零碳科技：碳足跡僅為混凝土四分之一的新型建材

研究主要作者M(jìn)aJiaming博士拿著紙板約束夯土材料

2025年9月，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMITUniversity）的工程師團(tuán)隊發(fā)布了一項顛覆性成果——一種名為“紙板約束夯土”（cardboard-confinedrammedearth）的新型建筑材料。它僅由紙板、水和泥土構(gòu)成，碳排放量僅為混凝土的四分之一，成本不足混凝土的三分之一，還能大幅減少垃圾填埋量。這項創(chuàng)新為建筑行業(yè)降低碳排放提供了全新路徑。

新材料革命

在全球“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)過程中，建筑業(yè)始終是減排壓力最大的領(lǐng)域之一。一方面，混凝土作為全球使用最廣泛的建筑材料，其生產(chǎn)背后隱藏著巨大的環(huán)境代價——水泥作為混凝土的核心成分，其生產(chǎn)過程約占全球年碳排放的8%，每制造1噸水泥，就要排放近1噸二氧化碳。另一方面，固體廢棄物的處理同樣棘手，僅澳大利亞一國，每年就有超過220萬噸紙板和紙張被送入垃圾填埋場，這些廢棄物不僅占用土地資源，還會在降解過程中釋放甲烷等溫室氣體。

新西蘭克賴斯特徹奇紙板大教堂

長期以來，建筑行業(yè)一直在尋找兼顧環(huán)保與性能的替代方案。紙板此前已被用于臨時建筑和救災(zāi)避難所，最具代表性的便是日本建筑師坂茂設(shè)計的新西蘭克賴斯特徹奇紙板大教堂。這座建筑在地震后的重建中發(fā)揮了重要作用，證明了紙板在結(jié)構(gòu)支撐上的潛力。而夯土建筑則是一種擁有數(shù)千年歷史的傳統(tǒng)工藝，憑借良好的隔熱性和耐久性，在干旱、炎熱地區(qū)應(yīng)用廣泛。但現(xiàn)代夯土建筑為了提升強度，往往會添加大量水泥，既增加了碳排放，又削弱了其環(huán)保屬性。

RMIT大學(xué)的研究團(tuán)隊正是看到了這兩者的潛力與不足，決定將夯土的耐久性與紙板的多功能性結(jié)合。傳統(tǒng)夯土墻體本身厚度足夠，但為了強度仍要添加過量水泥，這其實是一種資源浪費。研究團(tuán)隊嘗試用更環(huán)保的方式替代水泥，而紙板的出現(xiàn)恰好提供了新思路。經(jīng)過多次實驗，團(tuán)隊最終研發(fā)出“紙板約束夯土”，徹底擺脫了對水泥的依賴，同時實現(xiàn)了“廢棄物再利用”與“低碳建材生產(chǎn)”的雙重目標(biāo)。

紙板約束夯土的“綠色密碼”

極簡成分，極致環(huán)保

紙板約束夯土由三種易得材料構(gòu)成：

• 紙板：作為約束框架，替代了傳統(tǒng)建筑中的鋼筋或木質(zhì)模板。這些紙板既可以是工業(yè)邊角料，也可以是回收的包裝材料，將原本要進(jìn)入填埋場的廢棄物轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)的一部分。

• 土壤：作為主體填充物，無需特殊加工，只需從建筑現(xiàn)場或周邊區(qū)域獲取。團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，澳大利亞偏遠(yuǎn)地區(qū)豐富的紅土尤其適合這種材料，其黏結(jié)性和穩(wěn)定性能讓夯土結(jié)構(gòu)更堅固。

• 水：僅用于調(diào)節(jié)土壤濕度，幫助土壤顆粒更好地結(jié)合，無需添加任何化學(xué)添加劑。

這種成分組合不僅降低了材料生產(chǎn)過程中的碳排放，還讓材料具備了“全生命周期環(huán)保”的特性——建筑拆除后，紙板可回收再利用，土壤能回歸自然，真正實現(xiàn)了“零廢棄”。

強度可控，適配低層高需求

RMIT團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，紙板約束夯土的機械強度可通過紙板管的厚度靈活調(diào)節(jié)，并且已經(jīng)研發(fā)出對應(yīng)的強度設(shè)計公式。他們能根據(jù)建筑需求，通過調(diào)整紙板厚度來精準(zhǔn)控制夯土的承重能力，目前這種材料完全能支撐低層建筑，比如住宅、小型商業(yè)樓等。

CFRP-RE 圓筒制造：（a） 裝滿松散土壤混合物的 CFRP 管，（b） 使用氣動夯實，以及 （c） 干燥 28 天后的 CFRP-RE 圓筒。

團(tuán)隊還進(jìn)行了一項補充研究：將碳纖維（CFRP）與夯土結(jié)合，研發(fā)出“碳纖維約束夯土”。測試結(jié)果顯示，這種材料的強度可與高性能混凝土媲美，未來有望應(yīng)用于對強度要求更高的建筑場景。這意味著，紙板約束夯土并非“單一選項”，而是能根據(jù)需求拓展的“綠色材料體系”。

紙板約束夯土柱和 CFRP 約束夯土柱

現(xiàn)場制作，降本提效

傳統(tǒng)建筑施工中，磚塊、鋼筋、混凝土等材料需要從遠(yuǎn)方運輸?shù)浆F(xiàn)場，不僅產(chǎn)生大量運輸碳排放，還會增加物流成本和時間成本。而紙板約束夯土的制作過程完全可以在施工現(xiàn)場完成：只需將紙板制成模板，再把土壤與水按比例混合后填入模板，通過人工或機械壓實即可。

施工方只需攜帶紙板，幾乎所有其他材料都能在現(xiàn)場獲取。這能大幅削減運輸成本，簡化物流流程，還能減少前期材料儲備的壓力。對于交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)而言，這種“就地取材”的模式更是解決了建筑材料運輸難的痛點。

多場景應(yīng)用

偏遠(yuǎn)地區(qū)的福音

在澳大利亞的鄉(xiāng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)，建筑資源匱乏、運輸成本高一直是制約當(dāng)?shù)匕l(fā)展的難題。而這些地區(qū)恰好擁有豐富的紅土資源，與紙板約束夯土的需求高度匹配。對于偏遠(yuǎn)社區(qū)來說，這種材料能讓他們用更低的成本建造房屋、學(xué)校、社區(qū)中心等基礎(chǔ)設(shè)施，無需再依賴外部運輸?shù)母邇r建材。

以澳大利亞北領(lǐng)地的一個原住民社區(qū)為例，當(dāng)?shù)卮饲敖ㄔ煲粭澬⌒蜕鐓^(qū)醫(yī)院，僅混凝土運輸成本就占總造價的30%。若采用紙板約束夯土，不僅能省去這筆運輸費用，還能利用當(dāng)?shù)丶t土，讓建筑與周邊自然環(huán)境更融合。這種“因地制宜”的建筑模式，正在為偏遠(yuǎn)地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供新可能。

熱帶地區(qū)的“天然空調(diào)”

在高溫、炎熱的地區(qū)，建筑的隔熱和降溫需求往往會導(dǎo)致大量能源消耗。而紙板約束夯土憑借其高“熱質(zhì)量”（thermalmass）特性，能自然調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度——白天吸收并儲存熱量，夜晚釋放熱量，從而減少對空調(diào)、風(fēng)扇等機械制冷設(shè)備的依賴。

在澳大利亞昆士蘭州的夏季，室外溫度常超過35℃，而用紙板約束夯土建造的房屋，室內(nèi)溫度能比室外低5-8℃。這不僅能提升居住舒適度，還能減少電力消耗，進(jìn)一步降低建筑的運營階段碳排放。對于熱帶、亞熱帶地區(qū)而言，這種“被動式降溫”功能，讓綠色建筑兼具環(huán)保與實用性。

救災(zāi)與臨時建筑的“快速解決方案”

在地震、洪水等自然災(zāi)害發(fā)生后，快速搭建安全的避難所至關(guān)重要。紙板約束夯土的材料易得、制作簡便的特點，使其成為救災(zāi)場景的理想選擇。與傳統(tǒng)的帳篷或臨時板房相比，紙板約束夯土建筑更堅固、更耐用，還能提供更好的隔熱和防風(fēng)效果。

事實上，坂茂的紙板大教堂早已證明了紙板建筑在救災(zāi)中的價值。而紙板約束夯土在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了耐久性和實用性，未來有望成為災(zāi)后重建的“快速響應(yīng)材料”。例如，在地震后的重建初期，可先用紙板約束夯土搭建臨時住宅和醫(yī)療點，待長期重建方案確定后，這些材料還能回收再利用，避免二次浪費。

小結(jié)：推動建筑業(yè)“零碳轉(zhuǎn)型”的關(guān)鍵一步

在“雙碳”目標(biāo)的推動下，全球建筑行業(yè)正在重新審視傳統(tǒng)材料的價值，夯土、木材、秸稈等天然材料逐漸回歸視野。而紙板約束夯土的創(chuàng)新，不僅為“土系建材”注入了現(xiàn)代科技元素，還證明了傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合的可能性。

紙板約束夯土的推廣，不僅會改變建筑施工方式，還將倒逼上下游產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型。例如，紙板生產(chǎn)企業(yè)可能會開發(fā)更適合建筑場景的“高強度紙板”；土壤檢測機構(gòu)會推出針對夯土材料的土壤性能檢測服務(wù)；建筑設(shè)計公司則需要調(diào)整設(shè)計思路，適配這種新型材料的特性。

隨著全球城市化進(jìn)程的推進(jìn)，“零碳城市”成為許多城市的發(fā)展目標(biāo)。而建筑作為城市的重要組成部分，其碳排放占城市總碳排放的比例超過40%。紙板約束夯土的應(yīng)用，能從“建材生產(chǎn)”“施工過程”“運營階段”三個環(huán)節(jié)減少建筑碳排放，為零碳城市建設(shè)提供關(guān)鍵支撐。

DOI： 10.1016/j.istruc.2025.110117

DOI： 10.1016/j.compstruct.2025.119512