Australia stoi przed podwójnym wyzwaniem środowiskowym: gospodarowaniem odpadami organicznymi i ograniczaniem wpływu sektora budowlanego na środowisko. Jednym z najczęstszych rodzajów odpadów organicznych są fusy po kawie, które często trafiają na wysypiska śmieci, uwalniając metan – gaz, który zatrzymuje ciepło i znacząco przyczynia się do zmiany klimatu. Aby uporać się zarówno z odpadami, jak i zanieczyszczeniami, badacze sprawdzili, czy te codzienne odpady można ponownie wykorzystać, aby beton stał się mocniejszy i bardziej przyjazny dla środowiska.

Doktor Rajeev Roychand i profesor Shannon Kilmartin z Uniwersytetu RMIT przeprowadzili szczegółowe badanie, opublikowane niedawno w czasopiśmie naukowym Journal of Cleaner Production. Zespół zbadał, czy fusy z kawy po podgrzaniu i przekształceniu w substancję przypominającą węgiel drzewny – znaną w nauce jako biowęgiel, porowaty materiał powstający w wyniku spalania materii organicznej pod nieobecność tlenu – mogą zastąpić część piasku zwykle dodawanego do betonu.

W swoich eksperymentach naukowcy odkryli, że umieszczanie nietraktowanych fusów kawy bezpośrednio w betonie nie sprawdza się dobrze. Naturalne związki zawarte w podłożu zakłócały twardnienie cementu, powodując osłabienie betonu. Jednak gdy zmieloną kawę podgrzano w środowisku beztlenowym – w procesie znanym jako piroliza, podczas którego materiał organiczny rozkłada się na stabilne formy węgla – wynik był zupełnie inny. Dodanie tej poddanej obróbce materiału kawowego do betonu w odpowiedniej ilości sprawiło, że stał się on zauważalnie silniejszy.

Ta poprawa siły wynika z kilku kluczowych powodów. Po pierwsze, poddany obróbce materiał kawowy ma maleńkie dziurki, które mogą zatrzymywać wodę. Pomaga to cementowi skuteczniej twardnieć od wewnątrz, nawet po wyschnięciu zewnętrznej powierzchni. Ponadto mieszanka cementowa może przedostać się do porów poddanych obróbce cząstek kawy, tworząc lepsze połączenie między materiałami i pomagając w mocniejszym sklejaniu betonu. Dzięki tym efektom materiał kawowy nie tylko wypełnia przestrzeń — w rzeczywistości sprawia, że ​​beton staje się mocniejszy.

„Beton zawierający materiał na bazie kawy poddany obróbce w niższej temperaturze stawał się mocniejszy w miarę dodawania jego większej ilości – do pewnego momentu” – wyjaśnił dr Roychand. „Po tym momencie korzyści zaczęły się stabilizować, ale beton nadal ogólnie spisał się dobrze”. Oznacza to, że istnieje idealny przepis na to, ile materiału kawowego należy użyć, aby uzyskać najlepsze rezultaty.

Wynik jest zachęcający pod względem środowiskowym i ekonomicznym. Australia co roku wyrzuca dużą ilość zużytych fusów po kawie. Według badania, gdyby zamiast tego odpady te zamieniono na przetworzony materiał kawowy, można by z nich wyprodukować wystarczającą ilość przydatnego materiału, który mógłby zastąpić znaczną część piasku wykorzystywanego w konstrukcjach betonowych. Pomogłoby to ograniczyć ilość odpadów trafiających na składowiska i zmniejszyć potrzebę wydobywania piasku, co często szkodzi środowisku naturalnemu.

Zespół zauważył, że strategia ta dobrze wpisuje się w ideę wykorzystywania odpadów do tworzenia nowych produktów – koncepcję często nazywaną gospodarką o obiegu zamkniętym, która odnosi się do ciągłego ponownego wykorzystania i recyklingu materiałów, a nie ich wyrzucania. Może przynieść korzyści środowisku, pobudzić gospodarkę, a nawet stworzyć miejsca pracy. Przekształcając odpady w coś wartościowego, zmniejsza się zapotrzebowanie na świeże surowce, a w zakresie recyklingu i ekologicznego budownictwa mogą pojawić się nowe możliwości biznesowe.

„Dodanie materiału na bazie kawy nie tylko poprawia jakość betonu, ale daje nam także praktyczny sposób gospodarowania odpadami” – powiedział profesor Kilmartin. Uważają, że należy przeprowadzić więcej badań, aby sprawdzić, jak materiał ten zachowuje się w miarę upływu czasu, szczególnie w różnych warunkach pogodowych i typach budynków.

Odniesienie do czasopisma

Roychand R., Kilmartin-Lynch S., Saberian M., Li J., Zhang G., Li CQ „Przekształcanie zużytych fusów kawowych w cenne źródło zwiększające wytrzymałość betonu”. Dziennik Czystszej Produkcji, 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138205

O Autorach

Doktor Rajeev Roychand jest pracownikiem naukowym w Szkole Inżynierskiej Uniwersytetu RMIT w Melbourne w Australii, gdzie specjalizuje się w zrównoważonych materiałach budowlanych. Mając doświadczenie w inżynierii lądowej i głębokie zainteresowanie innowacjami środowiskowymi, jego praca koncentruje się na recyklingu odpadów przemysłowych i organicznych w celu uzyskania wysokiej jakości materiałów budowlanych. Dr Roychand kierował kilkoma projektami badającymi wykorzystanie materiałów alternatywnych — takich jak popiół lotny, odpady tworzyw sztucznych i biowęgiel — w celu poprawy trwałości i wydajności betonu. Pasjonuje się zmniejszaniem śladu węglowego branży budowlanej poprzez opracowywanie praktycznych, skalowalnych rozwiązań. Znany ze swojego praktycznego podejścia i współpracy z przemysłem dr Roychand dąży do wypełnienia luki pomiędzy badaniami akademickimi a rzeczywistymi zastosowaniami w infrastrukturze.

Profesor Shannon Kilmartin-Lynch jest rodzimym pracownikiem naukowym przed doktoratem na Uniwersytecie RMIT i wschodzącym liderem w badaniach nad materiałami zrównoważonymi. Jej praca łączy nauki o środowisku z rozwiązaniami inżynieryjnymi zorientowanymi na społeczność. Zaangażowana w rozwój reprezentacji rdzennej ludności w STEM, bada, w jaki sposób materiały odpadowe – takie jak zużyte fusy po kawie i sprzęt ochrony osobistej – można przekształcić w cenne zasoby dla budownictwa. Profesor Kilmartin-Lynch w swoich badaniach kładzie duży nacisk na praktyki gospodarki o obiegu zamkniętym i równość środowiskową, mając na celu ograniczenie ilości odpadów składowanych na wysypiskach i promowanie ekologicznych innowacji. Jej praca nie tylko rozwija zrównoważone technologie, ale także wspiera włączające i świadome kulturowo zaangażowanie naukowe.