วัสดุก่อสร้างแห่งอนาคต

 

วัสดุก่อสร้างที่เติบโตได้: Eco-board จาก Biobricks จากบริษัท Biomattone ที่ทำจากกัญชงและปูนขาว เครดิตรูปโดย Biomattone

 

 

วัสดุก่อสร้างที่เติบโตได้: MyCo Board เป็นวัสดุที่ได้จากการเลี้ยงเชื้อรา Mycelium เครดิตรูปโดย Ecovative

 

 

วัสดุก่อสร้างที่เติบโตได้: นักวิจัยที่มหาวิทยาลัย KTH ของประเทศสวีเดน กำลังพัฒนากระบวนการผลิตไม้โปร่งแสง เครดิตรูปโดย KTH

 

 

Building Rocks: ศาสตราจารย์ Ed Kavazanjian จากมหาวิทยาลัย Arizona State กำลังมองหากระบวนการธรรมชาติที่เร่งให้ดินแข็งตัวและกำลังหาวิธีใหม่สำหรับวิศวกรรมธรณีเทคนิค เครดิตรูปโดย มหาวิทยาลัย Arizona State

 

 

 

วัสดุรีไซเคิลยุคใหม่: Eco-board ทำจากกล่องเครื่องดื่มรีไซเคิล มีคุณสมบัติช่วยป้องกันไฟลาม กันน้ำ และใช้งานได้เหมือนกระดานไม้ทั่วไป  

เครดิตรูปโดย บริษัทไฟเบอร์พัฒน์ จำกัด

 

การเปลี่ยนแปลงการใช้วัสดุในการก่อสร้าง เป็นกระบวนการที่ดำเนินไปอย่างช้าๆ โดยทั่วไป อุตสาหกรรมการก่อสร้างมักจะมีทัศนคติที่ไม่ดีต่อวัสดุหรือผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ ที่มีคุณสมบัติโดดเด่น แต่จะเลือกวัสดุโดยพิจารณาจากราคาและความน่าเชื่อถือแทน ทุกวันนี้ถ้าเราลองมองไปรอบๆ จะเห็นความก้าวหน้าในด้านวัสดุศาสตร์ ดังจะเห็นได้จากการที่นักวิจัยสร้างอิฐบล็อกขึ้นมาใหม่ด้วยศาสตร์ทางด้านเคมีและความสามารถในเชิงนวัตกรรม

 

กลุ่มผู้สนับสนุนการใช้วัสดุก่อสร้างชนิดใหม่ๆ มองเห็นโอกาสที่จะผลักดันวัสดุที่มีคุณสมบัติที่มากเกินกว่าข้อบังคับด้านสิ่งแวดล้อมในเรื่องของความยั่งยืน Material ConneXion® เป็นฐานข้อมูลวัสดุจากทั่วโลกสำหรับสถาปนิก นักออกแบบ และวิศวกร ซึ่งมีตัวอย่างวัสดุหลายพันชิ้น และมีวัสดุใหม่ๆ กว่า 40 ชนิดเพิ่มเข้ามาทุกเดือน

 

Andrew Dent รองประธานฝ่ายห้องสมุดและวิจัยวัสดุของ Material ConneXion® ซึ่งเป็นผู้ดูแลคอลเล็คชั่นวัสดุทั้งหมด ได้สังเกตเห็นความเปลี่ยนแปลงในข้อพิพาทเรื่องความยั่งยืนของวัสดุใหม่ๆ ในช่วง 2-3 ปีมานี้ และได้กล่าวว่า “ความยั่งยืนได้เปลี่ยนจากเรื่องทางการตลาดมาเป็นข้อบังคับ ในปัจจุบันผู้ผลิตทราบว่าต้องกล่าวถึงเรื่องราวของความยั่งยืนในผลิตภัณฑ์ของตน ซึ่งโดยมากแล้วเป็นเพราะกฎระเบียบและข้อบังคับ ความยั่งยืนเป็นสิ่งที่เข้าถึงได้ และยังเข้าใจง่ายอีกด้วย” ตอนนี้การผลักดันด้านการตลาดจึงไม่จำเป็นอีกต่อไป เพราะคนในวงการอุตสาหกรรมก่อสร้าง “เข้ามาคุยกับเรา และคาดหวังความยั่งยืนจากเรา ตอนนี้ความยั่งยืนได้กลายเป็นสิ่งจำเป็นในขั้นพื้นฐานแล้ว” Dent กล่าวเสริม

 

ในปัจจุบัน เราพบเห็นจุดมุ่งหมายทางด้านความยั่งยืนในโครงการก่อสร้างทั่วไป Dent เห็นความพยายามของผู้ผลิตที่จะก้าวข้ามข้อจำกัดของวัสดุยั่งยืน ซึ่งเป็นสิ่งที่จะสร้างความแตกต่างให้ในวงการวัสดุก่อสร้าง “ในตอนนี้ มีวัสดุธรรมชาติที่ผ่านการแปรรูปทางวิศวกรรมเป็นจำนวนมาก” Dent กล่าว “เรานำวัสดุที่เก็บเกี่ยวหรือเติบโตจากธรรมชาติ มาแปรรูปทางวิศวกรรมเพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติ”

 

Dent สังเกตเห็นความต้องการของนักออกแบบในการสร้างความแตกต่างให้แก่โปรเจ็กต์ โดยใช้วัสดุก่อสร้างที่ทำจากวัสดุธรรมชาติหรือขยะที่นำมารีไซเคิล ตัวอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดเจนคือ ผลิตภัณฑ์ที่ชื่อว่า “Biobricks” ผลิตโดยบริษัท Biomattone ในอิตาลี ซึ่งผลิตจากการผสมระหว่างส่วนที่เป็นไม้ของพืชกัญชง (Hemp) และวัสดุยึดประสานธรรมชาติจากปูนขาว (Natural Lime Binder) อีกตัวอย่างหนึ่งที่โดดเด่นไม่แพ้กัน ก็คือ “MyCo Board” แผ่นวัสดุโครงสร้างที่ผลิตโดยบริษัท Ecovative ในเมืองกรีนไอร์แลนด์ รัฐนิวยอร์ก เป็นวัสดุที่ผลิตจากใยรา (Mycelium Fungus) และเศษเหลือจากการเกษตรกรรม ทำให้มีคุณสมบัติที่เทียบเท่ากับไฟเบอร์บอร์ดความหนาแน่นปานกลาง (Medium-Density Fiberboard)

 

 

 

Dent เล่าต่อว่าวัสดุรีไซเคิลเป็นวัสดุอีกประเภทหนึ่งที่กำลังเติบโต อีกตัวอย่างของ Dent คือ Eco-Board แผ่นกระดานเสมือนไม้ที่ผลิตโดยบริษัท ไฟเบอร์พัฒน์ จำกัด จากประเทศไทย ซึ่งทำจากกล่องเครื่องดื่มรีไซเคิล

 

การทดลองในห้องแล็บอาจจุดประกายให้เราได้ไอเดียใหม่ๆ ของการนำไม้ไปใช้ ในตอนนี้นักวิจัยจากสถาบัน KTH Royal Institute of Technology ประเทศสวีเดน กำลังพัฒนากระบวนการผลิตไม้โปร่งแสงในปริมาณมาก  นักวิจัยกลุ่มนี้สามารถลอกลิกนิน (Lignin) ออกจากเซลลูโลสในไม้ด้วยวิธีการทางเคมีที่ไม่ซับซ้อน เพื่อให้ไม้กลายเป็นสีขาว จากนั้นจึงชุบสารตั้งต้นด้วยโพลิเมอร์โปร่งแสง ซึ่งส่งผลให้ไม้มองดูโปร่งแสง โดยไม่ได้ลดความแข็งแรงของไม้ลง Lars Berglund นักวิจัยจาก KTH ชี้ให้เห็นว่าสามารถผลิตไม้โปร่งแสงได้ในปริมาณมาก เพื่อนำไปใช้ในจุดประสงค์อื่นๆ นอกไปจากในเชิงสถาปัตยกรรม นอกเหนือจากนำไปสร้างหน้าต่างแล้ว ยังสามารถนำไม้โปร่งแสงไปผลิตเป็นแผงพลังงานแสงอาทิตย์ได้เช่นเดียวกัน

 

ไม้โปร่งแสงเป็นเพียงหนึ่งในความเป็นไปได้ใหม่ของการนำไม้มาใช้ในปัจจุบัน ผู้ผลิตวัสดุ “กำลังดัดแปลงโครงสร้างเซลลูโลสในไม้ เพื่อให้มีคุณสมบัติที่แตกต่างไปจากเดิม” Dent ยังให้ข้อสังเกตว่า “วิธีการนี้ยังสามารถนำไปใช้ผลิตโฟม หรือเพิ่มความแข็งแรงให้แก่วัสดุอื่น เราเห็นบริษัทหลายแห่งในอุตสาหกรรมป่าไม้ที่กำลังผลักดันให้เกิดผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ จากไม้”

 

Dent ให้ความเห็นว่าในขณะที่วัสดุทดแทนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมกำลังได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้น แต่ต้นทุนในการผลิตยังเป็นประเด็นอยู่ แต่ก็ยังเห็นวิธีการใหม่ๆ เกิดขึ้นในการผลิตวัสดุก่อสร้างที่ใช้มาเป็นยาวนาน “ถ้ามีใครมาถามผมเกี่ยวกับโลหะเมื่อ 5 ปีก่อน ผมคงตอบว่าไม่มีทางจะพัฒนาโลหะได้มากกว่านี้แล้ว แต่ตอนนี้มนุษย์กลับค้นพบวิธีการใหม่ๆ ในการพัฒนาโลหะ” เขากล่าว “เครื่องมือออกแบบดิจิทัลช่วยให้นักออกแบบสามารถสร้างสรรค์โลหะด้วยวิธีการใหม่ๆ ได้”

 

นอกเหนือไปจากโลหะที่ใช้ในเชิงสถาปัตยกรรมแล้ว ยังมีแนวคิดใหม่เกิดขึ้นในเรื่องโลหะเชิงโครงสร้าง Charlie Carter รองประธานและหัวหน้าวิศวกรโครงสร้างจาก AISC กล่าวว่า “สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดในตอนนี้คือ การผสมผสานวัสดุต่างๆ เข้าด้วยกัน การผสมผลานโลหะเกิดขึ้นแน่นอนอยู่แล้ว แต่ผมคิดว่านวัตกรรมที่ยิ่งใหญ่ในการผสมวัสดุต่างๆ เข้าด้วยกันคือ การที่อุตสาหกรรมไม้กำลังผลักดันให้เกิดไม้แปรรูป Cross-laminated Timber (CLT)”  เขาให้ความเห็นว่าแผ่นไม้ CLT เป็นวัสดุที่ไม่แย่ “แต่การใส่แผ่นไม้ CLT ลงไปในโครงเหล็ก แล้วราดคอนกรีตทับที่ด้านบน สร้างวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเทียบเท่ากับพื้นคอนกรีตแผ่นเรียบไร้คานระดับมาตรฐานทั่วไป” Carter ทราบดีว่ายังต้องทดสอบระบบโครงสร้างเหล็กรูปแบบใหม่นี้อีกหลายครั้ง แต่เท่าที่เห็นในตอนนี้ ผลลัพธ์ที่ได้เป็นที่น่าพึงพอใจมาก “ผมมองเห็นการเปลี่ยนแปลงจากการใช้คอนกรีตแผ่นเรียบ มาเป็นแผ่น CLT โครงเหล็กในตลาดที่อยู่อาศัยในอนาคต” เขาสรุป

 

การผลิตซีเมนต์จากรอยเท้าคาร์บอน (Carbon Footprint) ถูกบันทึกเป็นหลักฐานไว้เป็นอย่างดี โครงการวิจัยจำนวนมากและอุตสาหกรรมผลิตภัณฑ์เจาะจงซื้อ (Specialty Products) กำลังมองหาหนทางที่จะลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกของอุตสาหกรรมซีเมนต์ แต่ปัญหาไม่ได้อยู่ที่การขาดแรงบันดาลใจในการแก้ปัญหา แต่อยู่ที่การทำให้ส่วนผสมปูนซีเมนต์ใหม่ๆ ได้รับการยอมรับในทางกฎหมาย

 

แม้ว่าสิ่งนี้จะเป็นอุปสรรค แต่สมาคมอุตสาหกรรมก็กำลังหาทางที่จะรองรับความก้าวหน้าใหม่ๆ ในด้านวัสดุศาสตร์  “สำหรับเรา หนึ่งในความเปลี่ยนแปลงครั้งยิ่งใหญ่ที่สุดในวงการซีเมนต์คือ การพัฒนาปูนซีเมนต์จาก Portland Limestone และการนำไปใช้ในอนาคต” Paul Tennis ผู้อำนวยการฝ่ายมาตรฐานและเทคโนโลยีจากสมาคม Portland Cement Association กล่าว “ปูนชนิดนี้มีประวัติศาสตร์ยาวนานในยุโรป ประเทศแคนาดาเองก็นำปูนชนิดนี้มาใช้ก่อนสหรัฐอเมริกา และในอเมริกากลับไม่มีใครต้องการใช้เป็นคนแรก หากจะนำไปใช้ต่อเมื่อเห็นว่าปูนนี้เป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไป” Limestone Portland Cement (LPC) จัดอยู่ในกลุ่มซีเมนต์ Type 1L ในมาตรฐานของ PCA ซึ่งอาจมีหินปูนผสมอยู่ถึง 15% “การผลิต 1L ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาน้อยลง 10% มันอาจจะฟังดูไม่เยอะ แต่ถ้านำมาคูณกับปริมาณซีเมนต์จำนวนมหาศาลในโลกนี้ เราจะเห็นผลลัพธ์ที่ชัดเจน” Tennis อธิบาย

 

ปูน Type 1L เองก็มีข้อจำกัดอยู่ในตัว แต่ Tennis กล่าวว่าด้วยคุณสมบัติในการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ลดลง จึงคุ้มค่าที่จะเขียนหรือปรับมาตรฐานในการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ขึ้นใหม่ “ต้นทุนเป็นความจริงที่เกิดขึ้นกับชีวิต แต่ในขอบเขตที่กว้างขวางของการเคลื่อนไหวด้านสิ่งแวดล้อมแล้ว มันเป็นเรื่องของต้นทุนและผลลัพธ์ที่จะเกิดขึ้นกับสังคม วิศวกรกำลังพยายามหาจุดสมดุลระหว่าง 3 สิ่งนี้” เขากล่าว “สาเหตุหลักที่เราสนใจหินปูนและวัสดุใหม่อื่นๆ คือ เรื่องของสิ่งแวดล้อมที่อยู่ในสมการนี้ ถึงต้นทุนจะเท่ากันหรือสูงกว่าเล็กน้อย แต่คุณประโยชน์ทางด้านสิ่งแวดล้อมเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด”

 

กว่าจะได้สูตรผสมคอนกรีตแบบใหม่ คงจะใช้เวลาไม่น้อย  แต่ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมได้ดึงความสนใจมายังวัสดุใหม่ๆ นักวิจัยของ University of British Columbia วิทยาเขต Okanagan ได้ทดลองรีไซเคิลเศษแก้วจากมูลฝอยฝังกลบ ให้เป็นคอนกรีตเพื่อลดปริมาณซีเมนต์ นักวิจัยกลุ่มนี้ใช้วัสดุประสานจากยาง Styrene Butadiene Rubber ทำให้สามารถใช้เศษแก้วบดละเอียดแทนที่ Portland Cement ในคอนกรีต “เราได้ซิลิกาจากผงแก้ว ส่วนในซีเมนต์ เรามีแอลคาไล” Shahria Alam รองศาสตราจารย์มหาวิทยาลัย UBC อธิบาย “เมื่อ 2 สิ่งนี้ทำปฏิกิริยาต่อกัน ทำให้เกิดสารประกอบที่ขยายตัวได้ และอาจทำให้เกิดรอยแตกในคอนกรีตได้ แต่เราสามารถใช้ประโยชน์จากการผสมผสานวัสดุได้ โดยใช้โพลิเมอร์เหลวเพื่อคงความแข็งแรงไว้”  Alam กล่าวว่าโพลิเมอร์ที่ช่วยเสริมสร้างความแข็งแรงนี้ สามารถป้องกันไม่ให้เกิดการทำปฏิกิริยากับแอลคาไลในคอนกรีตที่มีแก้วเป็นส่วนผสม 25%  Anant Parghi นักวิจัยร่วมของ Alam เล่าว่าขณะนี้คอนกรีตผสมแก้วยังอยู่ในกระบวนการพัฒนาขั้นเริ่มแรก แต่ผลการทดสอบนั้นแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ “เรายังคงต้องทำการทดลองอย่างละเอียด แต่จนถึงปัจจุบัน วัสดุของเรามีความแข็งแรงกว่าตัวอย่างควบคุมถึง 60%” แต่ถึงกระนั้น Alam มองว่าการจะทำให้วัสดุนี้มีมาตรฐานรับรองน่าจะใช้เวลานานทีเดียว

 

ศาสตราจารย์ Ed Kavazanjian ทำงานในห้องแล็บในมหาวิทยาลัย Arizona State เพื่อค้นหาคำตอบของวิศวกรรมธรณี (Geoengineering) ในธรรมชาติ ในฐานะของผู้อำนวยการศูนย์ Center for Bio-mediated and Bio-inspired Geotechnics (CBBG) Kavazanjian เป็นผู้ดูแลโครงการที่ได้รับเงินสนับสนุน 18.5 ล้านดอลลาร์สหรัฐจาก National Science Foundation เป็นเวลา 5 ปี เพื่อค้นหาวิธีการที่จะปรับใช้กระบวนการทางธรรมชาติเพื่อประโยชน์ในการก่อสร้าง เขาเล่าว่า “เรากำลังสร้างสิ่งมหัศจรรย์ อย่างการเปลี่ยนเม็ดทรายธรรมดาๆ ให้กลายเป็นหินทราย” ศูนย์ CBBG กำลังขยายขอบเขตการวิจัยให้กว้างขึ้น โดยมองทุกสิ่งรอบกาย ตั้งแต่วิธีการที่ระบบธรณีเทคนิคสามารถเลียนแบบรากต้นไม้ ไปจนถึงพื้นฐานของการตอกเสาเข็มที่เรียนรู้ได้จากตัวตุ่นคัดตัวในโพรงไม้

 

“ปรัชญาพื้นฐานของเราคือ ในช่วงเวลา 3.4 พันล้านปีของการลองผิดลองถูก ธรรมชาติได้ค้นพบวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการรับมือกับสิ่งต่างๆ ในโลก” Kavazanjian กล่าว “เราต้องการเรียนรู้ว่าธรรมชาติทำได้อย่างไร แล้วทำวิธีนั้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางวิศวกรรม”

 

 

 

ถึงแม้ว่าศูนย์ CBBG จะพยายามค้นคว้าวิจัยในหลากหลายสาขา แต่ภารกิจหลักของ Kavazanjian คือ การสร้างรากฐานให้กับสิ่งต่างๆ ผลงานวิจัยในห้องแล็บเกี่ยวกับการตกตะกอนของคาร์บอเนต (Carbonate Sedimentation) สร้างผลลัพธ์ที่น่าพึงพอใจ อย่างการเปลี่ยนทรายที่ร่วนไม่ติดกัน ให้มีความแข็งราวกับหิน โดยใช้เอนไซม์ยูรีเอส (Urease) ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ทำให้เกิดนิ่วในไต กระบวนการที่ได้รับการพัฒนาจากห้องแล็บของ ASU ใช้เอนไซม์ที่ได้จากพืชเพื่อเร่งให้เกิดปฏิกิริยา แต่โครงการความร่วมมือจาก CBBG ใน University of California, Davis กลับใช้จุลินทรีย์แทนเอนไซม์ ปฏิกิริยาทางเคมีนี้สามารถนำไปใช้เพิ่มความแข็งแรงให้กับดินที่ไม่แน่นและมั่นคง ซึ่งอาจช่วยสร้างความมั่นคงและแข็งแรงให้กับฐานรากของอาคาร และลดสภาวะดินเหลวจากการเกิดแผ่นดินไหวได้ 
 

จากโครงการที่ศูนย์ CBBG เริ่มต้นทั้งหมดในช่วงนี้ กระบวนการแปลง “เม็ดทรายให้กลายเป็นดินทราย” จะเป็นโครงการแรกที่นำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ Kavazanjian กล่าวว่า “เราสามารถผลิต Biobricks จากเม็ดทรายได้ด้วยกระบวนการตกตะกอนของคาร์บอเนต ในงานด้านธรณีเทคนิคทุกวันนี้ เราผสมดินจากชั้นดินลึกๆ เข้ากับPortland Cement แต่ในอนาคต เราน่าจะสามารถฝังท่อกลวงลงในดิน แล้วเสริมความแข็งแรงให้กับดินด้วยปฏิกิริยาทางชีวเคมี”

 

“อย่างที่พูดไปก่อนหน้านี้ ผมเรียกงานที่เรากำลังทำอยู่ว่าเป็นการสร้างสิ่งมหัศจรรย์ทางธรณีเทคนิค” Kavazanjian กล่าว “แทนที่จะแปรตะกั่วให้เป็นทองคำ ผมอยากเปลี่ยนเม็ดทรายให้กลายเป็นหินทราย และถ้าสามารถเปลี่ยนเม็ดทรายให้กลายเป็นซีเมนต์ได้ก่อนหน้านี้ ผมจะเจาะทะลุมันให้เป็นเหมือนอุโมงค์ เพราะมันสามารถนำไปใช้ได้หลากหลายในทางวิศวกรรม”