14.4.1 Szénhidrát-alapú anyagok a cementben és a betonban
A bioszén egy hulladék biomasszából származó szénalapú anyag, amelynek számos kulcsfontosságú tulajdonsága, köztük az alacsony térfogatsűrűség, az alacsony hővezető képesség és a pórusos jelleg miatt a betonban kiemelkedő teljesítményjellemzőkkel rendelkezik. Az alacsony sűrűség például könnyebb beton előállítását eredményezi, ezért a bioszén hatékony alternatívaként működik a sűrűbb anyagok, például a cementpor és az adalékanyag által felvett nagyobb térfogatrész helyett (Cuthbertson et al., 2019). Emellett a bioszén alacsony hővezető képessége és pórusos szerkezete a hőhidak lebontásával az anyag hőszigetelésének növelésére is hatással van. A szigetelő tulajdonságai mellett a bioszénből származó üregek és az egymással összekapcsolt pórusok hálózatai a beton hangelnyelését is növelik. A közelmúltban végzett vizsgálatok továbbá azt sugallták, hogy a bioszén hozzáadása a cementalapú kompozitokhoz növelheti a nyomószilárdságot a cement hidratációjának elősegítésével, a nagy vízmegtartó képességének köszönhetően (Wang et al., 2019). A bioszén a cement hidratációja során fokozatosan képes vizet felszabadítani. Ez jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkező betonhoz vezet (Cuthbertson et al., 2019). Ráadásul a bioszén általában finom szemcsemérettel rendelkezik, így a bioszén felhasználható töltőanyagként az építőanyagok mikropórusainak kitöltésére (Wang et al., 2019). A fába beépített kompozitokhoz képest a bioszénnel módosított kompozitok viszonylag magas tűzállóságot mutattak stabil fiziokémiai tulajdonságaiknak köszönhetően. Ezért a bioszén megújuló erőforrásként hasznosítható a cementtartalom helyettesítésére az építőiparban használt habarcs készítése során.
A bioszén bizonyítottan hatékonyan javítja a beton tulajdonságait a skála mindkét oldalán, amikor kisebb frakciókban helyettesíti a cementet, például a hajlítószilárdságot és a hasító szakítószilárdságot (Akhtar és Sarmah, 2018). Megállapították, hogy a bioszén 0,1%-os (v/v) hozzáadása, mint helyettesítő kötőanyag a legjobb teljesítményt mutatta a beton mechanikai szilárdságában. A bioszén alapanyagok, mint például a baromfi alom és a cellulóz- és papírgyári iszap, aktív szerepet játszanak a beton vízfelvételének fokozásában. A bioszén ideális anyagnak tekinthető a betongyártás során a CO2 csökkentésére, valamint a szénmegkötés csökkentésére (Akhtar és Sarmah, 2018). A kutatások kimutatták, hogy az 5%-ban kezelt bagasse bioszén hozzáadásával készült betonminta szakítószilárdsága 78%-kal nőtt a bioszén nélküli betonhoz képest (Zeidabadi et al., 2018). A bioszén hozzáadása a beton sűrűségének lineáris csökkenéséhez vezet, körülbelül 2200-ról 1454 kg/m3 -re, amikor összehasonlítjuk a szén hozzáadása nélküli és a 15 tömegszázalékos bioszén hozzáadással. Emellett a bioszén hozzáadása megnövelte a beton hangelnyelési együtthatóját is, mivel jól fejlett pórusszerkezetet hozott létre a beton belsejében. Ezenkívül a beton hővezető képessége is csökkent, és 2 tömegszázalékos bioszén hozzáadásával elérte a minimumot. A bioszén hozzáadása által okozott kedvezőtlenül csökkent betonszilárdság azonban ezt a kompozit anyagot alacsony szilárdságú betonná teszi (Cuthbertson et al., 2019). A habarcs kezdeti szilárdulási ideje csökkent, és a habarcs korai nyomószilárdságát mind a friss, mind a telített bioszén növelte. Megállapították, hogy a bioszén hozzáadása jelentősen beépítette a habarcs hajlítás alatti alakíthatóságát, bár a hajlítószilárdságra kevés hatással volt. A bioszén hozzáadása a vízbehatolás és a szorptivitás csökkenése miatt a habarcs vízzáróságához is vezetett. Mindazonáltal a friss bioszén hozzájárult a nagyobb mechanikai szilárdsághoz és a fokozott áteresztőképességhez a szén-dioxiddal telített bioszénnel összehasonlítva (Gupta et al., 2018a). Ebben a tekintetben a bioszén ígéretes anyagnak bizonyul, amelyet adalékanyagként használnak a betonépítésben, hozzájárulva mind a szénmegkötéshez, mind a hulladék újrahasznosításához. A tömörítési vizsgálat kimutatta, hogy a habarcsban a bioszén nagyobb mértékű helyettesítésével a nyomószilárdság csökkent, és a bioszén-cementkompozitokban kevesebb kalcium-szilikát-hidrát képződött. A vízfelvételi vizsgálat azt mutatta, hogy növekvő bioszén-helyettesítéssel több vizet tartanak vissza a habarcs-bioszén kompozitok. Az eredményekből arra lehet következtetni, hogy a bioszén bizonyos százalékos arányig a cement életképes alternatívája lehet a habarcs készítése során bizonyos alkalmazásokhoz (Roy et al., 2017).
Egyre több kutatás jelenik meg a bioszén betonhoz való hozzáadásának optimális feltételének feltárására. Olyan paramétereket vesznek figyelembe, mint a méret, az adagolás és a pirolízis. Cementhabarcsként a bioszén makropórusú durvább részecskék (méret 2-100 μm) hatékonyabban fokozzák a cementmassza folyékonyságát és viszkozitását, mint a finomabb részecskék (méret 0,10-2 μm) (Gupta és Kua, 2019). Még így is bebizonyosodott, hogy az utóbbiaknak nagyobb hatásuk van a korai szilárdság és a vízzáróság javításában száraz kikeményedési körülmények között, mint az előbbi bioszénnek (Gupta és Kua, 2019). A 300°C-500°C-on pirolizált 1-2 m% bioszén hozzáadása javítja a habarcs korai (7 napos) nyomószilárdságát a magas vízvisszatartás miatt. A bioszén hozzáadása nem befolyásolta jelentősen a hajlítószilárdságot, a száradási zsugorodást és a rugalmassági modulust. A kísérleti eredmények alapján arra a következtetésre jutottak, hogy 1-2 tömegszázaléknyi bioszén hozzáadása ajánlott lehet a cementhabarcs szilárdságának javítására és áteresztőképességének csökkentésére (Gupta et al., 2018b). Számos pirolízisparaméter és a bioszén alapanyagának jellege hatással van a cementkompozitok mechanikai tulajdonságaira. A mechanikai vizsgálatok eredményei ígéretes javulást mutattak a szilárdság, a szívósság és a képlékenység terén. Valójában a bioszén hozzáadásával készült próbatesteknél magasabb hajlítószilárdsági és törési energia értékeket mértek, mint az azt nem tartalmazó próbatesteknél. A hajlítószilárdság és a törési energia értékeit azonban befolyásolhatták a bioszén előállításához használt különböző pirolízisparaméterek (hőmérséklet, fűtési sebesség és nyomás). Ezért az eredményeket inkább a széntartalmú anyag típusa és az előállítási paraméterek befolyásolhatták, mint a szénrészecskék mérete. Gazdasági szempontból ezek a szénrészecskék nulla költséggel járnak, mivel a biomassza pirolízis folyamatának hulladékai. Emiatt jó anyagokat jelentenek az új zöld építőanyagok számára (Cosentino et al., 2018).
Ezeken kívül a növényi betonhoz bioszénrészecskék hozzáadásával tovább javítható a növényi beton növényi kompatibilitása. A megerősítő alapként lefektetett és a növényzettel borított talajréteggel fedett vegetációs beton cementből, vízből és durva adalékanyagból áll. A vegetációs beton lúgosságának csökkentése alacsony bázicitású cementtel vagy adalékanyagok hozzáadásával jelentősen javítja a növénykompatibilitást és a vegetációs beton nyomószilárdságát. A kutatások azt mutatják, hogy a bioszéntartalom növekedésével a vegetációs beton porozitása és áteresztőképességi együtthatója tovább csökkent, míg a bioszén hatása a növényi növekedés elősegítésére először a maximumig való növekedést, majd fokozatos csökkenést mutatott. Ezért a megfelelő mennyiségű bioszén hozzáadása javíthatja a vegetációs beton jellemzőit. Továbbá javasolták a bioszénnel módosított vegetációs beton optimális keverési arányát (Zhao et al., 2019).
A cement a városfejlesztés egyik legjelentősebb anyaga, amelynek előállítása a legnagyobb globális CO2-kibocsátásért felelős. E tekintetben a zöld és fenntartható anyagok felhasználása a cementgyártásban hozzájárulhat az üvegházhatású gázok légkörbe történő kibocsátásának csökkentéséhez és a globális felmelegedés enyhítéséhez. Ezen anyagok közül a mezőgazdasági hulladékból származó biomassza bizonyítottan a portlandcement hatékony alternatívájaként szolgál a betongyártásban, ami sikeresen csökkentette a cementgyártás környezeti hatását. Az ilyen szintetizált anyagok pozzolánként használhatók (Zeidabadi et al., 2018). A bioszén szénmegkötő adalékanyagként való használata cementhabarcsban vagy a szabványos beton töltőanyagaként a homok vagy a durva adalékanyag helyett a beton teljesítményjellemzőinek potenciális javulását, valamint a szénmegkötés lehetőségét mutatta be.