Beton jest jednym z fundamentów współczesnego budownictwa. Powstają z niego fundamenty, stropy, słupy, ściany, mosty, drogi i obiekty przemysłowe. Jest stosunkowo tani, łatwo dostępny, odporny na ściskanie i może przyjmować niemal dowolny kształt. Trudno wyobrazić sobie, aby w najbliższych latach całkowicie zniknął z placów budowy.
Jednocześnie rośnie zainteresowanie materiałami, które pozwalają ograniczyć jego wykorzystanie. Powodem nie jest wyłącznie moda na ekologiczne domy. Produkcja cementu, będącego podstawowym składnikiem betonu, wiąże się ze znacznymi emisjami dwutlenku węgla. Międzynarodowa Agencja Energetyczna wskazuje, że bezpośrednia emisyjność produkcji cementu w ostatnich latach zasadniczo się nie zmniejszyła, a dalsza dekarbonizacja wymaga między innymi oszczędniejszego używania materiałów, stosowania dodatków zastępujących część klinkieru oraz rozwijania technologii wychwytywania CO₂.
Pytanie nie brzmi więc, czy beton zostanie całkowicie zastąpiony. Bardziej realistyczne jest zastanowienie się, w których częściach budynku rzeczywiście jest niezbędny, a gdzie można zastosować drewno, ziemię, konopie, słomę, materiały z recyklingu lub lżejsze konstrukcje hybrydowe.
Dlaczego tak trudno zrezygnować z betonu?
Beton łączy kilka cech, które trudno znaleźć jednocześnie w jednym materiale. Dobrze przenosi duże obciążenia ściskające, jest odporny na wilgoć, można go pompować i wylewać w skomplikowanych formach, a po związaniu tworzy masywny, stosunkowo trwały element.
Po połączeniu ze stalowym zbrojeniem może również przenosić rozciąganie i zginanie. Dzięki temu żelbet sprawdza się w fundamentach, stropach, słupach, ścianach podziemnych oraz budynkach wielokondygnacyjnych.
Problem środowiskowy dotyczy przede wszystkim cementu. Podczas produkcji klinkieru trzeba osiągnąć bardzo wysoką temperaturę, co wymaga dużej ilości energii. Dodatkowo dwutlenek węgla powstaje w wyniku samej reakcji chemicznej zachodzącej podczas wypalania wapienia. Tych emisji nie da się całkowicie wyeliminować wyłącznie przez zmianę źródła energii.
Według IEA sektory cementu i stali odpowiadają łącznie za około 14 proc. światowych bezpośrednich emisji energetycznych i procesowych. Ograniczanie ich wpływu jest więc jednym z ważniejszych wyzwań związanych z dekarbonizacją przemysłu.
Nie oznacza to jednak, że każdy metr sześcienny betonu jest zbędny albo że zastąpienie go innym materiałem zawsze przynosi korzyść. W fundamentach, konstrukcjach podziemnych i obiektach narażonych na wodę nadal bardzo trudno znaleźć rozwiązanie równie praktyczne, dostępne i sprawdzone.
Drewno konstrukcyjne wraca do dużych budynków
Najpoważniejszym konkurentem betonu w konstrukcjach nadziemnych jest drewno. Nie chodzi wyłącznie o tradycyjne domy szkieletowe. Coraz większe znaczenie ma drewno klejone warstwowo oraz CLT, czyli panele z warstw desek ułożonych krzyżowo.
Z takich elementów można wykonywać ściany, stropy, dachy, słupy i belki. Są produkowane w fabryce na podstawie cyfrowego projektu, a następnie dostarczane na plac budowy jako gotowe części. Pozwala to skrócić montaż, zmniejszyć liczbę prac mokrych i ograniczyć masę konstrukcji.
Mniejszy ciężar oznacza również mniejsze obciążenie fundamentów. W niektórych przypadkach pozwala zmniejszyć ich rozmiar, a więc pośrednio ograniczyć ilość betonu. Drewno może być także stosowane przy nadbudowach istniejących obiektów, których konstrukcja nie przeniosłaby ciężaru kolejnych kondygnacji żelbetowych.
Nie jest jednak materiałem pozbawionym ograniczeń. Elementy i połączenia muszą zostać dokładnie zaprojektowane pod kątem ognia, akustyki, drgań oraz wilgoci. WoodWorks podkreśla, że zarządzanie wodą powinno rozpoczynać się już na etapie projektu i obejmować cały okres montażu konstrukcji.
Drewniany strop może również wymagać dodatkowych warstw zapewniających odpowiednią akustykę, odporność ogniową i masę. W praktyce na panelach CLT często wykonuje się jastrych albo nadbeton. Budynek reklamowany jako drewniany może więc nadal zawierać znaczną ilość betonu.
Budynki hybrydowe mogą być rozsądniejsze od „czystej” technologii
W dyskusji o materiałach często zakłada się, że trzeba wybrać jedną technologię: beton, stal albo drewno. Tymczasem najbardziej praktycznym kierunkiem może być łączenie ich w jednym budynku.
Konstrukcja hybrydowa wykorzystuje każdy materiał tam, gdzie jego właściwości są najbardziej przydatne. Beton może tworzyć fundament, klatkę schodową i część stropów, drewno ściany oraz dach, a stal smukłe belki i połączenia.
Takie rozwiązanie pozwala ograniczyć ilość najbardziej emisyjnych materiałów bez rezygnowania z ich zalet. Wysoki budynek może mieć żelbetowy trzon zapewniający sztywność, a pozostałą część konstrukcji wykonaną z drewna. W domu jednorodzinnym beton może pozostać wyłącznie w fundamencie i posadzce.
Przykłady konstrukcji hybrydowych pokazują, że łączenie dwóch lub więcej głównych materiałów jest już uznanym podejściem projektowym, a nie wyłącznie eksperymentem architektonicznym.
Nie należy więc oczekiwać, że przyszłość budownictwa będzie należała do jednego materiału. Bardziej prawdopodobne jest precyzyjniejsze dobieranie rozwiązań do konkretnych funkcji.
Konopie mogą zastąpić część wypełnień i izolacji
Jednym z najczęściej przedstawianych materiałów alternatywnych jest beton konopny, nazywany również hempcrete. Powstaje z paździerzy konopnych, spoiwa wapiennego i wody. Nazwa może być jednak myląca, ponieważ materiał ten nie jest odpowiednikiem konstrukcyjnego żelbetu.
Beton konopny jest stosunkowo lekki, dobrze izoluje i może regulować wilgotność we wnętrzu. Stosuje się go jako wypełnienie ścian szkieletowych, warstwę izolacyjną albo materiał do renowacji starych budynków. Nie jest natomiast przeznaczony do przenoszenia dużych obciążeń konstrukcyjnych. Dom nadal potrzebuje szkieletu z drewna, stali lub innego materiału.
Zaletą konopi jest szybki wzrost rośliny i możliwość wykorzystania surowca pochodzenia rolniczego. Projekty wspierane w Europie badają potencjał tego materiału jako zamiennika części rozwiązań opartych na cemencie i materiałach wysokoemisyjnych.
Ograniczeniem pozostają dostępność wyspecjalizowanych ekip, czas wysychania, grubość ścian i konieczność ochrony przed długotrwałym działaniem wody. Hempcrete może zmniejszyć zużycie materiałów mineralnych w przegrodach, ale nie zastąpi fundamentów, słupów ani mocno obciążonych stropów.
Słoma nie musi oznaczać prymitywnej chaty
Kostki słomy są wykorzystywane jako wypełnienie i izolacja ścian. Mogą być umieszczane w drewnianym szkielecie, a następnie zabezpieczane tynkiem glinianym lub wapiennym.
Słoma ma niski ciężar i dobre właściwości izolacyjne. Jest produktem ubocznym rolnictwa, dlatego jej użycie pozwala wykorzystać surowiec, który w innym przypadku mógłby mieć niewielką wartość gospodarczą.
Największe obawy dotyczą ognia, gryzoni i wilgoci. Prawidłowo sprasowana oraz obustronnie otynkowana słoma zachowuje się jednak inaczej niż luźny, suchy materiał. Brak dostępu tlenu i osłona ograniczają możliwość szybkiego spalania.
Znacznie większym zagrożeniem jest woda. Jeżeli wilgoć dostanie się do wnętrza ściany i nie będzie mogła wyschnąć, materiał organiczny może zostać zaatakowany przez grzyby. Projekt wymaga więc szczelnego dachu, odpowiedniego cokołu, szerokich okapów i starannie wykonanych detali wokół okien.
Technologia słomiana może dobrze sprawdzać się w niewielkich domach, lecz wymaga akceptacji grubych ścian i ograniczonego rynku wykonawców. Nie jest prostą zamianą pustaka na tańszą kostkę. Cały budynek musi zostać zaprojektowany z myślą o właściwościach materiału.
Ziemia może tworzyć trwałe ściany
Budowanie z ziemi jest jedną z najstarszych technik znanych człowiekowi. Współcześnie powraca między innymi w postaci ubijanej ziemi, bloczków ziemnych oraz tynków glinianych.
Ściany z ubijanej ziemi mają dużą masę i mogą stabilizować temperaturę we wnętrzu. Materiał jest lokalny, wymaga stosunkowo niewielkiego przetworzenia i może być ponownie wykorzystany. Nie ma jednak tak dobrych właściwości izolacyjnych, jak mogłaby sugerować jego grubość. W chłodnym klimacie ściana często potrzebuje dodatkowej warstwy termoizolacji.
Ziemia jest również wrażliwa na długotrwałe zawilgocenie. Konieczne są dobre fundamenty, wysoki cokół, właściwy dach i ochrona powierzchni przed deszczem. Paradoksalnie dom z ziemi nadal może więc potrzebować betonu w części podziemnej.
Materiały ziemne mogą mieć duży potencjał w ścianach wewnętrznych, wykończeniach i obiektach niskich. Zapewniają masę cieplną i pomagają buforować wilgotność. Nie należy jednak przedstawiać ich jako uniwersalnego rozwiązania dla każdej działki i każdego klimatu.
Europejskie analizy wskazują, że materiały pochodzenia biologicznego i ziemnego mogą obniżać emisje związane z wbudowanymi materiałami, a jednocześnie poprawiać niektóre właściwości cieplne oraz wilgotnościowe przegród.
Materiały z odpadów mogą ograniczyć zużycie surowców
Drugim kierunkiem zmian jest wykorzystywanie surowców, które już wcześniej znalazły się w obiegu. Mogą to być kruszywa z rozebranych konstrukcji, szkło, cegły, drewno, tworzywa sztuczne, popioły oraz odpady mineralne z przemysłu.
Rozdrobniony beton można wykorzystać jako kruszywo do nowych mieszanek albo podbudowę dróg i nawierzchni. Stara cegła może zostać oczyszczona i ponownie użyta. Elementy drewniane da się wykorzystać w innym budynku, o ile ich stan techniczny i pochodzenie są znane.
Największe korzyści daje ponowne użycie całych elementów, ponieważ nie wymaga ich rozdrabniania i przetwarzania. W praktyce jest jednak trudne. Potrzebne są dane o parametrach materiału, bezpieczny demontaż, magazynowanie oraz projekt przygotowany pod dostępne elementy.
Unia Europejska rozwija projekty dotyczące budownictwa cyrkularnego, śledzenia cyklu życia materiałów i zwiększania ich ponownego wykorzystania.
Problemem może być zmienność jakości. Materiał z rozbiórki nie zawsze spełnia wymagania pozwalające wykorzystać go w konstrukcji. Często łatwiej zastosować go w nawierzchni, warstwie podbudowy albo jako element wykończeniowy.
Nowe spoiwa mogą zmniejszyć ilość tradycyjnego cementu
Zamiast całkowicie rezygnować z betonu, można również zmieniać jego skład. Część cementu portlandzkiego zastępuje się dodatkami mineralnymi, takimi jak popioły, żużel wielkopiecowy, kalcynowane gliny czy odpowiednio przygotowany wapień.
Pozwala to ograniczyć ilość klinkieru, którego produkcja odpowiada za znaczną część emisji. Kierunek ten jest wskazywany przez IEA jako jedno z podstawowych działań potrzebnych do zmniejszenia wpływu cementu i betonu na klimat.
Rozwijane są również geopolimery i spoiwa alkalicznie aktywowane. Mogą wykorzystywać produkty uboczne przemysłu, lecz wymagają precyzyjnej kontroli składu, dostępności odpowiednich surowców i potwierdzenia trwałości w konkretnych warunkach.
W praktyce niskoemisyjny beton może mieć większe znaczenie niż całkowicie nowy materiał. Branża budowlana posiada już wytwórnie, pompy, szalunki i doświadczenie potrzebne do jego stosowania. Zmiana receptury jest łatwiejsza do wdrożenia w dużej skali niż przebudowa całego systemu budownictwa.
Nie każdą mieszankę można jednak stosować dokładnie tak samo. Zmieniony skład może wpływać na czas wiązania, wczesną wytrzymałość i zachowanie w niskiej temperaturze. Projekt oraz harmonogram prac muszą uwzględniać właściwości konkretnego produktu.
Druk 3D nie oznacza końca betonu
Drukowanie budynków jest często przedstawiane jako przełom materiałowy. W rzeczywistości wiele drukarek wykorzystuje specjalną zaprawę cementową. Zmienia się więc sposób wykonania, ale niekoniecznie podstawowy surowiec.
Technologia może ograniczyć ilość materiału dzięki precyzyjnemu nakładaniu go tylko tam, gdzie jest potrzebny. Pozwala również tworzyć kształty trudne do wykonania tradycyjnymi metodami i zmniejszyć zapotrzebowanie na deskowanie.
Nie rozwiązuje jednak automatycznie problemu emisji. Jeśli drukarka zużywa mieszankę z dużą zawartością cementu, ślad materiałowy nadal może być znaczący. Potrzebne jest również zbrojenie, wykonanie stropów, dachu, instalacji oraz izolacji.
Druk 3D może więc zmienić organizację budowy, ale sam w sobie nie jest materiałem zastępującym beton. Jego znaczenie będzie zależało od rodzaju stosowanej mieszanki oraz od tego, czy technologia rzeczywiście zmniejsza całkowite zużycie surowców.
Najbardziej ekologiczny materiał może okazać się tym, którego nie użyto
W dyskusji o nowych materiałach łatwo skupić się na zamiennikach, zapominając o najprostszym sposobie ograniczenia wpływu budownictwa: zużywaniu mniejszej ilości surowców.
Prostsza bryła, rozsądna powierzchnia domu, brak niepotrzebnych podziemi i właściwie zaprojektowany układ konstrukcyjny mogą ograniczyć ilość betonu, stali, izolacji oraz materiałów wykończeniowych bez stosowania eksperymentalnych technologii.
Duże znaczenie ma również modernizacja istniejących budynków. Zachowanie konstrukcji i dostosowanie jej do nowych potrzeb pozwala uniknąć emisji związanych z rozbiórką oraz produkcją pełnego zestawu nowych materiałów.
Konstrukcję można też projektować z myślą o przyszłym demontażu. Połączenia rozłączne, powtarzalne wymiary i dokładna dokumentacja zwiększają szansę, że elementy zostaną ponownie wykorzystane zamiast rozkruszone.
Takie podejście może być mniej widowiskowe niż dom z konopi albo drukarka stawiająca ściany, ale często daje większy i łatwiejszy do przewidzenia efekt.
Czy rzeczywiście będziemy budować bez betonu?
Całkowite odejście od betonu jest mało prawdopodobne. Pozostanie on potrzebny w fundamentach, infrastrukturze, budownictwie podziemnym i wielu konstrukcjach wymagających dużej nośności oraz odporności na wodę.
Zmienić może się natomiast sposób jego używania. Zamiast wykonywać z betonu niemal każdą część budynku, projektanci będą częściej łączyć go z drewnem, stalą, materiałami pochodzenia roślinnego i elementami z odzysku. Sam beton może zawierać mniej tradycyjnego cementu i być stosowany w bardziej zoptymalizowanych konstrukcjach.
Najbliższa przyszłość prawdopodobnie nie przyniesie jednego materiału, który zastąpi wszystkie pozostałe. Drewno nie nadaje się do każdego fundamentu, konopie nie przeniosą ciężaru wielopiętrowego budynku, a ziemia nie sprawdzi się bez odpowiedniej ochrony przed wilgocią.
Prawdziwa zmiana będzie polegała na odejściu od automatycznego wybierania betonu tam, gdzie nie jest konieczny. Dom może mieć betonowy fundament, drewnianą konstrukcję, izolację z włókien roślinnych, gliniane tynki i elementy wykończeniowe pochodzące z odzysku.
Budownictwo bez ani jednego kilograma betonu pozostanie niszą. Budownictwo zużywające go znacznie mniej jest natomiast technicznie możliwe już dziś.
