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

Le béton est le matériau de construction le plus largement utilisé sur Terre, un mélange de ciment, d'eau, de sable et de pierre concassée qui durcit pour devenir un solide semblable à de la roche. La pierre concassée, appelée agrégat grossier, constitue la plus grande partie du volume et assure l'essentiel de la résistance du matériau. Comme cette pierre est extraite du sol, il s'agit d'une ressource finie qui nécessite une énergie considérable pour l'extraction et le transport. Dans de nombreuses parties du monde, trouver des alternatives abordables à cette pierre est un défi technique majeur. L'une de ces alternatives est le bambou, une herbe à croissance rapide qui est abondante et peu coûteuse dans des pays comme le Bangladesh. Bien que le bambou ait longtemps été utilisé comme support structurel ou comme fibre ajoutée au béton pour prévenir les fissures, son utilisation comme remplacement direct des gros morceaux de pierre est restée un mystère. La question centrale est de savoir si le béton peut toujours supporter du poids si une partie de son squelette de pierre est remplacée par du matériel végétal, et si oui, de quelle force on perd lors de cet échange.

Un chercheur de l'Université de technologie de l'ingénierie de Chittagong s'est mis en demeure de répondre à cela en testant un type spécifique de béton conçu pour atteindre une résistance cible de 40 mégapascals, une norme utilisée pour de nombreux bâtiments structurels. Il a pris des copeaux de bambou non traités et séchés — des morceaux de la paroi de la plante coupés à des tailles similaires à celles de la pierre qu'ils remplacent — et les a mélangés au béton en remplacement de la pierre concassée. Il n'a pas traité le bambou avec des produits chimiques ou des revêtements spéciaux ; il a simplement utilisé le matériau tel qu'on le trouve dans la nature. Le chercheur a créé cinq lots différents de béton. Un lot ne contenait aucun bambou, servant de témoin, tandis que les autres remplaçaient 4, 8, 12 et 16 pour cent du volume de pierre par des copeaux de bambou. Ils ont ensuite versé ces mélanges dans des moules pour créer des cylindres et des poutres, les ont mûris dans l'eau pendant 28 jours, et les ont soumis à des tests rigoureux pour voir quelle force ils pouvaient supporter avant de se rompre.

Les résultats ont montré que le bambou avait un impact prévisible et significatif sur la capacité du béton à porter des charges. À mesure que la quantité de bambou augmentait, la résistance à la compression — la force nécessaire pour écraser le matériau — diminuait régulièrement. Le mélange témoin sans aucun bambou a atteint une résistance de 44,2 mégapascals. Lorsqu'on a remplacé 4 pour cent de la pierre, la résistance est tombée à 35,8 mégapascals. À un remplacement de 8 pour cent, elle a encore chuté à 29,3 mégapascals. Lorsque le remplacement a atteint 16 pour cent, la résistance a chuté de manière spectaculaire à 15,4 mégapascals, soit une perte de 65 pour cent par rapport au mélange original. Le chercheur a constaté que pour chaque pourcentage de bambou ajouté, la résistance à la compression diminuait de près de 1,8 mégapascal. Ce déclin était si constant qu'il formait une ligne droite lorsqu'il était tracé sur un graphique, suggérant une relation directe et fiable entre la quantité de bambou et la perte de résistance.

Cependant, l'histoire était différente pour les autres types de résistance qui comptent dans la construction. Le béton est souvent soumis à des forces de flexion, comme lorsqu'une dalle de plancher s'affaisse sous le poids, ou à des forces de fendage, où le matériau est écarté par les côtés. Le chercheur a testé ces propriétés en fléchissant des poutres et en fendant des cylindres. Il a découvert que, bien que le bambou réduise également ces résistances, la chute n'était pas aussi sévère que pour la résistance à l'écrasement. Au niveau de remplacement le plus élevé, soit 16 pour cent, la capacité à résister à la flexion a chuté de 46 pour cent, et la capacité à résister au fendage a chuté de 41 pour cent. Cela signifie que bien que le matériau soit devenu beaucoup plus faible sous une pression directe, il a conservé une plus grande partie de sa capacité à gérer les forces de flexion et de traction. L'ouvrabilité du mélange, mesurée par la facilité avec laquelle il s'écoule lors du versement, a très peu changé, chutant de seulement 3,5 millimètres même avec la teneur en bambou la plus élevée, indiquant que le bambou ne rend pas le béton difficile à manipuler pendant la construction.

Un aspect clé de l'étude consistait à vérifier si les règles standards utilisées par les ingénieurs pour estimer la résistance du béton s'appliquaient toujours en présence de bambou. Les codes de construction utilisent généralement une relation mathématique spécifique pour deviner la résistance à la traction ou à la flexion basée sur la résistance à l'écrasement. Le chercheщик a constaté que cette relation restait vraie même avec les copeaux de bambou. La façon dont les résistances à la flexion et au fendage changeaient par rapport à la résistance à l'écrasement suivait le même schéma que le béton ordinaire. C'est une découverte cruciale car cela signifie que les ingénieurs n'ont pas besoin d'inventer de nouvelles formules pour concevoir avec ce matériau ; ils peuvent simplement traiter le béton de bambou comme une version plus faible du béton régulier et utiliser les marges de sécurité existantes. De plus, la résistance réelle à la flexion des mélanges de bambou était légèrement supérieure à ce que le code standard prédit, suggérant que le matériau est sûr pour une utilisation dans ces limites établies.

L'étude a également comparé ces résultats avec des recherches antérieures utilisant des copeaux de bambou soit complètement secs, soit imprégnés d'eau. La performance du bambou non traité et séché utilisé dans cette étude se situait pile entre ces deux extrêmes. Cela suggère que la teneur en humidité du bambou est le facteur le plus important contrôlant la perte de résistance. Le bambou sec a tendance à absorber l'eau du mélange de béton, à gonfler, puis à rétrécir en séchant, créant de minuscules espaces et fissures qui affaiblissent la liaison. Le bambou utilisé ici était séché, ce qui signifie qu'il avait déjà perdu une partie de son humidité, ce qui a probablement empêché le gonflement extrême observé avec les copeaux secs, mais n'offrait pas la pleine stabilité des copeaux saturés d'eau.

La conclusion pratique de cette recherche est que remplacer une petite partie de la pierre par du bambou est une option viable pour certains types de construction. Lorsqu'on remplace 4 à 8 pour cent de la pierre, le béton conserve entre 66 et 81 pour cent de sa résistance d'origine, ce qui donne une résistance finale comprise entre 29 et 36 mégapascals. Cela est suffisant pour des éléments structurels ordinaires comme des poutres et des colonnes dans des bâtiments standards. Cependant, une fois que le niveau de remplacement dépasse 8 pour cent, la résistance tombe en dessous du seuil pour la plupart des usages structurels, limitant le matériau à des applications non structurelles comme les cloisons ou le béton maigre pour les fondations. Le chercheur a conclu que, bien que le bambou offre un moyen durable de réduire la demande en pierre de carrière, la quantité utilisée doit être soigneusement contrôlée, et l'état d'humidité des copeaux est le principal facteur que les constructeurs peuvent gérer pour garantir que le béton reste sûr et solide.