Betoni On Edelleen Keskeinen Rakennusmateriaali – Miten Sen Puutteita Voidaan Vähentää?

Betonin rajoitukset

Betoni on keskeinen rakennusmateriaali etenkin tiiviissä kaupunkiympäristöissä. Sen suhteellisen edullinen hinta, muovattavuus ja soveltuvuus suuriin hankkeisiin ovat lisänneet käyttöä tiilen, kiven ja puun rinnalla. Materiaalilla on kuitenkin myös merkittäviä haittoja.

Ympäristökestävyys

Betonin valmistus kuluttaa suuria määriä luonnonvaroja, muun muassa hiekkaa ja soraa. Rakentamiseen sopivan hiekan saatavuusongelmia on kuvattu väitteellä, että maailmasta on loppumassa hiekka. Kyse on erityisesti sopivien kiviainesten paikallisesta saatavuudesta ja kestämättömän ottamisen vaikutuksista, ei kaiken hiekan loppumisesta.

Lähde: Visual Capitalist

Sementin valmistus vaatii paljon lämpöenergiaa, jota tuotetaan usein fossiilisilla polttoaineilla. Lisäksi raaka-aineen kemiallinen käsittely vapauttaa hiilidioksidia. Arvioiden mukaan sementintuotannon osuus maailman ihmisen aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä on noin 7–8 %.

Vertailun vuoksi henkilö- ja pakettiautojen käytön osuudeksi globaaleista päästöistä on arvioitu noin 10 %. Arvioiden rajaukset voivat erota, eikä sementin päästövähennyksiä voi suoraan rinnastaa kaikkien autojen sähköistämiseen. Molemmat ovat silti merkittäviä päästövähennyskohteita.

Pitkäaikaiskestävyys

Pitkä käyttöikä jakaa rakentamisen ympäristövaikutukset useammalle vuodelle. Teräsbetonirakenteiden suunnittelussa käytetään usein 50–100 vuoden suunnittelukäyttöikiä, mutta tämä ei ole kaikkien rakennusten todellinen elinikä tai ehdoton purkuraja. Oikea suunnittelu, huolto ja korjaukset voivat pidentää käyttöä, ja purkubetonia voidaan hyödyntää esimerkiksi kierrätyskiviaineksena.

Uudet betoniteknologiat

Betonin suuri ympäristökuormitus ja vaurioitumisriskit kannustavat kehittämään sitä. Kivi, savi ja puu voivat korvata betonia tietyissä käyttökohteissa, mutta betonin hinta, saatavuus ja tekniset ominaisuudet tekevät siitä vaikeasti korvattavan monissa rakenteissa.

Teräksen poistaminen

Betoni kestää puristusta hyvin mutta vetoa heikommin. Teräsraudoitus parantaa rakenteen vetokestävyyttä ja sitkeyttä. Raudoituksen korroosio on kuitenkin yksi tärkeistä teräsbetonin vaurioitumismekanismeista.

Kun teräksen suojaava ympäristö heikkenee esimerkiksi karbonatisoitumisen tai kloridien vuoksi, raudoitus voi ruostua. Korroosiotuotteiden tilavuuden kasvu voi aiheuttaa betonin halkeilua ja lohkeilua. Ilmiöstä käytetään joskus nimitystä betonisyöpä; se ei kuitenkaan määrää kaikkien betonirakenteiden käyttöikää.

Lähde: UNSW Sydney

Grafeenilla vahvistettu betoni

Uudet materiaalit tarjoavat mahdollisuuksia parantaa betonia. Grafeeni on poikkeuksellinen kaksiulotteinen materiaali, ja Virginian yliopiston tutkijat ovat kehittäneet sen avulla tulostettavaa sementtipohjaista materiaalia, jonka ominaisuudet ja arvioitu ympäristösuorituskyky paranivat.

Tutkimus julkaistiin Journal of Building Engineering -lehdessä otsikolla ”Rheological, mechanical, and environmental performance of printable graphene-enhanced cementitious composites with limestone and calcined clay”.

Tutkimus keskittyi 3D-tulostuksessa käytettävään materiaaliin. Käsittelimme rakennusten tulostamista tarkemmin artikkelissa ”Asunnon omistaminen on Pohjois-Amerikassa yhä vaikeammin saavutettavissa – voiko 3D-tulostus muuttaa tilanteen?”.

Grafeenia, kalkkikiveä ja kalsinoitua savea sisältävän LC2-seoksen elinkaariarvioinnissa kasvihuonekaasupäästöt olivat noin 31 % pienemmät kuin vertailuna käytetyillä tavanomaisilla tulostettavilla seoksilla. Tulos koski tutkittua koostumusta ja arvioinnin rajauksia; se ei perustunut siihen, että grafeeni olisi korvannut rakenteellisen teräsraudoituksen.

Sideaineen koostumuksen muuttaminen ja pienempi sementtiklinkkerin tarve ovat keskeisiä vähäpäästöisten seosten kehityksessä. Grafeenin valmistuksen vaikutukset on myös huomioitava.

Grafeenilisäys ei yksin poista kaikkia betonin vaurioitumismekanismeja eikä osoita rakennuksen kestävän vuosisatoja. Parempaa pitkäaikaiskestävyyttä ja käytännön soveltuvuutta on arvioitava jatkotutkimuksilla.

Hampusta valmistettu raudoitus

Grafeeni ei ole ainoa tutkittava vaihtoehto. Sen hinta ja valmistuksen skaalautuvuus voivat rajoittaa käyttöä, joten myös muita komposiitteja kehitetään.

Teollisuushamppua käytetään yhä enemmän rakennusmateriaaleissa. Siitä voidaan valmistaa eristeitä, rakennusharkkoja ja esimerkiksi hamppubetonia, joka koostuu tyypillisesti hampun päistäreestä ja kalkkipohjaisesta sideaineesta. Se ei sellaisenaan vastaa kantavaa teräsbetonia.

Lähde: 2050 Materials

Hamppukuidusta voidaan kehittää myös betonin raudoitukseen tarkoitettua luonnonkuidulla lujitettua kestomuovikomposiittia (NFRT). Tässä lähestymistavassa hamppukuituja yhdistetään kestomuoviin korroosion välttämiseksi.

Lähde: CASE

Hampun kasvu sitoo hiiltä, mutta valmiin komposiitin koko elinkaaren hiilitase riippuu muun muassa viljelystä, käsittelystä, muovista ja käytön jälkeisestä käsittelystä. Palonkestävyys on osoitettava kyseiselle tuotteelle; hamppukuitu ei itsessään ole palamatonta.

Itsekorjautuva betoni

Eräät antiikin roomalaiset betonirakenteet ovat säilyneet lähes kaksi vuosituhatta. Rooman Pantheonin raudoittamaton betonikupoli on tunnettu esimerkki tästä pitkäikäisyydestä.

Näissä rakenteissa ei käytetty nykyisen kaltaista teräsraudoitusta. Niissä käytettiin myös vulkaanisia aineksia ja kalkkipohjaisia sideaineita, joihin voi liittyä halkeamien itsekorjautumista.

Vuonna 2023 julkaistussa tutkimuksessa kalkkikokkareiden todettiin voivan toimia reaktiivisen kalsiumin lähteenä ja edistää halkeamien täyttymistä. Tästä voidaan saada ideoita nykybetonin kehittämiseen, mutta antiikin koostumukset eivät sellaisinaan sovellu kaikkiin nykyisiin rakenteisiin.

Lämpöä varastoiva betoni

Korroosion lisäksi jäätymis-sulamissyklit voivat vaurioittaa betonia. Huokosveden jäätyminen voi aiheuttaa painetta, halkeilua ja pinnan lohkeilua. Oikea koostumus ja huokostus parantavat pakkasenkestävyyttä.

Artikkelissa ”Voisiko itsestään lämpenevä betoni auttaa teitä, pohjavesiä ja kukkaroamme?” tarkastelimme parafiinipohjaisten faasimuutosmateriaalien käyttöä betonissa. Materiaali varastoi ja vapauttaa lämpöä olomuodon muuttuessa.

Tämä voisi tietyissä olosuhteissa hidastaa pinnan jäätymistä ja vähentää talvikunnossapitoa. Vaikutus riippuu lämpötiloista ja käytettävissä olevasta lämpövarastosta; materiaali ei tuota rajattomasti lämpöä.

Hiilineutraali sementti

Sementin suuri päästökuormitus edellyttää useita samanaikaisia ratkaisuja. Tuotannon energian muuttaminen vähäpäästöiseksi ei yksin poista kaikkia päästöjä.

Vihreä energia

Sementtiuunien ja kalsinointilaitteistojen lämmöntuotannossa tarvitaan vaihtoehtoja fossiilisille polttoaineille, kuten sähköistämistä ja muita vähäpäästöisiä energialähteitä.

Korkean lämpötilan prosessien muuttaminen vaatii teknistä kehitystä, investointeja ja teollisen mittakaavan käyttöönottoa. Koko alan uudistaminen vie aikaa.

Sähköistämisen ilmastohyöty riippuu myös sähköntuotannon päästöistä ja luotettavan vähäpäästöisen energian saatavuudesta.

Kalkkikivipohjaiset päästöt

Osa sementintuotannon päästöistä syntyy raaka-aineen kemiasta eikä polttoaineista. Siksi pelkkä vähäpäästöinen sähkö ei riitä poistamaan niitä.

Kalkkikiven kalsiumkarbonaatti hajoaa kuumennettaessa ja vapauttaa hiilidioksidia seuraavan reaktion mukaisesti: CaCO3 + Δ → CaO + CO2, missä Δ tarkoittaa lämpöä. Prosessia kutsutaan kalsinoinniksi.

Vaihtoehtoja ovat esimerkiksi seuraavat:

• Kalkkikiven korvaaminen: Brimstone kehittää sementin valmistusta vähähiilisestä kalsiumsilikaattikivestä kalkkikiven sijaan. Näin voidaan välttää karbonaattiraaka-aineesta vapautuva hiilidioksidi.
  • Kalsiumsilikaattikiviä on runsaasti, mutta ilmastohyödyt ja kustannuskilpailukyky riippuvat koko prosessista ja teollisesta toteutuksesta.
• Hiilidioksidin talteenotto: Nykyisissä kalkkikiveen ja fossiiliseen lämpöenergiaan perustuvissa tehtaissa päästöjen talteenotto voi olla yksi keino vähentää ilmastokuormaa.
  • Norjan Brevikissä on kehitetty sementtitehtaan hiilidioksidin talteenottoa. Teollisen laitoksen mekaaninen valmistuminen saavutettiin joulukuussa 2024, ja varsinainen käyttöönotto tapahtui myöhemmin; sitä ei pidä kuvata jo vuonna 2024 toiminnassa olleeksi täysimittaiseksi laitokseksi.

Vähäpäästöisempää sementtiä kehittävä yritys

CRH on suuri kansainvälinen rakennusmateriaalien tuottaja, jolla on merkittäviä toimintoja sekä Yhdysvalloissa että Euroopassa. Sen tuotanto- ja investointipäätöksillä voi olla huomattava vaikutus alan päästöihin.

Vuoden 2023 raportoinnissa yhtiöllä oli toimintaa 28 maassa ja noin 3 390 toimipaikassa sekä noin 78 500 työntekijää. Amerikan toiminnot muodostivat noin 65 % konsernin myynnistä.

Yhtiö arvioi julkisten infrastruktuuri-investointien sekä teollisuuden tuotannon sijoittumisen lähemmäs kotimarkkinoita tukevan kysyntää. Nämä odotukset eivät kuitenkaan takaa kasvua.

Kestävyys

CRH raportoi vuonna 2023 seuraavista ympäristötoimista:

• Yhtiö hyödynsi noin 43,9 miljoonaa tonnia muiden teollisuudenalojen jätteitä ja sivutuotteita tuotteissaan ja prosesseissaan.
• Sen absoluuttiset Scope 1- ja Scope 2 -päästöt vähenivät 8 % vuonna 2023. Vaihtoehtoisten polttoaineiden osuus oli 36 %. Vähenemiseen vaikuttivat päästötoimien lisäksi myös pienemmät klinkkerin tuotantomäärät.
• Yhtiön tavoitteena oli vähentää absoluuttisia Scope 1- ja Scope 2 -päästöjä 30 % vuoteen 2030 mennessä vuoden 2021 tasosta.

Edistystä on arvioitava suhteessa sekä absoluuttisiin päästöihin että pitkän aikavälin ilmastotavoitteisiin.

CRH on myös sijoittanut uusiin valmistusteknologioihin. Se ja Holcim osallistuivat yhteensä 75 miljoonan dollarin sijoitukseen vähäpäästöistä sementtiä kehittävään Sublime Systemsiin.

Sublime Systems perustettiin MIT:stä lähtöisin olevaksi yritykseksi vuonna 2020. Sen sähkökemiallinen prosessi pyrkii korvaamaan korkean lämpötilan sementtiuunin ja käyttämään kalsiumlähteitä, joiden käsittelyssä ei vapaudu kalkkikiven karbonaattihiiltä.

Vuonna 2024 yritys suunnitteli ensimmäisen kaupallisen laitoksensa avaamista Holyokessa aikaisintaan vuonna 2026. Tavoite oli suunnitelma, ei toteutunut tuotanto. Menetelmän merkitys riippuu sen skaalautuvuudesta, kustannuksista ja käytetyn sähkön päästöistä.

”Sublime uudistaa sementin valmistusta. Sen teknologia kattaa koko tuotantoprosessin puhtaasta sähköstä hiilettömiin raaka-aineisiin. Olemme innostuneita sen mahdollisuuksista ja yhteistyöstä, jolla se voidaan tuoda markkinoille suuressa mittakaavassa. Sijoitus tukee Holcimin strategiaa vähentää rakentamisen päästöjä skaalaamalla innovatiivisia teknologioita.”

Nollaig Forrest, Holcimin vastuullisuusjohtaja

CRH on sijoittanut myös muihin päästövähennyksiä ja resurssitehokkuutta kehittäviin yrityksiin:

• 23,7 miljoonan euron rahoituskierroksella mukana ollut Cool Planet Technologies kehittää hiilidioksidin talteenottoa teollisuudenaloille, joiden päästöjen vähentäminen on vaikeaa.
• CRH ja muut sijoittajat osallistuivat 34,7 miljoonan dollarin rahoitukseen yrityksessä Carbon Upcycling Technologies, joka kehittää hiilidioksidin mineralisointia teollisuuden sivutuotteisiin ja mineraaleihin. Tuloksena syntyviä materiaaleja voidaan käyttää muun muassa sementtipohjaisissa tuotteissa.
• AICrete tarjoaa betonin koostumuksen optimointia tekoälyn avulla. Tavoitteena on hyödyntää paikallisia raaka-aineita ja vähentää tarvittavaa sementtimäärää, kustannuksia ja päästöjä.
• FIDO AI kehittää tekoälypohjaisia ratkaisuja vesivuotojen löytämiseen ja vesihävikin vähentämiseen. CRH osallistui sen B-sarjan rahoitukseen.

CRH yhdistää olemassa olevien laitostensa päästövähennyksiä uusiin teknologioihin tehtäviin sijoituksiin. Tulokset riippuvat käytännön toteutuksesta ja liiketoiminnan kehityksestä; suuri markkina-asema tai startup-sijoitus ei yksin takaa vähäpäästöistä tuotantoa tai hyvää sijoitustuottoa.