Войти
Воздействие бетона на окружающую среду, его производство и применение являются сложными. Некоторые эффекты вредны; другие приветствуются. Многие зависят от обстоятельств. Основным компонентом бетона является цемент, который имеет свои собственные экологические и социальные воздействия и в значительной степени способствует влиянию бетона.
цементная промышленность является одним из основных производителей двуокиси углерода, сильнодействующего 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 затопление. И наоборот, бетон - один из самых мощных инструментов для надлежащего контроля над наводнениями посредством создания плотин, отвода и отклонения паводковых вод, селей и т. Д. Бетон светлого цвета может уменьшить эффект городского теплового острова из-за его более высокого альбедо . Однако исходная растительность дает еще большую выгоду. Бетонная пыль, выделяемая при сносе зданий и стихийных бедствиях, может быть основным источником опасного загрязнения воздуха. Присутствие в бетоне некоторых веществ, включая полезные и нежелательные добавки, может вызвать проблемы со здоровьем из-за токсичности и (обычно естественного происхождения) радиоактивности. Мокрый бетон очень щелочной, и с ним всегда следует обращаться с соответствующими средствами защиты. Рециркуляция бетона увеличивается в связи с повышением экологической осведомленности, законодательством и экономическими соображениями. И наоборот, использование бетона сокращает использование альтернативных строительных материалов, таких как дерево, которое является естественной формой связывания углерода. Бетонные конструкции служат намного дольше деревянных.
Цементная промышленность является одним из двух крупнейших производителей двуокиси углерода (CO 2), создавая до 8% мировых антропогенных выбросов этого газа, из которых 50% приходится на химический процесс и 40% от сжигания топлива. CO. 2, производимый для производства конструкционного бетона (с использованием ~ 14% цемента), оценивается в 410 кг / м (~ 180 кг / тонна при плотности 2,3 г / см) (снижается до 290 кг / м с 30 % замены цемента летучей золой). Выбросы CO 2 при производстве бетона прямо пропорциональны содержанию цемента, используемому в бетонной смеси; 900 кг CO 2 выбрасывается при производстве каждой тонны цемента, что составляет 88% выбросов, связанных со средней бетонной смесью. Производство цемента способствует увеличению выбросов парниковых газов как непосредственно за счет производства диоксида углерода, когда карбонат кальция термически разлагается с образованием извести и диоксида углерода, так и за счет использования энергия, в частности, от сжигания ископаемого топлива.
Одной из областей жизненного цикла бетона, на которую стоит обратить внимание, является тот факт, что бетон имеет очень низкую воплощенную энергию на единицу массы. Это в первую очередь результат того факта, 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% воплощенной энергии бетона, а на производство цемента приходится 70%. При общей воплощенной энергии 1,69 ГДж / тонну бетон имеет меньшую воплощенную энергию на единицу массы, чем самый распространенный строительный материал, кроме древесины. Однако бетонные конструкции имеют большую массу, поэтому это сравнение не всегда имеет прямое отношение к принятию решений. Стоит отметить, что это значение основано на пропорциях смеси для бетона с содержанием золы не более 20%. Подсчитано, что замена цемента летучей золой на один процент представляет собой снижение потребления энергии на 0,7%. С некоторыми предлагаемыми смесями, содержащими до 80% летучей золы, это будет означать значительную экономию энергии.
Растет интерес к сокращению выбросов углерода связанных с бетоном как в академическом, так и в промышленном секторах, особенно с возможностью введения в будущем налога на выбросы углерода. Было предложено несколько подходов к снижению выбросов.
Одна из причин столь высоких выбросов углерода заключается в том, что цемент должен быть нагрет до очень высоких температур, чтобы клинкер образовался. Основным виновником этого является алит (Ca 3 SiO 5), минерал в бетоне, который затвердевает в течение нескольких часов после заливки и поэтому отвечает за большую часть его начальная сила. Однако в процессе формирования клинкера алит также необходимо нагреть до 1500 ° C. Некоторые исследования показывают, что алит может быть заменен другим минералом, например белитом (Ca 2 SiO 4). Белит также является минералом, уже используемым в бетоне. Он имеет температуру обжига 1200 ° C, что значительно ниже, чем у алита. Кроме того, после затвердевания белит становится прочнее. Однако для полного схватывания белита требуется несколько дней или месяцев, в результате чего бетон остается слабым на более длительное время. Текущие исследования сосредоточены на поиске возможных примесных добавок, таких как магний, которые могут ускорить процесс отверждения. Также стоит учитывать, что для измельчения белита требуется больше энергии, что может сделать его полный ударный срок службы таким же или даже выше, чем у алита.
Другим подходом была частичная замена обычного клинкера такими альтернативами, как летучая зола зольный остаток и шлак - все они являются побочными продуктами других производств, которые в противном случае оказались бы на свалках. Летучая зола и зольный остаток поступают с термоэлектрических электростанций, а шлак - это 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 для более широкого внедрения летучей золы и шлака может быть в значительной степени связано с риском строительства по новой технологии, не подвергавшейся длительным полевым испытаниям. Пока не будет введен налог на выбросы углерода, компании не хотят рисковать с новыми рецептами бетонных смесей, даже если это снижает выбросы углерода. Однако есть несколько примеров «зеленого» бетона и его реализации. Одним из примеров является бетонная компания Ceratech, которая начала производство бетона с 95% летучей золы и 5% жидких добавок. Другой - мост Сент-Энтони Фоллс I-35W, который был построен из новой бетонной смеси, которая включала различные составы портландцемента, летучей золы и шлака в зависимости от доли требования к мосту и свойствам его материала.
Кроме того, для производства бетона требуется большое количество воды, а на мировое производство приходится почти десятая часть мирового промышленного водопотребления. Это составляет 1,7 процента от общего мирового водозабора. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Sustainability в 2018 году, прогнозируется, что производство бетона в будущем увеличит давление на водные ресурсы в регионах, подверженных засухе: «В 2050 году 75% потребности в воде для производства бетона, вероятно, будет приходиться на регионы, которые, как ожидается, будут испытывать водный стресс ».
Карбонатация в бетоне - это образование карбоната кальция (CaCO3) в результате химической реакции. Скорость карбонизации зависит в первую очередь от пористости бетона и содержания влаги. Карбонизация в порах бетона происходит только при относительной влажности (RH) 40-90%, когда RH выше 90% углекислый газ не может попасть в бетон поры, а также при относительной влажности менее 40% CO. 2 не может растворяться в воде
Пористые структуры в свежем бетоне и бетоне с воздухововлекающими добавками Бетон в большинстве случаев может подвергаться карбонизации двух типов: выветривание карбонизация и карбонизация раннего возраста.
Выветривание карбонизация, происходит в бетоне, когда соединения кальция реагируют с двуокисью углерода CO. 2 из атмосферы и воды 
Во-первых, посредством химического выветривания CO. 2 вступает в реакцию с водой в порах бетона с образованием угольной кислоты :
углекислый газ + вода → угольная кислота
угольная кислота затем реагирует с карбонат кальция :
угольная кислота + карбонат кальция → бикарбонат кальция
В-третьих, как только гидроксид кальция (Ca (OH) 2) карбонизируется, основной компонент геля гидрата силиката кальция цемент (также обозначенный как CSH) может декальцинироваться, что позволяет высвободившемуся CaO в карбонат:
Карбонизация в раннем возрасте - это когда мы вводим CO. 2 на ранних стадиях свежего бетона-премикса или при первоначальном отверждении он может быть как естественными из-за воздействия, так и ускоренными за счет увеличения прямого поступления CO. 2. Газообразный углекислый газ преобразуется в твердые карбонаты и может постоянно храниться в бетоне для снижения выбросов. Общая реакция CO2 и гидрата силиката кальция в цементе была описана в 1974 году как:
C3S + 3 CO2 + H2O → CSH + 3CaCO3 + 347 кДж / моль
C2S + 2 CO2 + H2O → CSH + 2CaCO3 + 184 кДж / моль
Канадская компания запатентовала и ввела в продажу новую технологию, которая использует тип карбонизации для раннего возраста для секвестрации CO. 2. Это достигается путем прямого впрыскивания рециркулированного жидкого диоксида углерода из промышленных источников выбросов сторонних производителей в стадию влажной бетонной смеси во время производственного процесса. В результате химической реакции CO. 2 становится минералом, улавливая парниковый газ, загрязняющий бетонную инфраструктуру, здания, дороги и т. Д. На длительные периоды времени. Более того, в исследовании, опубликованном в журнале Cleaner Production, авторы создали модель, в которой они доказали, что CO. 2 улучшает прочность бетона на сжатие, в результате снижая выбросы CO. 2, таким образом допуская нагрузку цемента.
Другим предложенным методом улавливания выбросов является поглощение CO 2 в процессе отверждения с использованием добавка (у-фаза дикальцийсиликата) по мере отверждения бетона. Использование угольной золы или другого подходящего заменителя теоретически может иметь выбросы CO 2 ниже 0 кг / м3, по сравнению с портландцементным бетоном при 400 кг / м3. Наиболее эффективным методом производства этого бетона было бы использование выхлопных газов электростанции, где в изолированной камере можно было бы контролировать температуру и влажность.
В августе 2019 года цемент с пониженным содержанием CO 2 был объявила, что «снижает общий углеродный след в сборном железобетоне на 70%». Основа этого цемента состоит в основном из волластонита (Ca Si O 3) и (3CaO · 2SiO 2) в отличие от традиционного портландцемента алита (3CaO · SiO 2) белит (2 CaO · SiO 2).
Запатентованный процесс изготовления бетона начинается со связывания частиц посредством жидкой фазы спекания также называется гидротермальным уплотнением жидкой фазы (rHLPD). Раствор, состоящий из H. 2O и CO. 2, проникает в частицы, вступая в реакцию с условиями окружающей среды, чтобы создать связь, которая создает уменьшенную известь, не содержащую Гидравлический силикатный цемент кальция (CSC). Кроме того, разница между традиционным портландцементом и этим карбонизированным силикатно-кальциевым бетоном (CSC-C) заключается в реакции окончательного отверждения между раствором вода-CO. 2 и семейство силикатов кальция: «Отверждение CSC-C представляет собой умеренно экзотермическую реакцию, в которой силикаты кальция с низким содержанием извести в CSC реагируют с диоксидом углерода в присутствии воды с образованием извести ите (CaCO 3) и диоксид кремния (Si O 2), как показано в Реакциях II и III.
II. CaO.SiO2 + CO2 → H2O CaCO3 + SiO2
III: 3CaO.2SiO2 + 3CO2 → H2O 3CaCO3 + 2SiO2 "
Однако методы карбонизации в раннем возрасте получили признание из-за значительной секвестрации углерода "Опытные результаты показывают, что карбонизация бетона раннего возраста с высоким соотношением вода / цемент (>0,65>0,65) более подвержена влиянию карбонизации при выветривании. ", и сообщаем, что это может ослабить его прочностные характеристики на стадиях коррозии в течение срока службы.
Итальянская компания Italcementi разработала вид цемента, который предположительно снижает загрязнение воздуха, разрушая поступающие загрязняющие вещества. контактируя с бетоном, за счет использования диоксида титана, поглощающего ультрафиолетовый свет. Некоторые эксперты по окружающей среде, тем не менее, остаются скептичными и задаются вопросом, может ли специальный материал «съесть» достаточно загрязняющих веществ, чтобы обеспечить его финансовую поддержкужизнеспособный. Юбилейная церковь в Риме построена из такого бетона.
Еще один аспект, который следует учитывать в углеродном бетоне, - это образование накипи на поверхности из-за холодных климатических условий и воздействия антиобледенительной соли и замораживания-оттаивания. цикл (Морозное выветривание ). Бетон, полученный карбонизационным отверждением, также демонстрирует превосходные характеристики при физическом разложении, например, при замораживании-оттаивании, особенно из-за эффекта уплотнения пор, вызванного осаждением продуктов карбонизации
Некоторые исследования связывают снижение CO 2 для производства бетона, но в основном они написаны авторами, связанными с предлагаемым решением или конкретной отраслью. Это должно вызывать опасения, что эти решения относятся к Greenwashing. Выбросы CO 2 из бетона происходят из-за цемента в смеси, методы уменьшения количества цемента - единственные проверенные методы уменьшения выбросов.
Есть много других улучшений бетона, которые напрямую не связаны с выбросами. В последнее время было проведено много исследований «умных» бетонов: бетонов, которые используют электрические и механические сигналы для реагирования на изменения условий нагрузки. В одном варианте используется армирование из углеродного волокна, которое обеспечивает электрический отклик, который можно использовать для измерения деформации. Это позволяет контролировать структурную целостность бетона без установки датчиков.
Строительство дорог и ремонтно-эксплуатационная промышленность ежедневно потребляют тонны углеродоемкого бетона для защиты придорожной и городской инфраструктуры. По мере роста населения эта инфраструктура становится все более уязвимой для столкновения с транспортными средствами, создавая постоянно увеличивающийся цикл повреждений и отходов и постоянно увеличивая потребление бетона для ремонта (дорожные работы теперь проводятся в наших городах почти ежедневно). Одним из основных достижений в области инфраструктуры является использование переработанных нефтяных отходов для защиты бетона от повреждений и обеспечения динамичности инфраструктуры, которую можно легко обслуживать и обновлять без нарушения существующих оснований. Это простое нововведение сохраняет основу на протяжении всего срока разработки.
Другая область конкретных исследований включает создание определенных «безводных» бетонов для использования во внепланетной колонизации. Чаще всего в этих бетонах используется сера, которая действует как инертное связующее, что позволяет строить бетонные конструкции в условиях отсутствия или очень небольшого количества воды. Эти бетоны во многом неотличимы от обычного гидравлического бетона: они имеют одинаковую плотность, могут использоваться с существующей в настоящее время металлической арматурой, и они фактически набирают прочность быстрее, чем обычный бетон. Это применение еще предстоит исследовать на Земле, но производство бетона представляет собой до двух третей от общего потребления энергии в некоторых развивающихся странах, стоит подумать о любых улучшениях.
поверхностный сток, когда вода стекает с непроницаемых поверхностей, таких как непористый бетон, может вызвать сильную эрозию почвы и затопление.. Городские стоки имеют тенденцию собирать бензин, моторное масло, тяжелые металлы, мусор и другие загрязнители с тротуаров, проезжей части и парковок. Без затухания непроницаемое покрытие в типичной городской местности ограничивает просачивание грунтовых вод и вызывает в пять раз больше стока, создаваемого типичными лесными массивами того же размера. В отчете Национального исследовательского совета США за 2008 год городской сток определен как главный источник проблем с качеством воды.
В попытке противодействовать негативным последствиям водонепроницаемости бетон, многие новые проекты мощения начали использовать проницаемый бетон, который обеспечивает уровень автоматического управления ливневыми водами. Проницаемый бетон создается путем тщательной укладки бетона со специально разработанными пропорциями заполнителя, которые позволяют поверхностным стокам просачиваться и возвращаться в грунтовые воды. Это предотвращает наводнения и способствует пополнению запасов грунтовых вод. При правильном проектировании и уложении слоев проницаемый бетон и другие незаметно проложенные участки также могут функционировать как автоматический фильтр для воды, предотвращая проникновение 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 обычными пределами бетона используется в зонах с низкой нагрузкой, и он должен быть правильно уложен, чтобы снизить подверженность повреждению от замораживания-оттаивания и накоплению отложений.
И бетон, и асфальт являются основными составляющими так называемого эффекта городского острова тепла. По данным Департамента по экономическим и социальным вопросам Организации Объединенных Наций, к 2050 году 55% населения мира проживает в городских районах, и, согласно прогнозам, 68% населения мира будет проживать в городах; кроме того, «к 2060 году в мире будет добавлено 230 миллиардов м2 (2,5 триллиона футов2) зданий, или площадь, равная всему текущему глобальному строительному фонду. Это эквивалентно добавлению всего Нью-Йорка на планету каждые 34 дней в течение следующих 40 лет ». В результате мощеные поверхности вызывают серьезную озабоченность из-за дополнительного потребления энергии и загрязнения воздуха, которое они вызывают.
Потенциал экономии энергии в пределах области также высок. При более низких температурах потребность в кондиционировании воздуха теоретически уменьшается, что позволяет экономить энергию. Однако исследование взаимодействия между отражающими покрытиями и зданиями показало, что, если соседние здания не оборудованы отражающим стеклом, солнечное излучение, отраженное от тротуаров, может повысить температуру здания, увеличивая требования к кондиционированию воздуха.
Кроме того, теплопередача от тротуаров, которые покрывают примерно одну треть типичного города США, также могут влиять на температуру и качество воздуха. Горячие поверхности нагревают городской воздух за счет конвекции, поэтому использование материалов, поглощающих меньше солнечной энергии, таких как тротуары с высоким альбедо, может уменьшить приток тепла в городскую среду и смягчить UHIE. Альбедо составляет от примерно 0,05 до примерно 0,35 для используемых в настоящее время поверхностей из материала дорожного покрытия. В течение обычного срока службы материалы дорожного покрытия, которые начинаются с высокого альбедо, имеют тенденцию терять отражательную способность, тогда как материалы с низким начальным альбедо могут приобретать отражательную способность
Design Trust for Public Space обнаружил, что путем небольшого повышения значения альбедо в Нью-Йорке Город, можно добиться положительных эффектов, таких как экономия энергии, путем 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 меньшего количества солнечного света зимой.
Еще один аспект, который следует учитывать, - это эффект теплового комфорта, а также необходимость в дополнительных стратегиях смягчения последствий, которые не угрожают здоровью и благополучию пешеходов, особенно во время волн тепла. В исследовании, опубликованном в журнале Building and Environment в 2019 году, были проведены эксперименты по прогнозированию воздействия тепловых волн и взаимодействия материалов с высоким альбедо в северном итальянском городе Милан. Посредством расчета «Средиземноморского индекса комфорта на улице» (MOCI) в условиях сильной жары, когда для всех поверхностей использовались материалы с высоким альбедо. Исследование выявило ухудшение микроклимата там, где было сосредоточено большое количество материалов с высоким альбедо. Было обнаружено, что использование материалов с высоким альбедо «привело к установлению множественных взаимных отражений и последующему увеличению микрометеорологических переменных, таких как средние радиационные температуры и температуры воздуха. Если говорить более подробно, эти изменения приводят к увеличению MOCI. что в дневные часы может достигать даже 0,45 единиц ».
Общая городская конфигурация должна оставаться предметом беспокойства при принятии решений, поскольку люди подвергаются воздействию погодных и тепловых условий. Использование материалов с высоким альбедо в городской среде может иметь положительный эффект при правильном сочетании других технологий и стратегий, таких как: растительность, светоотражающие материалы и т. Д. Меры по смягчению воздействия тепла в городах могут минимизировать воздействие на микроклимат, а также на среду обитания людей и диких животных.
Снос зданий и стихийные бедствия, такие как землетрясения, часто выбрасывают в атмосферу большое количество бетонной пыли. Был сделан вывод, что бетонная пыль является основным источником опасного загрязнения воздуха после Великого землетрясения в Хансине.
Присутствие в бетоне некоторых веществ, включая полезные и нежелательные добавки, может вызвать проблемы со здоровьем. Природные радиоактивные элементы (K, U, Th и Rn ) могут присутствовать в различных концентрациях в конкретных жилищах в зависимости от источника используемого сырья. Например, некоторые камни естественным образом выделяют радон, а уран когда-то был обычным явлением в шахтных отходах. Токсичные вещества также могут быть непреднамеренно использованы в результате загрязнения в результате ядерной аварии. Пыль от щебня или битого бетона при сносе или крошении может вызвать серьезные проблемы со здоровьем, в зависимости от того, что было включено в бетон. Однако заделка вредных материалов в бетон не всегда опасна и на самом деле может быть полезной. В некоторых случаях включение определенных соединений, таких как металлы, в процесс гидратации цемента иммобилизует их в безвредном состоянии и предотвращает их свободное высвобождение где-либо еще.
При обращении с влажным бетоном необходимо всегда делаться с надлежащими средствами защиты. Контакт с влажным бетоном может вызвать химические ожоги кожи из-за едкого характера смеси цемента и воды. Действительно, pH пресной цементной воды очень щелочной из-за наличия свободных гидроксидов калия и натрия в растворе (pH ~ 13,5). Глаза, руки и ноги должны быть правильно защищены, чтобы избежать прямого контакта с влажным бетоном, и при необходимости немедленно промыть.
Вторичный дробленый бетон загружается в полуприцеп для использования в качестве гранулированной засыпки Вторичное использование бетона становится все более распространенным методом утилизации бетонных конструкций. Когда-то бетонный мусор обычно отправлялся на свалки для утилизации, но переработка увеличивается благодаря повышению экологической осведомленности, правительственным законам и экономическим выгодам.
Бетон, в котором не должно быть мусора, дерева, бумаги и других подобных материалов, собирается на местах сноса и пропускается через дробильную машину, часто вместе с асфальтом, кирпич и камни.
Железобетон содержит арматуру и другие металлические арматуры, которые удаляются с помощью магнитов и перерабатываются в другом месте. Остальные агрегированные фрагменты сортируются по размеру. Более крупные куски могут снова пройти через дробилку. Меньшие куски бетона используются в качестве гравия для новых строительных объектов. Основание из заполнителя гравий укладывается как самый нижний слой дороги, поверх которого укладывается свежий бетон или асфальт. Измельченный вторичный бетон иногда можно использовать в качестве сухого заполнителя для нового бетона, если он не содержит загрязняющих веществ, хотя использование вторичного бетона ограничивает прочность и не разрешено во многих юрисдикциях. 3 марта 1983 года исследовательская группа, финансируемая государством (VIRL research.codep), приблизительно установила, что почти 17% мировых свалок составляют побочные продукты бетонных отходов .
