Biocrete - Biokull i betong

Abstract

Betong er et av verdens mest populære byggematerialer, men samtidig en klimaversting. Produksjon av bindemiddelet i betong, sement, er anslått til å stå for rundt 8 % av verdens totale CO_2-utslipp. Samtidig produserer byggebransjen mye avfall som går til forbrenning. En del av dette er trematerialer i form av kapp, forskalings- og rivningsmaterialer. Dette bidrar ytterligere til klimagassutslipp fra næringen.

Som en del av et FoU-prosjekt ledet av Snøhetta, har tilsetning av biokull i betong blitt undersøkt basert på resultatene fra innledende forsøk i tilhørende prosjektoppgave. Biokull er et materiale produsert ved pyrolyse; termisk nedbrytning av organisk materiale under begrenset tilførsel av oksygen. Ideen er at dette skal produseres av treavfall fra byggebransjen. Ved tilsetning av biokull som tilslag eller tilsetningsmateriale i betong, er det mulig å binde opp karbon som ellers ville gitt betydelige klimagassutslipp. Ved forbrenning vil 1 kg karbon tilsvare et utslipp av 3,67 kg CO_2. Biokullet inneholder ca. 94 % rent karbon, og binder dermed 3,45 kg CO_2 per kg biokull. Ved tilsetning av biokull i betong er det dermed mulig å kompensere for betongens klimagassavtrykk ved lagring av karbon som ellers ville blitt sluppet ut gjennom alminnelig forbrenning av treavfall.

Betongresepter med biokull har blitt tilpasset til bruk i Con-Form skallveggelementer gjennom innledende forsøk på laboratoriet. På bakgrunn av dette har det blitt utviklet resepter på to ulike grunnlag; én resept med fokus på trykkfasthet til bruk i vangene på skallveggen, og én resept med fokus på støpelighet tilsvarende selvkomprimerende betong til bruk i senter av skallveggen. Felles for alle reseptene var fokuset på stabile og homogene betonger. Det har blitt fokusert på å optimalisere mengden biokull opp mot de nevnte kriteriene. Samtidig har det blitt gjort forsøk og tilpasninger rundt vannabsorpsjonen og densiteten til biokullet, i tillegg til nedknusingen under blandeprosessen. Fra laboratoriet ble det utviklet to resepter til fullskala testing. Disse reseptene inneholder henholdsvis 63 og 78 kg biokull per kubikk, der førstnevnte er ment til bruk i vangene og sistnevnte til senter. Reseptene ble henholdsvis basert på kravet til trykkfasthet på 10 MPa etter 16 timer og ønsket støpelighet tilsvarende selvkomprimerende betong. Betongene ble proporsjonert med en antatt vannabsorpsjon fra biokullet på 150 %, masseforhold på 0,35 og inneholder både superplastiserende tilsetningsstoff og luftdemper.

Bruksegenskapene ble undersøkt i fullskala ved produksjon av skallelementer og utstøpning av kjernebetonger i fire skallveggelementer hos Con-Form og Betong Øst i Orkanger. Fra innledende prøveblanding i fullskala ble det gjort små endringer på reseptene fra laboratoriet. Proporsjonert vannabsorpsjon ble økt til 180 % grunnet redusert fuktinnhold i biokullet. Blandeprosessen i fullskala ga mer nedknust biokull i forhold til blandeprosessen på laboratoriet, som resulterte i en mer stabil betong. Dette åpnet opp for en økning i mengde biokull for betongen til bruk i senter. Dermed ble betongen til senter av skallveggen tilsatt 90 kg biokull per kubikk, samtidig som den beholdt støpeligheten. Betongene oppnådde høyere trykkfasthet enn tilsvarende resepter produsert på laboratoriet. Vangebetongen tilfredsstiller kravet til fasthetsklasse B25, mens senterbetongen tilfredsstiller kravet til fasthetsklasse B10 med god margin.

Det har også blitt gjort forsøk med produksjon av biokullstaver for innstøpning i betongvegg og -dekker. Stavene består av biokullpartikler bundet sammen med et tilpasset sementlim. Denne bruken av biokull er tenkt som et alternativ til innblanding av biokull i selve betongen, og vil kunne gi samme positive effekt på konstruksjonens karbonregnskap.

Reseptene benyttet i forbindelse med denne rapporten inneholder en siktekurve for biokullet som ikke er korrekt i forhold til den endelige partikkelfordelingen til biokullet. Dette er fordi den endelige partikkelfordelingen ikke er kjent, og ved bruk av denne siktekurven blir deler av sanden og pukken direkte erstattet med noe av biokullet. Det medfører i tillegg at flere andre parametre i reseptene ikke stemmer med virkeligheten. Reseptene for betongene brukt til å støpe veggelement hos Con-Form ble lagt opp med et masseforhold på 0,35 og 180 % vannabsorpsjon. Etter beregninger for å estimere densiteten og vannabsorpsjonen til biokullet ble det estimert at det virkelige masseforholdet til vangene trolig er 0,41, mens masseforholdet til senterbetongen er 0,44. Videre har det blitt estimert at den virkelige vannabsorpsjonsverdien er mellom 145 og 150 % og at densiteten til biokullet er i intervallet 350 til 400 kg/m^3. Beregninger på sand- og pukkmengden i forhold til en normalbetong viser at biokullet har erstattet mellom 9 til 24 % av sanden og mellom 15 til 36 % av pukken.

Karbonregnskapet for de produserte skallveggelementene viser at biokullet ikke bare har kompensert for betongmaterialets karbonavtrykk, men også armeringsstålets avtrykk og andre utslipp forbundet med skallveggelementene. Dette betyr at verdens første karbonnøytrale betongvegg har blitt produsert.

Concrete is one of the most widely used building materials, but has a massive carbon footprint. Production of the binder in concrete, cement, contributes to about 8 % of the world's total CO_2-emissions. The construction industry also produces a substantial amount of waste that is incinerated. This includes stubb ends, formwork and demolition waste made of wood. This contributes even further to emissions of greenhouse gases from the industry.

As part of a research and development project led by Snøhetta, the addition of biochar in concrete has been researched based on the initial results from the specialization project prior to this report. Biochar is a material produced by pyrolisis; thermal decomposition of organic material with limited access to oxygen. The idea is using wood waste from the construction industry for the production of biochar. By adding biochar as an aggregate or as an additive material in concrete, it is possible to capture carbon that would otherwise produce significant greenhouse gas emissions. By incineration, 1 kg of carbon corresponds to an emission of 3.67 kg CO_2. Biochar cointans about 94 % pure carbon, corresponding to 3.45 kg CO_2 per kg biochar. With the addition of biochar in concrete, it is thus possible to compensate for the concrete's carbon footprint by storing carbon that would otherwise have been emitted through ordinary incineration of wood waste.

Concrete recipes with biochar have been adjusted for use in Con-Form shell wall elements through initial experiments in the laboratory. Based on this, recipes have been developed on two different bases; a recipe focusing on compressive strength for use in the outer parts of the shell wall, and a recipe focusing on the workability corresponding to self-compacting concrete for use in the center of the shell wall. Common for all the recipes was the importance of producing stable and homogenous concretes. The overall focus has been on optimizing the amount of biochar according to the mentioned criterias. Experiments and adjustments have also been made regarding the water absorption and density of the biochar, as well as the crushing during the mixing process. Two recipes for full-scale testing were developed from the laboratory. These recipes contain 63 and 78 kg of biochar per cubic meter, with the former intended for use in the outer parts of the shell wall and the latter for the center. The recipes were based on the requirement for compressive strength of 10 MPa after 16 hours and the desired workability corresponding to self-compacting concrete. The concretes were proportioned with an estimated water absorption from the biochar of 150 %, w/c-ratio of 0.35 and contains both superplasticizer and air detrainer.

The utility properties were tested in full scale production of four shell wall elements at Con-Form and Betong Øst in Orkanger. Small changes from the laboratory were made to the recipes produced in full scale. Proportioned water absorption was increased to 180 % due to reduced moisture content in the biochar. The full-scale mixing process resulted in more crushed biochar compared to the mixing process in the laboratory, which gave a more stable concrete. This provided opportunities for an increase in the amount of biochar for the concrete used in the center. Thus, there was added 90 kg of biochar per cubic meter to the concrete for the center of the shell wall, while maintaining the workability. The concretes achieved higher compressive strength than similar recipes produced in the laboratory. The concrete for the outer parts satisfies the requirement for strength class B25, while the center concrete by far satisfies the requirement for strength class B10.

Attempts have also been made to produce biochar rods for embedding in concrete walls and decks. The rods consist of biochar particles bonded together with a custom cement glue. The use of biochar this way is intended as an alternative to mixing biochar into the concrete, and could have the same positive effect on the construction's carbon footprint.

The concrete recipes used in this report contain a sieve curve for the biochar that does not match the final particle distribution of the biochar. This is because the final particle distribution is unknown, and when using this sieve curve, parts of the sand and crushed stone are directly replaced with some of the biochar. This also implies that some other paramteres in the recipes do not correspond to reality. The recipes for the concrete used for the shell wall elements at Con-Form were proportioned with a w/c-ratio of 0.35 and 180 % water absorption. After calculating the estimates for the density and water absorption of the biochar, the actual w/c-ratio for the shell elements is about 0.41, while it is 0.44 for the concrete in the center. Furthermore, the water absorption is estimated to be between 145 and 150 %, and the density of the biochar to be between 350 and 400 kg/m^3. Calculations of the amount of sand and crushed stone in relation to a normal concrete show that biochar has replaced between 9 to 24 % of the sand and between 15 to 36 % of the crushed stone.

Calculations of the carbon footprint for the produced shell wall elements, shows that adding of biochar has compensated for both the footprint of the concrete, the reinforcing steel and other emissions associated with the shell wall elements. This implies that the world's first carbon-neutral concrete wall has been produced.