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

混凝土是地球上应用最广泛的建筑材料，是由水泥、水、砂和碎石组成的混合物，硬化后会变成类似岩石的固体。碎石被称为粗骨料，占据了体积的最大部分，并提供了材料的大部分强度。由于这种石头是从地面开采的，它是一种有限的资源，需要消耗大量能量进行开采和运输。在世界许多地方，寻找这种石头的廉价替代品是一个重大的工程挑战。其中一种替代品是竹子，这是一种在孟加拉国等国生长迅速、供应充足且价格低廉的草本植物。虽然竹子长期以来一直被用作结构支撑或作为添加到混凝土中以防止裂缝的纤维，但将其作为重型石块块状物的直接替代品仍然是一个谜。核心问题在于，如果将部分石材骨架更换为植物材料，混凝土是否仍能承重，以及如果可以，这种交换会损失多少强度。

来自吉大工程技术大学的一位研究人员致力于通过测试一种旨在达到40兆帕目标强度的特定混凝土来回答这个问题，这是许多结构性建筑所采用的标准。他们采用了未经处理、经过风干的竹片——即切成与所替换石块尺寸相似的植物壁碎片——并将它们混合到混凝土中，以代替碎石。他们没有用化学物质或特殊涂层对竹子进行处理；他们只是直接使用了自然状态下的材料。研究人员制作了五个不同的混凝土批次。其中一个批次完全不含竹子，作为对照组；而其他批次则分别用竹片替换了4%、8%、12%和16%的石材体积。随后，他们将这些混合物倒入模具中制成圆柱体和梁，在水中养护了28天，并对其进行了严格的测试，以观察它们在破碎前能承受多大的力量。

结果表明，竹子对混凝土的承重能力有着可预测且显著的影响。随着竹子含量的增加，抗压强度（即压碎材料所需的力）稳步下降。不含竹子的对照组达到了44.2兆帕的强度。当替换4%的石材时，强度降至35.8兆帕。在8%的替换量下，强度进一步降至29.3兆帕。当替换量达到16%时，强度骤降至15.4兆帕，与原始混合物相比损失了65%。研究人员发现，每增加1%的竹子，抗压强度就会减少近1.8兆帕。这种下降是非常一致的，在图表上呈现出一条直线，表明竹子含量与强度损失之间存在直接且可靠的关系。

然而，对于建筑中其他重要的强度类型而言，情况则有所不同。混凝土经常承受弯曲力，例如地板在重量作用下下沉，或者承受分裂力，即材料从侧面被拉开。研究人员通过弯曲梁和劈裂圆柱体来测试这些特性。他们发现，尽管竹子仍然降低了这些强度，但下降幅度不如抗压强度那样剧烈。在最高16%的替换水平下，抗抗弯强度下降了46%，抗分裂强度下降了41%。这意味着虽然该材料在直接压力下变得脆弱得多，但它保留了更大比例的处理弯曲和拉伸力的能力。混合物的和易性（以其倾倒时的流动难易程度衡量）变化很小，即使在竹含量最高的情况下也仅下降了3.5毫米，这表明竹子并未使混凝土在施工过程中难以处理。

这项研究的一个关键部分是检查工程师用于估算混凝土强度的标准规则在加入竹子后是否仍然适用。建筑规范通常使用特定的数学关系来根据抗压强度来推测抗拉或抗弯强度。研究人员发现，即使存在竹片，这种关系依然成立。弯曲强度和分裂强度相对于抗压强度的变化方式与普通混凝土遵循相同的模式。这是一个至关重要的发现，因为这意味着工程师不需要发明新的公式来设计这种材料；他们只需将竹混混凝土视为一种较弱版本的普通混凝土，并使用现有的安全裕度即可。此外，竹混混凝土的实际抗弯强度略高于标准规范预测的值，这表明该材料在既定限制内可以安全使用。

研究还将这些结果与之前使用完全干燥或浸泡在水中的竹片的研究进行了比较。本研究中使用的未经处理的风干竹片的表现处于这两者之间的中间位置。这表明，水分含量是控制强度损失的最重要因素。干燥的竹子倾向于吸收混凝土混合物中的水分，发生膨胀，然后在干燥时收缩，从而产生微小的间隙和裂纹，削弱结合力。本研究中使用的竹子是经过风干的，这意味着它已经失去了一些水分，这可能防止了干竹片出现的极端膨胀现象，但也没有提供水浸竹片所具有的完全稳定性。

这项研究的实际应用意义在于，用少量竹子替换部分石材是某些类型建筑的可行方案。当石材被替换4%到8%时，混凝土保留了原始强度的66%到81%，最终强度在29到36兆帕之间。这对于标准建筑中的普通结构元件（如梁和柱）来说已经足够强。然而，一旦替换量超过8%，其强度就会跌破大多数结构用途的阈值，从而将该材料限制在非结构性应用中，如隔墙或地基的垫层混凝土。研究人员总结道，虽然竹子提供了一种减少开采石材需求的可持续方式，但必须严格控制其使用量，并且竹片的含水状态是建筑商可以管理的、用以确保混凝土保持安全且坚固的首要因素。