Suunnittelemalla 3D-tulostettavaa betonia, joka sitoo enemmän CO₂:ta

Betonin ympäristörajat: hiekan käyttö ja CO₂-päästöt

Betonista on tullut viime vuosikymmeninä rakentamisen keskeinen materiaali etenkin tiheästi rakennetuissa kaupunkiympäristöissä. Se on vähitellen korvannut tiilen, kiven ja puun edullisuutensa, helppokäyttöisyytensä ja skaalautuvuutensa ansiosta.

Betonin käyttöön liittyy kuitenkin myös ongelmia.

Ensinnäkään se ei ole luonnonvarojen kulutuksen kannalta kovinkaan kestävä tuote. Betoniin käytetään valtavia määriä hiekkaa, ja joidenkin raporttien mukaan ”maailmasta on loppumassa hiekka”.

Lähde: Visual Capitalist

Sementin tuotanto kuluttaa myös erittäin paljon energiaa. Se perustuu lähes yksinomaan fossiilisiin polttoaineisiin, minkä seurauksena sementintuotannon osuus maailman CO₂-päästöistä on 8 %.

Tämä vastaa autojen ja pakettiautojen päästöjä, joiden osuus maailmanlaajuisista päästöistä on 10 %. Siksi betonin valmistuksen muuttaminen kestävämmäksi vaikuttaisi yhtä paljon kuin kaikkien maailman autojen vaihtaminen sähköautoiksi ja niiden käyttäminen yksinomaan uusiutuvalla energialla.

Päästöjä voidaan kuitenkin kompensoida osittain myös karbonatisoitumiseksi kutsutulla ilmiöllä, jossa sementtipohjaiset materiaalit sitovat ilmakehästä CO₂:ta.

ETH Zürichin (Sveitsi), Bathin yliopiston (Yhdistynyt kuningaskunta) ja Manchesterin yliopiston (Yhdistynyt kuningaskunta) tutkijoiden uudessa tutkimuksessa selvitetään, voisiko 3D-tulostetun betonin hiilijalanjälki olla tavallista betonia pienempi nopeamman karbonatisoitumisen ansiosta. Tor Alvan rakenteessa käytetyn 3D-tulostetun betonin osalta tutkijat arvioivat, että karbonatisoituminen voisi kompensoida noin 21 % sen alkuperäisestä hiilijalanjäljestä 50 vuoden aikana.

Tutkijat julkaisivat tuloksensa Cement and Concrete Research -lehdessä¹ otsikolla ”(Uudelleen)karbonatisoituminen: uusi mahdollisuus kestävään 3D-tulostettuun betoniin”.

Betoni ja CO₂

Betonin suuren osuuden maailman hiilipäästöistä selittää ennen kaikkea kalkkikiven (CaCO₃) kalsinointi, jossa kalkkikivi hajoaa CO₂:ksi ja kalsiumoksidiksi eli poltetuksi kalkiksi (CaO). Poltettu kalkki yhdistyy sitten välittömästi savesta tai liuskeesta peräisin olevaan piidioksidiin (SiO₂), alumiinioksidiin (Al₂O₃) ja rautaoksidiin (Fe₂O₃), joista muodostuu lopullinen sementti.

”Suurin osa näistä päästöistä (tyypillisesti 60 % [2]) syntyy kalkkikiven (CaCO₃) kalsinoinnista. Siinä kalkkikivi hajoaa CO₂:ksi ja kalsiumoksidiksi (CaO) ennen uunissa tapahtuvaa klinkkeröintiä. Loput sementin CO₂-päästöistä liittyvät pääasiassa lämpöenergian tuotantoon tarvittaviin fossiilisiin polttoaineisiin.”

Näitä hiilipäästöjä voidaan kompensoida osittain seuraavassa vaiheessa, kun sementistä rakennetaan betonirakenteita.

Kovettuneessa sementtipastassa kalsiumia sisältävät hydrataatiotuotteet reagoivat hitaasti ilman CO₂:n kanssa ja muodostavat kalsiumkarbonaatteja, jolloin CO₂ sitoutuu.

”Kestävyyden näkökulmasta samaa CO₂:n sitoutumisreaktiota voidaan kutsua (uudelleen)karbonatisoitumiseksi. Tämä määrä vastaa noin 43 %:a sementintuotannon CO₂-päästöistä.”

Karbonatisoitumisella on kuitenkin myös haittapuolensa. Se vähentää betonin huokosliuoksen emäksisyyttä, mikä puolestaan voi horjuttaa teräsraudoituksen pinnalla olevaa passivoitumiskalvoa. Tämä voi johtaa teräksen korroosioon ja lyhentää tavanomaisten teräsbetonirakenteiden käyttöikää.

Tämä voi olla merkittävä ongelma vähähiilisissä betoneissa, sillä ne karbonatisoituvat yleensä tavallista portlandsementtibetonia nopeammin.

Betonin 3D-tulostus

Esimerkki todellisesta kohteesta

Betonin digitaalista valmistusta hyödyntävien uusien rakennusmenetelmien joukossa 3D-tulostettu betoni on yleisin ja lupaavin teknologia.

Tämän tekniikan todellisen hiilijalanjäljen arvioimiseksi tutkimuksen tekijät kehittivät menetelmän sen dynaamisen elinkaariarvioinnin (LCA) laatimiseen. He käyttivät todellisena tapaustutkimuksena Sveitsin Alpeilla Mulegnsin kylässä sijaitsevaa 3D-tulostettua Tor Alva -tornia ja keskittyivät sen 3D-tulostettuihin haarautuviin pylväisiin ja kupoliin.

Lähde: Cement and Concrete Research

Tutkijat mittasivat ensin karbonatisoitumista kolmella eri tavalla. Yhdessä käytettiin nopeutettua testiä karbonatisointikammiossa, jonka olosuhteet pidettiin seuraavina: CO₂-pitoisuus 4 %, suhteellinen kosteus 67 % ja lämpötila 20 °C. Kahdessa muussa menetelmässä hyödynnettiin luonnollisen karbonatisoitumisen tuloksia: karbonatisoitumissyvyys mitattiin suoraan, ja karbonaattien ja CO₂:n määrä määritettiin termogravimetrisellä analyysillä.

Todellisen karbonatisoitumisnopeuden määrittäminen

Tutkijat tarkastelivat havaitun karbonatisoitumisen vaikutuksia 50 vuoden aikajänteellä. He vertasivat myös 3D-tulostettua betonirakennetta paikalla valettuun rakenteeseen, jonka ulkomuoto ja sementtikoostumus olivat samankaltaiset.

Tutkijat havaitsivat, että karbonatisoituvalla alueella kaikki käytettävissä oleva materiaali reagoi ja sitoi CO₂:ta.

”Karbonatisoituneella alueella sitoutuneen CO₂:n määrä on 44,16–51 g CO₂:ta / 100 g hydratoitunutta sideainetta. Jälkimmäinen arvo vastaa sitä, että CO₂:ta on riittävästi kaiken käytettävissä olevan kalsiumsilikaattihydraatin kalsiumin poistamiseen.”

Lähde: Cement and Concrete Research

Seuraavaksi oli selvitettävä, kuinka suuri osa 3D-tulostetusta betonista sitoo hiiltä käyttöikänsä aikana. Tutkijat analysoivat karbonatisoitumisprosessin etenemistä nopeutetuilla kokeilla ja päättelivät, että 50 vuodessa 86 % tornissa käytetystä tulostetusta laastista karbonatisoituisi. Tämä vastaisi yhteensä 32 m³:a karbonatisoitunutta 3D-tulostettua betonia.

Lähde: Cement and Concrete Research

Kun tuloksia verrattiin luonnollisen karbonatisoitumisen mittauksiin, karbonatisoitumissyvyyden suora mittaus antoi samankaltaisen tuloksen (89 %). Menetelmät tuottivat erilaisia arvioita karbonatisoitumisen laajuudesta, mutta näillä prosenttiosuuksilla ei mitata suoraan hiilidioksidin kokonaismäärää. Tutkijoiden mukaan pH-indikaattorit voivat jättää huomiotta merkittävän hiilidioksidin sitoutumisen ennen kuin materiaali muuttaa väriään. Termogravimetrinen analyysi mittaa sitoutuneen hiilidioksidin määrän suoraan, ja sen perusteella tulostetun betonin hiilijalanjälki pieneni arviolta 21 %. Luonnollisen karbonatisoitumisen pH-mittauksiin perustuva arvio oli 14 %.

Lähde: Cement and Concrete Research

Paikalla valetun rakenteen hiilijalanjälkeen verrattuna Tor Alvan hiilijalanjälki on pienempi: betonia käytettiin 25 % vähemmän, ja lisäksi rakenne karbonatisoituu paremmin.

”Vaikka sementtipohjaista materiaalia käytettiin 25 % vähemmän, 3DPC-rakenne voi sitoa 2,5 kertaa enemmän CO₂:ta kuin paikalla valetuksi vertailurakenteeksi määritelty rakenne (tulostetussa rakenteessa 4,6 t CO₂:ta ja valetussa 1,9 t CO₂:ta).”

Hiilensidonnan tehostaminen

Tutkimus osoittaa, että nopea karbonatisoituminen voi lisätä betonin hiilensidontaa ja vähentää merkittävästi rakennuksen elinkaaren aikaisia kokonaispäästöjä. Tämä pätee erityisesti betonirakenteisiin, joissa ei ole teräsraudoitteita, sekä 3D-tulostettuun betoniin, joka karbonatisoituu nopeammin.

On myös huomattava, että jäätymis-sulamissyklit, joita esiintyi tutkitussa esimerkissä Sveitsin Alpeilla, vaikuttivat todennäköisesti sekä reunaehtoihin että kosteuden ja CO₂:n kulkua sääteleviin sisäisiin kuljetusominaisuuksiin.

Lähde: Cement and Concrete Research

Käytännössä tämä voisi tarkoittaa, että lämpimämmässä ilmastossa 3D-tulostettu betoni voisi toimia entistä tehokkaampana hiilinieluna, mutta asian varmistaminen edellyttää lisätutkimuksia.

”Huokosveden jäätyminen voi osittain tukkia huokosverkostoa ja siten heikentää aineiden tehokasta kulkeutumista sekä hidastaa karbonatisoitumista. Tulokset viittaavat siihen, että matalan lämpötilan vaikutukset – johtuivatpa ne huokosten osittaisesta tukkeutumisesta, kosteustilan muutoksista tai näiden yhdistelmästä – on otettava huomioon, kun karbonatisoitumista kuvataan tällaisissa ympäristöoloissa.”

Tämä avaa myös uuden näkökulman betonin 3D-tulostuksen optimointiin. Karbonatisoitumisen tehostamisesta voisi tulla yksi 3D-tulostettujen betonirakenteiden geometrian optimoinnin lisäparametri, jolloin rakenne altistettaisiin karbonatisoitumiselle mahdollisimman suurelta pinta-alalta.

Tämä ei tarkoita, että 3D-tulostettu betoni olisi päästötön rakennusmenetelmä. Vaikka karbonatisoituminen optimoitaisiin, sementin valmistuksen yhteydessä tapahtuvan kalsinoinnin päästöt ovat edelleen merkittäviä. Lisäksi hiilidioksidi, joka sitoutuu uudelleen 50 vuoden aikana, ehtii sillä välin vaikuttaa merkittävästi ilmastonmuutokseen.

Jos sementtitehtaiden hiilidioksidipäästöt kuitenkin otettaisiin talteen, betonirakennuksen myöhempi karbonatisoituminen voisi todella muuttaa tällaisen infrastruktuurin hiilinieluksi, vaikka se onkin valmistettu betonista.

3D-tulostettu betoni saavuttaa tämän tavoitteen todennäköisesti ensimmäisenä, kun siinä yhdistyvät optimoitu geometria, vähähiiliset sideaineet ja tarkoituksenmukainen raudoitus. Tämä voisi puolestaan tarjota uusia mahdollisuuksia rakennusmateriaalien toimittajille.

Investoinnit kehittyneeseen betoniteknologiaan

CRH

Yhtenä maailman johtavista sementin tuottajista CRH:lla on keskeinen rooli sementtipohjaisen rakentamisen muuttamisessa kestävämmäksi toimialaksi. Se on rakennusmateriaalien kokonaismäärällä mitattuna ykkönen sekä Yhdysvaltojen että Euroopan markkinoilla.

Lähde: CRH

Yhtiö toimii 28 maassa ja 3 390 toimipaikassa sekä työllistää 78 500 ihmistä. CRH Americasin osuus yhtiön maailmanlaajuisesta myynnistä on 65 %. Se on myös selvästi suurin sementtiyhtiö, ja sen johtoasema vahvistui entisestään, kun yhtiö osti hiljattain Arcosa-yhtiön.

”Kauppa vahvistaa CRH:n asemaa kiviainesten markkinajohtajana sekä Yhdysvalloissa että maailmanlaajuisesti ja lisää yhtiön läsnäoloa joillakin Yhdysvaltojen nopeimmin kasvavista suurkaupunkialueista (Metropolitan Statistical Areas, MSA).”

Lähde: CRH

CRH odottaa, että länsimaiden hallitusten mittavat infrastruktuuri-investoinnit tukevat yhtiön kasvua. Myös teollisuuden uudelleenrakentamisen ja huipputeknologisen tuotannon siirtämisen takaisin kotimaahan odotetaan edistävän kasvua.

CRH on edistynyt merkittävästi kestävän kehityksen saralla useiden aloitteiden avulla:

• Se on Pohjois-Amerikan suurin kierrättäjä: vuonna 2023 se kierrätti 43,9 miljoonaa tonnia jätettä ja muiden toimialojen sivutuotteita.
• Se vähensi CO₂-päästöjään 8 prosenttia vuonna 2023 käyttämällä sementtitehtaissaan vaihtoehtoisia polttoaineita, joiden osuus oli 36 prosenttia.
• Yhtiö tavoittelee päästöjen vähentämistä 30 prosentilla vuoteen 2030 mennessä vuoden 2021 päästöihin verrattuna.

CRH edistää myös alan perustavanlaatuisempaa muutosta. Yhtiö on erityisesti sijoittanut 75 miljoonaa dollaria vähähiilistä sementtiä valmistavaan Sublimeen yhdessä eurooppalaisen betoni- ja rakennusalan jättiläisen Holcimin kanssa.

Sublime Systems irtautui MIT:stä vuonna 2020. Yhtiö hyödyntää elektrolyysilaitetta sementin valmistamiseen ympäristön lämpötilassa, jolloin energiaa ja fossiilisia polttoaineita runsaasti kuluttavia uuneja ei tarvita. Menetelmä mahdollistaa myös kalsiumlähteiden käytön raaka-aineena ja välttää näin kalkkikiven käytöstä aiheutuvat CO₂-päästöt.

Sublimen ensimmäisen kaupallisen tuotantolaitoksen Holyokessa odotetaan avautuvan aikaisintaan vuonna 2026. Jos ratkaisu osoittautuu toimivaksi, se voi mullistaa sementtiteollisuuden ja raivata tietä vähäpäästöisen betonin tuotannon laajentamiselle.

CRH on sijoittanut myös muihin hiilestä irtautumista ja kestävää kehitystä edistäviin startup-yrityksiin:

• 23,7 miljoonaa euroa Cool Planet Technologiesiin, joka kehittää hiilidioksidin talteenottoratkaisuja toimialoille, joiden hiilestä irtautuminen on perinteisesti ollut vaikeaa.
• CRH:n ja muiden sijoittajien 34,7 miljoonan dollarin sijoitus Carbon Upcycling Technologiesiin, joka käyttää täysin sähköistä mineralisointiratkaisua varastoidakseen CO₂:n pysyvästi teollisuuden sivutuotteisiin ja mineraaleihin, kuten sementtiin, muoveihin, kulutustuotteisiin, lannoitteisiin ja lääkkeisiin.
• AICrete on ”resepti palveluna” -alusta, joka tekee yhteistyötä paikallisten betonintuottajien kanssa. Tekoälyanalyysien avulla se optimoi paikallisten materiaalien käyttöä ja vähentää tarvittavan sementin määrää, mikä pienentää sekä betonin tuotannon hiilijalanjälkeä että kustannuksia.
• FIDO AI:n B-sarjan rahoitus on tarkoitettu startup-yritykselle, joka hyödyntää tekoälyä vedenkulutuksen vähentämiseen ja vedensäästön lisäämiseen.

Lopuksi CRH investoi myös betonin 3D-tulostukseen (3DCP) tytäryhtiönsä Amerimixin kautta.

Kaiken kaikkiaan CRH on kannattava betoni- ja rakennusalan johtava yritys, joka valmistautuu aktiivisesti alan hiilestä irtautumiseen sekä nykyisissä tuotantolaitoksissaan että rahoittamalla merkittävästi innovatiivisia startup-yrityksiä. Ne kehittävät seuraavan sukupolven sementin ja betonin tuotantoteknologiaa, mukaan lukien hiilestä irtautumiseen ja 3D-tulostukseen liittyvät ratkaisut.

CRH:n (CRH) viimeisimmät osakeuutiset ja käänteet

Lähteenä käytetty tutkimus

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Uudelleen)karbonatisoituminen: uusi mahdollisuus kestävälle 3D-tulostetulle betonille. Cement and Concrete Research. Joulukuu 2026. Artikkeli: 108411. Nide 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}