تفاله‌های قهوه استفاده‌شده که تحت حرارت قرار گرفته‌اند، مقاومت فشاری بتن را افزایش می‌دهند.
جایگزینی بخشی از شن در بتن با تفاله‌های قهوه مصرف‌شده می‌تواند مقاومت بتن را تقریباً ۳۰٪ افزایش دهد، طبق مطالعه‌ای جدید.
طبق گزارش انجمن قهوه بریتانیا، روزانه حدود ۲ میلیارد فنجان قهوه در سراسر جهان مصرف می‌شود. اما بیشتر تفاله‌های قهوه در محل‌های دفن زباله رها می‌شوند، جایی که این زباله‌ها به‌آرامی تجزیه شده و متان تولید می‌کنند، گازی گلخانه‌ای که ۲۱ برابر قوی‌تر از دی‌اکسید کربن است.
محققان در استرالیا ممکن است راه‌حل کارآمدی برای بازیافت این ضایعات قهوه پیدا کرده باشند: استفاده از آن‌ها برای جایگزینی بخشی از شن در بتن. صنعت ساخت‌وساز معمولاً شن را از رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و دلتای رودها استخراج می‌کند، بنابراین جایگزین کردن این ماده مهم می‌تواند به حفاظت از زیستگاه‌های طبیعی در سراسر جهان کمک کند. تیم تحقیقاتی همچنین دریافتند که بتن ساخته‌شده با تفاله‌های قهوه از بتن معمولی قوی‌تر است.
مطالعه و یافته‌ها
در مطالعه‌ای که به‌صورت آنلاین در ژورنال تولید پاک در تاریخ ۲۱ جولای منتشر شد، محققان تفاله‌های قهوه استفاده‌شده را از کافه‌های محلی در شهر ملبورن جمع‌آوری کردند و بررسی کردند که چگونه نسبت‌های مختلف و پیش‌پرداخت‌های این زباله‌های قهوه خواص بتن را تحت تأثیر قرار می‌دهند. آن‌ها دریافتند که جایگزینی ۱۵٪ از شن با تفاله‌های قهوه حرارت‌دیده مقاومت فشاری بتن را بهبود می‌بخشد.
اما این جایگزینی خارق‌العاده چگونه عمل می‌کند؟
به گفته هولمر ساواستانو جونیور، مهندس عمران در دانشگاه سائوپائولو برزیل که در این مطالعه شرکت نداشت، بتن معمولی از یک ترکیب سیمانی (شامل سیمان و آب)، شن و یک ماده درشت مانند سنگ‌ریزه تشکیل شده است که نسبت آن‌ها با توجه به کاربرد طراحی می‌شود. یک سری واکنش‌های پیچیده هیدراتاسیون بین آب و ترکیبات سیمانی باعث سفت و سخت شدن بتن می‌شود، اما شن نیز نقش حیاتی در این فرآیند دارد.
“شن و دیگر مواد دانه‌ای معمولاً به‌عنوان مواد بی‌اثر شناخته می‌شوند و در این واکنش‌های هیدراتاسیون شرکت نمی‌کنند،” او گفت. “اما آن‌ها مسئول پایداری، انسجام و عملکرد ماکروساختاری بتن هستند — می‌توان آن‌ها را به‌طور تقریبی به عناصر اسکلت بدن ما مقایسه کرد.”
در این مطالعه جدید، محققان به سرعت دریافتند که تفاله قهوه خام به‌طور قابل‌توجهی مقاومت بتن را کاهش می‌دهد. “تفاله قهوه استفاده‌شده و فرآوری‌نشده می‌تواند مواد شیمیایی را به مخلوط تازه بتن وارد کرده و واکنش‌های شیمیایی هیدراتاسیون را که مسئول سخت شدن و سفت شدن اولیه ماده سیمانی هستند، مختل کند،” ساواستانو گفت. با این حال، تیم تحقیقاتی با استفاده از یک روش فرآوری شیمیایی به نام پیرولیز توانست خواص این ضایعات قهوه را بهبود بخشد و آن را به جایگزین مناسبی برای شن تبدیل کند که “بیوچار قهوه” نامیده شد.
پیرولیز شامل حرارت دادن یک ماده به دماهای بسیار بالا — در این مورد، ۳۵۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد (۶۶۲ تا ۹۳۲ درجه فارنهایت) — برای شکستن مولکول‌ها به قطعات کوچکتر است. این فرآوری حرارتی، پایداری تفاله‌های قهوه را افزایش داد و از آزاد شدن مواد شیمیایی که واکنش‌های هیدراتاسیون را مختل می‌کردند، جلوگیری کرد.
اما بیوچار قهوه علاوه بر این، چندین مزیت ساختاری مهم نیز دارد.
“بیوچار قهوه ویژگی‌های اصلی ماده اولیه، یعنی تخلخل و نفوذپذیری آن را حفظ می‌کند،” ساواستانو توضیح داد. “این ویژگی‌ها نقش کلیدی در عملکرد مکانیکی و در نتیجه دوام مواد سیمانی مانند بتن ایفا می‌کنند.”
ساختار متخلخل بیوچار قهوه باعث افزایش چسبندگی بین سیمان و ذرات قهوه می‌شود و رطوبت را در داخل حفره‌های بیوچار به دام می‌اندازد. این بدان معناست که با استفاده تدریجی آب در واکنش‌های هیدراتاسیون که مسئول سفت شدن بتن هستند، بیوچار قهوه رطوبت را به بتن اطراف آزاد می‌کند و این واکنش‌های حیاتی را ادامه داده و از خشک شدن و ترک خوردن بتن جلوگیری می‌کند.
تیم تحقیقاتی نتیجه گرفت که جایگزینی ۱۵٪ شن در بتن با بیوچار قهوه تولیدشده در دمای ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد (۶۶۲ فارنهایت) بهترین بهبود در مقاومت را ایجاد می‌کند. آن‌ها اکنون در حال بررسی سایر ویژگی‌ها از جمله عملکرد طولانی‌مدت، جذب آب، مقاومت در برابر چرخه یخ‌زدگی و ذوب و مقاومت الکتریکی هستند و امیدوارند که با همکاری با شوراهای محلی، این ماده جدید را در پروژه‌های میدانی آزمایش کنند.