Il calcestruzzo economico, forte e versatile è il secondo materiale più consumato a livello globale dopo l’acqua, con 30 miliardi di tonnellate utilizzate ogni anno (Natura 597593–594; 2021). La produzione di calcestruzzo è ad alta intensità di energia ed è responsabile di oltre il 7% delle emissioni di anidride carbonica antropogenica, di cui il cemento rappresenta la stragrande maggioranza.
L’estrazione dei minerali e di altri materiali utilizzati per creare il calcestruzzo è anche ostile all’ambiente. Ad esempio, circa 50 miliardi di tonnellate di sabbia e ghiaia1e oltre 5 miliardi di tonnellate di calcare vengono estratti ogni anno, con conseguente perdita di habitat, erosione del suolo e inquinamento. Questi impatti peggioreranno solo, poiché il mercato globale per il calcestruzzo continua a crescere.
L’industria delle costruzioni deve diventare più sostenibile minimizzando le emissioni di carbonio e riducendo le risorse e l’uso di energia2. Tale visione fu esposta, in parte, nel 2023 al vertice del clima delle Nazioni Unite a Dubai attraverso l’iniziativa Breakthrough di cemento e cemento. Lanciata da 45 leader mondiali, questa iniziativa mira a ridurre le emissioni associate alla produzione di una tonnellata di cemento di circa il 20% entro il 2030, rispetto ai livelli del 2020. Le strategie includono l’aumento dell’uso di carburanti alternativi e altri materiali a forma di cemento, utilizzando materiali da costruzione in modo più efficiente e implementazione di acquisizione e conservazione del carbonio.
È possibile ridurre le emissioni. Ma è anche necessaria una strategia più completa per il calcestruzzo sostenibile, con gli obiettivi finali delle emissioni di carbonio netto zero e l’uso di materiali riciclati al 100% (vedi “Passaggi per calcestruzzo netto-zero). Qui abbiamo definito gli ingredienti chiave di una strategia “netta zero concreto”.
Fonte: analisi di J. Xiao et al.
Progetta forni più efficienti
Il cemento viene prodotto riscaldando una miscela di calcare e argilla in un forno. Questo processo rilascia CO2 Come decomposti calcare. È anche affamato di energia: le reazioni chimiche coinvolte richiedono temperature fino a 1.500 ° C. La maggior parte dei forni corre su combustibili fossili e ha uno scarso isolamento termico.
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L’aggiornamento dei forni può risparmiare energia e ridurre le emissioni di carbonio. Ad esempio, negli ultimi decenni, gran parte del mondo si è allontanato dai forni verticali a alberi, che funzionano in modo molto simile a un grande forno: il materiale viene aggiunto nella parte superiore della colonna e questo viene riscaldato dal basso usando gas o carbone, a Alla fine formano il clinker del componente di cemento. Questi vengono sostituiti da forni rotanti, che presentano un albero a rotazione e rotante incline orizzontalmente che aiuta a spostare i materiali attraverso il forno.
I forni rotanti superano i forni a alberi in termini di capacità di produzione, qualità del prodotto e flessibilità operativa e possono elaborare 60 volte più cemento rispetto al forno medio dell’albero. La loro efficienza energetica può essere migliorata del 20-50% utilizzando tecnologie che conservano o recuperano il calore dei rifiuti3. Migliorare l’isolamento e l’ottimizzazione delle operazioni utilizzando la modellazione informatica e i dati in tempo reale può aumentare ulteriormente l’efficienza.
Per rendere i forni ancora più efficienti, vengono esplorate le tecnologie di prossima generazione. Questi includono forni completamente elettrici e quelli che sospendono le materie prime nell’aria calda per accelerare le reazioni. Le fonti di energia rinnovabile, tra cui solari, vento e biomassa, nonché idrogeno, possono essere distribuite, così come le tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio per ridurre le emissioni di carbonio. I principali produttori di cemento cinese, tra cui Anhui Conch Cement, China National Building Material e China Resources Cement, hanno stabilito progetti pilota di tecnologia di prossima generazione.
Usa meno clinker
Ridurre la quantità di clinker di cemento utilizzato nel calcestruzzo può anche ridurre le emissioni. Alcuni di essi possono essere sostituiti con materiali che richiedono meno energia per produrre, compresi i sottoprodotti industriali come la cenere volante dalla combustione del carbone, le scorie a terra-furna dalla produzione di ferro e le polveri riciclate derivate da materiali come vetro, mattoni e cemento .
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Tuttavia, gli attuali standard in Cina (GB 175-2020) e l’Europa (BS EN 197-1 2011) consentono solo fino al 20% del clinker nei tipi di cemento comunemente usati per essere sostituiti da ceneri e scorie. Ci sono modi per sostituirne di più, mantenendo prestazioni nella costruzione. L’aggiornamento di questi standard per riflettere i progressi tecnologici in corso è essenziale per ampliare l’adozione.
Nel cemento argilloso calcolato calcareo (LC3), la metà del clinker viene sostituita con un tipo di argilla e una combinazione di calcare e gesso, che taglia CO2 Emissioni del 40% mantenendo le proprietà fisiche richieste4. I principali produttori di cemento, come la società svizzera Holcim e i materiali di Heidelberg in Germania, hanno già adottato questa tecnologia; È usato nell’edificio dell’ambasciata svizzera a Nuova Delhi, per esempio.
Andando avanti, è essenziale comprendere meglio le proprietà di varie fonti di argilla e ottimizzare la loro elaborazione per garantire l’omogeneità e la stabilità. Gli studi di durata a lungo termine devono essere condotti in diverse condizioni ambientali. E sono necessarie prove su larga scala per affrontare le sfide di produzione. Sviluppare standard e crescente consapevolezza tra le parti interessate è cruciale.
Usa meno cemento
Ridurre la proporzione di pasta di cemento nel calcestruzzo è un’altra strategia. Il calcestruzzo convenzionale in genere contiene circa il 30% di pasta di cemento di Portland ordinaria per volume. L’uso di meno può rendere il calcestruzzo più difficile da lavorare man mano che diventa più rigido. Ma la ricerca sull’ottimizzazione dell’imballaggio di particelle di cemento indica che il volume di pasta può essere ridotto al 18-20% mantenendo le prestazioni.
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Il cemento ultra-verde5 Progetto, annunciato nel 2023 e supportato dalla Swiss National Science Foundation, ha fissato un obiettivo ambizioso per ridurre ancora di più il contenuto di pasta, a partire da circa il 13% in volume. Questo obiettivo si basa sul materiale con una densa struttura di particelle, nota come un alto pacchetto avanzato, e sull’incorporazione di materiali, come i moderni superplasticanti. Le sfide da superare includono l’idea sbagliata radicata secondo cui l’uso di meno pasta influenzerà la forza del calcestruzzo e garantire che questo calcestruzzo ricco di raggruppamento soddisfi test pratici, tra cui durata e lavorabilità.
I progressi nei big data, l’apprendimento automatico e l’intelligenza artificiale possono anche svolgere un ruolo nella progettazione di cemento più sostenibile. Ad esempio, i produttori dipendono principalmente dal benchmark di resistenza di compressione a 28 giorni specificato negli standard attuali. Attraverso la modellazione di computer, i ricercatori possono identificare altri punti temporali per guidare la progettazione concreta.
Usa il calcestruzzo meno convenzionale
Ridurre il consumo concreto estendendo la durata di servizio, ottimizzando la progettazione di strutture e utilizzando tecnologie di costruzione avanzate, come la stampa 3D, offrire altri modi per ridurre le emissioni di carbonio e l’uso del materiale.
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Le formulazioni concrete possono essere adattate a progetti specifici per ridurre al minimo il consumo non necessario di calcestruzzo e la sua impronta ambientale. Le opzioni includono calcestruzzo schiumato o quelle tra cui un’alta percentuale di contenuto riciclato. I vecchi componenti di cemento possono essere riutilizzati lanciandoli in cemento fresco. E altri materiali come polimeri rinforzati in fibra e maniche in acciaio possono essere incorporati per migliorare le prestazioni strutturali utilizzando meno calcestruzzo.
Sebbene la costruzione di un edificio richieda molta energia, design intelligenti che riducono la quantità di energia necessaria per eseguirlo una volta costruita può risparmiare di più. Ad esempio, l’uso di strutture aggregate leggere, a nido d’ape o materiali compositi in calcestruzzo può migliorare l’isolamento termico degli edifici, in modo che possano funzionare con sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria più piccoli e più efficienti.
La tecnologia fotovoltaica potrebbe essere incorporata nel calcestruzzo, sebbene molte sfide della ricerca rimangono, tra cui l’ottimizzazione della loro efficienza, il controllo di qualità durante la produzione, il degrado, gli impatti ambientali e il riciclaggio di fine uso. L’avanzamento di queste tecnologie richiederà una stretta collaborazione tra scienziati materiali, ingegneri e architetti.
Sequester co2 in cemento
Il calcestruzzo può essere progettato per assorbire e conservare CO2 Durante le sue fasi di produzione, indurimento, manutenzione e riciclaggio. Uno studio6 stimato che Co CO economicamente valido2 La mineralizzazione nei materiali in cemento potrebbe mitigare fino al 15% di CO2 Le emissioni dalla produzione di clinker di cemento e teoricamente sono possibili quasi il 60%.
Il problema è che un po ‘di CO2 Le tecnologie di mineralizzazione sono ancora costose rispetto alla produzione di prodotti convenzionali e ad altri metodi di acquisizione e conservazione del carbonio. Ad esempio, la produzione di un blocco di cemento gassato è di circa il 35% più costoso rispetto alla produzione con il normale cemento Portland, al costo di € 161 (US $ 166) per evitare una tonnellata di emissioni di carbonio6. Per ora, questo ne limita l’uso.
