Denne byggemetoden kan redusere 70 prosent av klimautslippene

Resultater fra forskningen viser at aluminium som armering muliggjør bruk av betong der klimagassutslippet kan reduseres med opptil 70 prosent i forhold til tradisjonell betong. Konseptet kan også gi unike design- og konstruksjonsmessige muligheter.

Det sier Tekna-medlem Grete Hjetland som leder forskningsprosjektet DARE2C for Norsk Hydro. Hun opplever at byggebransjen nå er mer åpen enn noen gang for nye mer miljøvennlige løsninger. Brua over Grødala i Sunndal, som nå er i ferd med å ferdigstilles, er en viktig demonstrasjonskonstruksjon i forskningsprosjektet.

Kinomodus Slå av kinomodus Minispiller

En klimaversting

Betong er verdens mest brukte byggemateriale, og står for mellom 5 og 8 prosent av verdens klimagassutslipp. Produksjonen av sement, som er selve bindemiddelet i betong, står for mellom 80 og 90 prosent av utslippene fra betong. Sementproduksjon frigjør CO2 i atmosfæren både direkte, gjennom kalsineringsprosessen av kalksteinen, og indirekte, gjennom energien prosessen krever.

Enkelt forklart er det slik at armering er nødvendig i tradisjonelle betongkonstruksjoner for å ta strekk-krefter, mens betongen tar trykk-krefter. For at armeringen ikke skal bli utsatt for inntrenging av klorider og/eller såkalt karbonatisering fra CO2 i luften, må den dekkes av et tykt og tett lag av betong.  Begynner stålarmering å korrodere, sprekker betongen opp, og kan skalle av. Da blir armeringen enda mer klimaeksponert og den ruster enda mer. Bæreevnen svekkes, og i verste fall kan det føre til sammenbrudd i konstruksjonen.

Bytte sement med leire

I motsetning til stål tåler aluminium luft og sjøvann, uten at den korroderer og svekkes, fordi den har en naturlig «hinne» av oksid som beskytter. Muligheten for å bytte stålarmering med aluminium, har hittil vært utelukket fordi vanlig betong med standard Portlandsement har så høy pH-verdi at aluminium korroderer.

I 2016 kom professor Harald Justnes ved SINTEF/NTNU på ideen om å endre sammensetningen av betong slik at aluminium kan brukes som armering. Dermed kom forskningsprosjektet DARE2C (Durable Aluminium Reinforced Environmentally-friendly Concrete Construction) i gang. Det er nå inne i fase 2, med ti samarbeidspartnere. Disse er Norsk Hydro, SINTEF, NTNU, Forskningsrådet, Heidelberg Materials, Overhalla Betongbygg, Sika Norge, Nordic Office of Architecture, Dr.techn. Olav Olsen, Christie & Opsahl og Oshaug Metall.

Hovedkonseptet har vært å erstatte mer enn 50 prosent av sementen i betongen med et bindemiddel som kalsinert leire (brent leire/pozzolansk) og dermed redusert pH til under 10 der aluminium er stabilt.

Grete Hjetland har stor tro på at dette åpner helt nye muligheter i byggebransjen.

– Utviklingen og testprosjektene vi gjennomfører åpner for nye mer miljøvennlige løsninger.  Ved å erstatte mye av sementen med brent leire eller andre aktive pozzolaner, som VPI (volcanic pozzolan island), spares energi og CO2-utslipp i fremstillingsprosessen av bindemiddelet i betongen.

– Byggbransjen må redusere klimagassutslippene. Vi har stor tro på at den nye aluminiumsarmerte lavutslippsbetongen vil være et viktig bidrag for å få dette til, sier Grete Hjetland som leder forskningsprosjektet DARE2C for Norsk Hydro.

Gir slankere og lettere konstruksjoner

Hjetland mener bruk av det nye materialet gir nye muligheter både for arkitekten og ingeniøren. Ved en bærekraftig design er det viktig å utnytte materialenes egenskaper. Aluminium kan resirkuleres uten bruk av store energimengder, om og om igjen, uten å miste de opprinnelige egenskapene. Den har også andre sentrale egenskaper som letthet, ledningsevne, formbarhet og bestandighet.

– Fordi aluminium er bestandig, trenger man ikke å beskytte armeringen med en stor overdekning av betong. Faktisk kan aluminium ligge helt eksponert i overflaten hvis det ellers passer med design og samvirke med materialet rundt. Betongen kan også ha større porøsitet, det vil si at det kun designes for en kvalitet som er nødvendig konstruksjonsteknisk og ikke miljømessig. Dette gjør at det brukes mindre sement-/bindemiddel. Dermed slippes det ut mindre CO2, og samtidig åpner det for raskere binding av CO2 (karbonatisering).

Men Hjetland minner om at dette fortsatt er et forskningsprosjekt, og at det er en vei å gå før dette blir et materiale som byggebransjen vil ta i bruk.

– Vi har ikke ett dekkende standardverk for materialet ennå, og byggebransjen har derfor ikke alle «oppskrifter» på hvordan de skal designe ulike bygningsstrukturer. Det jobbes derfor nå sammen med Norsk Betongforening med et innledende løp for standardisering av betongen.

I et aggressivt miljø ved kysten kan det nye inngangspartiet i aluminiumsarmert betong ved Geitbåtmuseet forhåpentligvis bli varig og vedlikeholdsfritt.

Finne byggherrer for uprøvd teknologi

Hun forteller at ved demonstrering av uprøvd teknologi, så må man finne byggherrer som er villig til å ta risiko.

– I prosjektet vårt har vi vært heldige så langt med å ha fått testet et variert spekter av produktet for å viser fordelene og mulighetene DARE2C-konseptet gir.

– Vi har gjort et testprosjekt med en gangvei i Geitbåtmuseet, i Valsøy, og levert nye «grønnere» fasadeelementer i et fylkeskommunalt undervisningsfjøs ved Gjermundnes videregående skole, begge i Møre og Romsdal. Begge disse prosjektene viser i tillegg mulighetene som konseptet gir til ornamentikk i aluminium ved at det er innstøpt kunstneriske elementer i overflaten.

Oshaug Metall smeltet faktisk metallet fra en brukt motorblokk og brukte det til å støpe det stiliserte omrisset av en geitbåt (tradisjonell båt fra Nordmøre) til Geitbåtmuseet.

– I og med at aluminium ikke trenger overdekning, kan man lete fram andre geometriske former enn de tradisjonelle runde stålstengene for å ta strekk-krefter.  Vi ønsker å bruke minst mulig betong og aluminium, for å gjøre produktet grønnest mulig og holde kostnadene nede.

På Hydros eget aluminiumsverk på Sunndalsøra har prosjektet fått lov til å legge inn en samvirkekonstruksjon i aluminium og betong i den nye ro-ro-rampa der.

– Hensikten her var å vise at aluminium, riktig formet, kan ta store laster.

Veldig artig synes Grete Hjetland det har vært at hun nesten 40 år etter sin første jobb i Grytnes Betong, traff igjen to av arbeiderne, Svein Holmeide og Ola Vike (t,h.) som var der ennå, og som nå har vært med og støpe elementene til brua over Grødøla.

Ringen sluttet for sivilingeniøren

Brua over elva Grødøla skal erstatte en gammel steinbru, og blir en helt unik bru.

– Det er veldig artig å kunne bygge kjøredekket til en 18 meter lang bru med det nye materialet. Vi har valgt å lage brudekket som en samvirkekonstruksjon som det finnes standardverk for utførelsen av.

Aluminiumsprofiler på strekksiden er forbundet med DARE2C-betong med dybler slik at dette virker sammen og betongen tar trykk-kreftene. Dessuten ligger et aluminiumsnett i betongen som skal ta riss.

Grete Hjetland, som selv kommer fra Sunndal, synes det er ekstra gøy at de første prototype-elementene av sitt slag, som nå er montert, ble støpt på hennes første arbeidsplass, Grytnes Betong, der hun hadde den daglige ledelsen etter endt sivilingeniørutdanning i 1984.

– Den gang ble jeg kastet ut i det og måtte lære meg alt fra anbudsregning, prosjektering, lage produksjonstegninger, innkjøp etc. som hørte til det å drive en betongelementfabrikk. Det ble den beste «skolen» jeg kunne ha fått. To av karene som jeg jobbet sammen med den gangen, har jeg nå faktisk truffet igjen i forbindelse med prefabrikkeringen av elementene. De er der ennå nesten 40 år etter at jeg reiste fra Sunndalsøra. Det er så artig, ler hun!

Grete har jobbet med store investeringsprosjekter i Hydro i mer enn 30 år. Hun har vært innom alle prosessområdene innenfor aluminiumsverk, Ormen Lange, Qatar, Sunndal 4, pilotprosjektet på Karmøy, og hun har jobbet med vannkraft, for å nevne noe.

– Med så lang og variert erfaring fra byggeprosjekter, synes jeg det er ekstra artig å få lede og delta i et forskningsprosjekt. For det er jo litt annerledes. Nå gjelder det å være kreativ og tenke litt utenfor boksen, i stedet for å holde seg innenfor boksen som vi gjør i det vi ellers holder på med.

– Partnerne våre sammen med forskningsinstitusjonene utgjør hele verdikjedene i et byggeprosjekt. Så til sammen er vi et godt team.

Trappeanlegg med mattesymboler

Også et kjempestort trappeanlegg på campus ved NTNU i Trondheim planlegges nå bygd med alumiumsarmert betong.

NTNU Eiendom skal bygge en lang gangvei med 144 trappetrinn med store reposer opp fra Hestehagen mot elektrobyggene med innlagt vannbåren varme.

– Vi er i ferd med å signere en avtale nå. Prosjektet blir sannsynligvis ikke ferdigstilt innen utløpet av forskningsprosjektet i 2024, men uansett ser vi for oss at hele trappa blir levert med Hydro som en av de åtte næringslivsdeltakerne. Dette er et ypperlig prosjekt for å prøve ut det vi har forsket på i DARE2C-prosjektet og utvikle det videre, sier Grete Hjetland.

Hun forteller at de skal levere hundre kubikkmeter av den nye betongen, og at alle aktørene i prosjektet har viktige roller.

– Christie &Opsahl skal plass-støpe de store reposene. Olav Olsen skal designe betongstrukturene, og Nordic – Office of Architecture bidrar på arkitektsiden blant annet med møblering i aluminium Sika utvikler og tester ulike tilsetningsstoffer med hensyn til støpbarhet og herdeforløp. Overhalla Betongbygg har en kjempejobb med å prefabrikkere alle trinnene, der ingen er like. Hydro skal mellom annet utvikle løsningene våre med patenterte aluminiumnett.

NTNU Eiendom planlegger et langt trappeanlegg der den nye aluminiumsarmerte betongen skal brukes og i tillegg smykkes med matematiske symboler i aluminium i overflaten. Illustrasjon: COWI/Nordic Office of Architecture

Trappetrinnene skal få en kunstnerisk utsmykning i aluminium. Ifølge Hjetland vil NTNU Eiendom gjøre en egen avtale med DARE2C-partner Oshaug Metall om dette. Tanken er at det blir ulike elementer støpt i aluminium knyttet til matematikk som tallrekker, matematiske symboler e.l. som skal ligge synlig i overflaten av betongtrinnene.

Bruker vulkansk leire

En spennende test som næringslivspartner Heidelberg Materials planlegger å gjøre i prosjektet, er å bruke VPI, Vulcanic Pozzolan Island, i betongen. Det er en vulkansk bergart som naturen allerede har brent til Pozzolan, og som kan erstatte mer enn 50 prosent av sementen som bindemiddel i betongen.

– Da snakker vi virkelig om å spare på energi og utslipp fra brenning av bindemiddel.

Hun forteller at de også har en ny løsning for plassering av vannrørene i forhold til opprinnelig prosjektert fra NTNU Eiendoms side.

– Fordi aluminium leder varme så godt kan vi redusere tykkelsen på trinnene betydelig og få en veldig god distribusjon av varmen.

Slankere og mer bestandig

– Hydro ser hele tiden på ulike måter å bruk aluminium på. Her har vi muligheten til å bruke aluminium i verdens mest brukte byggemateriale, så markedet er enormt. Ved å koble sammen to bestandige materialer oppnår vi lang levetid med lavt behov for vedlikehold, og når vi kan bygge slankere konstruksjoner, bruker vi mindre av naturressursene.

– Tilslagsmateriale er en begrenset ressurs. Noen land har ikke tilslagsmateriale i det hele tatt. At vi i tillegg kan bruke sjøvann som blandevann er en viktig fordel i og med at ferskvann også er en ressurs mange land i verden har begrenset av.

Hjetland mener at aluminiumsarmert betong først og fremst vil egne seg i korrosive miljø der det skjer karbonatisering og kloridinntrenging. Typisk er konstruksjoner utsatt for sjøvann, men også for betong i aggressivt miljø i landbruksbygg. For fasadeelementer og belegningsanlegg er karbonatisering på grunn av CO2 i luften et større problem.

Vil kommersialisere grønne sandwichelementer

– Aluminium koster mer enn stål. Det er derfor viktig av vi tenker bruk der det virkelig har sine fortrinn. Vi ser blant annet på fasadeelementer som et tidligprodukt for å kunne vise bransjen at dette duger og at det skal kunne konkurrere på pris.

I undervisningfjøset ved Gjermundnes videregående har kunstneren Bjørn-Kowalski Hansen utformet en stilisert ku som Oshaug Metall har støpt i aluminium inn i veggelementene. Overhalla Betongbygg har lever elementene der det tradisjonelle yttersjiktet er byttet med et tynnere sjikt av ny betong og armert med Hydros patenterte armeringsnett. Sammen med Grete Hjetland, står Espen Vold (t.v) fra Overhalla Betongbygg og Bjørn Erik Hjellset fra Møre og Romsdal fylkeskommune.

– Vi håper at vi skal få en teknisk godkjenning i begynnelsen av 2024 på det vi kaller et grønnere sandwichelement som vi ønsker å kommersialisere.

I dette elementet erstattes yttersjiktet på et standard sandwich veggelement med DARE2C-betong og vi bruker aluminiumsarmering. Tykkelsen på yttersjiktet er tenkt halvert sammenlignet med et standard element.

– Vi får et produkt der vi bruker mindre energi og mindre naturressurser. Det gir et grønnere og lettere produkt som vi tror også skal kunne konkurrere prismessig.

Den første demonstrasjon er gjennomført i fasaden til et undervisningsfjøs der Møre og Romsdal fylkeskommune er byggherre.

– Til dette prosjektet har Overhalla Betongbygg levert tre sandwichelementer med standard innersjikt og kombinert det med et tynt yttersjikt med vår betong, og armert det med vårt patentsøkte armeringsnett. I tillegg er det lagt inn et kunstnerisk element i form av en stilisert ku som kunstneren Bjørn-Kowalski Hansen, har utformet og Oshaug Metall har støpt i aluminium.

Prosjektleder Hjetland mener dette viser noen av mulighetene for at man kan lage estetisk spennende uttrykk også.

Hun minner likevel om at det er mange ting som spiller inn og skal på plass, før en mulig kommersialisering.

– Noe av utfordringen hvis man skal kommersialisere et betongprodukt er å få på plass forsyningskjedene, for de finnes jo ikke der. Det gjelder for eksempel brent leire. Ingen produserer det i Norge ennå, sier Grete Hjetland.