अधिक CO₂ सोखने वाले 3डी-मुद्रित कंक्रीट की अभिकल्पना

कंक्रीट की पर्यावरणीय सीमाएँ: रेत का उपयोग और CO₂ उत्सर्जन

पिछले कुछ दशकों में कंक्रीट निर्माण का प्रमुख पदार्थ बन गया है, खासकर घनी आबादी वाले शहरी इलाकों में। कम लागत, उपयोग में आसानी और बड़े पैमाने पर इस्तेमाल की जा सकने की क्षमता के कारण इसने धीरे-धीरे ईंट, पत्थर और लकड़ी की जगह ले ली है।

लेकिन इसके साथ समस्याएँ भी हैं।

सबसे पहले, संसाधनों की खपत के लिहाज़ से यह टिकाऊ उत्पाद से कोसों दूर है। इसमें भारी मात्रा में रेत लगती है; यहाँ तक कि कुछ रिपोर्टों में कहा गया है कि “दुनिया में रेत की कमी होती जा रही है।”

स्रोत: Visual Capitalist

सीमेंट का उत्पादन भी बहुत अधिक ऊर्जा खपत करने वाली प्रक्रिया है। यह लगभग पूरी तरह जीवाश्म ईंधनों से चलता है, जिसके परिणामस्वरूप सीमेंट उत्पादन से दुनिया के CO₂ उत्सर्जन का 8% हिस्सा निकलता है।

यह कारों और वैन से होने वाले उत्सर्जन के बराबर है, जो वैश्विक उत्सर्जन के 10% के लिए ज़िम्मेदार हैं। इसलिए, कंक्रीट को अधिक टिकाऊ बनाना उतना ही असरदार होगा, जितना दुनिया की सभी कारों को इलेक्ट्रिक वाहनों में बदलना और उन्हें केवल हरित ऊर्जा से चलाना।

हालाँकि, कार्बोनेशन नामक प्रक्रिया से इन उत्सर्जनों की कुछ हद तक भरपाई भी हो सकती है। इस प्रक्रिया में सीमेंटयुक्त पदार्थ वातावरण से CO₂ सोखते हैं।

ETH Zurich (स्विट्ज़रलैंड), University of Bath (यूके) और University of Manchester (यूके) के शोधकर्ताओं के एक नए अध्ययन में यह जाँचा गया है कि तेज़ कार्बोनेशन के ज़रिये 3डी-मुद्रित कंक्रीट का कार्बन पदचिह्न सामान्य कंक्रीट से कम किया जा सकता है या नहीं। Tor Alva में इस्तेमाल किए गए मुद्रित कंक्रीट के आकलन के आधार पर, शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि 50 वर्षों में कार्बोनेशन उसके शुरुआती कार्बन पदचिह्न का लगभग 21% कम कर सकता है।

उन्होंने अपने निष्कर्ष Cement and Concrete Research में प्रकाशित किए।¹ लेख का शीर्षक था, “(पुनः)कार्बोनेशन: टिकाऊ 3डी-मुद्रित कंक्रीट के लिए एक नया अवसर।”

कंक्रीट और CO₂

कंक्रीट से वैश्विक कार्बन उत्सर्जन का बड़ा हिस्सा निकलने का मुख्य कारण चूना पत्थर (CaCO₃) का कैल्सीनेशन है। इसमें चूना पत्थर विघटित होकर CO₂ और कैल्शियम ऑक्साइड/बुझा हुआ चूना (CaO) बनाता है। इसके बाद बुझा हुआ चूना तुरंत मिट्टी या शेल से प्राप्त सिलिका (SiO₂), ऐलुमिना (Al₂O₃) और लौह ऑक्साइड (Fe₂O₃) के साथ मिलकर अंतिम सीमेंट बनाता है।

“इन उत्सर्जनों का सबसे बड़ा हिस्सा (आमतौर पर 60% [2]) चूना पत्थर (CaCO₃) के कैल्सीनेशन से आता है। भट्ठी में होने वाली क्लिंकर निर्माण प्रक्रिया से पहले चूना पत्थर विघटित होकर CO₂ और कैल्शियम ऑक्साइड (CaO) बनाता है। सीमेंट के शेष CO₂ उत्सर्जन का मुख्य संबंध तापीय ऊर्जा के लिए आवश्यक जीवाश्म ईंधनों से है।”

सीमेंट से कंक्रीट की संरचनाएँ बनने के बाद, अगले चरण में इन कार्बन उत्सर्जनों की कुछ हद तक भरपाई हो सकती है।

कठोर हो चुके सीमेंट पेस्ट में कैल्शियम वाले जलयोजन उत्पाद धीरे-धीरे हवा में मौजूद CO₂ से प्रतिक्रिया करते हैं और कैल्शियम कार्बोनेट बनाते हैं। इस तरह CO₂ का भंडारण होता है।

“टिकाऊपन के नज़रिये से, CO₂ को बाँधने वाली इसी प्रतिक्रिया को (पुनः)कार्बोनेशन कहा जा सकता है। यह मात्रा सीमेंट उत्पादन से जुड़े CO₂ उत्सर्जन का लगभग 43% है।”

हालाँकि, कार्बोनेशन की इस प्रक्रिया के कुछ नुकसान भी हैं। इससे कंक्रीट के छिद्रों के घोल की क्षारीयता घट जाती है, जिससे स्टील के सरिये पर मौजूद निष्क्रियता परत अस्थिर हो सकती है। इससे स्टील में जंग लग सकती है और साधारण प्रबलित कंक्रीट संरचनाओं की सेवा-अवधि घट सकती है।

कम-कार्बन वाले कंक्रीट के लिए यह गंभीर समस्या हो सकती है, क्योंकि उनमें सामान्य पोर्टलैंड कंक्रीट की तुलना में कार्बोनेशन तेज़ी से होता है।

कंक्रीट की 3डी प्रिंटिंग

वास्तविक उदाहरण का उपयोग

कंक्रीट के साथ डिजिटल निर्माण पर आधारित नई निर्माण विधियों में 3डी-मुद्रित कंक्रीट सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली और सबसे आशाजनक तकनीक है।

इस तकनीक के वास्तविक कार्बन पदचिह्न का आकलन करने के लिए, अध्ययन के लेखकों ने इसके गतिशील जीवन-चक्र मूल्यांकन (LCA) की एक पद्धति विकसित की। उन्होंने स्विस आल्प्स के Mulegns गाँव में बने 3डी-मुद्रित “Tor Alva” टावर को वास्तविक उदाहरण के रूप में लिया और 3डी-मुद्रित शाखित स्तंभों तथा गुंबद पर ध्यान केंद्रित किया।

Source: सीमेंट और कंक्रीट अनुसंधान

उन्होंने पहले तीन अलग-अलग तरीकों से कार्बोनेशन मापा। इनमें से एक में त्वरित परीक्षण किया गया—इसके लिए कार्बोनेशन कक्ष में CO₂ की मात्रा 4%, सापेक्ष आर्द्रता 67% और तापमान 20 °C रखा गया। बाकी दो तरीकों में प्राकृतिक कार्बोनेशन के नतीजों का इस्तेमाल हुआ: कार्बोनेशन की गहराई का प्रत्यक्ष मापन और ऊष्माग्रविमितीय विश्लेषण के ज़रिये कार्बोनेट/CO₂ की मात्रा का आकलन।

कार्बोनेशन की वास्तविक दर का पता लगाना

देखे गए कार्बोनेशन के प्रभाव का अनुमान लगाने के लिए शोधकर्ताओं ने 50 वर्षों की समयावधि चुनी। उन्होंने 3डी-मुद्रित कंक्रीट संरचना के नतीजों की तुलना एक ऐसी संरचना से भी की जिसे साँचे में ढालकर बनाया गया था, जिसकी बाहरी बनावट मिलती-जुलती थी और जिसमें सीमेंट का मिश्रण भी लगभग समान था।

शोधकर्ताओं ने पाया कि कंक्रीट के कार्बोनेशन वाले क्षेत्र में उपलब्ध सारी सामग्री प्रतिक्रिया कर रही थी और उसने CO₂ सोखी।

“कार्बनीकृत क्षेत्र में, बंधित CO₂ की मात्रा प्रति 100 ग्राम जलयोजित बंधक में 44.16 से 51 ग्राम CO₂ के बीच है। बाद वाली मात्रा का अर्थ है कि उपलब्ध समस्त कैल्शियम सिलिकेट हाइड्रेट का कैल्शियम हटाने के लिए पर्याप्त CO₂ मौजूद है।”

स्रोत: सीमेंट और कंक्रीट अनुसंधान

इसके बाद अगला सवाल यह था कि 3डी-मुद्रित कंक्रीट अपने जीवनकाल में वास्तव में कितनी कार्बन मात्रा ग्रहण करेगा। त्वरित परीक्षणों से कार्बनीकरण प्रक्रिया के प्रसार का विश्लेषण करके उन्होंने पता लगाया कि 50 वर्षों के भीतर टावर में इस्तेमाल किए गए समस्त मुद्रित मोर्टार का 86% कार्बनीकृत हो जाएगा। यह मात्रा कुल 32 घन मीटर मुद्रित कार्बनीकृत कंक्रीट के बराबर है।

स्रोत: सीमेंट और कंक्रीट अनुसंधान

प्राकृतिक कार्बनीकरण के मापों से इन नतीजों की तुलना करने पर, कार्बनीकरण की गहराई का प्रत्यक्ष माप लगभग समान (89%) रहा। अलग-अलग विधियों से कार्बनीकरण की मात्रा के अलग अनुमान मिले, लेकिन ये प्रतिशत कुल CO₂ ग्रहण का प्रत्यक्ष माप नहीं हैं। शोधकर्ताओं के अनुसार, pH सूचक यह दिखाने से चूक सकते हैं कि सामग्री का रंग बदलने से पहले ही उसने काफी मात्रा में CO₂ सोख ली है। ताप-भारमितीय विश्लेषण सीधे CO₂ ग्रहण को मापता है। इसके आधार पर मुद्रित कंक्रीट के कार्बन पदचिह्न में 21% कमी का अनुमान लगा, जबकि प्राकृतिक कार्बनीकरण के pH मापों से यह कमी 14% आंकी गई।

स्रोत: सीमेंट और कंक्रीट अनुसंधान

ढलाई करके बनाई गई संरचना की तुलना में Tor Alva का कार्बन पदचिह्न बेहतर है। इसकी वजह है कि इसमें 25% कम कंक्रीट का इस्तेमाल हुआ और कार्बनीकरण भी बेहतर हुआ।

“सीमेंटयुक्त सामग्री 25% कम होने के बावजूद, 3डीपीसी संरचना ढलाई करके बनाई गई संदर्भ संरचना की तुलना में 2.5 गुना अधिक CO₂ बांध सकती है (मुद्रित संरचना के लिए 4.6 tCO₂ और ढलाई वाली संरचना के लिए 1.9 tCO₂)।”

कार्बन ग्रहण में सुधार

यह अध्ययन बताता है कि तेज़ कार्बनीकरण से कंक्रीट अधिक कार्बन ग्रहण कर सकता है, जिससे किसी इमारत के जीवनचक्र में कुल कार्बन उत्सर्जन काफी घट सकता है। यह बात खास तौर पर उन कंक्रीट संरचनाओं के लिए सही है जिनमें स्टील की सरियों का इस्तेमाल नहीं होता, और तेज़ कार्बनीकरण के कारण 3डी-मुद्रित कंक्रीट के लिए भी।

यह भी ध्यान देने योग्य है कि अध्ययन के उदाहरण—स्विस आल्प्स—में जमने-पिघलने के चक्रों ने नमी और CO₂ की आवाजाही को नियंत्रित करने वाली सीमा-स्थितियों और आंतरिक परिवहन गुणों, दोनों को प्रभावित किया होगा।

स्रोत: सीमेंट और कंक्रीट अनुसंधान

व्यावहारिक रूप से, इसका अर्थ यह हो सकता है कि गर्म जलवायु में 3डी-मुद्रित कंक्रीट और भी बेहतर कार्बन-सिंक का काम करे; लेकिन इसकी पुष्टि के लिए और अध्ययन की ज़रूरत है।

“छिद्रों के पानी के जमने से छिद्र-जाल आंशिक रूप से अवरुद्ध हो सकता है, जिससे प्रभावी परिवहन घटेगा और कार्बनीकरण धीमा होगा। ये नतीजे बताते हैं कि ऐसी पर्यावरणीय परिस्थितियों में कार्बनीकरण का वर्णन करते समय कम तापमान के प्रभावों—चाहे वे छिद्रों के आंशिक अवरोध, नमी की स्थिति में बदलाव या इन दोनों के मेल से उत्पन्न हों—पर विचार किया जाना चाहिए।”

इससे कंक्रीट की 3डी-मुद्रण प्रक्रिया को बेहतर बनाने का एक नया दृष्टिकोण भी सामने आता है। 3डी-मुद्रित कंक्रीट संरचनाओं की ज्यामिति को अनुकूलित करते समय कार्बनीकरण को भी एक अतिरिक्त मानदंड बनाया जा सकता है, ताकि सतह का अधिकतम हिस्सा कार्बनीकरण के संपर्क में आए।

इसका यह अर्थ नहीं है कि 3डी-मुद्रित कंक्रीट निर्माण की कार्बन-मुक्त विधि है। कार्बनीकरण को अनुकूलित करने के बाद भी, सीमेंट के उत्पादन के दौरान होने वाले कैल्सीनेशन से उत्सर्जन काफी अधिक रहता है। और, ज़ाहिर है, 50 वर्षों में दोबारा सोखी गई कार्बन मात्रा तक के समय में जलवायु परिवर्तन में उल्लेखनीय योगदान देगी।

हालाँकि, अगर सीमेंट कारखाने के स्तर पर इन कार्बन उत्सर्जनों को पकड़ लिया जाए, तो बाद में कंक्रीट की इमारत में होने वाला कार्बनीकरण ऐसी आधारभूत संरचनाओं को वास्तव में शुद्ध कार्बन-सिंक बना सकता है, भले ही वे कंक्रीट से बनी हों।

अनुकूलित ज्यामिति, कम-कार्बन बंधकों और उपयुक्त प्रबलन के मेल से 3डी-मुद्रित कंक्रीट के इस लक्ष्य को पहले हासिल करने की संभावना कहीं अधिक है। इससे निर्माण सामग्री के आपूर्तिकर्ताओं के लिए भी अवसर पैदा हो सकता है।

उन्नत कंक्रीट प्रौद्योगिकी में निवेश

CRH

सीमेंट उत्पादन में दुनिया की अग्रणी कंपनियों में से एक होने के नाते, सीमेंट निर्माण उद्योग को अधिक टिकाऊ बनाने में CRH की अहम भूमिका होगी। अमेरिका और यूरोप, दोनों बाज़ारों में निर्माण सामग्री की कुल आपूर्ति के मामले में यह पहले स्थान पर है।

स्रोत: CRH

कंपनी 28 देशों में 3,390 स्थानों पर काम करती है और इसमें 78,500 लोग कार्यरत हैं। CRH Americas की वैश्विक बिक्री में हिस्सेदारी 65% है। यह अब तक की सबसे बड़ी सीमेंट कंपनी भी है; Arcosa के हालिया अधिग्रहण से उसकी अग्रणी स्थिति और मजबूत हुई है।

“यह सौदा अमेरिकी एग्रीगेट्स बाज़ार में CRH की अग्रणी स्थिति को और मजबूत करता है, साथ ही वैश्विक स्तर पर भी उसकी स्थिति मजबूत करता है। इससे अमेरिका के कुछ सबसे तेज़ी से बढ़ते महानगरीय सांख्यिकीय क्षेत्रों (MSAs) में उसकी हिस्सेदारी भी बढ़ती है।”

स्रोत: CRH

CRH को उम्मीद है कि बुनियादी ढाँचे पर पश्चिमी सरकारों का मज़बूत खर्च उसके कारोबार को बढ़ाने में मदद करेगा। उद्योगों को फिर से अपने देश में स्थापित करने और उच्च-प्रौद्योगिकी विनिर्माण को देश में वापस लाने के रुझान भी इसमें सहायक होने चाहिए।

CRH ने कई पहलों के ज़रिए टिकाऊपन की दिशा में उल्लेखनीय प्रगति की है:

• यह उत्तरी अमेरिका की सबसे बड़ी पुनर्चक्रणकर्ता कंपनी है। 2023 में इसने 4.39 करोड़ टन कचरे और अन्य उद्योगों के उप-उत्पादों का पुनर्चक्रण किया।
• सीमेंट संयंत्रों में 36% वैकल्पिक ईंधन इस्तेमाल करने की बदौलत, 2023 में इसने अपने CO₂ उत्सर्जन में 8% की कमी की।
• इसका लक्ष्य 2030 तक उत्सर्जन में 30% की कमी करना है (2021 के उत्सर्जन की तुलना में)।

CRH इस क्षेत्र में बुनियादी बदलाव लाने में भी अहम भूमिका निभा रही है। खास तौर पर, इसने यूरोप की कंक्रीट क्षेत्र की दिग्गज कंपनी Holcim के साथ मिलकर कम-कार्बन सीमेंट कंपनी Sublime में 75 मिलियन डॉलर का निवेश किया है।

Sublime Systems को 2020 में MIT से अलग होकर स्थापित किया गया था। इसका उद्देश्य इलेक्ट्रोलाइज़र का इस्तेमाल करके सामान्य परिवेश के तापमान पर सीमेंट बनाना और इसकी जगह ऊर्जा व जीवाश्म ईंधन की अधिक खपत करने वाली भट्टियों का उपयोग करना है। इससे कच्चे माल के तौर पर कैल्शियम के स्रोतों का भी इस्तेमाल किया जा सकता है और चूना पत्थर को कच्चे माल के रूप में लेने से होने वाला CO₂ उत्सर्जन टल जाता है।

Holyoke में Sublime की पहली वाणिज्यिक इकाई के 2026 में या उससे पहले शुरू होने की उम्मीद है। अगर यह सफल साबित होती है, तो यह सीमेंट उद्योग के लिए वाकई बड़ा बदलाव ला सकती है और कम-उत्सर्जन वाले कंक्रीट का बड़े पैमाने पर उत्पादन संभव कर सकती है।

CRH ने कार्बन उत्सर्जन घटाने और स्थिरता पर काम करने वाले अन्य स्टार्टअप में भी निवेश किया:

• €23.7 मिलियन Cool Planet Technologies में, जो उन उद्योगों के लिए कार्बन कैप्चर समाधान विकसित कर रही है जिनका कार्बन उत्सर्जन घटाना परंपरागत रूप से मुश्किल रहा है।
• CRH और अन्य निवेशकों ने Carbon Upcycling Technologies में 34.7 मिलियन डॉलर का निवेश किया। यह कंपनी पूरी तरह बिजली से चलने वाली खनिजीकरण प्रक्रिया के ज़रिए सीमेंट, प्लास्टिक, उपभोक्ता उत्पादों, उर्वरकों और दवाइयों जैसे औद्योगिक उप-उत्पादों और खनिजों में CO₂ को स्थायी रूप से संग्रहित करती है।
• AICrete स्थानीय कंक्रीट उत्पादकों के साथ काम करने वाला ‘सेवा के रूप में रेसिपी’ मंच है। यह स्थानीय सामग्रियों का बेहतर उपयोग करता है और AI विश्लेषण की मदद से इस्तेमाल होने वाले सीमेंट की मात्रा घटाता है, जिससे कंक्रीट उत्पादन का CO₂ पदचिह्न और लागत—दोनों कम होते हैं।
• FIDO AI की सीरीज़ B फंडिंग एक ऐसे स्टार्टअप के लिए है जो AI का इस्तेमाल करके पानी की खपत घटाता है और पानी की बचत बढ़ाता है।

अंत में, CRH 3D कंक्रीट प्रिंटिंग (3DCP) में भी निवेश कर रही है अपनी सहायक कंपनी Amerimix के ज़रिए।

कुल मिलाकर, CRH कंक्रीट और निर्माण उद्योग की एक लाभदायक अग्रणी कंपनी है और उद्योग को कार्बन-मुक्त करने की तैयारी में सक्रिय रूप से जुटी है। वह मौजूदा संयंत्रों में सीधे यह काम कर रही है और साथ ही अगली पीढ़ी की सीमेंट व कंक्रीट उत्पादन तकनीक विकसित करने वाले नवाचारी स्टार्टअप को बड़ी मात्रा में पूँजी उपलब्ध करा रही है। इन तकनीकों में कार्बन उत्सर्जन घटाने और 3D प्रिंटिंग से जुड़ी तकनीकें भी शामिल हैं।

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उद्धृत अध्ययन

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (पुनः)कार्बोनेशन: टिकाऊ 3D-मुद्रित कंक्रीट का एक नया अवसर। Cement and Concrete Research। दिसंबर 2026। लेख: 108411। खंड 210। 10.1016/j.cemconres.2026.108411}