Strength reduction and strength-scaling relations of M40 concrete with untreated bamboo chips as partial coarse-aggregate replacement

تعد الخرسانة أكثر مواد البناء استخداماً على وجه الأرض، وهي خليط من الإسمنت والماء والرمل والحجر المسحوق الذي يتصلب ليصبح مادة صلبة تشبه الصخر. ويشكل الحجر المسحوق، المعروف باسم الركام الخشن، الجزء الأكبر من الحجم ويوفر معظم قوة المادة. وبما أن هذا الحجر يُستخرج من الأرض، فهو مورد محدود يتطلب طاقة كبيرة لاستخراجه ونقله. وفي أجزاء كثيرة من العالم، يمثل إيجاد بدائل ميسورة التكلفة لهذا الحجر تحدياً هندسياً كبيراً. وأحد هذه البدائل هو الخيزران (البامبو)، وهو عشب سريع النمو ووفير ورخيص في بلدان مثل بنغلاديش. وبينما استُخدم الخيزران لفترة طويلة كدعامة هيكلية أو كألياف تُضاف إلى الخرسانة لمنع التصدع، فإن استخدامه كبديل مباشر لكتل الحجارة الثقيلة ظل لغزاً. والسؤال المركزي هو ما إذا كانت الخرسانة ستظل قادرة على تحمل الوزن إذا تم استبدال جزء من هيكلها الحجري بمادة نباتية، وإذا كان الأمر كذلك، فما مقدار القوة التي ستُفقد في هذا الاستبدال.

قام باحث في جامعة تشيتاغونغ للهندسة والتكنولوجيا بوضع هدف للإجابة على ذلك عبر اختبار نوع محدد من الخرسانة المصممة للوصول إلى قوة مستهدفة تبلغ 40 ميجاباسكال، وهو معيار مستخدم في العديد من المباني الإنشائية. وقد أخذ رقائق خيزران معالجة طبيعياً ومجففة (موسومة)—وهي قطع من جدار النبات قُصت بأحجام مماثلة للحجر الذي استبدلته—وخلطها في الخرسانة بدلاً من الحجر المسحوق. ولم يعالج الباحث الخيزران بالمواد الكيميائية أو الطلاءات الخاصة؛ بل استخدم المادة كما هي موجودة في الطبيعة. أنشأ الباحث خمس دفعات مختلفة من الخرسانة؛ احتوت إحدى الدفعات على عدم وجود أي خيزران، لتكون بمثابة عينة ضابطة، بينما استبدلت الدفعات الأخرى 4%، و8%، و12%، و16% من حجم الحجر برقائق الخيزران. ثم صبوا هذه المخاليط في قوالب لإنشاء أسطوانات وعوارض، وعالجوها في الماء لمدة 28 يوماً، ثم أخضعوها لاختبارات صارمة لمعرفة مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها قبل الانكسار.

أظهرت النتائج أن الخيزران كان له تأثير متوقع وكبير على قدرة الخرسانة على تحمل الوزن. فكلما زادت كمية الخيزران، انخفضت قوة الضغط—وهي القوة المطلوبة لسحق المادة—بشكل مطرد. وصلت قوة الخليط الضابط الذي لا يحتوي على أي خيزران إلى 44.2 ميجاباسكال. وعند استبدال 4% من الحجر، انخفضت القوة إلى 35.8 ميجاباسكال. وعند استبدال 8%، انخفضت أكثر لتصل إلى 29.3 ميجاباسكال. وبحلول الوقت الذي وصل فيه الاستبدال إلى 16%، تدهورت القوة لتصل إلى 15.4 ميجاباسكال، أي بفقدان قدره 65% مقارنة بالخليط الأصلي. ووجد الباحث أنه مقابل كل واحد بالمائة من الخيزلان المضاف، تنخفض قوة الضغط بنحو 1.8 ميجاباسكال. وكان هذا الانخفاض متسقاً للغاية لدرجة أنه شكل خطاً مستقيماً عند رسمه بيانياً، مما يشير إلى وجود علاقة مباشرة وموثوقة بين كمية الخيزران وفقدان القوة.

ومع ذلك، كانت القصة مختلفة بالنسبة لأنواع القوة الأخرى التي تهم في أعمال البناء. فالخرسانة غالباً ما تتعرض لقوى الانحناء، مثل انحناء بلاطة الأرضية تحت الوزن، أو قوى الانقسام، حيث تتعرض المادة للشد من الجوانب. واختبر الباحث هذه الخصائص عن طريق ثني العوارض وتقسيم الأسطوانات. واكتشف أنه بينما قلل الخيزران من هذه القوى أيضاً، إلا أن الهبوط لم يكن حاداً مثلما حدث في قوة السحق. فعند أعلى مستوى استبدال (16%)، انخفضت القدرة على مقاومة الانحناء بنسبة 46%، وانخفضت القدرة على مقاومة الانقسام بنسبة 41%. وهذا يعني أنه بينما أصبحت المادة أضعف بكثير تحت الضغط المباشر، إلا أنها احتفظت بجزء أكبر من قدرتها على التعامل مع قوى الانحناء والشد. أما قابلية تشغيل الخليط، والتي تُقاس بمدى سهولة تدفقه عند الصب، فقد تغيرت قليلاً، حيث انخفضت بمقدار 3.5 ملم فقط حتى عند أعلى محتوى من الخيزران، مما يشير إلى أن الخيزران لم يجعل الخرسانة صعبة التعامل أثناء عملية البناء.

وكان جزء رئيسي من الدراسة هو التحقق مما إذا كانت القواعد المعيارية التي يستخدمها المهندسون لتقدير قوة الخرسانة لا تزال تنطبق عند وجود الخيزران. تستخدم أكواد البناء عادةً علاقة رياضية محددة لتخمين قوة الشد أو الانحناء بناءً على قوة الضغط. ووجد الباحث أن هذه العلاقة ظلت قائمة حتى مع وجود رقائق الخيزران. فالطريقة التي تغيرت بها قوى الانحناء والانقسام بالنسبة لقوة الضغط اتبعت نفس النمط الذي تتبعه الخرسانة العادية. وهذا اكتشاف حاسم لأنه يعني أن المهندسين ليسوا بحاجة إلى ابتكار صيغ جديدة للتصميم باستخدام هذه المادة؛ بل يمكنهم ببساطة التعامل مع خرسانة الخيزران كنسخة أضعف من الخرسانة العادية واستخدام هوامش الأمان الموجودة. علاوة على ذلك، كانت قوة الانحناء الفعلية لخلطات الخيزران أعلى قليلاً مما يتوقعه الكود القياسي، مما يشير إلى أن المادة آمنة للاستخدام ضمن تلك الحدود المعتمدة.

كما قارنت الدراسة هذه النتائج مع أبحاث سابقة استخدمت رقائق خيزران كانت إما جافة تماماً أو منقوعة في الماء. وجاء أداء الخيزران غير المعالج والمجفف المستخدم في هذه الدراسة في المنتصف تماماً بين هذين الطرفين المتناقضين. وهذا يشير إلى أن محتوى الرطوبة في الخيزران هو العامل الأهم الذي يتحكم في مقدار القوة المفقودة. فالخيزران الجاف يميل إلى امتصاص الماء من خليط الخرسانة، فينتفخ، ثم ينكمش أثناء جفافه، مما يخلق فجوات وشقوقاً صغيرة تضعف الترابط. والخيزران المستخدم هنا كان مجففاً (موسوماً)، مما يعني أنه فقد بالفعل بعض الرطوبة، وهو ما منع الانتفاخ الشديد الذي تسببه الرقائق الجافة، لكنه لم يوفر الاستقرار الكامل الذي توفره الرقائق المنقوعة في الماء.

إن الخلاصة العملية لهذا البحث هي أن استبدال جزء صغير من الحجر بالخيزران يعد خياراً قابلاً للتطبيق في أنواع معينة من البناء. فعند استبدال 4 إلى 8 بالمائة من الحجر، تحتفظ الخرسة بما بين 66 و81 بالمائة من قوتها الأصلية، مما ينتج عنه قوة نهائية تتراوح بين 29 و36 ميجاباسكال. وهذه القوة كافية للعناصر الإنشائية العادية مثل العوارض والأعمدة في المباني القياسية. ومع ذلك، بمجرد أن تجاوز مستوى الاستبدال 8 بالمائة، انخفضت القوة إلى ما دون عتبة الاستخدامات الإنشائية لمعظم التطبيقات، مما يحصر المادة في التطبيقات غير الإنشائية مثل جدران التقسيم أو الخرسانة الضعيفة للقواعد. وخلص الباحث إلى أنه بينما يوفر الخيزران طريقة مستدامة لتقليل الطلب على الحجر المستخرج من المحاجر، إلا أن الكمية المستخدمة يجب أن تخضع لرقابة دقيقة، وأن حالة رطوبة الرقائق هي العامل الأساسي الذي يمكن للبنائين التحكم فيه لضمان بقاء الخرسانة آمنة وقوية.