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

Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più ampiamente utilizzato sulla Terra, una miscela di cemento, acqua, sabbia e pietra frantumata che indurisce in un solido simile a una roccia. La pietra frantumata, nota come aggregato grosso, costituisce la porzione maggiore del volume e fornisce la base della resistenza del materiale. Poiché questa pietra viene estratta dal terreno, è una risorsa finita che richiede un'energia significativa per l'estrazione e il trasporto. In molte parti del mondo, trovare alternative economiche a questa pietra rappresenta una grande sfida ingegneristica. Un tale alternativa è il bambù, un'erba a crescita rapida che è abbondante ed economica in paesi come il Bangladesh. Sebbene il bambù sia stato a lungo utilizzato come supporto strutturale o come fibra aggiunta al calcestruzzo per prevenire le crepe, l'uso del bambù come sostituto diretto dei grossi pezzi di pietra è rimasto un mistero. La domanda centrale è se il calcestruzzo possa ancora sostenere il peso se una parte del suo scheletro di pietra viene scambiata con materiale vegetale e, in caso affermativo, quanta forza si perda nello scambio.

Un ricercatore della Chittagong University of Engineering & Technology si è posto l'obiettivo di rispondere a questo quesito testando un tipo specifico di calcestruzzo progettato per raggiungere una resistenza target di 40 megapascal, uno standard utilizzato per molti edifici strutturali. Ha preso scaglie di bambù non trattate e stagionate — pezzi della parete della pianta tagliati in dimensioni simili a quelle della pietra che stavano sostituendo — e le ha mescolate nel calcestruzzo al posto della pietra frantumata. Non ha trattato il bambù con prodotti chimici o rivestimenti speciali; ha semplicemente utilizzato il materiale così come si trova in natura. Il ricercatore ha creato cinque diversi lotti di calcestruzzo. Un lotto non conteneva affatto bambù, fungendo da controllo, mentre gli altri sostituivano il 4, 8, 12 e 16 percento del volume della pietra con scaglie di bambù. Ha poi versato queste miscele in stampi per creare cilindri e travi, le ha stagionate in acqua per 28 giorni e le ha sottoposte a rigorosi test per vedere quanta forza potessero sopportare prima di rompersi.

I risultati hanno dimostrato che il bambù aveva un impatto prevedibile e significativo sulla capacità del calcestruzzo di sostenere il peso. All'aumentare della quantità di bambù, la resistenza alla compressione — la forza necessaria per schiacciare il materiale — diminuiva costantemente. Il mix di controllo senza alcun bambù ha raggiunto una resistenza di 44,2 megapascal. Quando il 4 percento della pietra è stato sostituito, la resistenza è scesa a 35,8 megapascal. Con una sostituzione dell'8 percento, è scesa ulteriormente a 29,3 megapascal. Quando la sostituzione ha raggiunto il 16 percento, la resistenza è crollata a 15,4 megapascal, una perdita del 65 percento rispetto al mix originale. Il ricercatore ha scoperto che per ogni singolo percento di bambù aggiunto, la resistenza alla compressione diminuiva di quasi 1,8 megapascal. Questo declino era così costante da formare una linea retta quando tracciato su un grafico, suggerendo una relazione diretta e affidabile tra la quantità di bambù e la perdita di resistenza.

Tuttavia, la storia era diversa per gli altri tipi di resistenza che contano nella costruzione. Il calcestruzzo è spesso sottoposto a forze di flessione, come quando una soletta si flette sotto il peso, o a forze di spacco, dove il materiale viene tirato lateralmente. Il ricercatore ha testato queste proprietà piegando travi e spaccando cilindri. Ha scoperto che, sebbene il bambù riducesse comunque queste resistenze, il calo non era così severo come per la resistenza alla compressione. Al livello massimo di sostituzione del 16 percento, la capacità di resistere alla flessione è diminuita del 46 percento e la capacità di resistere allo spacco è diminuita del 41 percento. Ciò significa che, sebbene il materiale fosse molto più debole sotto pressione diretta, manteneva una porzione maggiore della sua capacità di gestire forze di flessione e trazione. La lavorabilità della miscela, misurata in base a quanto facilmente fluiva durante il versamento, è cambiata molto poco, diminuendo di soli 3,5 millimetri anche con il massimo contenuto di bambù, indicando che il bambù non rendeva il calcestruzzo difficile da gestire durante la costruzione.

Una parte fondamentale dello studio è stata la verifica se le regole standard che gli ingegneri usano per stimare la resistenza del calcestruzzo si applicassero ancora in presenza di bambù. I codici edilizi utilizzano tipicamente una specifica relazione matematica per ipotizzare la resistenza alla trazione o alla flessione basandosi sulla resistenza alla compressione. Il ricercatore ha scoperto che questa relazione rimaneva valida anche con le scaglie di bambù. Il modo in cui le resistenze alla flessione e allo spacco cambiavano rispetto alla resistenza alla compressione seguiva lo stesso schema del calcresco ordinario. Questa è una scoperta cruciale perché significa che gli ingegneri non devono inventare nuove formule per progettare con questo materiale; possono semplicemente trattare il calcestruzzo con bambù come una versione più debole del calcestruzzo normale e utilizzare i margini di sicurezza esistenti. Inoltre, la resistenza effettiva alla flessione dei mix di bambù era leggermente superiore a quella prevista dal codice standard, suggerendo che il materiale è sicuro per l'uso entro tali limiti stabiliti.

Lo studio ha anche confrontato questi risultati con ricerche precedenti che utilizzavano scaglie di bambù che erano o completamente asciutte o imbevute d'acqua. La prestazione del bambù non trattato e stagionato utilizzato in questo studio si collocava esattamente a metà tra questi due estremi. Ciò suggerisce che il contenuto di umidità del bambù è il fattore più importante che controlla quanta resistenza si perde. Il bambù secco tende ad assorbire acqua dalla miscela di calcestruzzo, gonfiandosi e poi restringendosi man mano che si asciuga, creando minuscole lacune e crepe che indeboliscono il legame. Il bambù utilizzato qui era stagionato, il che significa che aveva già perso parte della sua umidità, il che probabilmente ha evitato l'estremo rigonfiamento visto nei chip secchi, ma non ha offerto la piena stabilità delle scaglie imbevute d'acqua.

La conclusione pratica di questa ricerca è che sostituire una piccola parte della pietra con il bambù è un'opzione praticabile per certi tipi di costruzione. Quando dal 4 all'8 percento della pietra veniva sostituito, il calcestruzzo manteneva tra il 66 e l'81 percento della sua resistenza originale, risultando in una resistenza finale compresa tra 29 e 36 megapascal. Questo è sufficiente per elementi strutturali ordinari come travi e colonne in edifici standard. Tuttavia, una volta che il livello di sostituzione superava l'8 percento, la resistenza scendeva sotto la soglia per la maggior parte degli usi strutturali, limitando il materiale ad applicazioni non strutturali come pareti divisorie o calcestruzzo magro per fondazioni. Il ricercatore ha concluso che, sebbene il bambù offra un modo sostenibile per ridurre la domanda di pietra estratta, la quantità utilizzata deve essere controllata con cura e la condizione di umidità delle scaglie è il fattore primario che i costruttori possono gestire per garantire che il calcestruzzo rimanga sicuro e resistente.