Utforming av 3D-printet betong som absorberer mer CO₂

Betongens miljømessige begrensninger: sandforbruk og CO₂-utslipp

Betong har de siste tiårene blitt det viktigste byggematerialet, særlig i tettbygde byområder. Den har gradvis erstattet murstein, stein og tre takket være lave kostnader, enkel bruk og muligheten for produksjon i stor skala.

Men betong er ikke uten utfordringer.

For det første er betong langt fra et bærekraftig produkt når det gjelder ressursforbruk. Produksjonen krever enorme mengder sand, så mye at rapporter antyder at «verden holder på å gå tom for sand».

Kilde: Visual Capitalist

Sementproduksjon er også svært energikrevende. Den drives nesten utelukkende av fossilt brensel, noe som fører til at sementproduksjonen står for 8 % av verdens CO₂-utslipp.

Dette kan sammenlignes med utslippene fra biler og varebiler, som står for 10 % av de globale utslippene. Å gjøre betong mer bærekraftig ville derfor ha like stor effekt som å bytte ut alle verdens biler med elbiler og bare drive dem med grønn energi.

Disse utslippene kan imidlertid også delvis kompenseres for gjennom et fenomen som kalles karbonatisering, der sementbaserte materialer absorberer CO₂ fra atmosfæren.

En ny studie fra forskere ved ETH Zurich (Sveits), University of Bath (Storbritannia) og University of Manchester (Storbritannia) undersøker om 3D-printet betong kan ha et lavere karbonavtrykk enn vanlig betong ved å karbonatisere raskere. For den printede betongen som ble vurdert i Tor Alva, anslo forskerne at karbonatisering over 50 år kunne kompensere for omtrent 21 % av det opprinnelige karbonavtrykket.

De publiserte funnene sine i Cement and Concrete Research¹ under tittelen «(Re)karbonatisering: En ny mulighet for bærekraftig 3D-printet betong».

Betong og CO₂

Hovedårsaken til at betong står for en stor andel av de globale karbonutslippene, er kalsineringen av kalkstein (CaCO₃), som spaltes til CO₂ og kalsiumoksid/brent kalk (CaO). Den brente kalken reagerer deretter umiddelbart med silika (SiO₂), alumina (Al₂O₃) og jernoksid (Fe₂O₃) fra leire eller skifer og danner den ferdige sementen.

«Hovedandelen av disse utslippene (vanligvis 60 % [2]) skyldes kalsinering av kalkstein (CaCO₃), som spaltes til CO₂ og kalsiumoksid (CaO), før klinkerdannelsesprosessen som foregår i ovnen. Resten av sementens CO₂-utslipp er hovedsakelig knyttet til fossilt brensel som kreves for å produsere varmeenergi.»

Disse karbonutslippene kan til en viss grad kompenseres for i neste trinn, når sementen brukes til å lage betongkonstruksjoner.

I den herdede sementpastaen reagerer de kalsiumholdige hydratiseringsproduktene langsomt med CO₂ i luften og danner kalsiumkarbonater, slik at CO₂ bindes.

«Fra et bærekraftperspektiv kan den samme reaksjonen, der CO₂ bindes, omtales som (re)karbonatisering. Denne mengden tilsvarer omtrent 43 % av CO₂-utslippene knyttet til sementproduksjon.»

Karbonatiseringsprosessen har imidlertid også ulemper. Den reduserer alkaliteten i betongens porevæske, noe som igjen kan destabilisere passiveringsfilmen på armeringsstålet. Dette kan føre til korrosjon i stålet og dermed forkorte levetiden til vanlige armerte betongkonstruksjoner.

Dette kan være et alvorlig problem for betong med lavt karbonavtrykk, siden den har en tendens til å karbonatisere raskere enn vanlig portlandsementbetong.

3D-printing av betong

Et eksempel fra virkeligheten

Blant nye byggemetoder som bruker digital fabrikasjon med betong, er 3D-printet betong den mest utbredte og lovende teknologien.

For å vurdere det reelle karbonavtrykket til denne teknikken utviklet studiens forfattere en metode for å beregne den dynamiske livsløpsvurderingen (LCA). Som en konkret case studerte de det 3D-printede tårnet «Tor Alva» i landsbyen Mulegns i de sveitsiske Alpene, med særlig vekt på de 3D-printede, forgrenede søylene og kuppelen.

Kilde: Sement- og betongforskning

Først målte de karbonatiseringen med tre ulike metoder: én basert på akselerert testing (i et karbonatiseringskammer med 4 % CO₂, 67 % relativ fuktighet og 20 °C) og to basert på resultater fra naturlig karbonatisering: direkte måling av karbonatiseringsdybden og kvantifisering av karbonater/CO₂ ved hjelp av termogravimetrisk analyse.

Fastslå den faktiske karbonatiseringshastigheten

Da forskerne beregnet virkningen av den observerte karbonatiseringen, brukte de en tidshorisont på 50 år. De sammenlignet også resultatene for den 3D-printede betongkonstruksjonen med en plasstøpt konstruksjon med tilsvarende ytre geometri og omtrent samme sementsammensetning.

De fant at alt tilgjengelig materiale i området der betongen karbonatiserte, reagerte og absorberte CO₂.

«I det karbonatiserte området ligger mengden bundet CO₂ mellom 44.16 og 51 g CO₂/100 g hydrert bindemiddel. Sistnevnte tilsvarer nok CO₂ til å dekalifisere alt tilgjengelig kalsiumsilikathydrat.»

Kilde: Sement- og betongforskning

Det neste spørsmålet er hvor mye av den 3D-printede betongen som faktisk vil fange opp karbon i løpet av levetiden. Ved å analysere hvor langt karbonatiseringsprosessen trenger inn, ved hjelp av akselererte tester, fastslo forskerne at 86 % av all den printede mørtelen som ble brukt i tårnet, ville være karbonatisert i løpet av 50 år. Det tilsvarer til sammen 32 m³ 3D-printet, karbonatisert betong.

Kilde: Sement- og betongforskning

Sammenlignet med målinger av naturlig karbonatisering ga direkte måling av karbonatiseringsdybden et lignende resultat (89 %). Metodene ga ulike anslag for omfanget av karbonatiseringen, men prosenttallene måler ikke det totale CO₂-opptaket direkte. Forskerne forklarer at pH-indikatorer kan overse betydelig opptak før materialet skifter farge. Termogravimetrisk analyse måler opptaket direkte og støttet et anslag på at karbonavtrykket til den printede betongen ble redusert med 21 %, sammenlignet med 14 % ved bruk av pH-målinger av naturlig karbonatisering.

Kilde: Sement- og betongforskning

Sammenlignet med den plasstøpte konstruksjonen har Tor Alva et lavere karbonavtrykk, takket være at det ble brukt 25 % mindre betong og at karbonatiseringen var bedre.

«Selv om konstruksjonen inneholder 25 % mindre sementholdig materiale, kan 3DPC-konstruksjonen binde 2,5 ganger mer CO₂ enn den plasstøpte referansekonstruksjonen (4.6 tCO₂ for den printede konstruksjonen og 1.9 tCO₂ for den plasstøpte).»

Bedre karbonopptak

Studien viser at rask karbonatisering kan føre til at betong tar opp mer karbon, og dermed redusere de samlede karbonutslippene gjennom bygningens livsløp betydelig. Dette gjelder særlig betongkonstruksjoner uten armeringsstål og 3D-printet betong, som karbonatiseres raskere.

Det bør også bemerkes at fryse- og tinesykluser, slik som i eksempelet som ble studert i de sveitsiske Alpene, sannsynligvis påvirket både grensebetingelsene og de indre transportegenskapene som styrer bevegelsen av fuktighet og CO₂.

Kilde: Sement- og betongforskning

I praksis kan dette bety at 3D-printet betong i varmere klima kan fungere som et enda bedre karbonlager, men dette må undersøkes nærmere før det kan fastslås.

«Når porevannet fryser, kan det delvis blokkere porestrukturen og dermed redusere den effektive transporten og forsinke karbonatiseringen. Resultatene tyder på at virkninger av lave temperaturer – enten de skyldes delvis blokkering av porene, endringer i fuktighetstilstanden eller en kombinasjon av begge deler – bør tas med i betraktningen når karbonatisering under slike miljøforhold beskrives.»

Dette åpner også for et nytt perspektiv på hvordan 3D-printing av betong kan optimaliseres. Optimalisering av karbonatiseringen kan bli en ytterligere parameter i den geometriske optimaliseringen av 3D-printede betongkonstruksjoner, slik at mest mulig av overflaten eksponeres for karbonatisering.

Det betyr ikke at 3D-printet betong er en utslippsfri byggemetode. Selv med optimalisert karbonatisering er utslippene fra kalsinering i sementproduksjonen fortsatt betydelige. Og karbonet som tas opp igjen i løpet av 50 år, vil selvfølgelig bidra vesentlig til klimaendringene i mellomtiden.

Hvis disse karbonutslippene derimot ble fanget opp på sementfabrikken, kunne den senere karbonatiseringen av betongbygningen virkelig gjøre slik infrastruktur til et netto karbonlager, selv om den er laget av betong.

3D-printet betong har størst sannsynlighet for å nå dette målet først, ved å kombinere optimalisert geometri, bindemidler med lave utslipp og egnet armering. Dette kan igjen skape muligheter for leverandører av byggematerialer.

Investeringer i avansert betongteknologi

CRH

Som en av verdens ledende sementprodusenter vil CRH spille en avgjørende rolle i å gjøre sementbasert bygging til en mer bærekraftig bransje. Selskapet er rangert som nummer 1 målt etter det samlede volumet av byggematerialer levert i både USA og Europa.

Kilde: CRH

Selskapet er aktivt i 28 land og på 3,390 steder og har 78,500 ansatte. CRH Americas står for 65 % av det globale salget. Selskapet er også den klart største sementprodusenten, en posisjon som er blitt ytterligere styrket med det nylige oppkjøpet av Arcosa.

«Transaksjonen styrker CRHs posisjon som den ledende aktøren innen tilslag i USA og globalt, og øker eksponeringen mot noen av de raskest voksende statistiske storbyområdene (MSA-er) i USA.»

Kilde: CRH

CRH forventer at vestlige myndigheters omfattende investeringer i infrastruktur vil bidra til å styrke virksomheten. Trendene med reindustrialisering og tilbakeflytting av høyteknologisk produksjon vil også kunne bidra.

CRH har gjort betydelige fremskritt innen bærekraft gjennom en rekke initiativer:

• Det er den største gjenvinningsaktøren i Nord-Amerika. I 2023 gjenvant selskapet 43,9 millioner tonn avfall og biprodukter fra andre industrier.
• I 2023 reduserte selskapet CO₂-utslippene med 8 prosent ved å bruke 36 prosent alternative brensler i sementfabrikkene sine.
• Selskapet har som mål å redusere utslippene med 30 prosent innen 2030, sammenlignet med utslippene i 2021.

CRH bidrar også til mer grunnleggende endringer i bransjen. Blant annet har selskapet investert 75 millioner dollar i lavkarbonsementselskapet Sublime sammen med den europeiske betonggiganten Holcim.

Sublime Systems ble skilt ut fra MIT i 2020 for å bruke en elektrolysør til å produsere sement ved omgivelsestemperatur, som erstatning for energi- og fossilbrenselkrevende ovner. Teknologien gjør det også mulig å bruke kalsiumkilder som råmateriale og dermed unngå CO₂-utslipp fra kalkstein som tilføres i produksjonen.

Sublimes første kommersielle anlegg i Holyoke ventes å åpne så tidlig som i 2026. Hvis det viser seg å fungere, kan det bli en reell gamechanger for sementindustrien og bane vei for lavutslippsbetong som kan produseres i stor skala.

CRH har også investert i andre oppstartsbedrifter innen avkarbonisering og bærekraft:

• 23,7 millioner euro i Cool Planet Technologies, som utvikler løsninger for karbonfangst i industrier som tradisjonelt har vært vanskelige å avkarbonisere.
• 34,7 millioner dollar fra CRH og andre investorer i Carbon Upcycling Technologies, som bruker en helelektrisk mineraliseringsløsning for å lagre CO₂ permanent i industrielle biprodukter og mineraler, for eksempel sement, plast, forbrukerprodukter, gjødsel og legemidler.
• AICrete, en plattform for «oppskrift som tjeneste» som samarbeider med lokale betongprodusenter. Ved hjelp av KI-analyser optimaliserer plattformen bruken av lokale materialer og minimerer sementforbruket, noe som reduserer både CO₂-avtrykket og kostnadene ved betongproduksjon.
• Serie B-finansieringen til FIDO AI går til en oppstartsbedrift som bruker KI til å redusere vannforbruket og øke vannbesparelsene.

Til slutt investerer CRH også i 3D-printing av betong (3DCP) gjennom datterselskapet Amerimix.

Alt i alt er CRH en lønnsom markedsleder innen betong- og byggebransjen, og selskapet forbereder seg aktivt på avkarboniseringen av bransjen. Det gjør det både direkte ved eksisterende anlegg og ved å være en viktig kapitaltilbyder til innovative oppstartsbedrifter som utvikler neste generasjons teknologi for sement- og betongproduksjon, blant annet innen avkarbonisering og 3D-printing.

Siste nytt og utvikling om CRH-aksjen (CRH)

Referert studie

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Re)karbonatisering: En ny mulighet for bærekraftig 3D-printet betong. Cement and Concrete Research. Desember 2026. Artikkel: 108411. Bind 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}