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

O concreto é o material de construção mais amplamente utilizado na Terra, uma mistura de cimento, água, areia e pedra britada que endurece em um sólido semelhante a uma rocha. A pedra britada, conhecida como agregado graúdo, constitui a maior parte do volume e fornece o grosso da resistência do material. Como essa pedra é extraída do solo, ela é um recurso finito que requer uma quantidade significativa de energia para ser extraído e transportado. Em muitas partes do mundo, encontrar alternativas acessíveis para essa pedra é um grande desafio de engenharia. Uma dessas alternativas é o bambu, uma gramínea de crescimento rápido que é abundante e barata em países como o Bangladesh. Embora o bambu tenha sido usado há muito tempo como suporte estrutural ou como uma fibra adicionada ao concreto para evitar fissuras, usar o bambu como um substituto direto para os pedaços pesados de pedra permaneceu um mistério. A questão central é se o concreto ainda consegue suportar peso se uma parte de seu esqueleto de pedra for trocada por material vegetal e, se sim, quanta resistência é perdida na troca.

Um pesquisador da Universidade de Engenharia e Tecnologia de Chittagong propôs-se a responder a isso testando um tipo específico de concreto projetado para atingir uma resistência alvo de 40 megapascais, um padrão usado para muitos edifícios estruturais. Eles utilizaram lascas de bambu curadas e não tratadas — pedaços da parede da planta cortados em tamanhos semelhantes aos da pedra que estavam substituindo — e as misturaram ao concreto no lugar da pedra britada. Eles não trataram o bambu com produtos químicos ou revestimentos especiais; simplesmente usaram o material como ele foi encontrado na natureza. O pesquisador criou cinco lotes diferentes de concreto. Um lote não continha nada de bambu, servindo como controle, enquanto os outros substituíram 4, 8, 12 e 16 por cento do volume de pedra por lascas de bambu. Em seguida, despejaram essas misturas em moldes para criar cilindros e vigas, curaram-nos em água por 28 dias e submeteram-nos a testes rigorosos para ver quanta força poderiam suportar antes de quebrar.

Os resultados mostraram que o bambu teve um impacto previsível e significativo na capacidade do concreto de suportar peso. À medida que a quantidade de bambu aumentava, a resistência à compressão — a força necessária para esmagar o material — caía constantemente. A mistura de controle sem nenhum bambu atingiu uma resistência de 44,2 megapascais. Quando 4 por cento da pedra foi substituída, a resistência caiu para 35,8 megapascais. Com 8 por cento de substituição, caiu ainda mais para 29,3 megapascals. Quando a substituição atingiu 16 por cento, a resistência despencou para 15,4 megapascais, uma perda de 65 por cento em relação à mistura original. O pesquisador descobriu que, para cada um por cento de bambu adicionado, a resistência à compressão diminuía quase 1,8 megapascais. Esse declínio foi tão consistente que formou uma linha reta quando plotado em um gráfico, sugerindo uma relação direta e confiável entre a quantidade de bambu e a perda de resistência.

No entanto, a história foi diferente para os outros tipos de resistência que importam na construção. O concreto é frequentemente submetido a forças de flexão, como quando uma laje de piso cede sob peso, ou a forças de fissão, onde o material é puxado a partir das laterais. O pesquisador testou essas propriedades flexionando vigas e partindo cilindros. Eles descobriram que, embora o bambu ainda reduzisse essas resistências, a queda não foi tão severa quanto a da resistência à compressão. No nível mais alto de substituição, de 16 por cento, a capacidade de resistir à flexão caiu 46 por cento, e a capacidade de resistir à fissão caiu 41 por cento. Isso significa que, embora o material tenha se tornado muito mais fraco sob pressão direta, ele reteve uma parcela maior de sua capacidade de lidar com forças de flexão e tração. A trabalhabilidade da mistura, medida pela facilidade com que fluía ao ser despejada, mudou muito pouco, caindo apenas 3,5 milímetros mesmo com o maior conteúdo de bambu, indicando que o bambu não tornou o concreto difícil de manusear durante a construção.

Uma parte fundamental do estudo foi verificar se as regras padrão que os engenheiros usam para estimar a resistência do concreto ainda se aplicavam na presença do bambu. Os códigos de construção normalmente utilizam uma relação matemática específica para prever a resistência à tração ou à flexão com base na resistência à compressão. O pesquisador descobriu que essa relação se manteve mesmo com as lascas de bambu. A maneira como as resistências à flexão e à fissão mudaram em relação à resistência à compressão seguiu o mesmo padrão do concreto comum. Esta é uma descoberta crucial porque significa que os engenheiros não precisam inventar novas fórmulas para projetar com este material; eles podem simplesmente tratar o concreto com bambu como uma versão mais fraca do concreto regular e usar as margens de segurança existentes. Além disso, a resistência real à flexão das misturas de bambu foi ligeiramente superior ao que o código padrão prevê, sugerindo que o material é seguro para uso dentro desses limites estabelecidos.

O estudo também comparou estes resultados com pesquisas anteriores que utilizaram lascas de bambu que estavam ou completamente secas ou embebidas em água. O desempenho do bambu curado e não tratado usado neste estudo ficou exatamente no meio desses dois extremos. Isso sugere que o teor de umidade do bambu é o fator mais importante que controla quanta resistência é perdida. O bambu seco tende a absorver água da mistura de concreto, inchar e depois encolher conforme seca, criando minúsculas lacunas e fissuras que enfraquecem a ligação. O bambu usado aqui era curado, o que significa que já havia perdido parte de sua umidade, o que provavelmente evitou o inchamento extremo visto nas lascas secas, mas não ofereceu a estabilidade total das lascas embebidas em água.

A conclusão prática desta pesquisa é que substituir uma pequena parte da pedra por bambu é uma opção viável para certos tipos de construção. Quando de 4 a 8 por cento da pedra foi substituída, o concreto reteve entre 66 e 81 por cento de sua resistência original, resultando em uma resistência final entre 29 e 36 megapascais. Isso é forte o suficiente para elementos estruturais comuns, como vigas e colunas em edifícios padrão. No entanto, uma vez que o nível de substituição ultrapassou os 8 por cento, a resistência caiu abaixo do limiar para a maioria dos usos estruturais, limitando o material a aplicações não estruturais, como paredes de partição ou concreto magro para fundações. O pesquisador concluiu que, embora o bambu ofereça uma forma sustentável de reduzir a demanda por pedra extraída, a quantidade utilizada deve ser cuidadosamente controlada, e a condição de umidade das lascas é o principal fator que os construtores podem gerenciar para garantir que o concreto permaneça seguro e forte.