14.4.1 Carbohydrate-derived materials in cement and concrete
バイオチャーは廃バイオマスから得られる炭素質材料で、低嵩密度、低熱伝導、多孔性などの主要特性によりコンクリートの優れた性能特性を示すようになった。 例えば、密度が低いため、より軽いコンクリートが製造され、それゆえバイオ炭は、セメント粉末や骨材などの密度の高い材料が占める体積割合の大きな代替物として効果的に作用します（Cuthbertson et al.、2019）。 その上、バイオ炭の低い熱伝導率と多孔質構造は、サーマルブリッジを破壊することによって材料の断熱性を高める効果がある。 また、断熱性に加えて、バイオ炭に由来する空隙と相互接続されたネットワークは、コンクリートの吸音性を向上させる。 最近の研究ではさらに、セメント系複合材料にバイオ炭を添加すると、その高い保水能力によりセメントの水和を促進し、圧縮強度を高めることができることが示唆されている（Wang et al.） バイオチャームは、セメント水和中に徐々に水を放出することができる。 これは、機械的特性が改善されたコンクリートにつながる（Cuthbertsonら、2019年）。 さらに、バイオチャームは通常、微細な粒子径を有するため、バイオチャームは建設資材の微細孔を埋める充填材として使用することができる（Wang et al.） 木材を組み込んだ複合材と比較して、バイオ炭改質複合材は、その安定した物理化学的特性により、比較的高い耐火性を示した。 したがって、バイオチャームは、建設産業で使用されているモルタルを作りながらセメント分を置き換えるための再生可能な資源として利用されています
バイオチャームは、曲げ強度や分割引張強度などのマイナーフラクションのセメントを置き換える際に、スケールの両側のコンクリートの特性を有効に改善することが証明されています（Akhtar and Sarmah, 2018）。 代替バインダーとしてのバイオ炭の0.1％（v/v）添加は、コンクリートにおける機械的強度で最高の性能を示したことが分かった。 鶏糞やパルプ・製紙工場スラッジなどのバイオ炭の原料は、コンクリートの吸水性を高める上で積極的な役割を果たす。 バイオチャールは、コンクリート生産におけるCO2を削減するとともに、炭素隔離を減少させるための理想的な材料とみなされています（Akhtar and Sarmah, 2018）。 研究によると、5％処理バガスのバイオ炭を添加したコンクリートサンプルの引張強度は、バイオ炭を添加していないコンクリートと比較して78％増加した（Zeidabadi et al.、2018年）。 バイオ炭添加は、炭素無添加と15wt.%バイオ炭を比較すると、コンクリート密度を約2200から1454kg/m3まで線形減少させることにつながります。 また、バイオ炭の添加は、コンクリート内部に発達した細孔構造を生成するため、コンクリートの吸音係数を拡大させた。 さらに、コンクリートの熱伝導率も低下し、2wt.%のバイオ炭の添加で最小となった。 しかし、バイオ炭の添加によるコンクリートの強度低下が好ましくないため、この複合材料は低強度コンクリートとなる（Cuthbertson et al.、2019）。 新鮮なバイオ炭と飽和バイオ炭の両方によって、初期凝結時間が減少し、モルタルの初期圧縮強度が向上した。 バイオ炭の添加は、曲げ強度にはほとんど影響を及ぼさないが、曲げ下のモルタルに延性を有意に取り込むことが分かった。 また、バイオ炭の添加により、モルタルの透水性および収縮性が低下し、不透水性が向上した。 それにもかかわらず、新鮮なバイオチャームは、二酸化炭素で飽和させたバイオチャームと比較すると、より多くの機械的強度と透水性の向上に寄与した（Gupta et al.、2018a）。 この点から、バイオ炭はコンクリート建設における混和剤として使用され、炭素隔離と廃棄物リサイクルの両方に貢献する有望な材料であることが証明された。 圧縮試験により、モルタル中のバイオ炭の置換量が多くなると、圧縮強度が低下し、バイオ炭セメント複合体ではケイ酸カルシウム水和物があまり形成されないことが明らかになった。 吸水試験では、バイオ炭の置換量が多いほど、モルタル-バイオ炭コンポジット中に多くの水が保持されることが示された。 この結果から、バイオ炭は特定の用途のモルタルを作る際に、ある割合まではセメントの代替物として実行可能であると結論付けることができる（Roy et al.、2017）
コンクリートへのバイオ炭の添加の最適条件を探求する研究が増えている。 サイズ、投与量、熱分解などのパラメータが考慮される。 セメントモルタルとして，バイオ炭のマクロポーラス粗粒子（サイズ2～100μm）は，細粒子（サイズ0.10～2μm）のものと比較して，セメントペーストの流動性と粘性を高める効果が高い（Gupta and Kua, 2019）。 それでも、後者は前者のバイオ炭と比較して、乾燥硬化条件下での初期強度および水密性を向上させる効果があることが証明されている（Gupta and Kua, 2019）。 300℃～500℃で熱分解したバイオ炭を1～2wt.%添加すると、高い保水性によりモルタルの初期（7日）圧縮強度が改善される。 バイオ炭の添加は、曲げ強度、乾燥収縮率、弾性係数に大きな影響を与えなかった。 実験結果に基づき、セメントモルタルの強度向上と透水性の低減のために、バイオ炭を1～2wt.%添加することが推奨されると結論付けた（Gupta et al.，2018b）。 いくつかの熱分解パラメータとバイオ炭の原料の性質は、セメント複合材料の機械的性質に影響を与える。 機械的試験の結果は、強度、靭性、および延性の有望な改善を示した。 実際、バイオ炭を添加した試験片は、添加していない試験片に比べて高い曲げ強度と破壊エネルギー値を記録した。 しかしながら，曲げ強さと破壊エネルギーの値は，バイオ炭の製造に用いられる熱分解パラメータ（温度，加熱速度，圧力）の違いによって影響を受ける可能性がある。 したがって，この結果は，炭素粒子の大きさよりも，炭素質材料の種類や製造パラメータによって影響を受ける可能性がある。 経済的な観点から見ると、これらの炭素粒子は、バイオマス熱分解プロセスの廃棄物であるため、コストはゼロである。 このため、それらは新しいグリーン建材のための良い材料である（Cosentinoら、2018）
その上、植生コンクリートにバイオ炭粒子を添加することは、植生コンクリートの植物適合性をさらに改善する方法である。 補強基盤として敷設され、植生で土壌層を覆った植生コンクリートは、セメント、水、粗骨材で構成されています。 植生コンクリートの植物適合性や圧縮強度を向上させるためには、低塩基性セメントや混和剤の添加により植生コンクリートのアルカリ度を低減させることが重要である。 研究によると、バイオ炭の含有量が増加すると、植生コンクリートの空隙率や透水係数は減少し続け、バイオ炭の植物成長促進効果は最初最大に増加し、その後徐々に減少することが分かっている。 したがって、適切な量のバイオ炭を添加することにより、植生コンクリートの特性を改善することができる。 さらに、バイオ炭改質植生コンクリートの最適な混合比率が推奨された（Zhao et al., 2019）。
セメントは都市開発にとって最も重要な材料の一つであり、その生産は世界の主要なCO2排出を占めている。 この点で、セメント生産におけるグリーンで持続可能な材料の利用は、大気中への温室効果ガスの排出を削減し、地球温暖化を緩和するのに役立つ。 その中で、農業廃棄物由来のバイオマスは、ポルトランドセメントの代替材料として、コンクリート製造における環境負荷の低減に有効であることが証明されています。 このような合成材料は、ポゾラン材料として使用することができる（Zeidabadi et al.、2018）。 セメントモルタルの炭素隔離添加剤としての、または砂または粗骨材のいずれかの代わりに標準コンクリートの充填材としてのバイオ炭の使用は、その性能特性の潜在的な改善だけでなく、炭素隔離の機会を提示した
。