أشارت دراسة جديدة إلى أن استبدال بعض الرمال الموجودة في الخرسانة ببقايا القهوة المستهلكة (التفل) يمكن أن يزيد من قوة الخرسانة بنسبة 30 % تقريبًا.
ويتم استهلاك ما يصل إلى ملياري كوب من القهوة على مستوى العالم يوميًا، وفقًا لجمعية القهوة البريطانية. لكن معظم بقايا القهوة ينتهي بها الأمر في مدافن النفايات، حيث تتحلل ببطء لإنتاج غاز الميثان؛ وهو غاز دفيئة أقوى بـ 21 مرة من ثاني أكسيد الكربون.
ووفقًا لدراسة جديدة، ربما وجد باحثون في أستراليا حلاً فعالاً لإعادة تدوير جميع نفايات القهوة من خلال استخدامها في الخرسانات.
وقال الفريق إن صناعة البناء عادة ما تستخرج الرمال من الأنهار والبحيرات والدلتا، لذا فإن استبدال هذه الرواسب المهمة يمكن أن يحمي أيضًا الموائل في جميع أنحاء العالم.
فقد وجد الباحثون أن الخرسانة المصنوعة جزئيا من بقايا القهوة أقوى أيضا من الخرسانة التقليدية.
وفي دراستهم، التي نُشرت على الإنترنت 21 يوليو (تموز) الماضي بمجلة «Journal of Cleaner Production»، قام الباحثون بجمع بقايا القهوة المستهلكة من المقاهي المحلية بجميع أنحاء ملبورن وبحثوا في كيفية تأثير النسب المختلفة والمعالجة المسبقة لنفايات القهوة على خصائص الخرسانة. ووجدوا أن استبدال 15% من الرمال بمسحوق القهوة المعالج أدى إلى تحسين قوة الضغط، وذلك وفق ما ذكر موقع «لايف ساينس» العلمي.
كيف يعمل هذا الاستبدال الاستثنائي؟
تتكون الخرسانة العادية من مادة رابطة أسمنتية (أي خليط الأسمنت والماء)، والرمل، والركام الخشن مثل الحصى بنسب مصممة بشكل جيد اعتمادا على التطبيق المقصود.
ويشرح هولمر سافاستانو جونيور المهندس المدني بجامعة ساو باولو البرازيلية الذي لم يشارك في الدراسة «تؤدي سلسلة معقدة من تفاعلات الترطيب بين الماء والمركبات الموجودة في خليط الأسمنت إلى تصلّب الخرسانة وتماسكها، لكن الرمل يلعب أيضًا دورًا حيويًا». مضيفا «يتم تحديد الرمال والركام الآخر بشكل عام على أنها مواد خاملة ولا تشارك في تفاعلات الترطيب هذه. لكنها مسؤولة عن الاستقرار والسلامة والأداء الهيكلي الكلي للخرسانة؛ ويمكن مقارنتها تقريبًا بالعناصر الهيكلية في أجسامنا».
وفي الدراسة الجديدة، اكتشف الباحثون بسرعة أن القهوة الخام أضعفت الخرسانة الناتجة بشكل كبير.
وفي هذا الاطار، يقول سافاستانو «يمكن للقهوة المستهلكة غير المعالجة أن تطلق مواد كيميائية في خليط الخرسانة الجديدة وتسمم تفاعلات الترطيب الكيميائي المسؤولة عن تصلب المرحلة المبكرة وتثبيت المادة الرابطة الأسمنتية».
ومع ذلك، باستخدام المعالجة الكيميائية المعروفة باسم الانحلال الحراري، قام الفريق بتحسين خصائص مخلفات القهوة هذه وتحويلها إلى بديل مناسب للرمل أطلقوا عليه اسم «الفحم الحيوي» للقهوة.
ويتضمن الانحلال الحراري تسخين المادة إلى درجات حرارة عالية - في هذه الحالة من 662 إلى 932 درجة فهرنهايت (350 إلى 500 درجة مئوية)- لتفكيك الجزيئات كيميائيًا إلى قطع أصغر.
وقد عززت هذه المعالجة الحرارية ثبات القهوة المطحونة ومنعتها من إطلاق المواد الكيميائية التي تخرب تفاعلات الترطيب. لكن الفحم الحيوي للقهوة له أيضًا بعض المزايا الهيكلية المهمة.
ويبين سافاستانو «يحتفظ الفحم الحيوي للقهوة بذاكرة مادة النفايات الأصلية، أي مساميتها ونفاذيتها. فيما تلعب هذه الخصائص دورًا رئيسيًا في الأداء الميكانيكي، وبالتالي متانة المواد ذات الأساس الأسمنتي مثل الخرسانة. ويزيد الهيكل المسامي من الالتصاق بين الأسمنت وجزيئات القهوة ويحبس الرطوبة داخل مسام الفحم الحيوي؛ وهذا يعني أنه نظرًا لأن تفاعلات الترطيب المسؤولة عن إعداد الخرسانة تستخدم الماء الموجود في الخليط تدريجيًا، فإن الفحم الحيوي للقهوة يطلق الرطوبة مرة أخرى إلى الخرسانة المحيطة، ما يسمح باستمرار هذه التفاعلات الحيوية ويمنع الخرسانة من الجفاف والتشقق».
وخلص الفريق إلى أن استبدال 15% من الرمل في الخرسانة بالفحم الحيوي للقهوة المنتج عند درجة حرارة 662 فهرنهايت أعطى أفضل تحسن في القوة. وهو يقوم الآن بالتحقيق في خصائص أخرى بما في ذلك الأداء طويل المدى، وامتصاص الماء، ومقاومة التجميد والذوبان، والمقاومة الكهربائية، ويأمل في بدء العمل مع المجالس المحلية لتجربة هذه المادة الجديدةعمليا.
