Askel kerrallaan kohti vihreämpää betonirakentamista
Hiilidioksidiekvivalentti on ilmastotieteessa käytetty suure, joka kuvaa ihmisen tuottamien kasvihuonekaasujen ilmastovaikutusta. Se kuvaa eri kasvihuonepäästöjen yhteenlaskettua ilmastoa lämmittävää vaikutusta. Päästöt yhteismitallistetaan eli muunnetaan ekvivalenttiseksi hiilidioksidiksi lämmityspotentiaalikertoimen (GWP) avulla.
Betonin hiilijalanjälki on tapetille noussut puheenaihe. Hiilijalanjälki on eittämättä suuri, mutta siihenkin pystyy vaikuttamaan monilla toimilla, lähtien hyvästä suunittelusta. Lisäksi betoni kompensoi hiilijalanjälkeään toimimalla hiilinieluna koko elinkaarensa ajan. Noin 23 % sementin kalsinointireaktiosta vapautuneesta hiilestä sitoutuu takaisin betoniin sen karbonatisoituessa elinkaarensa aikana.
Vähähiilisen betonin käyttäjien tulee huomioida, että mitä vähemmän klinkkeriä betoni sisältää, sitä vähemmän karbonatisoitumispotentiaalia myös itse betonilla on.
Betonin hiilijalanjälki muodostuu pitkälti sementin valmistamisesta. Yhden sementtiklinkkeritonnin valmistus tuottaa 800 kg hiilidioksidipäästöjä. Kalsinaatioprosessi tuottaa suurimman osan tästä: noin 500 kg CO2e / tn syntyy, kun kalkkikivestä vapautuu hiilidioksidia sementtiuunissa kuumennettaessa. Loput päästöistä syntyy jauhatuksesta, prosessista ja polttoaineiden hankinnasta ja käytöstä. Tehokas tapa pienentää betonirakentamisen kasvihuonepäästöjä, on vähentää klinkkerin käyttöä.
Sementintarve määräytyy käytetyn betonin lujuus- ja säilyvyysominaisuuksista. Rakennesuunnittelija määrittää rakenteelle tarvittavan lujuus- ja rasitusluokan, joilla on tiettyjä vaatimuksia sementin määrän suhteen. Tarpeettoman korkean luokan käyttäminen aiheuttaa turhia päästöjä, sillä sementtimäärä on korkeampi. Usein rakenteissa lujuusluokkaa voisi alentaa ja sitä kautta saavuttaa merkittäviä hiilidioksidipäästövähennyksiä.
Lujuusluokka määrittää sementin ja lisäaineiden tarpeen. Esimerkiksi jos valitaan lujuusluokaksi C20/25 luokan C30/37 sijasta, hiilidioksidipäästöt vähenevät noin 25 %. Aina lujuusluokan alentaminen ei kuitenkaan ole mahdollista, mutta esimerkiksi väliseinien rakenteisiin voidaan hyvin käyttää C20- tai C30-betonia rakennuksen korkeudesta riippuen. Käytetty sementtimäärä korreloi betonin päästötason kanssa, joten on järkevää hyödyntää alempia rasitusluokkia silloin, kun rakennuksen toiminnalliset ominaisuudet sen sallivat. Sementin vähentäminen vaikuttaa todennäköisesti myös rakentamisen kustannuksiin alentavasti.
Lujuusluokan alentamisessa on toki myös haittapuolensa. Sementtimäärän vähentäminen hidastaa betonin lujuudenkehitystä. Paikallavalettavissa rakenteissa aikataulut ja lujuuden kehitystarpeet vaatisivat kohdekohtaista sovittelua. Elementtitehtaalla tämä olisi kuitenkin mahdollista toteuttaa esimerkiksi viikonloppuvuoroissa, jolloin muottikierto voi olla rauhallisempi. Arkena lujuuden kehityksen hidastumista voisi kompensoida lämmöllä, joka on sekä ympäristön että talouden kannalta sementtiä parempi vaihtoehto.
Toinen kompastuskivi alemman lujuusluokan kohdalla on karbonatisoituminen ja muut ulkoiset rasitukset. Kun betonin tiiveys pienenee, muun muassa sen karbonatisoituminen nopeutuu. Mitä huokoisempi betoni on, sitä helpompi sen on sitoa hiilidioksidia itseensä. Näin ollen vähemmällä sementillä valmistetuissa rakenteissa teräkset ovat alttiimpia korroosiolle. Vähemmällä sementillä valmistettuja rakenteita kannattaa siis suosia sisärakentamisessa, jossa rasitukset eivät ole niin merkittävä ongelma. Tapahtuvan karbonatisoitumisen ansiosta rakenteen elinkaaren hiilijalanjälki pienenee.
Sementin vähentämisessä on siis etunsa ja haittansa. Optimointi lujuuden suhteen tuleekin tehdä rakennekohtaisesti. Tavoitteena on hyvä pitää kestävää, elinkaaritehokasta rakennusta. Korkeammallakin lujuusluokalla on osaltaan mahdollista pienentää päästöjä: betonia riittää pienempi määrä, kuin vähemmän lujaa betonia. Alhainen lujuus ei siis aina tarkoita alhaisempia hiilidioksidipäästöjä, ja rasitusluokan heikentäminen käyttöiän kustannuksella on huono päätös kaikilla mittareilla.
Rakennukseen käytettävän materiaalin määrä vähentää suoraan valmistusvaiheen CO2e-päästöjä.
Kaikki lähtee hyvästä suunnittelusta
Kun valmistetaan tonni betonia, vapautuu ilmakehään kasvihuonepäästöjä 120–190 kg hiilidioksidiekvivalenttia. Tähän arvoon pystyy vaikuttamaan suhteituksella. Jokaisella betonin osa-aineella ja valmistusvaiheella on oma hiilijalanjälkensä, mutta sementti on näistä suurin paha. Suhteitus ottaa huomioon vaihtoehtoisten sideaineiden vaikutuksen betonin haluttuihin ominaisuuksiin, ja hyvällä suhteituksella voikin optimoida hiilijalanjäljen ja betonin ominaisuuksien välisen suhteen.
Suhteituksella tarkoitetaan betonin osa-aineiden määrien yhteensovittamista. Sen tavoitteena on saavuttaa betonilta halutut ominaisuudet. Menetelmiä tähän on useita, ja nykyisin suihteituksen hoitaa pääsääntöisesti tietokone. Betonin valmistajilla on omat ohjelmistonsa suihteituksen tekemiseen.
Sementin osuus betonimassasta on n. 10–15 %. Tästä osuudesta klinkkeriä on 85 %, josta voidaan laskea, että betonitonnin valmistamiseen tarvitaan vain noin 100 kiloa klinkkeriä. Tämä kymmenen prosentin osuus kuitenkin aiheuttaa betonin päästöistä 60–80 %. Vuonna 2022 sementtiä valmistettiin globaalisti 4,1 gigatonnia, joka vastaa kaikista kasvihuonepäästöistä 5–8 %:n osuutta. Päästöissä on pienentämisen varaa, ja hyvällä suunnittelulla se on pitkällä tähtäimellä mahdollista!
Tehokkain tapa alentaa kasvihuonepäästöjä betonin valmistamisessa on korvata sementtiklinkkeriä muilla sideaineilla. Teollisuuden sivuvirroista saatavilla materiaaleilla ei lasketa olevan hiilijalanjälkeä, sillä niiden valmistumisen ympäristökuorman katsotaan olevan pääasiallisen tuotteen. Näin ollen esimerkiksi masuunikuonan käyttö vähentää betonin päästöjä korvatun sementin päästöintensiteetin verran. Masuunikuona on yleisesti käytössä oleva portlandsementtiä korvaava sideaine. Sitä saadaan raakaraudan valmistuksen sivutuotteena, kun masuunissa syntynyt silikaattisulate jäähdytetään nopeasti.
Betoniyhdistys on tehnyt seosaineiden vaikutuksen arvioinnin betonin hiilijalanjälkeen äärimmäisen helpoksi. Vähähiilisyysluokitus-sivustolta on pääsy laskuriin, joka laskee valmistettavan betonin hiilidioksidiekvivalentin kuutiota kohden laskuriin syötettyjen arvojen perusteella. Käytän esimerkkinä laskurin antamia arvoja tutkimustani varten suhteittamastani betonimassasta, jossa sementtiä on korvattu masuunikuonalla:
- betonimassa sideaineena Oiva-sementtiä (CEM II/B-M S-LL 42,5 N)
- 208 kg / CO2e / m3
- betonimassa sideaineena 70 % Oiva-sementtiä ja 30 % masuunikuonaa
- 160 kg / CO2e / m3
- betonimassa sideaineena 40 % Oiva-sementtiä ja 60 % masuunikuonaa
- 113 kg / CO2e / m3
Käyttämällä masuunikuonaa sideaineena voi siis välttää lähes sadan kilon kasvihuonepäästöt jokaista valmistettua betonikuutiota kohden!
Suurin osa betonista koostuu runkoaineksesta, eli erikokoisista kivistä ja hiekasta. Runkoaineksen osuus betonista on 75–80 %, mutta sen osuus kasvihuonepäästöistä on vain n. 3 %. Sementin ja runkoaineksen lisäksi betonissa on vettä ja lisäaineita, mutta näiden välitön vaikutus betonin hiilijalanjälkeen on verrattain pieni. Rakennekohtaisella, tarpeenmukaisella suunnittelulla voidaan etenkin lisäaineiden osalta kuitenkin pidentää betonin käyttöikää ja tehdä betonista ympäristöystävällisempää sen pitkän elinkaaren ansiosta.
Pienet muutokset merkitsevät
Sementin korvaaminen vaihtoehtoisilla sideaineilla on tehokkain keino vähentää betonin kasvihuonepäästöjä. Yleisimmin sementtiä korvataan lentotuhkalla ja masuunikuonalla, ja Suomessa näitä käytetään vuosittain 350 000 tonnia korvaamaan sementtiä. Jos sementistä korvaa puolet masuunikuonalla, on päästövähennys jopa 40 %. Käytännössä tämä on kuitenkin erittäin haastavaa, mm. hitaan lujuuskehityksen vuoksi. Myös voimassa olevat säännökset ja ohjeet rajoittavat korvaavien sideaineiden käyttöä. Esimerkiksi Väylävirasto on ohjeistanut, että siltavaluissa masuunikuonan maksimipitoisuus ei saa ylittää puolta käytetystä sideaineen kokonaismäärästä.
Laadunarvosteluikää pidentämällä sementin määrää voisi vähentää. Jos arvosteluikä olisi 91 vuorokautta nykyisin käytössä olevan 28 vuorokauden sijasta, voisi sementtiä vähentää yhden lujuusluokan verran. Betonin lujuus kehittyy ajan kuluessa ja, on hyvin paljon riippuvainen testausiästä. Samalla sementtimäärällä valmistetuista koekappaleista saa siis toisistaan poikkeavat tulokset, jos ne testataan eri ikäisinä. 28 vuorokauden arvosteluiässä 10 kiloa sementtiä yhtä betonikuutiota kohden nostaa lujuutta noin megapascalin verran. Näin ollen laadunarvosteluikää nostamalla, voidaan vähentää päästöjä jopa 10 % sementin osalta.
Sementin käyttöä ja sitä myöten sen valmistamisen tarvetta on syytä vähentää. Ja vaikka sementtimääriä ei huomattavasti vähempää valmistettaisikaan, on päästöintensiivisyyden pienentäminen mahdollista polttoainevalinnoilla. Sementin päästöistä noin 40 % on lähtöisin klinkkerin polttamiseen käytetystä polttoaineesta ja prosessista. Maailmanlaajuisesti suurin osa sementistä valmistetaan käyttämällä fossiilisia polttoaineita. Loistava vaihtoehto näille on kierrätyspolttoaineet, kuten rengasmurske, kierrätysöljy ja asfalteeni. Suomessa Finnsementti kantaa kortensa kunnialla kekoon, ja jatkaa parantamistaan! Koska kenttä on laaja, tulisi jokaisen toimijan osallistua ilmastotalkoisiin.
Myös betonin valmistajilla on mahdollisuus vaikuttaa esimerkiksi energiavalinnoillaan. Jos ajatuksen vie vielä pidemmälle, voi vaikkapa kalustoon liittyvillä valinnoilla olla merkitystä kokonaiskuvassa. Laitteiston valmistamisen kasvihuonepäästöjä ei lasketa betonin päästöihin, mutta valmistajan omaantuntoon sillä voi olla keventävä vaikutus.
Tutkimuksella ja uudella tiedolla voi olla valtava merkitys betonin hiilijalanjälkeen. Tässä kohtaa minä kannan korteni kekoon ja pyrin saamaan hankkeen puitteissa tietoa ja osaamista, jonka toivon hyödyttävän betoniteollisuutta matkalla vihreämpään tulevaisuuteen!
Tutustu myös näihin artikkeleihin
Matalakenttä-NMR-relaksometria sellukuitututkimuksessa: Laadunvalvonnan ja materiaalitutkimuksen uusi suunta
Yksinäisyys
