Beton Dahulu, Sekarang, dan Akan Terus Menjadi Material Struktural Kritis – Bagaimana Kita Dapat Mengatasi Kekurangannya?

Batasan Beton

Beton telah menjadi material utama dalam konstruksi selama beberapa dekade terakhir, terutama di lingkungan perkotaan yang padat. Ia secara bertahap menggantikan batu bata, batu, dan kayu, berkat biaya yang rendah, kemudahan penggunaan, dan skalabilitasnya.

Namun, beton tidak lepas dari masalah.

Keberlanjutan

Pertama, beton jauh dari produk yang berkelanjutan dalam hal sumber daya yang dikonsumsi. Ia mengonsumsi jumlah pasir yang sangat besar, sampai-sampai dikatakan bahwa dunia “kehabisan pasir”.

Sumber: Visual Capitalist

Produksi semen juga merupakan aktivitas yang sangat intensif energi. Ia hampir seluruhnya didukung oleh bahan bakar fosil, yang menghasilkan produksi semen bertanggung jawab atas 8% emisi CO2 dunia.

Hal ini dapat dibandingkan dengan emisi CO2 dari mobil dan van, yang bertanggung jawab atas 10% emisi global dunia. Jadi, menjadikan beton lebih berkelanjutan akan berdampak sebesar mengubah semua mobil dunia menjadi kendaraan listrik dan hanya menggunakan energi hijau.

Ketahanan

Jika bangunan beton bertahan berabad-abad, setidaknya kita dapat menganggap konsumsi pasir dan emisi CO2 sebagai sesuatu yang dilakukan sekali dan untuk selamanya, dengan konstruksi yang berdiri lama setelahnya.

Namun kenyataannya jauh berbeda. Bangunan beton bertulang, mayoritas yang dibangun saat ini, memiliki umur rata‑rata hanya 50‑100 tahun. Setelah itu mereka harus dihancurkan sepenuhnya, puingnya diangkut dan dikubur di suatu tempat, lalu dibangun kembali dari nol.

Teknologi Beton Baru

Biaya lingkungan yang tinggi dan kurangnya ketahanan ini berarti beton perlu ditingkatkan. Tentu saja, secara teoritis kita dapat kembali sepenuhnya menggunakan batu, tanah liat, dan kayu sebagai material dasar konstruksi. Namun, kepraktisan dan biaya rendah beton membuatnya sangat sulit digeser dari posisinya sebagai material pilihan arsitek.

Menghilangkan Baja

Penyebab utama rendahnya ketahanan beton modern adalah batang baja (reinforcing bar) yang dimasukkan ke dalamnya. Batang baja memberikan keuntungan struktural penting, dengan secara radikal meningkatkan kekuatan tarik beton (kemampuan menahan tarikan atau peregangan).

Masalahnya adalah baja, yang sebagian besar terbuat dari besi, pada akhirnya berkarat. Ketika berkarat, ia mengembang, menyebabkan beton di sekitarnya retak. Hal ini sering disebut kanker beton, dan itulah mengapa beton bertulang hanya bertahan selama itu.

Sumber: USNW Sydney

Beton Graphene

Saat kami menciptakan material baru, solusi baru dapat diterapkan pada beton. Dengan menambahkan graphene ke beton, sebuah material 2D yang luar biasa, peneliti di University of Virginia berhasil meningkatkan kinerja beton, sekaligus membuatnya lebih tahan lama dan mengurangi emisi karbon.

Penelitian tersebut dipublikasikan dalam Journal of Building Engineering dengan judul “Rheological, mechanical, and environmental performance of printable graphene‑enhanced cementitious composites with limestone and calcined clay.”

Mereka memfokuskan pada beton yang digunakan dalam metode pencetakan 3D, sebuah topik yang kami bahas lebih detail dalam “Home Ownership is More Prohibitive than Ever Before in North America – Can 3D Printing Change This?”.

Beton LC2 yang diperkaya graphene dapat mengurangi emisi gas rumah kaca sekitar 31% dibandingkan campuran beton cetak tradisional. Ini karena alih-alih menggunakan baja, yang merupakan penyumbang karbon besar saat diproduksi, mereka menggunakan graphene, yang terbuat dari karbon murni. Jadi setidaknya untuk bagian penguat, beton baru ini menangkap karbon alih‑alih memancarkannya.

Namun, bagian semen tetap melalui proses yang intensif karbon, tetapi ini merupakan langkah awal yang baik.

Dan karena graphene jauh lebih stabil dan tidak teroksidasi (berkarat), jenis beton ini seharusnya aman dari kanker beton. Jika bangunan yang dihasilkan bertahan jauh lebih lama, berarti emisi jangka panjang akan jauh berkurang.

Batang Hemp

Material maju seperti graphene mungkin bukan satu‑satunya pilihan. Ini baik karena graphene saat ini masih cukup mahal, yang dapat menghambat komersialisasi beton berperforma tinggi dan rendah emisi ini.

Hemp (spesies tanaman ganja yang tidak psikoaktif) semakin banyak digunakan dalam material konstruksi. Bila diproses dengan tepat, ia dapat diubah menjadi material isolasi, blok hemp untuk bangunan kecil, bahkan hemcrete (hemp+beton).

Sumber: 2050 Materials

Hemp juga dapat dibentuk menjadi batang penguat beton dalam bentuk komposit rebar Thermoplastic yang Diperkuat Serat Alami (NFRT), atau batang hemp, dengan menggabungkan tali hemp dan selubung termoplastik.

Sumber: CASE

Karena hemp adalah serat tanaman, ia bersifat negatif karbon, mengunci karbon atmosfer. Selain itu, hemp sangat tahan lama dan tidak mudah terbakar.

Beton Penyembuh Sendiri

Tidak semua beton hanya bertahan beberapa dekade. Beberapa jenis beton ternyata cukup kuat untuk bertahan ribuan tahun, sejak zaman Kekaisaran Romawi. Misalnya, Pantheon yang terkenal adalah kubah beton tak‑bertulang terbesar di dunia dan dibangun pada tahun 128 SM.

Kunci pertama adalah bahwa struktur beton tersebut tidak menggunakan batang penguat. Mereka juga dibuat dengan material khusus, seperti batu vulkanik dan abu, yang membuat beton agak dapat memperbaiki dirinya sendiri.

Jadi meskipun tidak sepenuhnya dapat diskalakan, dengan batu vulkanik yang tidak seluas pasir, ini dapat menjadi opsi bagi banyak konstruksi yang memang tidak memerlukan batang penguat dan tidak mungkin perlu dibangun kembali.

Beton Pemanas

Selain korosi, faktor lain yang dapat merusak bangunan beton adalah siklus beku‑cair di musim dingin. Setiap kali air membeku menjadi es, ia mengembang, menggores sedikit beton atau menyebabkan retakan. Seiring waktu, hal ini dapat berkembang menjadi kerusakan yang semakin parah.

Dalam “Self-Heating Concrete Could Help our Roads, Aquifers, and Wallets”, kami mengeksplorasi bagaimana material perubahan fase suhu rendah (PCM) dapat dimasukkan dalam mikro‑kapsul parafin dan langsung dicampur ke dalam beton.

Ini dapat membantu menjaga beton tetap bebas beku pada suhu sekitar 0 °C dan mengurangi kebutuhan perawatan jalan musim dingin.

Semen Tanpa Karbon

Karena emisi karbon semen hampir setara dengan mobil, diperlukan perbaikan penting untuk mengurangi atau menghilangkan sepenuhnya emisi karbon terkait, yang lebih mudah diucapkan daripada dilakukan.

Energi Hijau

Karena produksi semen membutuhkan banyak panas, kita perlu melihat pengembangan alternatif listrik atau termal untuk kiln dan kalciners berbasis bahan bakar fosil.

Ini tidak selalu merupakan tugas teknis yang sangat kompleks, namun melihat seluruh industri mengganti peralatan mereka dan mengadopsi teknologi baru ini akan memakan waktu.

Selain itu, alternatif listrik untuk proses industri berbasis bahan bakar fosil hanya se‑hijau listrik yang mereka gunakan. Jadi pasokan listrik bebas karbon yang stabil juga diperlukan.

Emisi Terkait Batu Kapur

Masalah besar dalam menghilangkan emisi karbon dari produksi semen adalah tidak semua emisi berasal dari energi yang dikonsumsi. Jika memang begitu, cukup menggunakan listrik hijau untuk memanaskan batu kapur menjadi semen sudah cukup.

Tetapi batu kapur itu sendiri, bahan baku utama semen, merupakan sumber emisi CO2, mengikuti rumus ini (dengan Δ=panas): CaCO3 + Δ → CaO + CO2 dalam proses yang disebut kalsinasi.

Namun ada beberapa alternatif:

• Mengganti batu kapur: dengan menggunakan kalsium silikat, alih‑alih kalsium karbonat (batu kapur), perusahaan Brimstone mengusulkan pembuatan semen bebas karbon.
  • Karena kalsium silikat merupakan mineral yang sangat melimpah, ini lebih merupakan masalah pengembangan teknologi dan membuatnya kompetitif secara komersial.
• Penangkapan karbon: mengingat saat ini sebagian besar fasilitas produksi semen masih menggunakan kalciners berbasis bahan bakar fosil dan batu kapur, mungkin lebih mudah menangkap emisinya daripada menghindarinya.
  • Sebuah pabrik percontohan pertama yang memproduksi semen dengan cara ini sudah beroperasi di Norwegia dan dapat menjadi model yang diikuti.

Perusahaan Semen Berkelanjutan

Sebagai salah satu pemimpin dunia dalam produksi semen, CRH akan berperan penting dalam menjadikan konstruksi semen lebih berkelanjutan. Ia adalah nomor 1 dalam total volume material konstruksi yang disediakan di pasar AS dan Eropa.

Perusahaan ini beroperasi di 28 negara dan 3.390 lokasi, mempekerjakan 78.500 orang, dengan CRH Americas menyumbang 65% penjualan globalnya pada 2023.

Perusahaan memperkirakan bahwa belanja kuat oleh pemerintah Barat untuk infrastruktur akan membantu pertumbuhan bisnisnya. Tren re‑industrialisasi dan on‑shoring manufaktur berteknologi tinggi juga diperkirakan akan membantu.

Keberlanjutan

CRH telah membuat kemajuan serius dalam keberlanjutan dengan serangkaian inisiatif:

• Ia adalah daur ulang terbesar nomor 1 di Amerika Utara, dengan 43,9 juta ton limbah dan produk sampingan dari industri lain yang didaur ulang pada 2023.
• Ia mengurangi emisi CO2 sebesar 8% pada 2023, berkat penggunaan 36% bahan bakar alternatif di pabrik semen.
• Ia menargetkan pengurangan emisi sebesar 30% pada 2030 (dibandingkan emisi 2021).

Ini patut dipuji, namun dapat dianggap terlalu sedikit, terlalu terlambat.

Beruntung, CRH juga menjadi penggerak perubahan fundamental di industri. Khususnya, mereka telah menginvestasikan $75 juta ke perusahaan semen rendah karbon Sublime, bersama raksasa beton Eropa Holcim.

Sublime Systems didirikan dari MIT pada 2020 untuk memanfaatkan elektroliser dalam memproduksi semen pada suhu ruang, menggantikan kiln yang intensif energi dan bahan bakar fosil. Ini juga memungkinkan penggunaan sumber kalsium sebagai bahan baku, menghindari pelepasan CO2 dari batu kapur.

Fasilitas komersial pertama Sublime di Holyoke diperkirakan akan dibuka paling awal pada 2026. Jika terbukti berhasil, ini dapat menjadi pengubah permainan nyata bagi industri semen dan membuka jalan bagi beton beremisi rendah yang dapat diskalakan.

“Sublime adalah kekuatan disruptif dalam pembuatan semen. Teknologi uniknya memotong seluruh proses produksi, mulai dari penggunaan listrik bersih hingga bahan baku bebas karbon. Kami bersemangat tentang potensinya dan senang dapat bermitra untuk membawanya ke pasar secara skala besar. Investasi ini sepenuhnya sejalan dengan strategi Holcim untuk mempercepat dekarbonisasi konstruksi dengan meningkatkan teknologi paling inovatif.”

Pejabat Nollaig Forrest – Chief Sustainability Holcim
CRH juga berinvestasi di startup dekarbonisasi dan keberlanjutan lainnya:

• €23,7 juta di Cool Planet Technologies, yang mengembangkan solusi penangkapan karbon untuk industri yang secara tradisional sulit didekarbonisasi.
• $34,7 juta oleh CRH dan investor lain di Carbon Upcycling Technologies, yang menggunakan solusi mineralisasi listrik penuh untuk menyimpan CO2 secara permanen dalam produk sampingan industri dan mineral, seperti semen, plastik, produk konsumen, pupuk, dan farmasi.
• AICrete, platform ‘recipe‑as‑a‑service’ yang bekerja dengan produsen beton lokal, mengoptimalkan material lokal dan meminimalkan jumlah semen yang digunakan dengan analisis AI, mengurangi jejak CO2 serta biaya produksi beton.
• Pendanaan Seri B FIDO AI, sebuah startup yang menggunakan AI untuk mengurangi konsumsi air dan meningkatkan penghematan air.

Secara keseluruhan, CRH adalah pemimpin yang menguntungkan di industri beton, dan sangat aktif mempersiapkan dekarbonisasi industri, baik secara langsung di fasilitas yang ada maupun dengan menjadi penyedia modal utama bagi startup inovatif yang menciptakan generasi berikutnya dari teknologi produksi semen dan beton.