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

Les bâtiments sont conçus pour résister fermement au poids de leurs propres matériaux et des personnes qui les occupent, mais ils doivent également survivre aux contraintes répétées de la vie quotidienne. Le vent pousse contre un gratte-ciel, le trafic fait vibrer un pont, et les tremblements de terre secouent le sol sous une maison. Pour gérer ces forces, les ingénieurs s'appuient sur des matériaux capables de se plier sans se rompre et d'absorber l'énergie plutôt que de se briser. Depuis plus d'un siècle, l'acier est le choix standard pour renforcer le béton car il est à la fois solide et flexible. Cependant, l'acier nécessite des quantités immenses d'énergie pour être produit et laisse une empreinte carbone lourde. En réponse, les chercheurs ont porté leur attention sur le bambou, une plante à croissance rapide qui est naturellement résistante et renouvelable. Le défi a toujours été que le bambou se comporte différemment de l'acier ; il peut pourrir lorsqu'il est mouillé et ne se lie pas parfaitement au béton, ce qui entraîne souvent des défaillances soudaines lorsque la structure est poussée dans ses limites.

Une équipe de chercheurs en Inde s'est donné pour mission de résoudre ce problème en traitant le bambou avec un revêtement spécial pour qu'il se comporte davantage comme l'acier sous une contrainte répétée. Ils voulaient voir s'ils pouvaient créer un matériau de construction durable capable de résister aux secousses et aux flexions qui se produisent lors de séismes ou d'une utilisation intensive. Leur travail s'est concentré sur un type spécifique de dalle de béton, un panneau plat utilisé pour les planchers ou les toits, renforcé par des bandes de bambou. Au lieu d'utiliser du bambou brut, ils ont trempé les bandes dans une résine époxy, une substance collante et forte, et y ont mélangé de minuscules particules de roche de basalte et de verre. Ce mélange était conçu pour combler les interstices entre le bambou et le béton, créant ainsi une adhérence plus serrée et permettant aux deux matériaux de travailler ensemble plus efficacement. L'objectif était de tester si ce bambou traité pouvait survivre à plusieurs cycles de chargement et déchargement intensifs sans perdre sa force ou sa rigidité.

Les chercheurs ont coulé de petits panneaux de béton, mesurant chacun 600 par 450 par 50 millimètres, en utilisant un mélange standard de ciment et de sable. Ils ont créé plusieurs versions de ces panneaux pour comparer leurs performances. Certains panneaux ne contenaient aucun renfort, servant de base pour montrer comment le béton pur échoue. D'autres étaient renforcés avec de l'acier, la référence traditionnelle. Les panneaux restants utilisaient des bandes de bambou ayant reçu différents traitements : certaines étaient laissées brutes, d'autres étaient revêtues uniquement d'époxy, et d'autres encore étaient revêtues d'époxy mélangé à du sable, du verre, ou une combinaison de verre et de poudre de basalte de taille nanométrique. Une fois les panneaux durcis pendant un mois, ils ont été placés dans une machine qui exerçait une pression descendante sur deux points de force, puis relâchait la pression, et répétait ce processus encore et encore. Cela simulait le type de contrainte répétée qu'un bâtiment pourrait subir lors d'une tempête ou d'un événement sismique. La machine enregistrait la force que les panneaux pouvaient supporter, de combien ils se pliaient et quelle énergie ils absorbaient avant de finalement se briser.

Les résultats ont montré une différence claire entre les matériaux non traités et traités. Les panneaux de béton pur se sont fissurés et ont échoué rapidement, incapables de supporter plus de quelques cycles de pression. Les panneaux avec du bambou brut ont obtenu de meilleurs résultats, mais perdaient tout de même rapidement leur rigidité et échouaient après quelques cycles. Les panneaux renforcés avec de l'acier ont le mieux résisté, absorbant le plus d'énergie et maintenant leur forme le plus longtemps, ce qui a confirmé la fiabilité de la méthode traditionnelle. Cependant, les panneaux renforcés avec du bambou traité avec le mélange époxy et nano-basalte se sont approchés remarquablement des performances de l'acier. Ce panneau de bambou traité spécifique a supporté une charge maximale de 60,6 kilonewtons et a absorbé 76,8 kilonewton-millimètres d'énergie, des chiffres très proches des 62,6 kilonewtons et 83,3 kilonewton-millimètres obtenus par les panneaux d'acier. En revanche, le bambou non traité et les autres traitements moins avancés étaient nettement en dessous de ces chiffres.

Au-delà des chiffres, la manière dont les panneaux ont échoué racontait une histoire importante sur la sécurité. Lorsque les panneaux de bambou non traités ont échoué, ils l'ont fait de manière soudaine et catastrophique, se séparant brusquement sans avertissement. Les panneaux traités, en revanche, ont montré un déclin beaucoup plus progressif. À mesure que la charge augmentait, ils développaient des fissures qui se propageaient uniformément sur la surface plutôt que de se concentrer en un seul point faible. Ce comportement signifiait que la structure donnerait des signes visibles de détresse bien avant de s'effondrer, permettant aux gens de réagir à temps. Le bambou traité a également mieux conservé sa rigidité que le bambou brut, perdant seulement environ 25 % de sa rigidité après plusieurs cycles, alors que le bambou brut en perdait plus de la moitié. Cette capacité à rester rigide et à absorber l'énergie de manière répétée suggère que le revêtement a réussi à empêcher le bambou de glisser à l'intérieur du béton, une cause fréquente de défaillance dans les versions non traitées.

Pour s'assurer de l'exactitude de ces conclusions, les chercheurs ont également construit un modèle informatique des panneaux pour simuler les tests physiques. La simulation numérique correspondait étroitement aux résultats du monde réel, confirmant que les modèles mathématiques utilisés pour prédire comment le béton et le bambou interagissent fonctionnaient correctement. Cet alignement entre les expériences physiques et les simulations informatiques donne confiance dans la fiabilité des résultats, prouvant qu'ils ne sont pas simplement dus au hasard des échantillons testés. L'étude conclut qu'en utilisant un simple revêtement d'époxy mélangé à du nano-basalte et du verre, le bambou peut être transformé en une alternative viable à l'acier pour le renforcement du béton dans des structures faisant face à des secousses répétées ou modérées. Bien qu'il n'ait pas complètement remplacé l'acier dans chaque métrique, il a prouvé qu'un matériau biosourcé peut être conçu pour offrir un niveau de durabilité et de sécurité qui en fait un sérieux candidat pour la construction future, particulièrement dans les régions où l'acier est coûteux ou difficile à obtenir.