Песок в составе бетонной смеси выступает в роли мелкого заполнителя и обеспечивает повышение прочности конструкции. Чтобы оценить возможность создания более прочного бетона, австралийские исследователи провели эксперимент по замене песка на отработанную кофейную гущу.
Кофе является самым распространенным безалкогольным напитком во многих странах мира. По данным глобальной статистики, в период с 2020 по 2021 год люди потребили почти 10 миллионов тонн кофейных зерен. После варки кофе остается очень много отработанной гущи, которую выбрасывают на свалку. По грубым оценкам специалистов, каждый год в мусорных контейнерах оказывается до 54 миллионов тонн этой гущи.
Кофейные отходы давно используются в практических целях, в том числе в строительстве дорог. В 2016 году австралийские ученые узнали, если собирать отработанную кофейную гущу исключительно из кофеен Мельбурна, то ежегодно можно возводить пять километров дорог.
Исследователи из Мельбурнского королевского технологического университета изучили возможность применения использованной кофейной гущи в строительстве, а именно в составе бетона. Их исследования показали опубликованы в журнале Journal of Cleaner Production.
Для изготовления бетона требуются песок, вода и цемент. Песок служит мелким заполнителем в бетонной смеси и обеспечивает её прочность. Использование песка позволяет получить плотную и однородную структуру. Австралийские ученые провели исследование, в котором заменили песок кофейными отходами, чтобы оценить влияние на прочность бетона.
Сначала ученые собирали кофейную гущу в кофейнях Мельбурна и высушивали ее для удаления влаги. Затем полученный высушенный материал подвергался нагреву при температурах 350 и 500 градусов Цельсия. Для производства биоугля из кофейной гущи исследователи использовали метод пиролиза.
В последующих исследованиях ученые использовали два типа составов смесей, применяя в качестве мелкого заполнителя биоуголь, полученный из кофейной гущи, и песок. Приготовление бетонной смеси осуществлялось путем добавления различных количеств биоугля и песка к портландцементу: 5, 10, 15 и 20%.
Смеси, содержащие различные пропорции заполнителя, помещали в формы и обрабатывали вибрацией для удаления воздуха. После этого готовый бетон извлекали из форм и помещали в резервуар с водой для обеспечения его полного отверждения. Затем бетон подвергали испытаниям на прочность при сжатии при температурах 350 и 500 градусов Цельсия, чтобы определить его способность выдерживать давление.
В ходе экспериментов было установлено, что наиболее эффективной оказалась бетонная смесь, содержащая 15% отработанной кофейной гущи (биоугля), подвергнутой нагреву до 350 градусов в качестве мелкого заполнителя. Использование данного биоугля привело к заметному улучшению характеристик бетона, что выразилось в увеличении его прочности на 29,3% по сравнению с бетонными смесями, содержащими песок.
«Наше исследование выявило возможность решения проблемы кофейных отходов посредством строительства. Необходимо освоить использование отработанной кофейной гущи в этой отрасли, чтобы сократить объём отходов, направляемых на свалки», — объяснил Цзе Ли, соавтор исследования.
Австралийские ученые утверждают, что технология производства бетона с использованием кофейной гущи способна решить еще одну экологическую задачу: помочь в сохранении природных ресурсов. Запасы природного песка ограничены, поскольку это невозобновляемый ресурс. Для строительных нужд ежегодно извлекается около 40–50 миллиардов тонн песка и гравия. Если удастся использовать кофейную гущу, образующуюся после приготовления кофе, в качестве заменителя песка при создании строительных материалов, потребность в его добыче значительно уменьшится.