Σχεδιασμός τρισδιάστατα εκτυπωμένου σκυροδέματος για μεγαλύτερη απορρόφηση CO₂

Τα περιβαλλοντικά όρια του σκυροδέματος: κατανάλωση άμμου και εκπομπές CO₂

Τις τελευταίες δεκαετίες, το σκυρόδεμα έχει γίνει το κυρίαρχο υλικό στον κατασκευαστικό κλάδο, ιδίως σε πυκνοδομημένα αστικά περιβάλλοντα. Χάρη στο χαμηλό κόστος, την ευκολία χρήσης και τη δυνατότητα εφαρμογής του σε μεγάλη κλίμακα, έχει αντικαταστήσει σταδιακά τα τούβλα, την πέτρα και το ξύλο.

Ωστόσο, δεν είναι χωρίς προβλήματα.

Καταρχάς, η κατανάλωση πόρων για την παραγωγή του το καθιστά κάθε άλλο παρά βιώσιμο προϊόν. Απαιτεί τεράστιες ποσότητες άμμου, σε τέτοιο βαθμό ώστε, σύμφωνα με αναφορές, «ο κόσμος ξεμένει από άμμο».

Πηγή: Visual Capitalist

Η παραγωγή τσιμέντου είναι επίσης μια εξαιρετικά ενεργοβόρα δραστηριότητα. Τροφοδοτείται σχεδόν αποκλειστικά από ορυκτά καύσιμα, με αποτέλεσμα η παραγωγή τσιμέντου να ευθύνεται για το 8% των παγκόσμιων εκπομπών CO₂.

Το ποσοστό αυτό είναι συγκρίσιμο με τις εκπομπές των αυτοκινήτων και των φορτηγών, που ευθύνονται για το 10% των παγκόσμιων εκπομπών. Συνεπώς, η παραγωγή πιο βιώσιμου σκυροδέματος θα είχε αντίστοιχο αντίκτυπο με τη μετάβαση όλων των αυτοκινήτων του κόσμου σε ηλεκτρικά οχήματα και την αποκλειστική τροφοδότησή τους με πράσινη ενέργεια.

Ωστόσο, αυτές οι εκπομπές μπορούν να αντισταθμιστούν εν μέρει μέσω ενός φαινομένου που ονομάζεται ενανθράκωση, κατά το οποίο τα τσιμεντοειδή υλικά απορροφούν CO₂ από την ατμόσφαιρα.

Νέα μελέτη ερευνητών από το ETH Zurich (Ελβετία), το University of Bath (Ηνωμένο Βασίλειο) και το University of Manchester (Ηνωμένο Βασίλειο) εξετάζει κατά πόσο το τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα μπορεί να έχει μικρότερο αποτύπωμα άνθρακα από το συμβατικό σκυρόδεμα, χάρη στην ταχύτερη ενανθράκωση. Για το εκτυπωμένο σκυρόδεμα που εξετάστηκε στον πύργο Tor Alva, οι ερευνητές εκτίμησαν ότι η ενανθράκωση θα μπορούσε να αντισταθμίσει περίπου το 21% του αρχικού αποτυπώματος άνθρακα σε διάστημα 50 ετών.

Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο Cement and Concrete Research¹, με τίτλο «(Επανα)ενανθράκωση: μια νέα ευκαιρία για βιώσιμο τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα».

Σκυρόδεμα και CO₂

Ο βασικός λόγος για τον οποίο το σκυρόδεμα αποτελεί σημαντική πηγή παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα είναι η ασβεστοποίηση του ασβεστόλιθου (CaCO₃), κατά την οποία αυτός διασπάται σε CO₂ και οξείδιο του ασβεστίου/άσβεστο (CaO). Στη συνέχεια, η άσβεστος συντήκεται αμέσως με πυρίτιο (SiO₂), αλουμίνα (Al₂O₃) και οξείδιο του σιδήρου (Fe₂O₃) από άργιλο ή σχιστόλιθο, σχηματίζοντας το τελικό τσιμέντο.

«Το μεγαλύτερο μέρος αυτών των εκπομπών (συνήθως 60% [2]) οφείλεται στην ασβεστοποίηση του ασβεστόλιθου (CaCO₃), ο οποίος διασπάται σε CO₂ και οξείδιο του ασβεστίου (CaO), πριν από τη διαδικασία κλινκεροποίησης που πραγματοποιείται στον κλίβανο. Οι υπόλοιπες εκπομπές CO₂ από την παραγωγή τσιμέντου συνδέονται κυρίως με τα ορυκτά καύσιμα που απαιτούνται για την παραγωγή θερμικής ενέργειας.»

Αυτές οι εκπομπές άνθρακα μπορούν να αντισταθμιστούν εν μέρει στο επόμενο στάδιο, όταν το τσιμέντο χρησιμοποιείται για την κατασκευή έργων από σκυρόδεμα.

Στη σκληρυμένη τσιμεντόπαστα, τα προϊόντα ενυδάτωσης που περιέχουν ασβέστιο αντιδρούν αργά με το CO₂ του αέρα και σχηματίζουν ανθρακικά άλατα ασβεστίου, δεσμεύοντας έτσι CO₂.

«Από την άποψη της βιωσιμότητας, η ίδια αντίδραση δέσμευσης CO₂ μπορεί να χαρακτηριστεί (επανα)ενανθράκωση. Η ποσότητα αυτή αντιστοιχεί σε περίπου 43% των εκπομπών CO₂ που συνδέονται με την παραγωγή τσιμέντου.»

Ωστόσο, η διαδικασία της ενανθράκωσης έχει και μειονεκτήματα. Μειώνει την αλκαλικότητα του διαλύματος στους πόρους του σκυροδέματος, γεγονός που με τη σειρά του μπορεί να αποσταθεροποιήσει το παθητικό υμένιο που υπάρχει στον χαλύβδινο οπλισμό. Αυτό μπορεί να προκαλέσει διάβρωση του χάλυβα και να μειώσει τη διάρκεια ζωής των συμβατικών κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα.

Αυτό μπορεί να αποτελέσει σοβαρό πρόβλημα για τα σκυροδέματα χαμηλών εκπομπών άνθρακα, καθώς τείνουν να ενανθρακώνονται ταχύτερα από το συμβατικό σκυρόδεμα Portland.

Τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος

Ένα παράδειγμα από τον πραγματικό κόσμο

Στο πλαίσιο των νέων μεθόδων κατασκευής που αξιοποιούν την ψηφιακή κατασκευή με σκυρόδεμα, η τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος είναι η πιο διαδεδομένη και πολλά υποσχόμενη τεχνολογία.

Για να αξιολογήσουν το πραγματικό αποτύπωμα άνθρακα αυτής της τεχνικής, οι συγγραφείς της μελέτης ανέπτυξαν μια μεθοδολογία για τη δυναμική αξιολόγηση του κύκλου ζωής της (LCA). Ως μελέτη περίπτωσης από τον πραγματικό κόσμο, χρησιμοποίησαν τον τρισδιάστατα εκτυπωμένο πύργο «Tor Alva» στο χωριό Mulegns, στις Ελβετικές Άλπεις, εστιάζοντας στις διακλαδισμένες κολόνες και τον τρούλο που είχαν κατασκευαστεί με τρισδιάστατη εκτύπωση.

Source: Έρευνα Γιγαντιαίου και Συγκολλητικού

Αρχικά, μέτρησαν την ενανθράκωση με τρεις διαφορετικές μεθόδους: η πρώτη βασίστηκε σε επιταχυμένες δοκιμές (σε θάλαμο ενανθράκωσης που διατηρήθηκε σε συνθήκες 4% CO₂, 67% σχετικής υγρασίας και 20 °C), ενώ οι άλλες δύο βασίστηκαν σε αποτελέσματα φυσικής ενανθράκωσης: άμεση μέτρηση του βάθους ενανθράκωσης και ποσοτικοποίηση των ανθρακικών αλάτων/CO₂ μέσω θερμοσταθμικής ανάλυσης.

Προσδιορισμός του πραγματικού ρυθμού ενανθράκωσης

Για να προβάλουν τις επιπτώσεις της ενανθράκωσης που παρατηρήθηκε, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν χρονικό ορίζοντα 50 ετών. Επίσης, συνέκριναν τα αποτελέσματα για την κατασκευή από τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα με εκείνα μιας κατασκευής από σκυρόδεμα επιτόπου χυτευμένου, με παρόμοια εξωτερική γεωμετρία και παρόμοια σύνθεση τσιμέντου.

Διαπίστωσαν ότι στην περιοχή του σκυροδέματος που ενανθρακώνεται, αντιδρούσε όλο το διαθέσιμο υλικό και απορροφούσε CO₂.

«Στην περιοχή που έχει υποστεί ενανθράκωση, η ποσότητα δεσμευμένου CO₂ κυμαίνεται μεταξύ 44,16 και 51 g CO₂/100 g ενυδατωμένου συνδετικού υλικού. Η δεύτερη τιμή αντιστοιχεί σε ποσότητα CO₂ αρκετή για να αποασβεστοποιήσει όλο το διαθέσιμο ένυδρο πυριτικό ασβέστιο.»

Πηγή: Έρευνα για το τσιμέντο και το σκυρόδεμα

Το επόμενο ερώτημα ήταν πόσο από το τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα θα δεσμεύσει πράγματι άνθρακα κατά τη διάρκεια ζωής του. Αναλύοντας τη διείσδυση της διαδικασίας ενανθράκωσης μέσω επιταχυνόμενων δοκιμών, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μέσα σε 50 χρόνια θα είχε ενανθρακωθεί το 86% του εκτυπωμένου κονιάματος που χρησιμοποιήθηκε στον πύργο, δηλαδή συνολικά 32 m3 εκτυπωμένου σκυροδέματος που έχει υποστεί ενανθράκωση.

Πηγή: Έρευνα για το τσιμέντο και το σκυρόδεμα

Κατά τη σύγκριση αυτών των αποτελεσμάτων με μετρήσεις φυσικής ενανθράκωσης, η άμεση μέτρηση του βάθους ενανθράκωσης έδωσε παρόμοιο ποσοστό (89%). Οι μέθοδοι υπολόγισαν διαφορετικό βαθμό ενανθράκωσης, όμως τα ποσοστά αυτά δεν μετρούν άμεσα τη συνολική πρόσληψη CO₂. Οι ερευνητές εξηγούν ότι οι δείκτες pH μπορεί να μην καταγράψουν σημαντική απορρόφηση που έχει ήδη συντελεστεί προτού αλλάξει χρώμα το υλικό. Η θερμοσταθμική ανάλυση μετρά άμεσα την πρόσληψη και στηρίζει την εκτίμηση ότι το αποτύπωμα άνθρακα του εκτυπωμένου σκυροδέματος μειώθηκε κατά 21%, έναντι 14% με βάση τις μετρήσεις pH της φυσικής ενανθράκωσης.

Πηγή: Έρευνα για το τσιμέντο και το σκυρόδεμα

Σε σύγκριση με την κατασκευή που χυτεύτηκε επιτόπου, το αποτύπωμα άνθρακα του Tor Alva είναι μικρότερο, χάρη στη χρήση 25% λιγότερου σκυροδέματος και στην καλύτερη ενανθράκωση.

«Παρότι περιέχει 25% λιγότερο τσιμεντοειδές υλικό, η κατασκευή από τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα μπορεί να δεσμεύσει 2,5 φορές περισσότερο CO₂ από την κατασκευή αναφοράς που χυτεύτηκε επιτόπου (4,6 tCO₂ για την εκτυπωμένη κατασκευή και 1,9 tCO₂ για την κατασκευή που χυτεύτηκε επιτόπου).»

Βελτιωμένη δέσμευση άνθρακα

Η μελέτη δείχνει ότι η ταχεία ενανθράκωση μπορεί να αυξήσει τη δέσμευση άνθρακα από το σκυρόδεμα, μειώνοντας σημαντικά τις συνολικές εκπομπές άνθρακα σε όλο τον κύκλο ζωής ενός κτιρίου. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για κατασκευές από σκυρόδεμα χωρίς χαλύβδινους οπλισμούς, καθώς και για το τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα, χάρη στην ταχύτερη ενανθράκωσή του.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι οι κύκλοι ψύξης και απόψυξης, όπως στην υπό εξέταση περίπτωση των Ελβετικών Άλπεων, πιθανότατα επηρέασαν τόσο τις οριακές συνθήκες όσο και τις εσωτερικές ιδιότητες μεταφοράς που καθορίζουν την κίνηση της υγρασίας και του CO₂.

Πηγή: Έρευνα για το τσιμέντο και το σκυρόδεμα

Στην πράξη, αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι το τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα σε θερμότερα κλίματα μπορεί να λειτουργήσει ως ακόμη αποτελεσματικότερη καταβόθρα άνθρακα, αλλά απαιτείται περαιτέρω μελέτη για να επιβεβαιωθεί.

«Το πάγωμα του νερού στους πόρους θα μπορούσε να φράξει εν μέρει το δίκτυο των πόρων και, επομένως, να μειώσει την αποτελεσματική μεταφορά και να επιβραδύνει την ενανθράκωση. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι οι επιδράσεις των χαμηλών θερμοκρασιών —είτε οφείλονται σε μερική απόφραξη των πόρων, σε μεταβολές της κατάστασης υγρασίας είτε σε συνδυασμό των δύο— θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την περιγραφή της ενανθράκωσης σε τέτοιες περιβαλλοντικές συνθήκες.»

Αυτό ανοίγει επίσης νέους δρόμους για τη βελτιστοποίηση της τρισδιάστατης εκτύπωσης σκυροδέματος. Η βελτιστοποίηση της ενανθράκωσης θα μπορούσε να αποτελέσει μια επιπλέον παράμετρο στη γεωμετρική βελτιστοποίηση κατασκευών από τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα, ώστε η επιφάνειά τους να εκτίθεται όσο το δυνατόν περισσότερο στην ενανθράκωση.

Αυτό δεν σημαίνει ότι το τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα είναι μια κατασκευαστική μέθοδος μηδενικών εκπομπών άνθρακα. Ακόμη και με βελτιστοποιημένη ενανθράκωση, οι εκπομπές κατά την ασβεστοποίηση για την παραγωγή τσιμέντου παραμένουν σημαντικές. Και, φυσικά, ο άνθρακας που θα επαναπορροφηθεί μέσα σε 50 χρόνια θα συμβάλει σημαντικά στην κλιματική αλλαγή στο μεταξύ.

Ωστόσο, αν οι εκπομπές άνθρακα δεσμεύονταν στο εργοστάσιο παραγωγής τσιμέντου, η μεταγενέστερη ενανθράκωση του κτιρίου από σκυρόδεμα θα μπορούσε πράγματι να μετατρέψει τέτοιες υποδομές σε καθαρή καταβόθρα άνθρακα, παρότι είναι κατασκευασμένες από σκυρόδεμα.

Το τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα είναι πολύ πιθανότερο να πετύχει πρώτο αυτόν τον στόχο, συνδυάζοντας βελτιστοποιημένη γεωμετρία, συνδετικά υλικά χαμηλών εκπομπών άνθρακα και κατάλληλο οπλισμό. Αυτό θα μπορούσε, με τη σειρά του, να δημιουργήσει μια ευκαιρία για τους προμηθευτές δομικών υλικών.

Επενδύοντας στην προηγμένη τεχνολογία σκυροδέματος

CRH

Ως ένας από τους κορυφαίους παραγωγούς τσιμέντου παγκοσμίως, η CRH θα διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στη μετατροπή των κατασκευών με τσιμέντο σε έναν πιο βιώσιμο κλάδο. Κατατάσσεται στην πρώτη θέση ως προς τον συνολικό όγκο δομικών υλικών που προμηθεύει τόσο στις αγορές των ΗΠΑ όσο και της Ευρώπης.

Πηγή: CRH

Η εταιρεία δραστηριοποιείται σε 28 χώρες και 3.390 τοποθεσίες, απασχολεί 78.500 εργαζομένους, ενώ η CRH Americas πραγματοποιεί το 65% των παγκόσμιων πωλήσεών της. Είναι επίσης με μεγάλη διαφορά η μεγαλύτερη εταιρεία τσιμέντου, θέση που ενισχύθηκε ακόμη περισσότερο με την πρόσφατη εξαγορά της Arcosa.

«Η συναλλαγή ενισχύει τη θέση της CRH ως ηγέτιδας στον κλάδο των αδρανών υλικών στις ΗΠΑ, αλλά και παγκοσμίως, και αυξάνει την έκθεσή της σε ορισμένες από τις ταχύτερα αναπτυσσόμενες Μητροπολιτικές Στατιστικές Περιοχές (MSA) των ΗΠΑ.»

Πηγή: CRH

Η CRH αναμένει ότι οι ισχυρές δαπάνες των κυβερνήσεων της Δύσης για υποδομές θα συμβάλουν στην ανάπτυξη των δραστηριοτήτων της. Αναμένεται επίσης να τη βοηθήσουν οι τάσεις της επαναβιομηχάνισης και της επαναφοράς της παραγωγής προϊόντων υψηλής τεχνολογίας στη χώρα.

Η CRH έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στον τομέα της βιωσιμότητας, υλοποιώντας μια σειρά πρωτοβουλιών:

• Είναι ο μεγαλύτερος φορέας ανακύκλωσης στη Βόρεια Αμερική: το 2023 ανακύκλωσε 43,9 εκατομμύρια τόνους αποβλήτων και υποπροϊόντων από άλλες βιομηχανίες.
• Το 2023 μείωσε τις εκπομπές CO₂ κατά 8%, χάρη στη χρήση εναλλακτικών καυσίμων σε ποσοστό 36% στα εργοστάσια τσιμέντου της.
• Στόχος της είναι να μειώσει τις εκπομπές κατά 30% έως το 2030, σε σύγκριση με τα επίπεδα του 2021.

Η CRH συμβάλλει επίσης στην προώθηση ουσιαστικότερων αλλαγών στον κλάδο. Συγκεκριμένα, επένδυσε 75 εκατ. δολάρια στην Sublime, εταιρεία παραγωγής τσιμέντου χαμηλών εκπομπών άνθρακα, μαζί με τον ευρωπαϊκό κολοσσό σκυροδέματος Holcim.

Η Sublime Systems αποσχίστηκε από το MIT το 2020, με στόχο να χρησιμοποιήσει ηλεκτρολύτη για την παραγωγή τσιμέντου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, αντικαθιστώντας τους κλιβάνους που καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας και ορυκτών καυσίμων. Η προσέγγισή της επιτρέπει επίσης τη χρήση πηγών ασβεστίου ως πρώτης ύλης, αποφεύγοντας την έκλυση CO₂ από τον ασβεστόλιθο.

Η πρώτη εμπορική μονάδα της Sublime στο Holyoke αναμένεται να ανοίξει το νωρίτερο το 2026. Αν αποδειχθεί επιτυχημένη, θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά τον κλάδο του τσιμέντου και να ανοίξει τον δρόμο για την παραγωγή σκυροδέματος χαμηλών εκπομπών σε μεγάλη κλίμακα.

Η CRH επένδυσε επίσης σε άλλες νεοφυείς επιχειρήσεις που δραστηριοποιούνται στην απανθρακοποίηση και τη βιωσιμότητα:

• 23,7 εκατ. ευρώ στην Cool Planet Technologies, η οποία αναπτύσσει λύσεις δέσμευσης άνθρακα για βιομηχανίες στις οποίες η απανθρακοποίηση ήταν παραδοσιακά δύσκολη.
• 34,7 εκατ. δολάρια από την CRH και άλλους επενδυτές στην Carbon Upcycling Technologies, η οποία χρησιμοποιεί μια πλήρως ηλεκτρική λύση ανοργανοποίησης για να αποθηκεύει μόνιμα CO₂ σε βιομηχανικά υποπροϊόντα και ορυκτά, όπως το τσιμέντο, τα πλαστικά, τα καταναλωτικά προϊόντα, τα λιπάσματα και τα φαρμακευτικά προϊόντα.
• Η AICrete είναι μια πλατφόρμα «συνταγή ως υπηρεσία» που συνεργάζεται με τοπικούς παραγωγούς σκυροδέματος, βελτιστοποιώντας τη χρήση τοπικών υλικών και περιορίζοντας την ποσότητα τσιμέντου με τη βοήθεια αναλύσεων τεχνητής νοημοσύνης. Έτσι μειώνει τόσο το αποτύπωμα CO₂ όσο και το κόστος παραγωγής σκυροδέματος.
• Η χρηματοδότηση Σειράς Β της FIDO AI αφορά μια νεοφυή επιχείρηση που χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη για να μειώσει την κατανάλωση νερού και να αυξήσει την εξοικονόμησή του.

Τέλος, η CRH επενδύει επίσης στην τρισδιάστατη εκτύπωση σκυροδέματος (3DCP) μέσω της θυγατρικής της Amerimix.

Συνολικά, η CRH είναι μια κερδοφόρα ηγετική εταιρεία στον κλάδο του σκυροδέματος και των κατασκευών και προετοιμάζεται ενεργά για την απανθρακοποίηση του κλάδου, τόσο άμεσα, στις υφιστάμενες εγκαταστάσεις της, όσο και ως σημαντικός πάροχος κεφαλαίων σε καινοτόμες νεοφυείς επιχειρήσεις που αναπτύσσουν τεχνολογίες παραγωγής τσιμέντου και σκυροδέματος νέας γενιάς, μεταξύ άλλων για την απανθρακοποίηση και την τρισδιάστατη εκτύπωση.

Τελευταία νέα και εξελίξεις για τη μετοχή της CRH (CRH)

Μελέτη που αναφέρεται

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Επανα)ανθράκωση: Μια νέα ευκαιρία για βιώσιμο σκυρόδεμα τρισδιάστατης εκτύπωσης. Cement and Concrete Research. Δεκέμβριος 2026. Άρθρο: 108411. Τόμος 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}