印美聯合團隊研究稱：混凝土中摻入“大便”，抗折強度提高 42%

據 ScienceAlert 等海外科技媒體近日報道，印度與美國聯合研究團隊在《科學報告》期刊上發表研究成果稱，將人類糞便加工後摻入水泥製成的混凝土，其強度高於普通混凝土，同時生產過程能減少二氧化碳等溫室氣體排放，具備更顯著的環保優勢。

其實，材料學界對糞便類廢棄物的利用一直抱有探索興趣（悲），比如之前的鳥屎石墨烯論文，甚至都有了三百多次引用。

至於混凝土這一塊，早在2018 年，有研究人員將牛糞焚燒成灰，用於替代部分水泥；到了2023 年，又有團隊從牛糞中提取未被消化的植物纖維，經處理後摻入砂漿，發現能改善材料性能。

由於材料學研究往往務實而直接 —— 只要廢棄物中含有可利用的纖維、礦物質或碳元素，研究人員便會嘗試將其摻入水泥中。

所以，如今這一探索終於延伸到了人類糞便領域。

在今年 9 月，印美聯合團隊在《Scientific Reports》發表研究，將人類糞便污泥製成的生物炭用於替代部分水泥。結果令人意外：當替代比例爲 10% 時，混凝土養護 91 天后的抗壓強度比普通混凝土提高約 21%，抗折強度提高約 42%。

不過，研究人員並非直接將新鮮糞便倒入混凝土攪拌機（想想就令人作了），而是先將糞便污泥經過脫水、乾燥，再在高溫缺氧條件下進行熱解處理，最終得到糞便污泥生物炭。

其實說到底，這些新聞都是在玩標題黨，因爲此時的產物已不再是人們日常認知中的糞便，而是一種黑色、多孔、富含碳和無機礦物的粉末，也就是生物炭。

那麼，這種物質爲何反而能讓混凝土更堅固？原因主要有三點：

首先是填充孔隙。水泥與砂石混合後，內部會留下許多微小孔隙，研磨較細的生物炭顆粒可以填充其中，使結構更加緻密。

其次是儲水釋水。生物炭本身是多孔材料，能吸收部分水分；待水泥開始硬化後，這些水分又會緩慢釋放，促進周圍水泥持續進行水化反應。這在材料學中被稱爲 “內部養護”。

此外，糞便污泥生物炭中含有硅、鋁、鈣等無機成分，其中部分活性成分還可能參與火山灰反應，生成新的膠凝物質。

簡而言之，它主要發揮了三個作用：填充孔隙、儲存水分、參與後續反應。

生物炭增強水泥材料並非首次被發現。2024 年一項彙總 51 篇論文、606 組數據的薈萃分析指出，在合適的原料、熱解溫度和添加比例下，生物炭確實可能提高水泥材料的強度。

但關鍵在於：並非添加量越多越好。該研究顯示，5% 和 10% 的添加比例效果較好，當比例達到 15% 時，優勢便開始下降。

這是因爲生物炭本身具有多孔結構。少量添加時可填充孔隙、儲存水分；但添加過多時，孔隙本身反而會成爲結構缺陷，同時會吸走過多水分，並減少真正起膠凝作用的水泥含量。

因此，必然存在一個最優添加比例。這也是不同研究結果差異較大的原因 —— 有的生物炭能增強強度，有的效果不明顯，還有的添加過量反而導致強度下降。原料來源、熱解溫度、顆粒大小和添加比例都會影響最終效果。

當然，這項技術的應用還需因地制宜，因爲很多國家已經建立了完好的排污系統，製造生物炭也並不需要一定用糞便。

但是對於糞便處理本就困難的國家而言，這項研究確實具有實際意義 —— 比如印度，許多地區的糞便需要單獨收集、運輸和處理，這本身就是一個難題。若能將其轉化爲生物炭並用於替代部分水泥，便有望將原本需要投入成本處理的廢棄物，轉變爲有價值的建築材料。

不過，距離真正將其用於建築施工還有很長的路要走。因爲雖然目前研究主要證實了材料性能良好，但實驗室養護 91 天的結果與建築物數十年的使用壽命之間仍有巨大差距。

在後續恐怕仍需進一步研究其長期耐久性、重金屬浸出風險、對鋼筋的腐蝕影響等問題。