评估大麻建材的技术可持续性：澳大利亚背景下的比较研究及其对建筑环境脱碳的启示

本研究针对建筑行业温室气体排放高、资源消耗大的问题，评估了澳大利亚本地生产的大麻基保温材料和板材的技术性能与可持续性。通过力学测试和生命周期可持续性评估（LCSA）框架，研究发现大麻基材料在抗压和抗弯强度上媲美传统材料，且在全球变暖（GWP）、土壤有机碳和碳抵消方面表现优异，但在富营养化、生态毒性和经济可行性方面存在挑战。该研究为低碳建筑材料的开发和应用提供了重要数据支持，对推动澳大利亚建筑行业可持续发展具有重要意义。

　　

建筑行业在全球可持续发展挑战中处于前沿阵地，其温室气体(Greenhouse Gas, GHG)排放、资源消耗和废弃物产生问题日益突出。在澳大利亚，建筑行业的隐含碳(Embodied Carbon)排放已占该行业GHG排放的16%，且随着电网脱碳和能效提升，预计到2050年这一比例将升至85%。与此同时，人口增长和城市化持续推动建材需求，但往往缺乏对可持续性目标的充分考虑。面对这些挑战，转向全生命周期材料选择方法，纳入环境、经济和社交标准（即可持续性的三重底线，Triple Bottom Line, TBL）变得至关重要。

在众多解决方案中，可再生生物基建材作为有前景的替代品崭露头角。其中，工业大麻(Cannabis sativa L.)因其快速的生物质生产和碳封存潜力而受到越来越多的关注。大麻是一种高产作物，近年来在澳大利亚获准工业用途，为区域生物质生产创造了机会。其木质核心（hurds）越来越多地用于制造保温块和板材，据估计每干燥吨生物质可封存高达1.4吨的CO₂。当融入建材时，这部分储存的碳可长期封存。

然而，尽管大麻基材料具有诸多优势，其大规模应用仍面临技术、环境和经济方面的限制。技术上， hurd基复合材料通常限于非结构应用，因其抗压和抗弯强度有限。环境方面，大麻的益处可能因种植过程中合成肥料的使用、某些粘合剂生产的能源密集性以及生产与施工地点间长距离运输而减弱，这些都会增加生命周期GHG排放。大麻种植还与主要粮食作物竞争耕地和水资源，引发了对更广泛可持续性影响的担忧。经济上，与种植、加工和粘合剂使用相关的高投入成本可能限制其与传统材料相比的竞争力。

为应对这些复杂问题，需要采用整体评估方法，将技术性能与TBL可持续性指标相结合。生命周期可持续性评估(Life Cycle Sustainability Assessment, LCSA)框架为此提供了稳健的方法论，将生命周期思维嵌入TBL评估中。LCSA是三种工具的应用结果：环境生命周期评估(Environmental Life Cycle Assessment, ELCA)、生命周期成本核算(Life Cycle Costing, LCC)和社会生命周期评估(Social Life Cycle Assessment, SLCA)，分别用于评估同一产品的环境、经济和社会绩效。

在澳大利亚背景下，这些比较对于理解大麻基材料的相对可持续性优势和局限至关重要。然而，缺乏整合性能与TBL指标的 techno-sustainability 评估，限制了行业和政策采纳所需的证据基础。为弥补这一空白，Rivas Aybar等人（2025）开发了一个针对澳大利亚大麻基建材的区域特异性LCSA框架，该框架允许将大麻基复合材料的技术、环境、经济和社会维度整合为一个单一的可持续性绩效分数，从而实现与传统材料的直接比较。

本研究应用该框架评估了两种非结构大麻基产品（保温块和板材）的 techno-sustainability，这两种产品均使用澳大利亚种植的大麻hurds制造。它们的技术性能分别通过抗压和抗弯强度测试进行基准测试，并采用基于性能的功能单元（1 m²·MPa）以确保可比性。考虑到澳大利亚大麻行业处于新兴阶段且缺乏生产阶段以外的一致生命周期数据，研究采用了从摇篮到大门(cradle-to-gate)的系统边界，反映了当前的数据可用性和行业成熟度，同时为可持续性评估提供了透明且稳健的基础。大麻基材料与广泛使用的商业替代品进行了比较，包括挤塑聚苯乙烯(XPS)、石膏板、刨花板、中密度纤维板(MDF)和胶合板。

通过将技术性能和可持续性指标整合到一个统一的评估中，本研究旨在为政策制定者、建筑行业和研究人员提供信息，支持澳大利亚建筑环境脱碳的努力。

研究人员采用了两阶段方法。第一阶段对本地生产的大麻保温和板材产品进行了力学表征，以确定其抗压和抗弯性能。这些数据为定义基于性能的功能单元（1 m²·MPa）提供了依据，与LCSA文献中的最佳实践保持一致，确保材料间基于性能的可比性。第二阶段应用了作者先前开发的区域特异性LCSA框架，该框架整合了19个关键绩效指标(Key Performance Indicators, KPIs)，涵盖环境、经济和社会可持续性目标。这些KPIs被聚合为头部绩效指标(Head Performance Indicators, HPIs)，然后分组到TBL目标中，从而实现大麻基材料与传统对应物的全面可持续性比较。

技术评估涉及保温材料的抗压强度测试和板材的抗弯强度测试。样品制备按照EN 826:2013和AS/NZS 4266.1:2017标准进行。密度测试依据AS/NZS 4266.1进行。抗压强度测试使用Shimadzu AGS-X万能试验机进行，除记录抗压强度外，还获得了0.1%应变下的屈服强度、弹性模量和10%应变下的功等参数。抗弯强度测试采用三点弯曲法，使用相同的试验机，记录抗弯强度、弹性模量等相关参数。

可持续性评估遵循ISO 14040-44指南，包括目标与范围定义、清单分析(LCI)、影响评估(LCIA)和解释四个阶段。采用了基于性能的功能单元（1m²材料提供1MPa机械强度）。系统边界为从摇篮到大门，涵盖农业投入品的生产和运输、大麻种植、收获、运输到加工设施、脱皮、粘合剂生产、材料混合和压制。清单数据来自主要和次要来源。主要数据通过与大麻种植者和制造商的访谈和调查收集，次要数据来自澳大利亚国家生命周期清单数据库(AusLCI)、环境产品声明(EPDs)、IBISWorld以及类似建材制造商的财务和年度报告。

影响评估采用了19个KPIs，分布在TBL方面，并链接到相应的生命周期评估方法。环境KPIs通过ELCA评估，包括全球变暖、酸化、富营养化、陆地生态毒性、淡水生态毒性、海洋生态毒性、人类毒性、臭氧层消耗、能源消耗、土地利用、水资源利用和土壤有机碳。经济KPIs通过LCC分析，包括投资、利润率、碳抵消和生产成本。社会KPIs通过SLCA评估，包括创造就业和就业、生产过程中的健康与安全以及加工过程中的健康与安全。

这些KPIs作为主要数据点，并形成了一个层次结构。在中间层次，KPIs被分组为HPIs，以提供更广泛的可持续性维度的见解。在最高层次，可持续性评估与TBL目标保持一致。每个KPI、HPI和TBL目标都被赋予权重，反映其在可持续性评估中的相对重要性。

解释阶段评估了ELCA、LCC和SLCA工具的结果，以识别需要改进的TBL热点，解决系统内的可持续性绩效差距。一个关键的初步步骤是使用5点Likert量表，为澳大利亚背景下保温材料和板材相关的19个KPIs制定最小值和阈值。这些基准来自国家可持续性数据、政府报告、EPDs和制造商披露。通过差距分析系统计算了每种材料在KPI、HPI和TBL水平上的可持续性绩效差距，并最终汇总为可持续性分数。雷达图用于可视化层次结构中的绩效差距。

3.1. 机械性能评估

3.1.1. 保温材料

大麻基保温材料的平均密度为0.383 g·cm^-3，在10%应变下的抗压强度为1.597 MPa，是XPS（0.459 MPa）的三倍多。其较高的屈服强度（1.160 MPa）和弹性模量（33.47 MPa）也表明其结构比XPS更坚硬、更机械稳定。这种行为与先前的研究发现一致，即大麻基复合材料在EN 826协议下表现出准线性弹性变形，直至名义上10%的抗压应变。虽然XPS设计用于轻质保温（其较高的比性能证明了这一点），但其机械强度有限，使其不太适用于需要中等结构支撑的应用。相反，大麻基复合材料提供了更高的抗压强度，使其更适用于需要中等结构支撑或保温材料必须承受压缩载荷的情况。

3.1.2. 板材

大麻基板的平均密度为0.630 g·cm^-3，抗弯强度为12.404 MPa，与刨花板（12.471 MPa）几乎相同。这表明大麻hurds与适当的粘合剂结合并在足够的压制条件下，可以实现与传统木质刨花板相当的机械性能。相比之下，MDF表现出显著更高的抗弯强度（30.486 MPa）和能量吸收（2.487 kJ·m^-2），反映了其高密度和高度压缩的纤维结构。胶合板的表现优于所有测试材料，强度达到45.304 MPa，密度仅为0.538 g·cm^-3，这归功于其工程层压结构。石膏板虽然密度更高（0.781 g·cm^-3），但表现出最低的抗弯强度（2.087 MPa），表明密度 alone 并不能决定机械性能。总的来说，大麻基板的抗弯性能与当前住房行业中使用的刨花板极具竞争力。

3.2. 生命周期可持续性评估

大麻基保温材料的可持续性得分为-2.995，略低于XPS的-2.591。在环境方面，大麻保温材料总体表现更好（E: -1.818 vs. XPS: -2.511），特别是在全球变暖（E-1.1: -0.057 vs. -0.267）、水资源利用（E-3.3: 0.000 vs. -0.338）和土壤有机碳（E-4.1: 0.000 vs. -0.137）等KPI上表现出显著优势。这归因于其种植期间的生物源CO₂封存能力。然而，大麻保温材料在富营养化（E-1.3: -0.118 vs. -0.008）、陆地生态毒性（E-1.4: -0.260 vs. -0.019）、淡水生态毒性（E-1.5: -0.256 vs. -0.010）和海洋生态毒性（E-1.6: -0.248 vs. -0.006）方面表现出更高的差距，这与上游农业过程，特别是肥料使用有关。在经济上，大麻保温材料总体差距较小（Ec: -2.711 vs. -3.185），主要由碳抵消（Ec-1.3: 0.000 vs. -0.338）驱动，但其在利润率（Ec-1.2: -0.217 vs. -0.030）和投资（Ec-1.1: -0.241 vs. -0.153）方面差距较大，反映了其生产和加工的高成本。在社交方面，大麻保温材料差距较大（S: -4.457 vs. -2.077），在所有社交相关的KPIs上表现均不如XPS，包括创造就业（S-1.1: -0.154 vs. -0.006）和职业健康与安全（S-2.1: -0.289 vs. -0.227; S-2.2: -0.278 vs. -0.228），这归因于该行业的新生和分散性质以及缺乏标准化的健康安全程序。

大麻基板的可持续性得分为-2.567，处于评估材料的中游水平。其环境得分（E: -1.913）低于刨花板（-1.376）和MDF（-1.301），但高于胶合板（-2.259）和石膏板（-4.202）。它在全球变暖（E-1.1: -0.052）、能源消耗（E-3.1: 0.000）、土地利用（E-3.2: 0.000）和土壤有机碳（E-4.1: 0.000）等KPI上表现出竞争力。然而，它在富营养化（E-1.3: -0.228）、海洋生态毒性（E-1.6: -0.301）和人类毒性（E-2.1: -0.293）方面存在较大差距。经济上，其得分（Ec: -3.344）低于刨花板（-2.405）和石膏板（-2.183），但高于MDF（-3.972）和胶合板（-4.651）。它在碳抵消（Ec-1.3: -0.135）方面表现尚可，但在投资（Ec-1.1: -0.239）方面差距明显。社交方面，其表现（S: -2.444）与其他传统板材相当，但在健康与安全的生产（S-2.1: -0.035）和加工（S-2.2: 0.000）方面部分指标表现较好，这可能与其新兴和小规模运营有关。

3.3. 跨产品比较与启示

技术性能与LCSA的整合实现了功能等效的比较。两种大麻基产品均显示出令人满意的非结构应用性能。在可持续性方面，它们在全球变暖、土壤有机碳和碳抵消等气候相关指标上具有明显优势，证实了其作为低碳替代品的潜力。然而，上游环境负担（如富营养化、生态毒性）、经济可行性（投资高、利润低）和社交方面（就业创造和职业健康安全）的 trade-offs 也很明显。改进领域包括减少上游环境影响、通过政策激励和规模化提高经济可行性，以及规范大麻行业的安全和劳动标准。

3.4. 研究局限性

研究采用了从摇篮到大门的系统边界，未包含使用和报废阶段的影响。评估仅基于抗压和抗弯强度，未考虑导热性、热惯性、耐火性、隔音性和长期耐久性等其他关键性能。经济评估未包含长期运营节省、维护成本等。大麻基材料的具体成分因知识产权限制未完全披露。LCSA框架本身复杂且数据要求高，对新兴材料应用存在挑战。

本研究通过应用 techno-LCSA 框架，证实了澳大利亚本地生产的大麻基保温和板材在技术上的可行性，其机械性能可与传统材料相媲美。在可持续性方面，这些材料在环境维度（特别是全球变暖潜能、水资源利用和土壤有机碳）和经济维度（碳抵消）展现出显著优势，凸显了其作为低碳建筑材料的潜力。然而，研究也揭示了其在富营养化、生态毒性等环境指标，以及投资成本、盈利能力和社交指标（如就业创造和职业健康安全）方面的挑战。这些发现表明，大麻基材料并非在所有方面都优于传统替代品，但在特定可持续性目标上具有明确价值。

该研究的意义在于为政策制定者、行业从业者和研究人员提供了基于实证的决策支持，有助于推动大麻基建材在澳大利亚建筑环境脱碳中的应用。未来研究应扩展至从摇篮到坟墓的系统边界，纳入使用和报废阶段的影响评估，并整合热工性能、耐久性等多 criteria 功能单元，以更全面地评估生物基材料的综合效益。通过产业链整合、技术创新和政策支持，大麻基材料有望从有前景的替代品发展成为主流的可持续建筑解决方案，为应对气候变化和促进区域经济发展做出贡献。论文发表于《Materials Today Sustainability》。