Sustenabilitatea betoanelor

Sustenabilitatea betoanelor

Betonul este cel mai utilizat material din lume. Acesta joacă un rol important în infrastructura și construcția clădirilor private. Înțelegerea comportamentelor de bază ale betonului este esențială.

Avantaje unice

Datorită avantajelor unice ale betonului, acesta va continua să fie cel mai popular și mai utilizat material din noul secol. Cererea de beton va continua să crească în viitor. Ulterior, cercetarea și dezvoltarea betonului trebuie avansate pentru a satisface nevoile și noile cereri din partea utilizatorilor finali și pentru a face față unor noi provocări.

Prin urmare, este important să se precizeze corect viitorul și tendințele de dezvoltare ale betonului în secolul XXI. Aici, problemele strâns legate de subiect sunt discutate din perspectiva prezervării mediului.

Iată, așadar, concluziile referitoare la sustenabilitatea betoanelor, cuprinse în lucrarea ”Advanced Concrete Technology”, elaborată de un colectiv de specialiști de la Universitatea din Portland și publicată în anul 2019 sub egida acestei instituții.

Cel mai utilizat material

Dintre toate tendințele viitoare de dezvoltare, modul de a face betonul mai durabil este cea mai importantă problemă. Sustenabilitatea poate fi definită ca ”dezvoltarea care satisface nevoile prezentului fără a compromite capacitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile nevoi”, potrivit raportului Comisiei Brundtland (1987). Sustenabilitatea include toate aspectele societății, cum ar fi sistemele de infrastructură civilă, energia, mediul, sănătatea, siguranța și analizele ciclului de viață.

Betonul este cel mai utilizat material și consumă o cantitate mare de resurse. Betonul contemporan conține în mod obișnuit aproximativ 16-20 % materiale cimentate, 6-8 procente amestec de apă, 60-70 procente agregate și 2-3 procente amestecuri în masă. Cea mai fiabilă modalitate de a estima producția mondială de beton este de a determina cantitatea de ciment produsă, de a calcula cantitatea de alt compozit utilizând raportul de masă din practica obișnuită și, în cele din urmă, de a le adăuga împreună.

Conform cantității de ciment produse în 2017, se poate estima că betonul consumă aproximativ 2,5 miliarde de tone de ciment, 1 miliard de tone de apă de amestecare, 10 miliarde de tone de agregate împreună cu 400 de milioane de tone de aditivi chimici anual. Aceasta face ca betonul să devină o industrie de 14 miliarde de tone pe an, cel mai mare utilizator de resurse naturale din lume.

Trei considerații privind durabilitatea betonului

Exploatarea, prelucrarea și transportul unor cantități uriașe de agregate, pe lângă miliardele de tone de materii prime necesare fabricării cimentului, utilizează o energie considerabilă și afectează negativ ecologia terenurilor virgine. Mai mult, se produce o cantitate mare de CO2.

Evident, un consum atât de mare de resurse naturale are un impact mare asupra mediului și, dacă nu este bine controlat, va compromite cu siguranță capacitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile nevoi. Considerațiile privind durabilitatea betonului pot conține trei aspecte:

-cum să reducem emisiile de gaze, în special emisiile de CO2;

-cum se reduce consumul de energie; și

-cum se reduce consumul de materii prime din resurse naturale în timpul producției, construcției și aplicării betonului.

Cele trei metode de realizare a sustenabilității betonului sunt reducerea, reutilizarea și reciclarea.

Utilizarea științifică a deșeurilor din industrie

O modalitate de a face betonul durabil este utilizarea deșeurilor din industrie sau a produselor secundare, pentru a înlocui materiile prime folosite la fabricarea betonului, cum ar fi cimentul și agregatele. Subprodusele din industrie utilizate pentru a înlocui cimentul sunt de obicei denumite materiale cimentare suplimentare (SCM). În prezent, zgura furnalului, cenușa zburătoare, pulberile de calcar și fumul de silice sunt cele mai frecvent utilizate SCM.

Aceste SCM pot fi obținute în cantități mari și regulate, cu o compoziție relativ consistentă. Ele pot fi adăugate în ciment în timpul procesului final de măcinare a producției de ciment pentru a reduce cantitatea de clincher utilizată, ca în Europa. De asemenea, pot fi adăugați în amestec de beton, în timpul producției de beton, pentru a reduce cantitatea de ciment.

Indiferent de modul în care se face, utilizarea SCM-urilor poate reduce cantitatea de clincher sau ciment. Producția de clincher sau ciment este un proces care consumă multă energie și consumă 4 GJ pe tonă de ciment. De asemenea, producția emite o cantitate mare de CO2. Fabricarea unei tone de clincher de ciment eliberează 0,8-1 tone de CO2 în atmosferă, după cum indică toate calculele. În fabricarea cimentului, calcarul trebuie descompus ca Calcar (CaCO3) (1000 C) → CaO + CO2. O tonă de ciment conține 620 kg CaO și, prin urmare, rezultă formula:

CO2 = 620 × 44/56 = 487 kg.

CO2 este produs și din arderea combustibilului în timpul producției de ciment. Cantitatea este de la 320 kg, la aproximativ 450 kg și depinde de cât de avansate sunt tehnicile de ardere.

Impact uriaș asupra emisiilor globale

Producția anuală mondială de ciment reprezintă aproape 7% din emisiile globale de CO2. Astfel, utilizarea SCM-urilor poate reduce considerabil impactul asupra mediului al industriei betonului. De asemenea, industria betonului reciclează deșeurile din industria electrică și a oțelului ca înlocuitori ai materiilor prime virgine din industriile de beton, reducând astfel impactul ambelor asupra mediului. Mai mult, aceste SCM conțin siliciu reactiv, care poate reacționa cu CH în beton pentru a forma C-S-H secundar și pentru a îmbunătăți proprietățile betonului.

Datorită încorporării SCM-urilor în beton, structura betonului la nivel de nanometru și micrometru devine mai complexă. Astfel, trebuie efectuate studii pentru a releva influența SCM în ce măsură și în ce mecanism pot modifica structura produselor de hidratare și ulterior proprietățile macroscopice ale betonului.

Cantitatea optimizată pentru înlocuirea cimentului la care se poate beneficia cel mai mult betonul ar trebui investigată și propusă. În acest fel, se poate realiza utilizarea științifică a SCM-urilor actuale. Trebuie subliniat faptul că în multe țări aceste SCM sunt în prezent aproape pe deplin utilizate în beton.

Pentru a reduce în continuare tonajul cimentului în beton, trebuie explorate noi resurse de SCM. Astfel de resurse ar trebui să includă alte subproduse din industrie care conțin, de asemenea, siliciu reactiv și/sau alumină reactivă, cum ar fi reziduurile miniere Pb/Zn, zgură fosforică, bandă de cărbune și zgură de cupru. Poate fi posibil pentru ei să obțină efecte similare cu cele ale SCM-urilor utilizate în prezent.

Cu toate acestea, sunt necesare teste extinse pentru fiecare nou produs secundar individual, înainte ca acesta să poată fi utilizat cu ușurință, datorită compoziției lor complexe, a unor elemente dăunătoare și a influenței necunoscute asupra proprietăților concrete. Numai cu o mai bună înțelegere a mecanismelor lor de reacție și tehnici mai bune de caracterizare a acestora putem deschide noi resurse pentru SCM și putem contribui la dezvoltarea durabilă a betonului.

O nouă resursă promițătoare

Zăcămintele minerale naturale oferă o nouă resursă promițătoare pentru SCM. Acestea includ pozzolani naturali, cum ar fi cenușa vulcanică repusă în drepturi, după epoca romană, care este gata de utilizare, și caolinul, care trebuie activat prin tratament termic (Scrivener și Kirkpatrick, 2007). Produsul caolinului care a fost activat termic se numește metakaolin. Metakaolinul are un efect similar cu cel al fumului de siliciu, dar este mult mai ieftin. Prin urmare, are un mare potențial pentru aplicarea viitoare în beton.

Deșeurile industriale care pot fi utilizate pentru înlocuirea agregatelor includ sticla uzată, beton demolat, cenușă de fund și zgură de dimensiuni mari. Clasificarea particulelor reziduale de sticlă este de obicei limitată la 75 mm până la 5 mm. Principala preocupare cu privire la încorporarea sticlei în beton este posibilitatea reacției alcalino-silice.

O reacție alcalino-silicioasă (ASR) este o reacție între alcalii din porii pastei de ciment și anumite forme de agregate, care are ca rezultat expansiunea excesivă a secțiunilor de beton și duce la crăparea severă. Na2O (oxid de sodiu) și K2O (oxid de potasiu) sunt prezente în clincher de ciment în cantități mici.

Prin urmare, este convențional să se exprime rezultatele analizei chimice a cimentului în termeni de oxizi Na2O și K2O. Mai mult, conținutul de alcali din ciment este, în general, exprimat ca procent echivalent de Na2O în masă de ciment. Deoarece greutățile moleculare ale Na2O și K2O sunt, respectiv 62 și 94, procentul echivalent de Na2O se calculează cu formula%:

Na2Oeq =% Na2O + 0,658 % K2O

În beton, Na2O și K2O formează hidroxizi și cresc Nivelul pH-ului de la 12,5 la 13,5. Concentrația acestor hidroxizi crește pe măsură ce crește Na2Oeq. În astfel de soluții foarte alcaline, în anumite condiții, silica poate reacționa cu alcalinul pentru a forma un gel de umflare nelimitat, care extrage orice apă liberă din osmoză și se extinde, perturbând matricea de beton.

Produsele cu gel în expansiune exercită stres intern în beton, provocând fisurarea caracteristică a hărții suprafețelor neîngrădite. Crăpăturile rezultate din reacții alcalino-silice pot duce la pierderea integrității structurale.

Trebuie subliniat faptul că odată cu îmbătrânirea structurilor din beton, vor fi produse betoane care vor îngloba deșeuri provenite de la clădirile demolate. Dacă nu poate fi reciclat și reutilizat, depunerea deșeurilor din construcții va cauza o altă problemă de mediu. Cu toate acestea, agregatele reciclate din betonul demolat sunt de obicei mai poroase și mai slabe. Prin urmare, este important să dezvoltăm o anumită tehnică, pentru a depăși problema și pentru a asigura calitatea betonului din agregatele reciclate.

 

infoconstruct