Att möta betong är en vanlig – till och med rutinmässig – händelse. Och det är just det som gör betong exceptionellt.

Som det mest konsumerade materialet efter vatten, betong är oumbärlig för de många viktiga system – från vägar till byggnader – där den används.

Men på grund av dess omfattande användning, betongproduktion bidrar också till cirka 1 procent av utsläppen i USA och är fortfarande en av flera kolintensiva industrier globalt. Att tackla klimatförändringarna, sedan, kommer att innebära att minska betongens miljöpåverkan, även när dess användning fortsätter att öka.

I en ny tidning i Proceedings of the National Academy of Sciences , ett team av nuvarande och tidigare forskare vid MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub) beskriver hur detta kan uppnås.

De presenterar en omfattande livscykelbedömning av byggnads- och trottoarsektorerna som uppskattar hur strategier för minskning av växthusgaser (GHG) – inklusive de för betong och cement – ​​skulle kunna minimera de kumulativa utsläppen från varje sektor och hur dessa minskningar skulle jämföras med nationella minskningar av växthusgaser. mål.

Teamet fann att om reduktionsstrategier implementerades, utsläppen för trottoarer och byggnader mellan 2016 och 2050 kan minska med upp till 65 procent och 57 procent, respektive, även om betonganvändningen accelererade kraftigt under den perioden. Dessa ligger nära de amerikanska minskningsmålen som satts upp som en del av Paris klimatavtal. De övervägda lösningarna skulle också möjliggöra att betongproduktionen för båda sektorerna uppnår koldioxidneutralitet till 2050.

Trots fortsatt avkolning av nätet och ökad bränsleeffektivitet, de fann att den stora majoriteten av växthusgasutsläppen från nya byggnader och trottoarer under denna period skulle härröra från operativ energiförbrukning snarare än så kallade förkroppsligade utsläpp – utsläpp från materialproduktion och konstruktion.

Källor och lösningar

Konsumtionen av betong, på grund av dess mångsidighet, varaktighet, byggbarhet, och roll i ekonomisk utveckling, har beräknats öka runt om i världen.

Även om det är viktigt att överväga de förkroppsligade effekterna av pågående betongproduktion, det är lika viktigt att placera dessa initiala effekter i sammanhanget med materialets livscykel.

På grund av betongens unika egenskaper, det kan påverka den långsiktiga hållbarhetsprestandan för de system där den används. Betongbeläggningar, till exempel, kan minska fordonets bränsleförbrukning, medan betongkonstruktioner kan utstå faror utan att behöva energi- och materialkrävande reparationer.

Betongens effekter, sedan, är lika komplexa som själva materialet - en noggrant proportionerad blandning av cementpulver, vatten, sand, och aggregat. Att reda ut betongens bidrag till de operativa och förkroppsligade effekterna av byggnader och trottoarer är avgörande för att planera minskningar av växthusgaser i båda sektorerna.

Uppsättning scenarier

I deras tidning, CSHub-forskare förutspår de potentiella utsläppen av växthusgaser från byggnads- och trottoarsektorerna när många strategier för att minska utsläppen infördes mellan 2016 och 2050.

Eftersom båda dessa sektorer är enorma och snabbt utvecklas, att modellera dem krävde ett invecklat ramverk.

"Vi har inte detaljer om varje byggnad och trottoar i USA, " förklarar Randolph Kirchain, en forskare vid Materials Research Laboratory och meddirektör för CSHub.

"Som sådan, vi började med att utveckla referensdesigner, som är avsedda att vara representativa för nuvarande och framtida bebyggelse och trottoarer. Dessa anpassades för att vara lämpliga för 14 olika klimatzoner i USA och distribuerades sedan över USA baserat på data från US Census och Federal Highway Administration."

För att återspegla komplexiteten i dessa system, deras modeller måste ha högsta möjliga upplösning.

"Inom trottoarsektorn, vi samlade in det nuvarande lagret av det amerikanska nätverket baserat på högprecisionssegment på 10 mil, tillsammans med ytförhållandena, trafik, tjocklek, körfältets bredd, och antal körfält för varje segment, " säger Hessam AzariJafari, en postdoc på CSHub och en medförfattare på tidningen.

"För att modellera framtida beläggningsåtgärder under analysperioden, vi antog fyra klimatförhållanden; Fyra vägtyper; asfalt, betong, och sammansatta beläggningsstrukturer; samt major, mindre, och återuppbyggnadsbeläggningsåtgärder specificerade för varje klimattillstånd."

Med hjälp av detta ramverk, de analyserade ett "projicerat" och ett "ambitiöst" scenario av reduktionsstrategier och systemattribut för byggnader och trottoarer under den 34-åriga analysperioden. Scenarierna definierades av tidpunkten och intensiteten av strategier för minskning av växthusgaser.

Som namnet antyder, det prognostiserade scenariot speglade nuvarande trender. För byggsektorn, lösningarna omfattade förväntad avkolning av nät och förbättringar av byggnormer och energieffektivitet som för närvarande implementeras över hela landet. För trottoarer, den enda planerade lösningen var förbättringar av fordonets bränsleekonomi. Det beror på att fordonseffektiviteten fortsätter att öka, överdrivna fordonsutsläpp på grund av dålig vägkvalitet kommer också att minska.

Båda de projicerade scenarierna för byggnader och trottoarer innebar det gradvisa införandet av koldioxidsnåla betongstrategier, såsom återvunnet innehåll, kolavskiljning vid cementproduktion, och användningen av infångat kol för att producera ballast och härda betong.

"I det ambitiösa scenariot, " förklarar Kirchain, "vi gick bortom förväntade trender och utforskade rimliga förändringar som överträffar nuvarande policyer och [branschens] åtaganden."

Här, byggnadssektorns strategier var desamma, men implementeras mer aggressivt. Trottoarsektorn följde också mer aggressiva mål och införlivade flera nya strategier, inklusive att investera mer för att ge jämnare vägar, selektivt applicera betongbeläggningar för att producera styvare trottoarer, och införa mer reflekterande trottoarer – som kan förändra jordens energibalans genom att skicka ut mer energi ur atmosfären.

Resultat

När nätet blir grönare och nya bostäder och byggnader blir mer effektiva, många experter har förutspått att de operativa effekterna av nybyggnadsprojekt kommer att minska i jämförelse med deras förkroppsligade utsläpp.

"Vad vår livscykelbedömning fann, säger Jeremy Gregory, verkställande direktören för MIT Climate Consortium och huvudförfattaren på tidningen, "är att [denna förutsägelse] inte nödvändigtvis är fallet."

"Istället, Vi fann att mer än 80 procent av de totala utsläppen från nya byggnader och trottoarer mellan 2016 och 2050 skulle komma från deras drift."

Faktiskt, the study found that operations will create the majority of emissions through 2050 unless all energy sources—electrical and thermal—are carbon-neutral by 2040. This suggests that ambitious interventions to the electricity grid and other sources of operational emissions can have the greatest impact.

Their predictions for emissions reductions generated additional insights.

For the building sector, they found that the projected scenario would lead to a reduction of 49 percent compared to 2016 levels, and that the ambitious scenario provided a 57 percent reduction.

As most buildings during the analysis period were existing rather than new, energy consumption dominated emissions in both scenarios. Följaktligen, decarbonizing the electricity grid and improving the efficiency of appliances and lighting led to the greatest improvements for buildings, de hittade.

In contrast to the building sector, the pavements scenarios had a sizeable gulf between outcomes:The projected scenario led to only a 14 percent reduction while the ambitious scenario had a 65 percent reduction—enough to meet U.S. Paris Accord targets for that sector. This gulf derives from the lack of GHG reduction strategies being pursued under current projections.

"The gap between the pavement scenarios shows that we need to be more proactive in managing the GHG impacts from pavements, " explains Kirchain. "There is tremendous potential, but seeing those gains requires action now."

These gains from both ambitious scenarios could occur even as concrete use tripled over the analysis period in comparison to the projected scenarios—a reflection of not only concrete's growing demand but its potential role in decarbonizing both sectors.

Though only one of their reduction scenarios (the ambitious pavement scenario) met the Paris Accord targets, that doesn't preclude the achievement of those targets:many other opportunities exist.

"I den här studien, we focused on mainly embodied reductions for concrete, " explains Gregory. "But other construction materials could receive similar treatment.

"Further reductions could also come from retrofitting existing buildings and by designing structures with durability, hazard resilience, and adaptability in mind in order to minimize the need for reconstruction."

This study answers a paradox in the field of sustainability. For the world to become more equitable, more development is necessary. Och ändå, that very same development may portend greater emissions.

The MIT team found that isn't necessarily the case. Even as America continues to use more concrete, the benefits of the material itself and the interventions made to it can make climate targets more achievable.