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MaJiaming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（RMITUniversity）的工程師團隊發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。這項創新為建筑行業降低碳排放提供了全新路徑。

新材料革命

在全球“雙碳”目標推進過程中，建筑業始終是減排壓力最大的領域之一。一方面，混凝土作為全球使用最廣泛的建筑材料，其生產背后隱藏著巨大的環境代價——水泥作為混凝土的核心成分，其生產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，建筑行業一直在尋找兼顧環保與性能的替代方案。紙板此前已被用于臨時建筑和救災避難所，最具代表性的便是日本建筑師坂茂設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揮了重要作用，證明了紙板在結構支撐上的潛力。而夯土建筑則是一種擁有數千年歷史的傳統工藝，憑借良好的隔熱性和耐久性，在干旱、炎熱地區應用廣泛。但現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，又削弱了其環保屬性。

RMIT大學的研究團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合。傳統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。研究團隊嘗試用更環保的方式替代水泥，而紙板的出現恰好提供了新思路。經過多次實驗，團隊最終研發出“紙板約束夯土”，徹底擺脫了對水泥的依賴，同時實現了“廢棄物再利用”與“低碳建材生產”的雙重目標。

紙板約束夯土的“綠色密碼”

極簡成分，極致環保

紙板約束夯土由三種易得材料構成：

• 紙板：作為約束框架，替代了傳統建筑中的鋼筋或木質模板。這些紙板既可以是工業邊角料，也可以是回收的包裝材料，將原本要進入填埋場的廢棄物轉化為建筑結構的一部分。

• 土壤：作為主體填充物，無需特殊加工，只需從建筑現場或周邊區域獲取。團隊發現，澳大利亞偏遠地區豐富的紅土尤其適合這種材料，其黏結性和穩定性能讓夯土結構更堅固。

• 水：僅用于調節土壤濕度，幫助土壤顆粒更好地結合，無需添加任何化學添加劑。

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

強度可控，適配低層高需求

RMIT團隊發現，紙板約束夯土的機械強度可通過紙板管的厚度靈活調節，并且已經研發出對應的強度設計公式。他們能根據建筑需求，通過調整紙板厚度來精準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。

團隊還進行了一項補充研究：將碳纖維（CFRP）與夯土結合，研發出“碳纖維約束夯土”。測試結果顯示，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

現場制作，降本提效

傳統建筑施工中，磚塊、鋼筋、混凝土等材料需要從遠方運輸到現場，不僅產生大量運輸碳排放，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地區而言，這種“就地取材”的模式更是解決了建筑材料運輸難的痛點。

多場景應用

偏遠地區的福音

在澳大利亞的鄉村和偏遠地區，建筑資源匱乏、運輸成本高一直是制約當地發展的難題。而這些地區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。對于偏遠社區來說，這種材料能讓他們用更低的成本建造房屋、學校、社區中心等基礎設施，無需再依賴外部運輸的高價建材。

以澳大利亞北領地的一個原住民社區為例，當地此前建造一棟小型社區醫院，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，還能利用當地紅土，讓建筑與周邊自然環境更融合。這種“因地制宜”的建筑模式，正在為偏遠地區的可持續發展提供新可能。

熱帶地區的“天然空調”

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

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，進一步降低建筑的運營階段碳排放。對于熱帶、亞熱帶地區而言，這種“被動式降溫”功能，讓綠色建筑兼具環保與實用性。

救災與臨時建筑的“快速解決方案”

在地震、洪水等自然災害發生后，快速搭建安全的避難所至關重要。紙板約束夯土的材料易得、制作簡便的特點，使其成為救災場景的理想選擇。與傳統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中的價值。而紙板約束夯土在此基礎上進一步提升了耐久性和實用性，未來有望成為災后重建的“快速響應材料”。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：推動建筑業“零碳轉型”的關鍵一步

在“雙碳”目標的推動下，全球建筑行業正在重新審視傳統材料的價值，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新，不僅為“土系建材”注入了現代科技元素，還證明了傳統工藝與現代技術結合的可能性。

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

隨著全球城市化進程的推進，“零碳城市”成為許多城市的發展目標。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%。紙板約束夯土的應用，能從“建材生產”“施工過程”“運營階段”三個環節減少建筑碳排放，為零碳城市建設提供關鍵支撐。

DOI： 10.1016/j.istruc.2025.110117

DOI： 10.1016/j.compstruct.2025.119512