热解废咖啡渣与废茶叶对砂浆水化、自收缩、强度及电阻率的影响：以每日一杯咖啡或茶提升可持续性

《Developments in the Built Environment》：The effects of pyrolysed spent coffee grounds and spent tea leaves on hydration, autogenous shrinkage, strength, and resistivity of mortar: Enhancing sustainability with your daily cup of coffee or tea

　　

本研究评估了废咖啡渣（SCG）与废茶叶（STL）对砂浆物理化学性质及耐久性相关性能的影响。未经处理的SCG与STL因其高有机质含量及显著的吸水能力而不适用，这些特性会对水泥水化产生不利影响。SCG与STL在350°C和500°C条件下进行热解处理，所得生物炭材料以7.5%和15%的砂体积替代率掺入砂浆中。对原料及热解产物均进行了化学表征。所得砂浆通过等温量热法、自收缩测量、抗压强度测试及电导率分析进行评估。含有未经处理SCG与STL的砂浆表现出更高的电导率。相比之下，热解材料表现出改善的行为，尤其是经350°C处理的材料，表明其微观结构发展可能得到增强。

一、研究背景与问题提出

有机废弃物平均占城市固体废弃物的30%–40%，其分解过程产生温室气体，已成为重大的环境与城市问题。咖啡和茶加工过程产生大量固体废弃物，直接填埋处理。与此同时，水泥生产向大气释放大量CO₂，而混凝土生产对原材料尤其是砂的依赖导致自然资源的大规模开采，砂的持续开采与提取对可持续供应构成严峻的长期挑战。因此，建筑领域亟需更可持续的替代方案。

将废咖啡渣（SCG）或废茶叶（STL）部分替代混凝土/砂浆生产中的砂，可同时应对有机废弃物管理与自然资源开采两大问题。咖啡是全球仅次于原油的第二大贸易商品，也是仅次于茶的全球第二大饮品，2016年咖啡产业年产生废弃物超过600万吨。SCG因含有毒化合物而分解缓慢，在填埋场中未经处理的SCG存在自燃风险，并释放与发酵过程相关的强烈气体和异味。茶是世界上最古老、最受欢迎的非酒精饮料之一，2022年消费量达650万吨。全球砂年消费量高达320至500亿吨。回收SCG和STL的意义不在于替代全球砂需求的实质性比例，而在于为当地可利用的有机废弃物提供部分替代砂的机会，为其他天然废弃物流的进一步回收开辟道路。

生物炭在胶凝材料体系中已被证明是充满前景的创新研究方向。由不同类型有机废弃物制备的生物炭在改善混凝土力学性能和耐久性能方面展现出巨大潜力，同时可减少水泥用量及混凝土净碳足迹。生物炭因高碳含量可吸附超过自身重量两倍的CO₂，是碳封存和温室气体减排的有前景策略。生物炭的多孔结构和大比表面积赋予其增强混凝土性能的独特性质。生物炭的物理化学性质取决于热解条件，精确的温度和加热控制确保最佳的碳转化效率。

天然状态的SCG不适用于建筑应用。已有研究表明，在350°C下热解咖啡可使抗压强度较参考混凝土提高29.3%，这是首次证明废弃咖啡渣可增强混凝土性能的开创性研究。然而，仍需更多实验和深入研究来验证这些发现并全面理解热解咖啡渣在混凝土生产中的长期影响。关于废茶叶热解及其应用的研究在文献中远少于废咖啡渣热解研究。近期研究表明，加工废茶灰（PWTA）可作为部分水泥替代材料，含10 wt% PWTA细骨料的混凝土在28天硬化后与对照配合比保持相近抗压强度，90天后强度比对照样品高约4.6%，这可归因于茶灰的火山灰反应。

本研究旨在验证SCG和STL作为混凝土生产中可持续替代材料的可行性。研究问题包括：SCG和STL的整合如何增强可持续性并减少环境影响，同时保持或改善砂浆力学和耐久性能；咖啡和茶废弃物对砂浆早期性能、耐久性和力学性能的影响；SCG和STL的整合如何限制自收缩及其对内养护和水化的影响。尽管已有有机废弃物在胶凝材料中资源化的研究，但仍存在若干研究空白，特别是热解SCG对砂浆水化、收缩、力学和电性能的综合影响仍理解不足，热解STL的研究更为缺乏。

二、研究内容与主要结论

本研究对未经处理和热解形式的SCG和STL在不同温度下进行测试，将热解视为改善这些有机废弃物在混凝土应用中性能的更可靠处理方法。研究重点关注水化和自收缩等早期性能，通过电导率/电阻率评估将微观结构和力学性能相关联。研究共设计了十五种砂浆配合比，采用7.5 v%和15 v%的砂体积替代率，并设置三种不同水胶比（w/b）的对照配合比。研究结果表明，未经处理的SCG和STL因高有机质含量和显著吸水能力而不适用，其浸出液中的有机化合物会损害水泥颗粒水化。热解处理显著改善了材料性能，尤其是350°C热解的材料表现出更好的行为，表明微观结构发展可能得到增强。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：浸出试验以评估有机化合物释放对水泥水化的潜在影响；在350°C和500°C温度下以10°C?min^?1升温速率进行热解处理，以氮气为惰性气体在无氧环境中制备生物炭；利用光学显微镜分析粒径分布，采用氦气比重瓶测定固体密度；X射线荧光（XRF）和X射线衍射（XRD）分析元素及矿物组成，配合烧失量（LOI）测试评估碳和挥发性有机物含量；等温量热法评估水化过程；波纹管法测量自收缩；抗压强度测试；电导率/电阻率测量；以及图像分析法和湿/干/静水质量法评估孔隙率。SCG收集自比利时GroundsUp公司，STL获取自Coca-Cola Services SA/NV公司。

四、研究结果

4.1 材料表征

热解处理导致显著的质量损失，固体产率因材料类型和热解温度而异：350SCG为53.5%，350STL为45.0%，500SCG为25.5%，500STL为35.2%。浸出试验显示，未经处理的SCG和STL在模拟砂浆制备的高剪切混合条件下会向水中释放有机化合物，使水变为棕色，表明存在可能损害水泥水化的有机物质。

4.2 水化行为

等温量热法分析揭示了不同配合比的水化特征差异。未经处理的SCG和STL因释放有机化合物而损害水泥水化，而热解材料表现出改善的水化行为，特别是350°C热解的材料，表明热解有效去除了有害有机组分。

4.3 自收缩行为

自收缩测量结果显示，热解SCG和STL的掺入有助于限制砂浆的自收缩，这可能归因于生物炭的多孔结构提供了内养护效果，在水泥水化过程中逐步释放储存的水分。

4.4 抗压强度

抗压强度测试结果表明，热解材料的掺入对砂浆力学性能产生积极影响，尤其是350°C热解的材料表现出更优的强度发展，与改善的微观结构发展相一致。

4.5 电导率/电阻率

电导率分析显示，含有未经处理SCG和STL的砂浆表现出更高的电导率，而热解材料表现出改善的电阻率行为，表明离子传输速率降低，微观结构更为致密。

4.6 孔隙率与吸水性能

通过图像分析和湿/干/静水质量法测定的孔隙率结果显示，热解材料的掺入影响了砂浆的孔隙结构，与水化和电学性能的改善相呼应。

五、讨论与结论

讨论部分指出，未经处理的SCG和STL因其高有机质含量和吸水能力而不适用于砂浆生产，其浸出的有机化合物会损害水泥水化。热解处理有效解决了这些问题，350°C热解的材料表现出最佳性能，可能归因于该温度下形成的生物炭具有更优的物理化学特性，促进了微观结构的发展。研究结论表明，热解SCG和STL作为砂浆中砂的部分替代材料具有可行性，尤其是350°C热解处理可改善砂浆的物理化学和耐久性相关性能，为有机废弃物在建筑材料中的资源化利用提供了可持续途径。