Près - Groupe de matériaux en béton du Heilongjiang

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4574 (2023) Citer cet article

1378 Accès

16 Altmétrique

Détails des métriques

La croissance des populations urbaines et la détérioration des infrastructures génèrent une demande sans précédent de béton, un matériau pour lequel il n’existe aucune alternative capable de répondre à sa capacité fonctionnelle. La production de béton, plus particulièrement du ciment hydraulique qui colle les matériaux, est l'une des plus grandes sources mondiales d'émissions de gaz à effet de serre (GES). Bien qu’il s’agisse d’une source d’émissions bien étudiée, les conséquences de décisions de conception structurelle efficaces sur l’atténuation de ces émissions ne sont pas encore bien connues. Ici, nous montrons qu'une combinaison de décisions de fabrication et d'ingénierie a le potentiel de réduire plus de 76 % des émissions de GES provenant de la production de ciment et de béton, ce qui équivaut à 3,6 Gt d'équivalent CO2 en moins en 2100. Les méthodes étudiées aboutissent également à des résultats plus efficaces. l'utilisation des ressources en réduisant la demande de ciment jusqu'à 65 %, conduisant à une réduction attendue de toutes les autres charges environnementales. Ces résultats montrent que la flexibilité des approches actuelles de conception du béton peut contribuer à l'atténuation du changement climatique sans nécessiter de lourds investissements en capital dans des méthodes de fabrication ou des matériaux alternatifs.

Les matériaux à base de ciment sont essentiels au développement urbain et il n’existe aucun matériau alternatif répondant à leur capacité fonctionnelle1,2. Il existe plusieurs utilisations du ciment dans de tels matériaux, comme dans le béton et le mortier (tous les matériaux composites utilisant du ciment sont appelés ici béton, qui est son application la plus courante). À mesure que la population mondiale augmente, le développement, l’entretien et l’extension des zones urbaines vont croître ; les estimations projetées montrent que d’ici 2030, près d’un milliard de personnes supplémentaires (soit une augmentation de 22 % par rapport à 2018) vivront dans les zones urbaines3. Avec une telle croissance urbaine, la demande de béton va continuer à augmenter, à des rythmes supérieurs à ceux de la croissance démographique4.

Le béton est particulièrement bien placé pour répondre aux besoins de nombreuses infrastructures civiles et systèmes de construction en raison de la large disponibilité des principaux constituants du béton et de la résistance et de la durabilité que ce matériau permet d'obtenir1,2. Le béton est constitué de granulats fins et grossiers (sable et roches concassées), d'eau, d'adjuvants et d'un liant hydraulique (ciment) qui réagit avec l'eau pour coller ces constituants ensemble dans un conglomérat artificiel. Des émissions importantes de gaz à effet de serre (GES) sont imputables à la production de matériaux à base de ciment, soit environ 8 % des émissions anthropiques mondiales de CO25, qui sont principalement liées à la production de clinker (le précurseur du ciment). Le clinker est un matériau calciné et trempé qui nécessite des températures élevées pour créer la minéralogie souhaitée, ce qui entraîne des émissions associées aux combustibles pour l'énergie thermique et des émissions chimiques de CO2 dues à la décarbonatation du calcaire lors de sa production.

La société doit atteindre zéro émission nette de GES d’ici 2050 pour limiter le réchauffement à 1,5 °C par rapport aux niveaux préindustriels6, et pour ce faire, les industries « difficiles à décarboner », comme le ciment et le béton7, doivent trouver des voies d’atténuation. Il existe plusieurs stratégies d'atténuation couramment discutées pour ces émissions, notamment l'utilisation de carburants alternatifs, l'utilisation d'équipements plus efficaces, le captage, l'utilisation et le stockage du carbone (CCUS) ou la réduction de la demande de clinker grâce à l'utilisation de matériaux cimentaires supplémentaires (SCM)8,9. . Les technologies CCUS ne sont pas bien établies pour l'industrie10, et bien que des ciments et granulats alternatifs aient été proposés11,12,13, leur efficacité peut être entravée par la disponibilité des ressources, par les coûts ou par une industrie averse au risque14,15. Il est essentiel d’améliorer l’efficacité des matériaux, dans le cadre de laquelle moins de matériaux sont utilisés pour obtenir la même performance, est une étape clé pour atténuer les impacts environnementaux de la production de matériaux16,17,18. Cette étape devrait être utilisée à l’unisson avec des matériaux alternatifs à faibles émissions pour surmonter les défis liés aux émissions de GES de l’environnement bâti.

46 kg CO2-eq for the column using the ACI-318 code (this is 70% greater emissions than the lowest column emissions using this code); a difference of >63.1 kg CO2-eq (90% between highest and lowest) for the column using Eurocode 2; and a difference of ~51 kg CO2-eq (60% between highest and lowest) for the column using the Indian Standard code. For slabs designed for bending at the ultimate stage, there is a 58–93% difference between the highest and lowest emissions members that meet design code requirements with the same boundary conditions and loading. In slab design (ultimate), there is a larger difference in GHG emissions for low reinforcement ratio than for higher ratio, which suggests that if a low ratio is used, there is increased reliance on high concrete strength or greater cross-sectional area of concrete (slab thickness), which results in higher impact. However, use of excess reinforcement is inefficient due to the significantly higher volumetric impact of the reinforcement. While trends are similar between codes used in different regions, designing slabs per Eurocode 2 and columns per ACI-318 result in the lowest impact. If all countries/regions were to design for the lowest impact per Eurocode 2 and ACI-318 for slabs and columns, respectively, it would result in a reduction of approximately 67 Gt of GHG emissions between 2015–2100 (based on a model of one unit, here defined as1 slab + 4 columns). The authors recognize that this is a simplified model, but nevertheless useful for the argument at hand. Slabs spanning over multiple supports as well as pre- and post-tensioned slabs are common designs that could yield different results than the modeled simply supported slab. Here, it was assumed that 20% of GHG emissions are from concrete used in other applications than columns and slabs, such as in foundations. Further, if we assume a baseline of 30 MPa (the middle of the strength range considered in this work) and median longitudinal reinforcement ratio (slabs, ultimate: 0.26% reinforcement ratio and 0.45 m thickness, slabs cracking: 0.6% reinforcement ratio and 0.34 m thickness, columns: 3.5% reinforcement ratio and 0.18 m column width), then choosing the optimal combination of strength and reinforcement ratio could lower slab emissions by 20–25%, column emissions by 18–22%, and unit emissions by approximately 23% for these three codes. If instead reinforcing steel with a higher environmental impact is used, the resulting reductions are ~20% for slab, ~30% for column and ~21% for a unit (see Methods section for sensitivity analysis). However, the lower environmental impact of reinforcing steel is used in the analysis herein./p>