Influenza dei nanomateriali nella stabilizzazione dei terreni soffici: Nanosilice e Nanoclay

Astratto

Ingegneri e progettisti utilizzano spesso la procedura per migliorare il terreno aggiungendo vari stabilizzatori, che sono tipicamente utilizzati per migliorare la qualità del terreno. I metodi moderni, come l'aggiunta di nanoparticelle ai terreni naturali deboli per colmare le lacune su scala nanometrica o tra 1 nm e 100 nm, e per migliorare tutte le qualità geotecniche sono noti come nanotecnologie. In questa indagine, sono stati eseguiti test di laboratorio per valutare le prestazioni dei terreni morbidi stabilizzati con particelle di nano-suolo - nanoclay e nanosilice - rispetto ai parametri geotecnici. L'obiettivo principale di questo studio è indagare come concentrazioni modeste di nanosilice e nanoclay (0,05%, 0,15%, 0,25% e 0,35%) possano migliorare le qualità fisiche del terreno. La stabilizzazione del terreno con l'uso di nanomateriali ha dato buoni risultati, aumentando tutti i parametri geotecnici, compresi gli indici e le proprietà ingegneristiche, e migliorando la resistenza del terreno e la resistenza al taglio efficace del terreno soffice stabilizzato. Inoltre, ha fornito al terreno la dose ideale dell'effetto delle nanoclay. Le densità secche di 1,81kN/m2 sono state raggiunte con l'1% di nanosilice e lo 0,15% di nanoclay. Dopo 28 giorni di maturazione, le caratteristiche di resistenza alla compressione non confinata sono aumentate da 0,201 MPa a 0,821 MPa con l'1% di nanosilice e lo 0,15% di nanoclay, poiché lo spazio poroso si è riempito di nanoparticelle e la resistenza alla compressione del terreno è migliorata. La stabilizzazione è utile per tutti gli argini legati alla stabilità dei pendii, ai trasporti, alla geotecnica e alla stabilità civile.

Parole chiave

Nanosilice, Nanoclay, Resistenza alla compressione non confinata, Test Proctor Standard

1.Introduzione

Raramente i terreni naturalmente argillosi possono soddisfare le specifiche di capacità portante dei progetti di ingegneria geotecnica contemporanei. A causa della loro elevata compressibilità, dell'alto potenziale di rigonfiamento e ritiro, della scarsa permeabilità, della bassa resistenza al taglio e della bassa permeabilità, i terreni soffici sono considerati terreni problematici. Secondo [2], i terreni soffici hanno un comportamento imprevedibile e qualità ingegneristiche indesiderate. Il processo di aggiunta di materiali al terreno o di modifica delle sue caratteristiche naturali al fine di migliorarne le qualità ingegneristiche, come la resistenza, la durabilità e la resistenza alla deformazione, è noto come stabilizzazione del terreno. Per classificare le tecniche di stabilizzazione delle terre si possono utilizzare tre categorie generali: tecniche meccaniche, chimiche e fisiche. In generale, le qualità di resistenza e deformazione dei terreni di fondazione possono essere modificate o migliorate con l'aggiunta di una serie di materiali di rinforzo o di trattamento [7], [13], [12], [19] e [20]. Questi composti si dividono in tre categorie: agenti polimerizzanti compositi, sostanze ioniche stabilizzanti del terreno e leganti inorganici. Per la modifica chimica del suolo, i leganti inorganici (come cemento, calce, ceneri volanti e loro miscele) sono comunemente utilizzati tra gli altri materiali stabilizzati [3]. Secondo [18], con tensioni efficaci medie iniziali più basse o con un contenuto di cemento più elevato, i terreni cementati mostrano un comportamento più fragile sotto sforzo-deformazione e un aumento considerevole del modulo elastico e della resistenza di picco. Secondo [12], l'aggiunta di fibre di polipropilene ai terreni cementati aumenta il contenuto di fibre, che a sua volta aumenta il rapporto di sollecitazione principale alla rottura e le resistenze al taglio di picco e residue. In una serie di esperimenti, [15] ha aggiunto nano-silice a terreni argillosi e ha scoperto che ciò ha comportato una diminuzione dell'indice di rigonfiamento dell'argilla. I ricercatori interessati alle applicazioni ingegneristiche, in particolare all'ingegneria civile, sono sempre più interessati ai nanomateriali e alle nanoparticelle. I nanomateriali sono una classe di materiali ultrafini con particelle di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm con un'enorme area superficiale specifica. Grazie alla crescita dell'area superficiale complessiva e alla loro capacità di funzionare come efficaci catalizzatori, le nanoparticelle diventano più reattive rispetto alle loro dimensioni iniziali e possono sviluppare materiali con nuovi usi. Anzi, l'enorme superficie di una nanoparticella aumenterà la quantità di contatto tra i componenti mescolati, come nei nano-compositi, aumentando la resistenza dei materiali. Di conseguenza, diventa più reattiva e potrebbe essere utile per migliorare le caratteristiche del suolo per una serie di usi. Un particolare tipo di nanoparticelle, noto come nanosilice, è costituito da minuscole particelle di biossido di silicio. La nanosilice può avere una serie di vantaggi se applicata al terreno argilloso, alcuni dei quali possono migliorare la qualità del suolo. Quando l'argilla viene stabilizzata con additivi come ceneri volanti, cemento, fumo di silice e calce, le particelle sono di dimensioni microscopiche e hanno scarso effetto sulle proprietà dei pori, tra cui compattazione, resistenza al taglio, peso specifico, indice di plasticità e permeabilità [4] [16]. Queste aggiunte da sole non aumentano sufficientemente le prestazioni del suolo; i vuoti vengono riempiti solo parzialmente. Per riempire i pori del suolo su scala nanometrica e rendere il suolo più compatto, si ricorre alle nanotecnologie [17] [9] [1]. Ciò ha un maggiore impatto complessivo sulla permeabilità, sul peso specifico, sulla compattazione, sulla resistenza al taglio e sull'indice di plasticità del suolo. L'effetto dimensionale, l'effetto quantico, l'effetto superficiale e l'effetto interfaccia sono le quattro principali proprietà strutturali dei nanomateriali [6].I nanomateriali offrono numerosi vantaggi in termini di scienza, ambiente, economia e migliore qualità dei prodotti. Tra tutti i nanomateriali, la nanoclay ha dimostrato prestazioni superiori in termini di indice di suolo e caratteristiche ingegneristiche. È stato dimostrato che l'aggiunta di quantità estremamente ridotte di nanoclay al terreno ha migliorato il limite liquido e ha avuto un impatto sull'indice di plasticità [21]. Poiché le nanoparticelle sono ampiamente utilizzate, il loro costo è diminuito in modo significativo, aprendo le porte a un loro uso diffuso nell'industria dell'ingegneria geotecnica.

Lo scopo di questo studio è quello di esaminare l'effetto delle nanoparticelle sui terreni argillosi. La ricerca è stata condotta su un terreno argilloso integrato con nanosilice e nanoclay. Per determinare la proporzione ideale, la nanosilice è stata prima aggiunta al campione di argilla madre con incrementi dello 0,7%, 1%, 1,2% e 1,5%. I campioni sono stati poi combinati con lo 0,05%, 0,15%, 0,25% e 0,35% di nanoclay. È stato effettuato un confronto tra le caratteristiche di un campione di terreno argilloso nativo e un campione di terreno argilloso stabilizzato chimicamente. Questo lavoro esamina un'indagine sperimentale sull'efficacia dell'impiego di nanomateriali (nanoclay e nanosilice) per migliorare le qualità di resistenza e i parametri del limite di Atterberg. I risultati dell'esperimento hanno dimostrato che l'aggiunta di una piccola quantità di nanosilice ha migliorato significativamente le caratteristiche geotecniche del terreno soffice.

2.Materiali e metodi

Un campione di suolo nativo è stato prelevato da Beel Dakatia. Si trova all'interno dei confini amministrativi del distretto di Khulna, nel sottodistretto di dumuria e phultala, il cui 50% dell'area è regolarmente sotto 0,5-2 metri d'acqua. Si trova tra le longitudini 89'20'e e 89'35'e e le latitudini 22'45'n e 23'00'. Il terreno raccolto era grumoso. Non sono stati trattati e ne sono stati raccolti più di 25 kg in un sacco inutilizzato. I terreni sono stati poi lasciati asciugare naturalmente. All'inizio la terra era umida. Al termine del processo di essiccazione all'aria, i grumi di terra essiccata sono stati frantumati manualmente. Successivamente, i terreni polverizzati sono stati setacciati in conformità alla norma astm c136. La distribuzione granulometrica è mostrata in fig. 1. Per gli esperimenti non era sufficiente, quindi i terreni essiccati all'aria sono stati essiccati in forno a 105° C per 24 ore. L'additivo per questo studio era costituito da nanosilice e nanoclay. La nanoclay e la nanosilice sono state aggiunte al terreno in percentuali diverse per la preparazione del campione. 600 g di nanoclay sono stati raccolti da Kolkata, in India. 1 kg di nanosilice è stato raccolto da khulna scientific store, khulna. La quantità necessaria per i test è stata essiccata in forno per 24 ore alla temperatura del suolo. Per il test sono stati preparati due tipi di campioni. In primo luogo, lo 0,7%, l'1%, l'1,2% e l'1,5% di nanosilice è stato mescolato alla terra madre per studiare la quantità ottimale di nanosilice. Poi, lo 0,05%, lo 0,15%, lo 0,25% e lo 0,35% di nanoclay è stato aggiunto al terreno insieme al contenuto ottimale di nanosilice per realizzare i provini da testare. Per ogni prova sono stati preparati quattro campioni con nanosilice e nanoclay. La composizione chimica della nanosilice utilizzata è riportata nella Tabella 1.

In questa ricerca, il campione di terreno argilloso madre è stato raccolto dalla rispettiva area e i campioni per le prove sono stati preparati in laboratorio. Tutti i test sono stati eseguiti in laboratorio. Il diagramma di flusso della metodologia di questa ricerca è riportato di seguito:

Tabella 1: Composizione chimica della nanosilice impiegata

Fig. 1: Distribuzione granulometrica del terreno di prova.

3.Risultati e discussione

3.1 Effetto della nano-silice sulla stabilizzazione dei terreni soffici

3.1.1Effetto della nano-silice sui limiti di Atterberg del terreno

La Figura 2 mostra il legame tra il limite liquido del terreno stabilizzato e il contenuto di nano-silice. Rispetto al campione madre, il campione argilloso stabilizzato presenta un valore di limite liquido inferiore nel nostro test. Il limite liquido aumenta con l'aumentare della percentuale di nano-silice. Il limite liquido per il campione argilloso raccolto era di 43,25. Il valore del limite liquido per l'argilla stabilizzata con lo 0,7% di nanosilice era di 44,33. Il valore del limite liquido 44,64 all'1% di nanosilice utilizzata per stabilizzare il terreno. All'1,2% di nanosilice utilizzata il limite liquido è risultato pari a 45,43. Il limite liquido è massimo per il campione stabilizzato con l'1,5% di nanosilice. Il valore massimo del limite liquido è 45,86. Per il test del limite plastico, il limite plastico è aumentato per il terreno stabilizzato all'aumentare della percentuale di nano-silice. Per il campione di terra madre, il limite plastico è risultato pari a 23,54. Aggiungendo lo 0,7% di nanosilice, il limite plastico è aumentato e il valore è risultato pari a 25,98. Il limite plastico è aumentato all'aumentare della percentuale di nanosilice. L'indice di plasticità varia nel test con l'aggiunta di diversi contenuti in percentuali differenti. L'indice di plasticità era 19,71 per il campione madre. L'indice di plasticità più basso è stato registrato per il terreno stabilizzato con l'1% di nanosilice, con un valore di 18,09 per la quantità ottimale. Quindi l'1% di nanosilice mostra il risultato migliore. La variazione dell'indice di plasticità è mostrata in fig. 2. Secondo (foad changizi, 2017), il risultato è simile a quello dell'esperimento. Per determinare quanto ci si aspetta che un terreno si assesti o si consolidi sotto carico, i limiti di atterberg possono essere usati come riferimento sul campo. Se l'umidità in campo è vicina al limite liquido, ci si aspetta un forte assestamento. L'opposto è vero se l'umidità in campo è vicina o inferiore al limite plastico. Nel nostro esperimento, l'indice di plasticità diminuisce e poi aumenta, il limite liquido aumenta e il limite plastico aumenta. Ad esempio, quando si utilizza l'1% di nanosilice per stabilizzare il terreno, il ritmo di assestamento si riduce. Quindi, come additivo chimico, l'1% di nanosilice è uno stabilizzatore ottimale che migliora le proprietà dei campioni di terreno argilloso.

3.1.2Effetto della nano-silice sulle caratteristiche di compattazione del terreno

È stata condotta la prova standard del proctor. Nel test, il contenuto ottimale di umidità è diminuito e la densità secca massima è aumentata per il terreno stabilizzato. Il contenuto di umidità ottimale è stato del 18,6% per il terreno di argilla madre. In seguito, il contenuto ottimale di umidità è diminuito con l'aumento della percentuale di nano-silice, con il minimo all'1,5% di nanosilice, raggiungendo il 15,7%. La densità secca massima è stata di 1,75 KN/m2, 1,766 KN/m2, 1,78 KN/m2, 1,77 KN/m2 e 1,76 KN/m2 rispettivamente per il terreno argilloso, lo 0,7% di nanosilice, l'1% di nanosilice, l'1,2% di nanosilice e l'1,5% di nanosilice stabilizzata. Questi risultati sono simili a quelli di [5] [1].

Fig. 2: Indice di plasticità (terreno non trattato + nano-silice)

Fig. 3: Caratteristiche di compattazione del campione di terreno misto a nanosilice

3.1.3Effetto della nano-silice sulla prova di resistenza alla compressione non confinata

La prova di compressione non confinata (UCT) è stata utilizzata per determinare le caratteristiche meccaniche del campione di terreno. Determina la resistenza non drenata e le proprietà di tensione-deformazione del terreno. La figura 4 mostra la relazione di resistenza a 1 giorno della nanosilice. Tra tutte le percentuali 0,7, 1, 1,2, 1,5% del peso secco del suolo, alla percentuale 1 di nanosilice si è registrato il più basso indice di plasticità (dal 21% al 19,5%), e una significativa densità secca massima (da 1,75 a 1,78 KN/m2). Tra tutte le percentuali, l'1% di nano-silice ha mostrato i risultati migliori, con il valore UCT che ha raggiunto il massimo all'1%. Per questo motivo l'1% di nanosilice è stato scelto come dosaggio ottimale per il suolo.

Fig. 4: Test UCT del campione di terreno misto a nanosilice

3.2 Effetto della nanoclay sul terreno argilloso + 1% di nano-silice

3.2.1Effetto della nanoargilla sui limiti di Atterberg del terreno + 1% di nanosilice

Nel nostro test, il limite liquido ha un valore inferiore nel campione argilloso stabilizzato rispetto al campione madre. Il limite liquido è aumentato con l'aumentare delle percentuali di nanosilice e nanoclay. Il limite di liquido per il campione argilloso raccolto era 43,25. Il valore del limite liquido per l'argilla stabilizzata con l'1% di nanosilice +0,05% di nanoclay era di 41,57. Il valore del limite liquido è stato di 41,89 all'1% di nanosilice+0,15% di nanoclay utilizzato per stabilizzare il terreno. Nell'1% di nanosilice + 0,25% di nanoclay utilizzato quando il limite liquido è stato di 45,43. Il limite liquido è massimo per il campione stabilizzato con 1% di nanosilice + 0,35% di nanoclay. Il valore minimo del limite liquido è 45,86. Nel nostro test, il limite plastico aumenta per il terreno stabilizzato. Per il campione di terra madre, il limite plastico era di 23,54. Con l'aggiunta dell'1% di nanosilice + 0,05%, il limite plastico è aumentato e il valore è stato di 24,25. Il limite plastico è aumentato all'aumentare della percentuale di nanoclay. L'indice di plasticità varia nel test con l'aggiunta di diversi contenuti in percentuali differenti. I risultati sono in accordo con studi precedenti sull'uso di nanoclay [21]. L'indice di plasticità è stato di 19,71 per il campione madre. L'indice di plasticità più basso è stato registrato per il terreno stabilizzato con 1% di nanosilice + 0,15% di nanoclay, con un valore di 16,89 per la quantità ottimale [8]. Quindi lo 0,15% di nanoclay mostra il risultato migliore. La variazione dell'indice di plasticità è mostrata nella Figura 5.

3.2.2Effetto della nanoargilla sulle caratteristiche di compattazione del terreno + 1% di nanosilice

La densità secca massima diminuisce all'aumentare del livello di umidità ottimale nel test. Per il campione madre, argilla stabilizzata con 1% di nanosilice+ 0,05% di nanoclay, 1% di nanosilice+ 0,15% di nanoclay, 1% di nanosilice+ 0,25% di nanoclay e 1% di nanosilice+ 0,35% di nanoclay, il livello di umidità ottimale è stato rispettivamente 16,3%, 15,2%, 14,9% e 14,7%. La Figura 6 mostra le caratteristiche di compattazione, che possono essere verificate con i risultati di [11].

3.2.3Effetto della nano-argilla sulla prova di resistenza alla compressione non confinata del terreno + 1% di nanosilice

Per trovare una combinazione ideale di nanosilice e nanoclay, la percentuale ottimale di nanosilice è stata miscelata con diverse percentuali di nanoclay per trovare una combinazione ideale di nanosilice e nanoclay, la percentuale ottimale di nanosilice è stata miscelata con diverse percentuali di nanoclay. Il test UCT è stato condotto a 1, 3, 7, 14 e 28 giorni. Al test di 14 giorni si è registrato un notevole miglioramento. Ciò è dovuto alla reazione pozzolanica. Dopo aver trovato la nanosilice ottimale, la nanoclay è stata aggiunta al terreno argilloso misto a nanosilice ottimale in percentuali diverse (0,7%, 1%, 1,2% e 1,5%) e la resistenza massima è stata riscontrata con la nanoclay allo 0,15% e il miglioramento della resistenza è stato del 67%. Di conseguenza, abbiamo scoperto la quantità appropriata di nano-silice e nano-argilla per la stabilizzazione dei terreni argillosi. I risultati sono mostrati nella figura 7.

Fig. 5: Indice di plasticità (terreno argilloso + 1% di nanosilice + nanoargilla)

Fig. 6: Caratteristiche di compattazione del campione di terreno misto a nanoclay

Dopo 24 ore, il miglioramento più elevato della resistenza è stato riscontrato nel 62% della combinazione (Nanosilice 1% + Nanoclay 0,15%). Tra tutte le percentuali del peso secco del terreno, la percentuale 0,15 di nanoclay ha trattato il massimo peso specifico, ridotto l'indice di plasticità e la massima densità secca. Quindi lo 0,15% di nanoclay è risultato ottimale.

3.3 Effetto dell'1% di nanosilice +0,15% di nanoclay sul test di permeabilità del terreno soffice

Il terreno soffice argilloso è stato combinato con il contenuto di umidità ideale, la densità secca massima e le dosi ottimali di nanosilice e nanoclay per preparare i campioni per le caratteristiche di permeabilità. I campioni sono stati conservati nella loro confezione finale per evitare l'evaporazione dell'acqua. I campioni generati hanno soddisfatto le proprietà di permeabilità specificate dalla norma astm d 2434 e sono stati valutati in conformità alle linee guida. In particolare, il terreno di argilla tenera è stato combinato con il contenuto di umidità ideale, la massima densità secca e le dosi di nanosilice e nanoclay. I risultati dei parametri di permeabilità del terreno miscelato con nanosilice e nanoclay sono mostrati nella tabella 2. Questo test ha rivelato che i parametri di permeabilità erano completamente diversi da quelli studiati in precedenza [14]. L'aggiunta del dosaggio ideale di nanoclay ha fatto sì che gli spazi vuoti si riempissero di nanomateriali a livello nanometrico, agendo come un terreno completamente impenetrabile.

Tabella 2: Caratteristiche di permeabilità

Fig. 7: Miglioramento della resistenza Variazione per diversi test giorni (Terreno argilloso+ 1% Nanosilice + Nanoclay )

4.Conclusioni

Le seguenti conclusioni sono state tratte dallo studio sperimentale sul miglioramento dell'argilla tenera con l'uso di nanosilice e nanoclay, sull'indice e sulle caratteristiche ingegneristiche dell'argilla tenera:

• Il suolo a bassa comprimibilità (CL) è determinato dai limiti di Atterberg. L'OMC e la MDD del terreno sono rispettivamente 18,18% e 1,62 g/cc.
• L'UCS del terreno argilloso è stato determinato in 0,201 Mpa e il coefficiente di permeabilità è di circa 4,6 * 10-4 cm/s. L'assestamento finale di consolidamento è di circa 4,4 mm e il coefficiente di consolidamento è risultato pari a 0,043 cm2 /min. È quindi evidente che il terreno è costituito da argilla altamente comprimibile.
• Il contenuto ideale di umidità, la densità massima a secco e le percentuali di nanosilice, come 0,7, 1, 1,2 e 1,5% del peso a secco del terreno, sono stati combinati con il terreno di argilla morbida.
• Con l'1% di nanosilice nel terreno, le densità secche massime sono aumentate fino a 1,78 kN/m2 e hanno influenzato la distribuzione delle dimensioni dei grani.
• Di tutte le percentuali, la resistenza dell'1% di nanosilice dà i risultati migliori.
• La percentuale 1 di terreno trattato con nanosilice ha avuto l'indice di plasticità più basso (dal 21% al 19,5%) e la densità secca massima significativa (da 1,75 a 1,78 kN/m2) tra tutte le percentuali-0,7, 1, 1,2 e 1,5% del peso secco del terreno. Per determinare la quantità ideale di nanosilice da aggiungere al terreno, ogni aggiustamento è stato effettuato con una percentuale dell'1%.
• L'inclusione di nanoclay ha influenzato la distribuzione granulometrica e ha alterato i limiti liquidi e plastici. La massima riduzione dell'indice di plasticità si è verificata con lo 0,15% di Nanoclay miscelato al terreno.
• Le densità secche massime hanno influenzato la distribuzione delle dimensioni dei grani e sono aumentate al massimo di 1,81kN/m2 allo 0,15% di percentuale di Nanoclay nel terreno.
• Il peso specifico più alto, l'indice di plasticità più basso e la densità secca massima significativa sono stati osservati alla percentuale di 0,15 di terreno trattato con Nanoclay tra tutte le percentuali del peso secco del terreno.
• Il terreno si è comportato come completamente impermeabile, i pori totali riempiti di nanomateriali e il dosaggio ideale di Nanoclay avevano tutti proprietà di permeabilità pari a zero.

Riferimenti

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Questo è un lavoro presentato da Tausif Islam Chowdhury per la borsa di studio SAM 2024.

*Autore corrispondente

Tausif Islam Chowdhury* ¹, Jhumana Akter ², Musharrof Hossain ^Sunny3 & Fahim Shahariar Aditto4

¹ Studente laureato, Dipartimento di Ingegneria Edile e Gestione delle Costruzioni, Università di Ingegneria e Tecnologia di Khulna, Bangladesh

² Professore assistente, Dipartimento di Ingegneria Edile e Gestione delle Costruzioni, Università di Ingegneria e Tecnologia di Khulna, Bangladesh

³ Studente laureato, Dipartimento di Ingegneria Edile e Gestione delle Costruzioni, Università di Ingegneria e Tecnologia di Khulna, Bangladesh

⁴ Studente laureato, Dipartimento di Ingegneria Edile e Gestione delle Costruzioni, Università di Ingegneria e Tecnologia di Khulna, Bangladesh