14.4.1 Materiale derivate din carbohidrați în ciment și beton
Biochar este un material carbonat derivat din deșeuri de biomasă, din care mai multe proprietăți cheie, inclusiv densitatea aparentă scăzută, conductivitatea termică scăzută și natura poroasă, au făcut ca acesta să prezinte caracteristici distincte de performanță a betonului. De exemplu, densitatea scăzută are ca rezultat producerea unui beton mai ușor, prin urmare, biochar acționează ca o alternativă eficientă la fracția de volum mai mare ocupată de materialele mai dense, cum ar fi pulberea de ciment și agregatul (Cuthbertson et al., 2019). În plus, conductivitatea termică scăzută și structura poroasă a biocharului au un efect asupra creșterii izolației termice a materialului prin ruperea punților termice. În plus față de proprietățile sale de izolare, golurile și rețelele de pori interconectați derivate din biochar cresc, de asemenea, absorbția fonică a betonului. Studii recente au sugerat, de asemenea, că adăugarea de biochar în compozitele pe bază de ciment ar putea crește rezistența la compresiune prin promovarea hidratării cimentului datorită capacității sale ridicate de reținere a apei (Wang et al., 2019). Biochar poate elibera treptat apa în timpul hidratării cimentului. Acest lucru conduce la un beton cu proprietăți mecanice îmbunătățite (Cuthbertson et al., 2019). În plus, biochar are, de obicei, o dimensiune fină a particulelor, astfel încât biochar ar putea fi utilizat ca material de umplutură pentru a umple microporii din materialele de construcție (Wang et al., 2019). În comparație cu compozitele încorporate în lemn, compozitele modificate cu biochar au prezentat o rezistență la foc relativ ridicată datorită proprietăților sale fizico-chimice stabile. Prin urmare, biochar este utilizat ca o resursă regenerabilă pentru a înlocui conținutul de ciment în timpul fabricării mortarului care este utilizat în industria construcțiilor.
Biochar s-a dovedit a îmbunătăți în mod eficient proprietățile betonului pe ambele părți ale scalei atunci când înlocuiește cimentul în fracțiuni minore, cum ar fi rezistența la flexiune și rezistența la tracțiune prin divizare (Akhtar și Sarmah, 2018). S-a constatat că adaosul de 0,1% (v/v) de biochar ca liant de înlocuire a prezentat cea mai bună performanță în ceea ce privește rezistența mecanică în beton. Materiile prime biochar, cum ar fi gunoiul de pasăre și nămolul de la fabrica de celuloză și hârtie, joacă un rol activ în creșterea absorbției apei în beton. Biochar este considerat un material ideal pentru reducerea CO2 în producția de beton, precum și pentru diminuarea sechestrării carbonului (Akhtar și Sarmah, 2018). Cercetările au arătat că o creștere de 78% a rezistenței la tracțiune pentru proba de beton cu 5% adaos de biochar din bagasse tratată, comparativ cu betonul fără biochar (Zeidabadi et al., 2018). Adăugarea de biochar duce la o reducere liniară a densității betonului de la aproximativ 2200 la 1454 kg/m3 atunci când se compară fără adaos de carbon și cu 15 % în greutate de biochar. În plus, adăugarea de biochar a mărit, de asemenea, coeficienții de absorbție acustică ai betonului, deoarece a generat o structură poroasă bine dezvoltată în interiorul betonului. În plus, conductivitatea termică a betonului a scăzut și ea și a atins minimul cu un adaos de 2 % în greutate de biochar. Cu toate acestea, rezistența redusă nefavorabilă a betonului cauzată de adăugarea de biochar face ca acest material compozit să fie un beton cu rezistență scăzută (Cuthbertson et al., 2019). Timpul de priză inițial a fost redus, iar rezistența la compresiune timpurie a mortarului a fost îmbunătățită atât de biocharul proaspăt, cât și de cel saturat. S-a constatat că adaosul de biochar a încorporat semnificativ ductilitatea mortarului la flexiune, deși a avut un efect redus asupra rezistenței la flexiune. Adăugarea de biochar a condus, de asemenea, la impermeabilitate în mortar datorită reducerii penetrării apei și a sorbtivității. Cu toate acestea, biocharul proaspăt a contribuit la o rezistență mecanică mai mare și la o permeabilitate sporită în comparație cu biocharul saturat cu dioxid de carbon (Gupta et al., 2018a). În acest sens, biochar se dovedește a fi un material promițător utilizat ca aditiv în construcția de beton, contribuind atât la sechestrarea carbonului, cât și la reciclarea deșeurilor. Testul de compresie a arătat că, cu o înlocuire mai mare a biocharului în mortar, rezistența la compresie a fost redusă odată cu creșterea înlocuirii biocharului și s-au format mai puțini hidrați de silicat de calciu în compozitele de ciment cu biochar. Testul de absorbție a apei a arătat că, odată cu creșterea gradului de înlocuire a biocharului, mai multă apă este reținută în compozitele mortar-biochar. Din rezultate, se poate concluziona că biochar poate fi o alternativă viabilă a cimentului, până la un anumit procent, în timp ce se face mortar pentru aplicații specifice (Roy et al., 2017).
Creșterea cercetărilor apar pe explorarea condițiilor optime de adăugare a biocharului în beton. Sunt luați în considerare parametrii precum dimensiunea, dozajul și piroliza. Ca mortar de ciment, particulele macroporoase macroporoase mai grosiere de biochar (dimensiunea 2-100 μm) sunt mai eficiente în creșterea fluidității și vâscozității pastei de ciment, în comparație cu cea a particulelor mai fine (dimensiunea 0,10-2 μm) (Gupta și Kua, 2019). Chiar și așa, acesta din urmă se dovedește a avea mai mult efect în îmbunătățirea rezistenței timpurii și a etanșeității la apă în condiții de întărire uscată, în comparație cu primul biochar (Gupta și Kua, 2019). Adăugarea a 1-2 % în greutate de biochar pirolizat la 300°C-500°C îmbunătățește rezistența la compresiune la vârstă timpurie (7 zile) a mortarului datorită retenției ridicate a apei. Adăugarea de biochar nu a influențat semnificativ rezistența la flexiune, contracția de uscare și modulul de elasticitate. Pe baza rezultatelor experimentale, se concluzionează că adaosul de 1-2 % în greutate de biochar poate fi recomandat pentru a îmbunătăți rezistența și a reduce permeabilitatea mortarului de ciment (Gupta et al., 2018b). Mai mulți parametri de piroliză și natura materiilor prime de biochar au un efect asupra proprietăților mecanice ale compozitelor de ciment. Rezultatele testelor mecanice au arătat o îmbunătățire promițătoare a rezistenței, tenacității și ductilității. De fapt, s-au înregistrat valori mai mari ale rezistenței la flexiune și ale energiei de rupere pentru epruvetele cu adaos de biochar în comparație cu cele ale epruvetelor fără biochar. Cu toate acestea, valorile rezistenței la flexiune și ale energiei de rupere ar putea fi afectate de diferiți parametri de piroliză utilizați la producerea biocharului (temperatură, viteză de încălzire și presiune). Prin urmare, rezultatele ar putea fi influențate mai degrabă de tipul de material carbonos și de parametrii de producție decât de dimensiunea particulelor de carbon. Din punct de vedere economic, aceste particule de carbon au costuri zero, deoarece sunt deșeuri ale procesului de piroliză a biomasei. Din acest motiv, ele reprezintă materiale bune pentru noile materiale de construcție ecologice (Cosentino et al., 2018).
În plus, adăugarea de particule de biochar la betonul vegetal este o modalitate de a îmbunătăți și mai mult compatibilitatea vegetală a betonului vegetal. Așezat ca bază de armare și acoperit de stratul de sol cu vegetație, betonul de vegetație este format din ciment, apă și agregate grosiere. Reducerea alcalinității betonului de vegetație prin utilizarea cimentului cu o bazicitate scăzută sau prin adăugarea de aditivi este semnificativă pentru îmbunătățirea compatibilității cu plantele și a rezistenței la compresiune a betonului de vegetație. Cercetările arată că, odată cu creșterea conținutului de biochar, porozitatea și coeficientul de permeabilitate al betonului de vegetație au continuat să scadă, în timp ce efectul biocharului asupra promovării creșterii plantelor a prezentat la început o creștere până la maxim și apoi o scădere treptată. Prin urmare, adăugarea unei cantități adecvate de biochar poate îmbunătăți caracteristicile betonului de vegetație. În plus, a fost recomandată proporția optimă de amestec a betonului de vegetație modificat cu biochar (Zhao et al., 2019).
Cimentul este unul dintre cele mai importante materiale pentru dezvoltarea urbană, a cărui producție reprezintă o parte majoră a emisiilor globale de CO2. În acest sens, utilizarea de materiale ecologice și durabile în producția de ciment poate contribui la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră în atmosferă și la ameliorarea încălzirii globale. Printre aceste materiale, biomasa derivată din deșeuri agricole s-a dovedit a fi o alternativă eficientă la cimentul Portland în producția de beton, care a redus cu succes impactul asupra mediului în urma producției de ciment. Astfel de materiale sintetizate pot fi utilizate ca materiale pozzolanice (Zeidabadi et al., 2018). Utilizarea biocharului ca aditiv de sechestrare a carbonului în mortarul de ciment sau ca umplutură la betonul standard, fie în locul nisipului, fie în locul agregatului grosier, a prezentat îmbunătățiri potențiale ale caracteristicilor sale de performanță, precum și o oportunitate de sechestrare a carbonului.
.