当咖啡渣变成建筑材料，100亿千克的咖啡渣有用处了！

你可能想象不到，每天全球都会产生数以亿计杯咖啡所留下的废弃咖啡渣。据统计，这类有机废弃物每年累计超过100亿千克，其中大部分被直接丢入垃圾填埋场。与此同时，建筑行业对混凝土原料的需求持续增长，特别是用于混凝土制备的天然砂，正在以不可持续的速度被开采，带来严重的生态问题。

使用咖啡渣盖楼的示意图（图片来源：作者使用AI生成）

为解决这两类看似无关的环境挑战，澳大利亚皇家墨尔本理工大学的研究团队提出了一种创新思路，通过低温热解技术，将咖啡渣转化为一种可用于增强混凝土性能的碳质材料。

咖啡渣如何成为混凝土的增强材料

科研人员在研究中首先指出，咖啡渣虽然颗粒细小、来源丰富，但并不能直接掺入混凝土体系。原因在于其内部含有多种有机化合物，如多酚类、脂肪酸和碳水化合物，这些成分在与水泥接触时会发生浸出反应，释放出可溶性有机物（如图1），显著干扰水泥的水化过程。水泥在硬化过程中依赖氢氧化钙、硅酸钙水化物等晶体结构的形成，而咖啡渣中这些有机组分的存在，会使水化反应速率下降，晶体生成不完全，最终导致混凝土的抗压强度明显降低。早期实验表明，当以未处理的咖啡渣替代砂料20%时，混凝土的强度下降可达40%以上。

图1 咖啡渣有机物的浸出（图片来源：参考文献[1]）

为了改善这一问题，研究团队采用了热解技术。该技术是一种在缺氧条件下对有机物加热分解的过程，研究中分别设定了350摄氏度和500摄氏度两种温度条件。咖啡渣在350摄氏度下热解时，其有机分子被分解为气体与液体副产物，残留部分转变为一种多孔、富含碳的固体材料——生物炭（图2）。与未经处理的咖啡渣不同，这种生物炭在结构上表现出明显的微孔特征，且不再释放有机化学物质，从而消除了对水泥水化的不利影响。

进一步地，研究人员在实验设计中将这种咖啡生物炭分别以5%、10%、15%和20%的体积比例替代混凝土中的天然砂。结果显示，15%替代比例的混凝土在28天龄期的抗压强度达到最优，比对照组（无生物炭添加？）提高了约29.3%。

图2 热解后的咖啡生物炭的扫描电镜（图片来源：参考文献[1]）

这一强度提升主要归因于三方面机制，一是生物炭表面的孔隙结构增强了水泥浆体的嵌合，使混凝土更致密；二是生物炭能吸附并缓慢释放水分，起到内部养护作用；三是，热解生物炭与水泥基体结合紧密，界面致密，显著提升抗压强度与耐久性。

从实验室到可持续发展的现实意义

咖啡渣转化为生物炭并用于混凝土增强的研究，不仅是一项材料学的创新，更具重要的环境与社会意义。全球每年约有100亿千克咖啡渣被丢弃，其中大部分最终进入垃圾填埋场。在厌氧条件下分解时，咖啡渣会释放甲烷，这种气体的温室效应是二氧化碳的21倍。通过热解处理，这些废弃物不再排放温室气体，而是被转化为稳定的碳质固体，从而有效减少碳排放量。

与此同时，建筑行业正面临另一项资源危机，天然砂的过度开采。河床和河岸采砂造成水文破坏和生态退化，已成为全球普遍存在的环境问题。混凝土生产中，天然砂约占总体积的40%。如果能将部分天然砂替换为来源广泛的咖啡生物炭，不仅能缓解砂石资源的紧缺，也能降低开采对生态系统的压力。

根据研究团队的计算，仅澳大利亚每年产生的7.5万吨咖啡废渣，经350摄氏度热解后可得到约2.25万吨生物炭。若将其作为细骨料替代物掺入混凝土，可对应替换约75000立方米砂料。这一规模足以消化澳大利亚范围内全部咖啡渣产出，实现废弃物的完全资源化利用。

除环境效益外，该技术还具备明显的经济潜力。热解工艺能在低能耗条件下实现连续生产，生物炭的制备和混凝土掺合可形成新的产业链环节，涵盖废弃物收集、热解处理、材料加工与建筑应用等多个环节，带动就业增长。

总结

咖啡渣被视为生活中再普通不过的废弃物，但在科研视角下，它展现出意想不到的潜力。通过热解技术，研究人员让咖啡渣转化为一种稳定的碳质材料，并成功应用于混凝土增强。实验结果表明，在合适的温度和比例下，这种由咖啡渣制成的生物炭不仅能提高混凝土的强度，还能减少天然砂的使用，对环境和资源都有积极影响。

这项研究的意义在于，它为处理大量有机废弃物提供了新的思路，也为建筑行业的低碳转型提供了切实可行的材料方案。未来，研究团队还将进一步考察这种咖啡渣混凝土在长期使用条件下的性能，如抗冻融、抗化学腐蚀与耐磨损性。如果结果稳定，它有望在建筑、道路铺设和预制构件生产中推广使用。

来源: 科普中国新媒体