Quelle: BAM
Die Bauindustrie trägt wesentlich zum hohen weltweiten Energieverbrauch und zu hohen CO2-Emissionen bei, wobei die Betonproduktion allein für fast 10% der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich ist. Da Beton nach wie vor das einzige skalierbare Baumaterial ist, werden die Emissionen auch in Zukunft weiter zunehmen, da starkes Bevölkerungswachstum die Nachfrage nach Bauprojekten antreibt. Um diese Auswirkungen zu vermindern, ist der Einsatz von Biokohle im Beton eine Option, die dazu beitragen könnte, den enormen CO₂-Fußabdruck von Beton zu reduzieren. Aufgrund der geringen Dichte und der komplexen Porosität von Biokohle bleibt das Verständnis ihres mikrostrukturellen Verhaltens in Portlandzement-Verbundwerkstoffen aber eine Herausforderung. Die vorgestellte Studie untersucht Portlandzementleime, bei denen 0, 5 und 25 Vol.-% des Zements durch Holzkohle ersetzt wurden.
Dabei wurden hochwertige Charakterisierungstechniken eingesetzt, darunter Quecksilberdruckporosimetrie (MIP), Gassorption, Rasterelektronenmikroskopie (REM), isotherme Wärmeflusskalorimetrie (HFC), ¹H-Kernspinresonanz-Relaxometrie (NMR) und Mikro-Röntgencomputertomographie (XCT). Diese Methoden ermöglichen eine multiskalige Untersuchung der Auswirkungen von Biokohle auf die Mikrostruktur von Zementleimen und sie können zeigen, dass Biokohle Feuchtigkeit absorbiert, den effektiven Wasserzementwert verringert und die Porenstruktur verändert. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Ersatz von 5 Vol.-% die Gel- und Kapillarporenstruktur nicht signifikant beeinflusst, während höhere Ersatzmengen möglicherweise die mechanischen Eigenschaften verschlechtern, da Biokohle als Defekt in der Mikrostruktur wirken kann. Insbesondere die XCT-Analyse war entscheidend für die Quantifizierung der 3D-Porenstruktur einzelner Biokohlepartikel. Die Ergebnisse verdeutlichen, wie unterschiedliche Biokohle-Mikrostrukturen die Leistung des Verbundwerkstoffs beeinflussen können. Diese mikrostrukturellen Veränderungen konnten mit der mechanischen Reaktion des Verbundmaterials korreliert werden.
Diese Forschung wurde im Rahmen des Adolf-Martens-Stipendienprogramms durchgeführt und war eine Zusammenarbeit zwischen Forschungsgruppen der Fachbereiche 7.4, 8.0 und 8.5, die modernsten Technologien einsetzten, um das strategische Ziel der BAM zu unterstützen, umweltfreundliche Infrastrukturmateralien zu entwickeln. Durch die Verbesserung des mikrostrukturellen Verständnisses erweitert diese Studie das Wissen über die Auswirkungen von Biokohle in zementgebundenen Verbundwerkstoffen und liefert Erkenntnisse, die zukünftige Optimierungsmaßnahmen in Bauanwendungen unterstützen könnten.
Microstructure analysis of cement-biochar composites
Renata Lorenzoni, Patrick Cunningham, Tobias Fritsch, Wolfram Schmidt, Sabine Kruschwitz, Giovanni Bruno
Materials and Structures, 2024