来源: АrсhDаilу
从农业废弃物到可持续结构：甘蔗制成的混凝土
寻找有效且有价值的农业废物管理解决方案一直是研究人员面临的鼓舞人心的挑战。 单一栽培的副产品，例如大豆生产的残渣、玉米芯、稻草、葵花籽和纤维素，通常用于土壤堆肥、用作动物饲料，甚至转化为能源以减少浪费和减轻环境污染与农业活动相关的影响。 例如，甘蔗生产会产生大量废物，每年生产 20 亿吨甘蔗，产生的甘蔗渣纤维废物总量约为 6 亿吨。 通过提供兼具可持续性和结构效率的建筑材料，这种废物有望取代混凝土和砖等能源密集型建筑系统。
考虑到这一点，东伦敦大学 (UEL) 与 Grimshaw Architects 和制造商 Tate & Lyle Sugar 合作开发了一种名为 Sugarcrete™ 的创新建筑材料。 该项目的目的是通过回收甘蔗中的生物废物探索可持续建筑解决方案，从而减少建筑行业的碳排放——同时在这些建筑材料的生产和实施过程中优先考虑社会和环境的可持续性。
“Sugarcrete™ 的主要创新是挑战生物材料结构性能低的既定误解，并创造一种具有足够结构强度的材料来自我支撑，”高级建筑学教授 Armor Gutierrez Rivas 说。 正如他所解释的那样，“该项目最初是作为东伦敦大学 (UEL) 建筑硕士课程的一部分进行的教学研究的一部分，该课程关注使用创新的建筑解决方案来解决当地问题。在工作时关于皇家码头银城的重建提案，我们参与了该地区现有的工业结构，并开始将副产品视为建筑替代品，包括泰莱糖业生产的副产品。初步探索经过测试和优化使用我们在可持续发展研究所 (SRI) 的最先进设施，后来与 Grimshaw 的建筑师和 AKT II 的工程师进行创造性合作，将其实施为 Sugarcrete™ Slab。”
从本质上讲，Sugarcrete™ 是通过将甘蔗渣与矿物粘合剂结合而制成的。 最终产品比传统砖更轻，碳足迹仅为其 15-20%。 Sugarcrete™ 使用全球甘蔗渣产量的 30% 的一小部分，将有可能完全取代传统的制砖行业，从而减少 10.8 亿吨二氧化碳排放（相当于全球二氧化碳产量的 3%）。 甘蔗生长速度快，将二氧化碳转化为生物质的效率比林业高 50 倍，是实现净零排放的优先材料。 此外，该材料具有良好的结构特性，并且绝缘、防火、易于非熟练劳动力使用，并且由于其成分简单而简化了供应链。
UEL 可持续发展研究所研究员 Bamdad Ayati 表示，“Sugarcrete™ 生产过程非常简单，类似于传统的混凝土砌块制造。它涉及材料配比、混合、浇注和干燥/固化。粘合剂成分是矿物“基于制糖业的地方，大量可用。与其他建筑材料一样，大规模生产的挑战与原料在水分含量、粒度、不需要的杂质等方面的可变性有关。”
开发团队与全球建筑公司 Grimshaw 合作，结合互锁几何的概念来探索产品应用的新可能性。 联锁方法于 1699 年由法国工程师 Joseph Abeille 发明并获得专利，Amédée François Frézier 于 1739 年和 Truchet 的 Traité de Stéréotomie 于 1737 年重新研究了联锁方法。随后在 21 世纪由多个研究团队开发，包括 Yuri Estrin、Arcady Dyskin 和 Giuseppe Falacara； 迈克尔·魏茨曼； 和 AAU Anastas 建筑师以及工程师 Maurizio Brocato。 这一概念被应用于 Sugarcrete，以创建可拆卸、可重复使用且耐火的复合楼板，称为“Sugarcrete™ Slabs”。 这些是一系列原型的一部分，旨在开发可以在新结构和现有结构中实施、拆除或扩展的创新建筑解决方案。
该项目使用一个互锁系统作为一个零件套件，允许使用小型、离散的组件建造大型结构，而不需要砂浆。 由于其互惠性和分布式力网络，该系统优于传统的整体组件。 铸造工艺用于最大限度地减少材料浪费，并允许模板重复使用和简化大规模生产，以及制造和装配设计 (DfMA) 机会。
根据 Grimshaw & Andy Watts 设计技术总监建筑师 Elena Shilova 的说法，该项目使用完整的数字制造工具链，集成了材料计算、参数化设计和机器人制造。 该过程首先将材料特性输入数字碳分析工具以评估各自的足迹。 然后使用生成模型将 2D 模式转换为互连组件的 3D 几何形状。 使用 6 轴机械臂，数字模型生成工具路径来制造模具（在固化和 3D 扫描之后，组件中的任何偏差都被合并回数字模型中）。 增强现实辅助装置用于测试构建顺序，从而导致大规模组装。 组装后，再次对建筑元素进行三维扫描以进行校准。 该数字工具链允许使用这种可持续材料创建灵活且可定制的零件套件系统，整合数字世界和物理世界，并采用天然材料的独特特性。 正如 Elena 指出的那样，“我们相信技术可以做到这一点：通过计算设计和先进制造的力量，部署一种具有不均匀性、不完美性和手工制作性质的天然材料。作为回报，通过启用本地材料，我们能够人们和当地社区也是如此：因为技术进步不应该仅限于昂贵的玻璃和混凝土建筑。”
Sugarcrete™ 研究故意在没有专利的情况下发表，以鼓励当地生产商采用该材料并减少水泥使用。 正如 UEL 可持续发展研究所联席主任 Alan Chandler 所说，“与 Tate & Lyle Sugars 合作，我们确实进行了专利搜索，并确定了建筑材料开发中的甘蔗渣在哪里获得了专利，以及我们的经营范围是什么。我们得出的结论是，我们的工作是原创的，我们可以申请专利，但集体决定不这样做。这主要是想与南半球的生产者社区分享我们的见解，而不是控制他们的产品。我们不申请专利的决定是道德的，而不是而不是金融。”
事实上，围绕创新和供应链的伦理考虑是项目设计的基础，该项目旨在建立可行、公平和稳健的供应链，确保生产者和用户获得公平的结果。 在此过程中，它不仅旨在解决碳减排问题，还旨在解决社会和环境可持续性问题。 该团队还一直在全球南方的产糖区寻找地点，以进一步扩大实施机会，并计划很快在现实场景中测试原型。
通过谨慎和有意识的开发，Sugarcrete 使我们对建筑业的未来前景充满乐观，其对环境的负面影响很大，需要采取有效（和迅速）的行动。 正如 Alan Chandler 解释的那样，“解决气候危机的材料创新精神必须设计供应链和性能规范。碳排在首位；我们还应该提到与建筑健康和安全相关的毒性工艺。将甘蔗渣和其他快速生长的生物产品与惰性矿物粘合剂结合使用，不仅用于绝缘层而且用于结构，开始消除建筑工地的化学破坏和基于化石燃料的产品线。这直接解决了《建筑安全法》在制造、建造、拆除、再利用和处置过程中的安全优先事项。” Elena Shilova 最后说：“放眼各个行业，我们可以找到很多本地和可持续材料以及未使用的农业/工业副产品的机会。这些材料可能看起来并不光鲜亮丽，但却是新兴的高科技。气候紧急情况。气候紧急情况需要一种新的建筑语言，用于像 Sugarcrete™ 这样的材料，真正发挥它们的潜力并庆祝它们，而无需涂层和隐藏它们以获得“现代”外观。这种新的建筑语言和思维方式的改变将最终使天然材料对客户具有吸引力，增加需求并因规模经济而降低价格。”
对 Sugarcrete™ 可持续建筑创新方法的认可导致其获得今年 Earthshot 奖的提名，该奖被称为全球最大的环境奖，旨在表彰对地球产生积极影响的创新解决方案。 关注项目进展和了解更多信息，请访问官方网站。
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