Zrównoważony, trwały beton

• Autorzy: Czarnecki L. , Justnes H.

Warianty tytułu

EN

Sutainable & durable concrete

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Idea zrównoważonego rozwoju jest wiodącym wyzwaniem cywilizacyjnym naszych czasów. Termin ten oznacza taki rozwój, który zaspakaja potrzeby obecne, nie ograniczając jednocześnie możliwości ich zaspokojenia w przyszłości. Sprostanie wyzwaniom zrównoważonego rozwoju w dziedzinie budownictwa jest szczególnie ważne, zważywszy na fakt, że przetwarza ono olbrzymie masy i zasoby energii. W praktyce zrównoważony rozwój w budownictwie oznacza konieczność dalszego rozwoju gospodarczego, ale przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia materii (energii i masy) oraz powstawanie budynków przyjaznych środowisku. Jakkolwiek ta piękna idea brzmi utopijnie, to jednak w pewnej mierze jej wdrożenie jest nieuchronne. W kategoriach termodynamicznych oznacza ona budownictwo nisko-energetyczne i o zminimalizowanej entropii. Idea ta wygenerowała nowe obszary badawcze. Przedstawiono koncepcję egzergii, rozumianej jako użyteczna część energii, i jej rolę jako narzędzia oceny środowiskowej z punktu widzenia termodynamicznego. Krótko scharakteryzowano wskaźniki oceny zrównoważoności w ujęciu środowiskowym, społecznym i ekonomicznym, opracowane przez Europejski Komitet Normalizacyjny TC 350. Omówiono działania producentów cementu na rzecz zmniejszenia globalnego carbon footprint, w szczególności związane z upowszechnianiem cementów mieszanych, w których część klinkieru zastępuje się dodatkami. Zwrócono także uwagę na fakt, że szerokie zastosowanie cementu przez różnych odbiorców i do różnych celów, ogranicza skalę zastępowania klinkieru zamiennikami. Przeprowadzono dyskusję nad zasadami czynienia konstrukcji z betonu „bardziej zrównoważonymi”, rozważając rolę trwałości w tym kontekście. Przeniesienie paradygmatu technologii betonu z doktryny „trwałość przez wytrzymałość” na zasadę „wytrzymałość przez trwałość” rozważono w kontekście normy EN 206, po 12 latach zawartych w niej użytecznych narzędzi sterowania trwałością. Problematyka ta nabrała szczególnej aktualności w świetle Europejskiej Regulacji No 305/2011 Parlamentu i Rady Europy (9 marca 2011), wprowadzającej zharmonizowane warunki obrotu wyrobami budowlanymi, która zastąpiła Dyrektywę 89/106/EEC. W myśl tego dokumentu wymaganie zrównoważoności stało się jednym z wymagań podstawowych dla obiektów budowlanych. Przedstawione w artykule działania dotyczące dalszego zrównoważenia betonu obejmują między innymi: częściowe zastępowanie cementu portlandzkiego dodatkami mineralnymi, w tym zwłaszcza pochodzenia odpadowego, z jednoczesnym zwróceniem uwagi na synergistyczny efekt celem wzmocnienia wytrzymałości i trwałości; zastępowanie cementu dużą zawartością popiołów lotnych; wykonywanie betonów z mniejszą zawartością cementu przy wykorzystaniu plastyfikatorów itp. Przeanalizowano także rolę nanotechnologii w wytwarzaniu betonu o jeszcze większej zrównoważoności. Wyrażono opinię, że w nadchodzących latach idea zrównoważonego rozwoju w budownictwie będzie źródłem twórczej inspiracji dla naukowców i inżynierów wielu dziedzin, w tym również w znacznym stopniu w odniesieniu do konstrukcji z betonu.

EN

Sustainable development is one of the leading civilization idea. This term means such a development that satisfies the present needs without a limitation of the possibility of satisfying the needs in the future. Sustainable development in construction is particularly important, as this branch of the industry is consuming enormous amounts of mass and energy. In practice, it means the demand to keep economy progress but with a reduce of a matter (energy + mass) consumption and provides environmentally friendly building, which reduces or even eliminates harm of our natural environment. It sounds like utopia but is very beautiful idea and to some extent - necessity. In thermodynamic categories it means: low-energy and low-entropy buildings. A new research area has been created by this idea. The concept of "exergy" - the useful part of energy - is discussed as an environmental measure from a thermodynamical point of view. Environmental, social, and economic indicators for assessment of sustainability of construction elaborated by European Standard Committee TC350 are shortly presented. A lot is done by cement producers to reduce the global carbon footprint, in particular, to replace coal with waste having a calorific value equivalent to (fossil) fuel and by making blended cement where parts of clinker are replaced with supplementary cementing materials (SCMs). However, cement is a bulk product that should cover a wide range of applications and serve different customers, giving limitations on clinker replacements. The principles of making concrete construction more sustainable are discussed in details along with the importance of making concrete more durable in a sustainability context. A shift a paradigm from "Durability through Strength" into "Strength through Durability" in the context of EN 206 is analysed. After 12 years of the EN 206 using, it is clear that the standard specified the useful tools to control the concrete durability. Recently, this is a topic of particular topicality due to the European Regulation No 305/2011 of the European Parliament and of the Council (9 March 2011) laying down harmonised conditions for the marketing of construction products and repealing Council Directive 89/106/EEC; it establishes those requirements on sustainability as the fundamental construction requirements. Routes, making concrete more sustainable, are defined and discussed in the paper: partially replacing portland cement in concrete with larger amounts of supplementary cementing materials (SCMs) than usual or with combinations of SCMs leading to synergic reactions, enhancing strength and durability: high volume fly ash as replacement of cement; leaner concrete with less cement per cubic meter utilizing plasticizers, between others. Finally, the impact of nanotechnology is discussed tor achieving future concrete with even higher degree of sustainability while maintaining adequate performance. Implementation of the idea of sustainable development in the construction industry will be a source of scientific and engineering inspiration for many years to come.

Słowa kluczowe

PL

rozwój zrównoważony; beton; rozwój technologiczny; rozporządzenie 305/2011 WE; trwałość betonu; właściwości; exergia; nanotechnologia; beton o wysokiej zawartości popiołów; cement modyfikowany energetycznie

EN

sustainable development; concrete; technology development; Construction Product Regulation; concrete durability; properties; exergy; nanotechnology; HVFAC; energetically modified cement

• Wydawca: Fundacja Cement, Wapno, Beton
• Czasopismo: Cement Wapno Beton
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 17/79, nr 6
• Strony: 341--362
• Opis fizyczny: Bibliogr. 59 poz., il.

Twórcy

autor

Czarnecki L.

autor

Justnes H.

• Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa

Bibliografia

• 1. G. H. Brudtland: Report of the World Comission on Environment and Development. General Assembly Resolution 42/187. United Nations, 1987.
• 2. S. Wierzbicki: Budownictwo a stały rozwój środowiska ludzkiego, s. 19, VII Ogólnopolska Interdyscyplinarna Konf. Nauk.-Tech.: Ekologia a budownictwo, 1985.
• 3. L. Czarnecki, M. Kaproń: Sustainable construction as Research Area. Int. J. Soc. Mater. Eng. Resour. 17, 2, (2010).
• 4. H. Daly: Beyond Growth: The economics of sustainable development, Boston, Beacon Press, 1996.
• 5. Regulation (EU) No 305/2011 of the European Parliament and of the Council of 9 March 2011, Laying down harmonized conditions for marketing of construction products and repealing, Council Directive 89/106/EEC.
• 6. J. Fangrat: Jak zagadnienia środowiskowe zmieniają wymagania podstawowe dotyczące obiektów budowlanych. Materiały Budowlane 4, 12 (2012).
• 7. A. Ilomäki: European horizontal standards for sustainability of buildings - one system in Europe, ftp.cen.eu/cen.
• 8. A.M. Neville: Właściwości betonu. Polski Cement, Kraków 2000.
• 9. L. Czarnecki, W. Kurdowski, S. Mindes: Future development in concrete, in „Developments in the formulation and reinforcement of concrete”, p. 270, edit. S. Mindes, Woodhead Publishing 2008.
• 10. J. Porrit: Concrete Industry Sustainability Performance Report. The Concrete Center, Surrey, UK 2009.
• 11. J. Gross: Developments in the application of the performance concept in building. NIST, Washington1985.
• 12. R. Becker: Research and development needs for better implementation of the performance concept in building. Automation in Construction, p. 525, 1999.
• 13. D. Olędzka, A. Węglarz, K. Żmijewski: Projektowanie polioptymalnych budynków przyjaznych środowisku, Izolacje, 9 22 (2007).
• 14. Panek: Metody oceny oddziaływania na środowisko obiektów budowlanych. Biblioteka Monitoring Środowiska, Warszawa 2002.
• 15. W. Trynity: CEN 350 - Sustainability of Construction Works: a view on sustainability assessment, www.lensebiuldings.com.
• 16. P. Lahti: Towards Sustainable Urban Infrastructure, ESC, COST, p. 335, 2006.
• 17. P.C. Aitcin: The Art and Science of Durable High-Performance Concrete. Proceedings of the Nelu Spiratos Symposium Committee for Organization of CANMET/ACI Conference, p. 57, 2003.
• 18. L. Czarnecki et al.: Beton według normy PN-EN 206-1 - komentarz. Polski Cement, Kraków 2004.
• 19. J. Walraven: From High Strength, through High Performance, to Defined Performance Concrete, Proceedings of Conf. High Strength/ High Performance Concrete, Leipzig 2002.
• 20. E. Coatanea et al.: Analysis of the concept of sustainability: definition of conditions for using exergy as a uniform environmental metric. Proceedings of LCE 2006, pp. 81-86
• 21. G. Wall: Exergy – a useful concept within resorce accouting. Report 77-42. Institute of Theoretical Physics. Chalmers University. Göteborg 1977.
• 22. J. Dewulf, H. Van Langenhove: Concrete technology concerning durability. Publication of Engineers, no 3, p. 42, 2001 (in Dutch).
• 23. L. Czarnecki, P. Woyciechowski: Durability of concrete according to the European Standard EN 206. Proceedings of ICDC 2012.
• 24. K. Mehta, R.W. Burrows: Building durable structures in the 21st century. The Indian Concrete Journal, p. 437 (2001).
• 25. R.N. Swamy: Sustainable concrete for the 21st century: Concept of Strength through Durability. University of Sheffield, UK.
• 26. J. Śliwiński: Zwykły beton – projektowanie i podstawowe właściwości. Polski Cement, Kraków 1999.
• 27. Z. Rusin: Technologia betonów mrozoodpornych. Polski Cement, Kraków 2000.
• 28. L. Czarnecki, P. Woyciechowski: Concrete Carbonation as Limited Process and its Relevance to Concrete Cover Thickness. ACI Materials Journal 109, No 3, p. 275 (2012).
• 29. Z. Giergiczny: Rola popiołów lotnych wapniowych i krzemionkowych w kształtowaniu właściwości współczesnych spoiw budowlanych. Wyd. Politechniki Krakowskiej 2006.
• 30. K. Mehta: High-Performance, High-Volume Fly Ash Concrete for Sustainable Development. University of California, USA 2005.
• 31. W. Jackiewicz-Rek, P. Woyciechowski: Ocena przydatności na karbonatyzację napowietrzonych betonów z dużą zawartością popiołów. Cement Wapno Beton, 78, 249 (2011).
• 32. W. Jackiewicz-Rek: Kształtowanie mrozoodporności betonów wysokopopiołowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej (rozprawa doktorska), Warszawa 2010.
• 33. K. De Weerdt, E. Sellevold, K.O. Kjellsen, and H. Justnes: Fly ash - Limestone Ternary Cements - Effect of Component Fineness. Adv. Cem. Res., 23, 4, p. 203 (2011).
• 34. V. Ronin, and J.-E. Jonasson, Investigation of the effective winter concreting with the usage of energetically modified cement (EMC) - material science aspects. Report 1994:03, Div. Structural Engineering Luleå University of Technology, Luleå, Sweden.
• 35. V. Ronin, and J-E. Jonasson: High strength and high performance concrete with use of EMC hardening at cold climate conditions. Proc. Int. Conf. Concrete under Severe Conditions, Sapporo, Japan, August 1995.
• 36. V. Ronin et al.: Method of producing cement. European Patent EP 0 696 261 B1, p. 13, 1997.
• 37. V. Ronin, J.-E. Jonasson, and H. Hedlund: Advanced modification technologies of the Portland cement based binders for different high performance applications. Proc. 10th Int. Congr. Chemistry of Cement , p. 8, Ed. by H. Justnes, Gothenburg June 1997.
• 38. J.-E. Jonasson, V. Ronin, and H. Hedlund: High strength concrete with energetically modified cement and modelling of shrinkage caused by self-desiccation. Proceedings of the 4th International Symposium on the Utilization of High Strength/High Performance Concrete, Paris, France, August 1996, Presses Pont et Chausses, p. 245 Paris 1996.
• 39. K. H. Rao, V. Ronin and K. S. E. Forsberg: High performance energetically modified Portland blast-furnace cements. Proc. 10th Intl. Congr. Chemistry of Cement, Ed. by H. Justnes, Gothenburg 1997.
• 40. P. Groth, and V. Ronin: Influence of Energetically Modified Cement on Interfacial Bond and Fracture Toughness in Cement-Based Fibre Reinforced Composites, 5th International Symposium on Utilization of High Strength/High Performance Cement, Sandefjord, Ed. by I. Holand and E. J. Sellevold, Norwegian Concrete Association, p. 1114, Oslo 1999.
• 41. H. Hedlund, V. Ronin, and J.-E. Jonasson: „Ecological Effective High Performance Cement Based Binders”, 5th International Symposium on Utilization of High Strength/High Performance Cement, Sandefjord, Ed. by I. Holand and E. J. Sellevold, Norwegian Concrete Association, p. 1144, Oslo 1999.
• 42. K. Johansson, C. Larsson, O. N. Antzutkin, W. Forsling, K. H. Rao, and V. Ronin: Kinetics of the hydration reactions in the cement paste with mechanochemically modified cement 29Si magic-angle-spinning NMR study. Cem. Concr. Res. 29 p. 1575 (1999).
• 43. E. J. Sellevold,: Summary and Evaluation of SINTEF test results on Energetically Modified Cements (EMC), SINTEF, Report Number STF22 F98764, 1998-09-18.
• 44. H. Justnes, L. Elfgren, and V. Ronin: Mechanism for Performance of Energetically Modified Cement versus Corresponding Blended Cement. Cem. Concr. Res., 35, p. 315 (2005).
• 45. H. Justnes, V. Ronin, and J.-E. Jonasson: Performance of Energetically Modified Cement (EMC) and Highly Reactive Pozzolan based on Fly Ash”, Proc. 6th International Symposium on cement & Concrete (ISCC) and CANMET/ACI International Symposium on Concrete Technology for Sustainable Development, Vol. 1, p. 361, Xi’an, China 2006.
• 46. H. Justnes, P.A. Dahl, V. Ronin, J.E. Jonasson and L. Elfgren: Microstructure and Performance of Energetically Modified Cement (EMC) with High Filler Content. Cem. Concr. Comp., 29, p. 533 (2007).
• 47. H. Justnes, V. Ronin, J.-E. Jonasson and L. Elfgren: Mechanochemical Technology: Synthesis of Energetically Modified Cements (EMC) with High Volume Fly ash Content. Proceedings of the 12th International Congress on the Chemistry of Cement, Montreal, Canada 2007.
• 48. H. Justnes, V. Ronin, J.-E. Jonasson and L. Elfgren: Mechanochemical Technology: Energetically Modified Cements (EMC) with High Volume Quartz or Fly Ash. Proceedings of International Conference on Sustainability in the Cement and Concrete Industry, p. 163, Lillehammer, Norway 2007.
• 49. H. Justnes, T.Østnor, K. De Weerdt, and H. Vikan: Calcined Marl and clay as mineral addition for more sustainable concrete structures, Proceedings of the 36th International Conference on Our World in Concrete & Structures, p. 10, Singapore.
• 50. M.R. Rixom and N.P. Malivaganam: Chemical Admixtures for Concrete, 2nd Ed., Spon Press 1999.
• 51. M. Collepardi: Combined use of chemical admixtures and polymer macro-fibres in crack-free industrial concrete floors without wire-mesh. Proceedings of the Jean Péra Symposium on Special Cements and Sustainability Issues, Ed. Kamal H. Khayat, 9th CANMET/ACI International Conference on Recent Advances in Concrete Technology, p. 53, Warszawa 2007.
• 52. www.biggerbrains.com
• 53. Z. Cywiński: Zrównoważony rozwój a historia i dziedzictwo budownictwa, Pismo PG, Vol. 7 (2007).
• 54. A. Ten Volde: Nanotechnology: Towards a Molecular Construction Kit, STT60, Netherlands 1998.
• 55. K. Mehta: Greening of the Concrete Industry for Sustainable Development. Concrete International, 7, p. 23, 2002.
• 56. L. Czarnecki, H. Schorn: Nanomonitoring of polymer-cement concrete microstructure. Int. J. of Restoration of Buildings and Monuments, No 3, p. 141, 2007.
• 57. K. Sobolev, M. Ferrada-Gutierrez, How nanotechnology can change the concrete world: Part 2. American Ceramic Society Bulletin, No 11, p. 16 (2005).
• 58. F. Van Broekhuizen, P. Van Broekhuizen: Nano-products in the European Construction Industry – State of the Art 2009 Report commissioned mby EFBWW nd FIEC, Amsterdam, 2009.
• 59. L. Czarnecki, K.J. Kurzydłowski: Nanomateriały budowlane. Materiały Budowlane, 5, str. 76 (2012).