Betonioptimismi

Keskustelussa kestävästä rakentamisesta betoni mielletään usein ongelmana ja asenteet sitä kohtaan ovat yleisesti ottaen kielteisiä – näin tuntuisi olevan ainakin arkkitehtikunnan keskuudessa ja laajemmin rakennusalan ulkopuolella. Keskustelussa nousee usein pinnalle vastakkainasettelu vähähiilisenä pidetyn puurakentamisen kanssa, ja betoni on viime vuosina selvästi jäänyt vähintäänkin imagonsa puolesta tappiolle. Betonin hiilijalanjälki on sen valtavan kulutuksen vuoksi maailmanlaajuisesti korkea, mutta ennen jyrkkien johtopäätösten muodostamista on hyvä kuitenkin ymmärtää, että erittäin merkittävä osa betonin ja sementin maailmanlaajuisista päästöistä liittyy juuri kehittyvien valtioiden hyvin ymmärrettäviin kehityspyrkimyksiin. Iso kysymys onkin, kuinka kehittyviä maita voidaan auttaa ohittamaan se hiili-intensiivinen kehityskulku, jonka kehittyneimmät maat ovat käyneet ja jota tällä hetkellä vauhdikkaimmin kehittyvät maat ovat käymässä läpi. Betonin liiallinen demonisoiminen madaltaa kiinnostusta materiaalia ja siihen liittyvää tutkimusta kohtaan ja voi jopa vaikuttaa negatiivisesti sen hiilijalanjäljen vähentämisessä.

Puurakentaminen mielletään nykyään keskeisimmäksi keinoksi rakentamisen vähähiilistämiseen, erityisesti juuri korkeapäästöisenä pidetyn betonin korvaajana. Kun vertaa betonin ja sementtiperäisten tuotteiden valtavaa kulutusta, 14 miljardia kuutiometriä vuodessa [1], YK:n elintarvike- ja maatalousjärjestö FAO:n tilastoihin maailmanlaajuisista metsien hakkuista, 4 miljardia kuutiota vuodessa [2], on kuitenkin selvää, että puu betonin korvaajana on parhaimmillaankin vain yksi monista tarvittavista keinoista tavoiteltaessa vähähiilistä rakentamista. Lisää keskustelua tarvittaisiin betonin korvaamisen lisäksi myös siitä, kuinka betonirakentamista itsessään voisi toteuttaa vähähiilisemmin.

Betoni-lehdessäkin on julkaistu useita artikkeleita, jotka osoittavat kuinka paljon työtä betonin vähähiilistämiseksi jo tehdään. Markkinoille on tuotu viime vuosina vähähiilisempiä betoneita ja sementtejä perustuen sementin korvaamiseen seosaineilla, kuten masuunikuonalla. Oulun yliopistossa tutkitaan portlandsementille vaihtoehtoisia sideaineita, kuten geopolymeerejä. Hiilidioksidin talteenottoon liittyvät teknologiat vaikuttaisivat viimein olevan tulossa laajemmin markkinoille. IPCC on tunnustanut betonin globaalisti merkittäväksi hiilinieluksi, ja hiilinieluefektin edistämistä tutkitaan aktiivisesti. Lakimuutos betonin jäteluokituksen päättymisen kriteereistä, joka mahdollistaisi betonimurskeen käytön nykyistä laajemmin, on työn alla. Alalla siis tapahtuu paljon. Betonin vähähiilistämispyrkimyksissä rakennussuunnitteluun liittyvät keinot ovat kuitenkin jääneet verrattain vähälle huomiolle.

Hiilijalanjälki isossa kuvassa

Tyypillisen suomalaisen valmisbetonin (C30/37) päästöistä yli 80 % liittyy sementin tuotantoon [3] ja sementin tuotannon hiilipäästöjen arvioidaan olevan maailmanlaajuisesti noin 7 %[4]. Päästöistä suurin osa syntyy kalsinoinnissa, eli kuumennettaessa kalkkikiveä noin 900 °C lämpötilaan, jolloin kalkkikivi hajoaa hiilidioksidiksi ja kalsiumoksidiksi, joka on portlandsementin pääraaka-aine. Näin syntyvien prosessipäästöjen vähentäminen on erittäin vaikeaa, sillä kemiallinen reaktio, jossa hiilidioksidi vapautuu, on tuotannolle välttämätön. Käytännössä ainoa keino vähentää prosessipäästöjä on tuotannon yhteydessä syntyvän hiilidioksidin talteenotto. Sementin ja siihen liittyvien hiilidioksidipäästöjen kierto vuonna 2014 on esitetty tarkemmin eriteltynä kuvassa 2.

Puhuttaessa betonin kestävyydestä huomio kohdistuu yleensä juuri sementin globaalilla tasolla korkeaan hiilijalanjälkeen. On kuitenkin oleellista tarkastella myös mihin betonia käytetään. Betoni poikkeaa yleisestä kulutuksen kaavasta, missä kehittyneimmissä maissa kulutetaan lähes kaikkea korkeamman varallisuuden myötä enemmän kuin vähemmän kehittyneissä maissa. Pääsääntöisesti betonia kulutetaan eniten nimenomaan kehittyvissä maissa, jotka kaupungistuvat vauhdilla ja joissa tarvitaan infrastruktuuria kehityksen edellytyksenä. Kehittyneimmissä maissa infrastruktuuri ja kaupunkirakenne ovat jo olemassa ja betonia käytetään tyypillisesti pienempiä määriä olemassa olevan rakenteen korjaamiseen ja kehittämiseen.

Inhimillisen kehityksen indeksi (eli Human Development Index, HDI) on YK:n kehitysohjelman kehittämä mittari maiden kehitysasteelle, joka huomioi keskimääräisen tulotason lisäksi myös keskimääräisen koulutustason sekä eliniänodotteen. Kuvassa 3 on jaettu maailman maat neljään ryhmään niiden inhimillisen kehityksen indeksin mukaan, noudattaen YK:n kehitysohjelman mukaisia raja-arvoja. Kun verrataan maiden HDI-arvoja asukaskohtaisiin sementintuotantoon liittyviin hiilidioksidipäästöihin, paljastuu että korkeimman HDI-ryhmän päästöjen kasvu on pysähtynyt jo 70-luvun öljykriisiin. Sen jälkeen päästöt ovat pysyneet tasaisina ja kääntyneet jopa loivaan laskuun. Esimerkiksi Suomessa sementin päästöjen osuus kokonaispäästöistä on huomattavasti maailmanlaajuista lukua matalampi, noin 1,8 %[6]. Toiseksi korkeimman HDI:n ryhmä on ohittanut asukaskohtaisissa päästöissään korkeimman HDI:n ryhmän 2000-luvun alkuvuosina ja myös kolmas ryhmä seuraa pitkälti toisen ryhmän käyrää noin 30 vuoden viiveellä. Onkin odotettavissa, että tulevina vuosikymmeninä sementin kulutus tulee yhä nousemaan. Kuvassa 4 on esitetty tarkemmin maittain eriteltynä asukaskohtaiset sementintuotannon päästöt suhteessa inhimillisen kehityksen indeksiin.

Betonilla on suuren kulutuksensa vuoksi korkeat päästöt, mutta toisaalta myös erinomaiset säilyvyysominaisuudet. Mahdollisuus erittäin pitkään käyttöikään antaa betonille hyvät edellytykset vähähiiliseen rakentamiseen, mutta Suomessa matalan keskimääräisen purkuiän vuoksi säilyvyysominaisuuksista ei nykyisellään saada täyttä hyötyä irti. Yleisin ilmoitettu syy rakennusten purkamiselle Suomessa on uudisrakentaminen, ja purkaminen painottuu kaupunkialueille, joiden tehokkuusvaatimukset kiristyvät kaupungistumisen edetessä[7]. Rakennuskannan keskimäärin lyhyt käyttöikä on merkittävä ongelma rakentamisen hiilipäästöjen vähentämisen näkökulmasta. Tampereen yliopistolla on tehty tutkimusta nykyisen betonirakennuskannan uudelleenkäyttöpotentiaalista lupaavin tuloksin. Paikallavalurakenteet voidaan pääasiallisesti kierrättää vain murskaamalla, mutta elementtirakenteiset betonirakennukset ovat ainakin teknisestä näkökulmasta uudelleenkäyttöön hyvin soveltuvia. Juotosvaluin liitetyt rakenteet kuitenkin vaativat piikkaamista tai timanttisahaamista ja ovat siksi työläitä purettavia. Purettavuuden kannalta parhaita liitoksia ovat mm. teollisuusrakennusten pilarien ja palkkien liitoksissa käytetyt pulttiliitokset.[8] Olemassa olevaa rakennuskantaa siis voidaan todennäköisesti ainakin jossain määrin hyödyntää myös uudisrakentamisen materiaalipankkina. Kiertotalouden periaatteisiin nojaten olisi kuitenkin kannattavaa myös suunnitella uudisrakennukset huomioiden entistä paremmin niiden purettavuus tai siirrettävyys elinkaarensa päässä.

Nykyään käytössä olevaan BES-järjestelmään johtaneessa tutkimuksessa vertailtiin asuntotuotannon avoimeksi järjestelmäksi neljää rakennusrungon periaatetta, jotka olivat kantavat seinät -järjestelmä (A-malli), pilari-palkki-järjestelmä (B-malli), pilari-laatta-järjestelmä (C-malli) ja tilaelementtijärjestelmä (D-malli). Alustavassa vertailussa suljettiin pois arvotuksessa selvästi viimeiseksi jäänyt D-malli ja ”paremmin muun tyyppiseen rakentamiseen” soveltuva B-malli, jonka kehitetty versio tuli markkinoille myöhemmin mm. toimitila- ja teollisuusrakentamisessa käytetyn Runko-BESin muodossa. Valituksi tullut A-malli ja pilari-laatta-rakenteinen C-malli puolestaan olivat arvotuksessa hyvin lähellä toisiaan. Aikalaiskertomusten mukaan C-malli olisi jopa alkujaan voittanut ratkaisujen välisen vertailun, mutta pisteytyksen painotuksia päätettiin muuttaa, jotta teollisuudelle mieluisampi A-malli saataisiin valituksi[9].

BES-tutkimuksen loppuraportissa A-mallin valintaa perusteltiin sen paremmalla soveltuvuudella nopeaan käyttöönottoon, arvioidulla noin 2,5 % rakennuskustannussäästöillä, sekä C-mallissa avoimeksi jääneillä rakennus- ja kustannusteknisillä kysymyksillä. Loppuraportissa kuitenkin peräänkuulutettiin pilari-laatta-mallin jatkotutkimusta avointen kysymysten selvittämiseksi[10].

Paremmin muuntojoustavana pidetty pilari-laatta-järjestelmä kehitettiinkin jatkotutkimuksissa kaupalliseen valmiuteen asti PLS-80-tutkimuksen muodossa. Niin BES kuin PLS-80-tutkimuksessakin pidettiin tärkeänä tavoitteena muuntojoustavuutta ja jopa mahdollisuutta purkaa rakennus ja pystyttää se uudelleen toisaalle elinkaarensa päässä. PLS-80 järjestelmässä rakentamisen jälkeinen muunneltavuus ja siirrettävyys oli kuitenkin selvästi keskeisemmässä asemassa. Joustavuutta edesauttavia ajatuksia olivat mm. kuvassa 8 esitetyt, ensisijaisena ratkaisuna suositellut ”kuivat” mekaaniset liitokset, suuri vapaus laattojen aukotusmahdollisuuksissa, taloteknisiä asennuksia sisältävät kimppupilarit ja laattojen väliset neutraalivyöhykkeet, joihin pystyi sijoittaa myös osan talotekniikan vaakavedoista[11].

Tutkimuksen julkaisun jälkeen järjestelmä paitsi koerakennettiin, rakentamista myös jatkettiin noin tuhannen asunnon verran 1980-luvun alkuun mennessä, jolloin järjestelmää käyttänyt Lujabetonikin siirtyi pilarilaatoista markkinoille aikaisemmin ehtineen ja ne tehokkaasti vallanneen BES-järjestelmän mukaisten ontelolaattojen valmistukseen[12]. Tuhannen asunnon rakentaminen kuitenkin osoittaa, että järjestelmä oli ainakin 70-luvulla myös markkinakelpoinen.

Olisikin kenties aiheellista pohtia uudelleen nyt jo puoli vuosisataa vanhaa BES-järjestelmää, sen päivittämistä tai jopa PLS-80-järjestelmän kaivamista naftaliineista, sillä kiertotalouden ja jätelainkin mukaisen materiaalinkulun etusijajärjestyksen toteutumisen kannalta paremman muuntojoustavuuden ja purettavuuden suunnittelu tulevat olemaan kriittinen osa uudisrakennusten suunnittelua.

Kaikki irti karbonatisoitumisesta

Karbonatisoituminen on tunnettu kauan betonin vauriomekanismina, mutta hiilinielumekanismina siihen on herätty vasta hiljattain. Esimerkiksi hallitustenvälinen ilmastopaneeli IPCC tunnusti karbonatisoitumisen merkittäväksi hiilinieluksi ensimmäistä kertaa syksyllä julkaisemassaan ilmastoraportissa[13]. Erityisesti elinkaarensa päässä murskatulla betonilla on erittäin merkittävä potentiaali hiilinielun lisäämiseksi.

Toistaiseksi vähemmälle huomiolle on jäänyt betonin hiilinielun edistäminen jo rakennuksen elinkaaren aikana. Hyöty on elinkaarenjälkeiseen potentiaaliin verrattuna melko vähäinen, koska murskattaessa betonin karbonatisoitumiselle altis pinta-ala voi jopa tuhatkertaistua. Elinkaaren aikainen hiilinielu ja sen edistäminen on kuitenkin huomion arvoinen uudisrakennusten kohdalla, joiden rakennusosat toivon mukaan poistuvat materiaalikierrosta ja murskataan vasta satojen vuosien kuluttua. Esimerkiksi kuivissa sisätiloissa, jotka karbonatisoituvat siinä missä julkisivutkin, ei ole riskiä raudoitteiden korroosiosta ja siitä seuraavasta rapautumisesta, eli karbonatisoituminen on ainoastaan positiivinen ilmiö. Betonirakenteen pintakäsittelyllä on suuri vaikutus karbonatisoitumisen nopeuteen. Ruotsalaisesta rakennuskannasta tehtyjen mittausten perusteella on arvioitu, että jokseenkin kosteutta ja hiilidioksidia läpäisevät materiaalit, kuten maali ja tapetti, hidastavat karbonatisoitumista noin 50 % ja täysin tiiviit materiaalit kuten muovimatto tai parketti noin 90–100 %. Mittaustuloksen pohjalta on laadittu laskennallinen malli hiilensidonnan arviointia varten[14], jonka mukaisia arvoja eri olosuhteille ja pintavaihtoehdoille on esitetty taulukossa 1.

Termisen massan hyödyntäminen

Betonilla on korkea massa ja lämpökapasiteetti, minkä vuoksi se tasaa tehokkaasti rakennuksen vuorokauden sisäisiä lämpötilavaihteluita ja varastoi auringosta ikkunoiden kautta saatavaa ilmaisenergiaa. Rakennuksen, jolla on korkea terminen massa, on tutkittu voivan säätää lämmitysenergiaa noin 3–14 % ja viilennysenergiaa jopa 40 % kevytrakenteisiin rakennuksiin verrattuna[15]. Paras sijainti lämpöä varaavalle massalle on suoraa auringonsäteilyä vastaanottavat lattiapinnat. Jotta esimerkiksi betoninen lattiapinta varaisi auringon lämpöä tehokkaasti, sitä ei saa kuitenkaan eristää lämpöä huonommin johtavilla pintamateriaaleilla kuten parketti, muovimatto tai laminaatti. Sen sijaan esimerkiksi keraaminen laatta, jolla on samankaltaiset termiset ominaisuudet kuin betonilla, soveltuu hyvin. Paljas betonilattia ei välttämättä kuitenkaan tule aina kysymykseen esimerkiksi askelääneneristysvaatimusten tai puhtaasti esteettisten valintojen vuoksi. Toiseksi paras sijainti varaavalle massalle ovat yhtä lailla suoraan mutta pienempiä määriä auringon säteilyä vastaanottavat seinäpinnat. Betonirunkoisissa rakennuksissa on lähtökohtaisesti niin paljon massaa ja auringolle altista betonipintaa, ettei niitä erityisemmin tarvitse optimoida, mutta esimerkiksi puurakennuksissa kesäaikainen ylilämpenemisen riski on korkeampi ja kelluva betonilaatta tai muu termistä massaa tarjoava ratkaisu voi olla energiataloudellisesti kannattava.

Mitä seuraavaksi

Kenties suurin tarve ja potentiaali tutkimukselle ja kehitystyölle olisi runkojärjestelmien kehittämisessä. Nykyään käytössä oleva BES-järjestelmä on pysynyt pääpiirteissään muuttumattomana jo yli puoli vuosisataa eikä sitä alkuperäisen tutkimuksen tavoiteasetannasta huolimatta ole kehitetty kiertotaloutta, rakennusten siirtämistä ja rakennusosien mahdollista uudelleenkäyttöä ajatellen. Yksi rakennusosien uudelleenkäytön merkittävä hidaste on vaikeus muokata betonisia rakennusosia elinkaarien välissä. Esimerkiksi betonipalkit vaativat päissään leikkausraudoitukset, jonka vuoksi lyhentäminen ennen uudelleenkäyttöä ei ole mahdollista. Tämän vuoksi pitäisi tutkia myös tarkkaan mahdollisimman monipuolista toiminnallista mitoitusta, jolla uudelleenkäytön edellytyksiä voitaisiin parantaa.

Lisää tietoa tarvittaisiin myös pintamateriaalien hiilidioksidinläpäisevyydestä, jotta voitaisiin mahdollisuuksien mukaan edesauttaa betonirakenteiden hiilensitomiskykyä sisätiloissa. Hiilinielun kannalta paras pinta on paljas betoni, mutta karbonatisoitumisen tehokkaasti mahdollistavien pintavaihtoehtojen palettia voisi mahdollisesti laajentaa kehittämällä esimerkiksi tehokkaasti hiilidioksidia ja kosteutta läpäiseviä maaleja.

Myös lainsäädännössä ja erilaisissa hyväksyntämenettelyissä on kehitettävää, jotta kiertotalous saadaan toimimaan ja purettavien rakennusten elementtejä voidaan käyttää uudelleen sekä kierrätysmateriaaleja, kuten betonimursketta, hyödyntää laajemmin.