Beton Was, Is en Zal Een Kritisch Structureel Materiaal Blijven – Hoe Kunnen We Zijn Gebreken Omzeilen?

Beperkingen van Beton

Beton is de afgelopen decennia het centrale materiaal in de bouw geworden, vooral in dichtbevolkte stedelijke omgevingen. Het heeft geleidelijk bakstenen, stenen en hout vervangen, dankzij de lage kosten, het eenvoudige gebruik en de schaalbaarheid.

Maar het heeft ook nadelen.

Duurzaamheid

Ten eerste is het verre van een duurzaam product wat betreft het verbruik van grondstoffen. Het verbruikt enorme hoeveelheden zand, tot het punt dat wordt gezegd dat de wereld “op zand raakt”.

Bron: Visual Capitalist

De productie van cement is ook een zeer energie‑intensieve activiteit. Het wordt bijna uitsluitend aangedreven door fossiele brandstoffen, waardoor dat de cementproductie verantwoordelijk is voor 8 % van de wereldwijde CO2‑emissies.

Dit kan worden vergeleken met de CO2‑emissies van auto’s en bestelwagens, die verantwoordelijk zijn voor 10 % van de wereldwijde emissies. Dus, het duurzamer maken van beton zou even ingrijpend zijn als alle auto’s ter wereld omzetten naar elektrische voertuigen en ze uitsluitend van groene energie voorzien.

Levensduur

Als betonnen gebouwen eeuwen zouden meegaan, zouden we tenminste kunnen stellen dat het zandverbruik en de CO2‑emissies een eenmalige gebeurtenis waren, met een constructie die lang standhoudt.

Maar dat is verre van de realiteit. Gewapend betonnen gebouwen, het grootste deel van wat vandaag wordt gebouwd, hebben een gemiddelde levensduur van slechts 50‑100 jaar. Vervolgens moeten ze volledig worden gesloopt, het puin wordt weggehaald en ergens begraven, en wordt er vanaf nul opnieuw gebouwd.

Nieuwe Betontechnologieën

Deze combinatie van hoge milieukosten en gebrek aan duurzaamheid betekent dat beton moet worden verbeterd. Natuurlijk zouden we theoretisch volledig kunnen terugkeren naar alleen steen, klei en hout als basisbouwmaterialen. Echter, de praktische bruikbaarheid en lage kosten van beton maken het erg moeilijk om het van zijn positie als voorkeursmateriaal van architecten te verdringen.

Verwijderen van Staal

De belangrijkste schuldige voor de lage duurzaamheid van modern beton is de stalen wapeningsstaaf (rebar) die erin is ingebed. Stalen wapeningsstaaf biedt belangrijke structurele voordelen door de treksterkte van beton radicaal te verbeteren (het vermogen om te weerstaan aan trekken of rekken).

Het probleem is dat staal, dat grotendeels uit ijzer bestaat, uiteindelijk roest. Bij roesten zet het uit, waardoor het omringende beton barst. Dit wordt vaak betonkanker genoemd, en verklaart waarom gewapend beton slechts zo lang meegaat.

Bron: USNW Sydney

Grafeenbeton

Naarmate we nieuwe materialen uitvinden, kunnen nieuwe oplossingen op beton worden toegepast. Door grafeen, een uitzonderlijk 2D‑materiaal, aan beton toe te voegen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Virginia het prestatievermogen van beton verhoogd, terwijl ze het duurzamer maakten en de koolstofuitstoot verminderden.

Het werd gepubliceerd in het Journal of Building Engineering onder de titel “Rheologische, mechanische en milieuprestaties van printbare grafeen‑versterkte cementachtige composieten met kalksteen en gekalkt klei.”

Ze richtten zich op beton dat wordt gebruikt in 3D‑printmethoden, een onderwerp dat we uitgebreider hebben behandeld in “Eigenwoningbezit is nu nog beperkter in Noord‑America – Kan 3D‑printen dit veranderen?”.

Het grafeen‑versterkte LC2‑beton kan de uitstoot van broeikasgassen met ongeveer 31 % verminderen ten opzichte van traditionele printbare betonsamenstellingen. Dit komt doordat in plaats van staal, dat bij productie veel koolstof uitstoot, grafeen werd gebruikt, dat uit zuiver koolstof bestaat. Dus althans voor het versterkingsdeel vangt dit nieuwe beton koolstof op in plaats van het uit te stoten.

Desondanks blijft het cementgedeelte een even koolstofintensief proces, maar dit is een goede eerste stap.

En omdat grafeen veel stabieler is en niet oxideert (roest), zou dit type beton veilig moeten zijn voor betonkanker. Als het resulterende gebouw veel langer meegaat, betekent dat op de lange termijn veel minder emissies.

Hennepwapening

Geavanceerde materialen zoals grafeen zijn mogelijk niet de enige optie. Dit is goed, aangezien grafeen momenteel nogal duur is, wat de commercialisering van dit hoog‑presterende, lage‑emissie‑beton kan belemmeren.

Hennep (de niet‑psychoactieve soort van cannabisplanten) wordt steeds vaker gebruikt in bouwmaterialen. Wanneer het goed wordt verwerkt, kan het worden omgezet in isolatiemateriaal, hennepblokken voor kleine gebouwen, en zelfs hemcrete (hennep+beton).

Bron: 2050 Materials

Het kan ook worden gevormd tot wapeningsstaaf voor beton in de vorm van Natural Fiber‑Reinforced Thermoplastic (NFRT) composietwapening, of hennepwapening, waarbij hennep‑touw wordt gemengd met een thermoplastische omhulling.

Bron: CASE

Aangezien hennep een plantaardige vezel is, is het koolstofnegatief en bindt het atmosferisch koolstof. Bovendien is hennep zeer resistent en niet‑brandbaar.

Zelfherstellend Beton

Niet al het beton houdt slechts enkele decennia stand. Sommige vormen van beton zijn daadwerkelijk robuust genoeg om millennia mee te gaan, teruggaand tot het Romeinse Rijk. Bijvoorbeeld, het beroemde Pantheon is de grootste niet‑gewapende betonnen koepel ter wereld en werd gebouwd in 128 n.Chr.

De eerste sleutel is dat dergelijke betonnen constructies geen wapeningsstaaf gebruikten. Ze werden ook gemaakt met speciale materialen, zoals vulkanisch gesteente en as, die het beton enigszins zelfherstellend maakten.

Hoewel het misschien niet perfect schaalbaar is, omdat vulkanisch gesteente niet zo overvloedig is als zand, kan het een optie zijn voor veel constructies die geen wapeningsstaaf nodig hebben en waarschijnlijk niet opnieuw gebouwd hoeven te worden.

Verwarmend Beton

Naast corrosie is een andere factor die betonnen gebouwen kan beschadigen de bevriezings‑ en smeltcycli in de winter. Elke keer zet water uit bij het bevriezen tot ijs, waardoor een stukje beton afschilfert of scheuren ontstaan. Na verloop van tijd kan dit leiden tot steeds ernstigere schade.

In “Zelfverwarmend Beton Kan Onze Wegen, Aquifers en Portemonnees Helpen” hebben we onderzocht hoe materiaal met faseovergangen bij lage temperatuur (PCM) kan worden ingebed in micro‑capsules van paraffine en direct in beton kan worden gemengd.

Dit kan helpen beton vorstvrij te houden bij temperaturen rond 0 °C en de onderhoudsbehoefte van winterwegen te verminderen.

Koolstofvrij Cement

Aangezien de CO2‑emissies van cement bijna even hoog zijn als die van auto’s, is een belangrijke verbetering nodig om de bijbehorende koolstofuitstoot te verminderen of volledig te elimineren, wat makkelijker gezegd dan gedaan is.

Groene Energie

Aangezien cementproductie veel warmte vereist, moeten we de ontwikkeling zien van elektrische of thermische alternatieven voor fossiele ovens en calciner.

Dit is niet per se een zeer complexe technische taak, maar het zal tijd kosten om de hele industrie hun apparatuur te laten aanpassen en deze nieuwe technologie te omarmen.

Bovendien zijn elektrische alternatieven voor op fossiele brandstoffen gebaseerde industriële processen alleen zo groen als de elektriciteit die ze gebruiken. Daarom is een constante levering van koolstofvrije elektriciteit ook noodzakelijk.

Kalksteen‑gerelateerde Emissies

Een groot probleem bij het verwijderen van koolstofemissies uit cementproductie is dat niet alle emissies voortkomen uit het verbruikte energie. Als dat zo was, zou het voldoende zijn om groene elektriciteit te gebruiken om de kalksteen tot cement te verhitten.

Maar de kalksteen zelf, de basismateriaal voor cement, stoot CO2 uit, volgens deze formule (met Δ=warmte): CaCO3 + Δ → CaO + CO2 in een proces dat calcination wordt genoemd.

Maar er bestaan enkele alternatieven:

• Vervangen van kalksteen: door calcium‑silicaat te gebruiken in plaats van calciumcarbonaat (kalksteen), stelt het bedrijf Brimstone voor om koolstofvrij cement te creëren.
  • Aangezien calcium‑silicaat een zeer overvloedig mineraal is, is dit vooral een kwestie van het ontwikkelen van de technologie en het commercieel concurrerend maken.
• Koolstofafvang: aangezien de meeste cementproducerende faciliteiten momenteel fossiele brandstof‑gebaseerde calciner en kalksteen gebruiken, kan het gemakkelijker zijn om de emissies af te vangen dan ze te vermijden.
  • Een eerste pilotfabriek die cement op deze manier produceert, is al operationeel in Noorwegen en kan een voorbeeld zijn om te volgen.

Duurzaam Cementbedrijf

Als een van ‘s werelds leiders in cementproductie zal CRH een sleutelrol spelen bij het verduurzamen van de cementbouwsector. Het is nummer 1 in totaal volume van geleverde bouwmaterialen in zowel de VS‑ als de Europese markten.

Het bedrijf is actief in 28 landen en 3.390 vestigingen, met 78.500 werknemers, waarbij CRH Americas 65 % van de wereldwijde omzet in 2023 genereert.

Het bedrijf verwacht dat robuuste uitgaven van westerse overheden aan infrastructuur hun bedrijfsvoering zullen stimuleren. De trends van re‑industrialisatie en het terughalen van high‑tech productie naar eigen land zouden ook moeten helpen.

Duurzaamheid

CRH heeft met een reeks initiatieven serieuze vooruitgang geboekt op het gebied van duurzaamheid:

• Het is de grootste recycler in Noord‑America, met 43,9 miljoen ton afval en bijproducten uit andere industrieën die in 2023 werden gerecycled.
• Het heeft in 2023 zijn CO2‑emissies met 8 % verlaagd, dankzij het gebruik van 36 % alternatieve brandstoffen in zijn cementfabrieken.
• Het streeft naar een vermindering van de emissies met 30 % tegen 2030 (vergeleken met de emissies van 2021).

Dit is op zich prijzenswaardig, maar kan worden gezien als te weinig, te laat.

Gelukkig is CRH ook een drijvende kracht achter meer fundamentele veranderingen in de sector. Met name heeft het $75 miljoen geïnvesteerd in het koolstofarme cementbedrijf Sublime, samen met de Europese betonreus Holcim.

Sublime Systems is in 2020 voortgekomen uit MIT om een elektrolyser te gebruiken om cement bij kamertemperatuur te produceren, waardoor energie‑ en fossiele‑brandstofintensieve ovens worden vervangen. Het maakt ook het gebruik van calciumbronnen als grondstof mogelijk, waardoor de CO2‑uitstoot van kalksteeninvoer wordt vermeden.

De eerste commerciële faciliteit van Sublime in Holyoke wordt naar verwachting al in 2026 geopend. Als het succesvol blijkt, zou het de echte game‑changer voor de cementindustrie kunnen zijn en de weg kunnen vrijmaken voor schaalbaar laag‑emissie‑beton.

“Sublime is een ontwrichtende kracht in de cementproductie. Zijn unieke technologie doordringt het gehele productieproces, van het gebruik van schone elektriciteit tot koolstofvrije grondstoffen. We zijn enthousiast over het potentieel en verheugd om samen te werken om het op schaal op de markt te brengen. Deze investering sluit volledig aan bij de strategie van Holcim om de decarbonisatie van de bouw te versnellen door de meest innovatieve technologieën op te schalen.”

Officer Nollaig Forrest – Hoofd Duurzaamheid van Holcim

CRH heeft ook geïnvesteerd in andere decarbonisatie‑ en duurzaamheids‑startups:

• €23,7 miljoen in Cool Planet Technologies, die koolstofafvangoplossingen ontwikkelen voor industrieën die traditioneel moeilijk te decarboniseren zijn.
• $34,7 miljoen door CRH en andere investeerders in Carbon Upcycling Technologies, die een volledig elektrische mineralisatieoplossing gebruiken om CO2 permanent op te slaan in industriële bijproducten en mineralen, zoals cement, kunststoffen, consumentenproducten, meststoffen en farmaceutica.
• AICrete, een ‘recept‑als‑een‑service’ platform dat samenwerkt met lokale betonproducenten, lokale materialen optimaliseert en de hoeveelheid cement die wordt gebruikt minimaliseert met behulp van AI‑analyses, waardoor zowel de CO2‑voetafdruk als de kosten van betonproductie worden verlaagd.
• FIDO AI’s Series‑B‑financiering is een startup die AI gebruikt om het waterverbruik te verminderen en waterbesparing te vergroten.

Over het geheel genomen is CRH een winstgevende leider in de betonindustrie en bereidt zich zeer actief voor op de decarbonisatie van de sector, zowel direct in bestaande faciliteiten als door een belangrijke kapitaalverstrekker te zijn voor innovatieve startups die de volgende generatie cement‑ en betonproductietechnologie creëren.