Study on plasticity and compressibility behaviour of jute and coir reinforced soft soil

Unter den Fundamenten vieler Gebäude, Straßen und Brücken liegt eine Erdschicht, die sich eher wie ein dicker, nasser Schwamm als wie fester Boden verhält. Dies ist weicher Boden, ein Material, das berüchtigt dafür ist, unter Gewicht zu quetschen und sich bei Nässe auszudehnen. Wenn Bauwerke auf solchem Boden errichtet werden, kann sich der Boden ungleichmäßig komprimieren, was zu Rissen in Wänden, dem Kippen von Türmen oder sogar zum totalen Einsturz führen kann. Ingenieure suchen schon lange nach Wegen, diese instabile Erde stärker und weniger anfällig für Formveränderungen zu machen. Ein traditioneller Ansatz besteht darin, Chemikalien wie Kalk oder Zement beizumischen, aber diese Materialien erfordern oft eine erhebliche Energie bei der Herstellung und können die natürliche Chemie des Bodens verändern. In den letzten Jahren hat sich die Forschung einem nachhaltigeren Alternativansatz zugewandt: der Verwendung von Naturfasern. Dabei handelt es sich um dünne, fadenähnliche Stränge, die aus Pflanzen geerntet werden und in den Boden gemischt werden können, um wie ein verborgenes Skelett zu wirken, das die losen Partikel zusammenhält und den Kräften widersteht, die zum Versagen des Bodens führen.

Ein Forschungsteam in Indien untersuchte kürzlich, wie zwei spezifische Arten von Naturfasern, Jute und Kokosfaser (Coir), das Verhalten von weichem Boden transformieren könnten. Jute stammt aus dem Stängel einer blühenden Pflanze und ist für ihre Festigkeit bekannt, während Kokosfaser eine grobe Faser ist, die aus der Schale einer Kokosnuss extrahiert wird. Die Wissenschaftler wollten sehen, ob das Mischen dieser Fasern in den Boden dessen Tendenz verringern würde, zu viel Wasser aufzunehmen, beim Trocknen zu schrumpfen oder unter Druck zu quetschen. Sie nahmen Proben von weichem Ton aus Chennai, einer Region, die für ihre herausfordernden Bodenbedingungen bekannt ist, und mischten kleine, ein Zentimeter lange Längen dieser Fasern in unterschiedlichen Mengen unter, die von einer winzigen Spur bis zu 2,5 Prozent des Gesamtgewichts des Bodens reichten. Durch das Testen dieser Mischungen in einem Labor wollten sie das perfekte Gleichgewicht finden, bei dem der Boden stark genug wird, um schwere Strukturen zu tragen, ohne seinen natürlichen, umweltfreundlichen Charakter zu verlieren.

Die Ergebnisse zeigten, dass das Hinzufügen dieser Fasern das Verhalten des Bodens grundlegend veränderte und ihn stabiler und leichter bearbeitbar machte. Als die Forscher die „Plastizität“ des Bodens maßen – eine Art zu beschreiben, wie viel Wasser er aufnehmen kann, bevor er zu einem flüssigen Schlamm wird – stellten sie fest, dass die Fasern wie ein Schwamm wirkten, der überschüssige Feuchtigkeit aufsaugt. Der Boden, der ursprünglich eine große Menge Wasser benötigte, um plastisch zu werden, benötigte nach Zugabe der Fasern signifikant weniger Wasser. Dies galt besonders für die Kokosfasern, die die Flüssigkeitsgrenze des Bodens von 82 Prozent auf 74,31 Prozent senkten. Auch die Jutefasern halfen mit, indem sie die Grenze auf 76,98 Prozent senkten. Noch wichtiger war, dass die Fasern die „Schrumpfungsgrenze“ des Bodens erhöhten, also den Punkt, an dem der Boden aufhört zu schrumpfen, während er austrocknet. Der unverstärkte Boden begann bei einer Feuchtigkeit von nur 11,28 Prozent zu schrumpfen, aber mit der Zugabe von Kokos- und Jutefasern stieg dieser Schwellenwert auf 15,18 Prozent bzw. 16,52 Prozent an. Das bedeutet, dass der verstärkte Boden viel weiter austrocknen kann, ohne zu reißen oder sich von den Fundamenten eines Gebäudes abzuheben.

Abgesehen davon, wie die Fasern die Wasseraufnahme des Bodens veränderten, machten sie den Boden auch signifikant stärker. Die Forscher testeten die Fähigkeit des Bodens, dem Quetschen durch das Ausüben eines schweren Drucks zu widerstehen. Der ursprüngliche, unverstärkte Boden konnte nur einem Druck von 54,47 Kilopascal standhalten, bevor er versagte. Als jedoch 2 Prozent Kokosfasern beigemischt wurden, sprang die Festigkeit des Bodens auf 97,34 Kilopascal, was einer Verbesserung von fast 79 Prozent entspricht. Auch die Jutefasern brachten eine Steigerung, wobei sie bei einer Mischung von 2,5 Prozent eine Festigkeit von 81,82 Kilopascal erreichten. Diese Zunahme der Festigkeit bedeutet, dass ein Gebäude auf diesem verstärkten Boden weitaher weniger wahrscheinlich einsinken oder kippen wird. Die Fasern halfen auch dabei, dass sich der Boden dichter verdichtet. Die maximale Dichte, die der Boden erreichen konnte, stieg von 13,71 Kilonewton pro Kubikmeter auf 15,62 mit Kokosfasern, was darauf hindeutet, dass die Fasern den Bodenpartikeln halfen, sich in einer dichteren, kompakteren Anordnung niederzulassen.

Um genau zu verstehen, wie diese winzigen Fäden ihre Arbeit verrichteten, betrachteten die Wissenschaftler den Boden unter leistungsstarken Mikroskopen und analysierten seine mineralische Zusammensetzung. Sie entdeckten, dass die Fasern nicht chemisch mit dem Boden reagierten, um neue Substanzen zu erzeugen, sondern durch einfache physikalische Mechanik wirkten. Die mikroskopischen Bilder zeigten, dass die Fasern sich durch den Boden webten, die Lücken zwischen den einzelnen Tonpartikeln überbrückten und sie miteinander verzahnten. Dies schuf ein dreidimensionales Netzwerk, das verhinderte, dass der Boden unter Druck kollabierte oder auseinanderwich. Die Fasern fungierten im Wesentlichen als Verstärkungsgitter, das die losen Partikel an ihrem Platz hielt und die leeren Räume, oder Hohlräume, innerhalb der Bodenstruktur reduzierte. Dieses physikalische Ineinandergreifen war der Hauptgrund für die verbesserte Festigkeit und die verringerte Kompressibilität.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass beide Fasern zwar effektiv waren, aber leicht unterschiedliche Vorteile boten. Kokosfasern erwiesen sich als die überlegene Wahl zur Erhöhung der Gesamtfestigkeit und Dichte des Bodens, was sie zum besten Kandidaten für die Unterstützung schwerer Lasten macht. Jute hingegen zeigte eine besonders starke Fähigkeit, dem Schrumpfen zu widerstehen, was sie äußerst wertvoll für die Vermeidung von Rissen unter trockenen Bedingungen macht. Die Forscher fanden heraus, dass das Hinzufügen zu viel Faser, speziell über 2 Prozent bei Kokosfasern, nicht immer zu weiteren Verbesserungen führte, was darauf hindeutet, dass es eine optimale Menge für die besten Ergebnisse gibt. Letztlich zeigt diese Forschung, dass Naturfasern als nachhaltige, kostengünstige Lösung zur Stabilisierung von weichen, problematischen Böden dienen können. Durch die Verwendung von Materialien, die erneuerbar und biologisch abbaubar sind, können Ingenieure die Sicherheit und Langlebigkeit von Bauwerken verbessern, ohne auf energieintensive Chemikalien zurückgreifen zu müssen, was einen praktischen Weg für den Bau in Gebieten mit schwierigen Bodenverhältnissen bietet.