14.4.1 Kulhydratbaserede materialer i cement og beton
Biochar er et kulstofholdigt materiale, der stammer fra affaldsbiomasse, og som har flere vigtige egenskaber, herunder lav massefylde, lav varmeledningsevne og porøs karakter, hvilket har gjort det til enestående egenskaber for betonens ydeevne. For eksempel resulterer den lave massefylde i produktion af lettere beton, og derfor fungerer biokul som et effektivt alternativ til den større volumenfraktion, der optages af tættere materialer, såsom cementpulveret og tilslaget (Cuthbertson et al., 2019). Desuden har biokoksens lave varmeledningsevne og porøse struktur en effekt på at øge materialets varmeisolering ved at bryde kuldebroerne op. Ud over de isolerende egenskaber øger hulrum og netværk af indbyrdes forbundne porer, der stammer fra biokul, også betonens lydabsorption. Nyere undersøgelser tyder endvidere på, at tilsætning af biokul i de cementbaserede kompositter kan øge trykstyrken ved at fremme cementhydrering på grund af dens høje kapacitet til at tilbageholde vand (Wang et al., 2019). Biochar kan gradvist frigive vand under cementhydrering. Dette fører til beton med forbedrede mekaniske egenskaber (Cuthbertson et al., 2019). Desuden har biokul normalt en fin partikelstørrelse, og biokul kan derfor bruges som fyldstof til at fylde mikroporerne i byggematerialer (Wang et al., 2019). Sammenlignet med kompositter med træindblanding viste biokar-modificerede kompositter relativt høj brandmodstandsdygtighed på grund af dets stabile fysiokemiske egenskaber. Derfor udnyttes biokul som en vedvarende ressource til at erstatte cementindholdet, mens der laves mørtel, der anvendes i byggeindustrien.
Biokul har vist sig effektivt at forbedre betonegenskaberne på begge sider af skalaen, når det erstatter cement i mindre fraktioner, såsom bøjningsstyrke og splittet trækstyrke (Akhtar og Sarmah, 2018). Det blev fundet, at 0,1 % (v/v) tilsætning af biokul som erstatningsbindemiddel præsenterede den bedste ydeevne i mekanisk styrke i beton. Biochar-materialer, såsom fjerkræstrøelse og slam fra papirmasse- og papirfabrikker, spiller en aktiv rolle i at øge vandabsorptionen i beton. Biochar betragtes som et ideelt materiale til at reducere CO2 i betonproduktionen samt mindske kulstofbindingen (Akhtar og Sarmah, 2018). Forskning viste, at en 78 % stigning i trækstyrke for betonprøve med 5 % behandlet bagasse biokultilsætning sammenlignet med beton uden biokul (Zeidabadi et al., 2018). Biokultilsætning fører til en lineær reduktion i betondensiteten fra ca. 2200 til 1454 kg/m3 ved sammenligning af ingen kultilsætning og 15 vægtprocent biokul. Desuden udvidede biokultilsætning også betonens lydabsorptionskoefficienter, da det genererede en veludviklet porestruktur inde i betonen. Desuden faldt betonens varmeledningsevne også og nåede sit minimum med 2 vægtprocent tilsætning af biokul. Den ugunstige reducerede styrke af beton forårsaget af biokultilsætning gør dog dette kompositmateriale til en beton med lav styrke (Cuthbertson et al., 2019). Den indledende hærdningstid blev reduceret, og den tidlige trykstyrke af mørtel blev forbedret af både frisk og mættet biokul. Det blev fundet, at biokultilsætning inkorporerede duktilitet til mørtel under bøjning betydeligt, selv om det havde lille effekt på bøjningsstyrke. Tilsætning af biokul førte også til impermeabilitet i mørtel på grund af reduktion af vandindtrængning og sorptivitet. Ikke desto mindre bidrog frisk biokul til mere mekanisk styrke og forbedret permeabilitet sammenlignet med biokul mættet med kuldioxid (Gupta et al., 2018a). I denne henseende viser biokul sig at være et lovende materiale, der anvendes som tilsætningsstof i betonbyggeri og bidrager til både kulstofbinding og genanvendelse af affald. Kompressionstesten afslørede, at kompressionsstyrken blev reduceret med større biokuludskiftning i mørtel med stigende biokuludskiftning, og der blev dannet færre calciumsilikathydrater i biokulcementkompositterne. Vandabsorptionstesten viste, at der med stigende biokuludskiftning tilbageholdes mere vand i mørtel-biokulkompositterne. Ud fra resultaterne kan det konkluderes, at biokul kan være et levedygtigt alternativ til cement op til en vis procentdel, når der fremstilles mørtel til specifikke anvendelser (Roy et al., 2017).
Der opstår stadig flere undersøgelser om udforskning af den optimale tilstand for tilsætning af biokul til beton. Parametre som størrelse, dosering og pyrolyse er taget i betragtning. Som cementmørtel er biokar makroporøse grovere partikler (størrelse 2-100 μm) mere effektive til at forbedre cementpastaens flydeevne og viskositet sammenlignet med finere partikler (størrelse 0,10-2 μm) (Gupta og Kua, 2019). Alligevel har sidstnævnte vist sig at have større effekt i forhold til at forbedre den tidlige styrke og vandtæthed under tørhærdningsbetingelser sammenlignet med førstnævnte biokul (Gupta og Kua, 2019). Tilsætning af 1-2 vægtprocent biokul pyrolyseret ved 300°C-500°C forbedrer tidlig alder (7 dage) kompressionsstyrke af mørtel på grund af høj vandbinding. Tilsætning af biokul havde ingen signifikant indflydelse på bøjningsstyrke, tørringskrumpning og elasticitetsmodul. På baggrund af de eksperimentelle resultater konkluderes det, at 1-2 vægtprocent tilsætning af biokul kan anbefales for at forbedre styrken og reducere permeabiliteten af cementmørtel (Gupta et al., 2018b). Flere pyrolyseparametre og arten af råmaterialer til biokul har en effekt på de mekaniske egenskaber af cementkompositterne. Resultaterne fra de mekaniske tests viste en lovende forbedring af styrke, sejhed og duktilitet. Der blev faktisk registreret højere værdier for bøjningsstyrke og brudkraft for prøveemner med tilsætning af biokul sammenlignet med prøveemnerne uden biokul. Bøjningsstyrken og værdierne for brudkraft kunne dog påvirkes af de forskellige pyrolyseparametre, der anvendes ved fremstillingen af biokul (temperatur, opvarmningshastighed og tryk). Resultaterne kan derfor være påvirket af typen af kulstofholdigt materiale og af produktionsparametrene snarere end af kulstofpartiklernes størrelse. Ud fra et økonomisk synspunkt har disse kulpartikler ingen omkostninger, da de er affald fra biomassepyrolyseprocessen. Derfor udgør de gode materialer til nye grønne byggematerialer (Cosentino et al., 2018).
Dertil kommer, at tilsætning af biokulpartikler til vegetationsbeton er en måde at forbedre vegetationsbetonens plantekompatibilitet yderligere. Vegetationsbeton, der lægges som et armeringsunderlag og dækkes af jordlaget med vegetation, består af cement, vand og groft tilslagsmateriale. Det er vigtigt at reducere alkaliniteten i vegetationsbeton ved hjælp af lavbasisk cement eller ved at tilsætte tilsætningsstoffer for at forbedre plantekompatibiliteten og trykstyrken af vegetationsbeton. Undersøgelser viser, at med et øget indhold af biokul fortsætter porøsiteten og permeabilitetskoefficienten i vegetationsbeton med at falde, mens biokuls virkning på fremme af plantevækst først viste en stigning til maksimum og derefter et gradvist fald. Derfor kan tilføjelse af en passende mængde biokul forbedre vegetationsbetonens egenskaber. Desuden blev den optimale blandingsandel af biokar-modificeret vegetationsbeton anbefalet (Zhao et al., 2019).
Cement er et af de mest betydningsfulde materialer til byudvikling, hvoraf produktionen tegner sig for store globale CO2-emissioner. I denne henseende kan udnyttelsen af grønne og bæredygtige materialer i cementproduktionen bidrage til at reducere udledningen af drivhusgasser til atmosfæren og lindre den globale opvarmning. Blandt disse materialer har biomasse fra landbrugsaffald vist sig at være et effektivt alternativ til Portlandcement i betonproduktionen, hvilket har reduceret miljøpåvirkningen fra cementproduktionen. Sådanne syntetiserede materialer kan anvendes som puzzolanske materialer (Zeidabadi et al., 2018). Anvendelse af biokul som kulstofbindingsadditiv i cementmørtel eller som fyldstof til standardbeton i stedet for enten sand eller groft aggregat præsenterede potentielle forbedringer af dets præstationsegenskaber samt en mulighed for kulstofbinding.