Study on plasticity and compressibility behaviour of jute and coir reinforced soft soil

Onder de fundamenten van veel gebouwen, wegen en bruggen ligt een laag aarde die zich meer gedraagt als een dikke, natte spons dan als vaste grond. Dit is zachte grond, een materiaal dat berucht is om zijn neiging om in te zakken onder gewicht en op te zwellen wanneer het nat wordt. Wanneer structuren op dergelijke grond worden gebouwd, kan de grond ongelijkmatig samendrukken, wat leidt tot scheuren in muren, het kantelen van torens of zelfs totale instorting. Ingenieurs zoeken al lang naar manieren om deze onstabiele aarde sterker en minder gevoelig voor vormverandering te maken. Eén traditionele aanpak is het mengen van chemicaliën zoals kalk of cement, maar deze materialen vereisen vaak aanzienlijke energie om te produceren en kunnen de natuurlijke chemie van de grond veranderen. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers hun aandacht gericht op een duurzamer alternatief: het gebruik van natuurlijke vezels. Dit zijn dunne, draadvormige strengen geoogst uit planten, die door de grond gemengd kunnen worden om te fungeren als een verborgen skelet, dat de losse deeltjes bij elkaar houdt en de krachten die de grond doen falen, weerstaat.

Een team van onderzoekers in India heeft onlangs onderzocht hoe twee specifieke soorten natuurlijke vezels, jute en kokosvezel (coir), het gedrag van zachte grond kunnen transformeren. Jute komt uit de stengel van een bloeiende plant en staat bekend om zijn sterkte, terwijl kokosvezel een ruwe vezel is die uit de schil van een kokosnoot wordt gehaald. De wetenschappers wilden zien of het mengen van deze vezels in de grond de neiging van de grond zou verminderen om te veel water te absorberen, te krimpen wanneer het droogt of in te zakken onder druk. Ze namen monsters van zachte klei uit Chennai, een regio die bekend staat om zijn uitdagende bodemomstandigheden, en mengden kleine lengtes van één centimeter van deze vezels in variërende hoeveelheden, variërend van een klein spoortje tot 2,5 procent van het totale gewicht van de grond. Door deze mengsels in een laboratorium te testen, wilden ze de perfecte balans vinden waarbij de grond sterk genoeg wordt om zware structuren te ondersteunen zonder haar natuurlijke, milieuvriendelijke karakter te verliezen.

De resultaten toonden aan dat het toevoegen van deze vezels het gedrag van de grond fundamenteel veranderde, waardoor het stabieler en gemakkelijker te bewerken werd. Wanneer de onderzoekers de "plasticiteit" van de grond maten — een manier om te beschrijven hoeveel water het kan vasthouden voordat het in modder verandert — vonden zij dat de vezels fungeerden als een spons die overtollig vocht opzuigt. De grond die oorspronkelijk een grote hoeveelheid water nodig had om plastisch te worden, had na toevoeging van de vezels aanzienlijk minder water nodig. Dit was vooral het geval bij de kokosvezels, die de vloeigrens van de grond van 82 procent terugbrachten naar 74,31 procent. De jutefibers hielpen ook, waarbij de grens werd verlaagd naar 76,98 procent. Belangrijker nog was dat de vezels de "krimpgrens" van de grond verhoogden, oftewel het punt waarop de grond stopt met krimpen terwijl deze uitdroogt. De onversterkte grond begon te krimpen bij een vochtgehalte van slechts 11,28 procent, maar met de toevoeging van kokos en jute steeg deze drempel naar respectievelijk 15,18 procent en 16,52 procent. Dit betekent dat de versterkte grond veel verder kan uitdrogen zonder scheuren te vertonen of los te komen van de funderingen van een gebouw.

Naast het veranderen van de manier waarop de grond water vasthoudt, maakten de vezels de grond aanzienlijk sterker. De onderzoekers testten het vermogen van de grond om weerstand te bieden aan het platgedrukt worden door er een zware last op uit te oefenen. De oorspronkelijke, onversterkte grond kon slechts een druk van 54,47 kilopascal weerstaan voordat deze bezweek. Echter, wanneer de onderzoekers 2 procent kokosvezels mengden, sprong de sterkte van de grond naar 97,34 kilopascal, een verbetering van bijna 79 procent. De jutefibers boden ook een boost en bereikten een sterkte van 81,82 kilopascal bij een mengsel van 2,5 procent. Deze toename in sterkte betekent dat een gebouw dat op deze versterkte grond wordt geplaatst, veel minder waarschijnlijk zal wegzakken of kantelen. De vezels hielpen de grond ook om compacter te worden. De maximale dichtheid die de grond kon bereiken, nam toe van 13,71 kilonewton per kubieke meter naar 15,62 met kokosvezel, wat aangeeft dat de vezels de gronddeeltjes hielpen om in een dichtere, meer compacte rangschikking te bezinken.

Om precies te begrijpen hoe deze minuscule draden hun werk deden, bekeken de wetenschappers de grond onder krachtige microscopen en analyseerden zij de minerale samenstelling. Zij ontdekten dat de vezels niet chemisch reageerden met de grond om nieuwe stoffen te creëren; in plaats daarvan werkten ze via eenvoudige fysieke mechanica. De microscopische beelden onthulden dat de vezels door de grond weefden, de gaten tussen individuele kleideeltjes overbrugden en deze aan elkaar sloten. Dit creëerde een driedimensionaal netwerk dat voorkwam dat de grond instortte of uit elkaar schoof wanneer er druk werd uitgeoefend. De vezels fungeerden in essentie als een verstevigingsgaas, dat de losse deeltjes op hun plaats hield en de lege ruimtes, of holtes, binnen de bodemstructuur verminderde. Deze fysieke inklemming was de primaire reden voor de verbeterde sterkte en verminderde samendrukbaarheid.

De studie concludeerde dat hoewel beide vezels effectief waren, ze iets verschillende voordelen boden. Kokosvezels bleken de superieure keuze voor het vergroten van de algehele sterkte en dichtheid van de grond, waardoor ze de beste kandidaat zijn voor het ondersteunen van zware lasten. Jute daarentegen toonde een bijzonder sterk vermogen om krimpen te weerstaan, wat het zeer waardevol maakt voor het voorkomen van scheuren in droge omstandigheden. De onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van te veel vezel, specifiek meer dan 2 procent voor kokosvezel, niet altijd leidde tot verdere verbeteringen, wat suggereert dat er een optimaal aantal is voor de beste resultaten. Uiteindelijk toont dit onderzoek aan dat natuurlijke vezels als een duurzame, kosteneffectieve oplossing kunnen dienen voor het stabiliseren van zachte, problematische gronden. Door gebruik te maken van materialen die hernieuwbaar en biologisch afbreekbaar zijn, kunnen ingenieurs de veiligheid en levensduur van structuren verbeteren zonder afhankelijk te zijn van energie-intensieve chemicaliën, wat een praktisch pad biedt voor de bouw in gebieden met moeilijke bodomstandigheden.