14.4.1 Materiały pochodzenia węglowodanowego w cemencie i betonie
Biochar jest materiałem węglowym pochodzącym z biomasy odpadowej, którego kilka kluczowych właściwości, w tym niska gęstość nasypowa, niska przewodność cieplna i porowata natura, sprawiły, że ma on wyróżniającą się charakterystykę użytkową betonu. Na przykład, niska gęstość skutkuje produkcją lżejszego betonu, stąd biochar działa jako skuteczna alternatywa dla większej frakcji objętościowej zajmowanej przez gęstsze materiały, takie jak proszek cementowy i kruszywo (Cuthbertson et al., 2019). Poza tym, niska przewodność cieplna i porowata struktura biocharu wpływają na zwiększenie izolacyjności cieplnej materiału poprzez rozbijanie mostków termicznych. Oprócz właściwości izolacyjnych, pustki i sieci wzajemnie połączonych porów pochodzące z biocharu zwiększają również dźwiękochłonność betonu. Ostatnie badania sugerują, że dodatek biocharu w kompozytach na bazie cementu może zwiększyć wytrzymałość na ściskanie poprzez promowanie hydratacji cementu ze względu na jego wysoką zdolność do zatrzymywania wody (Wang et al., 2019). Biochar może stopniowo uwalniać wodę podczas hydratacji cementu. Prowadzi to do uzyskania betonu o ulepszonych właściwościach mechanicznych (Cuthbertson i in., 2019). Ponadto biochar zwykle ma drobny rozmiar cząstek, dlatego biochar może być stosowany jako wypełniacze do wypełniania mikroporów w materiałach budowlanych (Wang i in., 2019). W porównaniu z kompozytami z domieszką drewna, kompozyty modyfikowane biocharem wykazywały stosunkowo wysoką odporność ogniową ze względu na stabilne właściwości fizykochemiczne. Dlatego biochar jest wykorzystywany jako odnawialny zasób do zastąpienia zawartości cementu podczas wytwarzania zaprawy, która jest wykorzystywana w przemyśle budowlanym.
Dowiedziono, że biochar skutecznie poprawia właściwości betonu po obu stronach skali, gdy zastępuje cement w drobnych frakcjach, takich jak wytrzymałość na zginanie i wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupywaniu (Akhtar i Sarmah, 2018). Stwierdzono, że 0,1% (v/v) dodatek biocharu jako spoiwa zastępczego prezentował najlepsze wyniki w wytrzymałości mechanicznej w betonie. Surowce do produkcji biocharu, takie jak ściółka drobiowa i osady z celulozowni i papierni, odgrywają aktywną rolę w zwiększaniu absorpcji wody w betonie. Biochar jest uważany za idealny materiał do redukcji CO2 w produkcji betonu, a także zmniejszania sekwestracji węgla (Akhtar i Sarmah, 2018). Badania wykazały 78% wzrost wytrzymałości na rozciąganie dla próbki betonu z 5% dodatkiem biocharu z przetworzonych bagass w porównaniu do betonu bez dodatku biocharu (Zeidabadi i in., 2018). Dodatek biocharu prowadzi do liniowego zmniejszenia gęstości betonu z około 2200 do 1454 kg/m3 przy porównaniu bez dodatku węgla i 15 % mas.% biocharu. Ponadto dodatek biocharu zwiększył również współczynniki pochłaniania dźwięku w betonie, ponieważ wygenerował dobrze rozwiniętą strukturę porów wewnątrz betonu. Zmniejszyła się również przewodność cieplna betonu, która osiągnęła minimum przy 2 % mas. dodatku biocharu. Jednak niekorzystna obniżona wytrzymałość betonu spowodowana dodatkiem biocharu sprawia, że ten materiał kompozytowy jest betonem o niskiej wytrzymałości (Cuthbertson i in., 2019). Czas wiązania początkowego uległ skróceniu, a wczesna wytrzymałość na ściskanie zaprawy została zwiększona zarówno przez świeży, jak i nasycony biochar. Stwierdzono, że dodatek biocharu znacząco włączył plastyczność do zaprawy pod wpływem zginania, chociaż miał niewielki wpływ na wytrzymałość na zginanie. Dodatek biocharu spowodował również zwiększenie szczelności zaprawy ze względu na zmniejszenie penetracji wody i sorpcyjności. Niemniej jednak, świeży biochar przyczynił się do większej wytrzymałości mechanicznej i zwiększonej przepuszczalności w porównaniu z biocharem nasyconym dwutlenkiem węgla (Gupta i in., 2018a). W związku z tym, biochar okazuje się być obiecującym materiałem stosowanym jako domieszka w konstrukcji betonu, przyczyniając się zarówno do sekwestracji węgla, jak i recyklingu odpadów. Test ściskania wykazał, że wraz ze wzrostem udziału biocharu w zaprawie obniżała się wytrzymałość na ściskanie, a w kompozytach cementowych z biocharem powstawało mniej hydratów krzemianu wapnia. Test absorpcji wody wykazał, że wraz ze wzrostem udziału biocharu, w kompozytach zaprawa-biochar zatrzymywana jest większa ilość wody. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że biochar może być realną alternatywą dla cementu, do pewnego procentu, podczas wytwarzania zapraw do konkretnych zastosowań (Roy i in., 2017).
Rozwijające się badania pojawiają się w celu zbadania optymalnych warunków dodawania biocharu do betonu. Pod uwagę brane są takie parametry jak wielkość, dozowanie i piroliza. Jako zaprawa cementowa, makroporowate grubsze cząstki biocharu (rozmiar 2-100 μm) są bardziej skuteczne w zwiększaniu płynności i lepkości pasty cementowej, w porównaniu z drobniejszymi cząstkami (rozmiar 0,10-2 μm) (Gupta i Kua, 2019). Mimo to udowodniono, że ten ostatni ma większy wpływ na poprawę wytrzymałości wczesnej i wodoszczelności w warunkach suchego utwardzania w porównaniu z pierwszym biocharem (Gupta i Kua, 2019). Dodatek 1-2 % mas. biocharu pirolizowanego w temperaturze 300°C-500°C poprawia wczesną w wieku (7 dni) wytrzymałość na ściskanie zaprawy ze względu na wysoką retencję wody. Dodatek biocharu nie wpłynął istotnie na wytrzymałość na zginanie, skurcz suszarniczy i moduł sprężystości. Na podstawie wyników badań eksperymentalnych stwierdza się, że 1-2 % masowy dodatek biocharu może być zalecany w celu poprawy wytrzymałości i zmniejszenia przepuszczalności zaprawy cementowej (Gupta i in., 2018b). Kilka parametrów pirolizy oraz charakter surowców zasilających biochar ma wpływ na właściwości mechaniczne kompozytów cementowych. Wyniki z testów mechanicznych wykazały obiecującą poprawę wytrzymałości, ciągliwości i plastyczności. Odnotowano wyższe wartości wytrzymałości na zginanie i energii pękania dla próbek z dodatkiem biocharu w porównaniu do próbek bez tego dodatku. Jednakże, na wartości wytrzymałości na zginanie i energii pękania mogły mieć wpływ różne parametry pirolizy stosowane w produkcji biocharu (temperatura, szybkość ogrzewania i ciśnienie). Dlatego na wyniki badań może mieć wpływ rodzaj materiału węglowego i parametry produkcji, a nie wielkość cząstek węgla. Z ekonomicznego punktu widzenia, te cząstki węgla mają zerowe koszty, ponieważ są odpadem procesu pirolizy biomasy. Z tego powodu stanowią one dobre materiały dla nowych zielonych materiałów budowlanych (Cosentino et al., 2018).
Poza tym, dodanie cząstek biocharu do betonu wegetacyjnego jest sposobem na dalszą poprawę kompatybilności roślinnej betonu wegetacyjnego. Ułożony jako podstawa zbrojenia i pokryty warstwą gleby z roślinnością, beton wegetacyjny składa się z cementu, wody i grubego kruszywa. Zmniejszenie alkaliczności wegetobetonu za pomocą cementu o niskiej zasadowości lub przez dodanie domieszek jest istotne dla poprawy kompatybilności roślin i wytrzymałości na ściskanie wegetobetonu. Badania wykazały, że wraz ze wzrostem zawartości biocharu, porowatość i współczynnik przepuszczalności betonu wegetacyjnego nadal się zmniejszały, natomiast wpływ biocharu na stymulację wzrostu roślin początkowo wykazywał wzrost do maksimum, a następnie stopniowy spadek. Dlatego dodanie odpowiedniej ilości biocharu może poprawić właściwości betonu wegetacyjnego. Ponadto zalecono optymalną proporcję mieszanki betonów roślinnych modyfikowanych biocharem (Zhao et al., 2019).
Cement jest jednym z najbardziej znaczących materiałów dla rozwoju miast, którego produkcja odpowiada za główne globalne emisje CO2. W związku z tym, wykorzystanie zielonych i zrównoważonych materiałów w produkcji cementu może pomóc w zmniejszeniu emisji gazów cieplarnianych do atmosfery i złagodzeniu globalnego ocieplenia. Wśród tych materiałów, biomasa pochodząca z odpadów rolniczych okazała się skuteczną alternatywą dla cementu portlandzkiego w produkcji betonu, co skutecznie zmniejszyło wpływ produkcji cementu na środowisko. Takie zsyntetyzowane materiały mogą być stosowane jako materiały pucolanowe (Zeidabadi et al., 2018). Zastosowanie biocharu jako dodatku sekwestrującego węgiel w zaprawie cementowej lub jako wypełniacza do standardowego betonu w miejsce piasku lub kruszywa grubego przedstawiło potencjalną poprawę jego właściwości użytkowych, jak również możliwość sekwestracji węgla.
.