14.4.1 Van koolhydraten afgeleide materialen in cement en beton
Biochar is een koolstofhoudend materiaal afkomstig van afvalbiomassa, waarvan verschillende belangrijke eigenschappen, waaronder lage bulkdichtheid, lage thermische geleidbaarheid, en de poreuze aard, ervoor hebben gezorgd dat het onderscheidende prestatiekenmerken van het beton heeft. Zo leidt de lage dichtheid tot de productie van lichter beton, waardoor biochar een effectief alternatief is voor de grotere volumefractie die wordt ingenomen door dichtere materialen, zoals cementpoeder en aggregaat (Cuthbertson et al., 2019). Daarnaast hebben de lage thermische geleidbaarheid en de poreuze structuur van biochar een effect op het verhogen van de thermische isolatie van het materiaal door het doorbreken van de koudebruggen. Naast de isolerende eigenschappen verhogen de holten en netwerken van onderling verbonden poriën afkomstig van biochar ook de geluidsabsorptie van het beton. Recente studies suggereerden verder dat de toevoeging van biochar in de cement-gebaseerde composieten de druksterkte zou kunnen verhogen door de cementhydratatie te bevorderen als gevolg van zijn hoge capaciteit om water vast te houden (Wang et al., 2019). Biochar kan geleidelijk water afgeven tijdens cementhydratatie. Dit leidt tot beton met verbeterde mechanische eigenschappen (Cuthbertson et al., 2019). Bovendien heeft biochar meestal een fijne deeltjesgrootte, waardoor biochar gebruikt zou kunnen worden als vulstof om de microporiën in bouwmaterialen op te vullen (Wang et al., 2019). Vergeleken met hout-geïntegreerde composieten, vertoonden biochar-gemodificeerde composieten een relatief hoge brandwerendheid vanwege de stabiele fysiochemische eigenschappen. Daarom wordt biochar gebruikt als een hernieuwbare bron om cementgehalte te vervangen tijdens het maken van mortel die wordt gebruikt in de bouwindustrie.
Biochar is bewezen om de betoneigenschappen aan beide zijden van de schaal effectief te verbeteren bij het vervangen van het cement in kleine fracties, zoals buigsterkte en splijttreksterkte (Akhtar en Sarmah, 2018). Het bleek dat 0,1% (v/v) toevoeging van biochar als een vervangend bindmiddel de beste prestaties in mechanische sterkte in beton presenteerde. Biochargrondstoffen, zoals pluimveemest en pulp- en papierfabriekslib, spelen een actieve rol in het verbeteren van de waterabsorptie in beton. Biochar wordt beschouwd als een ideaal materiaal voor het verminderen van CO2 bij betonproductie, evenals het verminderen van koolstofvastlegging (Akhtar en Sarmah, 2018). Onderzoek toonde aan dat een 78% toename in treksterkte voor betonmonster met 5% behandelde bagasse biochar toevoeging in vergelijking met het beton zonder enige biochar (Zeidabadi et al., 2018). Biochar toevoeging leidt tot een lineaire vermindering van de betondensiteit van ongeveer 2200 tot 1454 kg/m3 bij vergelijking van geen koolstof toevoeging en 15 wt.% biochar. Daarnaast vergrootte de toevoeging van biochar ook de geluidsabsorptiecoëfficiënten van het beton, omdat het een goed ontwikkelde poriënstructuur in het beton genereerde. Bovendien daalde de warmtegeleidingscoëfficiënt van het beton en bereikte zijn minimum met 2 wt.% toevoeging van biochar. Echter, de ongunstige verminderde sterkte van beton veroorzaakt door de toevoeging van biochar maakt dit composietmateriaal tot een beton met lage sterkte (Cuthbertson et al., 2019). De initiële verhardingstijd werd verlaagd en de vroege druksterkte van mortel werd verhoogd door zowel verse als verzadigde biochar. Het bleek dat toevoeging van biochar de ductiliteit van mortel onder buiging aanzienlijk vergrootte, hoewel het weinig effect had op de buigsterkte. Toevoeging van biochar leidde ook tot ondoorlatendheid in mortel door de vermindering van waterpenetratie en sorptiviteit. Desondanks droeg verse biochar bij aan meer mechanische sterkte en verbeterde permeabiliteit in vergelijking met biochar verzadigd met koolstofdioxide (Gupta et al., 2018a). In dit opzicht blijkt biochar een veelbelovend materiaal te zijn dat wordt gebruikt als hulpstof in de betonconstructie en bijdraagt aan zowel koolstofvastlegging als afvalrecycling. De compressietest toonde aan dat met grotere biocharvervanging in mortel, de compressiesterkte afnam en er minder calciumsilicaathydraten werden gevormd in de biocharcementcomposieten. De waterabsorptie test toonde aan dat met toenemende biochar vervanging, meer water wordt vastgehouden in de mortel-biochar composieten. Uit de resultaten kan worden geconcludeerd dat biochar een levensvatbaar alternatief kan zijn voor cement, tot een bepaald percentage, bij het maken van mortel voor specifieke toepassingen (Roy et al., 2017).
Er wordt steeds meer onderzoek gedaan naar de optimale conditie van de toevoeging van biochar aan beton. Parameters zoals grootte, dosering, en pyrolyse worden in overweging genomen. Als cementmortel zijn biochar macroporeuze grovere deeltjes (grootte 2-100 μm) effectiever in het verbeteren van de vloeibaarheid en viscositeit van de cementpasta, vergeleken met die van fijnere deeltjes (grootte 0,10-2 μm) (Gupta en Kua, 2019). Toch is bewezen dat de laatste meer effect heeft in het verbeteren van de vroege sterkte en waterdichtheid onder droge uithardingsconditie in vergelijking met de eerste biochar (Gupta en Kua, 2019). Toevoeging van 1-2 wt.% biochar gepyrolyseerd bij 300°C-500°C verbetert de vroegtijdige leeftijd (7 dagen) druksterkte van mortel als gevolg van hoge waterretentie. Toevoeging van biochar had geen significante invloed op de buigsterkte, de uitdrogingskrimp en de elasticiteitsmodulus. Op basis van de experimentele bevindingen wordt geconcludeerd dat 1-2 wt.% toevoeging van biochar kan worden aanbevolen om de sterkte te verbeteren en de permeabiliteit van cementmortel te verminderen (Gupta et al., 2018b). Verschillende pyrolyseparameters en de aard van de grondstoffen van biochar hebben een effect op de mechanische eigenschappen van de cementcomposieten. De resultaten van de mechanische testen toonden een veelbelovende verbetering in sterkte, taaiheid en ductiliteit. In feite werden hogere waarden voor buigsterkte en breukenergie genoteerd voor proefstukken met toevoeging van biochar vergeleken met die van de proefstukken zonder biochar. De waarden van de buigsterkte en de breukenergie kunnen echter beïnvloed worden door verschillende pyrolyseparameters die gebruikt worden bij de productie van biochar (temperatuur, verhittingsgraad en druk). Daarom kunnen de resultaten eerder worden beïnvloed door het type koolstofhoudend materiaal en door de productieparameters dan door de grootte van de koolstofdeeltjes. Uit economisch oogpunt hebben deze koolstofdeeltjes geen kosten, aangezien zij het afval zijn van het pyrolyseproces van biomassa. Om deze reden vertegenwoordigen ze goede materialen voor nieuwe groene bouwmaterialen (Cosentino et al., 2018).
Bovendien is het toevoegen van biochardeeltjes aan vegetatiebeton een manier om de plantcompatibiliteit van vegetatiebeton verder te verbeteren. Aangelegd als een wapeningsbasis en bedekt door de bodemlaag met vegetatie, bestaat vegetatiebeton uit cement, water en grof toeslagmateriaal. Vermindering van de alkaliteit van vegetatiebeton met behulp van cement met een lage basische waarde of door toevoeging van hulpstoffen is van belang voor de verbetering van de plantcompatibiliteit en de druksterkte van vegetatiebeton. Uit onderzoek blijkt dat naarmate het gehalte aan biochar toenam, de porositeit en de doorlatendheidscoëfficiënt van vegetatiebeton steeds verder afnamen, terwijl het effect van biochar op de bevordering van plantengroei eerst een toename tot het maximum liet zien en daarna een geleidelijke afname. Daarom kan toevoeging van een geschikte hoeveelheid biochar de eigenschappen van vegetatiebeton verbeteren. Bovendien werd de optimale mengverhouding van biochar-gemodificeerd vegetatiebeton aanbevolen (Zhao et al., 2019).
Cement is een van de belangrijkste materialen voor stedelijke ontwikkeling, waarvan de productie verantwoordelijk is voor een grote wereldwijde CO2-uitstoot. In dit opzicht kan het gebruik van groene en duurzame materialen in de cementproductie helpen om de uitstoot van broeikasgassen in de atmosfeer te verminderen en de opwarming van de aarde te verlichten. Van deze materialen is gebleken dat biomassa uit landbouwafval een doeltreffend alternatief is voor portlandcement bij de productie van beton, waardoor de milieueffecten van de cementproductie met succes zijn verminderd. Dergelijke gesynthetiseerde materialen kunnen worden gebruikt als puzzolanische materialen (Zeidabadi et al., 2018). Het gebruik van biochar als koolstofvastleggend additief in cementmortel of als vulstof voor het standaardbeton in de plaats van zand of grof toeslagmateriaal presenteerde potentiële verbeteringen van de prestatiekenmerken ervan, evenals een koolstofvastleggingskans.