Вокруг - Цзясин РЕЛЕ Инк.

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4574 (2023) Цитировать эту статью

1818 Доступов

16 Альтметрика

Подробности о метриках

Рост городского населения и ухудшение инфраструктуры приводят к беспрецедентному спросу на бетон — материал, которому нет альтернативы, способной удовлетворить его функциональные возможности. Производство бетона, в частности гидравлического цемента, который склеивает материал, является одним из крупнейших в мире источников выбросов парниковых газов (ПГ). Хотя это хорошо изученный источник выбросов, последствия эффективных конструктивных решений по смягчению этих выбросов еще недостаточно известны. Здесь мы показываем, что сочетание производственных и инженерных решений потенциально может сократить более чем на 76% выбросы парниковых газов при производстве цемента и бетона, что эквивалентно снижению выбросов на 3,6 Гт в эквиваленте CO2 в 2100 году. Изученные методы аналогичным образом приводят к повышению эффективности. использование ресурсов за счет снижения спроса на цемент до 65%, что приведет к ожидаемому снижению всех других экологических проблем. Эти результаты показывают, что гибкость существующих подходов к проектированию бетона может способствовать смягчению последствий изменения климата, не требуя крупных капиталовложений в альтернативные методы производства или альтернативные материалы.

Материалы на основе цемента необходимы для городского развития, и не существует альтернативного материала, отвечающего их функциональным возможностям1,2. Существует несколько применений цемента в таких материалах, например, в бетоне и строительном растворе (все композиционные материалы, в которых используется цемент, называются здесь бетоном, что является его наиболее распространенным применением). По мере роста населения мира будет расти развитие, обслуживание и расширение городских территорий; прогнозные оценки показывают, что к 2030 году в городских районах будет проживать почти на 1 миллиард (на 22% больше, чем в 2018 году)3. При таком росте городов спрос на бетон будет продолжать расти, причем темпы будут превышать темпы роста населения4.

Бетон обладает уникальными возможностями для удовлетворения потребностей многих объектов гражданской инфраструктуры и строительных систем благодаря широкой доступности основных компонентов бетона, а также прочности и долговечности, достижимых с помощью этого материала1,2. Бетон состоит из мелких и крупных заполнителей (песка и щебня), воды, добавок и гидравлического вяжущего вещества (цемента), которое вступает в реакцию с водой и склеивает эти компоненты в искусственный конгломерат. Значительные выбросы парниковых газов (ПГ) связаны с производством материалов на основе цемента, что составляет около 8% глобальных антропогенных выбросов CO25, что в первую очередь является функцией производства клинкера (прекурсора цемента). Клинкер — это обожженный и закаленный материал, для достижения желаемого минералогического состава которого требуются высокие температуры, что приводит к выбросам, связанным с топливом для тепловой энергии, а также химическим выбросам CO2 в результате декарбонизации известняка при его производстве.

Общество должно достичь нулевых выбросов парниковых газов к 2050 году, чтобы ограничить потепление на 1,5 °C выше доиндустриального уровня6, а для этого отрасли, «трудно поддающиеся декарбонизации», такие как производство цемента и бетона7, должны найти пути смягчения последствий. Существует несколько широко обсуждаемых стратегий снижения этих выбросов, включая использование альтернативных видов топлива, использование более эффективного оборудования, улавливание, использование и хранение углерода (CCUS) или снижение спроса на клинкер за счет использования дополнительных вяжущих материалов (SCM)8,9. . Технологии CCUS недостаточно хорошо известны в отрасли10, и хотя альтернативные цементы и заполнители были предложены11,12,13, их эффективность может снижаться из-за доступности ресурсов, затрат или отсутствия риска в отрасли14,15. Крайне важно, что повышение эффективности использования материалов, при котором для достижения тех же характеристик используется меньше материалов, является ключевым шагом в смягчении воздействия производства материалов на окружающую среду16,17,18. Этот шаг следует использовать в унисон с альтернативными материалами с низким уровнем выбросов для преодоления проблем, связанных с выбросами парниковых газов в антропогенной среде.

46 kg CO2-eq for the column using the ACI-318 code (this is 70% greater emissions than the lowest column emissions using this code); a difference of >63.1 kg CO2-eq (90% between highest and lowest) for the column using Eurocode 2; and a difference of ~51 kg CO2-eq (60% between highest and lowest) for the column using the Indian Standard code. For slabs designed for bending at the ultimate stage, there is a 58–93% difference between the highest and lowest emissions members that meet design code requirements with the same boundary conditions and loading. In slab design (ultimate), there is a larger difference in GHG emissions for low reinforcement ratio than for higher ratio, which suggests that if a low ratio is used, there is increased reliance on high concrete strength or greater cross-sectional area of concrete (slab thickness), which results in higher impact. However, use of excess reinforcement is inefficient due to the significantly higher volumetric impact of the reinforcement. While trends are similar between codes used in different regions, designing slabs per Eurocode 2 and columns per ACI-318 result in the lowest impact. If all countries/regions were to design for the lowest impact per Eurocode 2 and ACI-318 for slabs and columns, respectively, it would result in a reduction of approximately 67 Gt of GHG emissions between 2015–2100 (based on a model of one unit, here defined as1 slab + 4 columns). The authors recognize that this is a simplified model, but nevertheless useful for the argument at hand. Slabs spanning over multiple supports as well as pre- and post-tensioned slabs are common designs that could yield different results than the modeled simply supported slab. Here, it was assumed that 20% of GHG emissions are from concrete used in other applications than columns and slabs, such as in foundations. Further, if we assume a baseline of 30 MPa (the middle of the strength range considered in this work) and median longitudinal reinforcement ratio (slabs, ultimate: 0.26% reinforcement ratio and 0.45 m thickness, slabs cracking: 0.6% reinforcement ratio and 0.34 m thickness, columns: 3.5% reinforcement ratio and 0.18 m column width), then choosing the optimal combination of strength and reinforcement ratio could lower slab emissions by 20–25%, column emissions by 18–22%, and unit emissions by approximately 23% for these three codes. If instead reinforcing steel with a higher environmental impact is used, the resulting reductions are ~20% for slab, ~30% for column and ~21% for a unit (see Methods section for sensitivity analysis). However, the lower environmental impact of reinforcing steel is used in the analysis herein./p>