Δομικό σκυρόδεμα στο μέλλον του μηδενικού άνθρακα
Το τσιμέντο είναι

 

έιναι το πιο επιτυχημένο υλικό. Μας επέτρεψε να την ανάπτυξη που έχει αλλάξει τον κόσμο μας, απαλλάσοντας τους πληθυσμούς από τη φτώχεια μέσω των υποδομών  με ουρανοξύστες που φτάνουν στα σύννεφα.

Είναι φθηνό, απλό και παντού. Στην πραγματικότητα, δεδομένης της αντοχής του, το σκυρόδεμα προσφέρει μια απίστευτα οικονομική λύση σε πολλές κατασκευαστικές προκλήσεις. Είναι επίσης εξαιρετικά εύκολο στην παραγωγή. Το μόνο που χρειάζεται είναι αδρανή (άμμος και χαλίκι), τσιμέντο και νερό.  Σε παγκόσμιο επίπεδο, παράγουμε περίπου 40 δισεκατομμύρια τόνους προϊόντων σκυροδέματος ετησίως: αρκετό σκυρόδεμα για να περιβάλλει έναν αυτοκινητόδρομο οκτώ λωρίδων σε όλο τον κόσμο, πενήντα φορές, κάθε χρόνο.

Τα Ηνωμένα Έθνη έχουν προβλέψει ότι σε παγκόσμιο επίπεδο, θα κατασκευάσουμε άλλα 230 δισεκατομμύρια m² εμβαδού τα επόμενα 40 χρόνια, διπλασιάζοντας την τρέχουσα επιφάνεια του δαπέδου στα κτίρια του κόσμου. Η συντριπτική πλειοψηφία αυτού θα είναι στην Αφρική και την Ασία, ωστόσο αναμένεται να υπάρξει σημαντική ανάπτυξη στην Ευρώπη, με 25 δισεκατομμύρια m² να προστεθούν έως το 2060. Σε πολλές περιπτώσεις δεν υπάρχει επί του παρόντος πρακτική εναλλακτική λύση έναντι του σκυροδέματος, και θα έχει σημαντικό ρόλο στην κάλυψη της ζήτησης για νέα κτίρια και υποδομές.

Το σκυρόδεμα είναι ένα υλικό χαμηλού άνθρακα, κατά βάρος. Ανά χιλιόγραμμο, το σκυρόδεμα έχει μόνο περίπου 7% του ενσωματωμένου άνθρακα από χάλυβα. Ωστόσο, όσον αφορά την πυκνότητα του υλικού, ένα κυβικό μέτρο σκυροδέματος έχει ενσωματωμένο άνθρακα μεταξύ 250kg-500kg eCO2 / m3, παρόμοια ποσότητα με εκείνη ενός βαρελιού αργού πετρελαίου.

Πώς λοιπόν θα συμφιλιώσουμε την ανάγκη για νέα ανάπτυξη με την ανάγκη μείωσης των εκπομπών μας στο καθαρό μηδέν σε μόλις 30 χρόνια;

Προκύπτει έτσι επιτακτική η ανάγκη να βρεθεί ένας τρόπος να συνεχίσουμε να χρησιμοποιούμε αυτό το υλικό χωρίς τις εκπομπές, απαιτώντας εστίαση στα συστατικά του σκυροδέματος.

Το τσιμέντο είναι το μαγικό συστατικό. Χωρίς αυτό, θα έχουμε απλώς ένα σωρό από υγρές πέτρες. Ωστόσο, όταν το νερό έχει αρχίσει να ενυδατώνει το τσιμέντο, η αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα το τσιμέντο να συνδέσει την άμμο και το χαλίκι μαζί σε ένα ισχυρό και ανθεκτικό υλικό. Θα αρχίσει να σκληραίνει μέσα σε λίγες ώρες, επιτυγχάνοντας το μεγαλύτερο μέρος της αντοχής του σε ημέρες και συνεχίζει να ενισχύεται για τους επόμενους μήνες. Το τσιμέντο είναι το κλειδί, αλλά και το πρόβλημα.

Το τσιμέντο αντιπροσωπεύει περίπου το 10-20% του σκυροδέματος κατά βάρος, αλλά αντιπροσωπεύει έως και το 90% του ενσωματωμένου άνθρακα. Ως αποτέλεσμα, η παραγωγή τσιμέντου ευθύνεται για έως και 8% των παγκόσμιων εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Εδώ πρέπει να στρέψουμε την προσοχή μας εάν θέλουμε να συμφιλιωθούμε χρησιμοποιώντας αυτό το υλικό στο μέλλον με την επίτευξη των στόχων μας.

Πιστεύω ότι ο περιορισμός του άνθρακα δεν θα καταπνίξει, αλλά θα καταλύσει την καινοτομία, και μπορεί να διαπιστώσουμε ότι οι λύσεις είναι πολύ καλύτερες από τους προκατόχους τους με έντονο άνθρακα.

Paul Astle κύριος μηχανικών δομικών της Ramboll.

Η μείωση της ποσότητας του σκυροδέματος που χρησιμοποιούμε είναι ένα σχετικά εύκολο βήμα που θα πρέπει να παρθεί σύντομα. Το σκυρόδεμα χρησιμοποιείται σπάνια στο μέγιστο των δυνατοτήτων του. Στις περισσότερες εφαρμογές χρησιμοποιείται σε χαμηλού βαθμού κατάσταση χαμηλού στρες. Ακόμα και σε πολυώροφα κτίρια, θα υπάρχουν περιοχές από σκυρόδεμα που είτε δεν έχουν καθόλου άγχος είτε έχουν μειωθεί στο σχεδιασμό. Επομένως, οι εύκολες νίκες συνίστανται μόνο στη χρήση σκυροδέματος όταν είναι απαραίτητο, στην αποκοπή του υπερβολικού σχεδιασμού και στη βελτιστοποίηση της χρήσης δομικών στοιχείων.

Μια έκθεση του Πανεπιστημίου του Cambridge τόνισε ότι τα δομικά στοιχεία συνήθως έχουν σχεδιαστεί μόνο για να χρησιμοποιούν το 80% της χωρητικότητάς τους – αυτό συμβαίνει μετά την εφαρμογή όλων των παραγόντων ασφαλείας. Πέρα από αυτό, υπάρχουν πιο ενδιαφέρουσες ευκαιρίες που θα μας επέτρεπαν να έχουμε μια αναγέννηση σε εκπληκτικές κατασκευές σκυροδέματος, χρησιμοποιώντας σκυρόδεμα στην πιο αποτελεσματική εφαρμογή – συμπίεση του.

Το σκυρόδεμα είναι ισχυρό σε συμπίεση, αλλά χαμηλό σε ένταση, με αντοχή εφελκυσμού περίπου 10% της αντοχής σε θλίψη. Για να το αντιμετωπίσουμε αυτό, ενσωματώσαμε ενίσχυση χάλυβα. Ωστόσο, μετά το τσιμέντο, η ενίσχυση από χάλυβα προσθέτει το επόμενο μεγαλύτερο συστατικό του ενσωματωμένου άνθρακα, περίπου στο 10-20% – οπότε πρέπει να είμαστε προσεκτικοί και για να αποφύγουμε την περιττή ενίσχυση.

Χρησιμοποιώντας τη γεωμετρία, είναι δυνατή η προσαρμογή της φόρμας για να διατηρείται περισσότερο από το σκυρόδεμα σε συμπίεση. Οι κατασκευές από σκυρόδεμα, οι οποίες απαιτούν περίπλοκο ξυλότυπο, δεν ευνοήθηκαν τον τελευταίο μισό αιώνα λόγω του κόστους εργασίας και των επιπτώσεων του προγράμματος. Ωστόσο, βρισκόμαστε τώρα σε μια στιγμή που μπορούμε να αντιμετωπίσουμε αυτές τις προκλήσεις με υπολογιστική ισχύ, προηγμένη ψηφιακή κατασκευή και μια κίνηση για δομές χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Οι ερευνητές στο ETH Zurich εργάζονται για το πώς να εφαρμόσουν υπολογιστικό σχεδιασμό για να δημιουργήσουν κάποιες μόνο δομές συμπίεσης χρησιμοποιώντας καινοτόμες τεχνικές σχηματισμού για να κόψουν το περιττό σκυρόδεμα. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε οπτικά εντυπωσιακές καθώς και ουσιαστικά αποδοτικές κατασκευές.

Μόλις μάθουμε να χρησιμοποιούμε το σκυρόδεμα με σύνεση, πρέπει επίσης να ελαχιστοποιήσουμε την ποσότητα τσιμέντου στο σκυρόδεμα. Συχνά, χρησιμοποιείται περισσότερο τσιμέντο από ό, τι απαιτείται για την κάλυψη των απαιτήσεων. Αυτό οφείλεται στον συντηρητισμό, στην επιθυμία για γρήγορη αύξηση της δύναμης και στην έλλειψη εστίασης στον άνθρακα. Σε μια μελέτη της Ramboll πάνω από 90 μιγμάτων σκυροδέματος που χρησιμοποιήθηκαν σε έργα του Ηνωμένου Βασιλείου, διαπιστώθηκε ότι η ποσότητα τσιμέντου στο σκυρόδεμα κυμαινόταν από 300 kg / m3 έως 525 kg / m3, ακόμη και για την ίδια καθορισμένη αντοχή. Μπορεί να υπάρχουν τεχνικοί λόγοι για τη χρήση περισσότερου τσιμέντου, αλλά δεν δικαιολογούν αυτόν τον βαθμό διακύμανσης.

Ο κύριος τύπος τσιμέντου που χρησιμοποιείται παγκοσμίως είναι το τσιμέντο Portland. Δημιουργείται με θέρμανση ασβεστόλιθου και αργίλου σε υψηλή θερμοκρασία για να αλλάξει χημικά τη δομή και να αντιδράσει με το νερό. Η θέρμανση του τσιμέντου ευθύνεται για περίπου το 40% του άνθρακα στο τσιμέντο, το 10% σχετίζεται με τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας του εξοπλισμού επεξεργασίας και το υπόλοιπο 50% σχετίζεται με το διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο εκπέμπεται άμεσα από τη χημική διεργασία ως ο ασβεστόλιθος θερμαίνεται.

Υπάρχουν, ωστόσο, εναλλακτικές λύσεις για το τσιμέντο Portland. Το τσιμέντο Portland μπορεί να αναμειχθεί με συμπληρωματικά τσιμεντοειδή υλικά (SCM), συνήθως απόβλητα από άλλες βιομηχανίες. Αυτό έχει ήδη γίνει σε ορισμένες περιπτώσεις, αλλά θα μπορούσε να γίνει πιο συχνά, καθώς παρουσιάζει έναν εύκολο τρόπο για εμάς να μειώσουμε τον άνθρακα στο τσιμέντο. Είναι επίσης δυνατό να αντικατασταθεί έως και το 80% του τσιμέντου Portland με SCM με τους τρέχοντες τεχνικούς κωδικούς, αν και μπορεί να μην είναι πάντα κατάλληλο να γίνει. Τα δύο πιο συνηθισμένα SCM είναι το Ground Granulated Blast Slag και το Fly Ash, που παράγονται από χάλυβα υψικαμίνους και σταθμούς με καύση άνθρακα αντίστοιχα. Η διάρκεια ζωής αυτών των SCM περιορίζεται επομένως από την ανάγκη μας να αντιμετωπίσουμε επίσης τα επίπεδα παραγωγής άνθρακα αυτών των βιομηχανιών.

Παρ’ όλα αυτά, έχουμε επαρκή εφοδιασμό επί του παρόντος και υπάρχει επίσης έργο σε εξέλιξη για την πρόσβαση στους πολλούς εκατομμύρια τόνους χωματερής Fly Ash που έχει συσσωρευτεί κατά τη διάρκεια της βιομηχανικής επανάστασης.

Πέρα από αυτά τα SCM, υπάρχουν νέα τσιμέντα που χρησιμοποιούν διαφορετικές διεργασίες στην κατασκευή τους και διαφορετικές αντιδράσεις όταν ενεργούν ως συνδετικά. Υπάρχουν ακόμη και τσιμέντα που χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα στον αέρα ως αντιδραστήριο, κλειδώνοντας τον άνθρακα καθώς θεραπεύουν. Αυτές οι νεογέννητες εναλλακτικές προσφέρουν πολλά υποσχόμενες μελλοντικές ευκαιρίες αν και υπάρχει πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει πριν είναι εμπορικά βιώσιμες σε σύγκριση με το παραδοσιακό τσιμέντο Portland.

Υπάρχει επίσης η δυνατότητα δέσμευσης και αποθήκευσης άνθρακα στα εργοστάσια παραγωγής τσιμέντου Portland, επιτρέποντας ενδεχομένως τον παραγόμενο άνθρακα να αντισταθμιστεί κατά την παραγωγή τσιμέντου Portland, αλλά αυτό θα απαιτούσε σημαντική ανάπτυξη της τεχνολογίας και των επενδύσεων σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις.

Η πρόκληση για την εξάλειψη των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα που σχετίζονται με το σκυρόδεμα σε μόλις 30 χρόνια είναι τρομακτική, αλλά μπορεί να επιτευχθεί με συλλογική δράση από φορείς χάραξης πολιτικής, πελάτες, εργολάβους, μηχανικούς και βιομηχανία. Προκειμένου η κυβέρνηση του Ηνωμένου Βασιλείου να επιτύχει τον νομικά δεσμευτικό στόχο του καθαρού μηδέν έως το 2050, είναι αναπόφευκτο ότι ο ενσωματωμένος άνθρακας θα πρέπει να ρυθμιστεί (στην πραγματικότητα, μια μελέτη για το πώς θα μπορούσε να ρυθμιστεί ο ενσωματωμένος άνθρακας στους κανονισμούς δόμησης ανατέθηκε από την κλιματική αλλαγή Επιτροπή πέρυσι).

Σε πολλές περιπτώσεις οι κατασκευαστικές επιχειρήσεις έχουν ακόμη πιο φιλόδοξους στόχους από την κυβέρνηση, αναζητώντας μια θέση μηδενικού άνθρακα στα τέλη της δεκαετίας του 2030 ή του 2040. Ως εκ τούτου, οι προσδοκίες τους μπορεί να οδηγήσουν την αλλαγή ταχύτερα από τους κανονισμούς. Η συνεργασία σε ολόκληρο τον κλάδο θα μπορούσε να δει αύξηση της ζήτησης για σκυρόδεμα με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα και ουδέτερο άνθρακα. Μπορούμε να σφίξουμε και να επικεντρώσουμε τις προδιαγραφές μας γύρω από τον άνθρακα, να αξιολογήσουμε πώς μπορούν να ξεπεραστούν τα κατασκευαστικά ζητήματα και να αναπτύξουμε νέα τσιμέντα, πρόσθετα και διαδικασίες για τη μείωση του άνθρακα. Πιστεύω ότι ο περιορισμός του άνθρακα δεν θα καταπνίξει, αλλά θα καταλύσει την καινοτομία, και μπορεί να διαπιστώσουμε ότι οι λύσεις είναι πολύ καλύτερες από τους προκατόχους τους με έντονο άνθρακα.

Related Posts

Leave a comment

Αυτός ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για να μειώσει τα ανεπιθύμητα σχόλια. Μάθετε πώς υφίστανται επεξεργασία τα δεδομένα των σχολίων σας.