Bã cà phê đã qua sử dụng có thể làm bê tông tăng độ cứng lên 30%

Một nghiên cứu mới cho thấy việc hoán đổi một ít cát trong bê tông lấy bã cà phê đã qua sử dụng có thể làm tăng độ bền của bê tông lên gần 30%.

Theo Hiệp hội Cà phê Anh, 2 tỷ tách cà phê khổng lồ được tiêu thụ trên toàn cầu mỗi ngày. Nhưng hầu hết bã cà phê kết thúc ở các bãi chôn lấp, nơi chất thải từ từ phân hủy để tạo ra khí mê-tan, một loại khí nhà kính mạnh gấp 21 lần so với carbon dioxide, theo nghiên cứu mới.

Các nhà nghiên cứu ở Úc có thể đã tìm ra một giải pháp tái chế hiệu quả cho tất cả chất thải cà phê này: sử dụng nó để thay thế một số cát trong bê tông. Ngành xây dựng thường khai thác cát từ sông, hồ và đồng bằng, vì vậy việc hoán đổi trầm tích quan trọng này cũng có thể bảo vệ môi trường sống trên toàn thế giới, nhóm nghiên cứu cho biết. Họ tìm thấy bê tông được làm một phần từ bã cà phê cũng mạnh hơn bê tông truyền thống.

Đối với nghiên cứu của họ, được công bố trực tuyến vào ngày 21 tháng 7 trên Tạp chí Sản xuất Sạch hơn, các nhà nghiên cứu đã thu thập bã cà phê đã qua sử dụng từ các quán cà phê địa phương trên khắp Melbourne và điều tra xem tỷ lệ và tiền xử lý khác nhau của chất thải cà phê này ảnh hưởng như thế nào đến tính chất của bê tông. Họ phát hiện ra rằng việc thay thế 15% cát bằng bã cà phê đã qua xử lý đã cải thiện cường độ nén.

Nhưng sự thay thế phi thường này hoạt động như thế nào?

"Bê tông thông thường bao gồm một chất kết dính xi măng (tức là hỗn hợp xi măng và nước), cát và cốt liệu thô như sỏi theo tỷ lệ được thiết kế tốt tùy thuộc vào ứng dụng dự định," Holmer Savastano Junior, một kỹ sư xây dựng tại Đại học São Paulo ở Brazil, người không tham gia vào nghiên cứu, nói với Live Science trong một email. Một loạt các phản ứng hydrat hóa phức tạp giữa nước và các hợp chất trong hỗn hợp xi măng làm cho bê tông cứng lại và đông lại, nhưng cát cũng đóng một vai trò quan trọng.

"Cát và các cốt liệu khác thường được xác định là vật liệu trơ và không tham gia vào các phản ứng hydrat hóa này," anh ấy nói. "Nhưng chúng chịu trách nhiệm về sự ổn định, tính toàn vẹn và hiệu suất cấu trúc vĩ mô của bê tông - chúng có thể được so sánh đại khái là các yếu tố khung trong cơ thể chúng ta."

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng phát hiện ra rằng bã cà phê thô làm suy yếu đáng kể kết quả bê tông. "Cà phê đã qua sử dụng chưa được xử lý có thể giải phóng hóa chất vào hỗn hợp bê tông tươi và đầu độc các phản ứng hydrat hóa hóa học chịu trách nhiệm cho giai đoạn đầu đông cứng và tạo thành chất kết dính xi măng," Savastano nói. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng một phương pháp xử lý hóa học được gọi là nhiệt phân, nhóm nghiên cứu đã cải thiện các đặc tính của chất thải cà phê này và biến nó thành một chất thay thế cát phù hợp mà họ gọi là cà phê "than sinh học".

Nhiệt phân liên quan đến việc làm nóng vật liệu đến nhiệt độ cao - trong trường hợp này, 662 đến 932 độ F (350 đến 500 độ C) - để phân hủy hóa học các phân tử thành các mảnh nhỏ hơn. Việc xử lý nhiệt này đã tăng cường sự ổn định của bã cà phê và ngăn chúng giải phóng các hóa chất phá hoại các phản ứng hydrat hóa.

Nhưng than sinh học cà phê cũng có một vài ưu điểm cấu trúc quan trọng.

"Than sinh học cà phê giữ lại ký ức về chất thải ban đầu - độ xốp và tính thấm của nó," Savastano nói. "Những đặc tính này đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất cơ học, và do đó độ bền của các vật liệu gốc xi măng như bê tông.

Cấu trúc xốp làm tăng độ bám dính giữa xi măng và các hạt cà phê và giữ độ ẩm bên trong lỗ chân lông của than sinh học. Điều này có nghĩa là, khi các phản ứng hydrat hóa chịu trách nhiệm thiết lập bê tông dần dần sử dụng hết nước trong hỗn hợp, than sinh học cà phê giải phóng độ ẩm trở lại bê tông xung quanh, cho phép các phản ứng quan trọng này tiếp tục và ngăn bê tông bị khô và nứt.

Nhóm nghiên cứu kết luận rằng việc thay thế 15% cát trong bê tông bằng than sinh học cà phê được sản xuất ở 662 F đã mang lại sự cải thiện tốt nhất về độ bền. Họ hiện đang điều tra các đặc tính khác bao gồm hiệu suất lâu dài, hấp thụ nước, khả năng chống đóng băng-tan băng và điện trở suất điện, và hy vọng sẽ bắt đầu làm việc với các hội đồng địa phương để thử nghiệm vật liệu mới này trong lĩnh vực này.