R&D 100 Awards／AI低碳無機聚合混凝土技術

「AI低碳无机聚合混凝土技术」以全循环材料并以AI动态智慧配方技术，精准控制水泥品质，相比传统水泥，可大幅减少90%碳排。

【撰文／陈怡如】

迈入净零排放时代，扮演建材要角的水泥也要更加低碳。工研院研发「AI低碳无机聚合混凝土技术」，以全循环材料制成「低碳水泥」，并以AI动态智慧配方技术，精准控制水泥品质，相比传统水泥，可大幅减少90%碳排，荣获2024全球百大科技研发奖。

在大楼、桥梁、隧道等建筑中，全都少不了水泥的身影，但水泥在生产过程中，却会排放大量二氧化碳。根据McKinsey数据显示，全球约有7％碳排来自水泥业，在低碳风潮下，如何降低水泥碳排成了关注焦点。

工研院材料与化工研究所组长邱国创指出，水泥碳排大致可分为两阶段，前段开采和运输约占总碳排30%，后段经1,500度高温锻烧制成熟料水泥则占70%，每生产1公吨的水泥，就产生高达900公斤的二氧化碳，碳排惊人。

在水泥产业之外，台湾钢铁业也有大量炉碴、炉石等副产品需要去化，在循环经济思维下，团队以循环材料为主体，以常温的无机聚合反应技术，取代高温锻烧制程，不仅大幅降低水泥碳排，更催生新世代的绿色建材。

化学能取代热能　大幅减少碳排

所谓的无机聚合反应，是利用铝矽酸盐，于常温碱性环境下产生胶结反应，使产品具有机械强度。邱国创举例，就像农民历中的食物中毒表，某些特定食物个别吃都没问题，但如果两个同时吃的话，可能就会引起身体不适。

「我们的技术，就是让不应该碰在一起的物质，全都碰在一起，加入酸碱诱发化学反应，以化学能取代热能。」这样的方式，不仅不用开采全新料源，制作过程也不需要高温锻烧，加水一样也能凝固硬化，相比传统水泥，可大幅减少高达90%的碳排。

过去团队投入无机聚合技术已久，但应用在循环材料上却有全新挑战，「最大关卡就是料源变异度极大，」传统的水泥制程配方固定，但循环材的原料复杂，每批的元素组成也大不相同，大幅提高配方排列组合的复杂度，因而影响产出水泥的特性和强度，若光靠人工实验找出最佳配方解，十分旷日废时。

不仅原料组成复杂，还要兼顾化学反应的先后顺序及反应速度，不是一次把原料全都倒入搅拌，就能完工。邱国创笑说，以前研发工业产品，都希望无机聚合反应愈快愈好，马上就能变成产品销售，但水泥不是，从原来的循环材原料开始，到预拌成半成品、半成品输送，再到现场施工硬化，最后水泥强度的成果，是要等水泥干掉20天后才能显现，「这个过程的每一步都要监控，每一个化合反应都要了解。」

AI助攻　找出最佳配方组合

面对复杂的配方计算和化合反应，团队导入AI智慧平台，只要输入每批循环材的元素组成资讯，AI便会动态一键生成最佳化配方，不仅操作方式简单，又能确保产品品质，有助后续商业化落地，「水泥最重要的就是信赖度问题，这么多循环材料回来，都要变成一个稳定产品，技术才有推广的可能。」

但训练AI模型又是另一道关卡。循环材料源太多，每隔几天才能产出一笔实验资料，短时间内很难累积大量的样本数据。团队发展的AI系统，是以小数据生成大数据，先由AI产生初步配方，再经由团队实验验证配方组合是否达到需求，接着产生新数据，再丢回AI系统，不断训练之下，AI愈趋精准，目前准确率已经超过8成。

邱国创坦言，若光靠人工计算和实验，可能3年都做不完；但导入AI以后，团队大概只花了不到1年的时间进行实验验证，就找到最佳化配方，大幅缩短研发时间。不仅强度和传统水泥一样，也可依据客户要求调整配方，生产不同强度和耐磨耗度的水泥。

循环材的原料复杂，每批的元素组成也大不相同，大幅提高配方排列组合的复杂度。

去化钢铁副产品　打造循环经济

由于建材要求强度，目前台湾因法规问题，这种新型态的水泥还无法应用在建筑结构上，但工研院已和预拌厂业者合作，将新兴的低碳水泥用于边坡、护堤等非结构型的公共工程上。

回首这些年的研发历程，邱国创有感而发地说，每当在实验室小量验证可行后，就要放大到实场验证阶段，团队用货车把料源一吨一吨载到现场预拌，亲自体会现场操作的问题，「你如果没有到大太阳下去晒一下，了解工人的辛苦，你不会知道配方应该怎么改，才能被使用者接受。」

起初老师傅有时会质疑配方，但看到成品愈来愈有模有样，也逐渐信服，当第一块水泥产品真正试验成功时，也是团队最有成就感的时刻，「工研院很多的研究，不是为了现在，而是瞄准未来需求。」未来在低碳与碳税议题的双重压力下，加上水泥料源愈来愈稀缺，相信低碳水泥的应用空间也会更加宽广。