应用微生物生物聚合物作为替代地球建筑建筑粘合剂在欠发达国家

文摘

地球的建筑仍然是一个常见的住宅为世界人口的三分之一。然而,这些建筑都是耐不耐用或对地震和洪水,这放大他们的潜在危害人类。的建设没有土壤绑定(如水泥)是已知的导致地球建筑的强度和耐久性表现不佳。建设绑定失败与粘结剂价格的不平衡在不同的国家。特别是,水泥价格在非洲,中东,和亚洲西南部国家非常高的全球趋势相对于消费品和占水泥在这些地区的有限使用。此外,环境问题对水泥使用最近上升由于高有限公司₂排放。与此同时,介绍了生物聚合物作为土壤加强另一种粘结剂。先前的研究和可行性尝试在这个区域显示,机械性能(即。抗压强度)的生物聚合物混合土壤块(我。e, 1%黄原胶和1%结冷胶)满足国际标准绑定中使用的结构。经济和市场分析表明,生物聚合物粘结剂具有较高的潜在作为一个自给自足的地方建设地球建筑粘合剂使用普通水泥是受限制的。

1。介绍

地球一直以来最常用的建筑材料和建筑人类文明的开始。自工业革命以来,各种建筑材料,如水泥和钢铁,已经成为现代文明的基础,已经取代了传统建筑材料的使用(即。,地球和木材)。然而,据报道,约30%的住宅仍由地球1994年(图1)[1]。更具体地说,部分住宅由地球近50%在发展中国家和第三世界。和发达国家(美国、欧盟等),依法对地球建筑的需求不断增加的兴趣环保建筑和建筑(1]。

地球房屋类型可以通过建筑的使用分类绑定(如水泥)和主要形成方法(2- - - - - -7]。然而,作为建筑材料,土壤是有限的强度和耐久性。造成损坏的建筑物密集降雨,洪水和地震已经广泛报道(8- - - - - -10]。尽管如此,人生活在亚洲西南部,中东,和非洲仍然依靠住宅的土壤。粘结剂的使用是一个重要因素,因为它影响土的强度的建筑,不管墙形成的类型。

不同类型的绑定为建设土壤已广泛用于建筑,但粘合剂的生产也需要二氧化碳的生成。水泥的生产过程(施工最普遍粘合剂)一直特别指出,大约5%的全球温室气体的来源(有限公司₂),因此抑制水泥的使用的必要性已提高了(11]。此外,全球水泥价格分布显示地区差异(表1),和水泥在不发达国家尤其昂贵。例如,在中国,1吨散装水泥的价格是57美元/吨,而在尼日利亚是223美元/吨(4倍)12]。

一般来说,消费品的市场价格往往会增加随着人均GDP的增加13]。但与一般的市场趋势相反,水泥价格出现不对称高在人均国内生产总值较低的国家,虽然它似乎低的国家高人均国内生产总值(图2)。这是一个因素可能促进利用水泥的不平衡。在发达国家市场对水泥的需求水平相对低于欠发达或发展中国家因为城市化和社会基础设施已经基本稳定,而发展中国家将会有更高的施工要求。因此,它是相当重要的纠正这种差异在水泥和其他建筑材料的价格。

生物聚合物通常由可生物降解多糖和生成的生物如藻类、细菌和真菌通过使用碳在培养。不同种类的生物聚合物在许多领域被发现和发展各自的应用程序。特别是,油价上涨和增加公司的威胁₂排放,基于生物聚合物塑料制品的市场不断扩大,作为替代高有限公司₂发出产品。

几次试图引入生物生物聚合物作为添加剂或建筑工程已报告的补充。松岗et al。14)进行的一项研究使用农业作为粘度剂改善混凝土的和易性,虽然常和赵15,16]表明,葡聚糖治疗提高了自然土壤的强度的增加比率高达300 - 400%,也有低对环境的影响而言,有限公司₂排放。此外,凝胶的使用类型生物聚合物(例如,gellan gum and agar gum) was recently introduced in the field of soil treatment [17,18]。在这项研究中,我们做了实验,评估生物聚合物凝胶类型(即的可行性。、黄原胶、结冷胶)作为地球建筑施工绑定使用自然土壤。

2。材料和方法

2.1。生物聚合物

2.1.1。黄原胶

黄原胶是一种阴离子多糖组成的D-glucuronic酸,D-mannose, pyruvylated甘露糖,6-O-acetyl D-mannose, 1, 4-linked葡聚糖(19),由发酵的葡萄糖或蔗糖黄定细菌(20.]。黄原胶是常用的作为食品添加剂和流变学修饰符。最近的一项研究表明,黄原胶大幅提高土的强度,尤其是在粘土颗粒的存在(即。由于黄原胶和粘土颗粒之间的氢键)[18]。黄原胶(Sigma-Aldrich CAS号11138-66-2)用于本研究从生物来源,黄定。

2.1.2。结冷胶

结冷胶是一种水溶性多糖发酵Sphingomonas伊乐藻属植物微生物,它由葡萄糖,葡萄糖醛酸(C₅H₉O₅羧基),鼠李糖(C₆H₁₂O₅)。它形成一个高度合格的凝胶即使在低浓度(0.05 -0.25%)。结冷胶是常用的增稠剂,乳化剂,稳定剂食品(21]。由于其高稳定性在高温和低pH值条件下,结冷胶是一个潜在的高度耐用的添加剂对土壤改良和稳定22,23]。Gelzan(研究员,CAS编号:71010-52-1),一个商业结冷胶产品,是用于这项研究。

2.2。材料:韩国残积土(kr) Hwangtoh

探讨土壤加强生物聚合物的治疗效果,我们使用韩国残积土(kr)作为土壤物质在这个研究。基米-雷克南是众所周知的“hwangtoh“朝鲜半岛和土壤被用作建筑材料通过韩国的历史。kr由石英(8.4%)、高岭石(45.8%)、埃洛石(22.7%)、伊利石(14.8),和针铁矿(8.3%)作为其主要的矿物质,和详细的岩土性质的基米-雷克南可以在Chang和赵15]。

像其他adobe或土壤建筑物、kr建筑强度和耐久性的弱点。因此,我们测试了使用生物聚合物作为混合粘结剂强化自然kr的力量。韩国,自然kr Gochang风干在室温(18°C)和粉(即。,凝聚土壤颗粒的分离)适合适当的混合。

2.3。样品制备和强度测量

在实验室里,我们与黄原胶、结冷胶混合kr准备biopolymer-treated kr立方体标本。普通硅酸盐水泥(OPC)混合和未经处理的(即。,natural) KRS samples were prepared simultaneously, to compare the strengthening behavior of biopolymer treatment with preexisting soil construction (i.e., strengthening) methods.

生物聚合物(即。,xanthan gum and gellan gum) mixing, 1000 g of dried and ground KRS was first mixed with 10 g (i.e.,)的纯生物聚合物粉干(干拌阶段),在那里和生物聚合物的质量和干土,分别。然后,600 g的蒸馏水(即。水分含量;)是根据液体极限值(即。,自然kr (53.7%)15)提供全面的混合终于获得统一biopolymer-soil混合物(湿混合阶段)(图3(一个))。

OPC混合的水泥土壤质量的比率()固定在10%,基于之前的研究结果,它的抗压强度水泥治疗按照1.0%生物高聚物含量土壤质量(例如,)条件15,18]。此外,700克的水泥浆,水灰比6(即,克/ 100克)水泥土混合物准备获得的相同的初始含水量条件biopolymer-soil混合物(即,),当混有1000克干kr。

每个混合条件的细节表进行了总结2。混合后,土壤混合物被倒进立方模具(50毫米×50毫米×50毫米)(图3 (b))。土壤被钢棍压实手动方头(即。,40 mm × 40 mm) and a rubber hammer to present optimal compaction and remove entrapped air voids from the soil mixtures. Cube samples were demolded and dried in air at room temperature (18°C) for 28 days, followed by unconfined compressive strength measurement at the end of drying via a UTM (Universal Testing Machine; INSTRON 5583) device (Figure3 (d))/分钟1.0%应变率在三个标本获得平均值,分别是(24]。所有几何尺寸测量,就像标本质量,和顶部和底部表面略有削减期间避免不均匀的应力分布测试。此外,为了防止压力本地化,滤纸被上方和下方样品在测试过程中。样本加载直到失败和观察残余抗压强度。

3所示。结果与讨论

3.1。Biopolymer-Soil混合物的抗压强度

一般来说,对水泥土混合物(即抗压强度)随干密度增加25]。图4介绍了黄原胶的抗压强度、结冷胶、10%水泥,未经处理的基米-雷克南混合物经过28天的干燥固化(即。在室温下,暴露在空气中)(即。,20°C)。在图的强度值4被转换的力量值对应于100毫米×100毫米×100毫米的立方体,乘以一个形状因子值吗δ= 0.85,真正的抗压强度测量泛化(即。,以避免不同的形状和大小影响)(26,27]。

1%黄原胶和1%结冷胶处理土壤显示抗压强度值高于10%的水泥混合kr。土的强度与1%的黄原胶混合6.31 MPa,超过2.3倍的土壤与普通硅酸盐水泥的10%(即混合。,2.65 MPa)。一项研究显示,0.5%的黄原胶在上面的土壤混合物可能会增加其强度水平的土壤与10%水泥混合18]。这意味着要么100公斤的水泥(10%的土壤)或5公斤的黄原胶(0.5%的土壤)将需要1吨土壤强度超过2.5 MPa。

混合在初始阶段,生物聚合物倾向于立即吸附水,形成水凝胶,扩大土壤颗粒之间的孔隙空间的造型。在养护和脱水,水蒸发的水凝胶,呈现更坚定和更强的生物聚合物和土壤颗粒之间的矩阵。结果,最后干biopolymer-soil混合物可以有高强度即使在相对较低的干密度(即。,1%的结冷胶= 1.35克/厘米³,1%黄原胶= 1.38克/厘米³,10%的OPC = 1.44克/厘米³在这项研究中)。

一些设计标准为砖用于建筑和建筑工程(表3)。建筑工程中最常见的砖型水泥基砖。Eurocode (EN 1996 - 3)需要一个砖石水泥砂砖单位立方体(100 mm×100 mm×100 mm)的抗压强度至少2 MPa 10%水泥砂比和6 MPa水泥砂率(20%28]。另一位英国代码(BS EN 771 - 1)定义了最小抗压强度为337.5毫米(宽)×112.5毫米(长度)×112.5毫米(高度)土壤砖是5 MPa (29日),这是相同的标准抗压强度值4.6 MPa采用形状系数值δ= 0.92 (26]。与此同时,国际代码委员会(ICC)地球墙提供了详细要求,夯土砖的抗压强度应该超过2 MPa的样本规模(即转换。,100 mm×100 mm×100 mm) [30.]。

平均最大的kr标本28天抗压强度值与典型的砌体结构的设计标准(即。EN 1996 - 3, BS EN 771 - 1, IBC 2012)在图4。未经处理的基米-雷克南的无侧限抗压强度值接近1 MPa,而1%黄原胶治疗产生最高的加强效果。OPC混合kr(即10%的力量。,2。65 MPa) satisfies the minimum strength criteria to be a brick. The compressive strengths of both xanthan gum (i.e., 6.3 MPa > 2 MPa) and gellan gum (i.e., 2.50 MPa > 2 MPa) mixes are in accordance with strength values in previous studies [17,18并满足强度条件作为夯土砖粘结剂(30.]。

与此同时,BS EN 1996 - 3建立一堵墙元素的最小强度要高于低层建筑5.2 MPa。在这方面,10%的水泥混合基米-雷克南和1%的结冷胶混合kr不足为使用单层建筑,而1%黄原胶混合土壤适用于低层建筑。此外,高强度的1%黄原胶(即治疗。,6。3 MPa) is a compressive strength level almost equivalent to the minimum strength of 20% ordinary cement mixing (i.e., 6 MPa), indicating the high strengthening efficiency of xanthan gum treatment, even with 1/20th (i.e., 1% versus 20%) the amount of material quantity compared to cement mixing.

鉴于生物高聚物的力学性能治疗,生物聚合物是非常可行的用于土壤绑定。然而,土壤结构的强度和稳定性成为至关重要的存在多余的水分条件(例如,湿或淹没)。先前的研究表明,biopolymer-treated土的湿强度降低到约为干强度的完全饱和水(下17]。因此,水的阻力或湿强度的改进方法必须考虑biopolymer-treated土壤的进一步的研究。此外,生物聚合物的经济可行性应用程序作为土壤粘合剂必须清楚地演示了宣布生物聚合物在不久的将来有前途的建筑和建筑材料。

3.2。未来前景的生物聚合物作为一种环保的建筑材料

石油化工聚合物应用多样化在现代文明由于他们展示了优秀的性能。然而,他们对油价波动的价格敏感,和他们的环境破坏的缺点,由于他们弱智降解性,建立在他们的生产过程二氧化碳。因此,需要更多的环保聚合物已经出现,因此研究开发多样化的生物塑料或聚合物一直积极进行(31日]。

生物塑料聚合物也可以有不同的分子结构取决于各自的聚合过程,这使得生产定制的生物聚合物有理想的强度或可塑性,固有生物降解性、低脂或有限的生产过程中二氧化碳的一代。在此基础上,他们已经被认为是一个有前途的替代石油化工产品(32]。研究和市场开发此类产品的主要基础的地区有关环境保护有严格的规定,如日本和欧洲,欧洲生物聚合物市场目前占全球市场的60%。

全球主要公司在化学工程和产品制造领域的领先的生物聚合物和生物塑料的开发和生产。最近,几家主要公司一起达成一致生产环保生物聚合物,和他们介绍了规范和认证体系可生物降解聚合物(33]。他们现在为消费者提供认证产品的信息(34]。相互合作的协议,这些企业带来了生物聚合物产品的需求增加和提高可靠性。生物聚合物是目前应用在不同的领域包括医药、食品、化妆品、和农用化学品,他们市场自2010年以来,每年以超过23%的速度增长。这个市场增长趋势预计将继续暂时(35,36]。

3.3。经济可行性和未来前景Biopolymer-Soil治疗

生物聚合物发展的经济可行性由于生物聚合物市场的扩张和发展的技术与生物聚合物(图5)。从2009年到2011年,全球生物塑料市场从249000吨增加到1161000吨(4.6倍),导致价格下降(37- - - - - -39]。

生物聚合物的价格竞争力,35 - 100倍在2000年代早期相对传统石化聚合物,也一直在改善。下降了2.5 - -7.5倍的差价在2007年由于一致的发展技术和提高环保法规(39]。例如,1960年代黄原胶的价格约为30000美元/吨,虽然下降了1/4,到2014年(图6),由于扩大了应用程序(如医学、化妆品、建筑、等)和随后的科技发展。

一般来说,确定生物聚合物的价格水平的主要因素如黄原胶(1)碳的来源,(2)发酵过程,和(3)恢复率。特别是,从发酵培养基(即生物聚合物的复苏。,carbon source, e.g., sugar water and glucose) is an essential component affecting cost.

关于提高采收率的重要性,据报道,增加20%的恢复生物聚合物(从60%到80%)可能生物聚合物的价格降低10%40]。许多研究调查方法来提高生物聚合物的复苏主要集中在改变工艺条件如pH值、温度、搅拌速率、氮源浓度,和磷源浓度(41]。因此,生物高聚物生产技术不断改进,复苏率,保持在30%的水平在1970年代,现在已经达到了60%的商业生产过程(42]。

此外,有很多努力多样化生物聚合物碳源,大分子多糖的主要组成部分,以及研究旨在优化生物聚合物的生产条件43- - - - - -45]。商业化生物聚合物的碳源中扮演一个重要的角色,因为它占整个生产成本的大约30%的生物聚合物(41,46]。因此,确保可持续的和一致的碳源生物聚合物是重要的建立一个稳定的市场。

例如,淀粉的价格从240到500美元/吨,全球平均水平为390美元/吨(2014年47),反映出更大的稳定性比严重洲际全球水泥市场的差异(表1和图2)。因此,就有可能执行成本对比水泥治疗和生物聚合物(例如,xanthan gum) treatment for soil strengthening by considering the cost ratio between produced xanthan gum and its carbon source (i.e., starch) [41,46),如图7。

图7意味着黄原胶治疗作为土壤粘合剂已经比水泥在非洲国家更有竞争力。例如,据报道,淀粉在肯尼亚的价格是350美元/吨(47]。因此,当地生产的黄原胶可以估计的成本成为2333美元/吨(即。,350 USD/ton (starch price) ÷ 0.5 (recovery ratio) ÷ 0.3 (proportion in total cost) = 2,333 USD/ton], which indicates that the xanthan gum cost for 0.5% soil treatment (i.e., 5 kg of xanthan gum for 1 ton of soil) is 11.7 USD. Therefore, application of xanthan gum in countries with high cement prices potentially would be more economical and effective in terms of CO₂减排比水泥使用,如果黄原胶是用于建设目的和当地生产的。这可以通过引入一个集成的商业化过程组成的简单栽培设施+当地碳源+微生物/细菌。

此外,大多数生物聚合物在当前全球市场销售是食品级的,和高达50%的生产成本的食品级生物聚合物与下游纯化步骤,其中许多将没有必要非食品应用,如建设(41,48]。因此生物聚合物的价格生产工程或建设目的价格预计将低于目前的商业生物聚合物(即早些时候估计。,50%左右)。同时,进一步降低成本可以通过使用更便宜的基质,如农产品浪费。

4所示。结论

大约30% - -40%的世界人口仍居住在建筑的土壤,尽管大规模的城市化利用现代建筑技术。如此高的比例的人口住在土建筑由于相关经济和环境因素,包括土壤作为当地的可用性和廉价的建筑材料。这是有问题的,因为传统的土建筑(由土壤没有绑定)通常容易受到水和地震载荷。在处理这些问题时,绑定所需的土壤加固。然而,最具代表性的建筑粘结剂对土壤(即。、水泥)占超过5%的全球年度有限公司₂排放(49- - - - - -51],它变成一个问题制定科学政策。此外,根据国家水泥的价格差别很大。特别是,它是确定的水泥价格较低的国家人均GDP显著高于全球市场的平均价格。有趣的是,人均国内生产总值较低的国家,是最高度依赖土壤建筑,而这依赖土壤建筑由于建筑粘结剂的价格非常高,尤其是水泥。

因此,在这项研究中,利用微生物产生的生物聚合物作为经济和环保替代介绍了土建筑粘合剂。可行性研究进行了测试比较土壤强度处理生物聚合物证实少量(即。,0.5% of the whole contents) of biopolymers mixed with soil resulted in a higher unconfined compression strength than that of soil mixed with a large amount of cement (i.e., 10% of the whole content).

生物聚合物与水泥的经济可行性还有待改进;然而在这个领域技术发展的趋势很可能生物聚合物的市场将开发建设目的。预计还将有进一步的降低成本与提高采收率的生物聚合物,连同价格低碳源的多元化和探索,商业化和大规模生产的生物聚合物专门为建筑的目的。这些进步将使水泥价格较高的国家能够获得相对便宜的地方建设绑定。此外,由于价格的碳源主要用于种植生物聚合物在欠发达国家低,水泥的成本是最高的地方,当地的商业化的生物聚合物可能有助于改善土壤的强度和耐用性的建筑最依靠他们的国家。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文中描述的研究财务支持韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府(MSIP)(没有。2015 r1a2a2a03006268),通过战略研究的资助项目(开发关键的可扩展的城市地下空间开挖方案)由韩国土木工程和建筑技术研究所(KICT),韩科院的迂回战术计划(没有。N01150661)支持的韩国科技部、ICT和未来规划(MISP)。

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