Beton var, er og vil fortsat være et kritisk strukturelt materiale – hvordan kan vi omgå dets mangler?

Begrænsninger ved beton

Beton er blevet det centrale byggemateriale i de seneste årtier, især i tætte bymiljøer. Det har gradvist erstattet mursten, sten og træ takket være sin lave pris, nemme anvendelse og skalerbarhed.

Men det er ikke uden problemer.

Bæredygtighed

Først er det langt fra et bæredygtigt produkt med hensyn til de forbrugte ressourcer. Det forbruger enorme mængder sand, så meget at det er blevet beskrevet, at verden “løber tør for sand”.

Kilde: Visual Capitalist

Produktionen af cement er også en meget energikrævende aktivitet. Den drives næsten udelukkende af fossile brændstoffer, hvilket resulterer i, at cementproduktionen er ansvarlig for 8 % af verdens CO2-udledning.

Dette kan sammenlignes med CO2-udledningen fra biler og varevogne, som er ansvarlige for 10 % af verdens samlede emissioner. Så at gøre beton mere bæredygtig ville have samme effekt som at omdanne alle verdens biler til elbiler og kun drive dem med grøn energi.

Holdbarhed

Hvis betongårde holdt i århundreder, kunne vi i det mindste betragte sandforbruget og CO2-udledningen som noget, der blev gjort én gang for alle, med bygningen stående i lang tid derefter.

Men dette er langt fra virkeligheden. Stålforstærkede betongårde, som udgør størstedelen af det, der bygges i dag, har en gennemsnitlig levetid på kun 50–100 år. De skal derefter nedrives fuldstændigt, murbrokker fjernes og begraves et sted, og så bygges de op forfra.

Ny beton-teknologier

Den kombination af høje miljøomkostninger og manglende holdbarhed betyder, at beton skal forbedres. Selvfølgelig kunne vi teoretisk set vende helt tilbage til kun at bruge sten, ler og træ som grundmaterialer til byggeri. Men betons praktikalitet og lave pris gør det meget svært at fjerne den fra sin position som arkitekternes foretrukne materiale.

Fjernelse af stål

Den centrale årsag til den lave holdbarhed i moderne beton er stålarmeringen (forstærkningsstang), der er indsat i den. Stålarmering giver vigtige strukturelle fordele ved radikalt at forbedre betons trækstyrke (evnen til at modstå at blive trukket eller strakt).

Problemet er, at stål, som for det meste består af jern, til sidst ruster. Når det ruster, udvider det sig og får betonen omkring det til at revne. Dette kaldes ofte betonkræft, og det er grunden til, at forstærket beton kun holder så længe.

Kilde: USNW Sydney

Grafenbeton

Mens vi opfinder nye materialer, kan nye løsninger anvendes på beton. Ved at tilsætte grafen til beton, et enestående 2D-materiale, forskerne ved University of Virginia har formået at øge betons ydeevne, samtidig med at de gør den mere holdbar og reducerer kulstofudledninger.

Det blev offentliggjort i Journal of Building Engineering under titlen “Rheologisk, mekanisk og miljømæssig ydeevne af printbare grafenforstærkede cementkompositter med kalksten og kalket ler.”

De fokuserede på beton, der anvendes i 3D-printmetoder, et emne vi dækkede mere detaljeret i “Boligejerskab er mere begrænsende end nogensinde før i Nordamerika – Kan 3D-print ændre dette?”.

Den grafenforstærkede LC2-beton kunne reducere drivhusgasudledninger med cirka 31 % sammenlignet med traditionelle printbare betonso blandinger. Dette skyldes, at i stedet for at bruge stål, som i sig selv er en stor kulstofudleder ved produktion, anvendte de grafen, som er lavet af ren kulstof. Så i det mindste for forstærkningsdelen fanger denne nye beton kulstof i stedet for at udlede det.

Alligevel er cementdelen stadig den samme kulstofintensive proces, men dette er et godt første skridt.

Og fordi grafen er meget mere stabilt og ikke oxiderer (ruster), bør denne type beton være sikker mod betonkræft. Hvis den resulterende bygning holder meget længere, vil det betyde langt færre emissioner på lang sigt.

Hamp-armering

Avancerede materialer som grafen er måske ikke den eneste mulighed. Det er positivt, da grafen i øjeblikket er ret dyrt, hvilket kan hæmme kommercialiseringen af denne højtydende, lavemissionsbeton.

Hamp (den ikke-psykoaktive art af cannabisplanter) bruges i stigende grad i byggematerialer. Når den er korrekt forarbejdet, kan den omdannes til isoleringsmateriale, hampblokke til små bygninger og endda hemcrete (hamp+beton).

Kilde: 2050 Materials

Den kan også formes til armering for beton i form af Natural Fiber-Reinforced Thermoplastic (NFRT) kompositarmering, eller hamp-armering, ved at blande hampbaseret reb med en termoplastisk hylster.

Kilde: CASE

Da hamp er en plantefiber, er den kulstofnegativ og binder atmosfærisk kulstof. Hamp er også meget modstandsdygtig og ikke-brandfarlig.

Selvhelbredende beton

Ikke al beton holder kun et par årtier. Nogle former for beton har faktisk været robuste nok til at holde i årtusinder, tilbage fra Romerriget. For eksempel er den berømte Pantheon verdens største uforstærkede betondome og blev bygget i år 128 e.Kr.

Den første nøgle er, at sådanne betonstrukturer ikke brugte nogen armering. De blev også lavet med specielle materialer, såsom vulkanske sten og aske, der gjorde betonen delvist selvreparerende.

Så selvom det måske ikke er fuldt skalerbart, da vulkanske sten ikke er så udbredte som sand, kan det være en mulighed for mange konstruktioner, der ikke virkelig har brug for armering og sandsynligvis ikke vil skulle genopbygges.

Opvarmning af beton

Udover korrosion er en anden faktor, der kan beskadige betongårde, fryse‑tø cyklusser om vinteren. Hver gang udvider vandet sig, når det fryser til is, og chipper lidt beton eller forårsager revner. Over tid kan dette udvikle sig til stadig mere alvorlige skader.

I “Selvvarmende beton kan hjælpe vores veje, akviferer og pengepunge” udforskede vi, hvordan lavtemperatur faseændringsmateriale (PCM) kan indarbejdes i mikrokapsler af paraffin og direkte blandes i beton.

Dette kan hjælpe med at holde betonen frostfri ved temperaturer omkring 0 °C og reducere behovet for vintervedligeholdelse af veje.

Kulstoffri cement

Da cementens kulstofudledning er næsten lige så høj som bilernes, er der behov for en vigtig forbedring for at reducere eller fuldstændigt fjerne de tilknyttede kulstofudledninger, hvilket er lettere sagt end gjort.

Grøn energi

Da cementproduktion kræver meget varme, skal vi se udviklingen af elektriske eller termiske alternativer til fossile ovne og calcinerere.

Dette er ikke nødvendigvis en meget kompleks teknisk opgave, men det vil tage tid at se hele industrien skifte deres udstyr og adoptere denne nye teknologi.

Derudover er elektriske alternativer til fossile brændstofbaserede industrielle processer kun så grønne som den elektricitet, de bruger. Så en stabil forsyning af kulstoffri elektricitet er også påkrævet.

Kalkstensrelaterede emissioner

Et stort problem ved at fjerne kulstofudledninger fra cementproduktion er, at ikke alle emissionerne stammer fra den forbrugte energi. Hvis det var tilfældet, ville det alene at bruge grøn elektricitet til at opvarme kalkstenen til cement være nok.

Men selve kalkstenen, den grundlæggende råvare til cement, er en CO2‑udleder, ifølge denne formel (med Δ=varme): CaCO3 + Δ → CaO + CO2 i en proces kaldet calcination.

• Erstatning af kalksten: ved at bruge calciumsilicat i stedet for calciumcarbonat (kalksten) foreslår virksomheden Brimstone at skabe kulstoffri cement.
  • Da calciumsilicat er et meget udbredt mineral, er dette primært et spørgsmål om at udvikle teknologien og gøre den kommercielt konkurrencedygtig.
• Kulstoffangst: da de fleste cementproduktionsanlæg i øjeblikket bruger fossile brændstofbaserede calcinerere og kalksten, kan det være lettere at fange emissionerne end at undgå dem.
  • Et første pilotanlæg, der producerer cement på denne måde, er allerede i drift i Norge og kan være en model at følge.

Bæredygtigt cementfirma

Som en af verdens førende inden for cementproduktion vil CRH spille en afgørende rolle i at gøre cementbyggeri til en mere bæredygtig industri. Det er nummer 1 i samlet volumen af byggematerialer leveret i både USA‑ og europamarkederne.

Virksomheden er aktiv i 28 lande og 3.390 lokationer, beskæftiger 78.500 medarbejdere, og CRH Americas udgør 65 % af dens globale salg i 2023.

Virksomheden forventer, at kraftige investeringer fra vestlige regeringer i infrastruktur vil hjælpe med at vækste forretningen. Tendenserne med reindustrialisering og hjemflytning af højteknologisk produktion bør også hjælpe.

Bæredygtighed

CRH har gjort alvorlige fremskridt inden for bæredygtighed med en række initiativer:

• Det er den største genbruger i Nordamerika, med 43,9 millioner ton affald og biprodukter fra andre industrier genanvendt i 2023.
• Det reducerede sine CO2‑emissioner med 8 % i 2023 takket være brug af 36 % alternative brændstoffer i sine cementanlæg.
• Det sigter mod en reduktion af emissionerne med 30 % inden 2030 (sammenlignet med emissionerne i 2021).

Dette er prisværdigt i sig selv, men kan betragtes som for lidt, for sent.

Heldigvis er CRH også en drivkraft for mere grundlæggende ændringer i industrien. Især har den investeret 75 millioner dollars i lavkulstof‑cementvirksomheden Sublime sammen med den europæiske betongigant Holcim.

Sublime Systems blev afspundet fra MIT i 2020 for at anvende en elektrolyseapparat til at producere cement ved stuetemperatur, hvilket erstatter energikrævende og fossile brændstofintensive ovne. Det muliggør også brug af calciumkilder som inputmateriale, hvilket undgår frigivelse af CO2 fra kalkstensinput.

Sublime’s første kommercielle anlæg i Holyoke forventes at åbne allerede i 2026. Hvis det viser sig at være succesfuldt, kan det blive den reelle game‑changer for cementindustrien og åbne vejen for skalerbar lavemissionsbeton.

“Sublime er en disruptiv kraft inden for cementproduktion. Dens unikke teknologi påvirker hele produktionsprocessen, fra brug af ren elektricitet til kulstoffri råmaterialer. Vi er begejstrede for dens potentiale og glade for at samarbejde om at bringe den på markedet i stor skala. Denne investering er fuldt i overensstemmelse med Holcims strategi om at accelerere afkarboniseringen af byggeri ved at skalere de mest innovative teknologier.”
Officer Nollaig Forrest – Holcims chef for bæredygtighed

• 23,7 million € i Cool Planet Technologies, der udvikler kulstoffangstløsninger til industrier, som traditionelt har været svære at afkarbonisere.
• 34,7 million $ fra CRH og andre investorer i Carbon Upcycling Technologies, som bruger en fuldt elektrisk mineraliseringsløsning til permanent at lagre CO2 i industrielle biprodukter og mineraler, såsom cement, plast, forbrugerprodukter, gødning og lægemidler.
• AICrete, en ‘opskrift‑som‑en‑service’ platform, der arbejder med lokale betonproducenter, optimerer lokale materialer og minimerer mængden af cement ved brug af AI‑analyser, hvilket reducerer både CO2‑aftrykket og omkostningerne ved betonproduktion.
• FIDO AI’s Serie B‑finansiering er en startup, der bruger AI til at reducere vandforbruget og øge vandbesparelser.

Alt i alt er CRH en profitabel leder i betonindustrien og forbereder sig meget aktivt på industriens afkarbonisering, både direkte i eksisterende anlæg og ved at være en førende kapitaludbyder til innovative startups, der skaber næste generation af cement‑ og betonproduktions‑teknologi.