Biokol kan minska betongens klimatavtryck, men mer är inte alltid bättre

Betongens stora klimatavtryck har ökat behovet av alternativa material. Forskare vid Luleå tekniska universitet har undersökt hur biokol kan användas för att minska utsläppen från betong. Resultaten visar på stora klimatvinster, men också att mängden biokol behöver anpassas för att betongen ska behålla viktiga egenskaper som hållfasthet och brandmotstånd.

– Biokol har stor potential att minska betongens klimatpåverkan genom att binda kol i en stabil form. Men målet kan inte vara att använda så mycket biokol som möjligt. Vi behöver hitta en balans mellan klimatpåverkan och materialets prestanda, säger Dong Wang, doktorand i brandteknik vid Luleå tekniska universitet.

Kol från biomassa kan lagras i betongen

I avhandlingen "Biochar for the Development of Low-Carbon Concrete" undersöker Dong Wang vad som händer när biokol används för att ersätta delar av cementen eller sanden i betong.

Biokol framställs genom att biomassa, exempelvis trä eller rester från livsmedelsproduktion, upphettas med liten eller ingen tillgång till syre. En del av kolet som växterna tidigare tagit upp från atmosfären blir då kvar i en stabil form och kan lagras under lång tid.

När biokolet byggs in i betong kan det därför ge en dubbel effekt: mängden konventionella råvaror kan minska samtidigt som kol lagras i själva materialet.

– Livscykelanalyserna visar att när träbaserat biokol ersatte 20 procent av cementens volym minskade betongens klimatpåverkan med 42 procent. När biokol från fruktrester användes för att ersätta sand kunde klimatvinsten bli ännu större. Vid höga inblandningar lagrades så mycket kol att vissa blandningar fick ett negativt klimatavtryck, förklarar Dong Wang.

Men de blandningar som ger störst klimatvinst är inte nödvändigtvis de som fungerar bäst som byggmaterial.

Biokol förändrar betongens egenskaper

Biokol är mycket poröst och suger åt sig vatten. Det innebär att det beter sig annorlunda än vanlig cement och sand när det blandas i betong.

Dong Wang visar bland annat att det spelar stor roll hur ersättningen beräknas. När cement ersattes utifrån volym i stället för vikt fungerade den färska betongen bättre. Dessutom kan EN-standarderna för bestämning av vattenabsorptionen hos lättballast vara problematiska när de tillämpas på mycket porös biokolsballast.

Mycket poröst biokol kan hålla kvar vatten, vilket kan vara fördelaktigt. Vattnet kan gradvis frigöras inne i betongen och bidra till cementens fortsatta härdning. Vid den högsta andelen sandersättning var krympningen efter 28 dagar 65 % lägre än hos vanlig betong.

– Biokolets porositet innebär utmaningar, men den kan också ge egenskaper som vi kan dra nytta av. Därför behöver vi förstå materialet snarare än att bara betrakta det som en direkt ersättning för cement eller sand, säger Dong Wang.

Klimatvinst och hållfasthet måste vägas mot varandra

Resultaten visar samtidigt tydligt varför mer biokol inte automatiskt innebär bättre betong. När större mängder cement eller sand ersattes minskade tryckhållfastheten. När träbaserat biokol ersatte 20 % av cementens volym var hållfastheten efter 56 dagar 13 % lägre än hos referensbetongen. Vid mycket hög ersättning av sand blev minskningen betydligt större.

Det innebär att det inte räcker att jämföra olika betongrecept utifrån hur mycket koldioxid de kan spara eller lagra. Materialet måste också klara de krav som ställs på den konstruktion där det ska användas.

– Den största klimatvinsten är inte nödvändigtvis den bästa lösningen. En betong måste också ha rätt hållfasthet och fungera under hela sin användningstid, säger Dong Wang.

Även brandmotståndet förändras

Eftersom betong används i byggnader och andra konstruktioner behöver materialet också klara extrema förhållanden. Dong Wang har därför undersökt vad som händer med biokolsbetong när den utsätts för temperaturer på 400 och 800 grader.

Resultaten visar att biokol påverkar värmeöverföringen genom betong. Det avsedda syftet med att tillsätta biokol är viktigt. Att använda biokolspulver som ersättning för cement har endast en mindre effekt, medan användning av biokolsballast som ersättning för sand minskar betongens värmeledningsförmåga. Vid höga halter av biokol blir temperaturskillnaderna inom materialet större, vilket potentiellt kan bidra till ökade termiska skador. Dessa ökade termiska skador kan till och med motverka fördelarna med den accelererade cementhydratationen under uppvärmning.

Brandmotståndet blir därför ytterligare en del av avvägningen när mängden biokol ska bestämmas. Ett recept som ger mycket låga klimatutsläpp måste fortfarande kunna uppfylla de säkerhetskrav som gäller för den tänkta användningen.

– Om nya material ska kunna användas i byggnader måste vi förstå hur de beter sig även vid brand. Klimatprestanda och brandsäkerhet kan inte behandlas som två separata frågor, säger Dong Wang.

Rätt mängd för rätt användning

Avhandlingen visar därmed både potentialen och begränsningarna med biokol i betong. Resultaten pekar inte mot ett enda recept där så mycket biokol som möjligt ska tillsättas, utan mot att mängd och typ av biokol behöver anpassas efter vad betongen ska användas till.

För byggbranschen innebär det bättre möjligheter att bedöma var biokol faktiskt kan ge stora klimatvinster utan att viktiga materialegenskaper går förlorade.

– Biokol kan bli ett verktyg för att utveckla betong med betydligt lägre klimatpåverkan. Men för att kunna använda det i praktiken behöver vi optimera hela materialet och hitta rätt balans mellan klimatnytta, hållfasthet och säkerhet, säger Dong Wang.