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

Gebouwen worden ontworpen om stevig te blijven staan tegen het gewicht van hun eigen materialen en de mensen binnenin, maar ze moeten ook overleven tijdens de herhaalde belastingen van het dagelijks leven. Wind duwt tegen een wolkenkrabber, verkeer laat een brug trillen, en aardbevingen schudden de grond onder een huis. Om deze krachten te kunnen weerstaan, vertrouwen ingenieurs op materialen die kunnen buigen zonder te breken en energie kunnen absorberen in plaats van te versplinteren. Al meer dan een eeuw is staal de standaardkeuze voor het versterken van beton omdat het zowel sterk als flexibel is. Echter, de productie van staal vereist enorme hoeveelheden energie en laat een zware CO2-voetafdruk achter. Als reactie hierop hebben onderzoekers hun aandacht gericht op bamboe, een snelgroeiende plant die van nature sterk en hernieuwbaar is. De uitdaging is altijd geweest dat bamboe anders reageert dan staal; het kan rotten wanneer het nat wordt en hecht niet perfect aan beton, wat vaak leidt tot plotselinge defecten wanneer de structuur tot zijn uiterste wordt belast.

Een team van onderzoekers in India zette zich in om dit probleem op te lossen door bamboe te behandelen met een speciale coating, zodat het onder herhaalde spanning meer op staal gaat lijken. Ze wilden zien of ze een duurzaam bouwmateriaal konden creëren dat de schokken en buigingen kon weerstaan die optreden tijdens aardbevingen of intensief gebruik. Hun werk richtte zich op een specifiek type betonplaat, een plat paneel gebruikt voor vloeren of daken, versterkt met stroken bamboe. In plaats van rauwe bamboe te gebruiken, doopten ze de stroken in een epoxyhars, een sterke lijmachtige substantie, en mengden daar minuscule deeltjes basaltgesteente en glas doorheen. Deze mengeling was ontworpen om de kieren tussen de bamboe en het beton op te vullen, wat zorgt voor een hechtere grip en ervoor zorgt dat de twee materialen effectiever samenwerken. Het doel was om te testen of deze behandelde bamboe meerdere cycli van zware belasting en ontlasting kon overleven zonder zijn sterkte of stijfheid te verliezen.

De onderzoekers goten kleine betonpanelen, elk met afmetingen van 600 bij 450 bij 50 millimeter, met een standaardmengsel van cement en zand. Ze maakten verschillende versies van deze panelen om de prestaties te vergelijken. Sommige panelen bevatten helemaal geen versterking, wat diende als basislijn om te laten zien hoe gewoon beton faalt. Andere waren versterkt met staal, de traditionele graadmeter. De overige panelen gebruikten bamboestroken die verschillende behandelingen hadden ondergaan: sommige waren onbehandeld gelaten, sommige waren alleen gecoat met epoxy, en andere waren gecoat met epoxy gemengd met zand, glas, of een combinatie van glas en nano-sized basaltpoeder. Zodra de panelen een maand lang waren uitgehard, werden ze in een testmachine geplaatst die met twee punten van kracht naar beneden drukte, waarna de druk werd losgelaten, een proces dat herhaaldelijk werd uitgevoerd. Dit simuleerde de herhaalde stress waar een gebouw mee te maken zou kunnen krijgen tijdens een storm of seismische gebeurtenis. De machine registreerde hoeveel kracht de panelen konden weerstaan, hoeveel ze doorbuigden en hoeveel energie ze absorbeerden voordat ze uiteindelijk braken.

De resultaten toonden een duidelijk verschil tussen de onbehandelde en de behandelde materialen. De gewone betonpanelen vertoonden scheuren en faalden snel, niet in staat om meer dan een paar cycli van druk te weerstaan. De panelen met rauwe bamboe presteerden iets beter, maar verloren nog steeds snel hun stijfheid en faalden na enkele cycli. De met staal versterkte panelen hielden het best stand, absorbeerden de meeste energie en behielden hun vorm het langst, wat de betrouwbaarheid van de traditionele methode bevestigde. Echter, de panelen versterkt met bamboe die behandeld was met de epoxy- en nano-basaltmengsel kwamen opmerkelijk dicht in de buurt van de prestaties van staal. Dit specifieke behandelde bamboe paneel weerstond een maximale belasting van 60,6 kilonewton en absorbeerde 76,8 kilonewton-millimeter aan energie, cijfers die zeer dicht in de buurt lagen van de 62,6 kilonewton en 83,3 kilonewton-millimeter die door de staalpanelen werden bereikt. In tegen tegenstelling hiertoe bleven de onbehandelde bamboe en andere minder geavanceerde behandelingen aanzienlijk achter bij deze getallen.

Naast alleen de cijfers vertelde de manier waarop de panelen faalden een belangrijk verhaal over veiligheid. Wanneer de onbehandelde bamboe panelen faalden, gebeurde dat plotseling en catastrofaal, waarbij ze zonder waarschuwing uiteenspletten. De behandelde panelen vertoonden echter een veel geleidelijke achteruitgang. Naarmate de belasting toenam, ontstonden er scheuren die gelijkmatig over het oppervlak verspreidden in plaats van zich te concentreren in één zwak punt. Dit gedrag betekende dat de structuur zichtbare tekenen van nood zou vertonen lang voordat deze instortte, waardoor mensen tijd hadden om te reageren. De behandelde bamboe behield ook veel beter zijn stijfheid dan de rauwe bamboe; het verloor slechts ongeveer 25 procent van zijn stijfheid na meerdere cycli, terwijl de rauwe bamboe meer dan de helft verloor. Dit vermogen om stijf te blijven en herhaaldelijk energie te absorberen suggereert dat de coating er succesvol in is geslaagd om te voorkomen dat de bamboe binnenin het beton verschuift, een veelvoorkomende oorzaak van falen bij onbehandelde versies.

Om te garanderen dat deze bevindingen nauwkeurig waren, bouwden de onderzoekers ook een computermodel van de panelen om de fysieke tests te simuleren. De digitale simulatie kwam nauw overeen met de resultaten uit de echte wereld, wat bevestigde dat de wiskundige modellen die de interactie tussen beton en bamboe voorspellen, correct werkten. Deze overeenstemming tussen de fysieke experimenten en de computer simulaties geeft vertrouwen dat de resultaten betrouwbaar zijn en niet slechts een toevalstreffer van de specifieke monsters die getest zijn. De studie concludeert dat door het gebruik van een eenvoudige coating van epoxy gemengd met nano-basalt en glas, bamboe kan worden getransformeerd tot een levensvatbaar alternatief voor staal voor het versterken van beton in constructies die te maken krijgen met herhaalde of matige schokken. Hoewel het staal in niet elke metriek volledig heeft vervangen, bewees het dat een duurzaam, plantaardig materiaal kan worden ontwikkeld om te presteren met een niveau van duurzaamheid en veiligheid dat het een serieuze kandidaat maakt voor toekomstige constructie, vooral in regio's waar staal duur of moeilijk te verkrijgen is.