14.4.1 Materiály odvozené od sacharidů v cementu a betonu
Biochar je uhlíkatý materiál získaný z odpadní biomasy, který díky několika klíčovým vlastnostem, jako je nízká objemová hmotnost, nízká tepelná vodivost a porézní povaha, vyniká svými vlastnostmi při výrobě betonu. Například nízká hustota vede k výrobě lehčího betonu, a proto biochar působí jako účinná alternativa k většímu objemovému podílu, který zabírají hustší materiály, jako je cementový prášek a kamenivo (Cuthbertson et al., 2019). Kromě toho má nízká tepelná vodivost a porézní struktura biocharu vliv na zvýšení tepelné izolace materiálu tím, že rozbíjí tepelné mosty. Kromě izolačních vlastností zvyšují dutiny a sítě vzájemně propojených pórů pocházející z biocharu také zvukovou pohltivost betonu. Nedávné studie dále naznačily, že přídavek biocharu do kompozitů na bázi cementu by mohl zvýšit pevnost v tlaku podporou hydratace cementu díky jeho vysoké schopnosti zadržovat vodu (Wang et al., 2019). Biochar může během hydratace cementu postupně uvolňovat vodu. To vede k betonu se zlepšenými mechanickými vlastnostmi (Cuthbertson et al., 2019). Kromě toho má biochar obvykle jemnou velikost částic, a proto by se biochar mohl používat jako plnivo k vyplnění mikropórů ve stavebních materiálech (Wang et al., 2019). V porovnání s kompozity s příměsí dřeva vykazovaly kompozity modifikované biocharem relativně vysokou požární odolnost díky svým stabilním fyzikálně-chemickým vlastnostem. Proto se biochar využívá jako obnovitelný zdroj k náhradě obsahu cementu při výrobě malty, která se používá ve stavebnictví.
Biochar prokazatelně účinně zlepšuje vlastnosti betonu na obou stranách stupnice, když nahrazuje cement v menších frakcích, jako je pevnost v ohybu a pevnost v tahu při štěpení (Akhtar a Sarmah, 2018). Bylo zjištěno, že 0,1% (v/v) přídavek biocharu jako náhradního pojiva představuje nejlepší výsledky v mechanické pevnosti v betonu. Výchozí suroviny biocharu, jako je drůbeží podestýlka a kaly z celulózky a papírny, hrají aktivní roli při zvyšování absorpce vody v betonu. Biochar je považován za ideální materiál pro snížení emisí CO2 při výrobě betonu a také pro snížení sekvestrace uhlíku (Akhtar a Sarmah, 2018). Výzkum ukázal, že u vzorku betonu s přídavkem 5 % upraveného biocharu z pytloviny došlo k 78% zvýšení pevnosti v tahu ve srovnání s betonem bez biocharu (Zeidabadi et al., 2018). Přídavek biocharu vede k lineárnímu snížení hustoty betonu z přibližně 2200 na 1454 kg/m3 při porovnání betonu bez přídavku uhlíku a betonu s 15 % hmot. biocharu. Kromě toho přídavek biocharu také zvětšil koeficienty zvukové pohltivosti betonu, protože vytvořil dobře vyvinutou strukturu pórů uvnitř betonu. Kromě toho se také snížila tepelná vodivost betonu, která dosáhla svého minima při přídavku 2 % hmot. biocharu. Nepříznivé snížení pevnosti betonu způsobené přídavkem biocharu však činí z tohoto kompozitního materiálu beton s nízkou pevností (Cuthbertson et al., 2019). Počáteční doba tuhnutí se snížila a časná pevnost v tlaku malty se zvýšila jak čerstvým, tak nasyceným biocharem. Bylo zjištěno, že přídavek biocharu významně zvýšil tažnost malty při ohybu, ačkoli měl malý vliv na pevnost v ohybu. Přídavek biocharu také vedl ke zvýšení nepropustnosti malty v důsledku snížení průniku vody a sorpční schopnosti. Nicméně čerstvý biochar přispěl k větší mechanické pevnosti a zvýšené propustnosti ve srovnání s biocharem nasyceným oxidem uhličitým (Gupta et al., 2018a). V tomto ohledu se biochar ukazuje jako slibný materiál používaný jako příměs v betonových konstrukcích, který přispívá k sekvestraci uhlíku i recyklaci odpadu. Kompresní zkouška odhalila, že při větším zastoupení biocharu v maltě se s rostoucím zastoupením biocharu snižovala pevnost v tlaku a v cementových kompozitech s biocharem se tvořilo méně hydrátů křemičitanu vápenatého. Zkouška nasákavosti ukázala, že se zvyšující se náhradou biocharu se v kompozitech malta-biochar zadržuje více vody. Z výsledků lze vyvodit závěr, že biochar může být až do určitého procenta životaschopnou alternativou cementu při výrobě malty pro specifické aplikace (Roy et al., 2017).
V současné době se objevuje stále více výzkumů zaměřených na zkoumání optimálních podmínek přídavku biocharu do betonu. V úvahu se berou parametry, jako je velikost, dávkování a pyrolýza. Jako cementová malta jsou makroporézní hrubší částice biocharu (velikost 2-100 μm) účinnější při zvyšování tekutosti a viskozity cementové pasty ve srovnání s jemnějšími částicemi (velikost 0,10-2 μm) (Gupta a Kua, 2019). Přesto se ukázalo, že druhé jmenované mají větší účinek na zlepšení rané pevnosti a vodotěsnosti za sucha ve srovnání s prvním biocharem (Gupta a Kua, 2019). Přídavek 1-2 % hmot. biocharu pyrolyzovaného při 300-500 °C zlepšuje pevnost malty v tlaku v raném věku (7 dní) díky vysoké retenci vody. Přídavek biocharu neměl významný vliv na pevnost v ohybu, smrštění při vysychání a modul pružnosti. Na základě experimentálních zjištění lze konstatovat, že přídavek 1-2 % hmot. biocharu lze doporučit ke zlepšení pevnosti a snížení propustnosti cementové malty (Gupta et al., 2018b). Na mechanické vlastnosti cementových kompozitů má vliv několik parametrů pyrolýzy a povaha vstupních surovin biocharu. Výsledky mechanických zkoušek ukázaly slibné zlepšení pevnosti, houževnatosti a tažnosti. U vzorků s přídavkem biocharu byly totiž zaznamenány vyšší hodnoty pevnosti v ohybu a lomové energie ve srovnání se vzorky bez přídavku biocharu. Hodnoty pevnosti v ohybu a lomové energie však mohly být ovlivněny různými parametry pyrolýzy použitými při výrobě biocharu (teplota, rychlost zahřívání a tlak). Výsledky tedy mohly být ovlivněny spíše typem uhlíkatého materiálu a výrobními parametry než velikostí uhlíkových částic. Z ekonomického hlediska mají tyto uhlíkové částice nulové náklady, protože jsou odpadem z procesu pyrolýzy biomasy. Z tohoto důvodu představují dobrý materiál pro nové ekologické stavební materiály (Cosentino et al., 2018).
Přidání částic biocharu do vegetačního betonu je navíc způsob, jak dále zlepšit snášenlivost vegetačního betonu s rostlinami. Vegetační beton, položený jako výztužný podklad a pokrytý vrstvou půdy s vegetací, se skládá z cementu, vody a hrubého kameniva. Snížení alkality vegetačního betonu pomocí cementu s nízkou bazicitou nebo přidáním příměsí má význam pro zlepšení rostlinné snášenlivosti a pevnosti vegetačního betonu v tlaku. Z výzkumu vyplývá, že se zvyšujícím se obsahem biocharu se pórovitost a součinitel propustnosti vegetačního betonu nadále snižovaly, zatímco vliv biocharu na podporu růstu rostlin vykazoval nejprve nárůst na maximum a poté postupný pokles. Přidáním vhodného množství biocharu lze tedy zlepšit vlastnosti vegetačního betonu. Dále byl doporučen optimální podíl směsi vegetačního betonu modifikovaného biocharem (Zhao et al., 2019).
Cement je jedním z nejvýznamnějších materiálů pro rozvoj měst, jehož výroba se podílí na hlavních globálních emisích CO2. V tomto ohledu může využití ekologických a udržitelných materiálů při výrobě cementu pomoci snížit emise skleníkových plynů do atmosféry a zmírnit globální oteplování. Mezi těmito materiály se ukázalo, že biomasa získaná ze zemědělského odpadu slouží jako účinná alternativa portlandského cementu při výrobě betonu, která úspěšně snižuje dopad výroby cementu na životní prostředí. Takto syntetizované materiály lze použít jako pucolánové materiály (Zeidabadi et al., 2018). Použití biocharu jako přísady pohlcující uhlík v cementové maltě nebo jako plniva do standardního betonu místo písku nebo hrubého kameniva představovalo potenciální zlepšení jeho užitných vlastností a také možnost sekvestrace uhlíku.
.