Herstellung eines CO2-armen (oder sogar negativen) Betons : Einfluss des Biokohlegehalts auf die Frisch- und Festigkeitseigenschaften

Abstract

Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen des Pflanzenkohlegehalts und der Vorsättigungszeit auf die Frisch- und Festigkeitseigenschaften von Beton zu untersuchen. Die Rezeptur der Mischungen wurde wie folgt ermittelt. Es wurden 5 %, 10 % und 15 % der Zementmasse berechnet, was der Masse der Pflanzenkohle entsprach. Diese Masse wurde anschließend vom Sandanteil abgezogen, um die Gesamtmasse der Mischung konstant zu halten. Zusätzlich wurde die Wirkung der unterschiedlichen Vorsättigungsdauern (0 min, 10 min, 24 Std.) auf die Eigenschaften der Mischungen überprüft.Zu Beginn wurden Versuche zur Bestimmung der Eigenschaften der Pflanzenkohle durchgeführt, darunter die Ermittlung der Reindichte mit einem Heliumpyknometer, die Bestimmung der Rohdichte mit einem Zylinder, die Bestimmung der Wasseraufnahmefähigkeit mittels Büchner-Trichter, die Messung des Wärmeflusses und der kumulierten Wärmeenergie mit einem Kalorimeter sowie die Bestimmung des Ausbreitmaßes. Diese Tests lieferten wichtige Informationen zur Porosität und Wasseraufnahmefähigkeit der Pflanzenkohle, die im weiteren Verlauf der Arbeit entscheidende Hinweise für die Mischungsherstellung gaben. Es zeigte sich, dass die Zugabe von Pflanzenkohle – insbesondere in höheren Anteilen – die Porosität der Mischungen erhöhte, was wiederum die Wasseraufnahmefähigkeit beeinflusste. Diese Veränderungen hatten direkte Auswirkungen auf die Festigkeit des Betons, was durch die Versuche zur Druck- und Biegezugfestigkeit bestätigt werden konnte. Dabei ergibt sich ein klares Bild: Höhere Pflanzenkohlegehalte führen zu einer Schwächung der Festigkeit. Auch die Vorsättigungszeit hat einen erheblichen Einfluss auf die Frisch- und Festigkeitseigenschaften der Mörtelmischungen.Ein wichtiger Aspekt ist der CO2-reduzierende Effekt von Pflanzenkohle. In der Literatur ist bekannt, dass die Verwendung von Pflanzenkohle in Baustoffen wie Beton zur Kohlenstoffbindung beitragen kann. Pflanzenkohle hat die Fähigkeit, CO2 über längere Zeiträume zu speichern, was zu einer potenziellen CO2-Reduktion führt. Dieser Effekt ist besonders relevant in Hinblick auf die Entwicklung von CO2-armen oder sogar CO2-negativen Baustoffen.

The main objective of this study was to investigate the effects of the plant charcoal content and pre-saturation time on the fresh and mechanical properties of concrete. The composition of the mixtures was determined as follows. 5%, 10%, and 15% of the cement mass were calculated, which corresponded to the mass of the biochar. This mass was then subtracted from the sand content to maintain a constant total mixture mass. Additionally, the effect of different pre-saturation durations (0 min, 10 min, 24 hours) on the properties of the mixtures was examined.Initially, experiments were conducted to determine the properties of biochar, including the determination of bulk density using a helium pycnometer, the measurement of raw density using a cylinder, the water absorption capacity using a Büchner funnel, the measurement of heat flow and cumulative heat energy with a calorimeter, and the spread test. These tests provided crucial information on the porosity and water absorption capacity of the biochar, which later played a significant role in the formulation of the mixtures. It was found that the addition of biochar, especially in higher amounts, increased the porosity of the mixtures, which in turn influenced the water absorption capacity. These changes had direct impacts on the strength of the concrete, as confirmed by tests on compressive and flexural strength. A clear pattern emerged: higher biochar content led to a weakening of strength. The pre-saturation time also had a significant effect on the fresh and hardened properties of the mortar mixtures.An important aspect is the CO2-reducing effect of biochar. It is well-known in the literature that the use of biochar in building materials such as concrete can contribute to carbon sequestration. Biochar can store CO2 over long periods, leading to potential CO2 reduction. This effect is particularly relevant in the context of developing CO2-reduced or even CO2-negative building materials.