Являясь ключевым компонентом бетона, наиболее широко используемого строительного материала в мире, цемент вносит основной вклад в изменение климата. Процессы химического и термического сжигания, участвующие в производстве цемента, являются крупным источником выбросов двуокиси углерода (CO2). Ежегодно производится более 4 миллиардов тонн цемента, на долю которого приходится около 8 процентов глобальных выбросов CO2. Чтобы привести цементный сектор в соответствие с Парижским соглашением об изменении климата, к 2030 году его ежегодные выбросы должны сократиться как минимум на 16%. Потребуются более значительные сокращения, если предположения о вкладе технологий улавливания и хранения углерода (CCS) окажутся оптимистичными.
В то же время ожидается, что цемент сыграет жизненно важную роль в расширении застроенной среды, особенно в странах с развивающейся экономикой. В соответствии с траекторией ‘бизнес как обычно’ мировое производство цемента должно увеличиться до более чем 5 миллиардов тонн в год в течение следующих 30 лет. Поэтому путь вперед лежит через инновации в использовании цемента и технологий.
Ниже приведены некоторые основные инновации использовании цемента и технологиях по всему миру
Бетонные блоки особой формы
Система Block ARMO позволяет строителям создавать бетонные конструкции, не уступающие по прочности любым другим, но при этом сокращает общее время строительства на целых 50 процентов. Одномодульные блоки, финансируемые Мексиканским советом по науке и технологиям, могут быть собраны без каких-либо связующих веществ или смесей, а их конструкция настолько интуитивно понятна, что при их использовании не требуется квалифицированный труд.
Блоки Block ARMO состоят из шести различных частей, по форме напоминающих кусочки пазла. Но в то время как пазлы, как известно, убивают время, Block ARMO — это полная противоположность. Каждая деталь интуитивно вписывается в следующую, используя разные детали для углов, прямых стен и т.д. Единственным дополнением к самим блокам являются металлические стержни, которые вставляются в отверстия блоков через каждые 80 сантиметров.
Геометрическая цементная резиденци
Haus H36 от немецкой архитектурной студии Matthias Bauer MBA / s — это 3-этажная вилла, расположенная в самом центре Штутгарта. Дом построен с использованием неожиданного материала — сверхлегкого цемента, который украшает его многослойный фасад.
“В бетонной смеси, изготовленной компанией Tecnhopor, в качестве заполнителя используются балласты из пеностекла вместо традиционного гравия, так что воздушные пустоты составляют 25% ее матрицы”.
Этот модернистский дом может похвастаться стенами толщиной 45 сантиметров и не требует дополнительной прокладки или утепления при строительстве. Использование цемента в качестве строительного материала обеспечивает комфорт обитателям этого дома в зимние и летние месяцы.
Сочетая цемент с геометрическими стеклянными и деревянными панелями, Haus H36 воплощает современный минимализм в своем поразительном дизайне.
Бетонный слив для душа
Контейнер для плантаторов Haisui, напоминающий сливное отверстие для душа, на котором вырос кустарник, разработан таким образом, чтобы подчеркнуть жизнестойкость растений. Сеялка Haisui, разработанная дизайнерской фирмой Mortar – Pull +Push, изготовлена Нобухиро Сато вручную и предназначена для размещения на рабочем столе или в любом другом желаемом месте.
Сеялка Haisui, заполненная почвой, семенами и водой, позволяет росткам расти вверх через дренажные решетки, демонстрируя, как растение может преодолевать искусственные препятствия. Контейнер для сеялок Haisui изготовлен из бетона со стальной крышкой для слива. Это делает его красивым, но дорогостоящим дополнением к современному рабочему месту.
Дизайн фасада представляет собой белую бетонную решетку
Новый торговый центр John Lewis в Лидсе, Англия, призван привить потенциальным покупателям ощущение роскоши и экстравагантности. Эффектный фасад, разработанный архитектурной фирмой Acme, выполнен из пересекающихся колонн из белого бетона, которые создают ромбовидные окна по всему фасаду.
Белый бетон на фасаде нового торгового центра John Lewis выполнен с гравировкой и рисунком. В промежутках между бетонными стенами установлены изогнутые окна ромбовидной формы, но в помещениях, где архитектура не допускает использования стекла, бетонный фасад имеет замысловатые вогнутые или выпуклые концентрические узоры.
Интерьер здания выдержан в том же стиле белого бриллианта. Он также подчеркнут гранитным паркетом, который чередуется с шифером и не совсем белым камнем. Центр освещен геометрически усеченными золотыми люстрами.
Дизайн круглых павильонов
Круглый павильон Vara, созданный Пезо Фон Эльрихсхаузеном для Венецианской биеннале 2016 года, призван представлять обычное здание, которое вызывает чувство любопытства.
Круглый павильон темно-зеленого цвета был изготовлен из “стали, цемента и окрашенной штукатурки”. Тот факт, что сооружение не имеет крыши, делает его больше похожим на произведение искусства, чем на павильон, поскольку в нем отсутствует предназначение, присущее большинству павильонов. Конструкция состоит из 10 перекрывающихся кругов и имеет открытые дверные проемы, через которые зритель может пройти, что делает поиск выхода из павильона таким же необходимым, как в лабиринте.
Круглый павильон не задуман как функциональный, но работает как уникальное произведение искусства, которое было создано для того, чтобы обладать “непостижимой способностью становиться чем-то большим, чем кажется”.
Прочный гнущийся цемент
ConFlexPave — это совершенно новый строительный материал, который превосходит традиционный бетон во всех отношениях. Хотя бетон является невероятно прочным материалом при сжатии, он имеет очень низкий допуск к изгибу — другими словами, это прочный, но хрупкий материал, который легко трескается при скручивании. ConFlexPave не только прочнее традиционного бетона, но и наполнен полимерными микроволокнами, которые позволяют ему изгибаться при скручивании, устраняя хрупкость, присущую его старым аналогам.
Обычно люди не думают о предметах, изготовленных из бетона, как о предметах, подверженных сильному скручиванию. Здания и тротуары, например, кажутся обычному человеку совершенно неподвижными. Однако для строительных материалов важна устойчивость к изгибу. Например, если высокое здание качается даже на несколько дюймов из-за ветра или сейсмической активности, это оказывает огромное давление на конструкцию. ConFlexPave потенциально может создавать более безопасные и прочные здания.
Светящиеся в темноте цементы
Доктор Хосе Карлос Рубио — ученый из Университета Сан-Николас-Идальго в Мексике, который отвечает за создание светящегося в темноте цемента.
Как сообщает ‘Curbed’, разработка дизайна была непростой задачей, поскольку непрозрачная природа традиционного цемента не способна накапливать энергию света. Однако после девяти лет испытаний и совершенствования доктор Хосе Карлос Рубио успешно разработал свою собственную запатентованную технологию, которая, вероятно, изменит качество строительства многих коммерческих зданий.
Светящийся в темноте цемент не только обладает способностью устойчиво освещать общественные места, но и может оставаться освещенным до 12 часов. Кроме того, считается, что светящийся в темноте цемент способен сохранять это свойство в течение целых 100 лет
Звукоусилительные цилиндрические башни
«Занятие потерей» — это звуковая и визуальная арт-инсталляция Тарин Саймон, художницы-концептуалиста, которая фокусируется на силе и структуре тайны. Ее новая выставка, выставленная в Оружейной палате Парк-авеню в Нью-Йорке, представляет собой серию из 11 цементных цилиндрических колонн с углублениями посередине, которые оставляют пространство для входа людей. Благодаря акустическим свойствам колонок они действуют как эхо-камеры, усиливающие внутренний шум.
В течение двух недель «Занятие скорбью Саймона» соберет у колонн 30 профессиональных плакальщиков, и каждый день на закате скорбящие будут выражать профессиональную скорбь из-за стопок. Цель выставки — помочь наблюдателям рассмотреть “сложные системы, которые мы разрабатываем, чтобы бороться с иррациональностью Вселенной”.
Бетонные формы, изготовленные роботами
Открытие бетона позволило значительно снизить затраты на строительство по сравнению с его предшественником, кирпичом, однако до появления ‘металлической сетки’ бетон можно было формовать только в относительно правильные формы для использования в несущих зданиях. Благодаря металлическим сетчатым формам Gramazio Kohler Research создала систему, которая дает архитекторам гораздо больше гибкости при проектировании бетонных конструкций.
Система использует роботизированный процесс экструзии для изготовления полимерной сетки, в которую может помещаться бетон. Благодаря исследованиям того, как сцепляется бетон, полимерная сетка Mesh Mold Metal system формируется таким образом, чтобы максимально увеличить несущую способность бетона, который застывает вокруг нее. Таким образом, архитекторы могут вводить сложные, неправильные формы в роботизированный процесс и оставаться уверенными в том, что готовая бетонная плита будет иметь структурную целостность.
Программируемый цемент
Ученые Университета Райса расшифровали кинетические свойства цемента и разработали способ “программирования” микроскопических полукристаллических частиц внутри. Это превращает частицы из неупорядоченных комков в упорядоченные формы (кубы, сферы и т.д.), Которые в совокупности делают материал менее пористым и более прочным. Программируемый цемент позволит создавать более прочные конструкции, требующие меньше бетона, что приведет к сокращению производства бетона и, в свою очередь, выбросов углерода.
Это связано с лучшей упаковкой кубических частиц, что приводит к более прочным микроструктурам. Другое дело, что это будет более долговечно. Меньшая пористость затрудняет проникновение нежелательных химических веществ в бетон, поэтому он лучше защищает стальную арматуру внутри.
Старая одежда и ковры служат топливом для цементных заводов
Производство цемента является энергоемким, и Cemex продвигает использование альтернативных видов топлива, на долю которых в настоящее время приходится 58% его производства в Великобритании. В Climafuel используются бытовые отходы, в том числе измельченная бумага, ковровые покрытия, текстиль и пластмассы. Cemex также заменяет цемент за счет использования золы-уноса и GGBS в смесях, в то время как побочные продукты производственного процесса – цементная пыль из печей обжига и обходная пыль – разрабатываются для использования в качестве заменителей цемента при стабилизации грунта.
Самовосстанавливающийся бетон
Это проклятие существования каждого инженера и строительного профессионала: трещины в бетоне. Как только бетонный проект трескается – а все они рано или поздно трескаются, – может произойти утечка, нарушающая целостность материала. Ученые из Нидерландского технологического университета Делфта изобрели биоконкрет. Это бетон, который смешивается с использованием тех же технологий, что и традиционный бетон, за исключением того, что он также содержит специфические бактерии. Эти бактерии генерируют кристаллы, которые окружают их клетки. При смешивании с другими выделениями, такими как белки и сахар, образуется вещество, похожее на клей. Когда бетон трескается, эти бактерии активизируются и образуют известняк или кальцит — процесс, который заделывает щели.
Новая бетонная смесь, сочетающая переработанные материалы с небольшим количеством портландцемента, в этом году стала лауреатом премии Чарльза Панкова за инновации Американского общества инженеров-строителей (ASCE). Командой, разработавшей этот бетон и получившей награду, были компании American Engineering Testing Inc. из Сент-Пола, штат Миннесота (AET) и Cemstone, Мендота-Хайтс, штат Миннесота.
Смесь, разработанная этими компаниями, содержит 2% портландцемента — 82 фунта при расходе 3875 фунтов на кубический ярд. Остальная часть смеси состоит из золы-уноса, шлака, измельченного вторичного бетона как для крупного заполнителя, так и для песка, переработанной бетонной воды и добавок. Воздухововлекаемая смесь с соотношением вода-цемент (по массе) 0,45 достигла предела прочности при сжатии, превышающего 4000 фунтов на квадратный дюйм, и приемлемой начальной прочности.
С 2007 года Cemstone Products сотрудничает с AET над постепенным созданием дизайна смесей, в которых используется максимально возможное количество переработанных материалов. Они начали с массовых бетонных смесей, разработав смесь с дополнительным цементирующим материалом (SCM) для контроля тепловыделения. При строительстве рентгеновского хранилища AET — конструкции толщиной 3 фута, завершенной и введенной в эксплуатацию в 2008 году, — в состав смеси были включены дополнительные переработанные материалы, такие как восстановленная вода и заполнители из переработанного бетона. Несколько модифицированная смесь позже была использована для строительства нескольких мостов.
Заключение
Существует ряд решений для снижения выбросов, связанных с производством цемента; все они должны быть внедрены в масштабе, отвечающем задаче декарбонизации. Некоторые из этих решений хорошо известны и распространены в других секторах: например, можно повысить энергоэффективность цементных заводов, заменить ископаемое топливо альтернативами, улавливать и хранить выбрасываемый СО2. Лицам, принимающим решения, необходимо больше информации о потенциале масштабируемых, устойчивых альтернатив традиционным углеродоемким цементу и бетону.