Biohiili betonissa – potentiaali syntyy oikeasta materiaalivalinnasta

Mitä biohiili on ja mistä sitä saadaan?

Biohiili on huokoinen ja hiilipitoinen materiaali, jota valmistetaan kuumentamalla biomassaa vähähappisissa olosuhteissa eli pyrolyysissä. Raaka-aineena voidaan käyttää esimerkiksi puuta, metsäteollisuuden sivuvirtoja, maatalouden kasvijäämiä sekä muita biopohjaisia materiaaleja. Pyrolyysissä biomassan hiili muuttuu kemiallisesti vakaampaan muotoon, minkä ansiosta biohiili säilyy ympäristössä pitkäaikaisesti.

Biohiilen ominaisuudet ja laatu

Biohiilen ominaisuudet riippuvat käytetystä raaka-aineesta ja valmistusprosessista. Keskeisiä laatuun vaikuttavia tekijöitä ovat hiilipitoisuus, huokoisuus, ominaispinta-ala, partikkelikoko, kosteuspitoisuus ja tuhkapitoisuus. Eri biohiilet voivat poiketa toisistaan huomattavasti, minkä vuoksi niiden ominaisuudet ja käyttösoveltuvuus vaihtelevat. Laadukkaalle biohiilelle on tyypillistä korkea pysyvän hiilen osuus, tasainen laatu sekä alhaiset haitta-ainepitoisuudet.

Biohiilen monimuotoisuus haastaa betonisuunnittelun

Tutkimuksessa biohiiltä käytettiin hienoa kiviainesta korvaavana materiaalina laasti- ja betonikokeissa. Biohiilen käyttö betonissa tarjoaa mahdollisuuden sitoa hiiltä osaksi rakennetta ja samalla tarkastella sen vaikutuksia betonin mikro- ja makrotason ominaisuuksiin.

Biohiili ei ole ominaisuuksiltaan vakioitu tuote, vaan sen käyttäytyminen betonissa riippuu erityisesti biohiilessä käytetystä raaka-aineesta, pyrolyysilämpötilasta ja biohiilen partikkelikokoluokasta. Nämä vaikuttavat siihen, kuinka huokoiseksi materiaali muodostuu ja paljonko se sitoo vettä sekä kuinka reaktiivisena biohiili toimii sementtimatriisissa. (Tomczyk ym. 2020).

Tämän vuoksi biohiiltä ei voida lisätä betoniin samalla logiikalla kuin perinteisiä lisäaineita. Se on pikemminkin muuttuja, joka täytyy sovittaa osaksi reseptiikkaa ja käyttökohdetta.

Tuoreen massan hallinta määrittää onnistumisen

Biohiilen vaikutus näkyy ensimmäisenä tuoreessa betonimassassa. Kokeissa havaittiin, että biohiilen lisääminen heikentää työstettävyyttä ja kasvattaa veden tarvetta. Ilmiö selittyy biohiilen huokoisella rakenteella ja suurella ominaispinta-alalla, jotka sitovat tehokkaasti vettä.

Veden sitoutuminen voi paikallisesti muuttaa vesi-sementtisuhdetta ja vaikuttaa hydrataatioreaktioihin. Toisaalta tämä sama ominaisuus voi edistää sementin hydrataatiota, mikäli vesi vapautuu takaisin myöhemmässä vaiheessa. Biohiili voi toimia myös hydrataatiotuotteiden kiteytymisytimenä, mikä osaltaan selittää lujuuskehityksessä havaittuja parannuksia pienillä lisäyksillä.

Biohiilibetonin onnistuminen ei riipu pelkästään materiaalista, vaan myös reseptiikan hallinnasta. Biohiilibetonin toimivuus ratkaistaan seossuunnittelulla, kun veden, lisäaineiden ja hienoaineksen tasapaino onnistuu. Ilman tätä hallintaa vaikutukset jäävät helposti negatiivisiksi.

Raaka-aine ja valmistusprosessoinnin vaikutus

DemoMelu-hankkeessa tutkittiin laasti- ja betonikokeilla useista raaka-aineista valmistettujen biohiilien (mm. paju, kuusi, koivu, purkupuu ja hamppukorte) vaikutusta eri pyrolyysilämpötiloilla (400–880°C).

Tulokset osoittivat, että biohiilen määrä ja valmistusolosuhteen vaikuttavat selvästi betonin ominaisuuksiin:

• Pienillä biohiililisäyksillä (n. 2 %) saavutettiin usein kontrollia parempia lujuuksia
• Suurilla pitoisuuksilla (10–20 %) lujuus heikkeni
• Korkea pyrolyysilämpötila lisäsi biohiilen huokoisuutta ja reaktiivista pinta-alaa

Pyrolyysilämpötilan kasvu paransi puristuslujuutta, mutta samalla heikensi työstettävyyttä veden sitoutumisen lisääntyessä. Tulokset osoittavat, että sama lähtömateriaali voi käyttäytyä eri tavoin valmistusprosessista riippuen, mikä korostaa materiaalin ja prosessin merkitystä betonin ominaisuuksien hallinnassa.

Tutkimuksessa tarkasteltiin erityisesti maatalouden sivuvirroista saatavaa hamppukortetta biohiilen raaka-aineena. Tavoitteena oli tutkia teollisuuden hyödyntämättömiä sivuvirtoja, jotka muutoin päätyvät energiajätteeksi tai joiden potentiaali jää alihyödynnetyksi. Vertailussa tarkasteltiin myös purkupuusta valmistettua biohiiltä, mutta hamppupohjainen biohiili osottautui lupaavammaksi, mikä teki siitä jatkotarkastelun kohteen.

Mikrorakenne kertoo biohiilen toiminnasta

Elektronimikroskooppikuvissa havaittiin, että sementin hydrataatiotuotteet kiteytyvät biohiilen pintaan ja huokosiin. Biohiilen alkuperäinen rakenne säilyy ja siitä tulee osa sementtikiveä. Lisäksi havaittiin, että biohiili parantaa materiaalin sähkönjohtavuutta, mikä näkyi muun muassa vähäisempänä varautumisena elektronimikroskooppikuvauksissa. Näiden havaintojen perusteella biohiili näyttää toimivan aktiivisena osana sementtimatriisia. Se ei ainoastaan täytä tilaa, vaan ohjaa mikrorakennetta ja siihen liittyviä ominaisuuksia.

Biohiilen toimintaan vaikuttaa olennaisesti myös sen kemiallinen koostumus. Tässä tutkimuksessa hamppupohjaisen biohiilen CHNS-analyysi osoitti hiilipitoisuuden olevan noin 73 prosenttia, mikä viittaa suhteellisen puhtaaseen ja hiilipitoiseen materiaaliin. Samalla havaittu vety- ja typpipitoisuus kertoo biohiilen pintaan jäävistä funktionaalisista ryhmistä, jotka lisäävät sen kemiallista aktiivisuutta.

Korkea hiilipitoisuus tukee biohiilen roolia pitkäaikaisena hiilivarastona, kun taas pinnan kemiallinen aktiivisuus voi edistää vuorovaikutusta sementin hydrataatiotuotteiden kanssa. Toisaalta liian korkea epäpuhtaus- tai tuhkapitoisuus voi heikentää betonin kestävyyttä, mikä korostaa raaka-aineen ja prosessin merkitystä myös laadunhallinnan näkökulmasta.

Lujuus- ja kestävyysominaisuudet

Lujuusominaisuuksien osalta tulokset osoittavat biohiilen vaikutuksen riippuvan annostuksesta. Pienillä lisäyksillä (2 %) puristuslujuus voi parantua erityisesti mikrorakenteen tiivistymisen ja hydrataation edistymisen kautta. Suuremmilla määrillä (10-20 %) biohiili lisää huokoisuutta ja heikentää mekaanista kestävyyttä.

Kestävyysominaisuuksien osalta biohiilen vaikutus on monimutkaisempi. Sen huokoinen rakenne voi lisätä veden liikkuvuutta sekä toisaalta tarjota tilaa jäätymislaajenemiselle, mikä voi vaikuttaa pakkasenkestävyyteen riippuen kokonaisrakenteesta.

Suola-pakkaskokeissa havaittiin eroja tutkittujen betoniseosten välillä. 2 % purkupuubiohiiltä sisältävän betonin rapauma oli 56 jäädytys-sulatuskierroksen jälkeen noin 335 g/m2, kun vastaavasti 10 % hamppubiohiiltä sisältävällä betonilla oli 631 g/m2. Purkupuubiohiilibetoni täytti XF4-rasitusluokan vaatimukset, kun taas hamppubiohiilibetoni sijoittui XF 2-rasitusluokkaan. Molemmat seokset täyttivät kokeessa tarkastellut pakkasrasitusvaatimukset.

Lisäksi biohiilen havaittiin vaikuttavan materiaalin sähkönjohtavuuteen ja potentiaalisesti kuivumiskäyttäymiseen. Näillä tekijöillä voi olla merkitystä esimerkiksi rakenteiden monitoroinnissa ja älykkäiden materiaalien kehittämisessä.

Biohiilen vaikutus ulottuu myös muihin toiminnallisiin ominaisuuksiin, kuten akustointiin. Hankkeessa suoritetuissa akustiikkakokeissa ei kuitenkaan havaittu akustista hyötyä, joka voi johtua käytetyn biohiilen pienestä partikkelikoosta.

Biohiili ja betonin hiilijalanjälki

Tutkimuksessa tarkasteltiin hiilijalanjälkeä kolmelle biohiilibetoniseokselle ja kontrollibetonille. Betoniseosten kokonaishiilijalanjälkeä hallitsivat sementti, lisäaineet ja biohiili. Kontrollibetonin hiilijalanjälki tuotevaiheen (A1-A3) osalta oli noin 227 kg CO₂e/m³. Biohiilen lisääminen pienensi kokonaishiilijalanjälkeä selvästi: 2 % lisäyksellä arvo oli 206 kg CO₂e/m³, 5 % lisäyksellä 174 kg CO₂e/m³ ja 10 % lisäyksellä 121 kg CO₂e/m³.

Kokonaishiilijalanjäljen pieneneminen johtuu pääasiassa biogeenisen hiilen vaikutuksesta laskentaan. Fossiilisessa hiilijalanjäljessä ei sen sijaan tapahtunut merkittäviä eroja betoniseosten välillä, ja biohiilen käyttö jopa kasvatti sitä hieman, koska se korvasi kiviainesta, jonka fossiiliset päästöt ovat biohiiltä alhaisemmat.

Tulokset osoittavat, että biohiilen käyttö betonissa pienentää laskennallista hiilijalanjälkeä tuotevaiheen osalta. Todellinen ilmastovaikutus riippuu kuitenkin siitä, mihin biohiilessä käytetty raaka-aine päätyisi ilman biohiilen valmistusta. Biohiilen vaikutusta betonin hiilijalanjälkeen on haasteellista arvioida, koska eri biohiilille ei ole vielä saatavilla kattavasti kotimaisia, raaka-ainekohtaisia päästökertoimia.

Johtopäätökset

Biohiilen käyttö betonissa ei ole yksiselitteinen ratkaisu, vaan sen vaikutukset ovat riippuvaisia käytetystä raaka-aineesta, valmistusprosessista ja käyttökohteesta. Tulokset osoittavat, että 2 % biohiililisäys paransi betonin ominaisuuksia kontrollibetoniin verrattuna, ja jopa 10 % lisäyksellä saatiin lupaavia tuloksia.

Syksyllä 2025 DemoMelu-hankkeessa järjestettiin biohiili rakennusmateriaalina -ideointipajan Xamkin Kotkan kampuksella, jossa nousi esiin useita mahdollisia jatkosovelluksia biohiilelle betonirakentamisessa. Keskusteluissa nousivat esiin erityisesti biohiilen käyttö pigmenttinä ja hyödyntäminen sähköä johtavissa sovelluksissa.

Hankkeen tulokset viittaavat siihen, että hamppubiohiilellä on potentiaalia vähähiilisen ja kiertotalouteen perustuvan betonin kehittämisessä. Biohiilibetoni tarjoaa lupaavan keinon pienentää kaupunkirakentamisen hiilijalanjälkeä, ja aihe on herättänyt kiinnostusta alan toimijoissa. Käytännön soveltaminen edellyttää kuitenkin edelleen materiaalikohtaista optimointia ja seossuunnittelun tarkkaa hallintaa.

Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulun, Xamk, DemoMelu – biohiili rakennusmateriaalina -hankkeessa tutkitaan ja kehitetään vähähiilisen betonin ominaisuuksia sekä mahdollisuuksia uutena ilmastoystävällisenä tuotekonseptina.

Hanke on Euroopan unionin osarahoittama ja rahoituksen on myöntänyt entinen Etelä-Savon ELY-keskus, jonka tehtäviä hoitaa nykyään Itä-Suomen elinvoimakeskus.

Lisätietoja:
Jukka Louko
Tutkimusinsinööri
Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulu XAMK
Puh. +358503391800.
Sähköposti: [email protected]