專門的糞便污泥處理廠通過無氧加熱的熱解技術，將乾燥後的污泥轉化為生物炭。具體的製作過程是將污泥在350至450攝氏度的低氧環境中加熱，再研磨篩分成細粉。
研究團隊將這種糞便生物炭粉末分別以5%、10%和15%的比例替代傳統混凝土中的水泥，並進行了多項性能測試。實驗結果令人驚喜，適量的糞便生物炭讓混凝土變得更加堅固。
總體來看，當生物炭替代比例為5%時，混凝土綜合性能最佳。而在養護91天後，替換10%水泥的混凝土表現出了驚人的強度增幅，其抗壓強度提高了21%，抗折強度更是大幅提升了42%。同時，加入5%生物炭的混凝土吸水率和孔隙率更低，乾燥收縮率也明顯低於普通混凝土。
為什麼加入糞便生物炭會讓混凝土變得更強？原因在於多個物理和化學機制的協同作用。首先，糞便生物炭具有高度多孔結構，內部微孔可以在混凝土養護過程中儲存水分並緩慢釋放。這些微孔就像微型內部水庫，持續為水泥硬化所需的化學反應提供水分。
其次，生物炭富含二氧化矽，能夠與水泥養護過程中生成的化合物發生反應，形成更多賦予混凝土強度的水化矽酸鈣。這種化學反應與古羅馬混凝土利用火山灰提高強度的原理十分相似。此外，細小的生物炭顆粒還能填補混凝土內部的微細縫隙，使整體結構更加緊密。顯微鏡觀察顯示，含有5%生物炭的混凝土內部結構比傳統混凝土更緻密。
不過，生物炭的添加量並非越多越好。當替代比例達到15%時，混凝土內部出現了較多孔隙和微裂紋，整體強度開始下滑。
儘管這項技術展現出廣闊的前景，但在真正投入商業應用之前，還需要進一步測試材料在凍融循環、高鹽度以及極端溫度等真實環境下的長期耐久性，並評估重金屬殘留的安全性。無論如何，利用源源不斷的人類廢棄物替代部分水泥，為建築行業的綠色轉型提供了一條極具潛力的可行路徑。
製備並測試生物炭混凝土的抗壓強度
