Betong var, er og vil fortsatt være et kritisk strukturelt materiale – Hvordan kan vi omgå dets mangler?

Betongbegrensninger

Betong har blitt det sentrale materialet i byggebransjen de siste tiårene, spesielt i tettbygde urbane områder. Det har gradvis erstattet murstein, stein og tre, takket være sin lave kostnad, enkle bruk og skalerbarhet.

Men det er ikke uten problemer.

Bærekraft

For det første er det langt fra et bærekraftig produkt når det gjelder ressursforbruk. Det bruker enorme mengder sand, til det punktet at det har blitt beskrevet at verden går tom for sand.

Kilde: Visual Capitalist

Produksjonen av sement er også en svært energikrevende aktivitet. Den drives nesten utelukkende av fossile brensler, noe som gjør at sementproduksjon står for 8 % av verdens CO₂‑utslipp.

Dette kan sammenlignes med CO₂‑utslippene fra biler og varebiler, som står for 10 % av verdens samlede utslipp. Så å gjøre betong mer bærekraftig ville ha samme effekt som å gjøre alle verdens biler om til elbiler og drive dem kun med grønn energi.

Holdbarhet

Hvis betongbygninger varte i århundrer, kunne vi i det minste betrakte sandforbruket og CO₂‑utslippene som en engangshandling, med konstruksjonen som står i lang tid etterpå.

Men dette er langt fra sannheten. Armert betong, som utgjør mesteparten av dagens byggverk, har en gjennomsnittlig levetid på kun 50–100 år. De må deretter rives helt ned, restene fjernes og deponeres et sted, og bygges opp på nytt fra bunnen.

Nye betongteknologier

Den kombinerte høye miljøkostnaden og mangelen på holdbarhet betyr at betong må forbedres. Selvfølgelig kunne vi teoretisk gå helt tilbake til kun stein, leire og tre som grunnmaterialer for bygging. Likevel gjør betongs praktiske egenskaper og lave kostnad det svært vanskelig å fjerne den fra sin posisjon som foretrukket materiale blant arkitekter.

Fjerne stål

Den sentrale synderen bak den lave holdbarheten til moderne betong er stålarmeringen (forsterkningsstang) som er innlagt i den. Stålarmering gir viktige strukturelle fordeler ved å radikalt forbedre betongs strekkstyrke (evnen til å motstå å bli trukket eller strukket).

Problemet er at stål, som hovedsakelig er laget av jern, til slutt ruster. Når det ruster, utvider det seg og får betongen rundt seg til å sprekke. Dette kalles ofte betongkreft, og det er grunnen til at armert betong kun holder så lenge.

Kilde: USNW Sydney

Grafenbetong

Ettersom vi utvikler nye materialer, kan nye løsninger anvendes på betong. Ved å tilsette grafen i betong, et eksepsjonelt 2D‑materiale, har forskere ved University of Virginia klart å forbedre betongens ytelse, samtidig som de gjør den mer holdbar og reduserer karbonutslippene.

Den ble publisert i Journal of Building Engineering under tittelen «Rheological, mechanical, and environmental performance of printable graphene-enhanced cementitious composites with limestone and calcined clay».

Forskerne fokuserte på betong brukt i 3D‑utskriftsmetoder, et tema vi dekket i større detalj i «Home Ownership is More Prohibitive than Ever Before in North America – Can 3D Printing Change This?».

Den grafen‑forsterkede LC2‑betongen kan redusere klimagassutslippene med omtrent 31 % sammenlignet med tradisjonelle utskrivbare betongblandinger. Dette skyldes at i stedet for å bruke stål, som er en stor karbonutleder ved produksjon, benyttet de grafen, som er laget av ren karbon. Så i det forsterkende leddet fanger denne nye betongen karbon i stedet for å slippe det ut.

Likevel er sementdelen fortsatt en karbonintensiv prosess, men dette er et godt første steg.

Og siden grafen er mye mer stabilt og ikke oksiderer (ruster), bør denne typen betong være trygg mot betongkreft. Hvis den resulterende bygningen varer mye lenger, vil det bety betydelig færre utslipp over tid.

Hamp‑armeringsstang

Avanserte materialer som grafen er kanskje ikke det eneste alternativet. Dette er positivt siden grafen foreløpig er ganske dyrt, noe som kan hindre kommersialiseringen av denne høy‑ytelses, lav‑utslipps betongen.

Hamp (den ikke‑psykoaktive arten av cannabisplanter) brukes i økende grad i byggematerialer. Når den er riktig bearbeidet, kan den omdannes til isolasjonsmateriale, hampblokker for små bygninger, og til og med hemcrete (hamp+betong).

Kilde: 2050 Materials

Den kan også formes til armeringsstang for betong i form av Natural Fiber‑Reinforced Thermoplastic (NFRT) kompositt‑rebar, eller hamp‑rebar, ved å blande hampbasert tau med et termoplastisk hylster.

Kilde: CASE

Siden hamp er en plantefiber, er den karbon‑negativ og binder atmosfærisk karbon. I tillegg er hamp svært motstandsdyktig og ikke‑brannfarlig.

Selvhelbredende betong

Ikke all betong varer bare noen tiår. Noen former for betong har faktisk vært robuste nok til å vare i årtusener, tilbake fra Romerriket. For eksempel er det berømte Pantheon verdens største uarmert betongkuppel og ble bygget i år 128 e.Kr.

Den første nøkkelen er at slike betongkonstruksjoner ikke brukte noen armering. De ble også laget med spesielle materialer, som vulkanske steiner og aske, som gjorde betongen delvis selvreparerende.

Oppvarmende betong

I tillegg til korrosjon er en annen faktor som kan skade betongbygninger fryse‑tø cycles om vinteren. Hver gang utvider vannet seg når det fryser til is, og fliser av betong eller forårsaker sprekker. Over tid kan dette utvikle seg til stadig mer alvorlige skader.

I «Self‑Heating Concrete Could Help our Roads, Aquifers, and Wallets» utforsket vi hvordan lavtemperatur faseendringsmateriale (PCM) kan innlemmes i mikrokapsler av parafin og blandes direkte inn i betong.

Dette kan bidra til å holde betong frostfri ved temperaturer rundt 0 °C og redusere behovet for vintervedlikehold av veier.

Karbonfri sement

Med sementens karbonutslipp nesten like høye som bilenes, er en viktig forbedring nødvendig for å redusere eller fullstendig fjerne de tilhørende karbonutslippene, noe som er lettere sagt enn gjort.

Grønn energi

Siden sementproduksjon krever mye varme, må vi se utviklingen av elektriske eller termiske alternativer til fossildrevne ovner og kalkere.

Dette er ikke nødvendigvis en svært kompleks teknisk oppgave, men å se hele industrien endre sitt utstyr og ta i bruk denne nye teknologien vil ta tid.

I tillegg er elektriske alternativer til fossildrevne industrielle prosesser kun så grønne som den elektrisiteten de bruker. Så en jevn tilførsel av karbonfri strøm er også nødvendig.

Kalssteinrelaterte utslipp

Et stort problem med å fjerne karbonutslipp fra sementproduksjon er at ikke alle utslippene kommer fra energiforbruket. Hvis dette var tilfelle, ville det vært nok å bruke grønn elektrisitet til å varme opp kalsstein til sement.

Men selve kalssteinen, den grunnleggende råvaren for sement, er en CO₂‑utleder, i henhold til denne formelen (med Δ=varme): CaCO3 + Δ → CaO + CO2 i en prosess kalt kalkering.

Men noen alternativer finnes:

• Erstatning av kalsstein: ved å bruke kalsiumsilikat i stedet for kalsiumkarbonat (kalsstein), foreslår selskapet Brimstone å lage karbonfri sement.
  • Siden kalsiumsilikat er et svært rikelig mineral, er dette hovedsakelig et spørsmål om å utvikle teknologien og gjøre den kommersielt konkurransedyktig.
• Karbonfangst: ettersom de fleste sementproduserende anlegg i dag bruker fossildrevne kalkere og kalsstein, kan det være lettere å fange utslippene enn å unngå dem.
  • Et første pilotanlegg som produserer sement på denne måten er allerede i drift i Norge og kan være en modell å følge.

Bærekraftig sementfirma

Som en av verdens ledende aktører innen sementproduksjon vil CRH være avgjørende for å gjøre sementkonstruksjon til en mer bærekraftig industri. Det er nummer 1 i totalvolum av byggematerialer levert i både USA‑ og europeiske markeder.

Selskapet er aktivt i 28 land og 3 390 lokasjoner, med 78 500 ansatte, og CRH Americas står for 65 % av selskapets globale salg i 2023.

Selskapet forventer at kraftige investeringer fra vestlige regjeringer i infrastruktur vil bidra til å vokse virksomheten. Trendene med re‑industrialisering og hjem‑produksjon av høyteknologisk produksjon bør også hjelpe.

Bærekraft

CRH har gjort alvorlige fremskritt innen bærekraft med en rekke initiativer:

• Det er den største gjenvinneren i Nord‑America, med 43,9 millioner tonn avfall og biprodukter fra andre industrier resirkulert i 2023.
• Det reduserte sine CO₂‑utslipp med 8 % i 2023, takket være bruk av 36 % alternative brensler i sine sementanlegg.
• Det har som mål å redusere utslippene med 30 % innen 2030 (sammenlignet med utslippene i 2021).

Dette er prisverdig i seg selv, men kan oppfattes som for lite, for sent.

Heldigvis er CRH også en pådriver for mer grunnleggende endringer i industrien. Spesielt har de investert 75 millioner dollar i lav‑karbon sement‑selskapet Sublime, sammen med den europeiske betonggiganten Holcim.

Sublime Systems ble spin‑off fra MIT i 2020 for å bruke en elektrolytt til å produsere sement ved romtemperatur, og erstatte energikrevende og fossil‑intensive ovner. Den gjør også bruk av kalsiumkilder som råmateriale mulig, og unngår utslipp av CO₂ fra kalsstein.

Sublimes første kommersielle anlegg i Holyoke forventes å åpne så tidlig som 2026. Hvis det viser seg å lykkes, kan det bli den virkelige spillveksleren for sementindustrien og åpne veien for skalerbar lav‑utslipps betong.

«Sublime er en disruptiv kraft i sementproduksjon. Deres unike teknologi påvirker hele produksjonsprosessen, fra bruk av ren elektrisitet til karbon‑fri råmaterialer. Vi er begeistret for potensialet og glade for å samarbeide om å bringe det til markedet i stor skala. Denne investeringen er fullt i tråd med Holcims strategi om å akselerere avkarboniseringen av bygging ved å skalere opp de mest innovative teknologiene.»

Officer Nollaig Forrest – Holcims bærekraftssjef
CRH har også investert i andre avkarboniserings‑ og bærekraft‑oppstartsbedrifter:

• 23,7 millioner € i Cool Planet Technologies, som utvikler karbonfangstløsninger for industrier som tradisjonelt har vært vanskelige å avkarbonisere.
• 34,7 millioner $ fra CRH og andre investorer i Carbon Upcycling Technologies, som bruker en hel‑elektrisk mineraliseringsløsning for permanent å lagre CO₂ i industrielle biprodukter og mineraler, som sement, plast, forbrukerprodukter, gjødsel og farmasøytiske produkter.
• AICrete, en «oppskrift‑som‑en‑tjeneste»-plattform som samarbeider med lokale betongprodusenter, optimaliserer lokale materialer og minimerer mengden sement som brukes ved hjelp av AI‑analyser, og reduserer både CO₂‑avtrykket og kostnadene ved betongproduksjon.
• FIDO AIs Series B‑finansiering er en oppstartsbedrift som bruker AI for å redusere vannforbruket og øke vannbesparelser.

Alt i alt er CRH en lønnsom leder i betongindustrien, og forbereder seg svært aktivt på avkarboniseringen av bransjen, både direkte i eksisterende anlegg og ved å være en viktig kapitalleverandør til innovative oppstartsbedrifter som skaper neste generasjon av sement‑ og betongproduksjonsteknologi.