14.4.1 Kolhydratbaserade material i cement och betong
Biokol är ett kolhaltigt material som härstammar från biomassaavfall och som har flera viktiga egenskaper, bland annat låg skrymdensitet, låg värmeledningsförmåga och porös natur, vilket har gjort att det kan ge betong utmärkta prestandaegenskaper. Till exempel resulterar den låga densiteten i produktion av lättare betong, varför biokol fungerar som ett effektivt alternativ till den större volymfraktion som tas upp av tätare material, såsom cementpulver och aggregat (Cuthbertson et al., 2019). Dessutom har biokolets låga värmeledningsförmåga och porösa struktur en effekt på att öka materialets värmeisolering genom att bryta upp köldbryggor. Förutom dess isoleringsegenskaper ökar håligheter och nätverk av sammankopplade porer som härrör från biokol även betongens ljudabsorption. Nya studier tyder vidare på att tillsats av biokol i cementbaserade kompositer kan öka tryckhållfastheten genom att främja cementhydrering på grund av dess höga kapacitet att hålla kvar vatten (Wang et al., 2019). Biokol kan gradvis frigöra vatten under cementhydrering. Detta leder till betong med förbättrade mekaniska egenskaper (Cuthbertson et al., 2019). Dessutom har biokol vanligtvis en fin partikelstorlek, vilket gör att biokol kan användas som fyllmedel för att fylla mikroporerna i byggmaterial (Wang et al., 2019). Jämfört med träinblandade kompositer visade biokolmodifierade kompositer relativt hög brandbeständighet på grund av dess stabila fysiokemiska egenskaper. Därför utnyttjas biokol som en förnybar resurs för att ersätta cementinnehållet vid tillverkning av murbruk som används i byggbranschen.
Biokol har visat sig effektivt förbättra betongegenskaperna på båda sidor av skalan när det ersätter cement i mindre fraktioner, som t.ex. böjhållfasthet och splittringsdraghållfasthet (Akhtar och Sarmah, 2018). Det konstaterades att 0,1 % (v/v) tillsats av biokol som ersättningsbindemedel presenterade den bästa prestandan i mekanisk hållfasthet i betong. Biokolråvaror, såsom fjäderfästrul och slam från massa- och pappersbruk, spelar en aktiv roll för att öka vattenabsorptionen i betong. Biokol anses vara ett idealiskt material för att minska koldioxid vid betongtillverkning samt minska kolbindningen (Akhtar och Sarmah, 2018). Forskning visade att en 78 % ökning av draghållfastheten för betongprov med 5 % tillsats av biokol från behandlad bagass jämfört med betong utan biokol (Zeidabadi et al., 2018). Biokoltillsats leder till en linjär minskning av betongens densitet från cirka 2200 till 1454 kg/m3 vid jämförelse mellan ingen koltillsats och 15 viktprocent biokol. Dessutom ökade biokoltillsatsen även betongens ljudabsorptionskoefficienter, eftersom den genererade en välutvecklad porstruktur inuti betongen. Betongens värmeledningsförmåga minskade också och nådde sin lägsta nivå när 2 viktprocent biokol tillsattes. Den ogynnsamma minskade hållfastheten hos betongen som orsakas av biokoltillsatsen gör dock att detta kompositmaterial är en låghållfast betong (Cuthbertson et al., 2019). Den initiala härdningstiden minskade och den tidiga tryckhållfastheten hos murbruk förbättrades av både färskt och mättat biokol. Det konstaterades att biokoltillsats införlivade duktilitet till murbruk under böjning signifikant, även om det hade liten effekt på böjhållfastheten. Tillsats av biokol ledde också till impermeabilitet i murbruk på grund av minskad vattenpenetration och sorptivitet. Trots detta bidrog färskt biokol till högre mekanisk hållfasthet och förbättrad permeabilitet jämfört med biokol mättat med koldioxid (Gupta et al., 2018a). I detta avseende visar sig biokol vara ett lovande material som används som tillsats i betongkonstruktioner, vilket bidrar till både kolbindning och återvinning av avfall. Kompressionstestet visade att med större biokolersättning i murbruk minskade kompressionsstyrkan med ökande biokolersättning och mindre kalciumsilikathydrater bildades i biokolcementkompositerna. Vattenabsorptionstestet visade att mer vatten hålls kvar i kompositerna av murbruk och biokol när biokol ersätts med mer biokol. Av resultaten kan man dra slutsatsen att biokol kan vara ett livskraftigt alternativ till cement, upp till en viss procentsats, när man tillverkar murbruk för specifika tillämpningar (Roy et al., 2017).
Tilltagande forskning växer fram för att utforska det optimala villkoret för tillsats av biokol till betong. Parametrar som storlek, dosering och pyrolys beaktas. Som cementbruk är makroporösa grövre partiklar av biokol (storlek 2-100 μm) mer effektiva när det gäller att förbättra flödesförmågan och viskositeten hos cementpastan, jämfört med finare partiklar (storlek 0,10-2 μm) (Gupta och Kua, 2019). Trots detta har den senare visat sig ha större effekt för att förbättra den tidiga hållfastheten och vattentätheten under torra härdningsförhållanden jämfört med den förstnämnda biokolet (Gupta och Kua, 2019). Tillsats av 1-2 viktprocent biokol som pyrolyserats vid 300°C-500°C förbättrar tryckhållfastheten hos murbruk vid tidig ålder (7 dagar) på grund av hög vattenretention. Tillsats av biokol påverkade inte signifikant böjhållfasthet, torkningskrympning och elasticitetsmodul. Baserat på de experimentella resultaten dras slutsatsen att 1-2 viktprocent tillsats av biokol kan rekommenderas för att förbättra hållfastheten och minska permeabiliteten hos cementbruk (Gupta et al., 2018b). Flera pyrolysparametrar och karaktären på biokolets råvaror har en effekt på de mekaniska egenskaperna hos cementkompositerna. Resultaten från de mekaniska testerna visade en lovande förbättring av styrka, seghet och duktilitet. Faktum är att högre värden för böjhållfasthet och brottsenergi registrerades för provkroppar med tillsats av biokol jämfört med provkroppar utan biokol. Böjhållfastheten och brottsenergivärdena kan dock påverkas av olika pyrolysparametrar som används vid framställning av biokol (temperatur, uppvärmningshastighet och tryck). Resultaten kan därför påverkas av typen av kolhaltigt material och av produktionsparametrarna snarare än av kolpartiklarnas storlek. Ur ekonomisk synvinkel har dessa kolpartiklar inga kostnader, eftersom de är avfall från pyrolysprocessen för biomassa. Av denna anledning utgör de bra material för nya gröna byggmaterial (Cosentino et al., 2018).
För övrigt är tillsättning av biokolpartiklar till vegetationsbetong ett sätt att ytterligare förbättra växtkompatibiliteten hos vegetationsbetong. Vegetationsbetong, som läggs som en armeringsbas och täcks av jordlagret med vegetation, består av cement, vatten och grovt aggregat. Att minska alkaliniteten i vegetationsbetong med hjälp av cement med låg basicitet eller genom att tillsätta tillsatser är viktigt för att förbättra växtkompatibiliteten och tryckhållfastheten hos vegetationsbetong. Forskningen visar att när innehållet av biokol ökar fortsätter vegetationsbetongens porositet och permeabilitetskoefficient att minska, medan biokolets effekt på främjandet av växttillväxten först visade en ökning till ett maximum och sedan en gradvis minskning. Därför kan man genom att tillsätta en lämplig mängd biokol förbättra vegetationsbetongens egenskaper. Dessutom rekommenderades den optimala blandningsandelen för biokolmodifierad vegetationsbetong (Zhao et al., 2019).
Cement är ett av de viktigaste materialen för stadsutveckling, varav produktionen står för stora globala koldioxidutsläpp. I detta avseende kan användning av gröna och hållbara material i cementproduktionen bidra till att minska utsläppen av växthusgaser i atmosfären och lindra den globala uppvärmningen. Bland dessa material har biomassa från jordbruksavfall visat sig vara ett effektivt alternativ till Portlandcement vid betongtillverkning, vilket framgångsrikt har minskat cementproduktionens miljöpåverkan. Sådana syntetiserade material kan användas som puzzolanska material (Zeidabadi et al., 2018). Användning av biokol som kolbindande tillsats i cementbruk eller som fyllmedel till standardbetong i stället för antingen sand eller grovt aggregat presenterade potentiella förbättringar av dess prestandaegenskaper samt en möjlighet till kolbindning.