หลังจากน้ำ คอนกรีตเป็นสารที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในโลก ด้วยการใช้งานตั้งแต่ที่อยู่อาศัยและอุตสาหกรรม ไปจนถึงการป้องกันชายฝั่งและโครงสร้างพื้นฐาน คอนกรีตและซีเมนต์คือรากฐานที่สำคัญของชีวิต
น่าเสียดายที่อุตสาหกรรมการก่อสร้างก็มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเช่นกัน การผลิตปูนซีเมนต์เพียงอย่างเดียวทำให้เกิดการปล่อยคาร์บอนทั่วโลกมากถึง 8% มากกว่าการบิน (2.5%) แม้ว่าจะน้อยกว่าภาคเกษตรกรรม (12%) ตามรายงานฉบับหนึ่ง
จำเป็นต้องมีการคิดเชิงนวัตกรรมเพื่อทำให้วัสดุก่อสร้างมีความยั่งยืนมากขึ้น ในขณะที่ยังคงราคาที่เอื้อมถึงและใช้งานได้หลากหลาย บางคนในอุตสาหกรรมกำลังใช้เทคโนโลยีใหม่เพื่อทำให้คอนกรีตมีความทนทานสูงเป็นพิเศษ ในขณะที่บางบริษัทหันมาใช้ชีววิทยาเพื่อทำไบโอซีเมนต์ที่ยั่งยืน
ศาสตราจารย์ Liberato Ferrara ศาสตราจารย์ด้านการวิเคราะห์และออกแบบโครงสร้างที่มหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคมิลานในอิตาลีกล่าวว่าคอนกรีตแบบยั่งยืนรูปแบบใหม่เป็นกุญแจสำคัญในการวางรากฐานสำหรับโครงสร้างพื้นฐานที่ยั่งยืนอื่นๆ เช่น ฟาร์มกังหันลม
‘ถ้าเราคิดถึงความต้องการทั้งหมดที่เรามีในตอนนี้สำหรับการเปลี่ยนแปลงด้านพลังงาน ฉันจะบอกว่าเราไม่สามารถทำเช่นนี้ได้หากไม่มีรูปธรรม’ เขากล่าว
การตั้งค่าการลงโทษ
เขาเป็นผู้นำโครงการที่เรียกว่า ReSHEALienceซึ่งมุ่งมั่นที่จะพัฒนาคอนกรีตความทนทานสูงพิเศษ (UHDC) คอนกรีตดังกล่าวสามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงและสามารถรักษาตัวเองได้เมื่อใช้ในการก่อสร้างในสภาพแวดล้อมที่มีการลงโทษ เช่น สภาพแวดล้อมทางทะเลและโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพ
ศ.เฟอร์รารากล่าวว่า “สภาพแวดล้อมเหล่านี้เป็นสถานการณ์ที่รุนแรงที่สุดที่คุณจะทำได้สำหรับโครงสร้างคอนกรีต
สูตรที่ออกแบบมาโดยเฉพาะช่วยให้คอนกรีตผสมนี้มีความแข็งแรงและความทนทาน รวมทั้งส่วนประกอบต่างๆ เช่น สารเติมแต่งผลึก เส้นใยนาโนอลูมินา และนาโนคริสตัลเซลลูโลส
คอนกรีตจะเกิดรอยร้าวอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ในช่วงอายุการใช้งาน แต่คุณสมบัติอย่างหนึ่งของส่วนผสมที่เป็นผลึกก็คือพวกมันจะกระตุ้นการฟื้นตัวได้เอง โดยการทำปฏิกิริยากับน้ำและส่วนประกอบในคอนกรีต พวกมันจะก่อตัวเป็นผลึกรูปเข็มที่เติบโตเพื่อเติมเต็มรอยแตก เส้นใยนาโนที่ผสมผ่านจะเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลให้กับวัสดุและช่วยเพิ่มความทนทาน ทำให้สามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงได้
UHDC ได้รับการทดสอบเพื่อใช้ทดแทนแพไม้แบบดั้งเดิมในการทำฟาร์มหอยแมลงภู่ และเพื่อผลิตชิ้นส่วนของแท่นกังหันลมลอยน้ำในพื้นที่ชายฝั่ง นอกจากนี้ยังได้รับการทดสอบในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนใต้พิภพ ซึ่งประสิทธิภาพการทำงานดีขึ้นด้วยวิธีการก่อสร้างแบบดั้งเดิม
การใช้ในการ ฟื้นฟูหอเก็บน้ำเก่าในมอลตา แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของคอนกรีตในการบำรุงรักษาสถาปัตยกรรมมรดก
วัสดุที่ยั่งยืน
ศ.เฟอร์รารากล่าวว่า “นักบินตรงกับความคาดหวังจากทุกมุมมอง” ‘เราประสบความสำเร็จในการแสดงให้เห็นว่า UHDC เป็นวัสดุที่ยั่งยืนอย่างแท้จริง อนุญาตให้ใช้วัสดุน้อยลงเพื่อสร้างโครงสร้างเดียวกัน ดังนั้นในท้ายที่สุด รอยเท้าทางสิ่งแวดล้อมและความสมดุลทางเศรษฐกิจจะดีกว่า’
วัสดุลดการใช้ทรัพยากรทั้งโดยการลดปริมาณวัสดุที่จำเป็นตั้งแต่แรกและยาวนานกว่ามาก โดยศาสตราจารย์เฟอร์ราราคาดการณ์ว่าวัสดุดังกล่าวอาจมีศักยภาพที่จะคงอยู่ได้นานถึง 50 ปีก่อนต้องมีการบำรุงรักษาที่สำคัญ
สามารถผลิตได้หลากหลายสถานที่สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันโดยใช้วัสดุในท้องถิ่น นอกจากนี้ UHDC ที่บดแล้วยัง แสดงให้เห็นว่าเป็นส่วนประกอบที่นำกลับมาใช้ใหม่ เพื่อผลิตคอนกรีตใหม่ที่มีสมรรถนะทางกลและความทนทานเหมือนกันกับคอนกรีตหลัก
ศ.เฟอร์รารากล่าวเสริมว่า ความเร่งด่วนที่เพิ่มขึ้นในการบรรลุเป้าหมายด้านความยั่งยืนเรียกร้องให้มีแนวทางใหม่ในการมองการก่อสร้างแบบองค์รวม
“มันเป็นเรื่องของการเผยแพร่วิธีคิดแบบใหม่สำหรับโครงสร้างคอนกรีต” ซึ่งพิจารณาถึงห่วงโซ่คุณค่าทั้งหมดและอายุการใช้งานของโครงสร้างที่วางแผนไว้ เขากล่าว ‘คุณต้องนึกถึงการออกแบบโครงสร้าง การจัดซื้อวัสดุ และความทนทานของวัสดุและวงจรชีวิต’ หากคุณไม่คิดเช่นนั้น คุณจะมีข้อมูลบางส่วนเสมอ และนวัตกรรมจะไม่ทำลายล้าง’
ไบโอซีเมนต์
ที่อื่นๆ นักวิจัยกำลังมองหาวิธีการสร้างสรรค์สิ่งใหม่ ๆ ในภาคการก่อสร้างที่แตกต่างกันมาก โดยใช้กระบวนการทางธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต
สำหรับบริษัทรถไฟ การทรุดตัวของดินเมื่อเวลาผ่านไปในเขื่อนใต้รางรถไฟ สามารถสร้างปัญหาร้ายแรง และเพิ่มค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและความล่าช้าของผู้โดยสาร
วิธีการทางกลในการทำให้วัสดุพื้นแน่นหรือสารทำให้คงตัวที่มีสารเคมีเป็นพื้นฐานมักใช้เป็นสารละลาย อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้สามารถก่อกวนและมีค่าใช้จ่ายสูง มีผลข้างเคียงต่อสิ่งแวดล้อม และสร้างการปล่อยคาร์บอน
ดังนั้นโครงการ NOBILIS จึงนำแบคทีเรียมาทำงาน โดยมองว่าพื้นดินเป็นสิ่งมีชีวิตมากกว่าที่จะเคลื่อนย้ายโดยรถปราบดิน
แนวคิดก็คือดินที่แข็งแรงกว่าซึ่งสร้างขึ้นผ่านกระบวนการที่เรียกว่า ‘การย่อยสลายทางชีวภาพ’ สามารถลดความจำเป็นในการทำดินและวัสดุเช่นคอนกรีต
แบคทีเรียที่สร้างขึ้น
ในกระบวนการ biocementation การเจริญเติบโตของแบคทีเรียและกิจกรรมการเผาผลาญจะถูกกระตุ้นโดยให้สารอาหารและสิ่งที่เรียกว่าสารประสาน เอ็นไซม์ที่เกิดจากแบคทีเรียกระตุ้นปฏิกิริยาซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะก่อตัวเป็นสาร เช่น แคลเซียมคาร์บอเนต ซึ่งจับอนุภาคของดินไว้ด้วยกัน
เทคนิคนี้ได้รับการยอมรับว่ามีศักยภาพในดินที่มีอนุภาคขนาดใหญ่กว่า เช่น ดินทราย รวมถึงการสร้างหินชายหาดเพื่อป้องกันการกัดเซาะชายฝั่งและสำหรับการใช้งานอื่นๆ ในวิศวกรรมโยธาหรือสิ่งแวดล้อม
อย่างไรก็ตาม ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่กว่านั้นเกิดขึ้นกับดินที่มีเนื้อละเอียดกว่า เช่น ดินเหนียวและพีท เนื่องจากมีการจำกัดการเคลื่อนไหวของแบคทีเรีย น้ำ และสารอื่นๆ โดยไม่มีใครขัดขวาง NOBILIS กำลังมองหาวิธีที่จะใช้ biocementation ในดินที่หลากหลาย
งานล่าสุดในอีสต์แองเกลีย สหราชอาณาจักรได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการทำไบโอซีเมนต์ในดินพรุ ศาสตราจารย์ Maria Mavroulidou นักวิจัยด้านธรณีเทคนิคและหัวหน้าโครงการที่ London South Bank University (LSBU) กล่าวว่า โครงการ NOBILIS มีเป้าหมายที่จะขยายขนาดงานนี้ผ่านการทดลองในสาขานี้
ปรับเปลี่ยนกระบวนทัศน์
Prof. Mavroulidou กล่าวว่าแนวทางที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีววิทยาแบบนี้ต้องใช้วิธีคิดใหม่ๆ และศรัทธาในเทคนิคที่ไม่คุ้นเคย
‘การบอกวิศวกรโยธาที่ฝึกหัดว่าคุณกำลังจะใช้แบคทีเรียในการประสานพื้นดินทำให้คิ้วเลิกขึ้น’ เธอกล่าว เพราะเป็นการปรับเปลี่ยนกระบวนทัศน์สำหรับอุตสาหกรรม
Wilson Mwandira นักวิจัยด้านวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมเช่นกันที่ LSBU กล่าวว่า NOBILIS กำลังตรวจสอบเทคนิคในการกักเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ในดินเมื่อเกิด biocementation รวมถึงการมองหาศักยภาพของการใช้แบคทีเรียพื้นเมืองมากขึ้นในกระบวนการนี้
การใช้แบคทีเรียที่มีอยู่แล้วในดินจะช่วยหลีกเลี่ยงผลกระทบด้านลบต่อสิ่งมีชีวิตที่อยู่ในสิ่งแวดล้อมอยู่แล้ว Mwandira อธิบาย ‘ถ้าคุณนำแบคทีเรียใหม่เข้าสู่ชุมชน คุณจะต้องหยุดชะงักในระบบ’ เขากล่าว
หวังว่าเทคนิค biocementation ดังกล่าวจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในงานก่อสร้างโดยทั่วไป ศาสตราจารย์ Michael Gunn วิศวกรธรณีเทคนิคที่ LSBU กล่าวว่า “เรากำลังพยายามขยายเทคนิคนี้ให้ครอบคลุมมากขึ้นกับวัสดุธรณีเทคนิคอื่นๆ ที่พบในฐานรากใต้อาคารและการก่อสร้างทางวิศวกรรมโยธา ‘การก่อสร้างทั้งหมดต้องมีรูปแบบการปรับปรุงพื้นดินบางรูปแบบ’
เขาคิดว่าอาจต้องใช้เวลาหลายปีกว่าจะใช้เทคนิคนี้ในลักษณะที่เป็นกิจวัตร แต่จำเป็นต้องมีการสำรวจวิธีการที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อจัดการกับความท้าทายในระยะยาวในการก่อสร้าง
“สัดส่วนที่สำคัญของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้นอยู่กับอุตสาหกรรมการก่อสร้าง” เขากล่าว ‘ดังนั้นเราจึงต้องย้ายออกไปจากกระบวนการดั้งเดิม’
