Το Σκυρόδεμα Ήταν, Είναι και Θα Συνεχίσει να Είναι Κρίσιμο Δομικό Υλικό – Πώς Μπορούμε να Παρακάμψουμε τα Ελαττώματά του;

Περιορισμοί του Σκυροδέματος

Το σκυρόδεμα έχει γίνει το κεντρικό υλικό στην κατασκευή τις τελευταίες δεκαετίες, ιδιαίτερα σε πυκνά αστικά περιβάλλοντα. Έχει αντικαταστήσει σταδιακά το τούβλο, την πέτρα και το ξύλο, χάρη στο χαμηλό κόστος, την ευκολία χρήσης και την κλιμακωσιμότητά του.

Αλλά δεν είναι χωρίς προβλήματα.

Βιωσιμότητα

Πρώτα, είναι μακριά από το να είναι βιώσιμο προϊόν όσον αφορά τους καταναλισκόμενους πόρους. Καταναλώνει τεράστιες ποσότητες άμμου, σε σημείο που έχει περιγραφεί ότι ο κόσμος «τρέχει από την άμμο».

Πηγή: Visual Capitalist

Η παραγωγή τσιμέντου είναι επίσης μια δραστηριότητα με πολύ υψηλή ενεργειακή κατανάλωση. Είναι επίσης σχεδόν εξ ολοκλήρου τροφοδοτούμενη από ορυκτά καύσιμα, με αποτέλεσμα η παραγωγή τσιμέντου να ευθύνεται για το 8 % των παγκόσμιων εκπομπών CO₂.

Αυτό μπορεί να συγκριθεί με τις εκπομπές CO₂ των αυτοκινήτων και βαν, που ευθύνονται για το 10 % των παγκόσμιων εκπομπών. Έτσι, η βελτίωση της βιωσιμότητας του σκυροδέματος θα είχε αντίκτυπο ίσο με την αλλαγή όλων των αυτοκινήτων του κόσμου σε ηλεκτρικά οχήματα και την τροφοδοσία τους αποκλειστικά με πράσινη ενέργεια.

Ανθεκτικότητα

Αν τα κτίρια από σκυρόδεμα διέθεταν αιωνιότητα, τουλάχιστον θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε ότι η κατανάλωση άμμου και οι εκπομπές CO₂ ήταν κάτι που έγινε μία φορά για πάντα, με την κατασκευή να παραμένει για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Αλλά αυτό είναι μακριά από την πραγματικότητα. Τα κτίρια με ενισχυμένο σκυρόδεμα, η πλειονότητα των σημερινών κατασκευών, έχουν μέση διάρκεια ζωής μόλις 50‑100 χρόνια. Στη συνέχεια πρέπει να κατεδαφιστούν εντελώς, τα συντρίμμια να απομακρυνθούν και να ταποθετηθούν κάπου, και να ξαναχτιστούν από την αρχή.

Νέες Τεχνολογίες Σκυροδέματος

Αυτός ο συνδυασμός υψηλών περιβαλλοντικών κόστους και έλλειψης ανθεκτικότητας σημαίνει ότι το σκυρόδεμα χρειάζεται βελτίωση. Φυσικά, θα μπορούσαμε θεωρητικά να επιστρέψουμε εντελώς στη χρήση μόνο πέτρας, πηλού και ξύλου ως βασικά υλικά κατασκευής. Ωστόσο, η πρακτικότητα και το χαμηλό κόστος του σκυροδέματος το καθιστούν πολύ δύσκολο να αφαιρεθεί από τη θέση του ως προτιμώμενο υλικό των αρχιτεκτόνων.

Αφαίρεση του Χάλυβα

Ο κεντρικός ένοχος στη χαμηλή ανθεκτικότητα του σύγχρονου σκυροδέματος είναι η χάλυβη ενίσχυση (rebar) που ενσωματώνεται σε αυτό. Η χάλυβη ενίσχυση παρέχει σημαντικά δομικά πλεονεκτήματα, βελτιώνοντας ριζικά την εφελκτική αντοχή του σκυροδέματος (την ικανότητα να αντιστέκεται σε τράβηγμα ή έκταση).

Το πρόβλημα είναι ότι ο χάλυβας, ο οποίος αποτελείται κυρίως από σίδηρο, τελικά σκουριάζει. Κατά τη σκουριά, διαστέλλεται, προκαλώντας ρωγμές στο γύρω σκυρόδεμα. Αυτό συχνά αποκαλείται «καρκίνος του σκυροδέματος» και είναι ο λόγος που το ενισχυμένο σκυρόδεμα διαρκεί μόνο για τόσο λίγο.

Πηγή: USNW Sydney

Γραφένιο Σκυρόδεμα

Καθώς εφευρίσκουμε νέα υλικά, νέες λύσεις μπορούν να εφαρμοστούν στο σκυρόδεμα. Προσθέτοντας γραφένιο στο σκυρόδεμα, ένα εξαιρετικό 2Δ υλικό, ερευνητές του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια κατάφεραν να ενισχύσουν την απόδοση του σκυροδέματος, καθιστώντας το πιο ανθεκτικό και μειώνοντας τις εκπομπές άνθρακα.

Δημοσιεύτηκε στο Journal of Building Engineering με τίτλο «Ρηολογική, μηχανική και περιβαλλοντική απόδοση εκτυπώσιμων γραφενίου‑ενισχυμένων τσιμεντοειδών συνθετικών με ασβεστολιθικό και καψαλισμένο πηλό».

Επικεντρώθηκαν στο σκυρόδεμα που χρησιμοποιείται σε μεθόδους 3D εκτύπωσης, ένα θέμα που καλύψαμε λεπτομερέστερα στο «Η Ιδιοκτησία Σπιτιού Είναι Πιο Απαγορευτική Ποτέ Πριν στη Βόρεια Αμερική – Μπορεί η 3D Εκτύπωση να Το Αλλάξει;».

Το γραφένιο‑ενισχυμένο σκυρόδεμα LC2 θα μπορούσε να μειώσει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά περίπου 31 % σε σύγκριση με τα παραδοσιακά εκτυπώσιμα μείγματα σκυροδέματος. Αυτό συμβαίνει επειδή αντί να χρησιμοποιούν χάλυβα, ο οποίος είναι μεγάλος εκπομπέας άνθρακα κατά την παραγωγή του, χρησιμοποίησαν γραφένιο, το οποίο αποτελείται από καθαρό άνθρακα. Έτσι, τουλάχιστον για το ενισχυτικό τμήμα, αυτό το νέο σκυρόδεμα απορροφά άνθρακα αντί να τον εκλύει.

Παρόλα αυτά, το τσιμεντοειδές τμήμα παραμένει η ίδια διαδικασία εντατικής εκπομπής άνθρακα, αλλά αυτό είναι ένα καλό πρώτο βήμα.

Και επειδή το γραφένιο είναι πολύ πιο σταθερό και δεν οξειδώνεται (δεν σκουριάζει), αυτό το είδος σκυροδέματος θα πρέπει να είναι ασφαλές από τον «καρκίνο του σκυροδέματος». Εάν το κτίριο που προκύπτει διαρκέσει πολύ περισσότερο, θα σημαίνει πολύ λιγότερες εκπομπές μακροπρόθεσμα.

Κάνναβη Ενίσχυση

Προηγμένα υλικά όπως το γραφένιο μπορεί να μην είναι η μόνη επιλογή. Αυτό είναι καλό, καθώς το γραφένιο είναι, προς το παρόν, αρκετά ακριβό, κάτι που θα μπορούσε να εμποδίσει την εμπορευματοποίηση αυτών των υψηλών επιδόσεων, χαμηλών εκπομπών σκυροδέματος.

Η κάνναβη (η μη ψυχοδραστική ποικιλία φυτών κάνναβης) χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο σε υλικά κατασκευής. Όταν επεξεργάζεται σωστά, μπορεί να μετατραπεί σε μονωτικό υλικό, μπλοκ κάνναβης για μικρά κτίρια, και ακόμη hempcrete (κάνναβη+σκυρόδεμα).

Πηγή: 2050 Materials

Μπορεί επίσης να διαμορφωθεί σε ενίσχυση για σκυρόδεμα με τη μορφή Σύνθεσης Ενισχυμένου Φυτικού Ινών‑Θερμοπλαστικού (NFRT) ενίσχυσης, ή κάνναβης ενίσχυσης, αναμειγνύοντας σχοινί από κάνναβη με θήκη από θερμοπλαστικό.

Πηγή: CASE

Καθώς η κάνναβη είναι φυτικό ίνα, είναι αρνητική ως προς τον άνθρακα, κλειδώνεται ο ατμοσφαιρικός άνθρακας. Επιπλέον, η κάνναβη είναι πολύ ανθεκτική και μη‑φλεγόμενη.

Αυτο‑θεραπευόμενο Σκυρόδεμα

Δεν όλα τα σκυρόδεμα διαρκούν μόνο μερικές δεκαετίες. Μερικές μορφές σκυροδέματος ήταν στην πραγματικότητα τόσο ανθεκτικές ώστε να διαρκούν χιλιετίες, από τη Ρωμαϊκή Αυτοκρατορία. Για παράδειγμα, ο διάσημος Παρθενώνας είναι η μεγαλύτερη μη‑ενισχυμένη σκυροδεματική θόλος του κόσμου και χτίστηκε το 128 μ.Χ.

Το πρώτο κλειδί είναι ότι αυτές οι δομές σκυροδέματος δεν χρησιμοποίησαν καμία ενίσχυση. Δημιουργήθηκαν επίσης με ειδικά υλικά, όπως ηφαιστειογενείς πέτρες και τέφρα, που έκαναν το σκυρόδεμα κάπως αυτο‑επισκευαστικό.

Έτσι, ενώ μπορεί να μην είναι απόλυτα κλιμακώσιμο, με τις ηφαιστειογενείς πέτρες που δεν είναι τόσο άφθονες όσο η άμμος, θα μπορούσε να είναι μια επιλογή για πολλές κατασκευές που δεν χρειάζονται πραγματικά ενίσχυση και είναι απίθανο να χρειαστούν ανακατασκευή.

Θέρμανση Σκυροδέματος

Πέρα από τη διάβρωση, ένας άλλος παράγοντας που μπορεί να καταστρέψει κτίρια από σκυρόδεμα είναι οι κύκλοι παγώματος‑λιώματος το χειμώνα. Κάθε φορά, το νερό διαστέλλεται όταν παγώνει σε πάγο, σπάζοντας λίγο το σκυρόδεμα ή προκαλώντας ρωγμές. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό μπορεί να εξελιχθεί σε ολοένα και πιο σοβαρές ζημιές.

Στο «Αυτο‑θερμαινόμενο Σκυρόδεμα Μπορεί να Βοηθήσει τους Δρόμους, τα Υδροφόρα Στρώματα και τα Πορτοφόλια μας», εξετάσαμε πώς υλικά φάσης χαμηλής θερμοκρασίας (PCM) μπορούν να ενσωματωθούν σε μικρο‑καψούλες παραφίνης και να αναμειχθούν απευθείας στο σκυρόδεμα.

Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει το σκυρόδεμα να παραμένει χωρίς παγωνιά σε θερμοκρασίες γύρω στους 0 °C και να μειώσει τις ανάγκες συντήρησης των δρόμων το χειμώνα.

Τσιμέντο Χωρίς Άνθρακα

Με τις εκπομπές άνθρακα του τσιμέντου σχεδόν ίσες με αυτές των αυτοκινήτων, απαιτείται μια σημαντική βελτίωση για τη μείωση ή την πλήρη εξάλειψη των σχετικών εκπομπών άνθρακα, κάτι που είναι πιο εύκολο να πει κανείς παρά να υλοποιηθεί.

Πράσινη Ενέργεια

Καθώς η παραγωγή τσιμέντου απαιτεί πολύ θερμότητα, πρέπει να δούμε την ανάπτυξη ηλεκτρικών ή θερμικών εναλλακτικών λύσεων στα φούρνους και τις καψαλιστικές μονάδες που βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα.

Αυτό δεν είναι απαραίτητα μια πολύπλοκη τεχνική εργασία, αλλά η αλλαγή όλης της βιομηχανίας ώστε να αλλάξει τον εξοπλισμό της και να υιοθετήσει αυτή τη νέα τεχνολογία θα πάρει χρόνο.

Επιπλέον, οι ηλεκτρικές εναλλακτικές λύσεις για βιομηχανικές διαδικασίες που βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα είναι πράσινες μόνο όσο η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιούν. Έτσι, απαιτείται επίσης σταθερή παροχή ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς άνθρακα.

Εκπομπές Σχετικές με Ασβεστολιθικό

Ένα μεγάλο ζήτημα με την αφαίρεση των εκπομπών άνθρακα από την παραγωγή τσιμέντου είναι ότι δεν προέρχονται όλες οι εκπομπές από την ενέργεια που καταναλώνεται. Αν αυτό ήταν η περίπτωση, η χρήση πράσινης ηλεκτρικής ενέργειας για τη θέρμανση του ασβεστολιθικού σε τσιμέντο θα ήταν αρκετή.

Αλλά το ίδιο το ασβεστολιθικό, το βασικό ακατέργαστο υλικό για τσιμέντο, είναι εκπομπέας CO₂, σύμφωνα με αυτόν τον τύπο (με Δ=θερμότητα): CaCO3 + Δ → CaO + CO2 σε μια διαδικασία που ονομάζεται ασβεστοποίηση.

Αλλά υπάρχουν κάποιες εναλλακτικές:

• Αντικατάσταση του ασβεστολιθικού: χρησιμοποιώντας πυριτικό ασβέστιο, αντί για ανθρακικό ασβέστιο (ασβεστολιθικό), η εταιρεία Brimstone προτείνει τη δημιουργία τσιμέντου χωρίς άνθρακα.
  • Καθώς το πυριτικό ασβέστιο είναι ένα πολύ άφθονο ορυκτό, αυτό είναι κυρίως ζήτημα ανάπτυξης της τεχνολογίας και καθιστώντας την εμπορικά ανταγωνιστική.
• Διέλευση άνθρακα: καθώς προς το παρόν, οι περισσότερες μονάδες παραγωγής τσιμέντου χρησιμοποιούν φούρνους που τροφοδοτούνται με ορυκτά καύσιμα και ασβεστολιθικό, μπορεί να είναι πιο εύκολο να συλληφθούν οι εκπομπές παρά να αποφευχθούν.
  • Μια πρώτη πιλοτική μονάδα που παράγει τσιμέντο με αυτόν τον τρόπο λειτουργεί ήδη στη Νορβηγία και θα μπορούσε να αποτελέσει πρότυπο προς μίμηση.

Βιώσιμη Εταιρεία Τσιμέντου

Ως ένας από τους παγκόσμιους ηγέτες στην παραγωγή τσιμέντου, η CRH θα είναι καθοριστική για τη μετατροπή της κατασκευής τσιμέντου σε πιο βιώσιμη βιομηχανία. Είναι η #1 σε συνολικό όγκο κατασκευαστικών υλικών που παρέχονται τόσο στις ΗΠΑ όσο και στις ευρωπαϊκές αγορές.

Η εταιρεία δραστηριοποιείται σε 28 χώρες και 3.390 τοποθεσίες, απασχολώντας 78.500 άτομα, με τη CRH Americas να συνεισφέρει το 65 % των παγκόσμιων πωλήσεων του 2023.

Η εταιρεία αναμένει ότι η ισχυρή δαπάνη των δυτικών κυβερνήσεων σε υποδομές θα βοηθήσει στην ανάπτυξη της επιχείρησής της. Οι τάσεις της επανεξέλιξης της βιομηχανίας και της επαναφοράς υψηλής τεχνολογίας παραγωγής στο εσωτερικό θα πρέπει επίσης να βοηθήσουν.

Βιωσιμότητα

Η CRH έχει σημειώσει σοβαρή πρόοδο στη βιωσιμότητα με μια σειρά πρωτοβουλιών:

• Είναι ο #1 μεγαλύτερος ανακυκλωτής στη Βόρεια Αμερική, με 43,9 εκατομμύρια τόνους αποβλήτων και παραπροϊόντων από άλλες βιομηχανίες που ανακυκλώθηκαν το 2023.
• Μείωσε τις εκπομπές CO₂ κατά 8 % το 2023, χάρη στη χρήση 36 % εναλλακτικών καυσίμων στα τσιμεντοποιεία της.
• Στοχεύει σε μείωση των εκπομπών κατά 30 % έως το 2030 (σε σύγκριση με τις εκπομπές του 2021).

Αυτό είναι αξιοθαύμαστο από μόνο του, αλλά μπορεί να θεωρηθεί ως πολύ λίγα, πολύ αργά.

Ευτυχώς, η CRH είναι επίσης κινητήριος δύναμη για πιο θεμελιώδεις αλλαγές στη βιομηχανία. Συγκεκριμένα, επένδυσε 75 εκατομμύρια δολάρια στην εταιρεία χαμηλού άνθρακα τσιμέντου Sublime, μαζί με τον ευρωπαϊκό γίγαντα σκυροδέματος Holcim.

Sublime Systems δημιουργήθηκε από το MIT το 2020 για να χρησιμοποιεί ηλεκτρολύτη στην παραγωγή τσιμέντου σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος, αντικαθιστώντας τους ενεργοβόρους και ορυκτό‑καυσίμου φούρνους. Επιτρέπει επίσης τη χρήση πηγών ασβεστίου ως υλικού εισόδου, αποφεύγοντας την απελευθέρωση CO₂ από το ασβεστολιθικό.

Η πρώτη εμπορική εγκατάσταση της Sublime στο Holyoke αναμένεται να ανοίξει νωρίς το 2026. Εάν αποδειχθεί επιτυχής, θα μπορούσε να είναι ο πραγματικός παράγοντας αλλαγής για τη βιομηχανία τσιμέντου και θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για κλιμακώσιμο χαμηλών εκπομπών σκυροδέματος.

«Η Sublime είναι μια διαταραγτική δύναμη στην παραγωγή τσιμέντου. Η μοναδική της τεχνολογία διαπερνά όλη τη διαδικασία παραγωγής, από τη χρήση καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας έως τα ακατάλυτα πρώτες ύλες. Είμαστε ενθουσιασμένοι για το δυναμικό της και χαρούμενοι που συνεργαζόμαστε για να την φέρουμε στην αγορά σε κλίμακα. Αυτή η επένδυση είναι πλήρως σύμφωνη με τη στρατηγική της Holcim για την επιτάχυνση της αποανθρακοποίησης της κατασκευής, κλιμακώνοντας τις πιο καινοτόμες τεχνολογίες.»

Αξιωματικός Nollaig Forrest – Υπεύθυνος Βιωσιμότητας της Holcim
CRH επίσης επένδυσε σε άλλες startups αποανθρακοποίησης και βιωσιμότητας:

• 23,7 εκατομμύρια € στην Cool Planet Technologies, που αναπτύσσει λύσεις διέλευσης άνθρακα για βιομηχανίες που παραδοσιακά ήταν δύσκολο να αποανθρακοποιηθούν.
• 34,7 εκατομμύρια $ από τη CRH και άλλους επενδυτές στην Carbon Upcycling Technologies, που χρησιμοποιεί μια ολοκληρωτικά ηλεκτρική λύση μεταλλοποίησης για μόνιμη αποθήκευση CO₂ σε βιομηχανικά παραπροϊόντα και ορυκτά, όπως τσιμέντο, πλαστικά, καταναλωτικά προϊόντα, λιπάσματα και φαρμακευτικά προϊόντα.
• AICrete, μια πλατφόρμα «συνταγή‑ως‑υπηρεσία» που συνεργάζεται με τοπικούς παραγωγούς σκυροδέματος, βελτιστοποιώντας τα τοπικά υλικά και ελαχιστοποιώντας την ποσότητα τσιμέντου που χρησιμοποιείται μέσω αναλύσεων AI, μειώνοντας τόσο το αποτύπωμα CO₂ όσο και το κόστος παραγωγής σκυροδέματος.
• Η σειρά χρηματοδότησης Series B της FIDO AI είναι μια startup που χρησιμοποιεί AI για τη μείωση της κατανάλωσης νερού και την αύξηση των εξοικονομήσεων νερού.

Συνολικά, η CRH είναι ένας κερδοφόρος ηγέτης στη βιομηχανία σκυροδέματος και προετοιμάζεται ενεργά για την αποανθρακοποίηση της βιομηχανίας, τόσο άμεσα σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις όσο και ως κύριος πάροχος κεφαλαίων σε καινοτόμες startups που δημιουργούν την επόμενη γενιά τεχνολογίας παραγωγής τσιμέντου και σκυροδέματος.