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

Gli edifici sono progettati per resistere saldamente al peso dei propri materiali e delle persone che li occupano, ma devono anche sopravvivere agli stress ripetuti della vita quotidiana. Il vento spinge contro un grattacielo, il traffico fa vibrare un ponte, i terremoti scuotono il terreno sotto una casa. Per gestire queste forze, gli ingegneri si affidano a materiali che possano piegarsi senza rompersi e assorbire energia invece di frantumarsi. Per oltre un secolo, l'acciaio è stato la scelta standard per rinforzare il calcestruzzo perché è forte e flessibile. Tuttavia, l'acciaio richiede enormi quantità di energia per essere prodotto e lascia un'impronta di carbonio pesante. In risposta, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione al bambù, una pianta a crescita rapida che è naturalmente resistente e rinnovabile. La sfida è sempre stata il fatto che il bambù si comporta diversamente dall'acciaio; può marcire quando è umido e non si lega perfettamente al calcestruzzo, portando spesso a cedimenti improvvisi quando la struttura viene sollecitata ai suoi limiti.

Un team di ricercatori in India ha cercato di risolvere questo problema trattando il bambù con un rivestimento speciale per farlo comportare più come l'acciaio sotto stress ripetuto. Volevano vedere se potevano creare un materiale edilizio sostenibile capace di resistere al tipo di scosse e flessioni che avvengono durante i terremoti o un uso intenso. Il loro lavoro si è concentrato su un tipo specifico di lastra di calcestruzzo, un pannello piatto utilizzato per pavimenti o tetti, rinforzato con strisce di bambù. Invece di utilizzare bambù grezzo, hanno immerso le strisce in una resina epossidica, una sostanza simile a una colla forte, e hanno mescolato piccole particelle di roccia basaltica e vetro. Questa miscela è stata progettata per riempire i vuoti tra il bambù e il calcestruzzo, creando un'aderenza più stretta e permettendo ai due materiali di lavorare insieme in modo più efficace. L'obiettivo era testare se questo bambù trattato potesse sopravvivere a molteplici cicli di carico e scarico senza perdere la sua forza o la sua rigidità.

I ricercatori hanno gettato piccoli pannelli di calcestruzzo, ciascuno delle dimensioni di 600 per 450 per 50 millimetri, utilizzando una miscela standard di cemento e sabbia. Hanno creato diverse versioni di questi pannelli per confrontarne le prestazioni. Alcuni pannelli non contenevano alcun rinforzo, servendo come base per mostrare come fallisce il calcestruzzo semplice. Altri erano rinforzati con acciaio, il tradizionale termine di paragone. Gli altri pannelli utilizzavano strisce di bambù che avevano ricevuto diversi trattamenti: alcune erano lasciate grezze, altre erano rivestite solo con epossidica, altre ancora erano rivestite con epossidica mischiata con sabbia, vetro o una combinazione di vetro e polvere di basalto di dimensioni nanometriche. Una volta che i pannelli sono stati stagionati per un mese, sono stati posizionati in una macchina di test che premeva su di essi con due punti di forza, poi rilasciava, e ripeteva questo processo continuamente. Questo simulava il tipo di stress ripetuto che un edificio potrebbe affrontare durante una tempesta o un evento sismico. La macchina registrava quanta forza potevano sopportare i pannelli, quanto si piegavano e quanta energia assorbivano prima di rompersi definitivamente.

I risultati hanno mostrato una chiara differenza tra i materiali non trattati e quelli trattati. I pannelli di calcestruzzo semplice si sono crepati e sono falliti rapidamente, incapaci di gestire più di pochi cicli di pressione. I pannelli con bambù grezzo si sono comportati leggermente meglio, ma hanno perso rapidamente la loro rigidità e sono falliti dopo pochi cicli. I pannelli rinforzati con acciaio hanno retto meglio, assorbendo la maggior parte dell'energia e mantenendo la loro forma per il tempo più lungo, il che ha confermato l'affidabilità del metodo tradizionale. Tuttavia, i pannelli rinforzati con bambù trattato con la miscela di epossidica e nano-basalto si sono avvicinati notevolmente alle prestazioni dell'acciaio. Questo pannello di bambù trattato specificamente ha resistito a un carico massimo di 60,6 kilonewton e ha assorbito 76,8 kilonewton-millimetri di energia, cifre molto vicine ai 62,6 kilonewton e 83,3 kilonewton-millimetri raggiunti dai pannelli in acciaio. Al contrario, il bambù non trattato e gli altri trattamenti meno avanzati sono rimasti significativamente al di sotto di questi numeri.

Oltre ai soli numeri, il modo in cui i pannelli sono falliti ha raccontato una storia importante sulla sicurezza. Quando i pannelli di bambù non trattati sono falliti, lo hanno fatto in modo improvviso e catastrofico, spaccandosi senza preavviso. I pannelli trattati, invece, hanno mostrato un declino molto più graduale. Man mano che il carico aumentava, sviluppavano crepe che si diffondevano uniformemente sulla superficie invece di concentrarsi in un unico punto debole. Questo comportamento significava che la struttura mostrava segni visibili di stress molto prima del crollo, permettendo alle persone di reagire. Anche il bambù trattato ha mantenuto la sua rigidità molto meglio del bambù grezzo, perdendo solo circa il 25 percento della sua rigidità dopo più cicli, mentre il bambù grezzo ne ha perso più della metà. Questa capacità di mantenere la rigidità e assorbire energia ripetutamente suggerisce che il rivestimento ha impedito con successo al bambù di scivolare all'interno del calcestruzzo, una causa comune di fallimento nelle versioni non trattate.

Per garantire l'accuratezza di questi risultati, i ricercatori hanno anche costruito un modello informatico dei pannelli per simulare i test fisici. La simulazione digitale ha rispecchiato da vicino i risultati del mondo reale, confermando che i modelli matematici utilizzati per prevedere come il calcestruzzo e il bambù interagiscono stavano funzionando correttamente. Questo allineamento tra gli esperimenti fisici e le simulazioni al computer conferisce fiducia nel fatto che i risultati siano affidabili e non solo un caso fortuito dei campioni testati. Lo studio conclude che, utilizzando un semplice rivestimento di epossidica mischiata con nano-basalto e vetro, il bambù può essere trasformato in un'alternativa valida all'acciaio per rinforzare il calcestruzzo in strutture soggette a scosse ripetute o moderate. Sebbene non abbia completamente sostituito l'acciaio in ogni metrica, ha dimostrato che un materiale sostenibile, di origine vegetale, può essere ingegnerizzato per offrire un livello di durabilità e sicurezza che lo rende un serio contendente per l'edilizia futura, particolarmente in regioni dove l'acciaio è costoso o difficile da reperire.