Sisustus ja lattiat | NRO 2/2025
Uutta tietoa betonin kosteudensiirto-ominaisuuksista – vähähiiliset toimivat betonilattiat
Suomen Betoniyhdistys ry BY toteutti vuosina 2023–2024 laajan tutkimushankkeen…
Kiertotalous, Tutkimus ja kehitys | NRO 2/2025
Vähähiilisen betonin tiekartta
Vähähiilisen betonin tiekartassa on analysoitu mahdollisuuksia betonin päästövähennyksiin. Merkittävimmäksi toimenpiteeksi nousee odotetusti hiilidioksidin talteenotto sementin valmistuksessa. Lyhyellä aikavälillä potentiaalisimpana toimenpiteenä nähdään seossementtien käytön lisääminen.
Kalkkikivi (CaCO3) ja sen kalsinointiprosessissa syntyvät tuotteet ovat aina olleet hyvin keskeisessä roolissa rakentamisessa. Kalkkilaastia on käytetty rakentamisessa jo tuhansia vuosia. Kalkkilaastissa sammutettu kalkki (CaOH2) reagoi ilman hiilidioksidin kanssa kovettuen takaisin kalsiumkarbonaatiksi. Reaktio on kuitenkin hidas, lujuustaso jää alhaiseksi ja reaktio tapahtuu kokonaisuudessaan vain kuin laasti on tekemisessä hiilidioksidin kanssa. Roomalaiset jatkokehittivät kalkkilaastia hyödyntämällä vulkaanista luonnon pozzolaania, joka reagoi sammutetun kalkin kanssa. Etuna kalkkilaastiin verrattuna oli, että roomalaisten ”sementti” kovettui myös veden alla ja rakenteiden sisällä. Näin roomalaiset tulivat keksineensä myös betonin. Roomalaisilla oli ajallisesti pidempi kokemus sementin ja betonin käytössä kuin mitä meillä on nykyään.
Iso kehitysaskel kalkkikivipohjaisten sideaineiden kehityksessä tapahtui noin 200 vuotta sitten Englannissa, kun Portland-sementti keksittiin. Portland-sementin valmistuksessa polttovaihe viedään pidemmälle kuin pelkässä kalsinoinnissa ja näin muodostuu sementtiklinkkeriä, joka jauhetaan sementiksi. Kalkkilaastiin tai roomalaiseen sementtiin verrattuna modernin sementin lujuustaso on selvästi korkeampi ja lujuudenkehitys nopeampaa. Uusi, tehokas sideaine yhdessä raudoituksen kehittymisen kanssa valloittivat nopeasti rakentamisen ja betonin käyttömäärät kasvavat edelleen.
Yhteistä näille kaikille kalkkikiven kalsinointiin perustuville sideaineille (kalkkilaasti, roomalainen sementti ja Portland-sementti) on kalsinoinnissa vapautuva hiilidioksidi (CaCO3 → CaO + CO2). Kalkkikiveen miljoonien vuosien aikana kiteytynyt hiilidioksidi vapautuu ilmakehään, eikä tätä kemiallista reaktiota voida estää. Ominaispäästöt sementin ja betonin osalta eivät ole korkeat, kuitenkin sementin valmistus aiheuttaa globaalisti noin 8 % hiilidioksidipäästöistä. Suomessa osuus on selvästi pienempi, alle 2 %. Suuri osuus johtuu betonin valtavista käyttömääristä. Ja johtuen juuri betonin erittäin merkittävästä roolista rakentamisessa, betonia on erittäin vaikea ja usein mahdotontakin korvata muilla materiaaleilla. Vaikka betonin ominaispäästöt ovat pienet, noin 0,1 kg–CO2 eq /kg, edelleenkin tehokkain tapa vähentää betonin aiheuttamia päästöjä, on betonin ominaispäästöjen vähentäminen.
Mahdollisuudet betonin valmistuksen päästövähennyksiin
Vuonna 2024 tehtiin Aalto-yliopiston, betoni- ja sementtiteollisuuden yhteistyönä Vähähiilisen betonin tiekartta. Tiekartassa on analysoitu kattavasti eri mahdollisuuksia vähentää betonin valmistuksen CO2-päästöjä. Tiekartassa arvioidaan eri toimenpiteillä saavuttavia päästövähennyksiä vuosina 2030, 2040 ja 2050. Päästövähennysten lisäksi arvioidaan karkealla tasolla myös toteutumisriskejä sekä kustannusvaikutuksia. Tiekartta keskittyy CO2-päästöihin ja niiden vähentämismahdollisuuksiin. Tiekartassa ei siten tarkastella muita kestävän kehityksen näkökulmia kuten luonnonvarojen käyttöä tai biodiversiteettiä. Samoin tiekartassa rajoitutaan vain päästövähennystoimenpiteisiin, esimerkiksi talteen otetun hiilidioksidin varastointia tai hyödyntämistä ei analysoida. Tiekartassa noudatetaan ”gradle-to-gate” periaatetta eli tarkastellaan elinkaarianalyysin vaiheita A1–A3, jotka pitävät sisällään betonin raaka-aineiden, niiden kuljetusten sekä valmistusprosessin aiheuttamat päästöt. Näin ollen valmisbetonin, betonielementtien tai betonituotteiden kuljetuksia työmaalle tai mahdollisia työmaatoimintoja ei tarkastella. Laskelmissa oletetaan, että betonin valmistusmäärä tulee säilymään nykyisellä tasolla. Mahdolliset muutokset eivät kuitenkaan vaikuttaisi merkittävästi esitettyihin arvoihin, koska analyysit tehdään betoni-m3 kohden.
Tiekartta-projektia ovat rahoittaneet SBK Säätiö sr, Betoniyhdistys ry., Finnsementti Oy ja Aalto-yliopisto. Tiekartan on koonnut professori Jouni Punkki ja työtä on tukenut teollisuuden edustajista koostunut ohjausryhmä.
Tiekartassa on tunnistettu ja analysoitu kaikkiaan 16 eri päästövähennysmahdollisuutta. Nämä ovat jaettu kolmeen ryhmään: Sementin valmistus, Betonin valmistus ja Rakenteet (kuva 1). Eri päästövähennystoimenpiteet on muunnettu vertailukelpoisiksi esittämällä päästövähennykset betoni-m3 kohden (kg-CO2 eg/m3-betoni). Laskelmissa on pyritty välttämään päällekkäislaskentaa. Kuitenkin osa esitetyistä päästövähennysmahdollisuuksista on vaihtoehtoisia keskenään ja siten kaikki päästövähennykset ei ole yhteenlaskettavissa.
Koko betoniteollisuuden lisäksi tiekartassa on arvioitu yksittäisen yritykset mahdollisuuksia päästövähennyksiin. Yksittäisten yritysten osalta arvioinnit on tehty tuoteryhmittäin ja analyysit pyrkivät arvioimaan tilannetta, jolloin yritys panostaa runsaasti päästövähennystoimenpiteisiin. Yritystasoinen analyysi on nähty tärkeäksi, sillä havaitaan toimenpiteitä, joilla ei koko betonialan osalta saavuteta suuria päästövähennyksiä, mutta voivat olla yhden yrityksen kannalta hyvinkin merkittäviä.
Rakenteet-ryhmän vaihtoehdot ovat jossain poikkeavia verrattuna sementin ja betonin valmistukseen liittyviin vaihtoehtoihin. Rakenteisiin liittyvät päästövähennysvaihtoehdot eivät yleensä ole betonin valmistajan päätösvallassa, vaan esimerkiksi suunnittelijan valittavissa. Lisäksi mukana oleva karbonatisoituminen tapahtuu ilman erityisiä toimenpiteitä. Karbonatisoituminen onkin tiekartassa mukana lähinnä vain vertailuarvona.
Koko betoniteollisuuden päästövähennykset
Koko betoniteollisuuden päästövähennykset kuvastavat kokonaistilannetta betonin valmistuksen päästövähennysten osalta. Laskelmat on tehty tuoteryhmittäin ja tuoteryhmien tuotanto-osuudet on otettu huomioon. Kuvassa 2a on esitetty betonin valmistuksen päästövähennykset koko tarkastelujaksolla (2030–2050). Kuvassa 2b on esitetty vastaavasti päästövähennykset lyhyellä aikavälillä eli vuoteen 2030 mennessä.
Kuvasta 2a nähdään, että sementin valmistus dominoi päästövähennyksiä pidemmällä aikavälillä. Tämä on olettavaa, aiheuttaahan sementti valtaosan betonin CO2-päästöistä. Sementin valmistuksen jälkeen suurimmaksi yksittäiseksi tekijäksi nousee raaka-aineiden kuljetukset. Lyhyellä aikavälillä, vuoteen 2030 mennessä (kuva 2b), sementin rooli on suhteellisesti pienempi.
Sementin valmistus
Sementin osalta on analysoitu neljä vaihtoehtoa päästövähennyksiin:
- Sementtien seostaminen
- Energiatehokkuus ja raaka-aineet
- Vähäpäästöinen energia ja sähköinen kalsinointi
- Hiilidioksidin talteenotto
Sementtien seostaminen kuuluisi periaatteessa sekä sementin että betonin valmistuksen alle. Sementin valmistaja valmistaa seossementit, mutta betonin valmistaja valitse käytettävän sementtityypin. Esitetty sementtien seostaminen pitää sisällään myös tilanteen, jossa seosaine lisätään betoniasemalla. Vaikutukset päästöihin ovat hyvin samanlaiset. Sementtien seostamisen osalta ei oteta kanssa seosaineiden laatuun. Seosaineissa tulee tapahtumaan muutoksia vuoteen 2050 mennessä. Laskelmissa oletetaan, että seosaineet voivat muuttua, mutta seosaineiden päästötasot tulevat olemaan kutakuinkin nykyisellä tasolla.
Kuvassa 3 on esitetty tarkemmin sementin keskimääräisten päästöjen kehitystä eri toimenpiteiden vaikutuksesta. Sementtien nykyinen laskennallinen keskimääräinen päästötaso, 609 kg-CO2 eg/tn-sem, alenisi arvioiden mukaan tasolle 40 kg-CO2 eg/tn-sem vuoteen 2050 mennessä.
Mikäli edellä esitetyt päästövähennystoimenpiteet toteutuvat, sementistä tulee lähes nollapäästöinen, koska kaikki sementin valmistuksen merkittävät päästölähteet voidaan eliminoida. Samalla myös betonista tulee erittäin vähäpäästöinen rakennusmateriaali, betonin osalta voidaan hyödyntää sementin päästövähennysten lisäksi myös muita päästövähennystoimenpiteitä. Päästövähennysten kustannukset ovat vielä tässä vaiheessa vaikeasti arvioitavissa, mutta tulevaisuudessa betonin hintaan tulee vaikuttamaan betonin päästötaso. Betonin päästöjen radikaali vähentyminen tulee vaikuttamaan myös monien muiden päästövähennystoimenpiteiden kilpailukykyyn.
Koska suurimmat sementin päästövähennykset saavutetaan vasta 2030:n jälkeen, tulee lyhyemmällä aikavälillä panostaa seossementtien käyttöön. Hiilidioksidin talteenoton kustannusvaikutusten takia seossementtejä tullaan tarvitsemaan myös 2040- ja 2050 luvuilla. Seossementtien käyttömahdollisuudet vaihtelevat jossain määrin tuoteryhmittäin sekä valmistettavien tuotteitten mukaan, mutta seossementtien käyttö on tehokas ja varsin helposti toteutettava päästövähennystoimenpide.
Betonin valmistus
Betonin valmistuksen osalta on analysoitu kahdeksan eri vaihtoehtoa päästövähennyksiin:
- Uudet sideaineet
- Reseptioptimointi
- Valmistustekniikka
- Sähkö- ja lämmitysenergia
- Betonimurskeen käyttö
- Sementin ja kiviainesten kuljetukset
- CO2:n sitouttaminen tuoreeseen betoniin
- CO2:n sitouttaminen betoniin kovettumisen aikana
Uusilla sideaineilla tarkoitetaan tässä tapauksessa sideaineita, jotka eivät ole tällä hetkellä täytä betonistandardien vaatimuksia. Laskelmissa kuitenkin oletetaan, että tilanne voi muuttua ja siten käyttömäärät kasvavat nykytasosta. Laskemat on tehty päästötasojen perusteella, sideaineen tarkkaan koostumukseen ei oteta kantaa. Kriittistä tulee olemaan uusien sideaineiden soveltuvuus erityisesti kantaviin rakenteisiin sekä myös raaka-aineiden saatavuus.
Reseptioptimoinnin osalta on analysoitu toimenpiteitä, joiden avulla betonin valmistaja voi vähentää sementin määrää, ja sitä kautta betonin CO2-päästöt alenevat. Sementin määrää voidaan vähentää esimerkiksi optimoimalla kiviaineksen rakeisuutta ja/tai laatua. Samoin lujuusmarginaalin pienentäminen mahdollistaa sementtimäärän alentamisen. Toisaalta murskattujen hienojen kiviainesten laajempi käyttö tulee lisäämään betonin vedentarvetta ja siten myös sementin tarvetta. Reseptioptimoinnin mahdollisuuksiin voi vaikuttaa heikentävästi seossementtien lisääntyvä käyttö. Reseptioptimointi on useimmista päästövähennystoimenpiteistä poikkeava siinä suhteessa, että sillä voidaan jopa alentaa kustannuksia.
Valmistustekniikan osalta on arvioitu mahdollisuuksia vähentää sementin tarvetta lämpökäsittelyn avulla sekä notkeusluokan muutoksen kautta. Lämpökäsittelyn avulla voidaan nopeuttaa lujuudenkehitystä ja siten alentaa sementin määrää. Lämpökäsittelyn hyödyntäminen koskee käytännössä vain elementti- ja betonituoteteollisuutta, Betonin notkeustason muuttaminen ei ole ongelmatonta, esimerkiksi valmisbetonin osalta notkeusluokka on yksi tilaajan edellyttämä ominaisuus ja siten betonin valmistaja ei voi sitä yksipuolisesti muuttaa. Kuitenkin betonin notkeus nähdään yhtenä varsin yksinkertaisena ja kustannustehokkaana keinona vähentää betonin päästöjä.
Betonin valmistusprosessi kuluttaa varsin vähän energiaa, mutta myös energian kulutuksessa on säästöpotentiaalia. Tiekartassa tarkastellaan sähkön ja lämmitysenergian kulutuksia ja lähtöarvoina energian kulutukselle käytetään BY-Vähähiilisyysluokituksen oletusarvoja. Laskelmissa oletetaan, että sähkön ominaispäästöt alenevat CO2data.fi tietokannassa esitettyjen arvojen mukaisesti. Lämmitysenergian osalta oletetaan, että fossiilinen energia (kevyt polttoöljy) korvautuu vähäpäästöisellä bioenergialla. Lisäksi energian kulutuksen oletetaan pienenevän energiansäästötoimenpiteiden vaikutuksessa. Muutokset lämmitysenergian kulutuksessa oletetaan pienemmäksi kuin sähkön osalta, koska sementtien seostaminen tulee todennäköisesti kasvattamaan lämmityksen tarvetta.
Hyödynnettäessä betonimursketta betonin valmistuksessa murskattu betoni korvaa kiviainesta, jonka CO2-päästöt ovat hyvin alhaiset. Siten betonimurskeen käytöllä betonin valmistuksessa ei voida saavuttaa suuria päästövähennyksiä. Kuitenkin kiviainesten kuljetusmatkat pidentyvät jatkuvasti ja kuljetuksista aiheutuu merkittäviä päästöjä. Mikäli betonin valmistajan hyödyntää omaa hukkabetonia uusiokiviainesten valmistuksessa, päästövähennyksiä syntyy kuljetusten vähentymisestä.
Sementin kuljetuksen aiheuttamat päästöt eivät kuulu sementin valmistajan päästöihin, mutta ne täytyy huomioida betonin valmistajan päästölaskelmissa. Vastaavasti myös kiviainesten kuljetukset huomioidaan betonin päästölaskelmissa. Tällä hetkellä kuljetuksissa käytetään fossiilista polttoainetta, mutta tulevaisuudessa kuljetusten päästöjen voidaan olettaa laskevan biopolttoaineiden (biodiesel tai biokaasu) käytön ja/tai sähkökäyttöisen (akkukäyttöisen) kuljetuskaluston myötä. Laskelmissa oletetaan, että fossiilinen polttoaine korvautuu vähitellen vähäpäästöisillä polttoaineilla, akkukäyttöisellä kuljetuskalustolla saavutettaisiin vieläkin suuremmat päästövähennykset.
Hiilidioksidia voidaan sitouttaa sekä tuoreeseen betoniin että betoniin kovettumisen aikana. Tiekartassa on arvioitu molempia vaihtoehtoja. Hiilidioksidin sitouttaminen betoniin kytkeytyy olennaisesti hiilidioksidin talteenottoon sementtitehtaalla. Tulevaisuudessa tulee olemaan selkeä tarve varastoida hiilidioksidia pysyvästi ja siinä hiilidioksidin sitouttaminen betoniin on potentiaalinen vaihtoehto. Hiilidioksidin sitouttaminen kovettumisen aikana mahdollistaa selvästi suuremmat päästövähennykset kuin mitä on saavutettavissa sitouttamisessa tuoreeseen betoniin, mutta toisaalta sitouttaminen kovettumisen aikana soveltuu vain kooltaan pienehköille tuotteille, koska sitouttaminen tapahtuu CO2-kammiossa.
Kokonaisuutena betonin valmistuksessa voidaan saavuttaa merkittäviä päästövähennyksiä, päästövähennykset jäävät kuitenkin selvästi matalammalle tasolle kuin mitä sementin osalta voidaan saavuttaa. Koko betoniteollisuuden osalta suurimmat päävähennykset saavutetaan raaka-aineiden kuljetuksista sekä valmistuksen energian käytöstä (kuva 2a). Kyseiset säästötoimenpiteet voidaan toteuttaa myös varsin lyhyellä aikavälillä.
Rakenteet
Perinteisesti rakenteiden suunnittelussa on kiinnitetty vähemmän huomiota rakenteiden päästöihin, mutta jatkossa rakenteita tullaan varmasti optimoimaan myös CO2-päästöjen kannalta. Päästövähennysten arvioiminen on kuitenkin varsin haastavaa, koska päästövähennykset ovat hyvin tapauskohtaisia. Rakenteiden osalta suunnittelija on avainroolissa, betonin valmistaja ei voi yksin vaikuttaa rakenteiden päästöihin. Tiekartassa arvoitiin seuraavia rakenteisiin liittyviä päästövähennyksiä:
- Betonin lujuusluokka ja puristuslujuuden arvosteluikä
- Suunnitteluratkaisut
- Elementtien uudelleenkäyttö
- Karbonatisoituminen
Lujuusluokkien osalta arvioidaan mahdollisuuksia välttää ylilujuuksia. Samoin tarkastellaan millaisia päästövähennyksiä pidempi puristuslujuuden arvosteluikä (28 vrk → 91 vrk) voisi antaa. Myös kiviainesten maksimiraekoolla on vaikutus betonin päästöihin. Edellä mainitut toimenpiteen voidaan toteuttaa vain osassa kohteita. Suunnitteluratkaisujen osalta arvioitiin varsin yleisellä tasolla millaisia päästövähennyksiä voitaisiin saavuttaa. Yksittäisissä kohteissa voitaisiin todennäköisesti saavuttaa selvästi suurempiakin päästövähennyksiä. Elementtien uudelleenkäytöllä voidaan parhaimmillaan saavuttaa merkittäviä päästövähennyksiä, koska tuotteen valmistuksen aiheuttamat päästöt jäävät lähes kokonaan pois. Haasteena on kuitenkin varsin vähäiset käyttömäärät. Karbonatisoituminen on tiekartassa lähinnä vertailutasona, päästövähennykseksi arvioitiin olemassa olevien betonirakenteiden hiilinielu suhteessa valmistettuun betonimäärään.
Koko betoniteollisuuden kannalta suunnitteluratkaisuilla arvioitiin saavutettavan suurimmat päästövähennykset. Myös olemassa olevien rakenteiden karbonatisoitumisen vaikutus on yllättävän suuri. Yksittäisten valmisbetoniyritysten osalta lujuusluokan ja arvosteluiän muutoksilla sekä suunnitteluratkaisuilla voidaan saavuttaa suurimmat päästövähennykset. Yksittäisen elementtien valmistajan osalta myös elementtien uudelleen käytöllä on merkittävää säästöpotentiaalia.
Yksittäisen betonin valmistajan päästövähennykset
Koko betoniteollisuuden osalta on arvioitu tuoteryhmittäin yksittäisten yrityksen päästövähennysmahdollisuuksia. Arvioinnit on tehty olettaen, että yritys panostaa runsaasti päästövähennyksiin, siten arviot eivät kuvasta tuoteryhmän keskimääräistä tasoa. Päästövähennykset on esitetty kuvissa 4…6.
Yksittäisten yritysten mahdollisuudet päästövähennyksiin poikkeavat oletetusti koko betonialan keskimääräisistä arvoista. Sementin päästövähennyksillä on edelleen suuri merkitys, mutta rinnalle nousee muitakin merkittäviä päästövähennysmahdollisuuksia. Erityisesti lyhyellä aikavälillä (2030) voidaan havaita useitakin merkittäviä mahdollisuuksia. Toimenpiteet ovat kuitenkin hyvin yrityskohtaisia ja siten betonin valmistajien tulee analysoida omaan tuotantoon soveltuvat tehokkaimmat toimenpiteet.
Yhteenveto
Vähähiilisen betonin tiekartassa on analysoitu 16 eri mahdollisuutta betonin päästövähennyksiin. Koko tarkastelujaksolla merkittävimmäksi toimenpiteeksi nousee odotetusti hiilidioksidin talteenotto sementin valmistuksessa. Lyhyellä aikavälillä (vuoteen 2030 mennessä) potentiaalisimpana toimenpiteenä nähdään seossementtien käytön lisääminen.
Sementin lisäksi nähdään myös useita muita päästövähennystoimenpiteitä, joita voidaan hyödyntää betoniteollisuudessa. Saavutettavat päästövähennykset vaihtelevat tuoteryhmittäin ja myös yrityskohtaisesti. Sementin lisäksi suurimmat mahdollisuudet päästövähennyksiin nähdään raaka-aineiden kuljetuksissa (kaikki tuoteryhmät), valmistuksen energian käytössä (elementit ja betonituotteet), uusissa sideaineissa (kaikki tuoteryhmät) sekä CO2:n sitouttamisessa betoniin kovettumisen aikana (betonituotteet). Edellä mainituista uusien sideaineiden käyttöönotto tulee tapahtumaan viiveellä ja käyttöönottoon liittyy runsaasti epävarmuutta, kun taas muutokset raaka-aineiden kuljetuksissa ja valmistuksen energian käytössä voidaan toteuttaa nopeastikin.
Vaikka suurimmat päästövähennykset tullaan saavuttamaan hiilidioksidin talteenotolla, on tärkeää panostaa muihinkin toimenpiteisiin päästöjen vähentämiseksi. Lyhyemmällä aikavälillä kannattaa panostaa erityisesti seossementtien laajempaan käyttöön. Hiilidioksidin talteenoton kustannusvaikutusten takia seossementtejä tullaan tarvitsemaan myös 2040- ja 2050 luvuilla.
Toteutuessaan esitetyt päästövähennystoimenpiteet tekevät betonista erittäin vähäpäästöisen tai jopa nollapäästöisen rakennusmateriaalin. Sementin päästöjen merkittävä vähentyminen tulee myös vaikuttamaan eri päästövähennysvaihtoehtojen kilpailukykyyn, esimerkiksi uusien sideaineiden kilpailukykyyn tulee vaikuttamaan merkittävästi perinteisten sementtien päästötaso.
Vähäpäästöinen betoni tulee olemaan erittäin tärkeässä roolissa koko rakentamisen päästöjen kannalta. Betonin päästötason radikaali alentuminen tulee tekemään betonista erittäin kilpailukykyisen rakennusmateriaalin myös kestävän kehityksen näkökulmasta. Betonilla on useita erittäin vahvoja ominaisuuksia, betonin raaka-aineita on runsaasti saatavilla kotimaasta, sementin ja betonin valmistuksen päästöt tulevat olemaan minimaaliset, sementin valmistuksessa ei synny juurikaan jätteitä, vaan sementin valmistuksessa voidaan hyödyntää muiden alojen jätteitä. Lisäksi betonin ominaisuudet tunnetaan erittäin hyvin ja betonin käytöstä on Suomessakin jo yli 100 vuoden kokemus.
Artikkeliin liittyviä aiheita