stringtranslate.com

Воздействие бетона на окружающую среду

Воздействие бетона на окружающую среду , его производство и применение являются сложными, частично обусловленными прямым воздействием строительства и инфраструктуры, а также выбросами CO 2 ; от 4 до 8% от общего объема мировых выбросов CO 2 приходится на бетон. [1] Многое зависит от обстоятельств. Основным компонентом является цемент , который имеет свои собственные экологические и социальные воздействия и вносит большой вклад в воздействие бетона.

Цементная промышленность является одним из основных производителей углекислого газа , парникового газа . [2] 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 тому подобного. Светлый бетон может уменьшить эффект городского острова тепла из-за его более высокого альбедо . [3] 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 естественной) радиоактивности . [4] Мокрый бетон является сильнощелочным и всегда должен обрабатываться с использованием надлежащих средств защиты. Переработка бетона увеличивается в ответ на повышение осведомленности об окружающей среде , законодательство и экономические соображения. Наоборот, использование бетона смягчает использование альтернативных строительных материалов, таких как древесина, которая является естественной формой связывания углерода .

Бетонная пыль

Снос градирен электростанции, Атлон, Кейптаун, Южная Африка, 2010 г.

Снос зданий и стихийные бедствия, такие как землетрясения, часто выбрасывают большое количество бетонной пыли в местную атмосферу. Бетонная пыль была признана основным источником опасного загрязнения воздуха после Великого землетрясения Хансин . [5]

Токсическое и радиоактивное загрязнение

Значительное количество строительной пыли выбрасывается и поднимается из здания, находящегося на реконструкции в Гонконге. [6] [7] [8]

Присутствие некоторых веществ в бетоне, включая полезные и нежелательные добавки, может вызывать проблемы со здоровьем. Естественные радиоактивные элементы ( K , U , Th и Rn ) могут присутствовать в различных концентрациях в бетонных жилищах в зависимости от источника используемого сырья. [9] Например, некоторые камни естественным образом выделяют радон, а уран когда-то был обычным явлением в отходах шахт. [10] Токсичные вещества также могут быть непреднамеренно использованы в результате загрязнения от ядерной аварии . [11] Пыль от щебня или битого бетона при сносе или крошении может вызывать серьезные проблемы со здоровьем в зависимости также от того, что было включено в бетон. Однако включение вредных материалов в бетон не всегда опасно и на самом деле может быть полезным. [ требуется цитата ] 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. [12]

Выбросы углекислого газа и изменение климата

Цементная промышленность является одним из двух крупнейших производителей углекислого газа (CO 2 ), создавая до 5% мировых антропогенных выбросов этого газа, из которых 50% приходится на химический процесс и 40% на сжигание топлива. [2] [13] CO 2 , производимый при производстве конструкционного бетона (с использованием ~14% цемента), оценивается в 410 кг/м 3 (~180 кг/тонну при плотности 2,3 г/см 3 ) (снижается до 290 кг/м 3 при замене цемента на 30% летучей золы ). [14] Выбросы CO 2 при производстве бетона прямо пропорциональны содержанию цемента, используемого в бетонной смеси; при производстве каждой тонны цемента выбрасывается 900 кг CO 2 , что составляет 88% выбросов, связанных со средней бетонной смесью. [15] [16] Производство цемента способствует выбросам парниковых газов как напрямую, за счет производства углекислого газа при термическом разложении карбоната кальция с образованием извести и углекислого газа , [17] так и за счет использования энергии, особенно при сжигании ископаемого топлива .

Одной из областей жизненного цикла бетона, на которую стоит обратить внимание, является его очень низкая воплощенная энергия на единицу массы. Это в первую очередь связано с тем, что материалы, используемые в бетонном строительстве, такие как заполнители , пуццоланы и вода, относительно многочисленны и часто могут быть получены из местных источников. [18] Это означает, что транспортировка составляет всего 7% воплощенной энергии бетона, в то время как производство цемента составляет 70%. Бетон имеет общую воплощенную энергию 1,69 ГДж / тонну , что ниже на единицу массы большинства обычных строительных материалов, кроме древесины. Однако бетонные конструкции часто имеют большую массу, поэтому это сравнение не всегда имеет непосредственное отношение к принятию решений. Кроме того, это значение основано только на пропорциях смеси до 20% летучей золы. Подсчитано, что замена 1% цемента летучей золой представляет собой снижение потребления энергии на 0,7% . Поскольку некоторые предлагаемые смеси содержат до 80% летучей золы, это может представлять собой значительную экономию энергии. [16]

В отчете Boston Consulting Group за 2022 год говорится, что инвестиции в более экологичные формы цемента приведут к большему сокращению выбросов парниковых газов на доллар, чем инвестиции во многие другие экологичные технологии , хотя инвестиции в альтернативы мясу на растительной основе дадут значительно большее сокращение, чем даже это. [19]

Смягчение

Улучшения дизайна

Растет интерес к сокращению выбросов углерода, связанных с бетоном, как со стороны академического, так и промышленного секторов, особенно с учетом возможности будущей реализации 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 (Ca 3 SiO 5 ), 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 (Ca 2 SiO 4 ). 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 становится 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 могут ускорить процесс затвердевания. Также стоит учитывать, что для измельчения белита требуется больше энергии, что может сделать его полную износостойкость такой же или даже выше, чем у алита. [20]

Другим подходом стала частичная замена обычного клинкера такими альтернативами, как летучая зола, шлак и шлак, все из которых являются побочными продуктами других отраслей промышленности, которые в противном случае оказались бы на свалках . Летучая зола и шлак поступают с теплоэлектростанций , в то время как шлак является отходами доменных печей в металлургической промышленности. Эти материалы постепенно набирают популярность в качестве добавок, особенно потому, что они потенциально могут повышать прочность, уменьшать плотность и продлевать срок службы бетона. [21]

Основным препятствием для более широкого внедрения летучей золы и шлака может быть в значительной степени риск строительства с использованием новой технологии, которая не подвергалась длительным полевым испытаниям. Пока не будет введен налог на выбросы углерода, компании не желают рисковать с новыми рецептами бетонной смеси, даже если это снижает выбросы углерода. Однако есть несколько примеров «зеленого» бетона и его внедрения. Одним из примеров является бетонная компания Ceratech, которая начала производство бетона с 95% летучей золы и 5% жидких добавок. [20] Другим примером является мост I-35W Saint Anthony Falls , который был построен с использованием новой смеси бетона, которая включала различные составы портландцемента , летучей золы и шлака в зависимости от части моста и требований к свойствам его материала. [22] Несколько стартапов разрабатывают и тестируют альтернативные методы производства цемента. Sublime из Сомервилля, Массачусетс, использует беспечной электрохимический процесс, а Fortera улавливает углекислый газ с обычных установок для производства нового вида цемента. [23] Blue Planet из Лос-Гатоса, 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 храня углекислый газ в бетоне во время его смешивания. [24]

Кроме того, производство бетона требует большого количества воды, а на мировое производство приходится почти десятая часть мирового промышленного водопользования. [25] Это составляет 1,7 процента от общего мирового забора воды. Исследование, опубликованное в Nature Sustainability в 2018 году, прогнозирует, что производство бетона в будущем увеличит нагрузку на водные ресурсы в регионах, подверженных засухе, и пишет: «В 2050 году 75% спроса на воду для производства бетона, вероятно, придется на регионы, которые, как ожидается, будут испытывать дефицит воды». [26]

Углеродистый бетон

Карбонизация , иногда называемая карбонизацией, представляет собой образование карбоната кальция (CaCO 3 ) в результате химической реакции, который, если используется в бетоне, может изолировать углекислый газ. [27] Скорость карбонизации зависит в первую очередь от пористости бетона и его влажности . Карбонизация в порах бетона происходит только при относительной влажности (ОВ) 40-90% — когда ОВ выше 90%, углекислый газ не может проникнуть в поры бетона, а когда ОВ ниже 40%, CO 2 не может растворяться в воде. [28]

Пористая структура свежего бетона и воздух, вовлеченный в бетон

Бетон можно карбонизировать двумя основными способами: карбонизацией под воздействием атмосферных условий и карбонизацией в раннем возрасте. [29]

Выветривание карбонизации происходит в бетоне, когда соединения кальция реагируют с углекислым газом ( ) из атмосферы и водой ( ) в порах бетона. Реакция выглядит следующим образом. Сначала, посредством химического выветривания , CO 2 реагирует с водой в порах бетона, образуя угольную кислоту :

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

После того, как гидроксид кальция (Ca(OH) 2 ) достаточно карбонизировался, основной компонент цемента, гель гидрата силиката кальция (CSH), может быть декальцинирован, т.е. освобожденный оксид кальция ( ) может карбонизироваться:

Карбонизация на ранних стадиях происходит, когда CO 2 вводится на ранних стадиях свежего бетона или при первоначальном отверждении, что может происходить как естественным образом посредством воздействия, так и быть искусственно ускорено путем увеличения прямого поступления CO 2 . [29] Газообразный диоксид углерода преобразуется в твердые карбонаты и может постоянно храниться в бетоне. Реакции CO 2 и гидрата силиката кальция (CSH) в цементе были описаны в 1974 году в нотации химика по цементу (CCN) как: [30] Канадская компания запатентовала и вывела на рынок новую технологию, которая использует карбонизацию на ранних стадиях для связывания CO 2 . Это достигается путем прямого впрыскивания переработанного жидкого диоксида углерода от сторонних промышленных источников на стадию влажной смеси бетона во время производственного процесса. Затем CO 2 химически минерализуется, связывая загрязняющий парниковый газ в бетонной инфраструктуре, зданиях, дорогах и т. д. на длительные периоды времени.

В исследовании, опубликованном в журнале Journal of Cleaner Production , авторы создали модель, показывающую, что секвестрированный CO2 повышает прочность бетона на сжатие , одновременно снижая выбросы CO2 , что позволяет снизить нагрузку на цемент и одновременно «сократить углеродный след на 4,6%» [31] .

Другой предлагаемый метод улавливания выбросов заключается в поглощении CO 2 в процессе отверждения с помощью добавки — в частности, дикальциевого силиката в 𝛾 фазе — по мере отверждения бетона. Использование летучей золы или другого подходящего заменителя теоретически может снизить выбросы CO 2 ниже 0 кг/м 3 по сравнению с выбросами портландцементного бетона в 400 кг/м 3 . Наиболее эффективным методом производства этого бетона было бы использование выхлопных газов электростанции, где изолированная камера могла бы контролировать температуру и влажность. [32]

В августе 2019 года было объявлено о цементе с пониженным содержанием CO2 , который «снижает общий углеродный след в сборном железобетоне на 70%». [33] Основой цемента в первую очередь являются волластонит ( ) и ранкинит ( ), в отличие от традиционного портландцемента , основанного на алите ( ) и белите ( ). Запатентованный процесс производства бетона с пониженным содержанием выбросов начинается со связывания частиц посредством жидкофазного спекания , также называемого реактивным гидротермальным жидкофазным уплотнением (rHLPD). [34] Раствор воды и CO2 проникает в частицы, реагируя в условиях окружающей среды, образуя связь, которая создает восстановленный известь , негидравлический кальциево-силикатный цемент (CSC). Разница между традиционным портландбетоном и этим карбонизированным кальциево-силикатным бетоном (CSC-C) заключается в конечной реакции процесса отверждения между раствором вода-CO2 и семейством кальциево-силикатных соединений. Согласно исследованию одного из видов цемента с пониженным уровнем выбросов, называемого Solidia, «отверждение CSC-C представляет собой слабоэкзотермическую реакцию , в которой малоизвестковые силикаты кальция в CSC реагируют с CO2 в присутствии воды с образованием кальцита (CaCO3 ) и кремнезема ( SiO2 ) следующим образом:

" [35]

Однако, поскольку методы ранней карбонизации получили признание из-за их существенной эффективности в улавливании углерода , некоторые авторы утверждают, что эффект ранней карбонизации может уступить место карбонизации под воздействием атмосферных условий в дальнейшем. Например, в статье 2020 года говорится: «Экспериментальные результаты показывают, что карбонизированные бетоны ранней карбонизации с высоким отношением воды к цементу (>0,65) с большей вероятностью будут подвержены карбонизации под воздействием атмосферных условий». [36] В статье предупреждается, что это может ослабить его прочностные свойства на стадиях коррозии в течение срока службы.

Итальянская компания Italcementi разработала вид цемента, который якобы уменьшает загрязнение воздуха, разрушая загрязняющие вещества, которые контактируют с бетоном, с помощью диоксида титана, поглощающего ультрафиолетовое излучение . Некоторые эксперты по охране окружающей среды, тем не менее, остаются скептиками и задаются вопросом, может ли специальный материал «съесть» достаточно загрязняющих веществ, чтобы сделать его финансово жизнеспособным. Юбилейная церковь в Риме построена из такого вида бетона. [37]

Другим аспектом, который следует учитывать в углеродном бетоне, является поверхностная шелушение из-за холодных климатических условий и воздействия антиобледенительной соли и циклов замораживания-оттаивания ( морозное выветривание ). Бетон, полученный путем карбонизации, также показывает превосходные характеристики, когда подвергается физическому разрушению, например, повреждению при замораживании-оттаивании, в частности из-за эффекта уплотнения пор, вызванного осаждением продуктов карбонизации [38]

Подавляющее большинство выбросов CO 2 от бетона происходит при производстве цемента. Поэтому методы снижения содержания цементных материалов в каждой бетонной смеси являются единственными известными методами снижения выбросов. [ необходима цитата ]

Фотокатализ для уменьшения смога

Диоксид титана (TiO 2 ), полупроводниковый материал, проявляющий фотокаталитические свойства, использовался для удаления оксидов азота (обозначаемых NO x ) из атмосферы. Виды NO x , то есть оксид азота и диоксид азота , являются атмосферными газами, которые способствуют образованию кислотных дождей и смога , оба из которых являются результатом городского загрязнения. Поскольку образование NO x происходит только при высоких температурах, оксиды азота обычно производятся как побочный продукт сгорания углеводородов . Помимо того, что NO x способствует загрязнению городской среды, было продемонстрировано, что он вызывает широкий спектр неблагоприятных последствий для здоровья и окружающей среды, включая респираторный дистресс, реакцию с другими атмосферными химикатами с образованием вредных продуктов, таких как озон , нитроарены и нитратные радикалы , а также способствует парниковому эффекту . Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендовала максимальную концентрацию NO x 40 мкг/м 3 . [39] Одним из предлагаемых путей снижения концентрации NO x , особенно в городских условиях, является использование фотокаталитического TiO 2, смешанного с бетоном, для окисления NO и NO 2 с образованием нитрата . При наличии света TiO 2 генерирует электроны и дырки , которые позволяют NO окисляться до NO 2 и NO 2 с последующим образованием HNO 3 ( азотной кислоты ) посредством атаки гидроксильного радикала . Реакции адсорбции молекул приведены ниже:

O 2 + ⬚ → O объявления
H 2 O + ⬚ → H 2 O объявления
НЕТ + ⬚ → НЕТ рекламы
НЕТ 2 + ⬚ → НЕТ 2объявлений

Генерация дырок и электронов посредством активации TiO2 описана ниже:

TiO2 + hν → e− + h +

Захват электрона/дырки:

h + + H 2 O ads → OH · + H +
е − + O 2ads → O 2 −

Атака гидроксильного радикала:

НЕТ рекламы + OH · → HNO 2
HNO2 + OH · → NO2ads + H2O​
NO 2ads + OH · → NO 3 − + H +

Рекомбинация электронов и дырок:

е − + ч + → тепло

Другой путь окисления азота использует УФ-облучение для образования NO3 . [ 40]

Встроенные солнечные элементы

Сенсибилизированные красителем солнечные элементы, встроенные в бетон, были предложены в качестве метода сокращения углеродного и энергетического следа зданий. Использование встроенных солнечных элементов позволяет производить энергию на месте, что в сочетании с батареями будет обеспечивать постоянную мощность в течение всего дня. Верхний слой бетона будет представлять собой тонкий слой сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Сенсибилизированные красителем солнечные элементы особенно привлекательны из-за простоты их массового производства, либо с помощью рулонной печати, либо покраски, и достаточно высокой эффективности в 10%. [41] Одним из примеров коммерциализации этой концепции является немецкая компания Discrete, которая производит сенсибилизированные красителем солнечные элементы, встроенные в бетон. Их процесс использует метод распыления покрытия для нанесения органических красителей, которые генерируют электричество, на бетон. [42]

Хранение энергии

Хранение энергии стало важным фактором для многих методов получения возобновляемой энергии, особенно для таких популярных методов, как солнечная или ветровая энергия, оба из которых являются непостоянными производителями энергии, которым требуется хранение для постоянного использования. В настоящее время 96% мирового хранения энергии поступает из гидроаккумулирующей электростанции , которая использует избыточную выработанную электроэнергию для закачки воды в плотину, а затем позволяет ей падать и вращать турбины, которые вырабатывают электроэнергию, когда спрос превышает генерацию. Однако проблема с гидроаккумулирующей электростанцией заключается в том, что для установки требуются определенные географические условия, которые может быть трудно найти. Похожая концепция, использующая цемент вместо воды, была реализована швейцарским стартапом Energy Vault. Они создали установку, которая использует электрический кран, окруженный штабелями 35-тонных бетонных блоков, которые могут быть произведены с использованием отходов, для хранения энергии, используя избыточную выработку энергии для питания крана для подъема и укладки бетонных блоков. Когда требуется энергия, блоки падают, а вращающийся двигатель отправляет энергию обратно в сеть. Установка будет иметь емкость хранения 25-80 МВт·ч. [43]

Другие улучшения

Существует множество других усовершенствований бетона, которые не имеют прямого отношения к выбросам. В последнее время много исследований было посвящено «умным» бетонам: бетонам, которые используют электрические и механические сигналы для реагирования на изменения условий нагрузки. Одна из разновидностей использует армирование углеродным волокном, которое обеспечивает электрический отклик, который можно использовать для измерения деформации. Это позволяет контролировать структурную целостность бетона без установки датчиков. [44]

Дорожное строительство и обслуживание потребляют тонны углеродоемкого бетона каждый день для обеспечения безопасности придорожной и городской инфраструктуры. По мере роста населения эта инфраструктура становится все более уязвимой к воздействию транспортных средств, создавая все более растущий цикл повреждений и отходов и все более увеличивающееся потребление бетона для ремонта (дорожные работы теперь можно увидеть вокруг наших городов почти ежедневно). Крупное развитие в инфраструктурной отрасли включает использование переработанных нефтяных отходов для защиты бетона от повреждений и позволяет инфраструктуре стать динамичной, легко обслуживаемой и обновляемой без нарушения существующих фундаментов. Это простое нововведение сохраняет фундаменты на весь срок службы застройки.

Другая область исследований бетона включает создание определенных «безводных» бетонов для использования при внепланетной колонизации. Чаще всего в этих бетонах используется сера в качестве нереактивного связующего, что позволяет возводить бетонные конструкции в средах с отсутствием или очень малым содержанием воды. Эти бетоны во многих отношениях неотличимы от обычного гидравлического бетона: они имеют схожую плотность, могут использоваться с существующей в настоящее время металлической арматурой и на самом деле набирают прочность быстрее, чем обычный бетон [45]. Это применение еще предстоит изучить на Земле, но с учетом того, что производство бетона составляет до двух третей от общего потребления энергии в некоторых развивающихся странах [18] , любое улучшение стоит рассмотреть.

Изменения в использовании

Бетон — один из старейших в мире искусственных строительных материалов. За прошедшие годы на создание и использование бетона были наложены значительные экологические ограничения из-за его углеродного следа. Производители отреагировали на эти ограничения, изменив процессы производства бетона и переработав старый бетонный щебень для использования в качестве заполнителя в новых бетонных смесях, чтобы сократить эти выбросы. Бетон погрузился из природных ресурсов в искусственные процессы; свидетельства использования бетона датируются более 8000 лет назад. Сегодня многие строительные компании и производители бетона сократили использование портландцемента в своих смесях из-за того, что его производственный процесс выбрасывает в атмосферу значительное количество парниковых газов.

Альтернативы бетону

На самом деле существует множество альтернатив бетону. Одна из них — это зеленый бетон, который производится из переработанных отходов различных отраслей промышленности, другая — это ашкрит, материал, изготовленный из смеси извести и воды, который действует подобно цементу. Черный печной шлак также является сильной альтернативой, изготовленной из расплавленного железного шлака в воде, наряду с микрокремнеземом, бумажным бетоном, композитным цементом и переработанным стеклом. [46]

В зависимости от требуемых или используемых в целом количеств и количеств, необходимых в сочетании с другими материалами для 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 сталь приходилось ~8 % от общего объема выбросов парниковых газов в мире. [47] [48]

Глина

Экодом Tecla по состоянию на 2021 год

Смеси глины являются альтернативным бетону строительным материалом, который имеет меньший экологический след. В 2021 году был завершен первый прототип 3D-печатного дома Tecla , напечатанный из местной почвы и воды, а также волокон из рисовой шелухи и связующего вещества. [49] [50] [51] Такие здания могут быть очень недорогими, хорошо изолированными, стабильными и устойчивыми к погодным условиям, адаптироваться к климату, настраиваться, производиться быстро, требовать очень мало легко усваиваемого ручного труда , требовать меньше энергии, производить очень мало отходов и сокращать выбросы углерода из бетона. [ необходима цитата ]

Поверхностный сток

Поверхностный сток , когда вода стекает с непроницаемых поверхностей , таких как непористый бетон, может вызвать сильную эрозию почвы и наводнения. Городской сток, как правило, собирает бензин, моторное масло , тяжелые металлы , мусор и другие загрязняющие вещества с тротуаров, дорог и парковок. [52] [53] Без ослабления непроницаемый покров в типичной городской местности ограничивает просачивание грунтовых вод и вызывает в пять раз больше стока, генерируемого типичным лесным массивом того же размера. [54] В отчете Национального исследовательского совета США за 2008 год городской сток был определен как ведущий источник проблем с качеством воды . [55]

В попытке противодействовать негативным эффектам непроницаемого бетона многие новые проекты по мощению начали использовать проницаемый бетон , который обеспечивает уровень автоматического управления ливневыми водами. Проницаемый бетон создается путем тщательной укладки бетона со специально разработанными пропорциями заполнителя, что позволяет поверхностному стоку просачиваться и возвращаться в грунтовые воды. Это и предотвращает затопление, и способствует пополнению грунтовых вод. [56] При правильном проектировании и укладке слоями проницаемый бетон и другие незаметно заасфальтированные области также могут функционировать как автоматический фильтр для воды, предотвращая прохождение определенных вредных веществ, таких как масла и другие химикаты. [57] К сожалению, у крупномасштабного применения проницаемого бетона все еще есть недостатки: его пониженная прочность по сравнению с обычным бетоном ограничивает использование в областях с низкой нагрузкой, и его необходимо укладывать правильно, чтобы снизить восприимчивость к повреждениям от замерзания-оттаивания и накоплению осадка. [56]

Городская жара

И бетон, и асфальт являются основными источниками того, что известно как эффект городского острова тепла . [25] По данным Департамента ООН по экономическим и социальным вопросам, 55% населения мира проживает в городских районах, и 68% населения мира, по прогнозам, будут городскими к 2050 году; 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». [58] В результате, мощеные поверхности представляют собой серьезную проблему из-за дополнительного потребления энергии и загрязнения воздуха, которое они вызывают. [59]

Потенциал энергосбережения в пределах области также высок. При более низких температурах потребность в кондиционировании воздуха теоретически снижается, что экономит энергию. Однако исследования взаимодействия между отражающими покрытиями и зданиями показали, что, если близлежащие здания не оснащены отражающим стеклом, солнечное излучение, отраженное от покрытий, может повысить температуру в здании, увеличивая потребность в кондиционировании воздуха. [60]

Более того, теплопередача от тротуаров, которые покрывают около трети типичного города США, [3] также может влиять на местные температуры и качество воздуха. Горячие поверхности нагревают городской воздух посредством 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. [61] Альбедо варьируется от примерно 0,05 до примерно 0,35 для используемых в настоящее время поверхностей материалов тротуаров. В течение типичного срока службы материалы тротуаров, которые изначально имеют высокое альбедо, имеют тенденцию терять отражательную способность, в то время как материалы с низким начальным альбедо могут приобретать отражательную способность [62]

Design Trust for Public Space обнаружил, что, слегка повысив значение альбедо в Нью-Йорке, можно достичь таких полезных эффектов, как экономия энергии. [63] заменой черного асфальта на светлый бетон. Однако зимой это может быть недостатком, так как лед будет образовываться легче и дольше сохраняться на светлых поверхностях, поскольку они будут холоднее из-за меньшего количества поглощаемой энергии из-за уменьшенного количества солнечного света зимой. [64]

Другим аспектом, который следует учитывать, является эффект теплового комфорта , а также необходимость в дополнительных стратегиях смягчения, которые не угрожают здоровью и благополучию пешеходов, особенно во время волн тепла. [65] Исследование, опубликованное в журнале Building and Environment в 2019 году, провело эксперименты по прогнозированию воздействия волн тепла и взаимодействия материалов с высоким альбедо в северном итальянском городе Милан. Путем расчета «средиземноморского индекса комфорта на открытом воздухе» (MOCI) при наличии волны тепла, где материалы с высоким альбедо использовались на всех поверхностях. Исследование выявило ухудшение микроклимата там, где было расположено большое количество материалов с высоким альбедо. Было обнаружено, что использование материалов с высоким альбедо «приводит к установлению множественных взаимоотражений и последующему увеличению микрометеорологических переменных, таких как средние лучистые температуры и температуры воздуха. Если быть более подробным, эти изменения приводят к увеличению MOCI, которое в дневные часы может даже достигать 0,45 единиц». [66]

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. [67]


Меры предосторожности при обращении

Обращение с влажным бетоном всегда должно осуществляться с использованием надлежащих средств индивидуальной защиты. Контакт с влажным бетоном может вызвать химические ожоги кожи из- за едкой природы смеси цемента и воды (включая дождевую воду). Действительно, pH свежей цементной воды является сильнощелочным из -за наличия в растворе свободных гидроксидов калия и натрия (pH ~ 13,5). Глаза, руки и ноги должны быть правильно защищены, чтобы избежать прямого контакта с влажным бетоном, и при необходимости их следует немедленно вымыть.

Переработка бетона

Переработанный бетонный щебень загружается в полусамосвал для использования в качестве гранулированного наполнителя

Переработка бетона становится все более распространенным методом утилизации бетонных конструкций. Бетонный мусор раньше регулярно отправлялся на свалки для утилизации, но переработка растет из-за повышения осведомленности об окружающей среде, государственных законов и экономических выгод.

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. Оставшиеся куски заполнителя сортируются по размеру. Более крупные куски могут снова пройти через дробилку. Более мелкие куски бетона используются в качестве гравия для новых строительных проектов. Щебень в качестве заполнителя укладывается в качестве самого нижнего слоя на дороге, поверх которого укладывается свежий бетон или асфальт. Измельченный переработанный бетон иногда может использоваться в качестве сухого заполнителя для совершенно нового бетона, если он не содержит загрязняющих веществ, хотя использование переработанного бетона ограничивает прочность и не допускается во многих юрисдикциях. 3 марта 1983 года финансируемая правительством исследовательская группа (VIRL research.codep) [ требуется цитата ] приблизительно подсчитала, что почти 17% мировых свалок являются побочными продуктами отходов на основе бетона .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Бетон: самый разрушительный материал на Земле». The Guardian . 25 февраля 2019 г. Получено 13 июля 2022 г.
  2. ^ ab Инициатива по устойчивому развитию цементной промышленности: наша программа действий, Всемирный совет предпринимателей по устойчивому развитию , стр. 20, опубликовано 1 июня 2002 г.
  3. ^ ab "Cool Pavement Report" (PDF) . Агентство по охране окружающей среды . Июнь 2005 . Получено 6 февраля 2009 .
  4. ^ CDC (7 декабря 2015 г.). «Радиация от строительных материалов». Центры по контролю и профилактике заболеваний . Получено 25 февраля 2019 г.
  5. ^ Ямамото, Рёдзи; Нобухико, Нагаи; Коидзуми, Наоко; Ниномия, Рюрико (1999). «Концентрация пыли вокруг мест сноса после Великого землетрясения Хансин-Авадзи». Здоровье окружающей среды и профилактическая медицина . 3 (4): 207–214. Bibcode : 1999EHPM....3..207Y. doi : 10.1007/BF02932260. PMC 2723556. PMID  21432527 . 
  6. ^ «Комплексная программа помощи в восстановлении зданий».
  7. ^ «Операция «Брайт-здание 2.0».
  8. ^ «Гонконгский надзорный орган арестовал 49 подозреваемых в мошенничестве с реновацией жилья, включающем контракты на сумму 500 миллионов гонконгских долларов». 6 января 2023 г.
  9. ^ Гавела, Стаматия; Пападакос, Георгиос (20 ноября 2023 г.). «Значения индекса концентрации активности для бетонных многоэтажных жилых домов в Греции из-за добавления летучей золы в цемент». Eng . 4 (4): 2926–2940. doi : 10.3390/eng4040164 . ISSN  2673-4117.
  10. ^ Адемола, JA; Огунелету, PO (2005). «Содержание радионуклидов в бетонных строительных блоках и мощность дозы радиации в некоторых жилищах в Ибадане, Нигерия». Журнал экологической радиоактивности . 81 (1): 107–113. doi :10.1016/j.jenvrad.2004.12.002. PMID  15748664.
  11. ↑ Фудзита, Акико (16 января 2012 г.). «Радиоактивный бетон — последняя угроза для выживших на Фукусиме».
  12. ^ PK Mehta: Технология бетона для устойчивого развития – обзор основных элементов, OE Gjorv, K. Sakai (ред.), Технология бетона для устойчивого развития в 21 веке, E&FN Spon, Лондон (2000), стр. 83–94
  13. ^ Lehne, Johanna; Preston, Felix (июнь 2018). Making Concrete Change: Innovation in Low Carbon Cement and Concrete (PDF) . Отчет Chatham House. ISBN 9781784132729. Получено 17 апреля 2021 г. . {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )
  14. ^ А. Самарин (7 сентября 1999 г.), «Отходы в бетоне: преобразование обязательств в активы», в Равиндра К. Дхир; Тревор Г. Джаппи (ред.), Использование отходов в бетоне: материалы международного семинара, проведенного в Университете Данди, Шотландия, Великобритания , Томас Телфорд, стр. 8, ISBN 9780727728210
  15. ^ Махасенан, Натесан; Стив Смит; Кеннет Хамфрис; Y. Kaya (2003). «Цементная промышленность и глобальное изменение климата: текущие и потенциальные будущие выбросы CO 2 в цементной промышленности». Технологии контроля выбросов парниковых газов – 6-я международная конференция . Оксфорд: Pergamon. стр. 995–1000. doi :10.1016/B978-008044276-1/50157-4. ISBN 978-0-08-044276-1.
  16. ^ ab Nisbet, Michael A.; Marceau, Medgar L.; VanGeem, Martha G. (2002). "Environmental Life Cycle Inventory of Portland Cement Concrete" (PDF) . Национальная ассоциация производителей готовых бетонных смесей . PCA R&D Серийный номер 2137a. Ассоциация портландцемента . Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2017 г. . Получено 17 апреля 2021 г. .
  17. ^ EIA – Выбросы парниковых газов в США 2006-Выбросы углекислого газа Архивировано 23 мая 2011 г. на Wayback Machine
  18. ^ ab Building Green. (1993). Цемент и бетон: экологические аспекты. Получено 2 ноября 2015 г. http://www.wbcsdcement.org/pdf/tf2/cementconc.pdf
  19. ^ Кэррингтон, Дамиан (7 июля 2022 г.). «Растительное мясо — лучшая инвестиция в климат, согласно отчету». The Guardian . Получено 10 июля 2022 г.
  20. ^ ab Amato, Ivan (2013). «Зеленый цемент: бетонные решения». Nature . 494 (7437): 300–301. Bibcode :2013Natur.494..300A. doi : 10.1038/494300a . PMID  23426307.
  21. ^ Ким, Х.; Ли, Х. (2013). «Влияние больших объемов летучей золы, доменного шлака и зольного остатка на характеристики текучести, плотность и прочность на сжатие высокопрочного раствора». J. Mater. Civ. Eng . 25 (5): 662–665. doi :10.1061/(asce)mt.1943-5533.0000624.
  22. ↑ Фонтан, Генри (30 марта 2009 г.). «Бетон перемешан с заботой об окружающей среде». The New York Times . Получено 26 мая 2013 г.
  23. ^ О'Мэлли, Изабелла (11 апреля 2024 г.). «Производство цемента очень вредит климату. Одним из решений является открытие завода в Калифорнии». Yahoo Tech . Получено 11 апреля 2024 г.
  24. ^ Дэвид Абель (14 июня 2023 г.). «Гонка с высокими ставками за сокращение выбросов от цемента». The Boston Globe .
  25. ^ ab Watts, Jonathan (25 февраля 2019 г.). «Бетон: самый разрушительный материал на Земле». The Guardian . ISSN  0261-3077 . Получено 25 февраля 2019 г. .
  26. ^ Миллер, Сэбби А.; Хорват, Арпад; Монтейру, Пауло Дж. М. (январь 2018 г.). «Влияние бурно развивающегося производства бетона на водные ресурсы во всем мире». Nature Sustainability . 1 (1): 69–76. Bibcode : 2018NatSu...1...69M. doi : 10.1038/s41893-017-0009-5. ISSN  2398-9629. S2CID  134065012.
  27. ^ Ахмад, Шамсад (май 2003 г.). «Коррозия арматуры в бетонных конструкциях, ее мониторинг и прогнозирование срока службы – обзор». Цемент и бетонные композиты . 25 (4–5): 459–471. doi :10.1016/S0958-9465(02)00086-0.
  28. ^ Неразрушающая оценка железобетонных конструкций. Том 1, Процессы разрушения и стандартные методы испытаний. CRC Press. 2010. С. 28–56. ISBN 9781845699536.
  29. ^ ab Aggarwal, Paratibha; Aggarwal, Yogesh (2020). "7 - Карбонизация и коррозия SCC". Самоуплотняющийся бетон: материалы, свойства и применение . Woodhead Publishing. стр. 147–193. doi :10.1016/B978-0-12-817369-5.00007-6. ISBN 978-0-12-817369-5. S2CID  214275549.
  30. ^ Young, JF; Berger, RL; Breese, J. (1974). «Ускоренное отверждение уплотненных растворов из силиката кальция под воздействием CO2». Журнал Американского керамического общества . 57 (9): 394–397. doi :10.1111/j.1151-2916.1974.tb11420.x. ISSN  1551-2916.
  31. ^ Монкман, Шон; Макдональд, Марк (ноябрь 2017 г.). «Об использовании диоксида углерода как средства повышения устойчивости готового бетона». Журнал чистого производства . 167 : 365–375. doi :10.1016/j.jclepro.2017.08.194.
  32. ^ Хигучи, Такаюки (30 сентября 2014 г.). «Разработка нового экологичного бетона с выбросами CO2 ниже нуля». Строительство и строительные материалы . 67 : 338–343. doi :10.1016/j.conbuildmat.2014.01.029.
  33. ^ Alter, Lloyd (15 августа 2019 г.). «LafargeHolcim продает цемент, поглощающий CO2, для сборного железобетона, сокращая выбросы на 70 процентов». TreeHugger . Получено 17 августа 2019 г.
  34. ^ Vakifahmetoglu, Cekdar; Anger, Jean Francois; Atakan, Vahit; Quinn, Sean; Gupta, Surojit; Li, Qinghua; Tang, Ling; Riman, Richard E. (2016). «Реактивное гидротермальное жидкофазное уплотнение (rHLPD) керамики – исследование композитной системы BaTiO3[TiO2]». Журнал Американского керамического общества . 99 (12): 3893–3901. doi :10.1111/jace.14468. ISSN  1551-2916.
  35. ^ Мейер, Винсент; ДеКристофаро, Ник; Брайант, Джейсон; Саху, Сада (июнь 2017 г.). «Цемент Solidia — пример улавливания и использования углерода» (PDF) . 6-я Международная конференция по нетрадиционному цементу и бетону . Брно, Чешская Республика — через проект SOLID Life.
  36. ^ Чжан, Дуо; Лю, Тяньлу; Шао, Исинь (апрель 2020 г.). «Поведение бетона при выветривании и карбонизации в условиях раннего карбонизирования». Журнал материалов в гражданском строительстве . 32 (4): 04020038. doi :10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003087. S2CID  214499382.
  37. ^ "ABC News – Срочные новости, последние новости и видео". ABC News . Архивировано из оригинала 5 декабря 2022 года.
  38. ^ Чжан, Дуо; Шао, Исинь (1 октября 2018 г.). «Поверхностное шелушение бетона, обработанного CO2, подвергающегося циклам замораживания-оттаивания». Журнал использования CO2 . 27 : 137–144. doi : 10.1016/j.jcou.2018.07.012. ISSN  2212-9820. S2CID  139677418.
  39. ^ Чен, Хайхан; Нанаяккара, Чарит Э.; Грассиан, Вики Х. (14 ноября 2012 г.). «Фотокатализ диоксида титана в атмосферной химии». Chemical Reviews . 112 (11): 5919–5948. doi :10.1021/cr3002092. ISSN  0009-2665. PMID  23088691.
  40. ^ Ballari, MM; Yu, QL; Brouwers, HJH (17 марта 2011 г.). «Экспериментальное исследование деградации NO и NO2 фотокаталитически активным бетоном». Избранные доклады 6-й Европейской конференции по солнечной химии и фотокатализу: применение в окружающей среде (SPEA 6), 13–16 июня 2010 г. 161 ( 1): 175–180. doi : 10.1016/j.cattod.2010.09.028. hdl : 11336/13551 . ISSN  0920-5861.
  41. ^ Хоссейни, Т.; Флорес-Вивиан, И.; Соболев, К.; Куклин, Н. (25 сентября 2013 г.). "Concrete Embedded Dye-Synthesized Photovoltaic Solar Cell". Scientific Reports . 3 (1): 2727. Bibcode :2013NatSR...3E2727H. doi : 10.1038/srep02727 . ISSN  2045-2322. PMC 3782884 . PMID  24067664. 
  42. ^ «Дискретный». Хайке Клюссманн .
  43. ^ Рати, Акшат (18 августа 2018 г.). «Укладка бетонных блоков — удивительно эффективный способ хранения энергии». Quartz .
  44. ^ Чэнь, Пу Воэй; Чунг, ДДЛ (1996). «Углеродный армированный бетон как изначально интеллектуальный бетон для оценки повреждений при статической и динамической нагрузке» (PDF) . Журнал ACI Materials Journal . Архивировано (PDF) из оригинала 28 августа 2017 г. . Получено 17 апреля 2021 г. .
  45. ^ ПРОИЗВОДСТВО ЛУННОГО БЕТОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСПЛАВЛЕННОЙ СЕРЫ. Окончательный отчет по исследованию для гранта НАСА NAG8 - 278 от JoVe, доктор Хусам А. Омар
  46. ^ "Экологичные альтернативы традиционному бетону". Укажите бетон . Получено 9 ноября 2021 г.
  47. ^ «Один заказ стали; удержать парниковые газы». Новости MIT | Массачусетский технологический институт . 8 мая 2013 г. Получено 27 мая 2021 г.
  48. ^ «Германия готова потратить 6 миллиардов долларов на очистку сталелитейного производства». Bloomberg . 3 мая 2021 г. Получено 27 мая 2021 г.
  49. ^ Палумбо, Жаки (12 апреля 2021 г.). «Этот глиняный дом, напечатанный на 3D-принтере, — будущее жилищного строительства?». CNN . Получено 9 мая 2021 г.
  50. ^ "Первый глиняный дом, напечатанный на 3D-принтере, завершен". Новости WLNS 6. 14 апреля 2021 г. Получено 9 мая 2021 г.
  51. ^ "Mario Cucinella Architects и WASP создают прототип устойчивого жилья, напечатанный на 3D-принтере". Dezeen . 23 апреля 2021 г. Получено 9 мая 2021 г.
  52. ^ Федерация водной среды, Александрия, Вирджиния; и Американское общество инженеров-строителей, Рестон, Вирджиния. «Управление качеством городских стоков». Руководство по практике ВЭФ № 23; Руководство и отчет ASCE по инженерной практике № 87. 1998. ISBN 978-1-57278-039-2 . Глава 1. 
  53. ^ G. Allen Burton, Jr.; Robert Pitt (2001). Stormwater Effects Handbook: A Toolbox for Watershed Managers, Scientists and Engineers. Нью-Йорк: CRC/Lewis Publishers. ISBN 978-0-87371-924-7. Архивировано из оригинала 19 мая 2009 . Получено 12 января 2012 .Глава 2.
  54. ^ Агентство по охране окружающей среды США (EPA). Вашингтон, округ Колумбия. «Защита качества воды от городских стоков». Документ № EPA 841-F-03-003. Февраль 2003 г.
  55. ^ Соединенные Штаты. Национальный исследовательский совет. Вашингтон, округ Колумбия. «Управление городскими ливневыми водами в Соединенных Штатах». 15 октября 2008 г. С. 18–20.
  56. ^ ab "Влагопроницаемое бетонное покрытие". Агентство по охране окружающей среды США . 6 августа 2014 г.
  57. ^ "Атланта — родина крупнейшего проекта по проницаемым дорожным покрытиям в США". news.wabe.org . 2 ноября 2015 г. . Получено 3 ноября 2015 г. .
  58. ^ Организация Объединенных Наций (2019). Перспективы мировой урбанизации: редакция 2018 года . ISBN 978-92-1-148319-2.
  59. ^ Акбари, Хашем; Карталис, Константинос; Колокоца, Дения; Муссио, Альберто; Пизелло, Анна Лаура; Росси, Федерико; Сантамоурис, Матеос; Синнеф, Афродити; ВОНГ, Нюк Хиен; Зинци, Микеле (18 декабря 2015 г.). «Методы смягчения последствий изменения местного климата и городских островов тепла – современное состояние». Журнал гражданского строительства и менеджмента . 22 (1): 1–16. дои : 10.3846/13923730.2015.1111934 . hdl : 11380/1118712 .
  60. ^ Ягубиан, Н.; Кляйссл, Дж. (2012). «Влияние отражающих покрытий на энергопотребление зданий». Urban Climate . 2 : 25–42. Bibcode : 2012UrbCl...2...25Y. doi : 10.1016/j.uclim.2012.09.002 .
  61. ^ Померанц, Мелвин (1 июня 2018 г.). «Являются ли более прохладные поверхности экономически эффективным средством смягчения городских островов тепла?». Urban Climate . 24 : 393–397. Bibcode : 2018UrbCl..24..393P. doi : 10.1016/j.uclim.2017.04.009 . ISSN  2212-0955. OSTI  1377539. S2CID  36792486.
  62. ^ Gilbert, Haley E.; Rosado, Pablo J.; Ban-Weiss, George; Harvey, John T.; Li, Hui; Mandel, Benjamin H.; Millstein, Dev; Mohegh, Arash; Saboori, Arash; Levinson, Ronnen M. (15 декабря 2017 г.). «Энергетические и экологические последствия кампании по прохладному асфальтированию». Energy and Buildings . 157 : 53–77. Bibcode : 2017EneBu.157...53G. doi : 10.1016/j.enbuild.2017.03.051 . ISSN  0378-7788. OSTI  1571936. S2CID  31272343.
  63. ^ Сабнис, Гаджанан М. (2015). Зеленое строительство с бетоном: устойчивое проектирование и строительство, второе издание. CRC Press. стр. 12. ISBN 978-1-4987-0411-3.
  64. ^ Штеффен, Алекс (апрель 2011 г.). Worldchanging: руководство пользователя для 21-го века (пересмотренное и обновленное издание). Гарри Н. Абрамс. ISBN 978-0810997462.
  65. ^ Блох, Сэм. «Не сделают ли прохладные тротуары Лос-Анджелеса пешеходам слишком жарко?». CityLab .
  66. ^ Falasca, Serena; Ciancio, Virgilio; Salata, Ferdinando; Golasi, Iacopo; Rosso, Federica; Curci, Gabriele (октябрь 2019 г.). «Материалы с высоким альбедо для противодействия волнам тепла в городах: оценка метеорологии, энергетических потребностей зданий и теплового комфорта пешеходов». Строительство и окружающая среда . 163 : 106242. Bibcode : 2019BuEnv.16306242F. doi : 10.1016/j.buildenv.2019.106242. S2CID  198482404.
  67. ^ Hulley, ME (1 января 2012 г.). "5 - Эффект городского острова тепла: причины и потенциальные решения". Metropolitan Sustainability . Woodhead Publishing Series in Energy. Woodhead Publishing: 79–98. doi :10.1533/9780857096463.1.79. ISBN 9780857090461.