Concrete and Sustainability

Koji SakaiProfessor of Kagawa University

Chair of ISO/TC71/SC8, fib SAG 8, JCI Sustainability Comm., ACF SF

HAKI‐ACF JOINT SEMINAR18 September 2013, 

Petra Christian University, Surabaya, Indonesia

From the Earth’s Birth to Present The Earth is 4.6 billion year old. Life has evolved for 4 billion years. Origin of modern humans was born 100,000 years ago Agricultural revolution occurred 10 thousand years ago. Industrial revolution occurred 250 years ago. Modern cement was invented in 1824. Concept “sustainable development” was defined in 1987.

Our Common Future (World Comm. on Env. and Dev.)“Sustainable development is development that meets  the needs of the 

present without compromising the ability of future generations to meet their own needs.” Kyoto protocol (COP3) was adopted in 1997 and entered into 

force in 2005. UN Conference on Sustainable development (Rio+20) is held 

on June 2012.

What was happening in the Earth’s climate since its birth? (to be Cont’d)

The Earth repeatedly experienced climate warming and cooling due to:(1) change in gases in atmosphere:

‐major volcanic activity‐ photosynthesis‐ asteroid collision

(2) change of inclination of the Earth’s axisof  rotation and eccentricity of its orbit

What was happening in the Earth’s climate since its birth? (Cont’d)

Carbon cycling on a geological time scale ‐ from CO2 gas to carbon fixation

Rapid increase of atmospheric CO2 levels‐ acceleration of global carboncycling by humankind

Global warming by green house gases ?

Data of Planets in the Solar System

Sun

Mercury Venus Earth Mars

Temperature(℃)

Max. ‐ 427 500 60 20

Min. ‐ ‐183 ‐45 ‐89 ‐140

Mean 5505 167 464 15 ‐63

CO2 (%) ‐ ‐ 96 0.038 95(thin atom.)

Greenhouse Gas Effect on Climateof Planets

Mercury (nearest to Sun ): 167 ℃ (no CO2) Venus: 464 ℃ (high CO2 : 96%:) Earth: 15 ℃ (0.038% CO2)Mars: ‐ 63 ℃ (very thin CO2)

“Global greenhouse effect due to increasing CO2 is so evident. Of course, we do not know exactly how much it will affect the Earth in the future, depending on GHG increase. Then, do we ignore it?”

Natures of Concrete Industry (1)

Essentially local industry“Concrete structures are built by local people using local materials.”

Component materials of concreteaggregate, cement, water, others“Concrete is made from the most abundantsubstances on the Earth.”

Natures of Concrete Industry (2)

This is the main reason why its productionhas been able to expand to respond togrowing construction demand.

Concrete is the second most consumed substance on Earth after water (more than20 billion tons).

Natures of Concrete Industry (3)

Contemporary society can not exist withoutconcrete.

Development of a nation is directly correlated to its consumption of concrete,i.e. the increase of construction investment.

World Cement and Steel Productionsince 1950

0

200

400

600

800

1000

1200

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200019

50

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1995

2000

2005

2009

2015

2020

2025

2030

2035

2040

2045

2050

(%)

cement production

steel production

population

GDP per capita

1960=100%

(1960=316.5 million tons)

(1960=346.4 million tons)

(1960=3,023.4 million)

(1960=446US$)

0

1000

2000

3000

4000

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0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000

2006

1970

2008

2001

2006

2006

2006

2006

1977

2008

FranceGermanyJapanUnited KingdomUnited StatesChinaIndiaVietnamJapan*

GDP / capita (US$)

Con

stru

ctio

n in

vest

men

t / c

apita

(US$

)

Per Capita GDP and Construction Investment in Major Countries

* Japan in 2007 and 2008 calculate from construction investment of Research Institute of Construction and Economy. ** China/India/Vietnam: IMF(2001-2008), United States: OECD(1977-2006), other: OECD(1970-2006)

Source: OECD “Stat Extracts”, IMF “World Economic Outlook Database”

What are the Problems on Concrete from Sustainability’s Point of View?

Inadequate safety and reliability of concrete structures to unforeseen external forceEnormous consumption of natural resourcesGeneration of a large amount of CO2 incement/steel productions and constructionworks

Safety and Reliability

Our design standards and specifications on safety have been improved based on manyexperiences from serious disaster by forexample severe earthquakes.

However, we have still the problems that we can not foresee. It is reasonable to think that we can not control the movement of the Earth.

JAPAN DISASTER 3.11

What was the Japan Disaster 3.11?

Triple disasters(1) Earthquake (M9.0)(2) Tsunami(3) Radioactive pollution due to the hydrogen

explosion of nuclear power plant

Death and missing: approx. 20,000Destruction of houses: approx. 170,000

(if minor damage included, approx. 900,000)Evacuees: approx. 320,000 (as of November 17)Nuclear power plants (54): nothing under operation

Tsunami

Damage of railway viaduct columns

Damage of power pole in railway

Damage of bridge shoe

Damage of port and breakwater

References JSCE Concrete Committee Port and Airport Research Institute Structural Engineering Center, JR‐EAST http://japanese.joins.com/photo/337/8/71337.html http://mainichi.jp/select/weathernews/news/20110314k0000m040.html http://suiseisekisuisui.blog107.fc2.com/blog‐entry‐1679.html http://www.sankeibiz.jp/compliance/news/110324/cpd1103240501.html http://suiseisekisuisui.blog107.fc2.com/blog‐entry‐1679.html http://blogs.yahoo.co.jp/aiuti27go3/24055474.html

Japan Disaster

The earthquake destroyed social and economic infrastructures.The earthquake caused tsunami that also destroyed the infrastructures and houses/buildings.The tsunami destroyed the electric power facilities, that led to interruption of cooling water supply, the hydrogen explosion in NPP occurred and radioactive substances scattered over the region.

Lessons from Japan Disaster

Without robust infrastructures and houses/buildings, human society has no chance of sustainability:(1) Environmental aspects(2) Economic aspects(3) Social aspects

Environmental Aspects

Crustal deformation changed natural environment. (Nature destroyed nature!)Huge amounts of rubble were generated.Huge amounts of resources and energy are necessary to rebuild infrastructures and houses/buildings.Radioactive contamination occurred in some regions.

Economic Aspects

The economic activity in the regions collapsed. A cluster of plants producing automotive and electronic parts that served the world stopped.

The overseas transfer of manufacturing plants will be accelerated. Local economy will collapse.

Many people lost their job and therefore income.Huge amounts of investment is necessary to reconstruct the region. 20 trillion yen?

Cleaning up radioactive contamination (cesium etc.) is needed.

Social Aspects

There were 20,000 victims.Many people lost their homes.Long‐term evacuation of the local population is expected due to radioactive contamination.Many jobs were lost.

Essence of Sustainability

The destruction of social infrastructure and facilities exerts a lethal negative impact on economic and social activity. In other words, the basis of sustainability collapsed.

On the other hand, the simple expansion of economic activity using the infrastructures is not desirable from a sustainability’s perspective.

The enhancement in resource and energy efficiency to facilitate economic expansion and safety society is our ultimate goal, which is the essence of sustainability.

Consumption of Natural Resourcesin Concrete Sector

Aggregate: 11 billion tons (assuming 15 billion tons concrete production, that is conservative number)

Limestone:3 billion tons (assuming 3 billion tons cement production)

Clay: 540 million tons (assuming 3 billion cement production)

Water: 1.5 billion tons

Total for resources use in concrete: more than 16 billion tons (if doubled in the future?   Huge!)

Negative Impacts in Concrete and Steel Productions

Enormity of resources usedGeneration of large amounts of CO2, global warming gas

However, no material can replace concrete and steel. Wood, for instance, has an extremely limited range of use for living and activities of 7 billion people. If wood is used instead of concrete and steel, other environmental problems, including land use, will occur.

CO2 Emission Sources in Concrete Sector

Material manufacture (cement, reinforcing bars, aggregates, water, admixtures)Concrete manufactureExecutionRepair and strengthening during use of concrete structuresDemolishing and recyclingTransportations in each stage

World Cement Production in 2011

Total: 3.6 billion tonnes

China57.3%

Japan1.4%

India6.2%

Asia(excl.China,India,Japan)

12.9%

Africa4.7%

USA1.9%

America(excl.USA)5.2%

CIS2.5%

CEMBUREAU7.3%

Europe(excl.CEMBUREAU) *

0.3%Oceania0.3%

*Including EU27 countries not members of CEMBUREAU

World Steel Production in 2011

China45.9%

Japan7.2%

U.S.5.8%

India4.9%

Russia4.6%

Korea4.6%

Germany3%

Ukraine2.4%

Brazil2.4%

Other19.2%

Total: 1.490 billion tonns

CO2 Emissions in Concrete and Construction Industries

Concrete Industry5 billion tons (17% of 29 billion tons,  CO2

emissions of fossil fuel origin in 2007)Construction industry

6.3 billion tons (21.7% of 29 billion tons)

“These figures may be conservative!”

CO2 Emissions in Concrete and Construction Industries in the Future

Concrete Industry10 billion tons (34% of 29 billion tons, CO2

emissions of fossil fuel origin in 2007)Construction industry

12.6 billion tons (43% of 29 billion tons)   

“Again, these figures may be conservative!”

Efficiency and innovation in cement manufacture (To be cont’d)

CO2 emissions in cement production‐ Decarbonation of limestone‐ Combustion of fossil fuels

Possible measures to reduce CO2 emissions‐ Reduction of limestone used‐ Reduction of fuel by lowering incinerationtemperature while improving thermalefficiency of incineration.

Efficiency and innovation in cement manufacture (Cont’d)

Use of biomass (regarded as carbon‐neutral)‐ Its availability is limited.

Use of fossil‐related waste‐ CO2 is less than that from virginfuels.

International Comparison of Energy Consumption in Cement‐Clinker Production

140

180

120

100

8060

160

4020

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USA

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SSR

Unit‐based CO2 Emission in Cement Manufactures

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Form

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CO

2/kg-

cem

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0

0.2

0.4

0.8

1

1.2

0.6

Possibility of CO2 Reduction by Improving Energy Efficiency

Under some assumptions, the energy consumption can be reduced to 67% of the current level by introducing Japanese technology.Then, CO2 emissions can be reduced by 13.2%.

Prospects towards Sustainable Concrete Construction (To be cont’d)

Efficiency and innovation in cement manufactureSCMHigh‐range water‐reducing agentHigh performance concrete and its application to structural designEfficient transport and executionEfficient use, demolition, and recycling

Prospects towards Sustainable Concrete Construction (Cont’d)

Development of innovative technologiesZero‐carbon or minus carbon concretenet‐zero energy building

Establishment of impact evaluation and environmental design systemsRating systems, ISO standardsbuilding information modeling

How to balance of safety, durability, and resilience with environmental stewardship?

ESSENCE OF SUSTAINABILITY

A New Technology in UK (NOVACEM)

Carbon negative footprint cement (absorb up to 100kg more CO2 than the production process emissions).Cement base: magnesium oxide and hydrated magnesium carbonatesProduction process: Accelerated carbonation of magnesium silicatesApplication: masonry products

Belite‐Calcium Sulfoaluminate‐felite(BCSAF) Type Clinker (Lafarge)

Ingredients: limestone, bauxite and sulfate calciumCO2 emission reduction from raw materials: 25%  (in actual kiln)Calcination temperature: 1,300℃ or less (15% reduction in  fuel consumption)

Fluidized Bed Cement Kiln System

Suspension pre-heater

Rotary kiln Air quenching cooler

Rotary Kiln System

CO2 reduction:10~25%NOx reduction: 40%

SuspensionPre-heater

Fluidized bed sintering kiln

Packed bed cooler

Fluidized Bed Kiln System

Fluidized bed granulating kiln

Fluidized bed quenching cooler

Carbonation

CO2 absorption method

Reduction of cementquantity

-195

absorb CO2

Environmentconscious concrete

Ordinaryconcrete

439

-200

-100

0

100

200

300

400

500

CO

2em

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on（kg

-CO

2/m3 ） 182

Main materials:1) FA as cement substitute2) Special admixture (γ‐2CaO‧SiO2) that reacts 

with CO2

Normal flow of exhaust

Inlet CO2 :15～20％

Outlet CO2 : 11～13％

Carbon Negative Concrete Block

Future Perspectives on Sustainability

Global population reached 7 billions.Balance among safety/reliance, resource/energy consumption, goods/ service supply, and environmental burden is a key in sustainability.Three scenarios are possible as the function of population, living standard, and resource/energy efficiency.

Scenarios on Resource/Energy ‐Service/Goods ‐ Environmental Impact Scenario 1

Popu.: increase, Living stan.: rise Resource/Ener. Efficiency : current level

Scenario 2Popu.: increase, Living stan.: riseResource/Ener. Efficiency : rise in proportionto them

Scenario 3Popu.: increase, Living stan.: riseResource/Ener. Efficiency : increase more than the increase of popu. and living stan.

Scenarios on Resource/Energy –Service/Goods – Environmental Burden

Pres

ent

Pres

ent

Present

Prod

uctio

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Env

iron

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Resources and energy consumption

123

Environmentalburden

How about Concrete and Construction Industries!

Robust buildings and infrastructure are the basis of sustainability. If the population increases and living standards rise, demand for buildings and infrastructure development increases.As a direct or indirect consequence, resource and energy consumption grows.Therefore, scenario 3 should be the target of our industry, too.

What are the Problems to be Solved?

The balance among resources/energy consumption (environmental aspects), economy, and safety/reliability (social aspect) is important for the sustainability of our society.

There are still issues regarding the robustness of existing buildings and infrastructure.

The available technology and assessment rules for reducing all negative impacts are not  adequate.

Conflict between Structural Safety and Environmental Issues

If a large degree of redundancy is adopted, the degree of safety increases. But, this generally increases the amount of resources and energy used. If  a low level of redundancy is adopted, highly efficient resource and energy consumption results, but the degree of safety decreases in respect of actions exceeding the assumed level. 

Design Basis of Concrete Structure

It is not economically practicable to design a structure that completely excludes destruction by unforeseen great external forces that may occur in the future. Therefore, it is necessary to provide a level of performance that holds damage to the level of partial destruction without collapse of the entire structure, in the case of an unforeseen great action of very low probability.

Facts on Damage of Structures in Japan Disaster

Wooden houses were destroyed by the tsunami. Many bridges just fell down by the tsunami.

Reinforced concrete buildings escaped destruction from the tsunami and therefore many people’s lives were saved.

The columns and beams of Tohoku‐Shinkansenviaducts suffered damage, but it amounted only to localized destruction, not whole collapse. As a result, train accidents were prevented and the viaduct recovered within a short time.

Rehabilitation by jacking‐up

Scenarios on Safety and Environmental Burden

Scenario 1: Increasing the degree of safety under current technology leads to an increase in environmental burden.

Scenario 2: Improvement to materials and structure allow the degree of safety to be increased without increasing environmental burden.

Scenario 3: Introduction of innovative technology in materials and structure reduces environmental burden and increase safety.

Scenarios on Safety and Environmental Burden

1

2

3

Pres

ent

Present

Env

iron

men

talb

urde

n

Safety

An Example of Scenario 3

RC rigid frame viaduct‐ Ordinary viaduct with underground beams‐ Innovative viaduct without undergroundbeam, but with spiral reinforcement in columns and point pre‐load in pile

RC Rigid Frame Viaduct‐ Side View ‐

Steel tube

PC plate

Cast-in-place pile

Steel tube

RC Rigid Frame Viaduct‐ Elevation View ‐

PC plate

G.L.

Steep tube

Cast-in-place pile

Point pre-load

Cast-in-place pile Footing

beam

With underground beams Without underground beam

CO2 Emissions from Construction of RC Rigid Frame Viaduct

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With underground beams Without underground beams

Preload

Injection bag ofcement milk

Enhancement of bearing capacity of

pile

Conventional Technology (with underground beam)

New technologies(without underground beams)

Damaged No damage

Viaducts of railways

Analysis of Results

The introduction of new technologies into viaduct structure: ‐ decreased environmental burden (CO2 andresources)‐ increased safety (no damage in earthquake)

This is “scenario 3”, ideal direction!

Concluding Remarks (1)

Human being invented a great idea “sustainability” at the end of 20th century.From the idea, our problems have become quite clear.For ourselves and future generations, it is very important to create the reasonable systems that achieve sustainable society.Concrete is the keystone for that.

Concluding Remarks (2)

In contemporary society, almost all people utilize infrastructure and spend long periods of time inside houses and buildings, which are built with concrete.Therefore, creating safety structures with low environmental burden, which is the essence of sustainability, is the responsibility of those of us working in the concrete and construction industry.

“Concrete, there’s no other alternative”