Design av 3D-skrivna betong för att absorbera mer CO₂

Betongens miljögränser: sandanvändning och CO₂-utsläpp

Betong har blivit det centrala materialet för byggnation under de senaste decennierna, särskilt i tätbebyggda urbana miljöer. Det har gradvis ersatt tegel, sten och trä tack vare sin låga kostnad, användarvänlighet och skalbarhet.

Men det är inte utan problem.

För det första är det långt ifrån ett hållbart produkt när det gäller resursförbrukning. Det använder enorma mängder sand, till den grad att rapporter antyder världen är “till slut på sand.”

Källa: Visual Capitalist

Cementproduktion är också en mycket energikrävande aktivitet. Den drivs nästan uteslutande av fossila bränslen, vilket resulterar i att cementproduktionen står för 8 % av världens CO₂-utsläpp.

Detta är jämförbart med utsläppen från bilar och lastbilar, som står för 10 % av globala utsläpp. Följaktligen skulle att göra betong mer hållbar ha en lika stor påverkan som att övergå alla världens bilar till elbilar och driva dem endast med förnybar energi.

Emellertid kan dessa utsläpp också delvis kompenseras av ett fenomen som kallas karbonisering, där cementhaltiga material absorberar CO₂ från atmosfären.

En ny studie av forskare vid ETH Zürich (Schweiz), University of Bath (UK) och University of Manchester (UK) undersöker potentialen för 3D-skrivna betong att ha ett lägre koldioxidavtryck än vanlig betong med snabbare karbonisering. För den utskrivna betongen som bedömdes i Tor Alva uppskattade forskarna att karbonisering skulle kunna kompensera cirka 21 % av dess initiala koldioxidavtryck över 50 år.

De publicerade sina resultat i Cement and Concrete Research¹ under titeln ”(Åter)karbonatisering: En ny möjlighet för hållbar 3D-printad betong”.

Betong & CO₂

Den främsta anledningen till att betong utgör en stor del av globala koldioxidutsläpp är kalkinationen av kalksten (CaCO₃), som dekomponerar till CO₂ och kalciumoxid/kalciumhydroxid (CaO). Kalciumhydroxiden smälter sedan omedelbart med kisel (SiO₂), alumina (Al₂O₃) och järnoxid (Fe₂O₃) från lera eller skiffer för att bilda den slutgiltiga cementen.

“Den största andelen av dessa utsläpp (typiskt 60 % [2]) beror på kalkinationen av kalksten (CaCO₃), som dekomponerar till CO₂ och kalciumoxid (CaO), innan klinkerprocessen som sker i ugnen. Resten av cementens CO₂-utsläpp är huvudsakligen kopplade till fossila bränslen som krävs för termisk energi.”

Dessa koldioxidutsläpp kan delvis kompenseras av nästa steg, när cementen används för att tillverka betongkonstruktioner.

I den härdade cementpastan kommer de Ca-innehållande hydratiseringsprodukterna långsamt att reagera med CO₂ i luften, bilda kalciumkarbonater och därmed lagra CO₂.

“Ur ett hållbarhetsperspektiv kan samma bindningsreaktion av CO₂ kallas (re)karbonisering. Denna mängd motsvarar cirka 43 % av CO₂-utsläppen som är förknippade med cementproduktion.”

Denna process av karbonisering är dock inte utan nackdelar. Den minskar alkaliniteten i betongens porös lösning, vilket i sin tur kan destabilisera passivationsfilmen som finns på stålets förstärkning. Detta kan resultera i stålkorrosion, vilket minskar livslängden för vanliga armerade betongkonstruktioner.

Detta kan vara ett allvarligt problem för låga koldioxidbetonger, eftersom de tenderar att karbonisera snabbare än vanlig Portlandbetong.

3D-skrivning av betong

Användning av ett verkligt exempel

I sammanhanget av nya byggmetoder som använder digital fabrication med betong är 3D-skrivna betong den mest utbredda och lovande teknologin.

För att utvärdera det verkliga koldioxidavtrycket för denna teknik utvecklade författarna till denna studie en metodik för att bedöma dess dynamiska livscykelanalys (LCA). De använde den 3D-skrivna “Tor Alva”-tornet i byn Mulegns, i de schweiziska alperna, som en verklig fallstudie, med fokus på de 3D-skrivna förgreningarna och kupolen.

Källa: Cement and Concrete Research

De mätte först karbonisering med tre olika metoder, en som använde accelererad testning (med en karboniseringskammare som upprätthöll 4 % CO₂, 67 % RH och 20 °C) och två som använde naturlig karbonisering: direkt mätning av karboniseringsdjup och kvantifiering av karbonater/CO₂ via termogravimetri.

Att hitta verklig karboniseringshastighet

Vid projektion av effekten av den observerade karbonisering använde forskarna en 50‑års tidsram. De jämförde också resultaten för den 3D-skrivna betongkonstruktionen med en gjuten på plats-konstruktion med liknande yttre geometri och producerad med liknande cementkomposition.

De fann att i området där betongen karboniserar reagerade all tillgänglig material och absorberade CO₂.

”I det karbonatiserade området ligger mängden bundet CO2 mellan 44,16 och 51 g CO2/100 g hydratiserat bindemedel. Den senare mängden motsvarar tillräckligt med CO2 för att avkalka all tillgänglig kalciumsilikathydrat.”

Källa: Cement and Concrete Research

Nästa fråga är hur stor del av den 3D-printade betongen som faktiskt kommer att binda kol under sin livslängd. Genom att analysera hur karbonatiseringsprocessen tränger in med hjälp av accelererade tester fastställde forskarna att 86 % av allt 3D-printat murbruk som används i tornet kommer att vara karbonatiserat inom 50 år, vilket motsvarar totalt 32 m3 3D-printad karbonatiserad betong.

Källa: Cement and Concrete Research

När resultaten jämfördes med mätningar av naturlig karbonatisering gav direkta mätningar av karbonatiseringsdjupet ett liknande resultat (89 %). Metoderna gav olika uppskattningar av karbonatiseringens omfattning, men procentsatserna mäter inte det totala upptaget av CO₂ direkt. Forskarna förklarar att pH-indikatorer kan missa ett betydande upptag innan materialet ändrar färg. Termogravimetrisk analys mäter upptaget direkt och låg till grund för en uppskattad minskning av den 3D-printade betongens koldioxidavtryck med 21 %, jämfört med 14 % enligt pH-mätningar av naturlig karbonatisering.

Källa: Cement and Concrete Research

Jämfört med den platsgjutna konstruktionen har Tor Alva ett lägre koldioxidavtryck, tack vare att 25 % mindre betong används och att karbonatiseringen är bättre.

”Trots att konstruktionen innehåller 25 % mindre cementbaserat material kan 3DPC-konstruktionen binda 2,5 gånger mer CO2 än den platsgjutna referenskonstruktionen (4,6 tCO2 för den 3D-printade konstruktionen och 1,9 tCO2 för den platsgjutna).”

Förbättrad koldioxidinfångning

Studien visar att snabb karbonatisering kan göra att betong binder mer kol, vilket kraftigt minskar byggnaders totala koldioxidutsläpp under hela livscykeln. Detta gäller särskilt betongkonstruktioner utan stålarmering och 3D-printad betong, eftersom karbonatiseringen går snabbare.

Det bör också noteras att frys- och töcykler, som i det undersökta fallet i de schweiziska Alperna, sannolikt påverkade både randvillkoren och de interna transportegenskaper som styr fuktens och CO2:s rörelser.

Källa: Cement and Concrete Research

I praktiken skulle detta kunna innebära att 3D-printad betong i varmare klimat kan fungera som en ännu effektivare kolsänka, men det krävs ytterligare studier för att bekräfta detta.

”När porvattnet fryser kan porernas nätverk delvis blockeras, vilket minskar den effektiva transporten och gör att karbonatiseringen går långsammare. Resultaten tyder på att effekter av låga temperaturer – oavsett om de beror på delvis blockerade porer, förändringar i fukttillståndet eller en kombination av båda – bör beaktas när karbonatisering under sådana miljöförhållanden beskrivs.”

Detta öppnar också nya perspektiv på hur 3D-printning av betong kan optimeras. Optimering av karbonatiseringen skulle kunna bli ytterligare en parameter vid geometrisk optimering av 3D-printade betongkonstruktioner, så att så mycket av ytan som möjligt exponeras för karbonatisering.

Det betyder inte att 3D-printad betong är en koldioxidfri byggmetod. Även med optimerad karbonatisering är utsläppen från kalcineringen vid cementtillverkningen fortfarande betydande. Och den koldioxid som återupptas under 50 år kommer förstås att bidra avsevärt till klimatförändringarna under tiden.

Om dessa koldioxidutsläpp däremot fångades in vid cementfabriken skulle den efterföljande karbonatiseringen i betongbyggnaden verkligen kunna göra en sådan konstruktion till en nettokolsänka, trots att den är byggd av betong.

3D-printad betong har betydligt större förutsättningar att nå det målet först, genom att kombinera optimerad geometri, bindemedel med låga koldioxidutsläpp och lämplig armering. Det skulle i sin tur kunna skapa möjligheter för leverantörer av byggmaterial.

Investera i avancerad betongteknik

CRH

Som en av världens ledande cementproducenter kommer CRH att spela en avgörande roll i omställningen av det cementbaserade byggandet till en mer hållbar bransch. Företaget rankas som nummer 1 sett till den totala volymen byggmaterial som levereras på både den amerikanska och den europeiska marknaden.

Källa: CRH

Företaget är verksamt i 28 länder och på 3 390 platser, har 78 500 anställda och står genom CRH Americas för 65 % av den globala försäljningen. Det är också utan jämförelse det största cementföretaget, en ledande position som har stärkts ytterligare genom det nyligen genomförda förvärvet av Arcosa.

”Transaktionen stärker CRH:s position som ledande aktör inom ballastmaterial i USA och globalt, och ökar företagets exponering mot några av de snabbast växande statistiska storstadsområdena (MSAs) i USA.”

Källa: CRH

CRH räknar med att de västerländska regeringarnas omfattande satsningar på infrastruktur ska bidra till företagets tillväxt. Trenderna med återindustrialisering och återflyttning av högteknologisk tillverkning till hemlandet bör också vara till hjälp.

CRH har gjort betydande framsteg inom hållbarhet genom en rad initiativ:

• Företaget är Nordamerikas största återvinnare. År 2023 återvanns 43,9 miljoner ton avfall och biprodukter från andra branscher.
• Företaget minskade sina koldioxidutsläpp med 8 % år 2023, tack vare att 36 % alternativa bränslen användes i cementfabrikerna.
• Företaget siktar på att minska utsläppen med 30 % till 2030 (jämfört med utsläppen 2021).

CRH är också en drivande kraft bakom mer grundläggande förändringar i sektorn. Särskilt har bolaget investerat 75 miljoner dollar i cementföretaget Sublime, som tillverkar cement med låga koldioxidutsläpp, tillsammans med den europeiska betongjätten Holcim.

Sublime Systems knoppades av från MIT år 2020 för att använda en elektrolysör till att tillverka cement vid rumstemperatur och ersätta de energi- och fossilbränslekrävande ugnarna. Tekniken gör det också möjligt att använda kalciumkällor som insatsmaterial och därmed undvika koldioxidutsläpp från kalkstensråvaran.

Sublimes första kommersiella anläggning i Holyoke väntas öppna tidigast 2026. Om den visar sig vara framgångsrik kan den bli en verklig omvälvning för cementindustrin och bana väg för betong med låga utsläpp som kan produceras i stor skala.

CRH investerade också i andra nystartade företag inom utfasning av fossila bränslen och hållbarhet:

• 23,7 miljoner euro i Cool Planet Technologies, som utvecklar lösningar för koldioxidavskiljning inom branscher där det traditionellt har varit svårt att minska koldioxidutsläppen.
• 34,7 miljoner dollar från CRH och andra investerare i Carbon Upcycling Technologies, som använder en helt elektrisk mineraliseringslösning för att permanent lagra koldioxid i industriella biprodukter och mineraler, till exempel cement, plast, konsumentprodukter, gödningsmedel och läkemedel.
• AICrete, en plattform för ”recept som tjänst” som samarbetar med lokala betongproducenter, optimerar användningen av lokala material och med hjälp av AI-analyser minimerar cementåtgången, vilket minskar både betongproduktionens koldioxidavtryck och kostnader.
• FIDO AI:s finansieringsrunda i serie B gäller ett nystartat företag som använder AI för att minska vattenförbrukningen och öka vattenbesparingarna.

Slutligen investerar CRH också i 3D-printning av betong (3DCP) genom dotterbolaget Amerimix.

CRH är överlag en lönsam ledare inom betong- och byggbranschen och arbetar mycket aktivt med att förbereda branschen för minskade koldioxidutsläpp. Det gör företaget både direkt vid sina befintliga anläggningar och genom att vara en viktig kapitalgivare till innovativa nystartade företag som utvecklar nästa generations teknik för cement- och betongproduktion, bland annat teknik för att minska koldioxidutsläpp och för 3D-printning.

Senaste aktienyheterna och utvecklingen för CRH (CRH)

Refererad studie

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Åter)karbonatisering: En ny möjlighet för hållbar 3D-printad betong. Cement and Concrete Research. december 2026. Artikel: 108411. Volym 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}