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生物炭混凝土：建築業邁向零碳的革命性突破

 

 

圖靈學院
科楠偵碳事務所
2025-9-10

摘要

    最新研究顯示，將生物炭添加至混凝土中可顯著提升材料強度並降低碳排放。這項創新技術為營建業永續發展開啟全新篇章。

加拿大薩斯喀徹溫大學工程學院研究團隊發表突破性研究成果，證實生物炭混凝土技術可同時達成提升建材性能與減碳目標。這項刊登於《Scientific Reports》期刊的研究為全球營建業邁向零碳排目標提供關鍵解決方案。

 

生物炭技術核心原理

 

    生物炭是植物廢料在低氧環境下經熱解製程產生的富碳材料。研究採用軟木廢料為原料，透過450-550°C溫度處理2小時製成生物炭粉末。這種材料具備高度多孔結構，能夠長期固碳並改善混凝土內部結構。

 

薩斯喀徹溫大學研究員帕特爾博士指出：「生物炭獨特的多孔性質提供水分調節功能，促進水泥水化反應產生更多膠結產物，進而增強混凝土強度。」

 

研究團隊測試不同生物炭添加比例，發現最佳配比為水泥重量2%的生物炭替代。該配比下，混凝土抗壓強度提升18.95%，劈拉強度增加19.64%，抗彎強度提高12%。

 

性能提升機制分析

 

    生物炭增強混凝土性能主要歸因於三項機制。首先，細小的生物炭顆粒填充水泥漿體中的微孔隙，形成更緻密的結構。其次，生物炭表面提供額外的水化產物成核位點，促進鈣矽酸鹽水合物生成。第三，生物炭的內部養護效應持續釋放水分，延長水化反應時間。

X射線繞射分析證實，添加2%生物炭的混凝土樣本產生最多的鈣矽酸鹽水合物，此為混凝土強度的關鍵決定因子。同步輻射微電腦斷層掃描結果顯示，最佳配比樣本的孔隙率從對照組的1.75%降至1.05%，密實度大幅提升。

 

吸水率測試結果同樣證實生物炭的正面效果。2%生物炭混凝土的吸水率為7.44%，低於對照組的7.94%。密度測量顯示該配比樣本密度提升近4%，進一步驗證結構緻密化效果。

 

環境效益與碳固存潛力

 

    生物炭混凝土的環境效益體現在雙重減碳機制。一方面，減少水泥用量直接降低生產階段碳排放。水泥製造過程中石灰石煅燒產生大量二氧化碳，每噸水泥約排放0.9噸二氧化碳。

 

另一方面，生物炭本身具備優異的碳固存能力。研究顯示，每立方公尺超高性能混凝土使用5%生物炭可固存約115公斤二氧化碳。生物炭在混凝土中形成穩定的化學鍵結，實現長期碳封存效果。

 

世界經濟論壇報告指出，僅在混凝土中添加1%質量比的生物炭，每年可固存0.5億噸二氧化碳，並將水泥相關產業溫室氣體排放量減少20%。這項技術為營建業應對氣候變遷提供實際可行的解決方案。

 

產業化應用前景

 

    生物炭混凝土已在多個國家展開產業化試驗。加拿大光源中心使用高解析度成像技術驗證材料內部結構，為工程應用提供科學依據。3D列印混凝土研究顯示，添加2%生物炭可提升結構建立速率22%，改善泵送性與擠出性能。

 

歐洲已建立生物炭認證體系，為建材應用制定品質標準。歐洲生物炭證書要求用於建材的生物炭需通過嚴格的多環芳烴檢測，確保使用安全性。

 

成本效益分析

 

    目前生物炭成本較傳統水泥高，每立方英尺約9美元，而傳統混凝土每平方英尺成本為4.07-6.11美元。研究團隊分析顯示，在加拿大碳信貸計畫下，每噸生物炭可獲得770加元的碳信貸收入，相當於移除3噸二氧化碳的價值。

 

這項經濟誘因可大幅改善生物炭混凝土的商業可行性。長期而言，隨著生產規模擴大與技術成熟，成本預期將持續下降。生物炭市場預計從2022年的1.46億美元成長至2030年的5.07億美元。

 

技術挑戰與解決策略

 

    生物炭混凝土面臨的主要技術挑戰包括工作性調節與品質控制。生物炭的吸水特性會影響混凝土的坍落度，研究顯示高劑量使用會降低工作性。解決方案包括精確控制顆粒尺寸，建議使用小於75微米的超細生物炭粉末。

 

另一挑戰是確保生物炭在混凝土中的均勻分散。研究建議採用乾拌預混合工藝，先將生物炭與水泥粉末充分混合再加水攪拌。這種方法可避免生物炭聚集，確保材料性能一致性。

 

法規認證進展

 

    結構混凝土應用需要嚴格的法規認證。歐盟正在建立創新建材市場准入機制，部分廠商已開始申請CE認證。美國材料試驗協會制定相關測試標準，為生物炭混凝土商業應用鋪路。

 

初期應用主要集中在非承重結構，如人行道與建築裝飾元素。隨著認證體系完善，預期將擴展至承重結構應用。

 

全球研發動態

 

各國研究機構積極投入生物炭混凝土技術開發。美國華盛頓州立大學研究顯示，橄欖核與木材製成的生物炭均能改善混凝土性能，其中橄欖核生物炭效果更佳。

 

中國研究團隊將稻殼與木屑混合製成生物炭，在砂漿中替代3-10%水泥，結果顯示在二氧化碳養護環境下強度提升顯著。韓國高麗大學開發的基因表達程式模型能精確預測生物炭混凝土強度，為配比設計提供智慧化工具。

 

ESG企業治理影響

 

    生物炭混凝土技術與ESG企業治理原則高度契合。環境面向，該技術直接減少碳排放並促進廢料循環利用。社會面向，推廣清潔建材改善社區空氣品質，提升居民健康水準。治理面向，企業採用此技術展現永續承諾，增強利害關係人信任。

 

國際ESG協會主席、韓國高麗大學Ok教授強調：「生物炭混凝土不僅是技術創新，更是企業社會責任的具體實踐。企業透過採用此技術，可同時達成經濟效益與環境保護目標。」

 

採用生物炭混凝土的企業可向投資人與消費者展示碳中和決心，在ESG評級中獲得加分。這種正面形象有助於綠色融資取得與品牌價值提升。

 

供應鏈整合模式

 

    成功的生物炭混凝土應用需要完整的供應鏈整合。原料端，農林廢料收集與預處理系統需要標準化。生產端，熱解設備與品質控制流程需要自動化。應用端，混凝土廠商需要調整配比與攪拌工藝。

循環經濟模式下，建築業可與農業、林業建立策略夥伴關係，確保生物炭原料穩定供應。這種跨產業合作模式創造多方共贏局面。

 

未來發展趨勢

 

    生物炭混凝土技術發展呈現多元化趨勢。材料科學面向，研究者探索不同生物質原料與改質技術，開發功能化生物炭產品。工程應用面向，智慧監測系統即時追蹤混凝土性能變化。

 

數位化工具如機器學習演算法協助最佳化配比設計。區塊鏈技術確保碳信用交易透明度。這些技術整合將加速生物炭混凝土的產業化進程。

 

氣候變遷壓力下，各國政府推出更嚴格的碳排放法規。歐盟碳邊境調整機制將於2026年全面實施，對高碳排建材課徵關稅。這些政策趨勢為低碳建材創造龐大市場需求。

 

結論與展望

 

    生物炭混凝土技術代表營建業永續轉型的重要里程碑。薩斯喀徹溫大學的研究成果證實，這項技術能夠同時提升材料性能與環境效益，為實現建築業零碳目標提供可行路徑。

 

面對2050年淨零排放承諾，營建業需要革命性的技術突破。生物炭混凝土結合廢料資源化、碳固存與性能提升多重優勢，具備成為下世代綠色建材主流的潛力。

 

隨著技術成熟度提升、成本持續下降與法規體系完善，生物炭混凝土有望在未來十年內實現大規模商業應用。這項技術不僅將改變營建業的碳足跡，更為全球氣候行動貢獻重要力量。

 

企業與政策制定者應積極關注此技術發展，透過研發投資、示範應用與政策支持，加速生物炭混凝土技術的產業化進程，共同建構永續未來。

 

補充：台灣稻類農業廢料生物炭循環經濟建議方案

 

    台灣作為重要稻米產區，每年產生大量稻殼與稻桿廢料。這些農業副產品若能有效轉化為建築用生物炭，將為台灣創造獨特的循環經濟優勢。

 

現況分析與挑戰

 

    台灣稻米主要集中於嘉南平原與花東縱谷，年產量達120萬噸。碾米過程產生的稻殼約佔稻米重量20%，年產量約24萬噸。稻草年產量更高達180萬公噸，其中約4.5萬公噸（2.5%）採用焚燒處理。

 

露天燃燒稻草釋放大量二氧化碳及細懸浮微粒（PM2.5），危害空氣品質與民眾健康。PM2.5排放清單顯示，特定季節農業廢棄物燃燒占逸散性污染源10-20%。這種處理方式不僅浪費資源，更加劇台灣空氣污染問題。

 

技術可行性評估

 

    稻殼與稻桿生物炭在混凝土應用具備優異潛力。稻殼含豐富矽酸成分，高品質稻殼生物炭的矽鋁氧化物含量可達總重量43%，遠超一般生物炭的20%，此特性使其具備優秀的火山灰活性。

 

研究證實稻桿生物炭同樣適用。添加5%稻桿生物炭搭配電磁活化技術，可提升混凝土強度特性23-28%。5%稻殼生物炭替代水泥可使混凝土抗壓強度提升36%，顯示台灣稻類農業廢料製備生物炭的技術可行性。

 

循環經濟效益分析

 

環境效益：
- 每年可處理204萬噸稻類農業廢料，大幅減少露天燃燒造成的空氣污染
- 依生物炭產率15-20%計算，年產可達30-40萬噸建築級生物炭
- 每噸生物炭可固存2.6噸二氧化碳，年固碳潛力達78-104萬噸
- 有效改善秋冬季節PM2.5污染狀況

 

經濟效益：
- 在碳信用機制下，每噸生物炭可獲得相當於3噸CO2移除的經濟價值
- 建築級生物炭市場價格每噸約300-500美元，年產值可達9,000萬-2億美元
- 創造農村新興產業，增加農民額外收入來源
- 減少混凝土工業對進口補充膠結材料的依賴

台灣具備優越的稻作基礎、先進的製造技術與完善的法規環境，推動稻類農業廢料生物炭循環經濟具有得天獨厚的優勢。透過系統性的產業規劃與政策支持，這項技術不僅能解決農業廢料處理與空氣污染問題，更可為台灣創造新的綠色經濟成長動能，成為全球循環經濟的典範案例。

 

 

參考資料來源

 

1. Patel, R., Stobbs, J. & Acharya, B. Study of biochar in cementitious materials for developing green concrete composites. *Scientific Reports* 15, 22192 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-07210-3

 

2. Barbhuiya, S., Das, B.B. & Kanavaris, F. Biochar-concrete: A comprehensive review of properties, production and sustainability. *Case Studies in Construction Materials* (2024). https://doi.org/10.1016/j.cscm.2024.e02859

 

3. Senadheera, S.S. et al. Application of biochar in concrete—A review. *Cement and Concrete Composites* (2023). https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2023.105204

 

4. Tan, K.H. et al. Biochar as construction materials for achieving carbon neutrality. *Biochar* 4, 66 (2022). https://doi.org/10.1007/s42773-022-00182-x

 

5. Communications Materials. Biochar-augmented climate-positive 3D printable concrete. *Nature Communications Materials* (2024). https://doi.org/10.1038/s43246-024-00700-3

 

6. Sustainability Journal. Advancing Sustainable Concrete Using Biochar: Experimental and Modelling Study. *MDPI Sustainability* 17(6), 2516 (2025). https://doi.org/10.3390/su17062516

 

7. Environmental Chemistry Letters. Reducing the carbon footprint of buildings using biochar-based bricks and insulating materials. *Springer* (2023). https://doi.org/10.1007/s10311-023-01662-7

 

8. Journal of Materials Science. Mixture of biochar as a green additive in cement-based materials for carbon dioxide sequestration. *Springer* (2024). https://doi.org/10.1186/s40712-024-00170-y