Воздействие бетона на окружающую среду

Воздействие бетона, его производства и применения на окружающую среду является сложным и частично обусловлено прямым воздействием строительства и инфраструктуры, а также выбросами CO₂; от 4 до 8 % общих мировых выбросов CO₂ приходится на бетон. Многие зависят от обстоятельств. Основным компонентом является цемент, который оказывает свое собственное экологическое и социальное воздействие и в значительной степени способствует воздействию бетона.

Цементная промышленность является одним из основных производителей углекислого газа, парникового газа. Бетон наносит ущерб самому плодородному слою земли, верхнему слою почвы. Бетон используется для создания твердых поверхностей, которые способствуют поверхностному стоку, который может вызвать эрозию почвы, загрязнение воды и наводнения. С другой стороны, бетон является одним из самых мощных инструментов для надлежащего контроля наводнений посредством создания плотин, отвода и отклонения паводковых вод, грязевых потоков и т. п. Светлый бетон может уменьшить эффект городского острова тепла из-за его более высокого альбедо. Однако изначальная растительность дает еще большую выгоду. Бетонная пыль, выделяемая при сносе зданий и стихийных бедствиях, может быть основным источником опасного загрязнения воздуха. Наличие некоторых веществ в бетоне, включая полезные и нежелательные добавки, может вызывать проблемы со здоровьем из-за токсичности и (обычно естественного происхождения) радиоактивности. Мокрый бетон имеет высокую щелочность и всегда должен обрабатываться с использованием надлежащих средств защиты. Переработка бетона увеличивается в ответ на повышение осведомленности об окружающей среде, законодательства и экономических соображений. Напротив, использование бетона смягчает необходимость использования альтернативных строительных материалов, таких как древесина, которая является естественной формой связывания углерода.

Бетонная пыль

Снос зданий и стихийные бедствия, такие как землетрясения, часто выбрасывают большое количество бетонной пыли в местную атмосферу. После Великого землетрясения Хансин был сделан вывод, что бетонная пыль является основным источником опасного загрязнения воздуха.

Токсическое и радиоактивное загрязнение

Присутствие в бетоне некоторых веществ, в том числе полезных и нежелательных добавок, может вызвать проблемы со здоровьем. Естественные радиоактивные элементы (K, U, Th и Rn) могут присутствовать в бетонных жилищах в различной концентрации в зависимости от источника используемого сырья. Например, некоторые камни естественным образом выделяют радон, а уран когда-то часто встречался в шахтных отходах. Токсичные вещества также могут быть непреднамеренно использованы в результате загрязнения в результате ядерной аварии. Пыль от щебня или разбитого бетона при сносе или разрушении может вызвать серьезные проблемы со здоровьем, в зависимости также от того, что было включено в бетон. Однако заделка вредных материалов в бетон не всегда опасна и даже может быть полезна. В некоторых случаях включение определенных соединений, таких как металлы, в процесс гидратации цемента иммобилизует их в безвредном состоянии и предотвращает их свободное высвобождение в другом месте.

Выбросы углекислого газа и изменение климата

Цементная промышленность является одним из двух крупнейших производителей углекислого газа (CO₂), создавая до 5% мировых антропогенных выбросов этого газа, из которых 50% приходится на химические процессы и 40% от сжигания топлива. Выбросы CO₂, образующиеся при производстве конструкционного бетона (с использованием ~14 % цемента), оцениваются в 410 кг/м3 ( ~180 кг/тонна при плотности 2,3 г/см3) (снижается до 290 кг/м3 при замене цемента 30% летучей золой). Выбросы CO₂ при производстве бетона прямо пропорциональны содержанию цемента, используемого в бетонной смеси; При производстве каждой тонны цемента выбрасывается 900 кг CO₂, что составляет 88 % выбросов, связанных со средней бетонной смесью. Производство цемента способствует выбросу парниковых газов как непосредственно за счет производства углекислого газа при термическом разложении карбоната кальция с образованием извести и углекислого газа, так и за счет использования энергии, особенно при сжигании ископаемого топлива.

Стоит отметить одну область жизненного цикла бетона – это очень низкая воплощенная энергия на единицу массы. Это связано прежде всего с тем, что материалы, используемые в бетонном строительстве, такие как заполнители, пуццоланы и вода, относительно многочисленны и часто могут быть получены из местных источников. Это означает, что на транспортировку приходится только 7% энергии, заложенной в бетоне, а на производство цемента приходится 70%. Бетон имеет общую воплощенную энергию 1,69 ГДж/тонну, что ниже на единицу массы, чем у большинства распространенных строительных материалов, за исключением дерева. Однако бетонные конструкции часто имеют большую массу, поэтому такое сравнение не всегда имеет прямое отношение к принятию решений. Кроме того, это значение основано только на пропорциях смеси до 20% летучей золы. Подсчитано, что замена цемента летучей золой на 1% означает снижение потребления энергии на 0,7%. Учитывая, что некоторые предлагаемые смеси содержат до 80% летучей золы, это может означать значительную экономию энергии.

В отчете Бостонской консалтинговой группы за 2022 год было обнаружено, что инвестиции в более экологически чистые виды цемента приведут к большему сокращению выбросов парниковых газов на доллар, чем инвестиции во многие другие зеленые технологии, хотя инвестиции в альтернативы мясу на растительной основе принесут значительно большее сокращение, чем даже этот.

Смягчение последствий

Улучшения дизайна

Как в академическом, так и в промышленном секторах растет интерес к сокращению выбросов углекислого газа, связанных с бетоном, особенно с учетом возможности будущего введения налога на выбросы углерода. Было предложено несколько подходов к сокращению выбросов.

Производство и использование цемента

Одна из причин, по которой выбросы углерода так высоки, заключается в том, что цемент необходимо нагревать до очень высоких температур для образования клинкера. Главным виновником этого является алит (Ca₃SiO₅), минерал в бетоне, который затвердевает в течение нескольких часов после заливки и, следовательно, отвечает за большую часть его первоначальной прочности. Однако алит также необходимо нагревать до 1500 °C в процессе формирования клинкера. Некоторые исследования показывают, что алит можно заменить другим минералом, например, белитом (Ca₂SiO₄). Белит также является минералом, который уже используется в бетоне. Его температура обжига составляет 1200 °C, что значительно ниже, чем у алита. Кроме того, белит на самом деле прочнее после затвердевания бетона. Однако белиту требуется порядка дней или месяцев, чтобы полностью застыть, что оставляет бетон слабым на более длительное время. Текущие исследования сосредоточены на поиске возможных примесных добавок, таких как магний, которые могли бы ускорить процесс отверждения. Также стоит учитывать, что белит требует больше энергии для измельчения, что может сделать его полный срок службы удара похожим или даже выше, чем у алита.

Другой подход заключался в частичной замене обычного клинкера такими альтернативами, как летучая зола, зольный остаток и шлак, которые являются побочными продуктами других отраслей промышленности и в противном случае оказались бы на свалках. Летучая зола и зольный остаток поступают из теплоэлектростанций, а шлак представляет собой отходы доменных печей металлургической промышленности. Эти материалы постепенно набирают популярность в качестве добавок, особенно потому, что они потенциально могут повысить прочность, снизить плотность и продлить срок службы бетона.

Основное препятствие на пути более широкого внедрения летучей золы и шлака может быть в значительной степени связано с риском строительства с использованием новой технологии, которая не подвергалась длительным полевым испытаниям. Пока не будет введен налог на выбросы углерода, компании не желают рисковать и предлагать новые рецепты бетонных смесей, даже если это снизит выбросы углекислого газа. Однако есть примеры «зеленого» бетона и его реализации. Одним из примеров является бетонная компания Ceratech, которая начала производить бетон с содержанием 95% летучей золы и 5% жидких добавок. Другой пример — мост I-35W Saint Anthony Falls Bridge, который был построен с использованием новой смеси бетона, включающей различные составы портландцемента, летучей золы и шлака в зависимости от части моста и требований к свойствам его материала. Несколько начинающих компаний разрабатывают и тестируют альтернативные методы производства цемента. Sublime из Сомервилля, штат Массачусетс, использует электрохимический процесс без обжига, а Fortera улавливает углекислый газ обычных заводов для производства нового вида цемента. Blue Planet в Лос-Гатос, Калифорния, улавливает выбрасываемый углекислый газ для производства синтетического бетона. CarbonCure Technologies из Галифакса, Новая Шотландия, модернизировала свои системы минерализации углерода на сотнях бетонных заводов по всему миру, впрыскивая и постоянно сохраняя углекислый газ в бетоне во время его смешивания.

Кроме того, производство бетона требует большого количества воды, а на мировое производство приходится почти десятая часть мирового промышленного использования воды. Это составляет 1,7 процента от общего мирового водозабора. Исследование, опубликованное в журнале Nature Sustainability в 2018 году, предсказывает, что производство бетона в будущем увеличит нагрузку на водные ресурсы в регионах, подверженных засухе: «В 2050 году 75% потребности в воде для бетона производство, скорее всего, будет происходить в регионах, которые, как ожидается, испытают водный дефицит».

Углеродный бетон

Карбонация, иногда называемая карбонизацией, представляет собой образование карбоната кальция (CaCO₃) в результате химической реакции, который, если его использовать в бетоне, может изолировать углекислый газ. Скорость карбонизации зависит, прежде всего, от пористости бетона и его влажности. Карбонизация в порах бетона происходит только при относительной влажности (ОВ) 40–90 % — при относительной влажности выше 90 % углекислый газ не может проникнуть в поры бетона, а при относительной влажности ниже 40 % — CO₂ не растворяется в воде.

Бетон можно карбонизировать двумя основными способами: карбонизацией под воздействием атмосферных условий и карбонизацией в раннем возрасте.

Карбонизация при атмосферном воздействии происходит в бетоне, когда соединения кальция реагируют с диоксидом углерода (${\displaystyle {\ce {CO2}}}$) из атмосферы и воды (${\displaystyle {\ce {H2O}}}$) в порах бетона. Реакция следующая. Во-первых, в результате химического выветривания CO₂ реагирует с водой в порах бетона с образованием углекислоты:

${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O <=> H2CO3}}}$

Затем угольная кислота реагирует с гидроксидом кальция с образованием карбоната кальция и воды:

${\displaystyle {\ce {Ca(OH)2 + H2CO3 <=> CaCO3 + 2H2O}}}$

Как только гидроксид кальция (Ca(OH)₂) достаточно карбонизирован, основной компонент цемента, гель гидрата силиката кальция (C-S-H), может быть декальцинирован, т.е. освобожден оксид кальция (${\displaystyle {\ce {CaO}}}$) может карбонизироваться:$${\displaystyle {\ce {H2CO3 + CaO <=> CaCO3 + H2O}}}$$

Карбонизация на раннем этапе — это когда CO₂ вводится на ранних стадиях свежего премикса бетона или при первоначальном затвердевании, что может произойти как естественным путем в результате воздействия, так и искусственно ускоренным за счет увеличения прямого поступления CO₂. Газообразный диоксид углерода превращается в твердые карбонаты и может постоянно храниться в бетоне. Реакции CO₂ и гидрата силиката кальция (C-S-H) в цементе были описаны в 1974 году в обозначениях химиков-цементистов (CCN) как:
$${\displaystyle {\ce {C3S + 3CO2 + H2O -> CSH + 3CaCO3 + 347 kJ/mol}}}$$ $${\displaystyle {\ce {C2S + 2CO2 + H2O -> CSH + 2CaCO3 + 184 kJ/mol}}}$$2. Это достигается за счет прямого впрыскивания переработанного жидкого диоксида углерода из сторонних промышленных источников выбросов на стадию влажной бетонной смеси во время производственного процесса. CO₂ затем химически минерализуется, изолируя загрязняющие парниковые газы в бетонной инфраструктуре, зданиях, дорогах и т. д. на длительные периоды времени. времени.

В исследовании, опубликованном в Журнале чистого производства, авторы создали модель, показывающую, что CO_{2< /sub> улучшил прочность бетона на сжатие, одновременно сократив выбросы CO2, тем самым позволив снизить нагрузку на цемент, а также «сокращение выбросов углекислого газа на 4,6%».}

Другой предложенный метод улавливания выбросов заключается в поглощении CO₂ в процессе отверждения за счет использования добавки, в частности, дикальциевого силиката в 𝛾 фазе, по мере затвердевания бетона. Использование летучей золы или другого подходящего заменителя теоретически может снизить выбросы CO₂ ниже 0 кг/м3 по сравнению с выбросами портландцементного бетона, составляющими 400 кг/м3. Наиболее эффективным методом производства этого бетона было бы использование выхлопных газов электростанции, где изолированная камера могла бы контролировать температуру и влажность.

В августе 2019 года было объявлено о выпуске цемента с пониженным содержанием CO₂, который «снижает общий углеродный след при производстве сборного железобетона на 70%». Основой цемента является в основном волластонит ( ${\displaystyle {\ce {CaSiO3}}}$) и ранкините ( ${\displaystyle {\ce {3CaO . 2SiO2}}}$), в отличие от традиционного портландцемента на основе алита (${\displaystyle {\ce {3CaO . SiO2}}}$) и белый (${\displaystyle {\ce {2CaO . SiO2}}}$). Запатентованный процесс производства бетона с пониженным уровнем выбросов начинается со связывания частиц посредством жидкофазного спекания, также называемого реактивным гидротермальным жидкофазным уплотнением (rHLPD). Раствор воды и CO₂ проникает в частицы, реагируя в условиях окружающей среды с образованием связи, которая создает пониженную известь, негидравлический кальций-силикатный цемент (CSC). Разница между традиционным портланд-бетоном и карбонизированным кальций-силикатным бетоном (CSC-C) заключается в реакции окончательного отверждения между водой и CO₂ раствор и семейство силиката кальция. Согласно исследованию одного из цементов с пониженным уровнем выбросов под названием Solidia, «отверждение CSC-C представляет собой слегка экзотермическую реакцию, в которой силикаты кальция с низким содержанием извести в CSC реагируют с CO₂ в присутствии вода для производства кальцита (CaCO₃) и кремнезема (

SiO₂) следующим образом:

${\displaystyle {\ce {CaSiO3 + CO2 -> CaCO3 + SiO2}}}$ .mw-parser-output .hatnote{font-style:italic}.mw-parser-output div.hatnote{padding-left:1.6em;margin-bottom: 0.5em}.mw-parser-output .hatnote i{font-style:normal}.mw-parser-output .hatnote+link+.hatnote{margin-top:-0.5em}@media print{body.ns-0 . mw-parser-output .hatnote{display:none!important}}

Альтернативы бетону

На самом деле альтернатив бетону существует множество. Один из них — зеленый бетон, который производится из переработанных отходов различных отраслей промышленности, другой — ашкрет, материал, изготовленный из смеси извести и воды, который действует аналогично цементу. Черный печной шлак также является сильной альтернативой, получаемой из расплавленного железного шлака в воде, наряду с микрокремнеземом, бумажным бетоном, композитным цементом и бывшим в употреблении стеклом.

В зависимости от количества, требуемого или используемого в целом, а также количества, необходимого в сочетании с другими материалами для обеспечения структурной устойчивости здания, многие другие материалы также оказывают существенное негативное воздействие на окружающую среду. Например, хотя исследования и разработки по сокращению этих выбросов продолжаются, по состоянию на 2021 год на долю стали приходилось ~8 % от общего объема выбросов парниковых газов в мире.

Глина

Глиняные смеси являются альтернативой бетону строительным материалом, который оказывает меньшее воздействие на окружающую среду. В 2021 году был завершен первый прототип 3D-печатного дома Tecla, напечатанного из местной почвы и воды, а также волокон рисовой шелухи и связующего вещества. Такие здания могут быть очень недорогими, хорошо изолированными, стабильными и устойчивыми к атмосферным воздействиям, адаптируемыми к климату, адаптируемыми к индивидуальному заказу, быстро возводиться, требовать лишь очень небольшого количества легкообучаемого ручного труда, требовать меньше энергии, производить очень мало отходов и сокращать выбросы углерода из бетона.

Поверхностный сток

Поверхностный сток, когда вода стекает с непроницаемых поверхностей, таких как непористый бетон, может вызвать сильную эрозию почвы и наводнения. Городские стоки обычно собирают бензин, моторное масло, тяжелые металлы, мусор и другие загрязняющие вещества с тротуаров, дорог и парковок. Без ослабления непроницаемый покров типичной городской территории ограничивает просачивание грунтовых вод и вызывает в пять раз больший объем стока, чем типичный лесной массив того же размера. В отчете Национального исследовательского совета США за 2008 год городские стоки названы основным источником проблем с качеством воды.

В попытке противодействовать негативному воздействию непроницаемого бетона во многих новых проектах дорожного покрытия начали использовать проницаемый бетон, который обеспечивает уровень автоматического управления ливневыми водами. Водопроницаемый бетон создается путем тщательной укладки бетона со специально разработанными пропорциями заполнителя, который позволяет поверхностному стоку просачиваться и возвращаться в грунтовые воды. Это не только предотвращает наводнения, но и способствует пополнению грунтовых вод. При правильном проектировании и укладке слоев проницаемый бетон и другие участки с незаметным покрытием также могут функционировать как автоматический фильтр для воды, предотвращая прохождение определенных вредных веществ, таких как масла и другие химические вещества. К сожалению, у крупномасштабного применения проницаемого бетона все еще есть недостатки: его пониженная прочность по сравнению с обычным бетоном ограничивает его использование в зонах с низкой нагрузкой, и его необходимо правильно укладывать, чтобы уменьшить подверженность повреждениям при замораживании-оттаивании и накоплению отложений.

Городская жара

И бетон, и асфальт являются основными источниками того, что известно как эффект городского острова тепла. По данным Департамента ООН по экономическим и социальным вопросам, 55% населения мира проживает в городских районах, и, по прогнозам, к 2050 году 68% населения мира будет городским; также, «по прогнозам, к 2060 году в мире будет добавлено 230 миллиардов м2 (2,5 триллиона футов2) зданий, или площадь, равная всему текущему мировому строительному фонду. Это эквивалентно добавлению целого Нью-Йорка к планете каждые 34 дня в течение следующих 40 лет». В результате, мощеные поверхности представляют собой серьезную проблему из-за дополнительного потребления энергии и загрязнения воздуха, которое они вызывают.

Потенциал энергосбережения на территории также высок. При более низких температурах теоретически снижается потребность в кондиционировании воздуха, что позволяет экономить энергию. Однако исследование взаимодействия между отражающими тротуарами и зданиями показало, что, если близлежащие здания не оснащены отражающим стеклом, солнечное излучение, отраженное от тротуаров, может повысить температуру в зданиях, увеличивая требования к кондиционированию воздуха.

Более того, передача тепла от тротуаров, которые покрывают около трети типичного города США, также может влиять на местные температуры и качество воздуха. Горячие поверхности нагревают городской воздух за счет конвекции, поэтому использование материалов, которые поглощают меньше солнечной энергии, таких как тротуары с высоким альбедо, может уменьшить поток тепла в городскую среду и смягчить UHIE. Альбедо варьируются от примерно 0,05 до примерно 0,35 для поверхностей используемых в настоящее время материалов дорожных покрытий. В течение типичного срока службы материалы дорожного покрытия, которые начинаются с высокого альбедо, имеют тенденцию терять отражательную способность, в то время как материалы с низким начальным альбедо могут приобретать отражательную способность.

Фонд дизайна общественных пространств обнаружил, что, слегка повысив значение альбедо в Нью-Йорке, можно достичь таких положительных эффектов, как экономия энергии, за счет замены черного асфальта на светлый бетон. Однако зимой это может быть недостатком, поскольку лед будет легче образовываться и дольше оставаться на светлых поверхностях, поскольку они будут холоднее из-за меньшего количества энергии, поглощаемой из-за уменьшения количества солнечного света зимой.

Еще одним аспектом, который следует учитывать, является эффект теплового комфорта, а также необходимость в дополнительных стратегиях смягчения последствий, которые не угрожают здоровью и благополучию пешеходов, особенно во время волн жары. В исследовании, опубликованном в журнале Building and Environment в 2019 году, проводились эксперименты по прогнозированию воздействия тепловых волн и взаимодействия материалов с высоким альбедо в северном итальянском городе Милан. Путем расчета «Средиземноморского индекса комфорта на открытом воздухе» (MOCI) в условиях сильной жары, когда на всех поверхностях использовались материалы с высоким альбедо. Исследование выявило ухудшение микроклимата там, где находится большое количество материалов с высоким альбедо. Было обнаружено, что использование материалов с высоким альбедо «приводит к возникновению множественных взаимных отражений и, как следствие, увеличению микрометеорологических переменных, таких как средние температуры излучения и температуры воздуха. Если быть более детальным, эти изменения приводят к увеличению MOCI. что в дневные часы может достигать даже 0,45 ед.».

Общие городские конфигурации должны оставаться предметом беспокойства при принятии решений, поскольку люди подвергаются воздействию погодных условий и теплового комфорта. Использование материалов с высоким альбедо в городской среде может иметь положительный эффект при правильном сочетании других технологий и стратегий, таких как: растительность, отражающие материалы и т. д. Меры по смягчению воздействия городской жары могут минимизировать воздействие на микроклимат, а также на среду обитания человека и диких животных.

Меры предосторожности

Работа с влажным бетоном всегда должна производиться с использованием соответствующих защитных средств. Контакт с влажным бетоном может вызвать химические ожоги кожи из-за едкой природы смеси цемента и воды (в том числе дождевой). Действительно, pH пресной цементной воды сильнощелочной из-за присутствия в растворе свободных гидроксидов калия и натрия (pH ~ 13,5). Глаза, руки и ноги должны быть надлежащим образом защищены во избежание прямого контакта с влажным бетоном и при необходимости незамедлительно промыты.

Переработка бетона

Переработка бетона становится все более распространенным методом утилизации бетонных конструкций. Бетонный мусор когда-то регулярно отправлялся на свалки для утилизации, но объем переработки увеличивается благодаря повышению осведомленности об окружающей среде, правительственным законам и экономическим выгодам.

Бетон, который не должен содержать мусора, древесины, бумаги и других подобных материалов, собирается на местах сноса и пропускается через дробильную машину, часто вместе с асфальтом, кирпичами и камнями.

Железобетон содержит арматуру и другие металлические арматуры, которые удаляются с помощью магнитов и перерабатываются в другом месте. Остальные агрегатные фрагменты сортируются по размеру. Более крупные куски могут снова пройти через дробилку. Меньшие куски бетона используются в качестве гравия для новых строительных проектов. Заполненный гравий укладывается самым нижним слоем дороги, а поверх него укладывается свежий бетон или асфальт. Дробленый переработанный бетон иногда можно использовать в качестве сухого заполнителя для нового бетона, если он не содержит загрязнений, хотя использование переработанного бетона ограничивает прочность и не разрешено во многих юрисдикциях. 3 марта 1983 года финансируемая правительством исследовательская группа (VIRL Research.codep) подсчитала, что почти 17% мировых свалок представляют собой побочные продукты отходов на основе бетона.