Cement-Based Composites with Biochar for Shielding Effectiveness in the Construction Sector

The partial substitution of non-renewable materials in cementitious composites with eco-friendly alternatives presents a promising approach to cost reduction and enhancement of shielding properties. In this study, the electromagnetic shielding effectiveness of cement-based composites incorporating biochar as a conductive filler is investigated in the X-band (8.2–12.4 GHz), a frequency range widely used in radar and satellite communication. A commercial lignin-based biochar derived from wood (CB) is analyzed, focusing on its composition, dispersion within the cement matrix, and impact on shielding performance. The water and carbon content of the biochar are examined through thermogravimetric analysis (TGA), revealing a high carbon content of 74%. Cementitious composite samples with 12 wt.%, 14 wt.% and 18 wt.% biochar are fabricated to fit a rectangular waveguide for shielding effectiveness measurements. SEM analysis shows a homogeneous dispersion of CB particles within the matrix. Shielding effectiveness (SE) values above 20 dB are achieved for composites containing 18% of CB biochar at 10 GHz. Additionally, the influence of water content, arising from different curing and ageing conditions, is examined. Results indicate that extended wet curing enhances shielding effectiveness, whereas prolonged ageing in ambient conditions reduces it, with a decrease of approximately 5 dB after 10 weeks. This behavior is attributed to variations in physically adsorbed water, which should be considered when designing cement-based composites for electromagnetic shielding applications. Overall, lignin-based biochar emerges as a promising candidate for partial cement replacement, significantly improving the shielding performance of cementitious materials.

La sostituzione parziale di materiali non rinnovabili nei compositi cementizi con alternative ecocompatibili rappresenta un approccio promettente per la riduzione dei costi e il miglioramento delle proprietà di schermatura. In questo studio, l'efficacia di schermatura elettromagnetica di compositi a base di cemento che incorporano biochar come riempitivo conduttivo viene analizzata nella banda X (8,2–12,4 GHz), un intervallo di frequenza ampiamente utilizzato in radar e comunicazioni satellitari. Viene analizzato un biochar commerciale a base di lignina derivato dal legno (CB), concentrandosi sulla sua composizione, dispersione all'interno della matrice cementizia e impatto sulle prestazioni di schermatura. Il contenuto di acqua e carbonio del biochar viene esaminato attraverso l'analisi termogravimetrica (TGA), rivelando un elevato contenuto di carbonio pari al 74%. Campioni di composito cementizio con biochar al 12% in peso, al 14% in peso e al 18% in peso vengono realizzati per adattarsi a una guida d'onda rettangolare per misurazioni dell'efficacia di schermatura. L'analisi SEM mostra una dispersione omogenea delle particelle di CB all'interno della matrice. Valori di efficacia di schermatura (SE) superiori a 20 dB vengono raggiunti per i compositi contenenti biochar CB al 18% a 10 GHz. Inoltre, viene esaminata l'influenza del contenuto di acqua, derivante da diverse condizioni di stagionatura e invecchiamento. I risultati indicano che una stagionatura umida prolungata migliora l'efficacia di schermatura, mentre un invecchiamento prolungato in condizioni ambientali la riduce, con una diminuzione di circa 5 dB dopo 10 settimane. Questo comportamento è attribuito a variazioni nell'acqua fisicamente adsorbita, che dovrebbero essere considerate durante la progettazione di compositi a base di cemento per applicazioni di schermatura elettromagnetica. Nel complesso, il biochar a base di lignina emerge come un candidato promettente per la sostituzione parziale del cemento, migliorando significativamente le prestazioni di schermatura dei materiali cementizi.