Исследователи обнаружили, что бетон можно сделать на 30% прочнее, если заменить часть песка кофейной гущей — органическими отходами, образующимися в огромных количествах и обычно попадающими на свалку. Этот метод также сокращает использование природных ресурсов, таких как песок, что еще больше способствует более экологичному подходу к строительству, основанному на экономике замкнутого цикла.
По оценкам, во всем мире общее количество отработанной кофейной гущи (spent coffee grounds, SCG), производимой ежегодно, составляет 54 миллиона тонн, что делает ее наиболее распространенным отходом, образующимся при приготовлении кофе. Традиционно большая часть кофейной гущи оказывается на свалке.
Теперь исследователи из Мельбурнского королевского технологического института нашли практическое, первое в своем роде применение этому конкретному виду отходов: включение их в бетон.
«Вдохновением для нашей работы послужил поиск инновационного способа использования большого количества кофейных отходов в строительных проектах, а не их вывоза на свалки, чтобы дать кофе «двойной шанс» на жизнь», — сказал Раджив Ройчанд (Rajeev Roychand), ведущий автор исследования.
Из-за мелкого размера частиц SCG, эти отходы были предложены в качестве полезного компонента в гражданском строительстве. Итак, исследователи решили проверить это. Сначала они собрали SCG в различных кафе Мельбурна, Австралия, и высушили их, чтобы удалить влагу. Затем высушенный органический материал нагревали при двух разных температурах — 350°C или 500°C — с использованием низкоэнергетического бескислородного процесса, называемого пиролизом, для создания биоугля.
Двенадцать составов смесей были использованы для сравнения влияния SCG в виде необработанного SCG, SCG, нагретого до 350 градусов, и SCG, нагретого до 500 градусов, на механическое и микроструктурное поведение бетона. Различные SCG были включены в обычный портландцемент в количестве 0%, 5%, 10%, 15% и 20% в качестве замены мелкого заполнителя. Здесь в качестве мелкого заполнителя использовался природный песок.
Свежий бетон заливали в формы и подвергали вибрации для удаления воздушных карманов. Затем его отверждали при комнатной температуре в течение 24 часов, извлекали из формы и отверждали в резервуаре с водой до тех пор, пока он не был проверен на прочность на сжатие и проанализирован с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM). Прочность на сжатие – это максимальное сжимающее механическое напряжение, которое твердый материал может выдержать без разрушения.
Исследователи обнаружили, что из всех протестированных ими бетонных композитов тот, в котором 15% песка были заменены на SCG, пиролизованный при 350°C, привел к значительному улучшению свойств материала, что привело к увеличению прочности на сжатие на 29,3%. прочность на сжатие.
Хотя исследование все еще находится на ранней стадии, исследователи говорят, что результаты многообещающие и, учитывая повсеместное распространение кофе, потенциально могут быть использованы в строительстве по всему миру.
«Бетонная промышленность может внести значительный вклад в увеличение переработки органических отходов, таких как использованный кофе», — сказала соавтор Шеннон Килмартин-Линч (Shannon Kilmartin-Lynch). «Наше исследование находится на ранних стадиях, но эти захватывающие результаты предлагают инновационный способ значительно сократить количество органических отходов, выбрасываемых на свалку».
Помимо экономии места на свалках, технология производства бетона также решает еще одну экологическую проблему: сохранение ограниченных природных ресурсов. Ежегодно мы добываем примерно от 40 до 50 миллиардов тонн песка и гравия для использования в строительстве.
«Продолжающаяся добыча природного песка по всему миру – обычно из русел рек и берегов – для удовлетворения быстро растущих потребностей строительной отрасли оказывает большое влияние на окружающую среду», – сказал Цзе Ли (Jie Li), соавтор исследования. «Благодаря подходу экономики замкнутого цикла мы могли бы не допускать попадания органических отходов на свалки, а также лучше сохранять наши природные ресурсы, такие как песок».
Исследователи планируют провести долгосрочные механические испытания и испытания на прочность кофейного биоугля, из нагретого до 350 градусов SCG, на предмет его потенциального применения в строительной отрасли, а также дополнительно изучить влияние использования различных температур пиролиза на характеристики материала.
Исследование было опубликовано в журнале Journal of Cleaner Production.
Источник: RMIT University.
