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

Beton ist der am weitesten verbreitete Baustoff der Erde, eine Mischung aus Zement, Wasser, Sand und gebrochenem Stein, die zu einem steinähnlichen Feststoff aushärtet. Der gebrochene Stein, auch als grober Zuschlagstoff bekannt, macht den größten Teil des Volumens aus und liefert den Großteil der Festigkeit des Materials. Da dieser Stein aus dem Boden gebrochen wird, handelt es es sich um eine endliche Ressource, deren Gewinnung und Transport einen erheblichen Energieaufwand erfordern. In vielen Teilen der Welt stellt das Finden erschwinglicher Alternativen zu diesem Stein eine große ingenieurtechnische Herausforderung dar. Eine solche Alternative ist Bambus, ein schnell wachsendes Gras, das in Ländern wie Bangladesch reichlich vorhanden und günstig ist. Während Bambus schon lange als strukturelle Stütze oder als Faser, die dem Beton zur Vermeidung von Rissen beigefügt wird, verwendet wird, blieb die Verwendung als direkter Ersatz für die schweren Steinstücke ein Mysterium. Die zentrale Frage ist, ob der Beton noch Gewicht tragen kann, wenn ein Teil seines Steingerüsts gegen Pflanzenmaterial ausgetauscht wird, und wenn ja, wie viel Festigkeit im Austausch verloren geht.

Ein Forscher an der Chittagong University of Engineering & Technology setzte sich zum Ziel, dies zu beantworten, indem er einen spezifischen Betontyp testete, der darauf ausgelegt war, eine Zielfestigkeit von 40 Megapascal zu erreichen, ein Standard, der für viele Tragwerksbauten verwendet wird. Er nahm unbehandelte, gelagerte Bambuschips – Stücke der Pflanzenwand, die in Größen geschnitten waren, die denen des ersetzten Steins ähnelten – und mischte sie in den Beton anstelle des gebrochenen Steins. Er behandelte den Bambus weder mit Chemikalien noch mit speziellen Beschichtungen; er verwendete das Material einfach so, wie es in der Natur vorkommt. Der Forscher erstellte fünf verschiedene Betonchargen. Eine Charge enthielt gar keinen Bambus und diente als Kontrolle, während die anderen 4, 8, 12 und 16 Prozent des Steinvolumens durch Bambuschips ersetzten. Er goss diese Mischungen dann in Formen, um Zylinder und Balken zu erstellen, härtete sie 28 Tage lang in Wasser aus und unterzog sie strengen Tests, um zu sehen, welcher Kraft sie standhalten konnten, bevor sie brachen.

Die Ergebnisse zeigten, dass der Bambus einen vorhersehbaren und signifikanten Einfluss auf die Tragfähigkeit des Betons hatte. Mit zunehmender Menge an Bambus sank die Druckfestigkeit – die Kraft, die erforderlich ist, um das Material zu zerquetschen – stetig. Die Kontrollmischung ohne jeglichen Bambus erreichte eine Festigkeit von 44,2 Megapascal. Als 4 Prozent des Steins ersetzt wurden, fiel die Festigkeit auf 35,8 Megapascal. Bei einem Ersatz von 8 Prozent sank sie weiter auf 29,3 Megapascal. Als der Ersatz 16 Prozent erreichte, stürzte die Festigkeit auf 15,4 Megapascal ab, was einem Verlust von 65 Prozent gegenüber der ursprünglichen Mischung entspricht. Der Forscher fand heraus, dass die Druckfestigkeit pro jedem einzelnen Prozent an hinzugefügtem Bambus um fast 1,8 Megapascal abnahm. Dieser Rückgang war so konsistent, dass er in einem Diagramm eine gerade Linie bildete, was auf eine direkte und zuverlässige Beziehung zwischen der Menge an Bambus und dem Festigkeitsverlust hindeutet.

Die Geschichte war jedoch anders für die anderen Arten von Festigkeit, die im Bauwesen wichtig sind. Beton ist oft Biegekräften ausgesetzt, etwa wenn eine Bodenplatte unter Gewicht durchhängt, oder Spaltzugkräften, bei denen das Material von den Seiten her auseinandergezogen wird. Der Forscher testete diese Eigenschaften, indem er Balken bog und Zylinder spaltete. Er stellte fest, dass der Bambus diese Festigkeiten zwar ebenfalls reduzierte, der Abfall jedoch nicht so schwerwiegend war wie bei der Druckfestigkeit. Bei der höchsten Ersatzstufe von 16 Prozent sank die Widerstandsfähigkeit gegen Biegung um 46 Prozent und die Widerstandsfähigkeit gegen Spalten um 41 Prozent. Das bedeutet, dass das Material zwar unter direktem Druck viel schwächer wurde, aber einen größeren Teil seiner Fähigkeit zur Aufnahme von Biege- und Zugkräften behielt. Die Verarbeitbarkeit der Mischung, gemessen daran, wie leicht sie beim Gießen floss, änderte sich kaum und sank selbst beim höchsten Bambusgehalt nur um 3,5 Millimeter, was darauf hindeutet, dass der Bambus den Beton nicht schwierig handhabbar bei der Konstruktion machte.

Ein wesentlicher Teil der Studie war die Überprüfung, ob die Standardregeln, die Ingenieure zur Abschätzung der Betonfestigkeit verwenden, auch bei Vorhandensein von Bambus noch gelten. Bauvorschriften verwenden typischerweise eine spezifische mathematische Beziehung, um die Zug- oder Biegefestigkeit basierend auf der Druckfestigkeit zu schätzen. Der Forscher fand heraus, dass diese Beziehung auch mit den Bambuschips Bestand hatte. Die Art und Weise, wie sich die Biege- und Spaltfestigkeiten im Verhältnis zur Druckfestigkeit veränderten, folgte demselben Muster wie bei normalem Beton. Dies ist eine entscheidende Erkenntnis, denn sie bedeutet, dass Ingenieure keine neuen Formeln entwickeln müssen, um mit diesem Material zu konstruieren; sie können den Bambus-Beton einfach als eine schwächere Version von regulärem Beton behandeln und die bestehenden Sicherheitsmargen nutzen. Darüber hinaus war die tatsächliche Biegefestigkeit der Bambus-Mischungen etwas höher, als der Standard-Kodex vorhersagt, was darauf hindeutet, dass das Material innerhalb dieser etablierten Grenzen sicher verwendbar ist.

Die Studie verglich diese Ergebnisse auch mit früheren Forschungsarbeiten, die Bambuschips verwendeten, die entweder vollständig trocken oder in Wasser getränkt waren. Die Leistung des in dieser Studie verwendeten unbehandelten, gelagerten Bambus lag genau in der Mitte zwischen diesen beiden Extremen. Dies deutet darauf hin, dass der Feuchtigkeitsgehalt des Bambus der wichtigste Faktor ist, der kontrolliert, wie viel Festigkeit verloren geht. Trockener Bambus neigt dazu, Wasser aus der Betonmischung aufzusaugen, aufzuquellen und dann beim Trocknen wieder zu schrumpfen, was winzige Lücken und Risse erzeugt, die die Bindung schwächen. Der hier verwendete Bambus war gelagert, was bedeutete, dass er bereits etwas Feuchtigkeit verloren hatte, was wahrscheinlich das extreme Quellen gesehen bei trockenen Chips verhinderte, aber nicht die volle Stabilität von wassergetränkten Chips bot.

Die praktische Schlussfolgerung aus dieser Forschung ist, dass der Ersatz eines kleinen Teils des Steins durch Bambus eine praktikable Option für bestimmte Arten von Bauarbeiten ist. Wenn 4 bis 8 Prozent des Steins ersetzt wurden, behielt der Beton zwischen 66 und 81 Prozent seiner ursprünglichen Festigkeit bei, was zu einer Endfestigkeit zwischen 29 und 36 Megapascal führte. Dies ist stark genug für gewöhnliche Bauelemente wie Balken und Säulen in Standardgebäuden. Soblich der Ersatzwert jedoch über 8 Prozent stieg, sank die Festigkeit unter die Schwelle für die meisten strukturellen Anwendungen, was das Material auf nicht-strukturelle Anwendungen wie Trennwände oder LeBeton für Fundamente beschränkt. Der Forscher kam zu dem Schluss, dass, obwohl Bambus einen nachhaltigen Weg bietet, den Bedarf an gebrochenem Stein zu senken, die Menge verwendet werden muss, die sorgfältig kontrolliert werden muss, und dass der Feuchtigkeitszustand der Chips der primäre Faktor ist, den Bauherren steuern können, um sicherzustellen, dass der Beton sicher und stabil bleibt.