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

Beton is het meest gebruikte bouwmateriaal op aarde, een mengsel van cement, water, zand en verbrijzelde steen dat uithardt tot een rotsachtig geheel. De verbrijzelde steen, bekend als grof aggregaat, vormt het grootste deel van het volume en zorgt voor het grootste deel van de sterkte van het materiaal. Omdat deze steen uit de grond wordt gewonnen, is het een eindige hulpbron die aanzienlijke energie vereist voor winning en transport. In veel delen van de wereld is het vinden van betaalbare alternatieven voor deze steen een grote technische uitdaging. Eén dergelijk alternatief is bamboe, een snelgroeiende grassoort die overvloedig en goedkoop aanwezig is in landen als Bangladesh. Hoewel bamboe al lang wordt gebruikt als structurele ondersteuning of als vezel toegevoegd aan beton om scheurvorming te voorkomen, bleef het gebruik ervan als directe vervanging voor de zware brokjes steen een mysterie. De centrale vraag is of het beton nog steeds gewicht kan dragen als een deel van het stenen skelet wordt vervangen door plantaardig materiaal, en zo ja, hoeveel sterkte er verloren gaat in die uitwisseling.

Een onderzoeker aan de Chittagong University of Engineering & Technology zette zich in om dit te beantwoorden door een specifiek type beton te testen dat ontworpen is om een doelsterkte van 40 megapascal te bereiken, een standaard die wordt gebruikt voor veel structurele gebouwen. Ze namen onbehandelde, seizoensgebonden bamboechips — stukjes van de wand van de plant, gesneden in maten vergelijkbaar met de steen die ze vervingen — en mengden deze in het beton in plaats van de verbrijzelde steen. Ze behandelden de bamboe niet met chemicaliën of speciale coatings; ze gebruikten het materiaal simpelweg zoals het in de natuur wordt gevonden. De onderzoeker maakte vijf verschillende batches beton. Eén batch bevatte helemaal geen bamboe en diende als controle, terwijl de andere batches 4, 8, 12 en 16 procent van het steenvolume vervingen door bamboechips. Vervolgens goten ze deze mengsels in mallen om cilinders en balken te maken, lieten ze 28 dagen in water uitharden en onderwierpen ze deze aan rigoureuze tests om te zien hoeveel kracht ze konden weerstaan voordat ze braken.

De resultaten toonden aan dat de bamboe een voorspelbare en significante impact had op het draagvermogen van het beton. Naarmate de hoeveelheid bamboe toenam, daalde de druksterkte — de kracht die nodig is om het materiaal te verbrijzelen — gestaag. Het controlemengsel zonder enige bamboe bereikte een sterkte van 44,2 megapascal. Toen 4 procent van de steen werd vervangen, daalde de sterkte naar 35,8 megapascal. Bij een vervanging van 8 procent daalde het verder naar 29,3 megapascal. Tegen de tijd dat de vervanging 16 procent bereikte, was de sterkte gekelderd naar 15,4 megapascal, een verlies van 65 procent ten opzichte van het oorspronkelijke mengsel. De onderzoeker stelde vast dat voor elke procent aan toegevoegde bamboe de druksterkte met bijna 1,8 megapascal afnam. Deze daling was zo consistent dat het een rechte lijn vormde wanneer het op een grafiek werd uitgezet, wat wijst op een directe en betrouwbare relatie tussen de hoeveelheid bamboe en het verlies aan sterkte.

Het verhaal was echter anders voor de andere soorten sterkte die belangrijk zijn in de bouw. Beton wordt vaak onderworpen aan buigkrachten, zoals wanneer een vloerplaat doorbuigt onder gewicht, of aan splijtkrachten, waarbij het materiaal vanaf de zijkanten uit elkaar wordt getrokken. De onderzoeker testte deze eigenschappen door balken te buigen en cilinders te splijten. Ze ontdekten dat de bamboe deze sterktes nog steeds verminderde, maar dat de daling minder ernstig was dan bij de druksterkte. Bij het hoogste vervangingsniveau van 16 procent daalde het vermogen om buiging te weerstaan met 46 procent, en het vermogen om splijting te weerstaan daalde met 41 procent. Dit betekent dat hoewel het materiaal veel zwakker werd onder directe druk, het een groter deel van zijn vermogen behield om buig- en trekkrachten te weerstaan. De verwerkbaarheid van het mengsel, gemeten aan hoe gemakkelijk het stroomde bij het gieten, veranderde nauwelijks; het daalde met slechts 3,5 millimeter zelfs bij de hoogste bamboe-inhoud, wat aangeeft dat de bamboe het beton niet moeilijk hanteerbaar maakte tijdens de constructie.

Een essentieel onderdeel van het onderzoek was het controleren of de standaardregels die ingenieurs gebruiken om de betonsterkte te schatten, nog steeds van toepassing waren wanneer bamboe aanwezig was. Bouwvoorschriften gebruiken doorgaans een specifieke wiskundige relatie om de trek- of buigsterkte te voorspellen op basis van de druksterkte. De onderzoeker stelde vast dat deze relatie ook met de bamboechips standhield. De manier waarop de buig- en splijtkrachten veranderden ten opzichte van de druksterkte volgde hetzelfde patroon als gewoon beton. Dit is een cruciale bevinding, omdat het betekent dat ingenieurs geen nieuwe formules hoeven uit te vinden om met dit materiaal te ontwerpen; ze kunnen de bamboe-beton simpelweg behandelen als een zwakkere versie van regulier beton en de bestaande veiligheidsmarges gebruiken. Bovendien was de werkelijke buigsterkte van de bamboemengsels iets hoger dan wat de standaardcode voorspelt, wat suggereert dat het materiaal veilig is voor gebruik binnen die gevestigde limieten.

De studie vergeleken deze resultaten ook met eerder onderzoek waarbij bamboechips werden gebruikt die ofwel volledig droog ofwel in water geweekt waren. De prestaties van de onbehandelde, seizoensgebonden bamboe die in dit onderzoek werd gebruikt, vielen precies tussen deze twee extremen in. Dit suggereert dat het vochtgehalte van de bamboe de belangrijkste factor is die de mate van sterkteverlies bepaalt. Droge bamboe heeft de neiging om water uit het betonmengsel te absorberen, op te zwellen en vervolgens weer te krimpen als het droogt, wat kleine openingen en scheurtjes creëert die de binding verzwakken. De gebruikte bamboe was seizoensgebonden, wat betekende dat het al wat vocht had verloren, wat waarschijnlijk de extreme zwelling zag die bij droge chips optreedt voorkwam, maar niet de volledige stabiliteit bood van in water geweekte chips.

De praktische les uit dit onderzoek is dat het vervangen van een klein deel van de steen door bamboe een levensvatbare optie is voor bepaalde soorten constructie. Wanneer 4 tot 8 procent van de steen werd vervangen, behield het beton tussen de 66 en 81 procent van zijn oorspronkelijke sterkte, wat resulteerde in een uiteindelijke sterkte tussen de 29 en 36 megapascal. Dit is sterk genoeg voor gewone structurele elementen zoals balken en kolommen in standaardgebouwen. Echter, zodra het vervangingsniveau boven de 8 procent kwam, zakte de sterkte onder de drempel voor de meeste structurele toepassingen, waardoor het materiaal beperkt bleef tot niet-structurele toepassingen zoals scheidingswanden of slappe beton voor funderingen. De onderzoeker concludeerde dat hoewel bamboe een duurzame manier biedt om de vraag naar gewonnen steen te verminderen, de hoeveelheid die wordt gebruikt zorgvuldig moet worden gecontroleerd, en dat de vochtconditie van de chips de primaire factor is die bouwers kunnen beheren om ervoor te zorgen dat het beton veilig en sterk blijft.