Nachhaltiger Beton aus Kaffeesatz ist 30 % stabiler und besser für die Umwelt

Die Bauindustrie produziert jedes Jahr etwa 4,4 Milliarden Tonnen Beton und könnte dabei einen Anteil von 15 Prozent Kaffeesatz haben, um einen Teil der etwa 8 Milliarden Tonnen Sand zu ersetzen und nachhaltiger zu werden. In den letzten Jahren wurde der Bausand in einigen Regionen knapp und ist spürbar im Preis gestiegen. Gleichzeitig fällt jährlich etwa 10 Milliarden Kilogramm verbrauchter Kaffee an. Ein Forscherteam der RMIT University in Australien hat herausgefunden, dass dieser Kaffeesatz bei der Betonherstellung als Kieselsäureersatz verwendet werden kann, der im richtigen Verhältnis eine wesentlich stärkere chemische Bindung als Sand allein ergibt. Auf der Suche nach einem sinnvollen Ersatz für Sand, ist eine stabilere, nachhaltigere Betonmischung entstanden.

Nachhaltiger Beton mit 15 % Kaffeesatz ist um 30 % stabiler

Leider kann man Zuhause den Kaffeesatz nicht einfach roh in normalen Beton beimischen, da er sich aufgrund seines organischen Gehalts nicht mit den anderen Materialien verbindet, erklärte der verantwortliche Forscher Dr. Roychand in der Veröffentlichung. Um den Kaffeesatz verträglicher zu machen, experimentierte das Team mit der Pyrolyse des Materials bei 350 und 500 Grad Celsius und ersetzte dann den Sand in 5, 10, 15 und 20 Volumenprozent bei Standardbetonmischungen.

Das australische Team fand heraus, dass 350 Grad Celsius die perfekte Temperatur ist, um die Druckfestigkeit des mit Kaffee-Biokohle gemischten Betons um 29,3 Prozent zu erhöhen. Nachhaltiger Beton aus einer Kaffeesatz-Beimischungist bei einer Pyrolyse bei 350 Grad und 500 Grad entstanden. Nachhaltiger Beton ist schon länger Forschungsgegenstand, Flugasche, Reifengummi, Glas, Schlacke und viele weitere Abfallprodukte wurden schon untersucht.

„Daher bietet sich der Bauindustrie eine große Chance, den Einsatz von Kaffeesatz zu erhöhen, was nicht nur die mit der Entsorgung auf Deponien verbundenen Umweltprobleme lösen, sondern auch dazu beitragen könnte, den kontinuierlichen Abbau natürlicher Ressourcen für die Betonherstellung zu verringern.“, so Dr. Roychand. Für den Innenausbau gibt es ein ebenso spannendes Thema für mehr Nachhaltigkeit: Mit Strohbauplatten die CO₂-Bilanz von Gebäuden verbessern.

So wird nachhaltiger Beton aus Kaffeesatz hergestellt

Der Kaffeesatz wurde in verschiedenen Cafeterien in Australien eingesammelt und in Aluminiumschalen gefüllt. Eine Aluminiumfolie wurde fest auf die Schale gewickelt, um sie von allen Seiten abzudichten. In die Alufolie wurden an zufälligen Stellen kleine Mikrolöcher gestochen, damit die Gase während der thermischen Zersetzung durch die Pyrolyse entweichen konnten. Der Kaffeesatz wurde dann bei Temperaturen von 350 oder 500 °C jeweils 2 Stunden lang bei einer Heizrate von 10 °C/min pyrolysiert. Die Forscher haben dafür den Barnstead Thermolyne Ofen Typ 30400 verwendet. Dem Ofen wurde Zeit zum Abkühlen gegeben, bevor die entstandene Biokohle entfernt wurde.

In der Studie wurden zwölf verschiedene Mischungsdesigns verwendet, um die Auswirkungen von Kaffeesatz in Form von unbehandeltem Kaffeesatz, Biokohle bei 350° und Biokohle bei 500° auf das mechanische und mikrostrukturelle Verhalten von Beton zu vergleichen. Wer den Beton nachmachen will, findet die verschiedenen Mischungen in Tabelle 1 der Studie. Die Mischungsverhältnisse für 350-Grad und 500-Grad unterscheiden sich nur geringfügig.

Das beste Ergebnis haben die Forscher mit 350 kg Zement, 14 kg Kaffeesatz, 214 Liter Wasser, 697 kg Sand, 450 kg Kies mit 7 mm Körnung und 535 kg Kies mit 14 mm Körnung. Vergleicht man die verschiedenen Betonmischungen, wird nun auch deutlich, wie viel Kaffee tatsächlich verwendet wird und wie viel Sand eingespart wird. Grüner Beton aus Kaffeesatz entsteht durch die Einsparungen beim Sandanteil, denn das Gewicht vom Kaffeesatz sieht erst mal nicht beeindruckend aus.

14 kg verbrannter Kaffeesatz ersetzen 123 kg Sand

Vergleicht man die verschiedenen Betonmischungen, wird deutlich, wie viel Sand tatsächlich durch die mageren 14 kg Kaffeesatz eingespart werden können. Denn bei einer Mischung mit 10 % Kaffeesatz werden 738 kg Sand (auf Englisch FA für fine aggregate – feine Gesteinskörnung) verwendet und nur noch 9 kg Kaffeesatz. Nachhaltiger Beton mit 5 % Kaffeesatz verwendet 779 kg Sand und die Kontrollmischung ohne Kaffeesatz verwendet 820 kg Sand.

Nachhaltiger Beton mit 15 % Kaffeesatz hat in der Mischung der Forscher also 123 kg Sand eingespart, indem nur 14 kg verbrannter Kaffeesatz hinzugefügt wurde. Die Anteile von Zement, Wasser und Kies waren in jeder Mischung identisch, nur der Anteil von Sand und Kaffeesatz wurde verändert. Nachhaltiger Beton mit 350 Grad Mischungen war nach 28 Tagen Aushärtung immer stabiler als der Kontrollzement, außer die 20 % Mischung, diese war leicht schwächer. Die 500 Grad Mischungen waren alle weniger stabil als die Kontrollmischung ohne Kaffeesatz.

„Die Betonindustrie hat das Potenzial, erheblich zur Steigerung des Recyclings von organischen Abfällen wie gebrauchtem Kaffee beizutragen“, fügte die Mitautorin der Studie, Dr. Shannon Kilmartin-Lynch hinzu. „Unsere Forschung befindet sich noch im Anfangsstadium, aber diese aufregenden Ergebnisse bieten eine innovative Möglichkeit, die Menge an organischen Abfällen, die auf Deponien landen, deutlich zu reduzieren“, wo bei der Zersetzung große Mengen an Methan entstehen, ein Treibhausgas, das 21-mal stärker wirkt als Kohlendioxid.

Bauindustrie und Beton muss nachhaltiger werden

Der Hauptschadstoff bei der Herstellung von Beton ist der Klebstoff, der die Komponenten zusammenhält, nämlich Portlandzement oder einfach Zement. Derzeit sind 8 Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen auf die Herstellung von Portlandzement zurückzuführen. Mit dem Ausbau der Schwellenländer und den gigantischen Bevölkerungen in China und Indien wird die Nachfrage nach Beton in den kommenden Jahren erheblich steigen. Daher ist ein stabilerer, nachhaltiger Beton wichtig für die langfristige Entwicklung. Dennoch stellt der zunehmende Abbau von Sand für die Bauindustrie ein Problem dar, denn es funktioniert nicht jeder beliebige Sand im Beton. Der Wüstensand aus der Sahara und anderen Wüsten ist z.B. nicht geeignet, um damit Beton herzustellen.

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„Die Entsorgung von organischen Abfällen stellt eine Herausforderung für die Umwelt dar, da sie große Mengen an Treibhausgasen wie Methan und Kohlendioxid freisetzt, die zum Klimawandel beitragen“, sagte der Hauptautor der Studie. So fallen in Australien jährlich etwa 75 Millionen Kilogramm gebrauchter Kaffeesatz an, von denen der größte Teil auf Mülldeponien landet. Die jährliche Produktion von Zementbeton in Australien beträgt dagegen etwa 72 Millionen Tonnen und etwa 40 % (28,8 Millionen Tonnen) davon sind Sand. In ihrer Arbeit kommen die Autoren zu dem Schluss, dass bei dieser Produktion der gesamte Kaffeesatz in der Bauindustrie im eigenen Land verwendet werden könnte.

(TB)