Бетон - замечательный материал: самый удачный строительный материал. Это позволило нам осознать развитие, которое изменило наш мир, подняв население из нищеты с помощью инфраструктуры и поднявшись в небо с помощью небоскребов, достигающих облаков. Это дешево, просто и везде. Фактически, учитывая его прочность и долговечность, бетон предлагает невероятно экономичное решение многих строительных задач. Это также невероятно легко производить. Все, что нужно, - это заполнитель (песок и гравий), цемент и вода, и все, что вам нужно. Во всем мире мы производим около 40 миллиардов тонн бетонных изделий в год: достаточно бетона, чтобы обернуть восьмиполосную автомагистраль по всему миру, пятьдесят раз в год.
Организация Объединенных Наций предсказала, что в глобальном масштабе мы построим еще 230 млрд. М² общей площади в ближайшие 40 лет, что вдвое больше нынешней площади в зданиях мира. Подавляющее большинство из них будет в Африке и Азии, однако в Европе все еще ожидается значительный рост, и к 2060 году будет добавлено 25 млрд. М². Во многих ситуациях практической альтернативы бетону в настоящее время нет, и она будет иметь важную роль в удовлетворении спроса на новые здания и инфраструктуру.
Бетон - это низкоуглеродистый материал по весу. На килограмм бетона приходится только около 7% воплощенного углерода стали. Однако, с точки зрения плотности материала, кубический метр бетона имеет воплощенный углерод от 250 до 500 кг эКО2 / м3, что соответствует количеству барреля сырой нефти. Как тогда мы согласуем необходимость новых разработок с необходимостью сократить наши выбросы до чистого нуля всего за 30 лет? Это сводится к тому, чтобы найти способ продолжать использовать этот материал без выбросов, что требует сосредоточенности на компонентах бетона. Цемент - это магический ингредиент. Без этого у нас была бы просто куча мокрых камней.
Однако, как только вода начала гидратировать цемент, реакция приводит к тому, что цемент связывает песок и гравий в прочный и долговечный материал. Он начнет застывать через несколько часов, достигнув большей части своей силы за несколько дней, и будет продолжать укрепляться в течение следующих месяцев. Цемент - это ключ, но и проблема. Цемент составляет около 10-20% бетона по весу, но на него приходится до 90% воплощенного углерода. В результате на производство цемента приходится до 8% глобальных выбросов углекислого газа. Именно на этом мы должны сосредоточить наше внимание, если мы хотим иметь какой-либо шанс примирить этот материал в будущем с достижением наших целей.
Сокращение количества используемого нами бетона - относительно легкий шаг, и мы должны уже действовать. Бетон редко используется в полной мере; в большинстве случаев он используется в условиях низкого качества и низкого стресса. Даже в высотных зданиях будут участки из бетона, которые либо вообще не нагружены, либо не учитываются в проекте. Таким образом, легкие выигрыши состоят в использовании только бетона, когда это необходимо, исключении чрезмерного дизайна и оптимизации использования конструктивных элементов.
В докладе Кембриджского университета подчеркивается, что конструктивные элементы обычно рассчитаны на использование 80% их мощности - это после применения всех факторов безопасности. Помимо этого, есть более интересные возможности, которые позволили бы нам возродиться в ошеломляющих бетонных конструкциях, используя бетон в его наиболее эффективном применении - сжатие.
Бетон обладает высокой прочностью на сжатие, но плохой на растяжение, с пределом прочности на разрыв около 10% его прочности на сжатие. Чтобы справиться с этим, мы встраиваем стальную арматуру. Однако после цемента стальная арматура добавляет следующий по величине компонент воплощенного углерода, около 10-20% - поэтому мы должны быть осторожны, чтобы избежать ненужной арматуры.
Используя геометрию, можно отрегулировать форму, чтобы сохранить больше бетона в сжатии. Бетонные конструкции, которые требуют сложной опалубки, за последние полвека потеряли популярность из-за трудозатрат и последствий для программы. Однако сейчас мы находимся в момент, когда мы можем решить эти проблемы с помощью вычислительной мощности, передового цифрового производства и стремления к низкоуглеродистым конструкциям. Исследователи из ETH Zurich работали над тем, как применить вычислительный дизайн для создания некоторых структур только для сжатия, используя инновационные методы формования, чтобы вырезать ненужный бетон. Это может привести к визуально ошеломляющим, а также материально эффективным структурам. Как только мы научились разумно использовать бетон, мы также должны минимизировать количество цемента в бетоне. Часто используется больше цемента, чем необходимо для удовлетворения требований. Это связано с консерватизмом, стремлением к быстрому увеличению силы и отсутствием внимания к углероду. При исследовании Ramboll более 90 бетонных смесей, используемых в британских проектах, было обнаружено, что количество цемента в бетоне варьировалось от 300 кг / м3 до 525 кг / м3, даже для той же указанной прочности. Могут быть технические причины для использования большего количества цемента, но они не оправдывают эту степень вариации.
Основным типом цемента, используемого во всем мире, является портландцемент. Он создается путем нагревания известняка и глины до высокой температуры, чтобы химически изменить структуру и сделать его реагирующим с водой. За нагрев цемента приходится около 40% углерода в цементе, 10% связано с использованием электроэнергии технологическим оборудованием, а оставшиеся 50% связаны с диоксидом углерода, который выделяется химическим процессом непосредственно в качестве известняк нагревается.
Однако существуют альтернативы чистому портландцементу. Портландцемент можно смешивать с дополнительными вяжущими материалами (SCM), обычно отходами других отраслей. Это уже было сделано в некоторых случаях, но это могло бы быть сделано чаще, поскольку это предоставляет нам простой способ уменьшить углерод в цементе. Также возможно заменить до 80% портландцемента на СКМ в соответствии с текущими техническими правилами, хотя это может быть не всегда целесообразно. Двумя наиболее распространенными SCM являются дробленый доменный шлак и летучая зола, произведенные из доменных печей и электростанций, работающих на угле, соответственно. Таким образом, срок службы этих СКМ ограничен нашей необходимостью учитывать углеродоемкость этих отраслей.
Тем не менее, в настоящее время у нас есть достаточные запасы, и также ведется работа по доступу к многим миллионам тонн захороненной летучей золы, накопленной в ходе промышленной революции.
Помимо этих SCM, существуют новые цементы, использующие разные процессы при их изготовлении и разные реакции при действии в качестве связующего. Есть даже цементы, которые используют углекислый газ в воздухе в качестве реагента, фиксируя углерод в процессе отверждения. Эти зарождающиеся альтернативы предлагают многообещающие будущие возможности; хотя предстоит еще много работы, прежде чем они станут коммерчески жизнеспособными по сравнению с традиционным портландцементом. Существует также потенциал для улавливания и хранения углерода на заводах по производству портландцемента, что потенциально позволяет компенсировать выбросы углерода при производстве портландцемента, но это потребует значительного развития технологий и инвестиций в существующие объекты. Задача по устранению выбросов углекислого газа, связанных с бетоном, всего за 30 лет является сложной, но ее можно решить с помощью коллективных действий политиков, клиентов, подрядчиков, инженеров и промышленности. Для того, чтобы правительство Великобритании достигло своей юридически обязательной цели по чистому нулю к 2050 году, неизбежно, что воплощенный углерод будет нуждаться в регулировании (фактически, исследование по изменению климата было поручено исследованием изменения климата по заказу Комиссия в прошлом году). Во многих случаях строительный бизнес ставит перед собой еще более амбициозные цели, чем правительство, стремясь к нулевому уровню выбросов углерода в конце 2030-х или 2040-х годов. Таким образом, их стремления могут привести к изменениям быстрее, чем нормативные акты. Сотрудничество во всей отрасли может привести к увеличению спроса на низкоуглеродистый и углерод-нейтральный бетон. Мы можем ужесточить и сфокусировать наши спецификации на углероде, оценить, как можно решить строительные проблемы, и разработать новые цементы, добавки и процессы для сокращения углерода. Я считаю, что углеродное ограничение не душит, а будет стимулировать инновации, и мы можем обнаружить, что решения намного лучше, чем их предшественники с интенсивным выбросом углерода. Автор, Пол Эстл, главный инженер-строитель в Ramboll.