Экологические преимущества использования переработанных материалов в бетонных блоках

Введение

Строительная отрасль сталкивается с растущим давлением, чтобы принять устойчивые методы, и использование переработанных материалов в бетонных блоках является ключевой стратегией. Бетонные блоки являются одним из наиболее широко используемых строительных компонентов во всем мире, и перемещение их производства в сторону переработанных материалов может значительно снизить экологическое бремя. Заменяя первичные агрегаты и цементные связующие вещества такими материалами, как зола мухи, шлак и переработанный бетонный агрегат, производители могут сокращать отходы, сохранять природные ресурсы и снижать выбросы парниковых газов без ущерба для производительности. В этой статье подробно рассматриваются экологические преимущества, рассматриваются типы доступных переработанных материалов, рассматриваются соображения производительности и обсуждаются более широкие преимущества жизненного цикла и рыночные факторы.

Сокращение отходов на свалках

По оценкам Агентства по охране окружающей среды, только в Соединенных Штатах в 2018 году было произведено более 600 миллионов тонн мусора, образующегося в результате сжигания и сноса (C&D), причем на бетон приходится примерно 70% этого объема. Большая часть этого материала попадает на свалки, занимая ценное пространство и потенциально выщелачивая опасные вещества. Отводя из отходов щебень, кладочные завалы и промышленные побочные продукты, бетонная блочная промышленность может играть ключевую роль в сокращении отходов.

Рециркулированный бетонный агрегат (RCA) производится путем дробления и скрининга чистого бетона. При использовании в качестве частичной или полной замены первичного агрегата в производстве блоков RCA напрямую снижает тоннаж, отправляемый на свалки. Аналогичным образом, промышленные побочные продукты, такие как мухоловка (с угольных электростанций) и наземный гранулированный шлак доменной печи (GGBFS, от производства стали), в противном случае потребовали бы выделенной утилизации. По данным Американской ассоциации угольной пепла, ежегодно в США производится более 50 миллионов тонн остатков сжигания угля, и только около 60% используются выгодно. Включение этих материалов в бетонные блоки обеспечивает большое количество, добавленная стоимость конечного использования, которое предотвращает накопление свалок и связанные с этим экологические риски, такие как загрязнение грунтовых вод и образование метана из органических отходов.

Сохранение природных ресурсов

Добыча девственных агрегатов — песка, гравия, щебня — вызывает обширную деградацию окружающей среды. Карьеризация изменяет ландшафты, разрушает среды обитания, потребляет большое количество воды и производит пыль и шумовое загрязнение. Добыча также истощает конечные ресурсы; песок, например, является наиболее добываемым твердым материалом на Земле, с глобальным спросом, превышающим 50 миллиардов метрических тонн в год. Используя переработанные материалы, бетонная блочная промышленность снижает свою зависимость от этих девственных ресурсов.

Сокращение агрегированной добычи

Каждая тонна переработанного агрегата, используемого вместо девственного материала, экономит примерно одну тонну натурального камня или песка. Типичный бетонный кирпичный блок (CMU) содержит примерно 10-15 фунтов агрегатов. Поэтому крупномасштабные производственные предприятия, которые производят миллионы блоков в год, могут сохранять тысячи тонн природных ресурсов. Кроме того, обработка RCA часто требует меньше энергии, чем добыча и дробление девственного камня, поскольку материал уже сломан и его легче разрушить.

Сохранение глины и сланцев

Некоторые бетонные блоки включают легкие агрегаты, изготовленные из расширенной глины или сланца, которые являются энергоемкими для производства через вращающиеся печи. Переработанные легкие материалы, такие как золо-сферы на основе летучей золы или измельченный расширенный полистирол, могут заменить их, что еще больше сохраняет естественные глины и снижает потребление энергии.

Снижение выбросов парниковых газов

Производство цемента отвечает примерно за 8% глобальных выбросов CO2, что делает его одним из самых углеродоемких промышленных процессов. Большинство этих выбросов приходится на кальцинирование известняка (CaCO3 → CaO + CO2) и на ископаемое топливо, используемое для нагрева цементных печей. Включение переработанных материалов может снизить углеродный след бетонных блоков несколькими способами.

Содержание цемента с дополнительными цементными материалами (SCM)

Летучая зола и ГГБФС являются полуфабрикатами или гидравлическими материалами, которые могут заменить часть портландцемента в блочной смеси. Поскольку эти СКМ являются побочными продуктами других отраслей, их углеродное воздействие распределяется в первую очередь на основной продукт. Замена 20-30% цемента муховой золой может снизить выбросы CO2 связующего на аналогичный процент. Для ГГБФС показатели замены 40-60% являются обычным явлением, что приводит к еще большему сокращению. Исследование Совета по устойчивому развитию бетона показало, что использование 50% шлакового цемента в бетонной смеси может снизить потенциал глобального потепления на 50% по сравнению со 100% портландцементом.

Низкая энергия переработанных агрегатов

Рециркулируемый бетонный агрегат обычно имеет более низкую воплощенную энергию, чем первичный агрегат, потому что он требует дробления и скрининга, а не бурения, взрыва и первичного дробления. Экономия углерода от использования RCA является скромной на тонну (примерно 0,01-0,02 тСО2э экономия), но становится значительной в масштабе. Кроме того, использование RCA уменьшает потребность в дальних перевозках девственных материалов, особенно в городских районах, где обломки сноса многочисленны и агрегатные источники удалены.

Потенциал углерода

Бетонные блоки, изготовленные из переработанных агрегатов, могут иметь немного более высокую пористость, что может усилить карбонизацию - естественный процесс, когда CO2 из атмосферы реагирует с гидроксидом кальция в бетоне с образованием карбоната кальция. Хотя это долгосрочное частичное смещение, оно обеспечивает дополнительное преимущество секвестрации углерода в течение срока службы структуры. Исследования Имперского колледжа Лондона показали, что переработанный агрегированный бетон может карбонировать быстрее, чем обычный бетон, потенциально поглощая до 10-20% выбросов, генерируемых в процессе производства в течение 100-летнего периода.

Типы переработанных материалов, используемых в бетонных блоках

Широкий спектр переработанных материалов был протестирован и использован в коммерческом производстве КМУ. К ключевым категориям относятся:

Выбор материалов зависит от наличия местных условий, нормативного признания и требований к производительности. Многие производители используют комбинацию переработанных материалов для оптимизации свойств и затрат.

Производительность и структурные соображения

Скептицизм по поводу производительности переработанных бетонных блоков уменьшился, поскольку исследования и опыт на местах показывают, что правильно разработанные смеси могут соответствовать или превосходить свойства обычных блоков.

Сила сжатия

Замена умеренного процента первичного агрегата на RCA обычно не значительно снижает прочность на сжатие, особенно когда RCA хорошо сортирован и имеет низкую пористость. Некоторые исследования показывают снижение прочности на 10-20% при высокой замене (50% +), но это может быть смягчено путем корректировки соотношения водного цемента или включения SCM. Многие коммерческие производители достигают соответствия ASTM C90 (минимум 1900 фунтов на квадратный дюйм) с 30% RCA. SCM, такие как мухоловка и шлак, часто улучшают прочность в более позднем возрасте из-за продолжающихся поццолановских реакций.

долговечность

Сопротивление замораживанию, атака сульфата и реакция щелочно-кремнеземного слоя (АСР) являются ключевыми проблемами прочности. Переработанные агрегаты могут иметь более высокую абсорбцию, что приводит к снижению производительности замораживания-оттаивания, если не правильно вовлекать воздух. Однако добавки с замораживанием воздуха и тщательная конструкция смеси могут компенсировать. Известно, что летучая зола и шлак уменьшают АСР, потребляя щелочи, и они улучшают устойчивость к атаке сульфата. При соответствующем контроле качества блоки с переработанным содержанием могут достигать долговечности, сопоставимой с обычными блоками.

Термические свойства

Многие переработанные материалы, такие как золо-сферные пепелища или расширенные полистироловые шарики, имеют более низкую теплопроводность, чем плотные агрегаты, что повышает изоляционную ценность блока. Это способствует снижению нагрузок на отопление и охлаждение в зданиях, обеспечивая экономию энергии наряду с воплощенными преимуществами углерода.

Огнестойкость

Бетонные блоки по своей сути обладают отличной огнестойкостью из-за их негорючего характера. Включение переработанных агрегатов не ставит под угрозу это свойство, если сами материалы неорганичны и стабильны при высоких температурах. Испытания показали, что блоки RCA поддерживают адекватные рейтинги пожара.

Оценка жизненного цикла и метрики воздействия на окружающую среду

Для полного понимания экологических преимуществ необходима перспектива жизненного цикла. Оценка жизненного цикла (LCA) количественно оценивает воздействие добычи сырья путем производства, использования и окончания срока службы.

воплощенная энергия

Исследования последовательно показывают, что бетонные блоки, содержащие переработанные материалы, имеют более низкую воплощенную энергию - общую энергию, потребляемую во время производства, - чем обычные блоки. Типичный 8-дюймовый CMU с 30% летучей золы и 25% RCA имеет воплощенную энергию примерно 0,65 МДж / кг по сравнению с 0,85 МДж / кг для стандартной смеси - снижение более 20%. Эта экономия происходит из-за снижения содержания цемента и избегания первичной агрегированной обработки.

Потребление воды

Производство переработанных агрегатов часто требует меньше воды, чем промывка и сортировка природных агрегатов (если очистка минимальна). Однако для достижения надлежащей работоспособности RCA может потребоваться дополнительная влажность из-за ее более высокой абсорбции. В целом использование воды может быть нейтральным или слегка сниженным, особенно при использовании SCM, которые улучшают работоспособность и снижают потребность в воде.

Преимущества конца жизни

Сами бетонные блоки с переработанным содержанием полностью перерабатываются в конце жизни, что позволяет обеспечить круговую экономику. Сокращение старых блоков для производства RCA для новых блоков замыкает петлю. Это контрастирует с некоторыми альтернативными строительными материалами, которые не являются биоразлагаемыми или трудно перерабатывать.

Экономические и регуляторные драйверы

Принятие переработанных материалов в бетонных блоках не является исключительно экологическим выбором, оно все чаще поддерживается экономикой и правилами.

Экономия средств

Переработанные агрегаты часто стоят дешевле, чем первичные агрегаты, особенно в столичных районах, где сборы за свалку отходов C&D высоки, а источники первичных отходов далеки. Летучая зола и шлак могут быть дешевле, чем портландцемент, хотя цены варьируются в зависимости от региона. Снижение потребления энергии в производстве также снижает эксплуатационные расходы. Эта экономия может компенсировать любые дополнительные затраты на тестирование качества или модификацию оборудования.

Сертификаты зеленого строительства

Проекты, требующие сертификации LEED, BREEAM или Green Globes, получают баллы за использование переработанного контента, материалов с региональными источниками и продуктов с низким содержанием углеродов. Бетонные блоки с высоким содержанием переработанного контента помогают строителям достигать целей устойчивого развития, потенциально увеличивая стоимость недвижимости и рыночную привлекательность.

Государственная политика и стандарты

Во многих юрисдикциях есть мандаты или стимулы для переработанного контента в общественном строительстве. Агентство по охране окружающей среды США способствует использованию переработанных промышленных материалов через свою программу устойчивого управления материалами. В Европейском союзе регулирование строительных продуктов поощряет использование вторичного сырья. Кроме того, Ассоциация бетонного масонства и ASTM International имеют руководящие принципы для переработанных агрегатов и SCM в CMU, обеспечивая уверенность спецификаторам.

Тематические исследования и реальные приложения

Несколько известных проектов демонстрируют жизнеспособность бетонных блоков с переработанным содержанием.

Эти примеры показывают, что блоки с переработанным контентом являются не нишевым продуктом, а основным вариантом, который отвечает строгим инженерным требованиям.

Будущие тенденции и инновации

Индустрия продолжает развиваться, и на горизонте появляются многообещающие разработки.

Заключение

Экологические преимущества использования переработанных материалов в бетонных блоках очевидны и существенны. От отвода строительных отходов с полигонов и сохранения конечных природных ресурсов до сокращения выбросов парниковых газов и содействия круговой экономике практика согласуется с неотложной необходимостью устойчивого строительства. С продемонстрированной производительностью, поддерживающими правилами и растущим спросом на рынке, переработанные бетонные блоки больше не являются экспериментальной альтернативой - они являются проверенным, ответственным выбором, который может значительно уменьшить экологический след построенной среды. Строители, архитекторы и спецификаторы, которые принимают эти материалы сегодня, не только достигают целей устойчивого развития, но и способствуют более чистой, более устойчивой инфраструктуре для будущих поколений.