Experimental Investigation on the Cyclic Behaviour of Nano Basalt Enhanced Epoxy Filler Modified Bamboo Reinforced Concrete Slabs

Gebäude werden so konstruiert, dass sie dem Gewicht ihrer eigenen Materialien und der Menschen in ihnen standhalten, aber sie müssen auch den wiederholten Belastungen des täglichen Lebens überleben. Wind drückt gegen einen Wolkenkratzer, Verkehr lässt eine Brücke vibrieren, und Erdbeben erschüttern den Boden unter einem Haus. Um diese Kräfte zu bewältigen, verlassen sich Ingenieure auf Materialien, die sich biegen können, ohne zu brechen, und Energie absorbieren, anstatt zu zersplittern. Seit über einem Jahrhundert ist Stahl die Standardwahl zur Verstärkung von Beton, da er sowohl stark als auch flexibel ist. Stahl erfordert jedoch enorme Mengen an Energie für die Herstellung und hinterlässt einen schweren CO2-Fußabdruck. Als Reaktion darauf haben Forscher ihre Aufmerksamkeit auf Bambus gelenkt, eine schnell wachsende Pflanze, die von Natur aus stark und erneuerbar ist. Die Herausforderung bestand bisher darin, dass sich Bambus anders als Stahl verhält; er kann bei Nässe verfaulen und verbindet sich nicht perfekt mit Beton, was oft zu plötzlichen Ausfällen führt, wenn die Struktur an ihre Grenzen gebracht wird.

Ein Forschungsteam in Indien setzte sich zum Ziel, dieses Problem zu lösen, indem es Bambus mit einer speziellen Beschichtung behandelte, damit er sich unter wiederholter Belastung eher wie Stahl verhält. Sie wollten sehen, ob sie ein nachhaltiges Baumaterial schaffen könnten, das jenen Erschütterungen und Biegungen standhält, die bei Erdbeben oder intensiver Nutzung auftreten. Ihre Arbeit konzentrierte sich auf eine spezifische Betonplatte, ein flaches Paneel für Böden oder Dächer, das mit Bambusstreifen verstärkt war. Anstatt Rohbambus zu verwenden, tauchten sie die Streifen in ein Epoxidharz, eine starke, kleberähnliche Substanz, und mischten winzige Partikel aus Basaltgestein und Glas unter. Diese Mischung sollte die Lücken zwischen dem Bambus und dem Beton füllen, um einen festeren Griff zu erzeugen und die beiden Materialien effektiver zusammenarbeiten zu lassen. Das Ziel war zu testen, ob dieser behandelte Bambus mehrere Zyklen schwerer Belastung und Entlastung überstehen konnte, ohne seine Festigkeit oder Steifigkeit zu verlieren.

Die Forscher gossen kleine Betonpaneele, die jeweils 600 mal 450 mal 50 Millimeter groß waren, unter Verwendung einer Standardmischung aus Zement und Sand. Sie fertigten mehrere Versionen dieser Paneele an, um die Leistung zu vergleichen. Einige Paneele enthielten überhaupt keine Verstärkung und dienten als Basislinie, um zu zeigen, wie reiner Beton versagt. Andere wurden mit Stahl verstärkt, dem traditionellen Maßstab. Die verbleibenden Paneele verwendeten Bambusstreifen, die unterschiedliche Behandlungen erhalten hatten: Einige wurden roh belassen, einige wurden nur mit Epoxid beschichtet und andere mit Epoxid, das mit Sand, Glas oder einer Kombination aus Glas und nano-großem Basaltpulver gemischt war. Nachdem die Paneele einen Monat lang ausgehärtet waren, wurden sie in eine Prüfmaschine gestellt, die mit zwei Kraftpunkten auf sie herabsank, sie dann wieder losließ, und diesen Prozess immer und immer wieder wiederholte. Dies simulierte die Art von wiederholter Belastung, der ein Gebäude während eines Sturms oder eines seismischen Ereignisses ausgesetzt sein könnte. Die Maschine zeichnete auf, wie viel Kraft die Paneele aufnehmen konnten, wie stark sie sich bogen und wie viel Energie sie absorbierten, bevor sie schließlich brachen.

Die Ergebnisse zeigten einen klaren Unterschied zwischen den unbehandelten und den behandelten Materialien. Die reinen Betonpaneele bekamen Risse und versagten schnell, da sie nicht mehr als ein paar Zyklen des Drucks standhalten konnten. Die Paneele mit Rohbambus schnitten etwas besser ab, verloren aber dennoch schnell an Steifigkeit und versagten nach wenigen Zyklen. Die stahlverstärkten Paneele hielten am besten stand, absorbierten die meiste Energie und behielten ihre Form am längsten bei, was die Zuverlässigkeit der traditionellen Methode bestätigte. Die Paneele, die jedoch mit dem mit Epoxid und Nano-Basalt-Mischung behandelten Bambus verstärkt waren, kamen der Leistung von Stahl bemerkenswert nahe. Dieses spezifisch behandelte Bambuspaneel hielt einer maximalen Last von 60,6 Kilonewton stand und absorbierte 76,8 Kilonewton-Millimeter an Energie – Werte, die sehr nah an den 62,6 Kilonewton und 83,3 Kilonewton-Millimetern lagen, die von den Stahlpaneelen erreicht wurden. Im Gegensatz dazu blieben der unbehandelte Bambus und andere weniger fortschrittliche Behandlungen deutlich hinter diesen Zahlen zurück.

Über die Zahlen hinaus erzählte die Art und Weise, wie die Paneele versagten, eine wichtige Geschichte über die Sicherheit. Wenn die Paneele mit unbehandeltem Bambus versagten, geschah dies plötzlich und katastrophal, indem sie ohne Vorwarnung auseinanderbrachen. Die behandelten Paneele hingegen zeigten einen viel graduelleren Abstieg. Mit zunehmender Last bildeten sich Risse, die sich gleichmäßig über die Oberfläche ausbreiteten, anstatt sich in einem einzigen Schwachpunkt zu konzentrieren. Dieses Verhalten bedeutete, dass die Struktur sichtbare Anzeichen von Stress zeigen würde, lange bevor sie einstürzte, was den Menschen Zeit zur Reaktion gab. Der behandelte Bambus behielt auch seine Steifigkeit viel besser als der Rohbambus; er verlor nach mehreren Zyklen nur etwa 25 Prozent seiner Steifigkeit, während der Rohbambus mehr als die Hälfte verlor. Diese Fähigkeit, steif zu bleiben und Energie wiederholt zu absorbieren, deutet darauf hin, dass die Beschichtung erfolgreich verhinderte, dass der Bambus im Inneren des Betons verrutscht – eine häufige Ursache für das Versagen unbehandelter Versionen.

Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse korrekt waren, erstellten die Forscher auch ein Computermodell der Paneele, um die physischen Tests zu simulieren. Die digitale Simulation stimmte eng mit den realen Ergebnissen überein und bestätigte, dass die mathematischen Modelle, die vorhersagen, wie Beton und Bambus interagieren, korrekt arbeiteten. Diese Übereinstimmung zwischen den physischen Experimenten und den Computersimulationen gibt Vertrauen in die Zuverlässigkeit der Ergebnisse und zeigt, dass sie kein Zufall der spezifisch getesteten Proben sind. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Bambus durch eine einfache Beschichtung aus Epoxid gemischt mit Nano-Basalt und Glas in einen lebensfähigen Ersatz für Stahl zur Verstärkung von Beton in Strukturen transformiert werden kann, die wiederholten oder moderaten Erschütterungen ausgesetzt sind. Obwohl er in nicht jedem Metrik den Stahl vollständig ersetzte, bewies er, dass ein nachhaltiges, pflanzliches Material so manipuliert werden kann, dass es eine mit einer Ebene an Haltbarkeit und Sicherheit arbeitet, die ihn zu einem ernsthaften Konkurrenten für die zukünftige Bauweise macht, insbesondere in Regionen, in denen Stahl teuer oder schwer zu beschaffen ist.