Betong var, är och kommer fortsätta vara ett kritiskt strukturellt material – Hur kan vi kringgå dess brister?

Betongbegränsningar

Betong har under de senaste decennierna blivit det centrala materialet i byggandet, särskilt i tätt befolkade stadsmiljöer. Det har successivt ersatt tegel, sten och trä tack vare sin låga kostnad, enkla användning och skalbarhet.

Men det är inte utan problem.

Hållbarhet

För det första är det långt ifrån en hållbar produkt när det gäller de resurser som förbrukas. Det förbrukar enorma mängder sand, till den grad det har beskrivits att världen “slutar ha sand”.

Källa: Visual Capitalist

Produktionen av cement är också en mycket energikrävande aktivitet. Den drivs nästan uteslutande av fossila bränslen, vilket leder till att cementproduktionen står för 8 % av världens CO₂‑utsläpp.

Detta kan jämföras med CO₂‑utsläppen från bilar och skåpbilar, som står för 10 % av de globala utsläppen. Så att göra betong mer hållbar skulle vara lika genomslag som att göra alla världens bilar till elbilar och driva dem enbart med grön energi.

Hållfasthet

Om betongbyggnader höll i århundraden, kunde vi åtminstone betrakta sandförbrukningen och CO₂‑utsläppen som en engångsinsats, med konstruktionen som stod kvar länge därefter.

Men så är det inte. Betongbyggnader med armering, som utgör majoriteten av dagens byggnation, har en genomsnittlig livslängd på endast 50–100 år. De måste sedan rivas helt, spillrorna transporteras bort och begravs någonstans, och byggas upp på nytt från grunden.

Nya betongteknologier

Den kombinerade höga miljökostnaden och bristen på hållfasthet betyder att betongen måste förbättras. Naturligtvis skulle vi teoretiskt kunna återgå helt till att bara använda sten, lera och trä som grundmaterial för byggande. Men betongens praktiska fördelar och låga kostnad gör det mycket svårt att ersätta den som arkitekternas föredragna material.

Avlägsna stål

Den centrala boven i den låga hållfastheten hos modern betong är stålarmeringen (rebar) som sätts in i den. Stålarmering ger viktiga strukturella fördelar genom att radikalt förbättra betongens draghållfasthet (förmågan att motstå att dras eller sträckas).

Problemet är att stål, som mestadels består av järn, så småningom rostar. När det rostar expanderar det och får betongen runt omkring att spricka. Detta kallas ofta för betongcancer, och det är anledningen till att armerad betong bara varar så länge.

Källa: USNW Sydney

Grafenbetong

När vi uppfinner nya material kan nya lösningar tillämpas på betong. Genom att tillsätta grafen till betong, ett exceptionellt 2D‑material, har forskare vid University of Virginia lyckats öka betongens prestanda, göra den mer hållbar och minska koldioxidutsläppen.

Det publicerades i Journal of Building Engineering under titeln “Rheological, mechanical, and environmental performance of printable graphene‑enhanced cementitious composites with limestone and calcined clay.”

De fokuserade på betong som används i 3D‑skrivningsmetoder, ett ämne som vi behandlade mer i detalj i “Home Ownership is More Prohibitive than Ever Before in North America – Can 3D Printing Change This?”.

Den grafenförstärkta LC2‑betongen kan minska växthusgasutsläppen med cirka 31 % jämfört med traditionella 3D‑skrivbara betongblandningar. Detta beror på att de istället för att använda stål – som i sig är en stor koldioxidkälla vid produktion – använde grafen, som består av rent kol. Så åtminstone för den förstärkande delen fångar denna nya betong kol istället för att släppa ut det.

Ändå är cementdelen fortfarande en koldioxidintensiv process, men detta är ett bra första steg.

Och eftersom grafen är mycket mer stabilt och inte oxiderar (rostar), bör denna typ av betong vara skyddad mot betongcancer. Om den färdiga byggnaden håller mycket längre innebär det betydligt färre utsläpp på lång sikt.

Hamprebar

Avancerade material som grafen är kanske inte det enda alternativet. Detta är bra eftersom grafen för närvarande är ganska dyrt, vilket kan hindra kommersialiseringen av dessa högpresterande, lågutsläppsbetonger.

Hamp (den icke‑psykoaktiva arten av cannabisplantor) används i ökande grad i byggmaterial. När den bearbetas på rätt sätt kan den omvandlas till isoleringsmaterial, hampblock för små byggnader och till och med hemcrete (hamp+betong).

Källa: 2050 Materials

Den kan också formas till armeringsstänger för betong i form av Natural Fiber‑Reinforced Thermoplastic (NFRT) composite rebar, eller hamprebar, där hampbaserat rep kombineras med ett termoplastiskt hölje.

Källa: CASE

Eftersom hamp är en växtfiber är den koldioxidnegativ och binder atmosfäriskt kol. Dessutom är hamp mycket motståndskraftigt och icke‑brandfarligt.

Självläkande betong

Inte all betong varar bara några decennier. Vissa former av betong har faktiskt varit så robusta att de har hållit i årtusenden, redan under Romarriket. Till exempel är Pantheon världens största oarmerade betongkupol och byggdes år 128 e Kr.

Den första nyckeln är att sådana betongkonstruktioner inte använde någon armering. De tillverkades också med speciella material, som vulkaniska stenar och aska, som gjorde betongen delvis självreparerande.

Så även om det kanske inte är helt skalbart, med vulkaniska stenar som inte är lika rikligt förekommande som sand, kan det vara ett alternativ för många konstruktioner som faktiskt inte behöver armering och som sannolikt inte kommer att behöva byggas om.

Uppvärmning av betong

Förutom korrosion är en annan faktor som kan skada betongbyggnader cykler av frysnings‑ och smältning under vintern. Varje gång expanderar vattnet när det fryser till is, vilket sprakar lite betong eller orsakar sprickor. Med tiden kan detta leda till allt allvarligare skador.

I “Self‑Heating Concrete Could Help our Roads, Aquifers, and Wallets” utforskade vi hur material med lågtemperaturfasändring (PCM) kan inkorporeras i mikrokapslar av paraffin och blandas direkt i betongen.

Detta kan hjälpa betongen att hålla sig frostfri vid temperaturer runt 0 °C och minska vintervägunderhållsbehoven.

Koldioxidfri cement

Eftersom cementens koldioxidutsläpp är nästan lika höga som bilarnas, behövs en viktig förbättring för att minska eller helt eliminera de associerade utsläppen, vilket är lättare sagt än gjort.

Grön energi

Eftersom cementproduktion kräver mycket värme måste vi se utvecklingen av elektriska eller termiska alternativ till fossila ugnar och kalkningsanläggningar.

Det är inte nödvändigtvis en mycket komplex teknisk uppgift, men att få hela branschen att byta utrustning och anta denna nya teknik kommer att ta tid.

Dessutom är elektriska alternativ till fossila bränslen bara så gröna som den el de använder. Så en stabil tillförsel av koldioxidfri el är också nödvändig.

Kalkstensrelaterade utsläpp

Ett stort problem med att ta bort koldioxidutsläpp från cementproduktion är att inte alla utsläpp kommer från den energi som förbrukas. Om så vore fallet skulle det räcka att bara använda grön el för att värma kalkstenen till cement.

Men själva kalkstenen, den grundläggande råvaran för cement, är en CO₂‑källa, enligt denna formel (med Δ=värme): CaCO3 + Δ → CaO + CO2 i en process som kallas kalkning.

Men vissa alternativ finns:

• Ersätta kalksten: genom att använda kalciumsilikat istället för kalciumkarbonat (kalksten) föreslår företaget Brimstone att skapa koldioxidfri cement.
  • Eftersom kalciumsilikat är en mycket riklig mineral är detta främst en fråga om att utveckla tekniken och göra den kommersiellt konkurrenskraftig.
• Koldioxidinfångning: eftersom de flesta cementproducenter idag använder fossila bränslen för kalkning och kalksten, kan det vara enklare att fånga utsläppen än att undvika dem.
  • Ett första pilotanläggning som producerar cement på detta sätt är redan i drift i Norge och kan bli en modell att följa.

Hållbart cementföretag

Som en av världens ledande cementproducenter kommer CRH att vara avgörande för att göra cementbyggande till en mer hållbar industri. Företaget är nummer 1 i total volym av byggmaterial som levereras både på den amerikanska och europeiska marknaden.

Företaget är verksamt i 28 länder och på 3 390 platser, med 78 500 anställda, där CRH Americas står för 65 % av företagets globala försäljning 2023.

Företaget förväntar sig att robusta investeringar från västerländska regeringar i infrastruktur kommer att hjälpa till att växa verksamheten. Trenderna med återindustrialisering och lokalisering av högteknologisk tillverkning bör också bidra.

Hållbarhet

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

• Det är den största återvinneren i Nordamerika, med 43,9 miljoner ton avfall och biprodukter från andra industrier återvunna 2023.
• Det minskade sina CO₂‑utsläpp med 8 % år 2023, tack vare att 36 % av bränslen i cementverken var alternativa bränslen.
• Det siktar på en minskning av utsläppen med 30 % till 2030 (jämfört med 2021‑utsläpp).

Detta är i sig lovvärt men kan uppfattas som för lite, för sent.

Lyckligtvis är CRH också en drivkraft för mer grundläggande förändringar i branschen. Speciellt har de investerat 75 miljoner USD i det låg‑koldioxidcementföretaget Sublime, tillsammans med den europeiska betongjätten Holcim.

Sublime Systems bildades vid MIT 2020 för att använda en elektrolysator för att producera cement vid rumstemperatur, vilket ersätter energikrävande och fossila bränsleintensiva ugnar. Det möjliggör också användning av kalciumkällor som insatsmaterial, vilket undviker CO₂‑utsläpp från kalkstensinsatsen.

Sublimes första kommersiella anläggning i Holyoke förväntas öppna så tidigt som 2026. Om den visar sig framgångsrik kan den bli den verkliga spelväxlaren för cementindustrin och öppna vägen för storskalig låg‑utsläppsbetong.

“Sublime är en disruptiv kraft i cementtillverkning. Dess unika teknik genomsyrar hela produktionsprocessen, från användning av ren el till koldioxidfria råmaterial. Vi är entusiastiska över dess potential och glada över att samarbeta för att ta den till marknaden i stor skala. Denna investering ligger helt i linje med Holcims strategi att påskynda avkarboniseringen av byggsektorn genom att skala upp de mest innovativa teknologierna.”

Officer Nollaig Forrest – Holcims Chief Sustainability

CRH har också investerat i andra avkarboniserings‑ och hållbarhets‑startup‑företag:

• 23,7 miljoner € i Cool Planet Technologies, som utvecklar koldioxidinfångningslösningar för industrier som traditionellt har varit svåra att avkarbonisera.
• 34,7 miljoner USD av CRH och andra investerare i Carbon Upcycling Technologies, som använder en hel‑elektrisk mineraliseringslösning för att permanent lagra CO₂ i industriella biprodukter och mineraler, såsom cement, plast, konsumentprodukter, gödningsmedel och läkemedel.
• AICrete, en “recipe‑as‑a‑service”‑plattform som samarbetar med lokala betongproducenter, optimerar lokala material och minimerar cementanvändningen med AI‑analyser, vilket minskar både CO₂‑avtrycket och kostnaden för betongproduktion.
• FIDO AI:s Series B‑finansiering är en startup som använder AI för att minska vattenförbrukning och öka vattensparandet.

Sammanfattningsvis är CRH en lönsam ledare inom betongindustrin och förbereder sig mycket aktivt för att avkarbonisera branschen, både direkt i befintliga anläggningar och genom att vara en primär kapitalleverantör till innovativa startup‑företag som skapar nästa generation av cement‑ och betongproduktionsteknik. på svenska.