Materials To Take Us Beyond Concrete

Concrete is everywhere, but it’s bad for the planet, generating large amounts of carbon dioxide – alternatives are being developed

Bê tông ở khắp mọi nơi, nhưng nó có hại cho hành tinh này, tạo ra một lượng lớn CO₂ – các phương pháp thay thế đang được phát triển

A. Concrete is the second most used substance in the global economy, after water – and one of the world’s biggest single sources of greenhouse gas emissions. The chemical process by which cement, the key ingredient of concrete, is created results in large quantities of carbon dioxide. The UN estimates that there will be 9.8 billion people living on the planet by mid-century. They will need somewhere to live. If concrete is the only answer to the construction of new cities, then carbon emissions will soar, aggravating global warming. And so scientists have started innovating with other materials, in a scramble for alternatives to a universal commodity that has underpinned our modern life for many years.

Bê tông là chất được sử dụng nhiều thứ hai trong nền kinh tế toàn cầu, sau nước – và là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính lớn nhất thế giới. Quá trình hóa học tạo ra xi măng, thành phần chính của bê tông, tạo ra một lượng lớn CO₂. Liên Hợp Quốc ước tính rằng sẽ có 9,8 tỷ người sống trên hành tinh này vào giữa thế kỷ này. Họ sẽ cần một nơi nào đó để sống. Nếu bê tông là câu trả lời duy nhất cho việc xây dựng các thành phố mới, thì lượng khí thải carbon sẽ tăng cao, làm trầm trọng thêm tình trạng nóng lên toàn cầu. Và vì vậy, các nhà khoa học đã bắt đầu đổi mới với các vật liệu khác, trong cuộc chạy đua tìm kiếm các phương thức thay thế cho một mặt hàng phổ biến đã làm nền tảng cho cuộc sống hiện đại của chúng ta trong nhiều năm.

B. The problem with replacing concrete is that it is so very good at what it does. Chris Cheeseman, an engineering professor at Imperial College London, says the key thing to consider is the extent to which concrete is used around the world and is likely to continue to be used. ‘Concrete is not a high-carbon product. Cement is high carbon, but concrete is not. But it is the scale on which it is used that makes it high carbon. The sheer scale of manufacture is so huge, that is the issue.”

Vấn đề khi thay thế bê tông là nó làm rất tốt công việc của nó. Chris Cheeseman, giáo sư kỹ thuật tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn, cho biết điều quan trọng cần xem xét là mức độ sử dụng bê tông trên toàn thế giới và có khả năng tiếp tục được sử dụng. “Bê tông không phải là sản phẩm có hàm lượng carbon cao. Xi măng có hàm lượng carbon cao, nhưng bê tông thì không. Nhưng chính quy mô mà nó được sử dụng đã làm cho nó có hàm lượng carbon cao. Quy mô sản xuất quá lớn, đó là vấn đề.”

C. Not only are the ingredients of concrete relatively cheap and found in abundance in most places around the globe, the stuff itself has marvellous properties: Portland cement, the vital component of concrete, is mouldable and pourable, but quickly sets hard. Cheeseman also notes another advantage: concrete and steel have similar thermal expansion properties, so steel can be used to reinforce concrete, making it far stronger and more flexible as a building material than it could be on its own. According to Cheeseman, all these factors together make concrete hard to beat. ‘Concrete is amazing stuff. Making anything with similar properties is going to be very difficult.’

Thành phần của bê tông không chỉ tương đối rẻ và có sẵn rất nhiều ở hầu hết các nơi trên thế giới, chất liệu bê tông còn có những đặc tính tuyệt vời: xi măng Portland, thành phần quan trọng của bê tông, có thể đúc và đổ được, nhưng đông cứng nhanh chóng. Cheeseman cũng lưu ý một ưu điểm khác: bê tông và thép có đặc tính giãn nở nhiệt tương tự nhau, vì vậy thép có thể được sử dụng để gia cố bê tông, làm cho nó trở thành một vật liệu xây dựng cứng hơn và linh hoạt hơn nhiều so với dùng riêng lẻ mình nó. Theo Cheeseman, tất cả những yếu tố này cùng nhau làm cho bê tông trở nên khó bị đánh bại. “Bê tông là thứ tuyệt vời. Việc tạo ra bất cứ điều gì có các đặc tính tương tự sẽ rất khó.”

D. A possible alternative to concrete is wood. Making buildings from wood may seem like a rather medieval idea, but climate change is driving architects to turn to treated timber as a possible resource. Recent years have seen the emergence of tall buildings constructed almost entirely from timber. Vancouver, Vienna and Brumunddal in Norway are all home to constructed tall, wooden buildings.

Một phương án thay thế có thể cho bê tông là gỗ. Xây dựng các tòa nhà từ gỗ có vẻ giống như một ý tưởng thời trung cổ, nhưng biến đổi khí hậu đang thúc đẩy các kiến trúc sư chuyển sang sử dụng gỗ đã qua xử lý như một nguồn tài nguyên khả thi. Những năm gần đây đã chứng kiến sự xuất hiện của các tòa nhà cao tầng được xây dựng gần như hoàn toàn bằng gỗ. Vancouver, Vienna và Brumunddal ở Na Uy đều là nơi có những tòa nhà cao bằng gỗ được xây dựng.

E. Using wood to construct buildings, however, is not straightforward. Wood expands as it absorbs moisture from the air and is susceptible to pests, not to mention fire. But treating wood and combining it with other materials can improve its properties. Cross-laminated timber is engineered wood. An adhesive is used to stick layers of solid-sawn timber together, crosswise, to form building blocks. This material is light but has the strength of concrete and steel. Construction experts say that wooden buildings can be constructed at a greater speed than ones of concrete and steel and the process, it seems, is quieter.

Tuy nhiên, việc sử dụng gỗ để xây dựng các tòa nhà không hề đơn giản. Gỗ nở ra khi hấp thụ độ ẩm từ không khí và dễ bị các loại côn trùng gây hại tấn công, chưa kể đến nguy cơ cháy. Nhưng xử lý gỗ và kết hợp nó với các vật liệu khác có thể cải thiện các đặc tính của nó. Gỗ ép chéo là gỗ kỹ thuật. Chất kết dính được sử dụng để dán các lớp gỗ xẻ nguyên khối lại với nhau theo chiều ngang để tạo thành các khối xây dựng. Vật liệu này nhẹ nhưng có độ bền của bê tông và thép. Các chuyên gia xây dựng nói rằng các tòa nhà bằng gỗ có thể được xây dựng với tốc độ nhanh hơn so với bê tông và thép và quá trình này dường như yên tĩnh hơn.

F. Stora Enso is Europe’s biggest supplier of cross-laminated timber, and its vice-president Markus Mannstrom reports that the company is seeing increasing demand globally for building in wood, with climate change concerns the key driver. Finland, with its large forests, where Stora Enso is based, has been leading the way, but the company is seeing a rise in demand for its timber products across the world, including in Asia. Of course, using timber in a building also locks away the carbon that it absorbed as it grew. But even treated wood has its limitations and only when a wider range of construction projects has been proven in practice will it be possible to see wood as a real alternative to concrete in constructing tall buildings.

Stora Enso là nhà cung cấp gỗ ép chéo lớn nhất châu Âu, và phó chủ tịch Markus Mannstrom báo cáo rằng công ty đang nhận thấy nhu cầu xây dựng bằng gỗ ngày càng tăng trên toàn cầu, với nguyên nhân chính là biến đổi khí hậu. Phần Lan, với những khu rừng rộng lớn, nơi Stora Enso đặt trụ sở, đang dẫn đầu, nhưng công ty đang nhận thấy nhu cầu về các sản phẩm gỗ của mình tăng lên trên khắp thế giới, bao gồm cả ở Châu Á. Tất nhiên, sử dụng gỗ trong một tòa nhà cũng giúp loại bỏ lượng carbon mà nó hấp thụ khi lớn lên. Nhưng ngay cả gỗ đã qua xử lý cũng có những hạn chế của nó và chỉ khi một loạt dự án xây dựng rộng hơn được chứng minh trong thực tế thì gỗ mới có thể được coi là vật liệu thay thế thực sự cho bê tông trong xây dựng nhà cao tầng.

G. Fly ash and slag from iron ore are possible alternatives to cement in a concrete mix. Fly ash, a byproduct of coal-burning power plants, can be incorporated into concrete mixes to make up as much as 15 to 30% of the cement, without harming the strength or durability of the resulting mix. Iron-ore slag, a byproduct of the iron-ore smelting process, can be used in a similar way. Their incorporation into concrete mixes has the potential to reduce greenhouse gas emissions.

But Anna Surgenor, of the UK’s Green Building Council, notes that although these waste products can save carbon in the concrete mix, their use is not always straightforward. ‘It’s possible to replace the cement content in concrete with waste products to lower the overall carbon impact. But there are several calculations that need to be considered across the entire life cycle of the building – these include factoring in where these materials are being shipped from. If they are transported over long distances, using fossil fuels, the use of alternative materials might not make sense from an overall carbon reduction perspective.

Tro bay và xỉ từ quặng sắt có thể là những lựa chọn thay thế cho xi măng trong hỗn hợp bê tông. Tro bay, một sản phẩm phụ của các nhà máy điện đốt than, có thể được đưa vào hỗn hợp bê tông để tạo thành từ 15 đến 30% xi măng mà không làm ảnh hưởng đến cường độ hoặc độ bền của hỗn hợp tạo thành. Xỉ quặng sắt, sản phẩm phụ của quá trình luyện quặng sắt, có thể được sử dụng theo cách tương tự. Sự kết hợp của chúng vào hỗn hợp bê tông có khả năng giảm phát thải khí nhà kính.

Nhưng Anna Surgenor, thuộc Hội đồng Công trình Xanh của Vương quốc Anh, lưu ý rằng mặc dù những sản phẩm phụ thải có thể giảm lượng carbon trong hỗn hợp bê tông, nhưng việc sử dụng chúng không phải lúc nào cũng đơn giản. “Có thể thay thế hàm lượng xi măng trong bê tông bằng các chất thải để giảm tác động carbon tổng thể. Tuy nhiên, có nhiều phép tính cần được xem xét trong suốt quá trình toàn bộ của công trình – những tính toán này bao gồm tính toán xem các vật liệu này được vận chuyển từ đâu. Nếu chúng được vận chuyển trên một khoảng cách dài, sử dụng nhiên liệu hóa thạch, thì việc sử dụng các vật liệu thay thế có thể không hợp lý từ góc độ giảm thiểu carbon tổng thể.”

H. While these technologies are all promising ideas, they are either unproven or based on materials that are not abundant. In their overview of innovation in the concrete industry, Felix Preston and Johanna Lehne of the UK’s Royal Institute of International Affairs reached the conclusion that, ‘Some novel cements have been discussed for more than a decade within the research community, without breaking through. At present, these alternatives are rarely as cost-effective as conventional cement, and they face raw-material shortages and resistance from customers.

Mặc dù những công nghệ này đều là những ý tưởng đầy hứa hẹn, nhưng chúng chưa được chứng minh hoặc dựa trên các vật liệu không phong phú. Trong phần tổng quan về sự đổi mới trong ngành công nghiệp bê tông, Felix Preston và Johanna Lehne thuộc Viện Quan hệ Quốc tế Hoàng gia Vương quốc Anh đã đưa ra kết luận rằng, “Một số loại xi măng mới đã được thảo luận trong hơn một thập kỷ trong cộng đồng nghiên cứu mà không có đột phá nào, vẫn dậm chân tại chỗ. Hiện tại, những giải pháp thay thế này không rẻ như xi măng thông thường, đồng thời chúng phải đối mặt với tình trạng thiếu nguyên liệu thô và sự phản đối của khách hàng.”