Vicino - Gruppo di materiali concreti di Heilongjiang

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4574 (2023) Citare questo articolo

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La crescita della popolazione urbana e il deterioramento delle infrastrutture stanno determinando una domanda senza precedenti di calcestruzzo, un materiale per il quale non esiste alternativa in grado di soddisfare la sua capacità funzionale. La produzione del calcestruzzo, in particolare del cemento idraulico che incolla insieme il materiale, è una delle maggiori fonti mondiali di emissioni di gas serra (GHG). Sebbene si tratti di una fonte di emissioni ben studiata, le conseguenze di decisioni di progettazione strutturale efficiente sulla mitigazione di queste emissioni non sono ancora ben note. Qui, mostriamo che una combinazione di decisioni di produzione e ingegneria hanno il potenziale per ridurre oltre il 76% delle emissioni di gas serra derivanti dalla produzione di cemento e calcestruzzo, equivalenti a una riduzione delle emissioni di CO2-eq di 3,6 Gt nel 2100. I metodi studiati si traducono in modo simile in soluzioni più efficienti utilizzo delle risorse riducendo la domanda di cemento fino al 65%, portando ad una prevista riduzione di tutti gli altri oneri ambientali. Questi risultati mostrano che la flessibilità degli attuali approcci di progettazione del calcestruzzo può contribuire alla mitigazione del clima senza richiedere ingenti investimenti di capitale in metodi di produzione alternativi o materiali alternativi.

I materiali a base di cemento sono essenziali per lo sviluppo urbano e non esiste materiale alternativo che soddisfi le loro capacità funzionali1,2. Esistono diversi usi del cemento in tali materiali, come nel calcestruzzo e nella malta (tutti i materiali compositi che utilizzano cemento sono qui indicati come calcestruzzo, che è la sua applicazione più comune). Man mano che la popolazione mondiale cresce, cresceranno lo sviluppo, il mantenimento e l’estensione delle aree urbane; le stime previste mostrano che entro il 2030, quasi 1 miliardo di persone in più (in aumento del 22% rispetto al 2018) vivrà nelle aree urbane3. Con tale crescita urbana, la domanda di calcestruzzo continuerà a crescere, con tassi superiori a quelli di crescita della popolazione4.

Il calcestruzzo è particolarmente adatto a soddisfare le esigenze di numerose infrastrutture civili e sistemi edilizi grazie all'ampia disponibilità dei costituenti primari del calcestruzzo e alla resistenza e durabilità ottenibili con questo materiale1,2. Il calcestruzzo è costituito da aggregati fini e grossolani (sabbia e rocce frantumate), acqua, additivi e un legante idraulico (cemento) che reagisce con l'acqua per incollare insieme questi costituenti in un conglomerato artificiale. Significative emissioni di gas serra (GHG) sono attribuibili alla produzione di materiali a base di cemento, circa l’8% delle emissioni globali di CO2 di origine antropica5, che è principalmente una funzione della produzione di clinker (il precursore del cemento). Il clinker è un materiale calcinato e raffreddato che richiede alte temperature per creare la mineralogia desiderata, portando a emissioni associate ai combustibili per l'energia termica e ad emissioni chimiche di CO2 derivanti dalla decarbonatazione del calcare nella sua produzione.

La società deve raggiungere l’obiettivo di zero emissioni nette di gas serra entro il 2050 per limitare il riscaldamento a 1,5°C rispetto ai livelli preindustriali6 e, per farlo, le industrie “difficili da decarbonizzare”, come quelle del cemento e del calcestruzzo7, devono trovare percorsi di mitigazione. Esistono diverse strategie di mitigazione comunemente discusse per queste emissioni, tra cui l'uso di combustibili alternativi, l'uso di attrezzature più efficienti, la cattura, l'utilizzo e lo stoccaggio del carbonio (CCUS) o la riduzione della domanda di clinker attraverso l'uso di materiali cementizi supplementari (SCM)8,9 . Le tecnologie CCUS non sono ben consolidate per il settore10 e, sebbene siano stati proposti cementi e aggregati alternativi11,12,13, la loro efficacia può essere ostacolata dalla disponibilità delle risorse, dai costi o da un settore avverso al rischio14,15. Fondamentalmente, il miglioramento dell’efficienza dei materiali, in cui viene utilizzato meno materiale per ottenere le stesse prestazioni, è un passo fondamentale per mitigare gli impatti ambientali derivanti dalla produzione dei materiali16,17,18. Questo passaggio dovrebbe essere utilizzato all’unisono con materiali alternativi a basse emissioni per superare le sfide relative alle emissioni di gas serra provenienti dall’ambiente edificato.

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>