14.4.1 Kohlenhydrathaltige Materialien in Zement und Beton
Biokohle ist ein kohlenstoffhaltiges Material, das aus Biomasseabfällen gewonnen wird und sich durch mehrere Schlüsseleigenschaften auszeichnet, darunter eine geringe Schüttdichte, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine poröse Beschaffenheit, die zu hervorragenden Leistungsmerkmalen von Beton führen. Beispielsweise führt die geringe Dichte zur Herstellung von leichterem Beton, so dass Biokohle eine wirksame Alternative zu dem größeren Volumenanteil darstellt, der von dichteren Materialien wie Zementpulver und Zuschlagstoffen aufgenommen wird (Cuthbertson et al., 2019). Außerdem wirken sich die geringe Wärmeleitfähigkeit und die poröse Struktur von Biokohle auf die Verbesserung der Wärmedämmung des Materials aus, indem sie die Wärmebrücken unterbrechen. Zusätzlich zu den Dämmeigenschaften erhöhen die Hohlräume und Netzwerke aus miteinander verbundenen Poren der Biokohle auch die Schallabsorption des Betons. Jüngste Studien deuten außerdem darauf hin, dass die Zugabe von Biokohle zu zementbasierten Verbundwerkstoffen die Druckfestigkeit erhöhen könnte, indem sie die Zementhydratation aufgrund ihrer hohen Wasserrückhaltekapazität fördert (Wang et al., 2019). Biokohle kann während der Zementhydratation allmählich Wasser freisetzen. Dies führt zu Beton mit verbesserten mechanischen Eigenschaften (Cuthbertson et al., 2019). Außerdem hat Biokohle in der Regel eine feine Partikelgröße, so dass Biokohle als Füllstoff verwendet werden könnte, um die Mikroporen in Baumaterialien zu füllen (Wang et al., 2019). Im Vergleich zu holzhaltigen Verbundwerkstoffen weisen mit Biokohle modifizierte Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer stabilen physiochemischen Eigenschaften eine relativ hohe Feuerbeständigkeit auf. Daher wird Biokohle als erneuerbare Ressource genutzt, um den Zementanteil bei der Herstellung von Mörtel zu ersetzen, der in der Bauindustrie verwendet wird.
Biokohle verbessert nachweislich die Betoneigenschaften auf beiden Seiten der Skala, wenn sie den Zement in kleinen Fraktionen ersetzt, wie z. B. die Biegefestigkeit und die Spaltzugfestigkeit (Akhtar und Sarmah, 2018). Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von 0,1 % (v/v) Biokohle als Ersatzbindemittel die beste Leistung in Bezug auf die mechanische Festigkeit von Beton zeigte. Biokohle-Einsatzstoffe wie Geflügelabfälle und Schlamm aus Zellstoff- und Papierfabriken spielen eine aktive Rolle bei der Verbesserung der Wasseraufnahme in Beton. Biokohle gilt als ideales Material zur Verringerung des CO2-Ausstoßes bei der Betonherstellung sowie zur Verringerung der Kohlenstoffspeicherung (Akhtar und Sarmah, 2018). Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zugfestigkeit von Betonproben mit 5% behandelter Bagasse-Biokohle im Vergleich zu Beton ohne Biokohle um 78% erhöht wurde (Zeidabadi et al., 2018). Die Zugabe von Biokohle führt zu einer linearen Verringerung der Betondichte von ca. 2200 auf 1454 kg/m3 beim Vergleich zwischen keiner Kohlenstoffzugabe und 15 Gew.-% Biokohle. Außerdem vergrößerte die Biokohlezugabe auch die Schallabsorptionskoeffizienten des Betons, da sie eine gut entwickelte Porenstruktur im Beton erzeugte. Auch die Wärmeleitfähigkeit des Betons nahm ab und erreichte mit 2 Gew.-% Biokohlezusatz ihr Minimum. Die durch die Biokohlezugabe verursachte ungünstige Verringerung der Festigkeit des Betons macht dieses Verbundmaterial jedoch zu einem Beton mit geringer Festigkeit (Cuthbertson et al., 2019). Die Erstarrungszeit wurde verkürzt und die Frühdruckfestigkeit des Mörtels wurde sowohl durch frische als auch durch gesättigte Biokohle erhöht. Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Biokohle die Duktilität des Mörtels unter Biegebelastung signifikant erhöhte, obwohl sie kaum Auswirkungen auf die Biegefestigkeit hatte. Die Zugabe von Biokohle führte auch zur Undurchlässigkeit des Mörtels aufgrund der Verringerung des Wassereindringens und der Sorptionsfähigkeit. Dennoch trug frische Biokohle im Vergleich zu mit Kohlendioxid gesättigter Biokohle zu einer höheren mechanischen Festigkeit und verbesserten Durchlässigkeit bei (Gupta et al., 2018a). In dieser Hinsicht erweist sich Biokohle als ein vielversprechendes Material, das als Zusatzstoff im Betonbau verwendet wird und sowohl zur Kohlenstoffbindung als auch zum Abfallrecycling beiträgt. Der Druckversuch zeigte, dass die Druckfestigkeit mit zunehmendem Biokohleanteil im Mörtel abnahm und sich weniger Kalziumsilikathydrate in den Biokohle-Zement-Verbundstoffen bildeten. Der Wasserabsorptionstest zeigte, dass mit zunehmendem Biokohleanteil mehr Wasser in den Mörtel-Biokohle-Verbundwerkstoffen zurückgehalten wird. Aus den Ergebnissen lässt sich schließen, dass Biokohle bis zu einem bestimmten Prozentsatz eine brauchbare Alternative zu Zement sein kann, wenn es um die Herstellung von Mörtel für bestimmte Anwendungen geht (Roy et al., 2017).
Es gibt immer mehr Forschungen, die die optimalen Bedingungen für die Zugabe von Biokohle zu Beton untersuchen. Dabei werden Parameter wie Größe, Dosierung und Pyrolyse in Betracht gezogen. Als Zementmörtel sind makroporöse gröbere Biokohlepartikel (Größe 2-100 μm) effektiver bei der Verbesserung der Fließfähigkeit und Viskosität des Zementsteins im Vergleich zu feineren Partikeln (Größe 0,10-2 μm) (Gupta und Kua, 2019). Dennoch hat letztere nachweislich eine größere Wirkung auf die Verbesserung der Frühfestigkeit und der Wasserdichtigkeit unter trockenen Aushärtungsbedingungen im Vergleich zur ersteren Biokohle (Gupta und Kua, 2019). Die Zugabe von 1-2 Gew.-% Biokohle, die bei 300°C-500°C pyrolysiert wurde, verbessert die Druckfestigkeit von Mörtel im frühen Alter (7 Tage) aufgrund der hohen Wasserrückhaltung. Die Zugabe von Biokohle hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Biegefestigkeit, die Trockenschwindung und den Elastizitätsmodul. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wird gefolgert, dass die Zugabe von 1-2 Gew.-% Biokohle empfohlen werden kann, um die Festigkeit zu verbessern und die Permeabilität von Zementmörtel zu reduzieren (Gupta et al., 2018b). Mehrere Pyrolyseparameter und die Art der Ausgangsstoffe der Biokohle haben Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Zementkomposite. Die Ergebnisse der mechanischen Tests zeigten eine vielversprechende Verbesserung der Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität. Tatsächlich wurden bei den Probekörpern mit Biokohlezusatz höhere Werte für Biegefestigkeit und Bruchenergie gemessen als bei den Probekörpern ohne Biokohlezusatz. Die Werte für Biegefestigkeit und Bruchenergie könnten jedoch durch verschiedene Pyrolyseparameter beeinflusst werden, die bei der Herstellung von Biokohle verwendet werden (Temperatur, Heizrate und Druck). Daher könnten die Ergebnisse eher von der Art des kohlenstoffhaltigen Materials und den Produktionsparametern als von der Größe der Kohlenstoffpartikel beeinflusst werden. Aus wirtschaftlicher Sicht haben diese Kohlenstoffpartikel keine Kosten, da sie als Abfall des Biomasse-Pyrolyseprozesses anfallen. Aus diesem Grund stellen sie gute Materialien für neue grüne Baustoffe dar (Cosentino et al., 2018).
Außerdem ist die Zugabe von Biokohlepartikeln zu Vegetationsbeton eine Möglichkeit, die Pflanzenverträglichkeit von Vegetationsbeton weiter zu verbessern. Als Bewehrungstragschicht verlegt und von der Bodenschicht mit Vegetation bedeckt, besteht Vegetationsbeton aus Zement, Wasser und grobem Zuschlagstoff. Die Verringerung der Alkalität von Vegetationsbeton durch die Verwendung von Zement mit niedriger Basizität oder durch die Zugabe von Zusatzstoffen trägt wesentlich zur Verbesserung der Pflanzenverträglichkeit und Druckfestigkeit von Vegetationsbeton bei. Die Forschung zeigt, dass mit steigendem Gehalt an Biokohle die Porosität und der Durchlässigkeitskoeffizient von Vegetationsbeton weiter sinken, während die Wirkung von Biokohle auf die Förderung des Pflanzenwachstums zunächst einen Anstieg bis zum Maximum und dann einen allmählichen Rückgang zeigt. Daher kann die Zugabe einer geeigneten Menge Biokohle die Eigenschaften von Vegetationsbeton verbessern. Darüber hinaus wurde der optimale Mischungsanteil von mit Biokohle modifiziertem Vegetationsbeton empfohlen (Zhao et al., 2019).
Zement ist eines der wichtigsten Materialien für die Stadtentwicklung, dessen Herstellung für einen Großteil der globalen CO2-Emissionen verantwortlich ist. Die Verwendung grüner und nachhaltiger Materialien bei der Zementherstellung kann daher dazu beitragen, die Emission von Treibhausgasen in die Atmosphäre zu verringern und die globale Erwärmung zu mildern. Unter diesen Materialien hat sich Biomasse aus landwirtschaftlichen Abfällen als wirksame Alternative zu Portlandzement bei der Betonherstellung erwiesen, wodurch die Umweltauswirkungen der Zementherstellung erfolgreich reduziert werden konnten. Solche synthetisierten Materialien können als Puzzolan-Materialien verwendet werden (Zeidabadi et al., 2018). Die Verwendung von Biokohle als kohlenstoffbindender Zusatzstoff in Zementmörtel oder als Füllstoff für Standardbeton anstelle von Sand oder grobem Zuschlagstoff bietet potenzielle Verbesserungen der Leistungseigenschaften sowie die Möglichkeit der Kohlenstoffbindung.