Beton, Geçmişte, Şu Anda ve Gelecekte Kritik Bir Yapısal Malzeme Olmaya Devam Ediyor – Eksikliklerini Nasıl Aşabiliriz?

Beton Sınırlamaları

Beton, son birkaç on yılda, özellikle yoğun kentsel ortamlarda, inşaatta merkezi malzeme haline gelmiştir. Düşük maliyeti, kolay kullanımı ve ölçeklenebilirliği sayesinde yavaş yavaş tuğla, taş ve ahşabı yerinden etmiştir.

Ancak sorunları da yok değildir.

Sürdürülebilirlik

İlk olarak, tüketilen kaynaklar açısından sürdürülebilir bir ürün olmaktan uzaktır. Çok büyük miktarlarda kum tüketir; öyle ki dünya “kumu tükendiği” tanımlanmıştır.

Kaynak: Visual Capitalist

Çimento üretimi aynı zamanda çok enerji yoğun bir faaliyettir. Neredeyse tamamen fosil yakıtlardan beslenir ve çimento üretiminin dünya CO2 emisyonlarının %8’inden sorumlu olmasına yol açar.

Bu, dünya genelindeki CO2 emisyonlarının %10’undan sorumlu olan otomobiller ve kamyonetlerin emisyonlarıyla karşılaştırılabilir. Dolayısıyla, betonu daha sürdürülebilir hâle getirmek, tüm dünyanın araçlarını elektrikli araçlara dönüştürmek ve sadece yeşil enerjiyle çalıştırmak kadar etkili olur.

Dayanıklılık

Eğer beton binalar yüzyıllar boyunca dayanırsa, en azından kum tüketimi ve CO2 emisyonlarının bir kez ve tamamen yapıldığını, yapının uzun süre ayakta kalacağını düşünebiliriz.

Ancak durum bundan uzaktır. Günümüzde inşa edilenlerin büyük çoğunluğunu oluşturan demir donatılı beton binaların ortalama ömrü yalnızca 50‑100 yıldır. Daha sonra tamamen yıkılmaları, enkazın bir yere taşınması ve gömülmesi ve sıfırdan yeniden inşa edilmeleri gerekir.

Yeni Beton Teknolojileri

Bu yüksek çevresel maliyetler ve dayanıklılık eksikliği, betonun geliştirilmesi gerektiği anlamına gelir. Elbette teorik olarak sadece taş, kil ve ahşap gibi temel malzemelere geri dönebiliriz. Ancak, betonun pratikliği ve düşük maliyeti, mimarlar tarafından tercih edilen malzeme konumundan çıkarmasını çok zorlaştırıyor.

Çeliği Kaldırma

Modern betonun düşük dayanıklılığının başlıca sorumlusu, içine yerleştirilen çelik donatıdır (takviye çubuğu). Çelik donatı, betonun çekme dayanımını (çekilme veya gerilme direncini) köklü bir şekilde artırarak önemli yapısal avantajlar sağlar.

Sorun, çoğunlukla demirden oluşan çeliğin sonunda paslanmasıdır. Paslandığında genişler ve çevresindeki betonu çatlatır. Bu genellikle beton kanseri olarak adlandırılır ve demir donatılı betonun sadece bu kadar uzun ömürlü olmasının nedeni budur.

Kaynak: USNW Sydney

Grafen Betonu

Yeni malzemeler icat ettikçe, betona yeni çözümler uygulanabilir. Betona olağanüstü bir 2D malzeme olan grafen ekleyerek, Virginia Üniversitesi araştırmacıları betonin performansını artırmayı, dayanıklılığını artırmayı ve karbon emisyonlarını azaltmayı başarmışlardır.

Bu çalışma, “Yazdırılabilir grafen takviyeli çimento kompozitlerinin kireçtaşı ve kavrulmuş kil ile riyolejik, mekanik ve çevresel performansı” başlığıyla Journal of Building Engineering dergisinde yayımlanmıştır.

Araştırmacılar, 3D baskı yöntemlerinde kullanılan betona odaklandılar; bu konuyu “Kuzey Amerika’da Ev Sahipliği Her Zamankinden Daha Engelleyici – 3D Baskı Bunu Değiştirebilir mi?” başlıklı yazımızda daha ayrıntılı ele aldık.

Grafen takviyeli LC2 betonu, geleneksel yazdırılabilir beton karışımlarına kıyasla sera gazı emisyonlarını yaklaşık %31 azaltabilir. Bunun nedeni, üretildiğinde büyük bir karbon salınımı yapan çelik yerine saf karbondan oluşan grafen kullanmalarıdır. Böylece en azından takviye kısmı için bu yeni beton, karbonu yaymak yerine yakalar.

Yine de çimento kısmı aynı karbon yoğun süreci içeriyor, ancak bu iyi bir başlangıç.

Ayrıca grafen çok daha kararlı olduğu ve oksitlenmediği (paslanmadığı) için bu tür beton, beton kanserinden korunmuş olmalıdır. Elde edilen yapı çok daha uzun ömürlü olursa, uzun vadede çok daha az emisyon anlamına gelir.

Kenevir Donatı

Grafen gibi ileri malzemeler tek seçenek olmayabilir. Bu iyi bir durum çünkü grafen şu an için oldukça pahalı ve bu yüksek performanslı, düşük emisyonlu betonun ticarileşmesini engelleyebilir.

Kenevir (esrar bitkisinin psikoaktif olmayan türü) giderek daha fazla inşaat malzemelerinde kullanılmaktadır. Uygun şekilde işlendiğinde yalıtım malzemesine, küçük binalar için kenevir bloklarına ve hatta hemcrete (kenevir+beton) dönüştürülebilir.

Kaynak: 2050 Materials

Ayrıca doğal lif takviyeli termoplastik (NFRT) kompozit donatı ya da kenevir donatı şeklinde, kenevir bazlı ipi termoplastik bir kılıfla karıştırarak beton için donatı haline getirilebilir.

Kaynak: CASE

Kenevir bir bitki lifi olduğundan karbon-negatif bir özelliğe sahiptir; atmosferik karbonu hapseder. Ayrıca kenevir çok dayanıklı ve yanmazdır.

Kendini İyileştiren Beton

Tüm betonlar sadece birkaç on yıl dayanmaz. Bazı beton türleri, Roma İmparatorluğu dönemine kadar uzanan binlerce yıl dayanacak kadar sağlam olmuştur. Örneğin, ünlü Pantheon, dünyadaki en büyük takviyesiz beton kubbedir ve M.S. 128 yılında inşa edilmiştir.

İlk anahtar, bu tür beton yapıların hiçbir donatı kullanmamasıdır. Ayrıca volkanik kayalar ve kül gibi özel malzemelerle yapılmışlardır; bu da betona bir dereceye kadar kendini onarma özelliği kazandırmıştır.

Dolayısıyla, volkanik kayalar kum kadar bol olmadığından tamamen ölçeklenebilir olmasa da, gerçekten donatıya ihtiyaç duymayan ve yeniden inşa edilme ihtimali düşük birçok yapı için bir seçenek olabilir.

Beton Isıtma

Korozyonun yanı sıra, beton binalara zarar verebilecek bir diğer faktör kış aylarında yaşanan donma-çözülme döngüleridir. Su donarak buz haline geldiğinde genişler, betonda ufak parçacıklar kırılır veya çatlaklar oluşur. Zamanla bu, giderek daha ciddi hasarlara yol açabilir.

“Kendini Isıtan Beton, Yollarımıza, Yeraltı Sularına ve Cebimize Yardımcı Olabilir” başlıklı yazımızda, düşük sıcaklık faz değişim malzemesinin (PCM) parafin mikro kapsüllerine nasıl entegre edilebileceğini ve doğrudan betona karıştırılabileceğini inceledik.

Bu, betonu 0°C civarında donmadan tutmaya yardımcı olabilir ve kış yolu bakım ihtiyaçlarını azaltabilir.

Karbon İçermeyen Çimento

Çimentonun karbon emisyonları neredeyse arabalar kadar yüksek olduğundan, ilgili karbon emisyonlarını azaltmak veya tamamen ortadan kaldırmak için önemli bir iyileştirme gerekir; bu, söylenmesi kadar uygulanması da kolay değildir.

Yeşil Enerji

Çimento üretimi çok fazla ısı gerektirdiğinden, fosil yakıta dayalı fırın ve kalkine edicilere alternatif olarak elektrikli veya termal temelli çözümlerin geliştirilmesini görmemiz gerekiyor.

Bu mutlaka çok karmaşık bir teknik görev değildir, ancak tüm sektörün ekipmanlarını değiştirip bu yeni teknolojiyi benimsemesi zaman alacaktır.

Ayrıca, fosil yakıta dayalı endüstriyel süreçlere elektrikli alternatifler, kullandıkları elektriğin yeşil olmasına bağlıdır. Bu yüzden sürekli bir karbon içermeyen elektrik kaynağı da gereklidir.

Kireçtaşıyla İlgili Emisyonlar

Çimento üretiminde karbon emisyonlarını ortadan kaldırmadaki büyük bir sorun, tüm emisyonların tüketilen enerjiden kaynaklanmamasıdır. Eğer durum böyle olsaydı, sadece yeşil elektrikle kireç taşını çimentoya ısıtmak yeterli olurdu.

Ancak kireç taşı, çimentonun temel ham maddesi olarak, CO2 salan bir bileşiktir; bu formüle göre (Δ=ısı): CaCO3 + Δ → CaO + CO2, kalkinasyon adı verilen bir süreçtir.

Ancak bazı alternatifler mevcuttur:

• Kireç taşının yerine geçmek: Kalsiyum karbonat (kireç taşı) yerine kalsiyum silikat kullanarak, Brimstone şirketi karbon içermeyen çimento üretmeyi öneriyor.
  • Kalsiyum silikat çok bol bir mineral olduğundan, bu esas olarak teknolojiyi geliştirmek ve ticari açıdan rekabetçi hâle getirmek meselesidir.
• Karbon yakalama: Şu anda çoğu çimento üretim tesisi fosil yakıta dayalı kalkine ediciler ve kireç taşı kullandığından, emisyonları önlemekten ziyade yakalamak daha kolay olabilir.
  • Bu şekilde çimento üreten ilk pilot tesis Norveç’te zaten faaliyette ve takip edilebilecek bir model olabilir

Sürdürülebilir Çimento Şirketi

Dünya çapında çimento üretiminin liderlerinden biri olan CRH, çimento inşaatını daha sürdürülebilir bir sektöre dönüştürmede etkili olacaktır. ABD ve Avrupa pazarlarında sağlanan toplam inşaat malzemesi hacmi bakımından #1 konumundadır.

Şirket, 28 ülkede ve 3.390 lokasyonda faaliyet göstermekte, 78.500 kişiyi istihdam etmekte ve CRH Americas, 2023 küresel satışlarının %65’ini gerçekleştirmektedir.

Şirket, Batı hükümetlerinin altyapıya yönelik güçlü harcamalarının işini büyütmesine yardımcı olacağını bekliyor. Yeniden sanayileşme ve yüksek teknoloji üretiminin yerelleşmesi trendleri de fayda sağlayacaktır.

Sürdürülebilirlik

CRH, bir dizi girişimle sürdürülebilirlikte ciddi ilerleme kaydetti:

• 2023 yılında 43,9 milyon ton atık ve diğer endüstrilerin yan ürünlerini geri dönüştürerek Kuzey Amerika’da #1 büyük geri dönüşümcü konumundadır.
• Çimento tesislerinde %36 alternatif yakıt kullanarak 2023’te CO2 emisyonlarını %8 azalttı.
• 2030 yılına kadar (2021 emisyonlarıyla karşılaştırıldığında) emisyonları %30 azaltmayı hedefliyor.

Bu kendi içinde takdire şayan, ancak çok geç ve yetersiz olarak görülebilir.

Şans eseri, CRH aynı zamanda sektörde daha temel değişikliklerin öncüsü. Özellikle, Avrupa beton devi Holcim ile birlikte düşük karbonlu çimento şirketi Sublime’e 75 milyon dolar yatırım yaptı.

Sublime Systems, 2020’de MIT’den ayrılarak elektrolizör kullanarak ortam sıcaklığında çimento üretmek, enerji ve fosil yakıt yoğun fırınların yerine geçmek amacıyla kuruldu. Ayrıca kireç taşı girdisinden CO2 salınımını önleyerek kalsiyum kaynaklarının girdi malzemesi olarak kullanılmasını sağlıyor.

Sublime’ın Holyoke’daki ilk ticari tesisi 2026’da açılması bekleniyor. Başarılı olduğu kanıtlanırsa, çimento endüstrisi için gerçek bir dönüm noktası olabilir ve ölçeklenebilir düşük emisyonlu betona giden yolu açabilir.

“Sublime, çimento üretiminde yıkıcı bir güçtür. Benzersiz teknolojisi, temiz elektrik kullanımından karbon içermeyen hammaddeye kadar tüm üretim sürecini kapsar. Potansiyeli konusunda heyecanlıyız ve bunu ölçekli bir şekilde pazara sunmak için birlikte ortaklık kurmaktan mutluluk duyuyoruz. Bu yatırım, Holcim’in inşaatın karbonsuzlaştırmasını en yenilikçi teknolojileri ölçeklendirerek hızlandırma stratejisiyle tam uyumludur.”

Officer Nollaig Forrest – Holcim’in Sürdürülebilirlik Şefi

CRH ayrıca diğer karbonsuzlaştırma ve sürdürülebilirlik girişimlerine de yatırım yaptı:

• Cool Planet Technologies’e 23,7 milyon € yatırım, geleneksel olarak karbonsuzlaştırması zor olan endüstriler için karbon yakalama çözümleri geliştirmektedir.
• CRH ve diğer yatırımcılar tarafından Carbon Upcycling Technologies’e 34,7 milyon $ yatırım, tamamen elektrikli bir mineralleşme çözümüyle CO2’yi çimento, plastik, tüketici ürünleri, gübre ve ilaçlar gibi endüstriyel yan ürünlerde ve minerallerde kalıcı olarak depolamaktadır.
• AICrete, yerel beton üreticileriyle çalışan, yerel malzemeleri optimize eden ve yapay zeka analizleriyle kullanılan çimento miktarını en aza indirgeyen bir ‘tarif-hizmeti’ platformudur; bu sayede CO2 ayak izini ve beton üretim maliyetini azaltır.
• FIDO AI’nin Series B finansmanı, su tüketimini azaltmak ve su tasarrufunu artırmak için yapay zeka kullanan bir girişimdir.

Genel olarak, CRH beton endüstrisinde karlı bir liderdir ve sektörü karbonsuzlaştırmaya çok aktif bir şekilde hazırlanıyor; hem mevcut tesislerde doğrudan hem de bir sonraki nesil çimento ve beton üretim teknolojisini yaratan yenilikçi girişimlere sermaye sağlayan birincil sağlayıcı olarak.