Czy beton wysokowartościowy może być niskoemisyjny? Przykład betonu ECOPact

Przez wiele lat w branży budowlanej panowało przekonanie, że im wyższa wytrzymałość betonu, tym większy jego wpływ na środowisko. Wynikało to z prostego założenia – osiągnięcie bardzo wysokich parametrów mechanicznych wymaga większej ilości cementu, a produkcja klinkieru jest jednym z najbardziej emisyjnych etapów wytwarzania materiałów budowlanych.

Czy oznacza to, że beton o wytrzymałości przekraczającej 100 MPa nie może być jednocześnie materiałem o obniżonym śladzie węglowym?

Doświadczenia technologów Holcim pokazują, że nie musi tak być. Odpowiednio zaprojektowany skład mieszanki pozwala połączyć bardzo wysoką wytrzymałość z istotną redukcją emisji CO₂. Potwierdzeniem tego jest opracowany przez Holcim beton klasy C90/105 ECOPact, który osiągnął wytrzymałość ponad 111 MPa przy jednoczesnym obniżeniu śladu węglowego o 38% względem receptury referencyjnej opartej na cemencie CEM I.

Czym jest beton wysokowartościowy?

Choć pojęcie betonu wysokowartościowego nie zostało zdefiniowane w normie PN-EN 206, literatura techniczna wskazuje kilka cech, które wyróżniają tę grupę materiałów.

Beton wysokowartościowy charakteryzuje się:

• wytrzymałością na ściskanie przekraczającą 60 MPa,
• bardzo wysoką trwałością i szczelnością,
• doskonałą urabialnością, często w postaci mieszanki samozagęszczalnej.

Takie właściwości sprawiają, że znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie konstrukcje muszą przenosić bardzo duże obciążenia  i zachować trwałość przez wiele dziesięcioleci.

Czy wysoka wytrzymałość oznacza większy ślad węglowy?

Intuicyjnie mogłoby się wydawać, że beton o wytrzymałości ponad 100 MPa zawsze będzie  materiałem wysokoemisyjnym.

Jednak rozwój technologii materiałowych pokazuje, że nie jest to regułą.

W Holcim za beton o obniżonym śladzie węglowym uznawane są rozwiązania z rodziny ECOPact, których emisja CO₂ jest niższa o co najmniej 30% względem receptury referencyjnej wykonanej z cementu CEM I, przy zachowaniu tych samych właściwości użytkowych. Parametry środowiskowe potwierdzane są deklaracją środowiskową EPD typu III, zweryfikowaną przez niezależną jednostkę.

Jak zaprojektować beton o wytrzymałości ponad 100 MPa?

Osiągnięcie tak wysokiej wytrzymałości nie jest efektem zastosowania jednego "mocniejszego" składnika. To rezultat precyzyjnego doboru wszystkich elementów mieszanki.

Proces projektowania obejmował między innymi:

• wybór odpowiedniego cementu,
• dobór dodatków mineralnych,
• optymalizację stosu okruchowego,
• wybór odpowiedniego rodzaju kruszywa,
• zastosowanie specjalistycznych domieszek chemicznych,
• wieloetapową weryfikację parametrów w laboratorium.

Każdy z tych elementów wpływa zarówno na wytrzymałość, jak i trwałość oraz ślad węglowy gotowego betonu.

Dlaczego wybrano cement ECOPlanet?

Wbrew pozorom nie zdecydowano się na cement o najwyższej możliwej klasie wytrzymałości.

Kluczowym kryterium był stosunek uzyskiwanej wytrzymałości do emisji CO₂.

Dlatego technolodzy Holcim wybrali cement CEM V/A(S-V) 42,5 N-LH/HSR/NA ECOPlanet, który pozwala uzyskać bardzo dobre parametry mechaniczne przy jednoczesnym znacząco niższym śladzie węglowym niż tradycyjne cementy portlandzkie klasy 52,5.

Każdy składnik ma znaczenie

Równie ważny był dobór pozostałych komponentów mieszanki.

Mikrokrzemionka

Jako dodatek mineralny wybrano mikrokrzemionkę, która:

• zwiększa szczelność betonu,
• poprawia trwałość,
• wypełnia przestrzenie między ziarnami cementu,
• dzięki właściwościom pucolanowym wpływa na wzrost wytrzymałości betonu.

Kruszywo bazaltowe

Ponieważ kruszywo stanowi ponad 60% objętości betonu, jego właściwości mają ogromny wpływ na końcowy efekt.

Spośród analizowanych materiałów wybrano bazalt, który charakteryzuje się bardzo wysoką odpornością na rozdrabnianie (LA = 15), dzięki czemu dobrze przenosi wysokie obciążenia. Jednocześnie zoptymalizowano proporcje trzech frakcji kruszywa, ograniczając ilość pustych przestrzeni wymagających wypełnienia zaczynem cementowym.

Domieszki chemiczne

W składzie betonu zastosowano trzy rodzaje domieszek:

• superplastyfikator polimerowy,
• plastyfikator wydłużający utrzymanie urabialności,
• domieszkę zwiększającą wytrzymałość poprzez optymalizację procesu hydratacji.

Pozwoliło to uzyskać mieszankę samozagęszczalną przy bardzo niskim współczynniku woda/cement.

Wyniki badań potwierdziły założenia

Po przeprowadzeniu wielu prób laboratoryjnych uzyskano beton o następujących parametrach:

• wytrzymałość na ściskanie: 111,9 MPa,
• klasa betonu: C90/105,
• stosunek w/c: 0,27,
• konsystencja: SF2 (beton samozagęszczalny),
• spełnienie wymagań większości klas ekspozycji zgodnie z PN-EN 206.

Oznacza to materiał łączący bardzo wysoką wytrzymałość z trwałością oraz łatwością wbudowania nawet w elementy o skomplikowanej geometrii.

38% mniej emisji CO₂ przy zachowaniu najwyższych parametrów

Najciekawszym rezultatem projektu okazały się jednak wyniki środowiskowe.

W porównaniu z recepturą referencyjną opartą na cemencie CEM I udało się ograniczyć ślad węglowy aż o 38%, co pozwoliło zakwalifikować materiał do grupy betonów ECOPact.

Analiza emisji w przeliczeniu na uzyskiwaną wytrzymałość pokazuje jeszcze ciekawszy efekt.

Dla standardowego betonu klasy C30/37 przypada około 3,7 kg CO₂ na każdy 1 MPa wytrzymałości, natomiast dla opracowanego betonu C90/105 wartość ta wynosi jedynie 3,05 kg CO₂/MPa.

To pokazuje, że bardzo wysoka wytrzymałość nie musi oznaczać proporcjonalnie większego wpływu na środowisko.
Co oznacza to dla projektantów i inwestorów?

Rozwój betonów wysokowartościowych o obniżonym śladzie węglowym otwiera nowe możliwości projektowe.

Takie rozwiązania pozwalają:

• projektować smuklejsze elementy konstrukcyjne,
• zwiększać trwałość obiektów,
• ograniczać zużycie materiałów,
• wspierać realizację celów dekarbonizacji inwestycji.

W praktyce oznacza to możliwość łączenia wysokich parametrów technicznych z wymaganiami dotyczącymi zrównoważonego budownictwa.

Podsumowanie

Czy beton wysokowartościowy może być jednocześnie materiałem niskoemisyjnym?

Przeprowadzone przez technologów Holcim badania pokazują, że odpowiedź brzmi: tak.

Odpowiedni dobór cementu, dodatków mineralnych, kruszywa oraz domieszek chemicznych pozwolił stworzyć beton klasy C90/105, który osiąga wytrzymałość ponad 111 MPa, a jednocześnie charakteryzuje się o 38% niższym śladem węglowym niż receptura referencyjna oparta na cemencie CEM I.

To przykład, że innowacje materiałowe mogą jednocześnie zwiększać trwałość konstrukcji i wspierać transformację budownictwa w kierunku niższej emisyjności.