Betony niskoemisyjne – geneza, możliwości, perspektywy zastosowania

Zmiany klimatyczne spowodowane działalnością człowieka to obecnie jeden z najważniejszych problemów środowiskowych. Na świecie pojawiło się wiele inicjatyw mających na celu minimalizację naszego wpływu na otoczenie oraz oczekiwanie wstrzymania lub odwrócenia niekorzystnych trendów. Unia Europejska zobowiązała się do 40% redukcji emisji CO₂ przed 2030 r. w całej gospodarce. W lipcu 2021 r. pojawił się termin „Fit for 55”, zakładający zmniejszenie emisji netto CO₂ o 55% do 2030 r. w porównaniu do 1990 r. oraz osiągnięcie neutralności klimatycznej do roku 2050.

Budownictwo a emisja CO₂

Zgodnie z szacunkami przyjmuje się, że przemysł budowlany wraz z budynkami odpowiedzialny jest za 38% światowej emisji CO₂eq [1]. Przy czym 10% ma związek z produkcją i transportem materiałów, a kolejne 28% z szacowaną emisją w trakcie użytkowania.

Emisja gazów cieplarnianych wytwarzanych przez budynki odbywa się w całym cyklu ich życia, na który składają się fazy wyrobu, budowy, użytkowania i końca życia (rozbiórki). W związku z tym, wyróżnia się ślad węglowy wbudowany i operacyjny.

• Operacyjny ślad węglowy ma związek z użytkowaniem obiektu. Wynika ze zużycia energii potrzebnej m.in. do ogrzewania, oświetlenia, wentylacji, klimatyzacji i stanowi największą część całkowitego śladu węglowego. Ślad operacyjny sukcesywnie się zmniejsza, dzięki zaostrzaniu przepisów ograniczających zapotrzebowanie na energię, odchodzeniu od stosowania paliw kopalnych na rzecz OZE oraz coraz liczniejszym programom termomodernizacyjnym w przypadku budynków istniejących.
• Wbudowany ślad węglowy pochodzi z produkcji materiałów budowlanych, transportu oraz procesów budowy i rozbiórki. Udział tej emisji wzrasta m.in. ze względu na wyposażanie budynków w coraz bardziej zaawansowane urządzenia. Im mniej energii będą zużywać budynki, tym rola wbudowanego śladu węglowego będzie większa.

Do tej pory skupiano się przede wszystkim na śladzie operacyjnym, jednak w dążeniu do osiągnięcia zeroemisyjności budynków nie sposób pominąć emisji gazów cieplarnianych powstających przy produkcji materiałów, z których są one wznoszone. Jednym z najbardziej emisyjnych wyrobów i jednocześnie najpowszechniej stosowanych w budownictwie jest beton. Polskie Stowarzyszenie Budownictwa Ekologicznego PLGBC w ubiegłym roku przygotowało raport [2], w którym na podstawie przykładowej kalkulacji wykazało, że w przypadku biurowca o klasycznej konstrukcji żelbetowej wbudowany ślad węglowy przekracza 50% całkowitej emisji budynku. Udział samej konstrukcji żelbetowej to także ponad połowa emisji wszystkich materiałów wbudowanych w obiekt.

Jak zmniejszyć emisyjność betonu?

Składnikiem w największym stopniu odpowiedzialnym za wysoką emisyjność betonu jest cement. Cementy portlandzkie stanowią zwykle ok. 12% składu betonu i są odpowiedzialne za 85% jego emisji CO₂eq. Producenci cementu (Global Cement and Concrete Associaton GCCA) opracowali własną drogę do neutralności klimatycznej w roku 2050, w której wskazują sposoby jej osiągnięcia (rys. 2).

Roadmapa przedstawiona na rys. 2 dotyczy światowej produkcji. W Europie oszczędności związane z poprawą efektywności produkcji betonu oraz ograniczeniem zużycia cementu i klinkieru nie są już tak duże z racji wcześniej poczynionych inwestycji. Największy potencjał mają dwie równoległe ścieżki postępowania.

1. Zagospodarowanie CO₂ powstającego w procesie produkcji – prace bazują na zastosowaniu istniejących technologii jego pochłaniania, magazynowania i wykorzystania (CCS/U – Carbon Capture and Storage/Usage). Konieczne będzie pokonanie jeszcze wielu barier technologicznych i formalnych, szczególnie tych związanych z magazynowaniem skroplonego gazu.
2. Poprawa efektywności projektowania i wznoszenia konstrukcji – działania w tym kierunku zakładają optymalizację w projektowaniu architektoniczno-konstrukcyjnym, polegającą na optymalnym dobieraniu rozmiarów elementów, lokalizacji podpór itp.

Trzecia droga, która także jest osiągalna, polega na optymalizowaniu składu mieszanek betonowych. Zagadnienie związane z projektowaniem mieszanki betonów LCC jest dość złożone, szczególnie gdy będziemy je rozpatrywać z uwzględnieniem zmian w dostępności surowców. Na podstawowym poziomie mówimy o zmniejszaniu ilości cementu, kolejnym krokiem jest zastępowanie go materiałami o właściwościach pucolanowych – zwykle jest to żużel lub popiół o konkretnych właściwościach i wielkości. Ten aspekt będzie istotny w najbliższych latach, gdyż żużel i popioły są odpadami w procesach produkcyjnych, które także podlegają intensywnym optymalizacjom w konsekwencji obniżania śladu węglowego.

Ukryty w tym rozwiązaniu potencjał jest ograniczony przez obowiązujące normy. Konstrukcje żelbetowe i betonowe są od zawsze bardzo wrażliwym elementem w procesie inwestycyjnym, podlegającym kontroli prawa. Obowiązujące przepisy w wielu aspektach określają ilość i rodzaj używanych składników wykorzystywanych do produkcji betonu, w tym także cementu. Regulacje obowiązujące w Polsce są często bardziej restrykcyjne niż w innych krajach [6]. Dążenie do optymalizacji składu mieszanki, w zależności od oczekiwanego efektu, jest kombinacją takiego doboru składników i technologii wykonania, aby zmniejszając ilość stosowanego cementu, uzyskać wymagane projektem właściwości wykonywanego elementu.  

Klasyfikacja betonów niskoemisyjnych

Eksperci proponują, aby pod względem oddziaływania na środowisko ująć ten wyrób w klasy uzależnione od wytrzymałości na ściskanie produkowanego materiału. Pierwsze próby klasyfikacji zostały opublikowane pod koniec 2019 r. przez zespół specjalistów stworzony w największej europejskiej firmie budowlanej VINCI. Było to związane z opracowaniem betonów niskoemisyjnych o nazwie EXEGY. Zaproponowano schemat przedstawiony na rys. 3.

W 2020 r. swoją klasyfikację Lavkarbonbetong (Nr 37) zaprezentowało Norweskie Stowarzyszenie Betonu Norsk Betongforening (rys. 4), a w 2022 r. polski Instytut Materiałów Budowlanych i Technologii Betonu opracował „Standard klasyfikacji emisyjności betonu towarowego” z podziałem zbliżonym do standardu EXEGY (rys. 5).

 Osiągnięcie poszczególnych progów (wartości emisji), zdaniem twórców wszystkich klasyfikacji, wiąże się z różnymi wyzwaniami dla producentów betonu. Jako punkt odniesienia przyjęto beton produkowany wg obowiązujących norm.

• Beton tradycyjny (Classic, Bransjereferanse) przygotowywany wg standardowych receptur, powszechnych dla rynku europejskiego. W zależności od klasy, poziom emisji liczony na m³ betonu mieści się w przedziale 200-300 kg CO₂eq/m³.
• Beton niskoemisyjny B (LowCarbon, Lavkarbon B) można uzyskać już obecnie, dzięki standardowym rozwiązaniom technologicznym często stosowanym przez producentów z powodów ekonomicznych.
• Beton niskoemisyjny A (VeryLowCarbon, Lavkarbon A) wymaga stosowania specjalnych środków technologicznych w okresie produkcji, transportu i wbudowania mieszanki betonowej.
• Beton niskoemisyjny A+ (Ultra-LowCarbon, Lavkarbon Pluss i Ekstrem) wymaga użycia specjalnych kompozycji spoiw, najczęściej niedopuszczonych do stosowania przez aktualne normy.

Będą potrzebne nowe normy?

Poruszony już wcześniej problem norm dopuszczających do wykonania i wbudowania betonu pozostaje aktualny we wszystkich krajach. Oczekiwania związane z bezpieczeństwem i trwałością wznoszonych konstrukcji oraz zwiększaniem ilości sprzedawanego cementu były ograniczane przez normy i możliwości finansowe inwestorów. Współczesne środki techniczne w obszarze produkcji, wbudowania, nadzoru, a także prefabrykacji umożliwiają zmianę podejścia w stosunku do wcześniej przyjmowanych współczynników bezpieczeństwa.
Problemem w Polsce i wielu innych krajach jest fakt definiowania jakości betonu nie poprzez spełnienie określonych wymagań jakościowych (uzyskanie konkretnych właściwości możliwych do potwierdzenia w badaniach), a przez wymagania ilościowe – głównie proporcje składników, ze szczególnym uwzględnieniem ilości cementu. Norma wyrobu PN-EN 206 [10] przywołuje w pkt 5.2.5.3 Zasady koncepcji równoważnych właściwości betonu.

• Zasady „Koncepcji równoważnych właściwości betonu” dopuszczają zmiany wymagań dotyczących minimalnej zawartości cementu oraz maksymalnego współczynnika woda/cement, w przypadku zastosowania specjalnych dodatków i specjalnych cementów, których pochodzenie oraz charakterystyki są dokładnie określone i udokumentowane.
• W zakresie wymagań 5.2.51 należy sprawdzić, czy właściwości betonu, w szczególności te związane z odpornością na oddziaływania środowiska, są równoważne właściwościom betonu referencyjnego, zgodnie z wymaganiami dotyczącymi danej klasy ekspozycji (patrz 5.3.2).
• Koncepcję tę należy stosować wyłącznie w przypadku użycia cementów, zgodnych z EN 197-1, wraz z dodatkami.

Niestety, w przypadku części klas ekspozycji nie ma zgodności w zakresie badań, które mogłyby dowodzić równoważności właściwości betonu. Brak porozumienia powoduje, że wykorzystanie tej drogi jest marginalne.

Rozwiązaniem tego problemu mogą być badania równoważności, a konkretną propozycją jest przyjęta we Francji norma krajowa FD P 18-480 Béton – Justification de la durabilité des ouvrages en béton par méthode performantielle (Beton – metoda oceny trwałości konstrukcji betonowych oparta na właściwościach) [8], uwzględniająca w swoich założeniach potrzebę stałego potwierdzania jakości produktu.
Norma ta dzieli budynki na trzy kategorie:

• kategoria 1 – budynki tymczasowe lub elementy łatwo wymienialne,
• kategoria 2 – budynki projektowane na 50 lat,
• kategoria 3 – budynki projektowane na 100 lat oraz obiekty o wyjątkowym znaczeniu, takie jak: elektrownie jądrowe, tamy, tunele itp.

W zależności od kategorii obiektu, producent betonów (firma wykonawcza i zakład produkcyjny), wykraczających poza standardowe i uznane zasady ich projektowania, zobowiązany jest przeprowadzać i zinterpretować różnorakie badania okresowe i weryfikujące (rys. 6 i 7). Zastosowanie tych rozwiązań, pomimo dążeń świata naukowego do sprostania oczekiwaniom środowiskowym, będzie jeszcze przez lata bardzo trudne lub nawet niemożliwe, z uwagi na brak empirycznej weryfikacji trwałości. W przypadku zainteresowania tą tematyką polecam lekturę artykułu z konferencji fib z Oslo [9]

Różnice w wykonawstwie

W przypadku betonów o istotnie obniżonej ilości cementu wyzwaniem jest odpowiednie ich wbudowanie i pielęgnacja mające na celu uzyskanie oczekiwanej trwałości i parametrów wytrzymałościowych.
Betony takie charakteryzują się istotnie opóźnionym czasem wiązania i szczególnymi wymaganiami temperaturowymi w okresie rozpoczęcia wiązania mieszanki. Wykonawcy chcący pracować z mieszankami niskoemisyjnymi powinni zdobyć doświadczenie i wiedzę pozwalające na prawidłowe zaprojektowanie deskowań pod kątem ich nośności i ilości. Muszą też planować prowadzenie prac w sposób umożliwiający zagospodarowanie wszystkich ekip montażowych w trakcie wydłużonego okresu wiązania. Czas potrzebny na uzyskanie wytrzymałości stropu, nawet dla prostych mieszkanek betonowych typu LowCarbon może być wydłużony o 100%. Proces pielęgnacji będzie wymagać nie tylko utrzymania właściwej temperatury, ale często podgrzewania na początkowym etapie wiązania (nawet w okresie wczesnej jesieni i późnej wiosny). Bardzo korzystne jest stosowanie elektronagrzewu betonowanych elementów, jednak konieczność zapewnienia wysokiej jakości wymaga stosowania certyfikowanych metod.
Wydłużony czas wiązania ma konsekwencje w postaci zwiększenia nakładów wynikających z:

• czasu realizacji elementu (koszt deskowań i podpór, elementy zabezpieczeń BHP, konsole dostępowe),
• zapewnienia właściwej pielęgnacji (temperatura mieszanki),
• utrzymania istotnie większego frontu prac (zmniejszenie powierzchni składowania, zapewnienie rotacji pracowników).

Umiejętność pracy z betonami niskoemisyjnymi będzie początkowo stanowić przewagę konkurencyjną przedsiębiorstw. Koszty związane ze skomplikowaniem wbudowania mieszanki o obniżonej emisji są istotnie wyższe i nie są rekompensowane ceną betonu, która pozostaje zbliżona do standardowej. Stopień wyzwań realizacyjnych jest odwrotnie proporcjonalny do wielkości emisji CO₂eq panuje jednak zgodność w ocenie nieuchronności takiego sposobu postępowania.

Zastosowanie betonów niskoemisyjnych w Polsce i na świecie

Odnosząc się do przywołanych klasyfikacji betonów niskoemisyjnych wskazanie zastosowanych w Polsce rozwiązań zgodnych z wymaganiami dla „betonu niskoemisyjnego B” (LowCarbon, Lavkarbon B) jest stosunkowo proste. W Polsce dostępne są już mieszanki, które mają opracowaną deklarację EPD typu III, a beton o takich parametrach można znaleźć np. w podziemiu najwyższego budynku biurowego w Europie tj. Varso Tower w Warszawie. Natomiast betony niskoemisyjne A (VeryLowCarbon, Lavkarbon A) oraz A+ (Ultra-LowCarbon, Lavkarbon Pluss i Ekstrem) pozostają w polskich realizacjach w obszarze eksperymentów.

Na świecie jest jednak już wiele przykładów ich zastosowania np. Universeine – Wioska Sportowców na Igrzyska Olimpijskie 2024 w Saint-Denis pod Paryżem. Wykorzystano tam blisko 18 tys. m³ betonu osiągając 66% redukcji CO₂eq. [11]. Innym przykładem jest budowa obwodnicy kolei podziemnej Grand Paris Express, gdzie wymagania sformułowane przez inwestora premiowały wykonawców oferujących rozwiązania niskoemisyjne. Zaowocowało to opracowaniem elementów obudowy tunelu (prefabrykatu tubingu) z wykorzystaniem betonu niskoemisyjnego A+ (Ultra-LowCarbon) [12].
Miasto Toronto (Kanada) od ponad dziesięciu lat podnosi wymagania związane z obniżeniem wpływu budynków na środowisko. Od tego roku do koniecznych do spełnienia wskaźników doszły graniczne parametry (na poziomie 250 kg CO₂eq/m²) odnoszące się do wbudowanego śladu węglowego (Toronto Green Standard).