Pitkäaikaiskestävyyttä, teknistä suorituskykyä ja kiertotaloutta tukevat rakennusmateriaalit

Rakennusmateriaalit aiheuttavat noin 11 % maailmanlaajuisista energiaperäisistä hiilidioksidipäästöistä. Rakennus- ja purkusektori tuottaa lisäksi noin kolmanneksen maailman kaikesta kiinteästä jätteestä, mikä johtuu suurelta osin materiaalikierron rajallisuudesta. 

Kestävien rakennusmateriaalien kehittäminen sekä niiden käyttöiän pidentäminen ja uudelleenkäytettävyyden parantaminen pienentävät rakentamisen ympäristöjalanjälkeä ja vauhdittavat siirtymää kohti hiilineutraaliutta. 

VTT:llä on tässä työssä keskeinen rooli. Teemme soveltavaa tutkimus-, kehitys- ja innovaatiotyötä, jonka tavoitteena on tehdä rakennusmateriaaleista kestävämpiä ja pitkäikäisempiä sekä edistää kiertotaloutta. Työmme kattaa sementtipohjaiset materiaalit, rakenneteräkset sekä puupohjaiset rakennustuotteet. Autamme teollisuutta ja infrastruktuurin omistajia parantamaan rakenteiden suorituskykyä ja vähentämään niiden ympäristövaikutuksia.

Kantavien rakennusmateriaalien on kestettävä vuosikymmenten ajan niin mekaanista kuin ympäristökuormitusta, kuten lämpö- ja kemiallista rasitusta. VTT tutkii materiaalien suorituskykyä vaativissa olosuhteissa, joihin kuuluvat muun muassa meriympäristöt tai haastavat pohjavesiolosuhteet, äärimmäinen kylmyys, lämpötilavaihtelut sekä maanjäristysten kaltaiset seismiset kuormitukset. Näin autamme rakennetun ympäristön toimijoita tekemään luotettavia materiaalivalintoja, suunnittelemaan turvallisempia rakenteita ja ennakoimaan pitkäaikaista suorituskykyä. 

Yhdistämme materiaalitieteen, materiaalien karakterisoinnin, monitasoisen mallinnuksen, laboratoriotestauksen ja kenttätutkimukset uusien materiaaliratkaisujen kehittämiseksi ja nykyisten ratkaisujen suorituskyvyn arvioimiseksi. Mallinnamme materiaalien käyttäytymistä atomitasolta kokonaisiin rakenteisiin ja yhdistämme mikroskooppiset ilmiöt makroskooppiseen suorituskykyyn. 

Autamme rakennusalaa ja infrastruktuurin omistajia 
 

• vähentämään materiaalien päästöjä kehittämällä ja testaamalla vähähiilisiä betoni- ja teräsmateriaaleja sekä uusiutuvia vaihtoehtoja

• ennustamaan kestävyyttä ja käyttöikää kokeellisen testauksen, data-analyysin ja edistyneen mallinnuksen avulla

• nopeuttamaan materiaalikehitystä ja päätöksentekoa yhdistämällä huipputason materiaalimallit ja kehittyneet testausympäristöt

• varmistamaan rakenteiden ja infrastruktuurin turvallisuuden ja toimintavarmuuden

• validoimaan uusia materiaalikonsepteja ja komponentteja joko virtuaalisesti tai realistisissa tutkimus- ja pilotointiympäristöissämme

• edistämään rakentamisen kiertotaloutta menetelmillä, jotka tukevat uudelleenkäyttöä, kierrätystä ja materiaalien jäljitettävyyttä

• tekemään tutkimukseen perustuvia päätöksiä sekä määrittämään kuhunkin kohteeseen tai infrastruktuuriin sopivat materiaali- ja suorituskykyvaatimukset. 

VTT yhdistää monialaisen osaamisen ja syvällisen ymmärryksen materiaalien käyttäytymisestä vaativissa olosuhteissa. Olemme tottuneet ratkaisemaan haasteita, joihin ei ole valmiita vastauksia. Kehitämme uusia työkaluja, malleja ja testausmenetelmiä aina, kun perinteiset lähestymistavat eivät riitä. 

Tutkimustyömme avaa uusia mahdollisuuksia rakennusmateriaalien sovelluksissa. Seuraavat esimerkit havainnollistavat, miten muutamme tieteelliset oivallukset käytännön ratkaisuiksi. 

Betoni ja muut sementtipohjaiset materiaalit ovat rakentamisen perusta, mutta samalla myös kaikkein hiili-intensiivisimpiä materiaaleja. Pelkästään portlandsementin tuotanto aiheuttaa noin 7–8 % maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä, mikä tekee siitä yhden suurimmista yksittäisistä teollisista kasvihuonekaasupäästölähteistä. 

Betonin hiilijalanjäljen pienentäminen alkaa tuotannossa käytettävän sementin ja neitseellisten raaka-aineiden määrän vähentämisestä. Jo sementin tai kiviaineksen osittainen korvaaminen voi vähentää päästöjä merkittävästi. 

VTT kehittää vähähiilistä sementtiä ja kestävää betonia. Tutkimme, miten vaihtoehtoiset sideaineet, teollisuuden sivuvirrat ja kierrätetyt materiaalit (esimerkiksi kiviainekset) voivat korvata perinteisiä raaka-aineita ilman kompromisseja rakenteen lujuudessa tai pitkäaikaiskestävyydessä.

Tutkimuksemme keskittyy materiaalikoostumusten optimointiin, jotta päästöjä voidaan vähentää ja samalla säilyttää rakenteiden pitkäaikaiskestävyys niin mekaanisen suorituskyvyn kuin säilyvyyden osalta. 

VTT:n spin-off-yritys Carbonaide on kehittänyt ratkaisun hiilinegatiivisen betonin valmistamiseen hyödyntämällä tehokasta karbonointia kovettumisvaiheessa sekä vähähiilisiä sideaineita. 

Pelkkä betonin hiilijalanjäljen pienentäminen ei riitä, vaan betonirakenteiden on täytettävä myös tiukat säilyvyysvaatimukset. Tutkimme betonin pitkäaikaiskestävyyttä vaativissa olosuhteissa, joissa mekaaniset kuormitukset, kosteus, lämpötilavaihtelut ja kemiallisesti aggressiiviset ympäristöt nopeuttavat rakenteiden vaurioitumista. Tällaisiä kohteita ovat esimerkiksi 

• merituulivoimaloiden perustukset ja vesivoimapadot, jotka altistuvat jatkuvasti kemiallisesti aggressiiviselle ympäristölle tai äärimmäisille sääolosuhteille 

• maanalaiset lämpövarastot, joissa materiaalien kestävyyttä koettelevat hydrostaattinen paine, korkeat lämpötilat, pitkäaikainen lämpösyklinen rasitus sekä mahdollisesti kemiallisesti aggressiivinen pohjavesi 

• ydinjätteen loppusijoituslaitokset, joissa materiaalien on pysyttävä vakaina ja estettävä radionuklidien vapautuminen poikkeuksellisen pitkien ajanjaksojen ajan.

Teräs on toinen keskeinen rakennusmateriaali nykyaikaisessa rakentamisessa. Rakenneteräksen tuotanto on kuitenkin erittäin hiili-intensiivistä ja aiheuttaa noin 4–6 % maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä. 

• Terästä kierrätetään jo laajasti, joten VTT keskittyy sen käyttöiän pidentämiseen ja uudelleenkäytön mahdollistamiseen ilman materiaalin sulattamista. Tämä lähestymistapa voi vähentää teräksen hiilijalanjälkeä jopa 90 %. 

• Kehitämme uusia rakenteellisia sovelluksia ja kiertotalouteen perustuvia ratkaisuja hiiliteräkselle ja ruostumattomalle teräkselle. Näihin lukeutuvat testausprotokollat ja arviointimenetelmät uudelleenkäytettäville materiaaleille. 

• Tutkimme ja testaamme teräsrakenteiden suorituskykyä ja kestävyyttä, mukaan lukien korroosio, ikääntyminen, uudelleenkäytettävyys ja kierrätettävyys. Vuosikymmenten kokemuksemme ruostumattomien terästen rakenteellisesta käytöstä vaativissa olosuhteissa auttaa varmistamaan rakenteiden pitkän käyttöiän. 

Erilaiset insinööripuutuotteet, kuten ristiinlaminoitu puu (CLT), liimapuu ja sahatavara, tarjoavat uusiutuvia ja vähähiilisiä vaihtoehtoja tiettyihin rakenteellisiin sovelluksiin. 

Tutkimme, miten kosteus ja lämpötila vaikuttavat ajan myötä mekaanisiin jännityksiin, muodonmuutoksiin, halkeiluun ja lahon syntyyn. Yhdistämällä testauksen, käytön aikaisen seurannan, laskennallisen mallinnuksen ja käyttöiän ennustamisen autamme arvioimaan ja parantamaan puurakenteiden kestävyyttä ja luotettavuutta erilaisissa käyttöympäristöissä.

VTT kehittää jäljitettävyyttä ja materiaalitiedon hallintaa, mikä tukee rakennusmateriaalien kiertotaloutta. Kehitämme ja sovellamme menetelmiä materiaalien uudelleenkäytön arviointiin, luokitteluun ja käytännön toteuttamiseen. Tämä kattaa nykyisistä rakennuksista ja infrastruktuurista talteen otettujen materiaalien testaamisen, niiden ominaisuuksien analysoinnin sekä tulevaisuuden materiaalien vaatimusten määrittelyn niiden uudelleenkäytettävyyden parantamiseksi. 

Rakennus- ja purkujätteen muuttaminen arvokkaiksi raaka-aineiksi vähentää päästöjä ja tukee kestävien materiaalien saatavuutta tulevaisuudessa. Kiertotalous edellyttää myös uusien rakenteiden huolellista suunnittelua: rakenteiden on oltava vähähiilisistä materiaaleista valmistettuja, kestäviä, turvallisia ja toimintavarmoja. Niiden tulee myös mukautua tuleviin käyttötarpeisiin.

Työmme kattaa rakennusmateriaalien, rakennusten ja infrastruktuurin koko elinkaaren – alkuvaiheen suunnittelusta ja materiaalikehityksestä rakenteiden uudelleenkäyttöön ja kierrätykseen niiden käyttöiän päättyessä. Teemme yhteistyötä muun muassa seuraavien toimijoiden kanssa: 

• Suunnittelijat, konsultit ja rakennusliikkeet: tarjoamme tietoa, ohjausta ja työkaluja suunnitteluvaiheeseen, materiaalien käyttäytymisen mallintamiseen sekä pitkäaikaisen suorituskyvyn ennakointiin.

• Materiaalivalmistajat: kehitämme ja validoimme uusia, vähähiilisiä ja kestäviä materiaaleja vaativiin ja kantaviin rakenteisiin.

• Komponenttivalmistajat: tuemme materiaalien soveltamista käytännössä ja varmistamme, että ne täyttävät suorituskyky- ja vastuullisuustavoitteet.

• Rakennusten ja infrastruktuurin omistajat: autamme tekemään materiaalivalintoja ja suunnitteluratkaisuja, jotka täyttävät toiminnalliset ja tekniset vaatimukset.

• Purku- ja kierrätysyritykset: edistämme materiaalien ja komponenttien talteenottoa ja uudelleenkäyttöä, jotta ne pysyvät kierrossa eivätkä päädy jätteeksi.

• Viranomaiset ja päätöksentekijät: tuotamme tieteellistä tietoa ja arviointeja, jotka tukevat uusien rakentamista koskevien standardien ja käytäntöjen kehittämistä.