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

建物は、自らの材料の重さやその中にいる人々を支えるために強固に設計されていますが、日常生活における繰り返されるストレスにも耐えなければなりません。風が高層ビルを押し、交通が橋を振動させ、地震が住宅の足元の地面を揺らします。これらの力に対処するため、エンジニアは、壊れることなく曲がり、破壊するのではなくエネルギーを吸収できる材料に頼っています。1世紀以上にわたり、鋼鉄は、強さと柔軟性を兼ね備えているため、コンクリートを補強するための標準的な選択肢となってきました。しかし、鋼鉄の製造には膨大なエネルギーを必要とし、炭素排出量も多くなります。これに応えて、研究者たちは、天然に強く再生可能な、成長の早い植物である竹に注目しました。課題は常に、竹が鋼鉄とは異なる挙動を示すことでした。竹は濡れると腐食する可能性があり、コンクリートとの付着も完璧ではなく、構造物が限界まで押し込まれた際に突然の破壊を招くことがよくありました。

インドの研究チームは、繰り返されるストレス下で鋼鉄のように振る舞わせるための特別なコーティングを竹に施すことで、この問題を解決しようと試みました。彼らは、地震や激しい使用の際に発生するような、揺れや曲がりに対して耐えられる持続可能な建築材料を作れるかどうかを確認したいと考えました。彼らの研究は、床や屋根に使われる平らなパネルである特定のコンクートスラブ（コンクリート板）に、竹の細片で補強することに焦点を当てました。生の竹を使用する代わりに、彼らは竹の細片をエポキシ樹脂（強力な接着剤のような物質）に浸し、そこに玄武岩の微粒子とガラスを混ぜ合わせました。この混合物は、竹とコンクリートの間の隙間を埋め、より強固なグリップを作り出し、2つの材料をより効果的に連携させるように設計されました。目標は、この処理された竹が、強度や剛性を失うことなく、重い荷重の載荷と除荷のサイクルを何度も乗り越えられるかどうかをテストすることでした。

研究者たちは、セメントと砂の標準的な混合物を用いて、それぞれ600×450×50ミリメートルの小さなコンクリートパネルを作成しました。性能を比較するために、いくつかのバージョンのパネルを作成しました。中には、補強材を全く含まないパネルもあり、これはプレーンなコンクリートがどのように破壊されるかを示す基準値として機能しました。また、伝統的なベンチマークである鋼鉄で補強されたパネルも用意しました。残りのパネルは、異なる処理を施した竹の細片を使用しました。それらは、未処理のもの、エポキシのみでコーティングされたもの、そしてエポキシに砂、ガラス、またはガラスとナノサイズの玄武岩粉末を組み合わせたものを混ぜたものです。パネルを1ヶ月間養生した後、それらを試験機にかけ、2点から力を押し付け、その後解放するというプロセスを何度も繰り返しました。これは、嵐や地震の際に建物が直面するような、繰り返されるストレスをシミュレートしたものです。機械は、パネルがどの程度の力を受けられるか、どの程度曲がるか、そして最終的に破壊されるまでにどれだけのエネルギーを吸収するかを記録しました。

結果は、未処理の材料と処理された材料の間で明確な差を示しました。プレーンなコンクリートパネルはすぐに亀裂が入り、数回の圧力サイクル以上の負荷に耐えられず失敗しました。生の竹を用いたパネルはわずかに優れた性能を示しましたが、それでも剛性が急速に低下し、数サイクル後に破壊されました。鋼鉄で補強されたパネルが最も優れた性能を示し、最も多くのエネルギーを吸収して最も長く形状を維持しました。これは、伝統的な手法の信頼性を裏付けるものでした。しかし、エポキシとナノ玄武岩の混合物で処理された竹を用いたパネルは、驚くほど鋼鉄の性能に近い数値を示しました。この特定の処理された竹パネルは、最大荷重60.6キロニュートンに耐え、76.8キロニュートン・ミリメートルのエネルギーを吸収しました。これらの数値は、鋼鉄パネルが達成した62.6キロニュートンおよび83.3キロニュートン・ミリメートルに非常に近いものでした。対照的に、未処理の竹や他の高度な処理を施していないものは、これらの数値に大きく及びませんでした。

単なる数値だけでなく、パネルがどのように破壊されたかということも重要な物語を伝えています。未処理の竹パネルが破壊されるときは、警告なしにバラバラに裂けるなど、突然かつ致命的な形で破壊されました。しかし、処理されたパネルは、はるかに緩やかな衰退を示しました。荷重が増加するにつれて、それらは一箇所に集中するのではなく、表面全体に均等に広がる亀裂を生じさせました。この挙動は、構造物が崩壊するずっと前に目に見える損傷の兆候を示すことを意味しており、人々が対処するための時間を確保できることを示しています。処理された竹は、生の竹よりも剛性をはるかに良く維持しており、複数のサイクルを経ても剛性の低下は約25パーセントにとどまりましたが、生の竹は半分以上の剛性を失っていました。この、剛性を維持し、繰り返しエネルギーを吸収する能力は、コーティングがコンクリート内部での竹の滑りを効果的に防いだことを示唆しており、これは未処理のバージョンにおける一般的な失敗の原因です。

これらの知見の正確性を確保するために、研究者たちは物理的なテストをシミュレートするコンピュータモデルも構築しました。デジタルシミュレーションは実世界の実験結果と密接に一致しており、コンクリートと竹がどのように相互作用するかを予測するために使用された数学的モデルが正しく機能していることを裏付けました。この物理的実験とコンピュータシミュレーションの一致は、結果が信頼できるものであり、特定のサンプルによる偶然の産物ではないという自信を与えます。本研究は、エポキシとナノ玄武岩およびガラスの単純なコーティングを用いることで、竹を、繰り返される揺れや中程度の揺れに直面する構造物のための、鋼鉄に代わる実行可能な代替品へと変貌させられることを結論付けています。すべての指標において鋼鉄を完全に置き換えるまでには至りませんでしたが、持続可能な植物由来の材料が、特に鋼鉄が高価であったり入手が困難であったりする地域において、将来の建設における有力な候補となるほどの耐久性と安全性を持たせることができることを証明しました。