Кофейная гуща может сделать бетон прочнее — исследование
- Австралийские исследователи превращают кофейные отходы в биоуголь, укрепляющий бетон.
- Замена 15% песка биоуглём повысила прочность бетона на 29.3%.
- Кофейную гущу нагревают до 350°C без кислорода для получения биоугля.
- Австралия производит 75 млн кг кофейных отходов в год, в мире — 10 млрд кг.
- Выбросы углерода снижаются на 26% при использовании 15% биоугля.
- Ежегодно в строительстве используется 50 млрд тонн песка, что угрожает ресурсам.
Исследователи из Университета RMIT в Мельбурне обнаружили, что кофейные отходы можно превратить в биоуголь, который укрепляет бетон и снижает потребность в природном песке. Исследование опубликовано в Journal of Cleaner Production в 2023 году.
Исследователи нагревали использованную кофейную гущу до 350 градусов Цельсия в бескислородной среде, превращая её в материал, похожий на древесный уголь, известный как биоуголь. Затем они использовали биоуголь для замены части природного песка в бетонной смеси.
Ключевые результаты: бетон на 29% прочнее
Наилучший результат был достигнут при замене 15% песка биоуглём по объёму. Полученный бетон показал увеличение прочности на сжатие на 29.3% по сравнению с обычным бетоном, содержащим обычный песок.
Сырую кофейную гущу нельзя просто добавлять в бетон. Она содержит органические соединения, которые могут мешать процессу затвердевания цемента и ослаблять материал. Чтобы решить эту проблему, команда RMIT нагревала гущу до 350 градусов Цельсия без кислорода. Этот процесс обугливает материал, а не сжигает его, производя пористый, богатый углеродом биоуголь, который можно вводить в бетон.
| Замена песка | Увеличение прочности | Снижение выбросов углерода |
|---|---|---|
| 5% | — | 15% |
| 10% | — | 23% |
| 15% | 29.3% | 26% |
Решение двух экологических проблем одновременно
Этот подход может решить две экологические проблемы одновременно: утилизацию органических отходов и растущий спрос на природный песок в строительстве. Австралия производит около 75 миллионов килограммов кофейных отходов в год, большая часть которых попадает на свалки. По оценкам, в мире этот показатель составляет около 10 миллиардов килограммов.
Хотя песок может казаться обильным, вид песка, необходимый для бетона, испытывает всё большее давление. Пустынный песок обычно слишком гладкий и округлый для эффективного использования в бетоне, поэтому строительство часто опирается на более угловатый песок, добываемый из рек и других источников.
Почему важна температура
Исследователи обнаружили, что температура, используемая для производства биоугля, влияет на его характеристики. Биоуголь, произведённый при 350 градусах Цельсия, показал лучшие результаты, чем материал, произведённый при 500 градусах Цельсия. Микроскопический анализ показал, что биоуголь, произведённый при более высокой температуре, был более пористым и имел обширные микротрещины, что, по мнению исследователей, является результатом более сильной термической деградации.
Сокращение выбросов углерода и использования ископаемого топлива
Оценка жизненного цикла показала снижение выбросов углерода на 15%, 23% и 26% при замене 5%, 10% и 15% песка биоуглём соответственно, а также снижение использования ископаемого топлива.
Исследование находится на ранней стадии
Результаты многообещающие, но они ещё не доказывают, что бетон с кофейным биоуглём готов к широкому применению в строительстве. Исследование проводилось в лабораторных масштабах, и прочность на сжатие — лишь одно из свойств, которые инженеры учитывают при оценке бетона.
Долговечность остаётся важным вопросом. Бетон, используемый в реальных конструкциях, должен выдерживать многолетнее воздействие меняющихся условий окружающей среды и повторяющихся нагрузок. Исследователям необходимо установить, как бетон с кофейным биоуглём ведёт себя в течение гораздо более длительных периодов и в реальных условиях.
Команда уже вышла за рамки лабораторных испытаний, проведя эксперимент с пешеходной дорожкой из кофейного бетона. Будущие исследования должны будут изучить долговременную прочность, вариации свойств кофейной гущи, стабильность при крупномасштабном производстве и то, останется ли энергия, необходимая для производства биоугля, экологически и экономически жизнеспособной в промышленных масштабах.
