14.4.1 Hiilihydraattiperäiset materiaalit sementissä ja betonissa
Biohiili on jätebiomassasta peräisin oleva hiilipitoinen materiaali, jonka useat keskeiset ominaisuudet, kuten alhainen irtotiheys, alhainen lämmönjohtavuus ja huokoinen luonne, ovat johtaneet siihen, että se voi tarjota betonille erinomaisia suoritusominaisuuksia. Esimerkiksi alhainen tiheys johtaa kevyemmän betonin tuottamiseen, joten biohiili toimii tehokkaana vaihtoehtona tiheämpien materiaalien, kuten sementtijauheen ja kiviaineksen, viemän suuremman tilavuusosuuden tilalle (Cuthbertson et al., 2019). Lisäksi biohiilen alhainen lämmönjohtavuus ja huokoinen rakenne vaikuttavat materiaalin lämmöneristävyyttä parantavasti hajottamalla lämpösiltoja. Eristysominaisuuksiensa lisäksi biohiilestä peräisin olevat huokoset ja toisiinsa liittyvien huokosten verkostot lisäävät myös betonin äänenvaimennusta. Viimeaikaisissa tutkimuksissa ehdotettiin lisäksi, että biohiilen lisääminen sementtipohjaisiin komposiitteihin voisi lisätä puristuslujuutta edistämällä sementin hydrataatiota sen suuren vedenpidätyskyvyn ansiosta (Wang et al., 2019). Biohiili voi vapauttaa vettä vähitellen sementin hydrataation aikana. Tämä johtaa betoniin, jolla on paremmat mekaaniset ominaisuudet (Cuthbertson et al., 2019). Lisäksi biohiilellä on yleensä hieno hiukkaskoko, joten biohiiltä voitaisiin käyttää täyteaineena täyttämään rakennusmateriaalien mikrohuokosia (Wang et al., 2019). Puun sisältämiin komposiitteihin verrattuna biohiilimodifioidut komposiitit osoittivat suhteellisen korkeaa palonkestävyyttä sen vakaiden fysiokemiallisten ominaisuuksien vuoksi. Siksi biohiiltä hyödynnetään uusiutuvana resurssina korvaamaan sementtisisältöä rakennusteollisuudessa käytettävää laastia valmistettaessa.
Biohiilen on osoitettu parantavan tehokkaasti betonin ominaisuuksia asteikon molemmin puolin korvattaessa sementtiä pienissä osuuksissa, kuten taivutuslujuutta ja halkaisuvetolujuutta (Akhtar ja Sarmah, 2018). Todettiin, että 0,1 % (v/v) biohiilen lisääminen korvaavana sideaineena esitti parhaan suorituskyvyn betonin mekaanisessa lujuudessa. Biohiilen raaka-aineilla, kuten siipikarjan kuivikkeella ja sellu- ja paperitehtaan lietteellä, on aktiivinen rooli veden imeytymisen parantamisessa betonissa. Biohiiltä pidetään ihanteellisena materiaalina hiilidioksidin vähentämiseksi betonin tuotannossa sekä hiilensidonnan vähentämiseksi (Akhtar ja Sarmah, 2018). Tutkimus osoitti, että betoninäytteen, johon oli lisätty 5 % käsitellyn bagassin biohiiltä, vetolujuus kasvoi 78 % verrattuna betoniin, jossa ei ollut biohiiltä (Zeidabadi et al., 2018). Biohiilen lisäys johtaa betonin tiheyden lineaariseen pienenemiseen noin 2200:sta 1454 kg/m3 :iin, kun verrataan hiilen lisäämättä jättämistä ja 15 painoprosenttia biohiiltä. Lisäksi biohiilen lisäys kasvatti myös betonin äänen absorptiokertoimia, koska se synnytti betonin sisälle hyvin kehittyneen huokosrakenteen. Lisäksi betonin lämmönjohtavuus laski ja saavutti minimiarvonsa, kun biohiiltä lisättiin 2 painoprosenttia. Biohiilen lisäyksen aiheuttama epäedullinen betonin lujuuden väheneminen tekee tästä komposiittimateriaalista kuitenkin heikkolujuusbetonin (Cuthbertson et al., 2019). Alkuperäinen kovettumisaika lyheni ja laastin varhainen puristuslujuus parani sekä tuoreella että kyllästetyllä biohiilellä. Todettiin, että biohiilen lisäys sisällytti laastiin merkittävästi sitkeyttä taivutuksessa, vaikka sillä ei ollut juurikaan vaikutusta taivutuslujuuteen. Biohiilen lisääminen johti myös laastin tiiviyteen veden tunkeutumisen ja sorptiokyvyn vähenemisen vuoksi. Tuore biohiili edisti kuitenkin enemmän mekaanista lujuutta ja paransi läpäisevyyttä verrattuna hiilidioksidilla kyllästettyyn biohiileen (Gupta et al., 2018a). Tältä osin biohiili osoittautuu lupaavaksi materiaaliksi, jota käytetään lisäaineena betonirakentamisessa ja joka edistää sekä hiilen sitomista että jätteiden kierrätystä. Puristuskokeessa kävi ilmi, että biohiilen suurempi korvaavuus laastissa puristuslujuus väheni biohiilen korvaavuuden kasvaessa ja biohiilisementtikomposiiteissa muodostui vähemmän kalsiumsilikaattihydraatteja. Vedenimukykytesti osoitti, että biohiilen korvaavuuden kasvaessa laasti-biohiilikomposiitit pidättävät enemmän vettä. Tuloksista voidaan päätellä, että biohiili voi olla tiettyyn prosenttiosuuteen asti käyttökelpoinen vaihtoehto sementille, kun valmistetaan laastia tiettyihin käyttökohteisiin (Roy et al., 2017).
Lisääntyviä tutkimuksia syntyy yhä enemmän biohiilen betoniin lisäämisen optimaalisten olosuhteiden tutkimiseksi. Huomioon otetaan parametrit, kuten koko, annostus ja pyrolyysi. Sementtilaastina biohiilen makrohuokoisemmat karkeammat hiukkaset (koko 2-100 μm) parantavat tehokkaammin sementtimassan juoksevuutta ja viskositeettia verrattuna hienompiin hiukkasiin (koko 0,10-2 μm) (Gupta ja Kua, 2019). Silti jälkimmäisellä on todistetusti enemmän vaikutusta varhaislujuuden ja vedenpitävyyden parantamiseen kuivakovettumisolosuhteissa verrattuna edelliseen biohiileen (Gupta ja Kua, 2019). 300°C-500°C:ssa pyrolysoidun biohiilen lisääminen 1-2 painoprosenttia parantaa laastin varhaisen iän (7 vrk) puristuslujuutta korkean vedenpidätyskyvyn ansiosta. Biohiilen lisääminen ei vaikuttanut merkittävästi taivutuslujuuteen, kuivumiskutistumaan ja kimmomoduuliin. Kokeellisten tulosten perusteella voidaan päätellä, että 1-2 painoprosenttia biohiilen lisäämistä voidaan suositella sementtilaastin lujuuden parantamiseksi ja läpäisevyyden vähentämiseksi (Gupta et al., 2018b). Useat pyrolyysiparametrit ja biohiilen raaka-aineiden luonne vaikuttavat sementtikomposiittien mekaanisiin ominaisuuksiin. Mekaanisten testien tulokset osoittivat lupaavaa parannusta lujuudessa, sitkeydessä ja sitkeydessä. Itse asiassa biohiiltä lisättyjen koekappaleiden taivutuslujuus- ja murtoenergia-arvot olivat korkeammat kuin ilman biohiiltä olleiden koekappaleiden. Biohiilen valmistuksessa käytetyt erilaiset pyrolyysiparametrit (lämpötila, lämmitysnopeus ja paine) saattoivat kuitenkin vaikuttaa taivutuslujuuden ja murtoenergian arvoihin. Näin ollen tuloksiin voivat vaikuttaa hiilipitoisen materiaalin tyyppi ja tuotantoparametrit pikemminkin kuin hiilihiukkasten koko. Taloudellisesta näkökulmasta näillä hiilihiukkasilla ei ole kustannuksia, koska ne ovat biomassan pyrolyysiprosessin jätettä. Tästä syystä ne ovat hyviä materiaaleja uusiin vihreisiin rakennusmateriaaleihin (Cosentino et al., 2018).
Lisäksi biohiilihiukkasten lisääminen kasvubetoniin on keino parantaa kasvubetonin kasvinsuojeluominaisuuksia entisestään. Raudoituspohjaksi laitettu ja kasvillisuudella peitetty maakerros, kasvillisuusbetoni koostuu sementistä, vedestä ja karkeasta kiviaineksesta. Kasvibetonin emäksisyyden vähentäminen matalaemäksisellä sementillä tai lisäämällä lisäaineita parantaa merkittävästi kasvibetonin kasviyhteensopivuutta ja puristuslujuutta. Tutkimus osoittaa, että biohiilipitoisuuden kasvaessa kasvibetonin huokoisuus ja läpäisykerroin pienenivät edelleen, kun taas biohiilen vaikutus kasvien kasvun edistämiseen kasvoi ensin maksimiin ja vähitellen pieneni. Sopivan määrän biohiiltä lisäämällä voidaan siis parantaa kasvibetonin ominaisuuksia. Lisäksi suositeltiin biohiilimodifioidun kasvibetonin optimaalista sekoitusosuutta (Zhao et al., 2019).
Sementti on yksi merkittävimmistä kaupunkikehityksen materiaaleista, jonka tuotanto aiheuttaa suurimman osan globaaleista CO2-päästöistä. Tältä osin vihreiden ja kestävien materiaalien hyödyntäminen sementin tuotannossa voi auttaa vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä ilmakehään ja lievittämään ilmaston lämpenemistä. Näistä materiaaleista maatalousjätteestä peräisin oleva biomassa osoittautui tehokkaaksi vaihtoehdoksi portlandsementille betonin tuotannossa, mikä vähensi onnistuneesti sementin tuotannon ympäristövaikutuksia. Tällaisia syntetisoituja materiaaleja voidaan käyttää pozzolaanimateriaaleina (Zeidabadi et al., 2018). Biohiilen käyttö hiiltä sitovana lisäaineena sementtilaastissa tai tavallisen betonin täyteaineena joko hiekan tai karkean kiviaineksen sijasta esitti potentiaalisia parannuksia sen suorituskykyominaisuuksiin sekä mahdollisuuden hiilen sitomiseen.