Kvantifikace udržitelnosti betonových konstrukcí
Intenzivní debata o otázkách udržitelnosti ve stavebnictví vedla k vývoji a implementaci různých systémů pro definování a hodnocení udržitelnosti budov po celém světě. Beton je jedním z nejdůležitějších a nejužitečnějších materiálů ve stavebnictví, který má bohužel nepříznivý dopad na životní prostředí. Je tedy zřejmé, že je třeba vytvořit postupy pro navrhování betonových konstrukcí s ohledem na udržitelnost. Indikátor vyjadřující kvalitu s ohledem na udržitelnost je v příspěvku stanoven pomocí výkonu, životnosti a dopadu na životní prostředí, což umožňuje kvantifikaci a porovnání různých variant.
Článek byl oceněn a vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2020.
1 Úvod
Zpráva International Panel on Climate Change (IPCC) z roku 2007 uvádí, že vědci zaznamenali zvýšenou koncentraci tří nejvýznamnějších skleníkových plynů (oxidu uhličitého, oxidu dusného a metanu) ovlivňovaných člověkem. Na základě tisíců měření po celém světě zjistili také změny teploty na Zemi. Vědci dále uvádějí, že pokud budou současné trendy pokračovat, lze na konci tohoto století očekávat podstatné změny klimatu [1]. Hrozba vážných důsledků vede k výraznému snižování emisí skleníkových plynů. Na tuto skutečnost reaguje i Evropská unie, která se zavázala ke snížení emisí skleníkových plynů o 40 % do roku 2030, ve srovnání s úrovní z roku 1990. Cílem energetického plánu na rok 2050 je dále snížit emise skleníkových plynů o více než 80 % ve srovnání s rokem 1990 [2]. EU se zavázala nejen ke snižování emisí skleníkových plynů, ale i k 17 cílům udržitelného rozvoje, tzv. Sustainable Development Goals. Nové globální cíle se snaží vypořádat s problémy jako je odstranění chudoby, omezení diskriminace, ochrana planety, ale také udržitelná výstavba [3, 4].
2 Současný stav poznání
Stavební průmysl představuje významný podíl v čerpání surovinových a energetických zdrojů. Stavebnictví, je také významným producentem odpadu a škodlivých emisí. Dopad betonových konstrukcí na životní prostředí je zejména v důsledku slínku, který je využíván k výrobě cementu. Výroba cementu v současnosti představuje 5–7 % emisí oxidu uhličitého, toto procento však rychle roste. Očekává se, že produkce cementu se v letech 2005 až 2050 zvýší 2,5krát, přičemž k většině tohoto růstu dojde v rozvojových zemích [5, 6].
![Obr. 1 Emise oxidu uhličitého podle sektorů [7]](/docu/clanky/0206/020699o1.png)
Obr. 1 Emise oxidu uhličitého podle sektorů [7]
Vliv betonových konstrukcí na životní prostředí je s ohledem na velikosti jejich produkce velmi významný, a to i přesto, že množství škodlivých emisí svázaných s výrobou jednoho kg betonu je v porovnání s jinými konstrukčními materiály relativně malé. Celosvětová produkce cementu představuje více než 1,6 miliardy tun emisí oxidu uhličitého [8].
![Obr. 2 Emise oxidu uhličitého pro jednotlivé materiály [kgCO₂/kg] [8]](/docu/clanky/0206/020699o2.png)
Obr. 2 Emise oxidu uhličitého pro jednotlivé materiály [kgCO2/kg] [8]
Z uvedeného vyplývá, že je třeba zavést kritéria udržitelnosti, která jsou v současné době centrem výzkumu po celém světě, zejména Komise 10, která připravuje fib Model Code 2020 se zaměřením na udržitelnost. Cílem této práce je navrhnout vhodnou metodiku rozhodování pro práci s konkrétními betonovými recepturami se zvláštním zaměřením na aspekty udržitelnosti.
3 Metodika
Multikriteriální hodnocení udržitelnosti budov nebo konstrukcí může být doprovázeno mnohými nejistotami, které mohou znehodnotit výsledky. Příspěvek proto ukazuje jednoduchý postup zaměřený na porovnávání udržitelnosti různých druhů betonu s ohledem na odolnost vůči účinkům degradace. Tento přístup, který je vyjádřen pomocí potenciálu trvalé udržitelnosti stavebního materiálu (BMSP), je založen na práci Müllera [9, 10], který popsal pilíře trvalé udržitelnosti s ohledem na tři veličiny. Indikátor udržitelnosti kSB se stanoví pomocí životnosti, materiálové výkonnosti a environmentálního dopadu. Udržitelnost lze kvantifikovat pomocí normalizovaných indikátorů dle rovnice (1), kde veličina L představuje životnost, R výkon, E eko-náklady. Tyto hodnoty jsou děleny referenčními hodnotami Lref, Rref, Eref. Výsledkem je bezrozměrná veličina.
Obr. 3 Grafické znázornění transformace BMSP na indikátor kSB
(1)
Výkon R může představovat pevnost nebo jinou fyzikální vlastnost materiálu. Eko-náklady E představují výdaje na opatření, které mají být přijaty ke snížení dopadů na životní prostředí na udržitelnou úroveň. Existuje však mnoho dalších definic pro E, jako je potenciál globálního oteplování, cena emisních povolenek, uhlíková stopa a další. Navrhovaná metodika a její postupy jsou uvedeny například v [15, 16].
Jak lze očekávat, faktory L, R a E mohou mít různou úroveň dominance. V takovém případě je vhodnější varianta rovnice (2), upravená pomocí váhových koeficientů wL, wR a wE.
(2)
4 Výsledky
Uvedený příklad porovnává pět různých typů betonových směsí. Složení betonových směsí je uvedeno v tabulce 1. Tyto směsi byly navrženy pro experimentální testování a numerickou analýzu, jak je uvedeno v článcích [12, 13, 16]. Směsi obsahovaly cement (TII-V, který je běžně používaný v USA), popílek třídy C (C) a popílek třídy F (F). Směsi byly označeny v následujících tabulkách podle cementových materiálů a jejich procentuální náhrady, například 80TII-V/20F znamená 80 % cementu typu II-V, 20 % popílku třídy F.
| Mix ID | Voda | Cement TII/V | Popílek třídy C | Popílek třídy F | Hrubý agregát – štěrk | Jemný agregát – písek |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 100TII-V | 147 | 335 | – | – | 1073 | 709 |
| 80TII-V/20F | 147 | 268 | – | 67 | 1073 | 689 |
| 60TII-V/20C/20F | 147 | 201 | 67 | 67 | 1073 | 668 |
| 60TII-V/30C/10F | 147 | 201 | 100 | 34 | 1073 | 668 |
| 60TII-V/30F/10C | 147 | 201 | 34 | 100 | 1073 | 668 |
Všechny směsi obsahovaly 335 kg/m3 cementového materiálu, poměr voda/cementový materiál byl zvolen jako 0,44. Pevnost betonových receptur a difúzní koeficient jsou časově závislé parametry, oba tyto parametry mohou výrazně ovlivnit hodnotu indikátoru udržitelnosti. Pomocí laboratorních experimentů byly zkoumány základní informace o difúzním koeficientu a 28denní pevnost v tlaku [12, 13, 16]. Relevantní hodnoty materiálových parametrů jsou uvedeny v tabulce 2. V této analýze představuje výkon R 28denní pevnost v tlaku, životnost představuje inverzní hodnota difuzního koeficientu, dopad na životní prostředí byl analyzován pomocí třech variant (pomocí eko-nákladů, uhlíkové stopy a emisními povolenkami. Eko-náklady a uhlíková stopa byly analyzovány pomocí [11], cena emisních povolenek byla analyzována pomocí [14]. Ukazatel udržitelnosti kSB byl analyzován pomocí rovnice (1). Pro referenční hodnoty dle rovnice (1) byla vybrána směs cementu (100 TII-V).
| Mix ID | Dc (28denní) [m2/s] | Pevnost (28denní) [Mpa] | Uhlíková stopa [kgCO2/t] | Emisní povolenky [€/m3] | Eko-náklady [€/m3] |
|---|---|---|---|---|---|
| 100TII-V | 5.590E−12 | 28.00 | 271.25 | 50.10 | 51.66 |
| 80TII-V/20F | 5.380E−12 | 28.10 | 248.94 | 49.62 | 48.49 |
| 60TII-V/20C/20F | 6.310E−12 | 29.20 | 226.48 | 49.12 | 44.64 |
| 60TII-V/30C/10F | 5.110E−12 | 32.40 | 226.41 | 49.12 | 44.31 |
| 60TII-V/30F/10C | 4.800E−12 | 30.00 | 226.55 | 49.12 | 44.98 |
| Mix ID | kSB (Eko-náklady) | kSB (Uhlíková stopa) | kSB (Emisní povolenky) |
|---|---|---|---|
| 100TII-V | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| 80TII-V/20F | 1.11 | 1.14 | 1.05 |
| 60TII-V/20C/20F | 1.07 | 1.11 | 0.94 |
| 60TII-V/30C/10F | 1.48 | 1.52 | 1.29 |
| 60TII-V/30F/10C | 1.43 | 1.49 | 1.27 |
Z výsledků vyplývá, že směs 60TII-V/30C/10F se ve všech případech jeví jako „nejudržitelnější“, po ní následuje směs 60TII-V/30F/10C. Při využití různých typů dopadů za životní prostředí se pořadí výsledků mění pouze pro směs 60TII-V/20C/20F, a to pro indikátor kSB – emisní povolenky. Z výsledků také vyplývá, že každá směs je udržitelnější než směs cementu (100TII-V). Je zřejmé, že při zohlednění jiného typu degradace, nebo vlivu mechanického zatížení na životnost se může pořadí hodnot indikátorů kSB změnit.
5 Závěr
Příspěvek se zaměřuje na analýzu udržitelnosti betonu, pomocí indikátoru trvalé udržitelnosti, který je analyzován deterministickou metodou. Cílem příspěvku je ukázat možnost přiblížení budoucím požadavkům pomocí jednoduchého přístupu, který umožňuje rozhodovat o návrhu a výběru směsí v širším smyslu, nejen s ohledem na nosnost a trvanlivost, jak je v současné době běžné. Pro ilustraci přístupu bylo vybráno pět různých betonových směsí (s různými přísadami), které byly porovnány z hlediska různých kritérií. Příklad ukazuje, že i způsob vyjádření dopadu na životní prostředí může hrát roli.
Poděkování
Příspěvek vznikl za podpory mezifakultního specifického výzkumu VUT, „Metodika hodnocení trvalé udržitelnosti betonových konstrukcí“, evidovaným pod číslem FAST/ÚSI-J-19-5901.
Použité zdroje
- Leidl P., Visek T., Costs and potential for reducing greenhouse gas emissions [online]. McKinsey&Company, pp. 1–96. Available from: http://www.geology.cz/co2net-east/download/McKinsey%20Report_czech_version.pdf
- European Commission Energy, Strategy—Secure competitive and sustainable energy [online]. Available from: https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-strategy-and-energy-union_en
- 17 goals to transform the world for persons with disabilities, United nations: department of economic and social affairs [online]. Available from: https://www.un.org/development/desa/disabilities/envision2030.html
- The 17 goals, The Global Goals For Sustainability Development [online]. Available from: https://www.globalgoals.org/
- Müller N., Harnisch J., A blueprint for a climate friendly cement industry. Gland: WWF lafarge conservation partnership, 2008. pp 94.
- The cement sustainability initiative (CSI). The cement sustainability initiative, 2007. [online] Available from: https://www.wbcsdcement.org
- Favier A., De Wolf C., Schrivener K. and Habert G. A Sustainable Future for the European Cement and Croncrete Industry, Technology assessment for full decarbonisation of the industry by 2050, pp. 1–96.
- Sustainability & Emissions. Nanocem: The industral-academic nanoscience research network for sustainable cement and concrete [online]. 2004. Available from: https://www.nanocem.org/cement-concrete/sustainability-emissions
- Müller H. S., Haist M., Moffatt J. S., Vogel M.,Design, material properties and structural performance of sustainable concrete, Proceedia Engineering 171, 2017, pp. 22–32.
- Müller H. S., Sustainable structural concrete – from today´s approach to future challenge, Structural Concrete 14 (4), 2013, pp. 299–300.
- Eco Costs, Data Design-4-Sustainability: Inspiration and knowledge by designers for designers [online]. Available from: http://www.design-4-sustainability.com/ecocosts
- Ghosh P., Tran Q., Correltion between Bulk and Surface Resistivity of Concrete, Concrete Structures and Materials, 2015, pp. 199–132.
- Lehner P., Ghosh P., Konečný P., Statistical analysis of time dependent variation of diffusion coefficient for various binary and ternary based concrete mixtures Construction and Building Materials, 2018, pp. 75–87.
- EU Emissions Trading System. European Commission website: Climate change [online]. Avaliable from: https://ec.europa.eu/clima/policies/ets_cs
- Hrabová K., Teplý B., Hájek P., Concrete, sustainability and limit states. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, vol. 290, no. 1, pp. 1–9. ISSN: 1755-1315.
- Konečný P., Ghosh P., Hrabová K., Lehner P. and Teplý B., Effective methodology of sustainability assessment of concrete mixtures, Materials and Structures (v revizi).
The concept of sustainable development is becoming increasingly popular worldwide. The intensive debate on sustainability issues in the construction industry has led to the development and implementation of various systems for defining and assessing the sustainability of buildings around the world. Concrete is one of the most important and useful materials in the construction sector, which, unfortunately, has an adverse impact on the environment, it is evident that correct procedures for designing concrete structures need to be created. In this paper is an indicator expressing quality, with regard to sustainability, is determined using information on concrete performance characteristics, service life and environmental impact, enabling the quantification and comparison of various cases.