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

कंक्रीट पृथ्वी पर सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली निर्माण सामग्री है, जो सीमेंट, पानी, रेत और कुचले हुए पत्थर का एक मिश्रण है जो एक चट्टान जैसे ठोस रूप में कठोर हो जाता है। कुचले हुए पत्थर को, जिसे 'कोर्स एग्रीगेट' (coarse aggregate) कहा जाता है, इसके आयतन का सबसे बड़ा हिस्सा प्राप्त होता है और यह सामग्री की अधिकांश मजबूती प्रदान करता है। चूंकि यह पत्थर जमीन से निकाला जाता है, इसलिए यह एक सीमित संसाधन है जिसे निकालने और परिवहन करने के लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा की आवश्यकता होती है। दुनिया के कई हिस्सों में, इस पत्थर के किफायती विकल्पों को खोजना एक बड़ी इंजीनियरिंग चुनौती है। ऐसा ही एक विकल्प बांस है, जो एक तेजी से बढ़ने वाली घास है और बांग्लादेश जैसे देशों में प्रचुर मात्रा में और सस्ता उपलब्ध है। हालांकि बांस का उपयोग लंबे समय से संरचनात्मक सहारे या कंक्रीट में दरारें रोकने के लिए फाइबर के रूप में किया जाता रहा है, लेकिन भारी पत्थर के टुकड़ों के सीधे प्रतिस्थापन के रूप में इसका उपयोग करना एक रहस्य बना हुआ था। केंद्रीय प्रश्न यह था कि क्या कंक्रीट अभी भी भार सह सकता है यदि इसके पत्थर के ढांचे का एक हिस्सा वनस्पति सामग्री से बदल दिया जाए, और यदि ऐसा है, तो इस बदलाव में कितनी मजबूती कम होगी।

चिटगांविंग यूनिवर्सिटी ऑफ इंजीनियरिंग एंड टेक्नोलॉजी के एक शोधकर्ता ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए एक विशिष्ट प्रकार के कंक्रीट का परीक्षण करके इसे हल करने का प्रयास किया, जिसे 40 मेगापास्कल की लक्षित मजबूती तक पहुँचने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो कई संरचनात्मक इमारतों के लिए एक मानक है। उन्होंने बिना उपचारित, सुखाए गए (seasoned) बांस के चिप्स—जो पौधे की दीवार के टुकड़े थे जिन्हें उनके द्वारा प्रतिस्थापित किए जाने वाले पत्थर के आकार के समान काटा गया था—का उपयोग किया और उन्हें कुचले हुए पत्थर के स्थान पर कंक्रीट में मिला दिया। उन्होंने बांस के साथ किसी भी रसायन या विशेष कोटिंग का उपचार नहीं किया; उन्होंने बस सामग्री का उपयोग वैसा ही किया जैसा वह प्रकृति में पाई जाती है। शोधकर्ता ने कंक्रीट के पांच अलग-अलग बैच बनाए। एक बैच में कोई बांस नहीं था, जो एक नियंत्रण (control) के रूप में कार्य कर रहा था, जबकि अन्य बैचों में पत्थर के आयतन के 4, 8, 12 और 16 प्रतिशत को बांस के चिप्स से बदल दिया गया। फिर उन्होंने इन मिश्रणों को सांचों में डाला, बेलनाकार और बीम बनाए, उन्हें 28 दिनों तक पानी में सुखाया (cure किया), और यह देखने के लिए कि वे टूटने से पहले कितना बल सहन कर सकते हैं, उनका कठोर परीक्षण किया।

परिणामों ने दिखाया कि बांस का कंक्रीट की भार उठाने की क्षमता पर एक अनुमानित और महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा। जैसे-जैसे बांस की मात्रा बढ़ी, संपीड़न शक्ति (compressive strength)—वह बल जो सामग्री को कुचलने के लिए आवश्यक है—लगातार गिरती गई। बिना किसी बांस वाले नियंत्रण मिश्रण ने 44.2 मेगापास्कल की मजबूती हासिल की। जब पत्थर को 4 प्रतिशत से बदला गया, तो मजबूती गिरकर 35.8 मेगापास्कल रह गई। 8 प्रतिशत प्रतिस्थापन पर, यह और गिरकर 29.3 मेगापास्कल हो गई। जब प्रतिस्थापन 16 प्रतिशत तक पहुँचा, तो मजबूती तेजी से गिरकर 15.4 मेगापास्कल रह गई, जो मूल मिश्रण की तुलना में 65 प्रतिशत की हानि थी। शोधकर्ता ने पाया कि बांस के प्रत्येक एक प्रतिशत को जोड़ने पर, संपीड़न शक्ति लगभग 1.8 मेगापास्कल कम हो गई। यह गिरावट इतनी सुसंगत थी कि ग्राफ पर प्लॉट करने पर इसने एक सीधी रेखा बनाई, जो बांस की मात्रा और मजबूती के नुकसान के बीच एक सीधा और विश्वसनीय संबंध दर्शाती है।

हालांकि, निर्माण के लिए महत्वपूर्ण अन्य प्रकार की मजबूती के लिए कहानी अलग थी। कंक्रीट अक्सर झुकने वाले बलों (bending forces) का सामना करता है, जैसे कि जब एक फर्श का स्लैब वजन के कारण झुकता है, या फटने वाले बलों (splitting forces) का, जहाँ सामग्री को किनारों से अलग खींचा जाता है। शोधकर्ता ने इन गुणों का परीक्षण बीम को मोड़कर और सिलेंडर को फाड़कर किया। उन्होंने पाया कि हालांकि बांस ने इन मजबूती को भी कम किया, लेकिन गिरावट कुचलने की शक्ति की तुलना में उतनी गंभीर नहीं थी। उच्चतम प्रतिस्थापन स्तर 16 प्रतिशत पर, झुकने के प्रतिरोध की क्षमता 46 प्रतिशत कम हो गई, और फटने के प्रतिरोध की क्षमता 41 प्रतिशत कम हो गई। इसका मतलब है कि जबकि सामग्री प्रत्यक्ष दबाव के तहत बहुत कमजोर हो गई, इसने झुकने और खींचने वाले बलों को संभालने की अपनी क्षमता का एक बड़ा हिस्सा बरकरार रखा। मिश्रण की कार्यक्षमता (workability), जिसे इसके बहने की आसानी के रूप में मापा जाता है, बहुत कम बदली, उच्चतम बांस सामग्री के साथ भी केवल 3.5 मिलीमीटर गिरी, जो यह दर्शाता है कि बांस ने निर्माण के दौरान कंक्रीट को संभालने में कठिनाई पैदा नहीं की।

अध्ययन का एक प्रमुख हिस्सा यह जांचना था कि क्या इंजीनियरों द्वारा कंक्रीट की मजबूती का अनुमान लगाने के लिए उपयोग किए जाने वाले मानक नियम बांस की उपस्थिति में भी लागू होते हैं। बिल्डिंग कोड आमतौर पर संपीड़न शक्ति के आधार पर तन्यता या झुकने की शक्ति का अनुमान लगाने के लिए एक विशिष्ट गणितीय संबंध का उपयोग करते हैं। शोधकर्ता ने पाया कि बांस के चिप्स के साथ भी यह संबंध सत्य बना रहा। झुकने और फटने की मजबूती का संपीड़न शक्ति के सापेक्ष परिवर्तन उसी पैटर्न का पालन करता है जैसा कि साधारण कंक्रीट का होता है। यह एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि इसका अर्थ है कि इंजीनियरों को इस सामग्री के साथ डिजाइन करने के लिए नए सूत्र आविष्कार करने की आवश्यकता नहीं है; वे बस बांस-कंक्रीट को नियमित कंक्रीट के एक कमजोर संस्करण के रूप में मान सकते हैं और मौजूदा सुरक्षा मार्जिन का उपयोग कर सकते हैं। इसके अलावा, बांस के मिश्रणों की वास्तविक झुकने की शक्ति मानक कोड द्वारा अनुमानित शक्ति से थोड़ी अधिक थी, जो बताता है कि यह सामग्री स्थापित सीमाओं के भीतर उपयोग के लिए सुरक्षित है।

अध्ययन ने पिछले शोध के साथ भी इन परिणामों की तुलना की जिसमें बांस के चिप्स का उपयोग किया गया था जो या तो पूरी तरह से सूखे थे या पानी में भिगोए गए थे। इस अध्ययन में उपयोग किए गए बिना उपचारित, सुखाए गए (seasoned) बांस का प्रदर्शन उन दोनों चरम सीमाओं के ठीक बीच में था। यह सुझाव देता है कि बांस की नमी की मात्रा सबसे महत्वपूर्ण कारक है जो मजबूती के नुकसान को नियंत्रित करती है। सूखा बांस कंक्रीट के मिश्रण से पानी सोख लेता है, फूल जाता है, और फिर सूखने पर सिकुड़ जाता है, जिससे सूक्ष्म अंतराल और दरारें बन जाती हैं जो बंधन को कमजोर करती हैं। यहाँ उपयोग किया गया बांस 'सीज़न्ड' (seasoned) था, जिसका अर्थ है कि इसने पहले ही कुछ नमी खो दी थी, जिसने संभवतः सूखे चिप्स में देखी जाने वाली अत्यधिक सूजन को रोका, लेकिन पानी में भीगे हुए चिप्स जैसी पूर्ण स्थिरता भी नहीं दी।

इस शोध का व्यावहारिक निष्कर्ष यह है कि पत्थर के एक छोटे हिस्से को बांस से बदलना कुछ प्रकार के निर्माण के लिए एक व्यवहार्य विकल्प है। जब पत्थर को 4 से 8 प्रतिशत प्रतिस्थापित किया गया, तो कंक्रीट ने अपनी मूल मजबूती का 66 से 81 प्रतिशत बरकरार रखा, जिसके परिणामस्वरूप 29 और 36 मेगापास्कल के बीच अंतिम मजबूती प्राप्त हुई। यह मानक इमारतों में बीम और कॉलम जैसे सामान्य संरचनात्मक तत्वों के लिए पर्याप्त रूप से मजबूत है। हालांकि, एक बार जब प्रतिस्थापन स्तर 8 प्रतिशत से ऊपर चला गया, तो मजबूती अधिकांश संरचनात्मक उपयोगों के लिए निर्धारित सीमा से नीचे गिर गई, जिससे यह सामग्री विभाजन दीवारों (partition walls) या नींव के लिए लीन कंक्रीट जैसे गैर-संरचनात्मक अनुप्रयोगों तक सीमित हो गई। शोधकर्ता ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि बांस quarried पत्थर की मांग को कम करने का एक टिकाऊ तरीका प्रदान करता है, लेकिन इसमें उपयोग की जाने वाली मात्रा को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाना चाहिए, और चिप्स की नमी की स्थिति प्राथमिक कारक है जिसे निर्माता यह सुनिश्चित करने के लिए प्रबंधित कर सकते हैं कि कंक्रीट सुरक्षित और मजबूत रहे।