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

コンクリートは地球上で最も広く使用されている建築材料であり、セメント、水、砂、そして砕石を混合し、岩のような固形へと硬化させたものです。砕石は「粗骨材」と呼ばれ、体積の大部分を占め、材料の強度の大部分を担っています。この石は地面から採掘されるため、有限な資源であり、その抽出と輸送には多大なエネルギーを必要とします。世界中の多くの地域において、この石に代わる手頃な代替品を見つけることは、主要なエンジニアリング上の課題となっています。そのような代替案の一つが、バングラデシュのような国々で豊富かつ安価に手に入る、成長の早い草である竹です。竹は古くから構造的な支持材として、あるいはコンクリートのひび割れを防ぐための繊維として使用されてきましたが、重い石の塊の直接的な置き換え材として使用することは、これまで謎のままでした。中心となる問いは、もしコンクリートの石の骨組みの一部を植物材料に入れ替えた場合、コンクリートは依然として荷重を支えることができるのか、そしてもし可能であれば、その交換によってどれほどの強度が失われるのかという点です。

チッタゴン工科大学の研究者は、多くの構造物で使用される標準である40メガパスカルの目標強度に達するように設計された特定のコンクリートをテストすることで、この問いに答えようとしました。彼らは、未処理でシーズニング（乾燥・熟成）された竹チップ（植物の壁の部分を、置き換える石と同様のサイズに切ったもの）を使用し、それを砕石の代わりにコンクリートに混ぜ込みました。彼らは竹を化学薬品や特別なコーティングで処理することはありませんでした。単に、自然界で見つかったそのままの状態で材料を使用しました。研究者は5つの異なるバッチのコンクリートを作成しました。1つのバッチには竹を全く含まず、コントロール（対照群）として機能させ、他のバッチでは、砕石の体積の4、8、12、および16パーセントを竹チップで置き換えました。その後、これらの混合物を型に流し込んで円柱や梁を作成し、28日間水中で養生した後、破壊するまでにどれほどの力を耐えられるかを確かめるために厳格な試験を行いました。

結果は、竹がコンクリートの荷重支持能力に対して、予測可能かつ重大な影響を与えることを示しました。竹の量が増えるにつれて、圧縮強度（材料を押しつぶすのに必要な力）は着実に低下しました。竹を含まないコントロールの混合物は44.2メガパスカルの強度に達しました。石を4パーセント置き換えると、強度は35.8メガパスカルに低下しました。8パーセントの置き換えでは、さらに29.3メガパスカルまで低下しました。置き換えが16パーセントに達すると、強度は15.4メガパスカルへと急落し、元の混合物と比較して65パーセントの損失となりました。研究者は、竹が1パーセント加えられるごとに、圧縮強度がほぼ1.8メガパスカル減少することを発見しました。この低下は非常に一貫しており、グラフ上にプロットすると直線になったため、竹の量と強度の損失との間に直接的で信頼できる関係があることが示唆されました。

しかし、建設において重要となる他の種類の強度については、物語は異なります。コンクリートは、床板が重みでたわむような曲げを受ける力や、側面から引き離されるような分裂（引張）を受ける力にしばしばさらされます。研究者は、梁を曲げたり円柱を分裂させたりすることで、これらの特性をテストしました。彼らは、竹によってこれらの強度が低下するものの、その低下は圧縮強度の減少ほど深刻ではないことを発見しました。最高の置き換えレベルである16パーセントにおいて、曲げに対する抵抗力は46パーセント減少し、分裂に対する抵抗力は41パーセント減少しました。これは、この材料が直接的な圧力の下では大幅に弱くなる一方で、曲げや引き離す力に対処する能力については、より多くの割合を維持していることを意味します。また、混合物のワーカビリティ（施工時における流動性）は、最大の竹含有量においてもわずか3.5ミリメートルの低下にとどまり、ほとんど変化しなかったことから、竹が建設中のコンクリートの取り扱いを困難にすることはないことも示されました。

この研究の重要な部分は、エンジニアがコンクリート強度を推定するために用いる標準的な規則が、竹が存在する場合でも適用されるかどうかを確認することでした。建築基準では通常、圧縮強度に基づいて引張強度や曲げ強度を推測するための特定の数学的関係を用います。研究者は、この関係が竹チップが存在する場合でも維持されることを発見しました。曲げ強度と分裂強度が圧縮強度に対してどのように変化するかは、通常のコンクリートと同じパターンに従っていました。これは極めて重要な発見であり、なぜなら、エンジニアはこの材料を用いて設計するために新しい公式を考案する必要はなく、単に竹コンクリートを「より弱いバージョンの通常のコンクリート」として扱い、既存の安全マージンを使用できることを意味しているからです。さらに、竹混合物の実際の曲げ強度は、標準的なコードが予測する値よりもわずかに高かったため、確立された制限内で安全に使用できることが示唆されました。

研究ではまた、完全に乾燥させた、あるいは水に浸した竹チップを使用した過去の研究結果とも比較が行われました。本研究で使用された未処理のシーズニングされた竹の性能は、これら2つの極端な状態の中間に位置していました。このことは、竹の含水率が、強度の損失を制御する最も重要な要因であることを示唆しています。乾燥した竹はコンクリート混合物から水を吸収して膨張し、その後乾燥する際に収縮するため、結合を弱める微細な隙間や亀裂を生じさせます。ここで使用された竹はシーズニングされていたため、すでに水分を失っており、これにより乾燥したチップで見られる極端な膨張は防がれましたが、水に浸されたチップのような完全な安定性には至りませんでした。

この研究の実践的な教訓は、石の一部を竹に置き換えることは、特定の種類の建設において実行可能な選択肢であるということです。石を4〜8パーセント置き換えた場合、コンクリートは元の強度の66〜81パーセントを維持し、最終的な強度は29〜36メガパスカルとなります。これは、標準的な建物の梁や柱のような一般的な構造部材にとって十分な強度です。しかし、置き換えレベルが8パーセントを超えると、強度はほとんどの構造用途の閾値を下回り、仕切り壁や基礎用のリーンコンクリートのような非構造的な用途に限定されます。研究者は、竹は採掘される石の需要を減らす持続可能な方法を提供しますが、使用量は慎重に制御される必要があり、また、コンクリートの安全と強度を確保するために、チップの水分状態が建設業者が管理できる主要な要因であると結論付けました。