Aproximar - Grupo de materiais concretos de Heilongjiang

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4574 (2023) Citar este artigo

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O crescimento da população urbana e a deterioração das infra-estruturas estão a impulsionar uma procura sem precedentes de betão, um material para o qual não existe alternativa que possa satisfazer a sua capacidade funcional. A produção de concreto, mais particularmente do cimento hidráulico que une o material, é uma das maiores fontes mundiais de emissões de gases de efeito estufa (GEE). Embora esta seja uma fonte de emissões bem estudada, as consequências de decisões eficientes de concepção estrutural na mitigação destas emissões ainda não são bem conhecidas. Aqui, mostramos que uma combinação de decisões de fabricação e engenharia tem o potencial de reduzir mais de 76% das emissões de GEE da produção de cimento e concreto, equivalente a 3,6 Gt CO2-eq de emissões mais baixas em 2100. Os métodos estudados resultam de forma semelhante em emissões mais eficientes. utilização de recursos, reduzindo a procura de cimento em até 65%, levando a uma redução esperada de todos os outros encargos ambientais. Estas conclusões mostram que a flexibilidade dentro das actuais abordagens de concepção de betão pode contribuir para a mitigação climática sem exigir grandes investimentos de capital em métodos de fabrico alternativos ou materiais alternativos.

Os materiais à base de cimento são essenciais para o desenvolvimento urbano e não existe alternativa de material que atenda à sua capacidade funcional1,2. Existem vários usos do cimento em tais materiais, como em concreto e argamassa (todos os materiais compósitos que utilizam cimento são aqui denominados concreto, que é sua aplicação mais comum). À medida que a população mundial cresce, o desenvolvimento, a manutenção e a extensão das áreas urbanas crescerão; as estimativas projetadas mostram que, até 2030, quase mil milhões (aumento de 22% em comparação com 2018) mais pessoas viverão em áreas urbanas3. Com este crescimento urbano, a procura de betão continuará a aumentar, com taxas superiores às do crescimento populacional4.

O concreto está singularmente preparado para atender às necessidades de muitas infraestruturas civis e sistemas de construção devido à ampla disponibilidade dos constituintes primários do concreto e à resistência e durabilidade alcançáveis com este material1,2. O concreto consiste em agregados finos e grossos (areia e brita), água, aditivos e um ligante hidráulico (cimento) que reage com a água para unir esses constituintes em um conglomerado artificial. Emissões significativas de gases com efeito de estufa (GEE) são atribuíveis à produção de materiais à base de cimento, cerca de 8% das emissões antropogénicas globais de CO25, que é principalmente uma função da produção de clínquer (o precursor do cimento). O clínquer é um material calcinado e temperado que requer altas temperaturas para criar a mineralogia desejada, levando a emissões associadas a combustíveis para energia térmica e emissões químicas de CO2 provenientes da descarbonatação do calcário na sua produção.

A sociedade deve atingir emissões líquidas zero de GEE até 2050 para limitar o aquecimento a 1,5 °C acima dos níveis pré-industriais6 e, para isso, as indústrias “difíceis de descarbonizar”, como o cimento e o betão7, devem encontrar caminhos para a mitigação. Existem várias estratégias de mitigação comummente discutidas para estas emissões, incluindo a utilização de combustíveis alternativos, a utilização de equipamentos mais eficientes, a captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS) ou a redução da procura de clínquer através da utilização de materiais cimentícios suplementares (SCM)8,9. . As tecnologias CCUS não estão bem estabelecidas para a indústria10 e, embora cimentos e agregados alternativos tenham sido propostos11,12,13, a sua eficácia pode ser prejudicada pela disponibilidade de recursos, pelos custos ou por uma indústria avessa ao risco14,15. Fundamentalmente, melhorar a eficiência dos materiais, em que menos material é utilizado para alcançar o mesmo desempenho, é um passo fundamental na mitigação dos impactos ambientais da produção de materiais16,17,18. Esta etapa deve ser utilizada em uníssono com alternativas de materiais de baixas emissões para superar os desafios das emissões de GEE provenientes do ambiente construído.

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>