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

El hormigón es el material de construcción más utilizado en la Tierra, una mezcla de cemento, agua, arena y piedra triturada que se endurece hasta convertirse en un sólido similar a una roca. La piedra triturada, conocida como agregado grueso, constituye la mayor parte del volumen y proporciona la mayor parte de la resistencia del material. Debido a que esta piedra se extrae de la tierra, es un recurso finito que requiere una energía significativa para su extracción y transporte. En muchas partes del mundo, encontrar alternativas asequibles para esta piedra es un importante desafío de ingeniería. Una de estas alternativas es el bambú, una hierba de rápido crecimiento que es abundante y barata en países como Bangladesh. Si bien el bambú se ha utilizado durante mucho tiempo como soporte estructural o como fibra añadida al hormigón para evitar grietas, utilizarlo como un reemplazo directo de los pesados trozos de piedra ha seguido siendo un misterio. La pregunta central es si el hormigón aún puede soportar peso si una parte de su esqueleto de piedra se cambia por material vegetal y, si es así, cuánta resistencia se pierde en el intercambio.

Un investigador de la Universidad de Ingeniería y Tecnología de Chittagong se propuso responder a esto probando un tipo específico de hormigón diseñado para alcanzar una resistencia objetivo de 40 megapascales, un estándar utilizado para muchos edificios estructurales. Tomaron astillas de bambú curadas y no tratadas —trozos de la pared de la planta cortados en tamaños similares a la piedra que estaban reemplazando— y las mezclaron en el hormigón en lugar de la piedra triturada. No trataron el bambú con productos químicos ni recubrimientos especiales; simplemente utilizaron el material tal como se encuentra en la naturaleza. El investigador creó cinco lotes diferentes de hormigón. Un lote no contenía nada de bambú, sirviendo como control, mientras que los otros reemplazaron el 4, 8, 12 y 16 por ciento del volumen de piedra con astillas de bambú. Luego vertieron estas mezclas en moldes para crear cilindros y vigas, las curaron en agua durante 28 días y las sometieron a rigurosas pruebas para ver cuánta fuerza podían soportar antes de romperse.

Los resultados mostraron que el bambú tenía un impacto predecible y significativo en la capacidad del hormigón para soportar peso. A medida que aumentaba la cantidad de bambú, la resistencia a la compresión —la fuerza necesaria para aplastar el material— disminuía de forma constante. La mezcla de control sin nada de bambú alcanzó una resistencia de 44,2 megapascales. Cuando se reemplazó el 4 por ciento de la piedra, la resistencia cayó a 35,8 megapascales. Con un reemplazo del 8 por ciento, cayó aún más a 29,3 megapascales. Para cuando el reemplazo llegó al 16 por ciento, la resistencia se había desplomado a 15,4 megapascales, una pérdida del 65 por ciento en comparación con la mezcla original. El investigador encontró que por cada uno por ciento de bambú añadido, la resistencia a la compresión disminuía casi 1,8 megapascales. Este declive fue tan constante que formó una línea recta al ser trazado en un gráfico, lo que sugiere una relación directa y fiable entre la cantidad de bambú y la pérdida de resistencia.

Sin embargo, la historia fue diferente para los otros tipos de resistencia que importan en la construcción. El hormigón suele estar sometido a fuerzas de flexión, como cuando una losa de suelo se flecta bajo el peso, o a fuerzas de hendidura, donde el material es separado desde los lados. El investigador probó estas propiedades flexionando vigas y hendiendo cilindros. Descubrieron que, si bien el bambú también reducía estas resistencias, la caída no fue tan severa como la de la resistencia a la compresión. En el nivel de reemplazo más alto del 16 por ciento, la capacidad de resistir la flexión cayó un 46 por ciento y la capacidad de resistir la hendidura cayó un 41 por ciento. Esto significa que, aunque el material se volvió mucho más débil bajo la presión directa, conservó una mayor parte de su capacidad para manejar fuerzas de flexión y tracción. La trabajabilidad de la mezcla, medida por la facilidad con la que fluía al ser vertida, cambió muy poco, disminuyendo solo 3,5 milímetros incluso con el mayor contenido de bambú, lo que indica que el bambú no hizo que el hormigón fuera difícil de manipular durante la construcción.

Una parte clave del estudio fue comprobar si las reglas estándar que los ingenieros utilizan para estimar la resistencia del hormigón seguían aplicándose cuando el bambú estaba presente. Los códigos de edificación suelen utilizar una relación matemática específica para adivinar la resistencia a la tracción o a la flexión basada en la resistencia a la compresión. El investigador encontró que esta relación se mantenía incluso con las astillas de bambú. La forma en que las resistencias a la flexión y a la hendidura cambiaban en relación con la resistencia a la compresión seguía el mismo patrón que el hormigón ordinario. Este es un hallazgo crucial porque significa que los ingenieros no necesitan inventar nuevas fórmulas para diseñar con este material; simplemente pueden tratar el hormigón con bambú como una versión más débil del hormigón regular y utilizar los márgenes de seguridad existentes. Además, la resistencia a la flexión real de las mezclas de bambú fue ligeramente superior a lo que predice el código estándar, lo que sugiere que el material es seguro para su uso dentro de esos límites establecidos.

El estudio también comparó estos resultados con investigaciones previas que utilizaban astillas de bambú que estaban completamente secas o empapadas en agua. El rendimiento del bambú curado y no tratado utilizado en este estudio se situó justo en medio de esos dos extremos. Esto sugiere que el contenido de humedad del bambú es el factor más importante que controla cuánta resistencia se pierde. El bambú seco tiende a absorber agua de la mezcla de hormigón, se hincha y luego se encoge al secarse, creando diminutos huecos y grietas que debilitan la unión. El bambú utilizado aquí era curado, lo que significa que ya había perdido algo de humedad, lo que probablemente evitó la hinchazón extrema vista en las astillas secas, pero no ofreció la estabilidad total de las astillas empapadas en agua.

La conclusión práctica de esta investigación es que reemplazar una pequeña parte de la piedra con bambú es una opción viable para ciertos tipos de construcción. Cuando se reemplazó del 4 al 8 por ciento de la piedra, el hormigón conservó entre el 66 y el 81 por ciento de su resistencia original, resultando en una resistencia final de entre 29 y 36 megapascales. Esto es lo suficientemente fuerte para elementos estructurales ordinarios como vigas y columnas en edificios estándar. Sin embargo, una vez que el nivel de reemplazo superó el 8 por ciento, la resistencia cayó por debajo del umbral para la mayoría de los usos estructurales, limitando el material a aplicaciones no estructurales como paredes divisorias o hormigón magro para cimientos. El investigador concluyó que, si bien el bambú ofrece una forma sostenible de reducir la demanda de piedra de cantera, la cantidad utilizada debe controlarse cuidadosamente, y la condición de humedad de las astillas es el factor principal que los constructores pueden gestionar para asegurar que el hormigón permanezca seguro y fuerte.