【球盟会】印美联合团队研究称：混凝土中掺入“大便”，抗折强度提高 42%

摘要

据 ScienceAlert 等海外科技媒体近日报道，印度与美国联合研究团队在《科学报告》期刊上发表研究成果称，将人类粪便加工后掺入水泥制成的混凝土，其强度高于普通混凝土，同时生产过程能减少二氧化碳等温室气体排放，具备更显著的环保优势。

球盟会官网报道

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据 ScienceAlert 等海外科技媒体近日报道，印度与美国联合研究团队在《科学报告》期刊上发表研究成果称，将人类粪便加工后掺入水泥制成的混凝土，其强度高于普通混凝土，同时生产过程能减少二氧化碳等温室气体排放，具备更显著的环保优势。

其实，材料学界对粪便类废弃物的利用一直抱有探索兴趣（悲），比如之前的鸟屎石墨烯论文，甚至都有了三百多次引用。

至于混凝土这一块，早在2018 年，有研究人员将牛粪焚烧成灰，用于替代部分水泥；到了2023 年，又有团队从牛粪中提取未被消化的植物纤维，经处理后掺入砂浆，发现能改善材料性能。

由于材料学研究往往务实而直接 —— 只要废弃物中含有可利用的纤维、矿物质或碳元素，研究人员便会尝试将其掺入水泥中。

所以，如今这一探索终于延伸到了人类粪便领域。

在今年 9 月，印美联合团队在《Scientific Reports》发表研究，将人类粪便污泥制成的生物炭用于替代部分水泥。结果令人意外：当替代比例为 10% 时，混凝土养护 91 天后的抗压强度比普通混凝土提高约 21%，抗折强度提高约 42%。

不过，研究人员并非直接将新鲜粪便倒入混凝土搅拌机（想想就令人作了），而是先将粪便污泥经过脱水、干燥，再在高温缺氧条件下进行热解处理，最终得到粪便污泥生物炭。

其实说到底，这些新闻都是在玩标题党，因为此时的产物已不再是人们日常认知中的粪便，而是一种黑色、多孔、富含碳和无机矿物的粉末，也就是生物炭。

那么，这种物质为何反而能让混凝土更坚固？原因主要有三点：

首先是填充孔隙。水泥与砂石混合后，内部会留下许多微小孔隙，研磨较细的生物炭颗粒可以填充其中，使结构更加致密。

其次是储水释水。生物炭本身是多孔材料，能吸收部分水分；待水泥开始硬化后，这些水分又会缓慢释放，促进周围水泥持续进行水化反应。这在材料学中被称为 “内部养护”。

此外，粪便污泥生物炭中含有硅、铝、钙等无机成分，其中部分活性成分还可能参与火山灰反应，生成新的胶凝物质。

简而言之，它主要发挥了三个作用：填充孔隙、储存水分、参与后续反应。

生物炭增强水泥材料并非首次被发现。2024 年一项汇总 51 篇论文、606 组数据的荟萃分析指出，在合适的原料、热解温度和添加比例下，生物炭确实可能提高水泥材料的强度。

但关键在于：并非添加量越多越好。该研究显示，5% 和 10% 的添加比例效果较好，当比例达到 15% 时，优势便开始下降。

这是因为生物炭本身具有多孔结构。少量添加时可填充孔隙、储存水分；但添加过多时，孔隙本身反而会成为结构缺陷，同时会吸走过多水分，并减少真正起胶凝作用的水泥含量。

因此，必然存在一个最优添加比例。这也是不同研究结果差异较大的原因 —— 有的生物炭能增强强度，有的效果不明显，还有的添加过量反而导致强度下降。原料来源、热解温度、颗粒大小和添加比例都会影响最终效果。

当然，这项技术的应用还需因地制宜，因为很多国家已经建立了完好的排污系统，制造生物炭也并不需要一定用粪便。

但是对于粪便处理本就困难的国家而言，这项研究确实具有实际意义 —— 比如印度，许多地区的粪便需要单独收集、运输和处理，这本身就是一个难题。若能将其转化为生物炭并用于替代部分水泥，便有望将原本需要投入成本处理的废弃物，转变为有价值的建筑材料。

不过，距离真正将其用于建筑施工还有很长的路要走。因为虽然目前研究主要证实了材料性能良好，但实验室养护 91 天的结果与建筑物数十年的使用寿命之间仍有巨大差距。

在后续恐怕仍需进一步研究其长期耐久性、重金属浸出风险、对钢筋的腐蚀影响等问题。