未来的几十年里,世界将经历历史上最大的住房热潮。在英国,由缺乏经济适用房和房屋质量问题引起的住房危机是一个反复出现的新闻事件。然而,与世界大部分地区面临的住房危机相比,这些问题显得格外苍白。

香港是世界上最难买房的城市。

Image: Wendell Cox 和 Hugh Pavletich

联合国预计,到2050年,全球人口将会增加20亿,而大多数的增长会出现在非洲和亚洲的发展中国家。这些地区将会在未来的几十年里新建设几百上千万套房屋。同时,另外一个问题也日益凸显:我们需要减少60%的全球温室气体的排放,以保证全球平均气温上涨不超过2摄氏度。

许多的现代房屋是由两种材料建造的:烧砖和水泥。由于它们的强度、使用寿命和使用便捷度,因此受到广泛的欢迎。它们最大的缺点在于对环境的影响,它们的生产过程中产生的碳排放量很大。

这两种材料都需要高温条件来发生化学变化,从而实现强度。烧砖的制造需要超过1000摄氏度的高温,水泥的制造需要1450摄氏度以上的高温。仅水泥制造一项便占全球温室气体排放量的5-10%。对于温室气体排放缩减规模的需求以及所需的房屋建造的数量的大幅增加,很明显我们需要新型的建筑材料。但由于泥砖缺乏稳定剂,因此以泥土建设的房屋最终会遭到侵蚀和坍塌。

高强度、价格适中、可持续

这些建筑材料较之水泥和砖必须要存在比较优势:对环境的影响要低,价格要在承受范围以内,并且要在那些房屋建设势头猛烈的发展中国家有着社会性需求。

替代烧砖和水泥的不会是某一种材料。相反,这应当是一系列新型建筑材料和建设科技,每一种都能够与不同的地区的本土资源、气候和文化相契合。我们一直在研究的一种在未来有前途的候选材料是地质聚合物稳定土壤材料(GSSM)。

地聚合物是一种类似于水泥的坚硬耐用的物质,由铝、硅、碱金属和氧原子链组合而成。地聚合物基材料是一种年轻的人造材料,由1940年首次推出。它们可以由多种方式、使用不同的初始原料制作,但是目前为止多用工业废料制成,比如煤发电站的灰烬。

一些地聚合物材料自1970年代便开始在建筑中使用,但是常常是作为一些小批量的专业应用。在土壤作为起始成分方面暂时还处于未开发状态,具有较大潜力,毕竟其在地球上广泛存在、储量大。

地聚合物土壤稳定剂制作过程简单。土壤(从有价值的表层以下取出)与碱性活化溶液混合,碱性活化溶液中含有像家庭清洁产品一样的化学成分。这种活化溶液将土壤中的粘土矿物溶解成为组成它们的原子。所得到的混合物粘稠,并且可以在模具中成型。这种模压砖仅需要在80-100摄氏度的条件下加热。在烧灼过程中,溶解的原子重新排列成为地聚合物。一旦开始灼烧,这些坚硬的地聚合物将会起到稳定其他的土壤成分的作用,形成最终的砖块。

电子显微镜图像显示了蒙脱石粘土的变化过程,左图是土壤的通常结构,右边是转变为地质聚合物后的结构

Image: Alastair Marsh

地聚合物土壤稳定剂的潜力在于制砖过程所需的温度较低,并且其初始材料丰富(泥土)。根据不同的土壤,化学配方和加热过程的使用不同,这些砖较之水泥可以减少一半的碳排放量,只有通用的烧砖的四分之一的碳排放量。

地聚合物土壤稳定剂不能用在高强度的应用需求中,比如摩天大楼,但是却有潜力成为一些低矮、中等高度的房屋所需水泥的绝佳替代品,这样的房屋也是发展中国家新建设房屋的主要构成。

这些材料在实现商业化方面尚不成熟。虽然砖块可以单一种类的泥土制成,但是在为不同的土壤设计化学溶液配方方面还有很长的路要走,不同的地区的土壤构成就不一样,而同一片土地中的土壤成分也存在差异。

虽然土壤本身储量丰富,但是碱性活化溶液还需要工业化学品。尽管这些产品的大批量供应的价格相对较低,但是需要更多的研究来确定可利用本地资源的活化溶液,例如农业废料中的植物灰烬等。

除了技术上的挑战,说服战也同样难打。让整个世界从应用多年的传统房屋建设方法中走出来,使用创新材料建设家园,这需要文化自信而不是保守主义。

这样的应用风险很大,但是房屋供应和气候变化是我们现在面临的两大难题。这些更具有可持续性的砖块也许是这个难题的解决方案的一部分。

作者:Alastair Marsh巴斯大学研究生研究员

Venkatarama Reddy印度科学研究所土木工程教授

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翻译:胡静璇

责编:张智

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