Το βιώσιμο σκυρόδεμα είναι πολύ σημαντικό για το μέλλον

Από τη Ρωμαϊκή Εποχή, η βιομηχανία σκυροδέματος έχει υποστεί αρκετές αλλαγές, αλλά υπάρχουν ακόμη περιθώρια βελτίωσης. Σήμερα, οι επιπτώσεις της βιομηχανίας σκυροδέματος στην κλιματική αλλαγή είναι στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος και όλες οι προσπάθειες της συγκεκριμένης βιομηχανίας έχουν στραφεί στην ανάπτυξη ενός πιο ανθεκτικού, αλλά ταυτόχρονα πιο πράσινου σκυροδέματος. Το ερώτημα είναι, μπορεί το σκυρόδεμα να είναι βιώσιμο;

Το σκυρόδεμα είναι ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα οικοδομικά υλικά στον κόσμο. Από την κατασκευή κατοικιών μέχρι τις γέφυρες, τους δρόμους και τα φράγματα.

Η παραγωγή τσιμέντου, ενός κοινού συνδετικού υλικού για το σκυρόδεμα, προκαλεί υψηλές εκπομπές CO₂.

Μερικοί τρόποι περιλαμβάνουν:

• Μείωση ή αντικατάσταση της ποσότητας του τσιμέντου στο σκυρόδεμα με άλλα υλικά
• Δέσμευση του εκπεμπόμενου άνθρακα σε εργοστάσια τσιμέντου

• Χρήση διαφορετικών υλικών για τον οπλισμό σκυροδέματος: αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατασκευή κτιρίων που διαρκούν περισσότερο χωρίς διάβρωση, αλλά πρώτα πρέπει να μειωθεί η ποσότητα του συμβατικού τσιμέντου Portland.
• Τρισδιάστατη εκτύπωση τσιμέντου: μπορεί να μειώσει την ποσότητα σκυροδέματος που απαιτείται για την κατασκευή, αλλά το ίδιο το σκυρόδεμα πρέπει επίσης να είναι βιώσιμο.

Κατ' αρχήν, δυστυχώς όχι. Όπως συμβαίνει και για κάθε άλλο υλικό που χρησιμοποιεί μη ανανεώσιμους πόρους για την παραγωγή του και δεν είναι 100% ανακυκλώσιμο. Αλλά είναι δυνατόν να αυξηθεί η βιωσιμότητα του σκυροδέματος και σε αυτό εργάζονται, επί του παρόντος, διάφορες ερευνητικές ομάδες και η ίδια η βιομηχανία σκυροδέματος.

Το σκυρόδεμα έχει πολλά πλεονεκτήματα. Είναι ανθεκτικό και απαιτεί ελάχιστη συντήρηση από τη στιγμή που κατασκευάζεται. Η αντοχή του στο νερό και τη θερμότητα το καθιστά ασφαλές υλικό για τα βασικά στοιχεία μιας ευρείας σειράς κατασκευών, από σπίτια και κτίρια μέχρι δρόμους, φράγματα και γέφυρες. Με αυτήν την ευελιξία, είναι επίσης σημαντικό, από οικονομικής άποψης, ότι τα συστατικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του σκυροδέματος είναι άφθονα και οικονομικά.

Ωστόσο το σκυρόδεμα ευθύνεται επίσης για το 8% των παγκόσμιων εκπομπών CO₂. Σύμφωνα με τη Deutsche Welle: «Αν το σκυρόδεμα ήταν μια χώρα, η ετήσια συνεισφορά της στις εκπομπές άνθρακα σε παγκόσμιο επίπεδο θα υπολειπόταν μόνο των ΗΠΑ και της Κίνας». Το 90% των εκπομπών CO₂ από το σκυρόδεμα προέρχεται από την παραγωγή του τσιμέντου. Οι πρώτες ύλες, συμπεριλαμβανομένου του ασβεστόλιθου και του πηλού, θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες σε ειδικές καμίνους στους 1450°C, εκπέμποντας από 0,5 έως 0,9 kg CO₂ ανά 1 kg παραγόμενου τσιμέντου. Αν και αυτό μπορεί να μην φαίνεται υπερβολικό, το τσιμέντο είναι βαρύ και το συνολικό αποτέλεσμα είναι σημαντικό.

Οι υψηλές εκπομπές CO₂ κατά τη διαδικασία παραγωγής δεν είναι το μόνο πρόβλημα που αντιμετωπίζει το σκυρόδεμα. Οι ράβδοι οπλισμού που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές είναι επιρρεπείς στη διάβρωση και είναι η αιτία των περισσότερων σοβαρών ζημιών στις κατασκευές από σκυρόδεμα. Επίσης, οι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του σκυροδέματος είναι άφθονες, αλλά όχι άπειρες.

Με όλες τις παραπάνω προκλήσεις, δεν είναι καθόλου παράδοξο το γεγονός ότι η βιομηχανία σκυροδέματος κάνει ό,τι καλύτερο μπορεί για να βρει νέους τρόπους για την παραγωγή σκυροδέματος. Αυτή η προσπάθεια είναι μια ουσιαστικά μια συνεργασία μεταξύ έρευνας και βιομηχανίας.

Το σκυρόδεμα παράγεται με την ανάμειξη ενός συνδετικού υλικού, συνήθως τσιμέντου, και νερού μαζί με αδρανή όπως χαλίκι, άμμος και θρυμματισμένα πετρώματα. Τα υλικά αυτά διατίθενται σε σχετική αφθονία στη φύση. Σύμφωνα με τον Harald Justnes, επικεφαλής επιστήμονα στο Ινστιτούτο Έρευνας Τσιμέντου και Σκυροδέματος (στον ερευνητικό οργανισμό SINTEF), δεν υπάρχει λόγος ανησυχίας ότι θα ξεμείνουμε από πρώτες ύλες για σκυρόδεμα. Μεμονωμένες περιοχές ίσως αντιμετώπιζαν προβλήματα επάρκειας πρώτων υλών, αλλά αυτό δε θα μπορούσε να συμβεί σε παγκόσμιο επίπεδο.

Ωστόσο, ένα από αυτά τα υλικά είναι επικίνδυνο να μην έχει επαρκή προσφορά σε παγκόσμιο επίπεδο και πρόκειται για την άμμο. Ως εκ τούτου, εξετάζονται υποκατάστατα όπως η βιομηχανοποιημένη άμμος, η σκόνη λατομείου ή ακόμη και η σκόνη γυαλιού.

Το τσιμέντο είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο συνδετικό υλικό στο σκυρόδεμα, αλλά ένα μέρος του μπορεί να αντικατασταθεί με συμπληρωματικά υλικά (Supplementary Cementitious Materials, SCMs) όπως η ιπτάμενη τέφρα. Η παραγωγή τσιμέντου είναι υπεύθυνη για το 90% περίπου των εκπομπών CO₂ από το σκυρόδεμα. Το κλίνκερ θερμαίνεται στους 1.450°C συνήθως με χρήση ορυκτών καυσίμων. Η υψηλή θερμοκρασία οδηγεί στην απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας CO₂ κατά τη διαδικασία.

Συνολικά το 40% των εκπομπών άνθρακα που σχετίζονται με το τσιμέντο προέρχεται από τα καύσιμα, ενώ το 60% προέρχεται από τις πρώτες ύλες που τροφοδοτούνται στον κλίβανο και κυρίως από το ανθρακικό ασβέστιο (80%). Το κλίνκερ στη συνέχεια αλέθεται μαζί με SCM, για παράδειγμα ιπτάμενη τέφρα και γύψο, για να ρυθμιστούν οι ιδιότητες πήξης και σκλήρυνσης. 

Η δέσμευση άνθρακα δεν είναι η μοναδική επιλογή για τη βιομηχανία σκυροδέματος, αλλά είναι χρήσιμη. Σύμφωνα με την European Precast Concrete Industry BIBM «η βιομηχανία τσιμέντου έχει μεγάλη εστίαση στη δέσμευση άνθρακα ως βασική τεχνολογία της. Αυτή η τεχνολογία, ωστόσο, αντιστοιχεί στο 42% των εκπομπών CO₂ που σκοπεύει να μειώσει μέχρι το 2050».

Ορισμένες εταιρείες έχουν επιλέξει αυτήν την προσέγγιση, όπως η γερμανική εταιρεία HeidelbergCement, η οποία στοχεύει να κατασκευάσει το πρώτο εργοστάσιο τσιμέντου ουδέτερου άνθρακα στον κόσμο στη Σουηδία, δηλαδή μείωση των εκπομπών έως και 1,8 εκατ. τόνους CO₂ κάθε χρόνο κατά τη λειτουργία της μονάδας.

Οι ερευνητές στοχεύουν επίσης να μειώσουν τις εκπομπές CO₂ αλλάζοντας το ίδιο το δομικό υλικό, για παράδειγμα, αντικαθιστώντας ένα μέρος του τσιμέντου ή αναμειγνύοντάς το με SCM. Με την αντικατάσταση του παραδοσιακού τσιμέντου με άλλο υλικό, μειώνονται οι εκπομπές CO₂ κατά την έψηση. Αυτό δε θα σήμαινε απλώς χαμηλότερες εκπομπές CO₂, αλλά και μείωση της εισροής πρωτογενούς ενέργειας κατά 15%.

Η αντικατάσταση υλικών είναι σημαντικό ζητούμενο για τις εταιρείες οι οποίες για χρόνια πειραματίζονται με εναλλακτικές λύσεις πρώτων υλών μηδενικών εκπομπών, όπως η ιπτάμενη τέφρα και η σκωρία υψικαμίνου. Ωστόσο, ακόμη και αυτά τα εναλλακτικά υλικά δεν θα είναι διαρκώς διαθέσιμα. Καθώς τα εργοστάσια άνθρακα κλείνουν, η ιπτάμενη τέφρα εξαφανίζεται μαζί τους, και η σκωρία υψικαμίνου επίσης μειώνεται καθώς η παραγωγή χάλυβα συρρικνώνεται.

Επομένως, η τσιμεντοβιομηχανία πρέπει να αναζητήσει νέους τύπους SCM που δε θα εξαντληθούν στο εγγύς μέλλον. Η πρόκληση είναι να βρεθούν εναλλακτικές λύσεις που διατηρούν την αντοχή και την αξιοπιστία του σκυροδέματος χωρίς να είναι πολύ ακριβές, να εκπέμπουν πολύ CO₂ ή να απαιτούν μεγάλες ποσότητες φυσικών πόρων.

Το 2016, ερευνητές στο Αυστριακό Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Graz (TU Graz) βρήκαν έναν τέτοιο τύπο SCM που μπορεί να μειώσει τις εκπομπές CO₂ έως και 30%. Ο ερευνητής Joachim Juhart του TU Graz ανέφερε σε συνέντευξη στον τύπο: «Προσθέσαμε πολύ λεπτές σκόνες ορυκτών, εκτός από την αλεσμένη σκωρία υψικαμίνου, ως μικροπληρωτικά και έτσι βελτιστοποιήσαμε την πυκνότητα του μείγματος. Το κύριο πλεονέκτημα της διαδικασίας είναι ότι τα υλικά πλήρωσης μπορούν να παραχθούν από διάφορους τύπους πετρωμάτων που είναι διαθέσιμα στην περιοχή, έτσι ώστε οι εκπομπές CO₂ κατά τη διαδικασία παραγωγής να περιορίζονται σημαντικά».

Σήμερα, το σκυρόδεμα έχει μέσο συντελεστή κλίνκερ 0,72, που σημαίνει ότι το 72% του κλίνκερ που χρησιμοποιείται στο σκυρόδεμα είναι πραγματικό τσιμέντο και το υπόλοιπο 28% είναι SCM. Το τσιμέντο δεν μπορεί να αφαιρεθεί εντελώς, αλλά η βιομηχανία σκυροδέματος στοχεύει να μειώσει το μέσο συντελεστη κλίνκερ στο 0,55 έως το 2050. Εκτός από την έρευνα στο TU Graz, πολλά άλλα σχετικά έργα βρίσκονται σε εξέλιξη. Για παράδειγμα, από το 2014, το ελβετικό έργο LC3 διερεύνησε τη δημιουργία ενός νέου τύπου τσιμέντου με βάση τον ασβεστόλιθο και την άργιλο, το οποίο μειώνει τις εκπομπές CO₂ έως και 40%.

«Όταν έχετε μεγάλες ποσότητες τσιμέντου να αντικαθίστανται από άλλα υλικά, θα χρειαστεί περισσότερος χρόνος για να πετύχει το σκυρόδεμα την επιθυμητή αντοχή του», λέει ο Justnes. Όταν μια κατασκευή κατασκευάζεται με ένα φιλικό προς το περιβάλλον κομμάτι σκυροδέματος, πρέπει να παραμείνει στο καλούπι για περισσότερο χρόνο από το συμβατικό σκυρόδεμα. Οι κατασκευαστές θα πρέπει να περιμένουν περισσότερο πριν χρησιμοποιήσουν το ίδιο καλούπι για να δημιουργήσουν ένα νέο στοιχείο, και η όλη διαδικασία επιβραδύνει συνολικά την παραγωγή. Φυσικά θα μπορούσαν να προμηθευτούν περισσότερα καλούπια για το εργοτάξιο και να προχωρήσουν στο καλούπωμα άλλων δομικών στοιχείων πριν συνεχίσουν το ξεκαλούπωμα των πρώτων στοιχείων, κάτι που θα διατηρούσε τον ρυθμό παραγωγικότητας, αλλά και θα ήταν πιο δαπανηρό, απαιτώντας υψηλότερες επενδύσεις.

Τα SCM προσφέρουν επίσης ευκαιρίες για νέες εξελίξεις στις κατασκευές. Το σκυρόδεμα έχει χαμηλή αντοχή σε εφελκυσμό, αλλά υψηλή αντοχή σε θλίψη. Οι κατασκευές υπό τάση ενισχύονται με χάλυβα για αυτό το λόγο. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, αυτές οι ενισχυμένες ράβδοι από χάλυβα (ράβδοι οπλισμού) είναι επιρρεπείς στη διάβρωση, μειώνοντας την ανθεκτικότητα μιας κατασκευής από οπλισμένο σκυρόδεμα.

«Τα μεγαλύτερα προβλήματα που αντιμετωπίζουμε όταν χρησιμοποιούμε το σκυρόδεμα σε κατασκευές είναι ο χάλυβας που διαβρώνεται και όχι το ίδιο το σκυρόδεμα. Οι αστοχίες αφορούν περίπου το 80% των περιπτώσεων όπου το σκυρόδεμα πρέπει να επισκευαστεί ή να αντικατασταθεί», επισημαίνει ο Justnes. Με υψηλότερους βαθμούς αντικατάστασης του τσιμέντου με SCM (πάνω από 50%) είναι δυνατή η αντικατάσταση του χάλυβα με άλλα υλικά οπλισμού, υλικά που δεν είναι σταθερά στο κανονικό σκυρόδεμα.

Ένα υλικό που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στους οπλισμούς είναι το αλουμίνιο. Μέσω του ερευνητικού έργου Durable Aluminium Reinforced Environmentally-friendly Concrete Construction (DARE2C), ο Justnes ερεύνησε τη δυνατότητα χρήσης οπλισμού αλουμινίου. Το αλουμίνιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ειδικά για κατασκευές που έχουν εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια ζωής χωρίς καμία ανάγκη συντήρησης.

Το συμβατικό τσιμέντο έχει τιμή pH από 12,0 έως 13,8, γεγονός που προκαλεί τη διάβρωση του αλουμινίου και την παραγωγή αερίου υδρογόνου. Με τα ποζολανικά SCM, η τιμή του pH του σκυροδέματος μειώνεται στο 9, κάτι που είναι ευεργετικό για την ανθεκτικότητα του αλουμινίου. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένας τύπος σκυροδέματος που εκπέμπει λιγότερο CO₂ κατά την παραγωγή και που δεν χρειάζεται αντικατάσταση ή επισκευή του οπλισμού του τόσο συχνά όσο οι σημερινές κατασκευές από σκυρόδεμα. Μπορεί επίσης να χρειαστεί λιγότερο τσιμέντο στη διαδικασία παραγωγής.

Με το συμβατικό τσιμέντο, η ράβδος οπλισμού χρειάζεται επίστρωση τσιμέντου τουλάχιστον 50 χιλιοστών για την αποφυγή γρήγορης διάβρωσης. Ο οπλισμός αλουμινίου χρειάζεται επίστρωση μόνον 20 χιλιοστών για μηχανική πρόσφυση και η επιφάνειά του μπορεί επίσης να εκτεθεί για διακοσμητικούς ή πρακτικούς σκοπούς.

Το αλουμίνιο δεν είναι ο μόνος πιθανός τύπος οπλισμού για το μέλλον. Το, ενισχυμένο με ίνες γυαλιού, πολυμερές, θεωρείται επίσης εναλλακτική λύση, αλλά δεν είναι τόσο όλκιμο όσο τα μέταλλα.

Ένας άλλος τρόπος για να γίνει το σκυρόδεμα πιο βιώσιμο είναι η εξάλειψη του τσιμέντου εντελώς. Αυτό στοχεύουν οι ερευνητές με το γεωπολυμερικό σκυρόδεμα. Ως συνδετικό υλικό, αντί του τσιμέντου, χρησιμοποιούνται γεωπολυμερή. Μπορούν επίσης να αναφέρονται ως υλικά που ενεργοποιούνται με αλκάλια, των οποίων η σκωρία υψικαμίνου, η ιπτάμενη τέφρα ή ακόμη και ο πηλός μπορούν να αποτελέσουν τη βάση.

«Ένα πρόβλημα με τη χρήση αυτής της επιλογής είναι ότι δεν έχει καθορισμένο πρότυπο», λέει ο Justnes και αναφέρει ένα παράδειγμα: «Εάν θέλετε να χρησιμοποιήσετε ένα γεωπολυμερές με βάση τα  αλκάλια για να φτιάξετε ένα πάνελ τοίχου, μπορείτε να λάβετε τεχνική έγκριση για αυτό το πάνελ τοίχου, αλλά όχι για το ίδιο το γεωπολυμερές». Θα μπορούσε να τεθεί ένα καθορισμένο πρότυπο, αλλά η δημιουργία ενός τέτοιου προτύπου θα πάρει χρόνο.

Μια εταιρεία που εστιάζει σε αυτό είναι η φινλανδική Betolar. Η λύση Geoprime®, η οποία αντικαθιστά το τσιμέντο ως συνδετικό, κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας ρεύματα πρώτων υλών από άλλες βιομηχανίες, όπως από την παραγωγή χαρτοπολτού και χαρτιού, την εξόρυξη και τη δασοκομία. Η λύση τους επιτρέπει να κατασκευάζουν σκυρόδεμα που μειώνει τις εκπομπές CO₂ έως και 80% σε σύγκριση με το συμβατικό σκυρόδεμα.

Δεν είναι ακόμη γνωστό εάν το γεωπολυμερές σκυρόδεμα ή το σκυρόδεμα με μειωμένες ποσότητες συνηθισμένου τσιμέντου Portland είναι η πιο βιώσιμη επιλογή. Διάφορα πανεπιστήμια ερευνούν τις δύο διαφορετικές λύσεις. Σύμφωνα με τον Salet, μπορούμε τελικά να συγκρίνουμε τις δύο λύσεις σε μια αξιολόγηση του κύκλου ζωής για να δούμε ποια είναι η πιο βιώσιμη επιλογή. Αλλά θα χρειαστούν μερικά χρόνια μέχρι να είναι έτοιμη η τεχνολογία για σύγκριση

Το 2021, η Elise και ο Harrie Dekkers μετακόμισαν στο νέο τους τρισδιάστατα εκτυπωμένο σπίτι στην ολλανδική πόλη του Eindhoven. Το ζευγάρι έγινε το πρώτο που έζησε σε ένα σπίτι που κατασκευάστηκε με αυτόν τον τρόπο. Το σπίτι τους είναι μέρος του «Project Milestone», ενός έργου  που σχεδιάζει να εκτυπώσει τρισδιάστατα πέντε σπίτια από σκυρόδεμα για να αποδείξει ότι κάτι τέτοιο είναι εφικτό.

Το τρισδιάστατα εκτυπωμένο σκυρόδεμα θεωρείται ότι βελτιώνει την παραγωγικότητα και μειώνει το εργατικό δυναμικό που απαιτείται για την κατασκευή. Η κατασκευή είναι ψηφιοποιημένη, άρα μπορεί να μεσολαβεί μικρότερος χρόνος μεταξύ του σχεδίου και της πραγματικής κατασκευής. Η τρισδιάστατη εκτύπωση μπορεί επίσης να είναι καλύτερη από πλευράς κόστους. Θα μπορούσε να είναι έως και 78% πιο κερδοφόρα από ένα σπίτι που χτίζεται με συμβατικό τσιμέντο, σύμφωνα με μελέτη από τα Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα που συγκρίνει τις δύο τεχνικές κατασκευής κτιρίων.

Καινοτόμο και με πολλά πλεονεκτήματα, το σκυρόδεμα τρισδιάστατης εκτύπωσης μπορεί να αποτελέσει μια σημαντική μέθοδο κατασκευής στο μέλλον. Είναι όμως βιώσιμο;

Θα μπορούσε να είναι, ανάλογα με τις μεθόδους παραγωγής. Το σκυρόδεμα τυπώνεται σε στρώματα που στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο για να σχηματίσουν μια συγκεκριμένη δομή. Αυτό είναι πιο περίπλοκο από την κανονική κατασκευή σκυροδέματος, αλλά επιτρέπει επίσης στον κατασκευαστή να χρησιμοποιεί το σκυρόδεμα με πιο ορθολογικό τρόπο.

«Σε μια δοκό, κολόνα ή τοίχο, υπάρχουν πολλά μέρη όπου υπάρχει σκυρόδεμα, αλλά δομικά, τόσο από άποψη αντοχής, δε χρειάζεται να τοποθετήσετε το σκυρόδεμα εκεί. Ένα ρομπότ είναι σε θέση να τοποθετήσει σκυρόδεμα μόνο όπου χρειάζεται», λέει ο Theo Salet, Καθηγητής Στατικής Σχεδιασμού/Κατασκευών Σκυροδέματος στο TU Eindhoven.

Πηγή: innovationorigins.com