Blog

Jul 24, 2023

Micro

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 10913 (2023) Cite este artículo 457 Accesos 1 Citas Detalles de métricas Una corrección del autor de este artículo se publicó el 17 de julio de 2023 Este artículo

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10913 (2023) Citar este artículo

457 Accesos

1 Citas

Detalles de métricas

Se publicó una corrección del autor de este artículo el 17 de julio de 2023.

Este artículo ha sido actualizado

Los nanoaditivos dan como resultado la formación de nanocementación (NC). Este proceso se utiliza recientemente para mejorar la durabilidad de diversos materiales de construcción. NC se utiliza para mejorar la resistencia de los materiales del suelo no tratados, también conocido como nano mejora del suelo (NSI). En pocos años se desarrolló el papel de los nanoaditivos en diversos tipos de suelos. En esta investigación, se evaluó el papel del tamaño micro y nanométrico de la bentonita como estabilizador del suelo como las primeras investigaciones para mejorar las propiedades geotécnicas de los suelos. Se combinaron nanoaditivos preparados a partir de tamaños micro y nano de bentonita con cuatro formulaciones. Estas formulaciones de micro y nanoaditivos en concentraciones de 0, 1, 2 y 3 %, es decir, 0 % microbentonita, 1 % microbentonita, 2 % microbentonita, 3 % microbentonita, 0 % nano -Bentonita, 1% Nanobentonita, 2% Nanobentonita y 3% Nanobentonita, respectivamente. Estas formulaciones de micro y nanoaditivos se agregaron por separado al suelo. Las muestras con 3% de nanobentonita mostraron una mejora significativa en la resistencia a la compresión libre (UCS) del suelo que fue más de 2,3 veces mayor que la muestra de control en un tiempo de curado de 7 días. Además, el rendimiento de la microbentonita dio como resultado una mejora en la UCS del suelo que fue más de 1,1 veces mayor que la muestra de control en un tiempo de curado de 7 días. El módulo secante al 50% de la tensión máxima (E50) de las muestras tratadas con micro y nanoaditivos aumentó en comparación con las muestras no tratadas. Además, los análisis de fluorescencia de rayos X (XRF), microscopía electrónica de barrido y difracción de rayos X caracterizaron micro y nanoestructuras de muestras de suelo y mostraron el rendimiento de los nanoaditivos para mejorar la resistencia de los suelos. Los resultados muestran que la nanobentonita como tipo de nanoaditivos es un medio eficaz para aumentar la resistencia de los suelos. Esta investigación muestra la importancia de la nanobentonita en la mejora del suelo, como técnica NSI.

Los suelos no tratados son tipos de suelos sueltos y poco compactados que pueden ser inestables y causar problemas en los cimientos de la construcción. La construcción en suelos no tratados puede tener consecuencias graves, como grietas en las estructuras y cimientos de los edificios. Las técnicas comunes para mejorar los suelos incluyen la mezcla profunda del suelo, las columnas de piedra, el jet grouting, la precarga y métodos relacionados, pero estas técnicas pueden no ser suficientes para algunos tipos de suelos. El uso de aditivos puede ser una forma eficaz de mejorar los suelos y hacerlos más estables. Los aditivos pueden incluir estabilizadores tradicionales como cal, cemento, cenizas volantes y aditivos relacionados. Cada uno de estos materiales tiene sus propias ventajas y desventajas, y es importante estudiar las diferencias entre ellos para comprender las mejores opciones para mejorar suelos no tratados1.

De acuerdo con estas condiciones, los investigadores están encontrando nuevas técnicas de mejora del suelo. Existen pocos estudios donde la bentonita mostró su potencial para aumentar la resistencia de los suelos2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, 20,21,22,23,24,25. La bentonita es uno de los aditivos ecológicos recientes que se utilizan para mejorar las propiedades geotécnicas de los suelos, aunque su resistencia es limitada. Los nanoaditivos (NA) son uno de los métodos recientes utilizados para mejorar las propiedades geotécnicas de los suelos. NA es un tipo de técnica de nanomejora del suelo (NSI). Recientemente, en algunos estudios se han utilizado nanoaditivos (NA) con excelentes propiedades mecánicas para la estabilización del suelo2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 ,17,18,19,20,21,22,23,24,25. He et al.2 evaluaron el papel de las bentonitas de Na modificadas en suelos calcáreos de color púrpura. Yu et al.3 investigaron dos tipos de bentonitas orgánicas con metales pesados ​​en la estabilización del suelo. Liu et al.4 probaron compuestos de quitosano/bentonita y Cr(VI) en la mejora del suelo. Pokharel y Siddiqua5 realizaron un estudio de caso canadiense sobre la combinación de arcilla de bentonita cálcica y cenizas volantes en suelos orgánicos. Algunos investigadores como Sun et al.6 evaluaron el papel del cadmio (Cd) y el plomo (Pb) utilizando bentonita en la mejora del suelo: Bani Baker et al.7, Liu8, Cheng et al.9 y Taha y Taha10 desarrollaron el papel. de nanobentonita en suelos arenosos y arcillosos. Kozlov et al.11 evaluaron el desempeño de sostenibilidad ambiental de la microbentonita. La composición del cemento y la bentonita fue controlada por Li y Zhang12, Bellil et al.13, Estabragh et al.14 y Consoli et al.19. Hussein y Ali15 ​​investigaron el papel de la fibra de polipropileno en suelos expansivos, mientras que Muhammad y Siddiqua16 analizaron la retroalimentación de la alcalinización de bentonita y magnesio a nivel micro en arena limosa. El Aal et al. evaluaron el papel del cloruro de sodio como estudio de caso en suelos aluviales26. Muthukkumaran y Selvan17 analizaron la combinación de bentonita rica en montmorillonita en suelos arcillosos. Estabragh et al.18 evaluaron suelos arcillosos con MTBE como método de mejora del suelo. Falamaki et al.20 probaron la composición de bentonita y fosfato en el mejoramiento de arcilla. Zhao et al.21 y Li et al.27 investigaron el papel del rendimiento microbiano con bentonita en el mejoramiento del suelo grueso. Algunos investigadores, como Shourijeh et al.22, Firoozfar y Khosroshahiri23, y Cheng et al.9, utilizaron diferentes tipos de arcilla de tamaño micro y nanométrico para mejorar la erosión, los vertederos y la consolidación. La importancia de los nanoaditivos en la estabilización del suelo se describió en investigaciones existentes24,25. Sakr et al.28 evaluaron el papel del polvo de cáscara de arroz como estudio de caso en el hinchamiento del suelo.

Según una revisión de la literatura, no se han realizado investigaciones sobre la preparación de nanoaditivos sin el aporte de productos químicos utilizando menor costo y energía por métodos mecánicos. La mayoría de los estudios han utilizado partículas de polvo en la estabilización de suelos2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22,23,24,24,25,27,28. La falta de investigación sobre los efectos de la base en polvo de micro y nanoaditivos en los suelos llevó a este estudio a examinar el efecto de la estabilización del suelo mediante microbentonita y nanobentonita utilizando el método de suspensión. La bentonita es una arcilla natural muy utilizada en muchos campos, especialmente en la edificación y obras públicas. Se utiliza como coadyuvante en la fabricación de hormigón, como conglomerante de suelos, como impermeabilizante de cimentaciones y como material de contención de residuos nucleares. Las ventajas de la bentonita incluyen su abundante disponibilidad, bajo costo, capacidad para retener agua y capacidad para mejorar las propiedades físicas y químicas de los materiales a los que se agrega. Este estudio se realizó para estabilizar y mejorar las propiedades del suelo, considerando la justificación económica y el uso óptimo de las micro y nanopartículas de bentonita, lo que no se había realizado anteriormente en suelos arenosos arcillosos. Según una revisión de la literatura, ninguna investigación previa ha preparado nanopartículas sin productos químicos utilizando métodos mecánicos de bajo costo y energéticamente eficientes. Esta investigación estabilizó y mejoró las propiedades del suelo con nanopartículas solubles, considerando la justificación económica y el uso óptimo de las nanopartículas de bentonita. Esto no se ha hecho antes, hasta donde sabemos. Comparar los efectos de la microbentonita y la nanobentonita es un tema de investigación importante para comprender las ventajas potenciales de la nanobentonita sobre la microbentonita. La nanobentonita puede tener propiedades únicas que pueden hacerla más efectiva para mejorar suelos arenosos arcillosos que la microbentonita, pero comprender las diferencias entre las dos es importante para determinar las mejores opciones para proyectos de construcción. Esta investigación tiene como objetivo estudiar las diferencias entre microbentonita y nanobentonita para mejorar suelos arenosos arcillosos. El principal objetivo de esta investigación es comparar los efectos de la microbentonita y la nanobentonita como aditivos en suelos arcillosos y arenosos. Incluye el estudio de las propiedades físicas y mecánicas de los suelos arenosos arcillosos mejorados, así como su capacidad para soportar cargas y mantener su estabilidad en el tiempo. Se realizaron pruebas en laboratorio para comprender las diferencias entre microbentonita y nanobentonita, en suelos arcillosos y arenosos.

Así, en esta investigación, se utilizó una cantidad fija de microbentonita y nanobentonita agregada de menor a mayor concentración al 0, 1, 2 y 3% como estabilizador para mejorar las propiedades geotécnicas de suelos arenosos arcillosos. Todos estos suelos arenosos arcillosos se evaluaron para obtener límites de Atterberg, módulos elásticos (E50) y resistencia a la compresión libre (UCS). Todas las muestras se caracterizaron para evaluar el potencial de la micro y nanobentonita en la mejora de las características de rendimiento de suelos arenosos arcillosos mediante análisis SEM, XRD y XRD. Los resultados de esta investigación podrían utilizarse para desarrollar nuevas técnicas para mejorar suelos no tratados e informar sobre normas y códigos de construcción.

Se prepararon muestras de suelo arenoso arcilloso de Survajin Aghigh en la provincia de Qazvin, Irán. El suelo de la muestra se clasificó como arena arcillosa (SC) según el sistema unificado de clasificación de suelos (USCS). La curva de gradación, que se muestra en la Fig. 1, indica que la muestra de suelo consta de 17% de grava, 43% de arena, 40% de arcilla y limo. La Tabla 1 presenta las propiedades del suelo, como los límites de Atterberg, el contenido de humedad y el peso unitario seco, que se obtuvieron del informe del estudio del suelo. La microbentonita utilizada en esta investigación está disponible comercialmente en Irán. Las características fisicoquímicas (análisis XRF) de la microbentonita utilizada se dan en la Tabla 2.

Gráfico de distribución granulométrica de la arena arcillosa.

La microbentonita se utilizó para producir nanobentonita. La composición química de la nanobentonita se proporciona en la Tabla 3. Un molino de bolas utilizado para producir nanobentonita en polvo. El polvo de nanobentonita se convirtió en suspensión mediante un mezclador homogeneizador, denominado nanobentonita. La nanobentonita se almacenó a temperatura ambiente antes de su uso.

La muestra de arena arcillosa se secó en estufa a 105 °C. En la Fig. 1 se muestra el diagrama de distribución del tamaño de grano de la arena arcillosa. En esta investigación, se evaluaron dos tipos de aditivos en tamaño micro y nano en un laboratorio de mecánica de suelos. En el primer tipo, se añadió microbentonita en cantidades de 0, 1, 2 y 3% en peso seco al suelo arenoso arcilloso y se mezcló para obtener una muestra homogénea. En el segundo tipo, se introdujo nanobentonita en cantidades de 0, 1, 2 y 3% en peso seco del suelo en la arena arcillosa y se mezcló para obtener un material homogéneo. Las muestras finales de arena arcillosa con 0, 1, 2 y 3% de micro y nanobentonita se codifican como bentonita y nanobentonita, respectivamente. El contenido de agua óptimo para preparar muestras de suelo se evaluó según la prueba de compactación estándar de Proctor que se muestra en la Fig. 2. Todas las muestras se probaron en varios tiempos de curado, como 1, 7 y 28 días.

El contenido óptimo de agua.

La prueba de compactación estándar en el gráfico de la Fig. 2 muestra la densidad seca máxima de una muestra de arena arcillosa sin tratar. La prueba de compactación estándar de la muestra de arena arcillosa muestra que la curva de compactación aumenta a 2,02 g/cm3 de peso unitario seco con un contenido de agua del 7,5%. El contenido óptimo de agua de la arena arcillosa sin tratar es del 7,5%, lo que corresponde a la densidad seca máxima de 2,02 g/cm3.

Los límites de Atterberg determinan las propiedades de plasticidad de un suelo que son importantes para la valoración de la estabilidad del suelo. Se determinó el límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad. Estos valores de muestras de arena arcillosa con aditivos de micro y nanobentonita se evaluaron de acuerdo con la norma ASTM D 4318.

Se preparó una serie de especímenes de prueba, cada uno de 50 mm de diámetro por 100 mm de altura, con un contenido de humedad óptimo para determinaciones de UCS en varios tiempos de curado. Estos valores de resistencia para muestras de arena arcillosa con aditivos de micro y nanobentonita se evaluaron con base en ASTM D 2166. Se aplicó una velocidad de deformación axial de 1,27 mm/min. Estas muestras se probaron para períodos de curado de 1d, 7d y 28d. Se determinó el módulo secante al 50% de la tensión máxima (E50) de las micro y nanomuestras tratadas y se comparó con la muestra no tratada en función del comportamiento tensión-deformación registrado en la prueba UCS.

El análisis de fluorescencia de rayos X (XRF) es una técnica analítica que utiliza rayos X para excitar átomos en una muestra y medir la luz emitida por los átomos excitados. Esta luz se puede analizar para determinar la composición química de la muestra. El análisis de fluorescencia de rayos X es una forma rápida y precisa de determinar la composición de muchos tipos de materiales, como minerales, aleaciones metálicas, productos químicos y productos de consumo. Se utiliza ampliamente en las industrias minera, petrolera y metalúrgica, así como en aplicaciones ambientales y de seguridad y salud ocupacional. Estos valores de muestras de arena arcillosa con micro y nanobentonitas se evaluaron con base en ASTM E1621-13 en XRF. La prueba de difracción de rayos X (DRX) es un método utilizado para estudiar la estructura cristalina de una sustancia. Implica el uso de rayos X para producir difracción de luz en los átomos de un cristal, produciendo una imagen que puede analizarse para determinar la disposición espacial de los átomos en la estructura cristalina. La prueba de difracción de rayos X permitió determinar la estructura cristalina de la bentonita. Se evaluó la XRD para identificar minerales y otras estructuras cristalinas de muestras de suelo, incluidas muestras tratadas y no tratadas con micro y nanobentonitas, utilizando un difractómetro de rayos X en Teherán, Irán. Estos valores de suelo arenoso arcilloso con aditivos de micro y nanobentonita se evaluaron según la norma BS EN 13925-1 en XRD. El análisis de microscopía electrónica de barrido (SEM) es una técnica de imágenes utilizada para estudiar la estructura y composición de materiales a escala micro y nano. Permite utilizar un haz de electrones para escanear la superficie de una muestra y producir una imagen bidimensional de su superficie. Las microestructuras de todas las muestras recubiertas de oro se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) en Teherán, Irán. Estos valores de especímenes de arena arcillosa con aditivos de micro y nanobentonita se evaluaron con base en escalas de 5 µ y 500 nm en SEM.

Generalmente el comportamiento de las arenas arcillosas tratadas y no tratadas está relacionado con el contenido de agua. Según las Figs. 3 y 4, los valores del límite líquido de las muestras de arena arcillosa aumentaron con una cantidad creciente de microbentonita hasta una concentración del 3% y se observó un comportamiento similar del límite plástico y el índice de plasticidad. En las muestras con nanobentonita, el límite líquido, el límite plástico y el índice de plasticidad de las muestras tratadas aumentaron hasta un 3% de contenido de microbentonita.

Variaciones de los límites de Atterberg de arenas arcillosas tratadas con contenido de microbentonita.

Variaciones de los límites de Atterberg del contenido de nanobentonita en arenas arcillosas tratadas.

Los resultados de la Fig. 5 muestran que los aditivos tienen un efecto significativo sobre el límite líquido de las muestras mejoradas con microbentonita y nanobentonita. En general, los aditivos aumentaron el límite líquido de la microbentonita y la nanobentonita. Sin embargo, el efecto fue más marcado para la nanobentonita. Se observa que con un contenido de aditivo del 1% el límite líquido es del 41% y con un contenido de aditivo del 3% el límite líquido llega al 47%. Se produce un notable aumento del límite líquido del 6% entre el contenido de aditivo del 1 y el 3%. El contenido de aditivo tuvo un efecto significativo en el límite líquido de las muestras con nanobentonita, mucho mayor en comparación con el aditivo de microbentonita. En general, cuanto mayor sea el contenido de aditivos, mayor será el límite plástico de la muestra mejorada con microbentonita. Sin embargo, también se ha observado que un mayor contenido de aditivos puede aumentar significativamente el límite plástico de la muestra con nanobentonita. Se observan picos notables con un contenido de aditivo del 2 y 3% para la nanobentonita y un pico notable con un contenido de aditivo del 3% para la microbentonita en la Fig. 6. Se puede suponer que con un contenido de aditivo del 3%, el mayor Se observa el límite plástico de la nanobentonita. En conclusión, los resultados sugieren que el contenido de microbentonita puede ejercer influencia sobre el límite plástico de arenas arcillosas, y que la nanobentonita puede considerarse como un aditivo más eficaz para mejorar el límite plástico de arenas arcillosas no tratadas debido a su mayor Capacidad para distribuir uniformemente los aditivos en suelos arenosos arcillosos no tratados.

Variaciones del límite líquido de arenas arcillosas tratadas con contenido de micro y nanobentonita.

Variaciones del límite plástico de arenas arcillosas tratadas con contenido de micro y nanobentonita.

En suelo tratado el índice de plasticidad aumenta con el contenido de aditivo (Figs. 6 y 7). Con un contenido de aditivo del 2%, el índice de plasticidad de la probeta mejorada con nanobentonita es inferior al de la microbentonita. Se observó que con un contenido de aditivo del 3%, el índice de plasticidad de la muestra tratada con nanobentonita es menor que el mejorado con microbentonita. La adición de nanobentonita con el proceso de nanocementación ayuda a la floculación de las partículas de arena arcillosa, lo que da como resultado un mejor comportamiento de estas muestras de suelo que las muestras tratadas con microbentonita.

Variaciones del índice de plasticidad de arenas arcillosas tratadas con contenido de micro y nanobentonita.

Los resultados en el gráfico de la Fig. 8 de deformación axial versus tensión axial mostraron que la adición de microbentonita al suelo arenoso arcilloso influyó en las propiedades mecánicas de las muestras no tratadas.

Resistencia al corte movilizada para muestras de arena arcillosa tratada y no tratada para varios porcentajes de microbentonita en diferentes períodos de curado. Escala vertical.

Los resultados sugieren que la adición de microbentonita se puede utilizar para fortalecer la arena arcillosa y mejorar su capacidad para resistir la deformación y la falla bajo cargas pesadas. La curva de arena arcillosa al 1d de curado aumenta gradualmente hasta alcanzar su máximo con una tensión axial de 3 kg/cm2 para una deformación axial del 0,18%. La muestra arenosa arcillosa tratada con la adición de 1% de microbentonita en 1 día de maduración alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 2,8 kg/cm2 para una deformación axial del 0,11%. La adición de 1% de microbentonita a la muestra de arena arcillosa disminuyó la deformación axial en el momento de la falla. La muestra de arena arcillosa con la adición de un 2% de microbentonita al 1d de maduración alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 3,3 kg/cm2 para una deformación axial del 0,12%. La muestra de arena arcillosa con la adición de 3% de microbentonita en un día de maduración alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 3 kg/cm2 y una deformación axial del 0,13%. La deformación axial en el momento de la falla disminuye con el contenido de microbentonita. La muestra de arena arcillosa con la adición de 3% de microbentonita en tiempos de curado de 7d alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 3,5 kg/cm2 para una deformación axial de 0,13%. La muestra de arena arcillosa con la adición de 3% de bentonita a los 28 días de maduración alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 3,5 kg/cm2 para una deformación axial de 0,13%. La adición de un 3% de microbentonita a la muestra aumentó la tensión axial en 0,5 kg/cm2 (3 kg/cm2/3 kg/cm2) en tiempos de curado de 7 días. Se puede suponer que la adición de un 3% de microbentonita a la arena arcillosa estabiliza el valor de la tensión axial en el momento de la falla independientemente del tiempo de curado. Sin embargo, también se puede suponer que la tensión axial y la deformación en el momento de la falla se estabilizan después de 7d. No hay mucha diferencia entre la curva que representa la adición de 3% de bentonita a los 7 días de curado y la curva que representa la adición de 3% de bentonita a los 28 días de curado.

La Fig. 9 muestra la deformación axial en función de la tensión axial de la arena arcillosa con la adición de nanobentonita. La curva para la arena arcillosa en el curado 1d aumenta progresivamente hasta alcanzar su máximo con una tensión axial de 3 kg/cm2 para una deformación axial del 0,18%. La muestra de arena arcillosa con la adición de un contenido de nanobentonita del 1 % tras 1 día de curado alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 4,5 kg/cm2 para una deformación axial del 0,17 %. La muestra de arena arcillosa con la adición de un contenido de nanobentonita del 2% en el curado 1d alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 5 kg/cm2 para una deformación axial del 0,21%. La muestra de arena arcillosa con la adición de un contenido de nanobentonita del 3 % con un curado de 1 día alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 6 kg/cm2 para una deformación axial del 0,25 %. Cuanto mayor sea el contenido de aditivo, mayor será la tensión axial en el momento de la falla.

Resistencia al corte movilizada para arenas arcillosas tratadas y no tratadas con varios porcentajes de microbentonita en diferentes períodos de curado.

La muestra de arena arcillosa con la adición de un contenido de nanobentonita del 3% en el curado 7d alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 7 kg/cm2 para una deformación axial del 0,15%. La muestra de arena arcillosa con la adición de 3% de nanobentonita con un curado de 28 días alcanza su máximo óptimo con una tensión axial de 7 kg/cm2 para una deformación axial del 0,15%. Se puede ver nuevamente que en el curado 7d, la resistencia de la muestra de arena arcillosa con la adición de un contenido de nanobentonita del 3% se estabiliza. Las observaciones sugieren que la adición de nanobentonita mejora la resistencia de la arena arcillosa que actúa como aglutinante. Los resultados en la Fig. 10 muestran la influencia del período de curado en el módulo secante al 50% de la tensión máxima con un 3% de aditivo de microbentonita y nanobentonita.

E50 frente a varios tiempos de curado para arena arcillosa tratada con un 3% de contenido de micro y nanobentonita.

En 1d, el módulo secante al 50% de la tensión máxima (E50) de la microbentonita y la nanobentonita es 2500 y 2000 kg/cm2 respectivamente. En 7d, el módulo secante al 50% de la tensión máxima de la microbentonita y la nanobentonita es 2300 y 4500 kg/cm2 respectivamente. Se observa una reducción en el módulo secante al 50% de la tensión máxima para la microbentonita, mientras que la de la nanobentonita se duplica. El día 28, los E50 de la microbentonita y la nanobentonita son 2300 y 6000 kg/cm2 respectivamente. Se observa una disminución adicional en el módulo secante al 50% de la tensión máxima para la microbentonita, mientras que el de la nanobentonita continúa aumentando. Se observa una disminución en el módulo secante al 50% de la tensión máxima con el tiempo para la microbentonita. Sin embargo, se observa un fuerte aumento en el módulo secante al 50% de la tensión máxima con el tiempo para la nanobentonita. En 1d, el E50 es de 2000 kg/cm2 y se acerca a los 6000 kg/cm2 en 28 d. Por tanto, el E50 es 3 veces mayor el día 28 que el día 1. Las observaciones sugieren que la nanobentonita con un 3% de aditivo tiene un módulo secante más alto al 50% de la tensión máxima con el tiempo, mientras que la microbentonita se degrada.

Los resultados en el gráfico de barras de la Fig. 11 muestran el contenido de aditivo en función del módulo secante al 50% de la tensión máxima de suelo arenoso arcilloso, microbentonita y nanobentonita a 1 día de tiempo de curado.

E50 versus especímenes de arena arcillosa tratada y sin tratar con varios porcentajes de micro y nanobentonita en un tiempo de curado de 1 día.

La arena arcillosa sin aditivos alcanza un módulo secante E50 al 50% de 1500 kg/cm2. Con la adición de un 1% de microbentonita y nanobentonita se alcanzan respectivamente 2500 y 3000 kg/cm2 en un día de curado.

El módulo E50 del suelo tratado con microbentonita y nanobentonita es mayor que el de la muestra de arena arcillosa.

Al examinar la morfología de muestras de arena arcillosa con micro y nanobentonita, la microscopía electrónica de barrido (SEM) mostró el mecanismo de cementación que conduce a la mejora de las propiedades mecánicas de las muestras de suelo. SEM implica el uso de un haz de electrones para escanear la superficie de una muestra y producir su imagen bidimensional. Los suelos tratados y no tratados tienen una estructura muy compleja donde no es fácil demostrar la presencia de micro y nanopartículas usando SEM, aunque se observaron micro y nanobentonitas en varias imágenes SEM que se muestran en las Figs. 12 y 13. Se observaron varias estructuras tipo microbentonitas, con escala de microtamaño en diferentes porcentajes 0, 1, 2 y 3% en los especímenes, como se muestra en la Fig. 12a. La morfología de la muestra de arena arcillosa sin tratar se observa en la Fig. 12b. La observación de alta resolución mostró que las partículas de microbentonita están dispuestas en capas y tienen forma de lámina, lo que podría explicarse por su capacidad para formar una estructura de partículas agregadas. Las partículas observadas tienen bordes relativamente irregulares y una superficie rugosa con asperezas de diferentes tamaños. En conclusión, la microbentonita tiene forma de lámina, lo que podría explicar su capacidad para formar una capa y agruparse.

Micrografías SEM de (a) muestra de arena arcillosa tratada con aditivos de microbentonita, (b) muestra de suelo sin tratar para tiempos de curado de 1d.

Micrografías SEM de (a) muestra de arena arcillosa tratada con aditivos de nanobentonita durante 28 días de curado, (b) muestra de arena arcillosa tratada con aditivos de nanobentonita durante 7 días de curado.

El análisis con microscopio electrónico de barrido de las partículas de nanobentonita en la Fig. 13 reveló una estructura agregada de partículas uniforme y relativamente pequeña. El aditivo de nanobentonita (NB) aumentó la agregación de partículas con la formación de gel que mantiene unidas las partículas del suelo, lo que es la causa de una mayor reactividad de la nanobentonita con las partículas de arena arcillosa. La observación de alta resolución mostró que las partículas de nanobentonita tienen forma esférica, con una superficie lisa e irregular. Esta forma esférica y superficie lisa podrían explicar la estabilidad de la dispersión de la nanobentonita en soluciones acuosas. Además, la nanobentonita tiene mayor porosidad y permeabilidad que la bentonita tradicional. Esto podría aumentar su eficacia como aditivo para mejorar suelos arenosos arcillosos.

Para confirmar que el aditivo de nanobentonita alcanza la máxima mejora de resistencia en muestras de arena arcillosa que incluyen un 3% de nanobentonita, las muestras se evaluaron con SEM. Las imágenes SEM proporcionaron una buena observación sobre el proceso de nanobentonita y el cambio de composiciones superficiales en diferentes muestras de suelo arenoso arcilloso.

La prueba de difracción de rayos X (DRX) es un método utilizado para estudiar la estructura cristalina de una sustancia. Para confirmar que el aditivo de nanobentonita alcanza la máxima mejora en muestras de arena arcillosa, incluido un 3% de nanobentonita, las muestras se evaluaron con XRD. Los resultados mostraron que la microbentonita se caracteriza por una estructura cristalina muy fina y homogénea. Los picos de difracción observados en el gráfico de la Fig. 14 indican la mayor presencia de Cuarzo y Moscovita, que son responsables de la estructura esmectita característica de la bentonita.

Patrón XRD de una muestra de arena arcillosa tratada con microbentonita.

En general, los resultados de la prueba de difracción de rayos X (XRD) confirman que la microbentonita es efectivamente una arcilla de esmectita y muestran que la estructura cristalina de la bentonita es muy fina y homogénea. Este tipo de estructura cristalina es muy favorable para aplicaciones geotécnicas, ya que puede mejorar la resistencia al corte y la estabilidad de suelos blandos. La Figura 14 muestra el patrón XRD de suelos arenosos arcillosos tratados con microbentonita. En conclusión, los resultados de la prueba de difracción de rayos X para microbentonita son muy prometedores para aplicaciones geotécnicas y sugieren que la microbentonita se puede utilizar eficazmente para mejorar las propiedades de la arena arcillosa.

La observación de los resultados de la prueba de difracción de rayos X para nanobentonita muestra picos distintos y bien definidos en ángulos de difracción específicos. Los picos de difracción en el gráfico de la Fig. 15 corresponden a distancias específicas entre los átomos de la nanobentonita, lo que indica una estructura cristalina bien definida y organizada.

Patrón XRD de arena arcillosa tratada con adición de nanobentonita.

Los resultados de esta prueba muestran que la nanobentonita tiene una estructura cristalina diferente a la microbentonita convencional, lo que puede explicar las diferencias en las propiedades de estos dos materiales. De hecho, la nanobentonita está compuesta principalmente de cuarzo y tiene una superficie mayor, lo que puede conducir a mejores propiedades de unión cuando se utiliza para mejorar la arena arcillosa.

Para confirmar que el aditivo de nanobentonita alcanza la máxima mejora de resistencia en muestras de arena arcillosa que incluyen un 3% de nanobentonita, se realizaron pruebas XRD. En conclusión, los resultados de la prueba de difracción de rayos X muestran que la nanobentonita tiene una estructura cristalina bien definida diferente a la de la microbentonita convencional, lo que puede explicar las diferencias en sus propiedades. Las observaciones de esta prueba son muy importantes para la mejora de la arena arcillosa, ya que muestran que la nanobentonita puede ser un material prometedor para esta aplicación debido a sus propiedades únicas.

Según la revisión de la literatura, la mayoría de los investigadores utilizaron microbentonita en el mejoramiento de suelos; además, realizaron el método del polvo para la estabilización de suelos. Esta investigación concluyó que la microbentonita puede ser una opción viable para la estabilización del suelo, pero requiere más investigación y optimización para determinar las condiciones y procesos óptimos para diferentes suelos y aplicaciones. Esta investigación también destacó los beneficios potenciales del uso de nanobentonita en suspensión como un nuevo aditivo para la mejora del suelo.

Esta investigación promoverá la utilización de micro y nanobentonita para técnicas de mejora del suelo. Este estudio confirmó el papel de la micro y nanobentonita en las técnicas de nanomejora del suelo. En conclusión, nuestros resultados mostraron que la nanobentonita puede considerarse como un aditivo más eficaz para mejorar las propiedades de suelos blandos en comparación con la microbentonita, gracias a su forma esférica, su superficie lisa y uniforme, su capacidad para aumentar la estabilidad del suelo y su mayor permeabilidad. Estas propiedades podrían hacerla superior a la bentonita tradicional como aditivo para mejorar suelos blandos. Las pruebas de límite de Atterberg han demostrado que los aditivos de nanobentonita pueden reducir el índice de plasticidad y mejorar la consistencia de la arena arcillosa. Nuestros resultados muestran que la nanobentonita es más eficaz a largo plazo para mejorar las propiedades de la arena arcillosa que la microbentonita cuando se combina con un contenido del 3%. Según los resultados de esta investigación, se recomienda el uso de 3% de nanobentonita para una mejora significativa de la arena arcillosa no tratada.

Los resultados mostraron que la suspensión de nanobentonita mejoró significativamente la resistencia y rigidez de la mezcla de suelo y bentonita al formar un gel que llenó los poros y unió las partículas del suelo. La nanobentonita también actuó como sitio de nucleación, mejorando la durabilidad y resistencia de la mezcla. La suspensión de nanobentonita mejoró las muestras de suelo, que llenaron los huecos de los geles. Esto desarrolló un nuevo método para mejorar el suelo mejor que el método en polvo que diferentes investigadores utilizaron antes. La nanobentonita como tipo de nanoaditivos se puede utilizar en técnicas de mejora de suelos en arenas arcillosas. Este es uno de los pocos estudios en los que se aplicaron directamente micro y nanobentonita en la estabilización del suelo. Esta investigación se realizó en condiciones de laboratorio. Es necesario realizar trabajos futuros a gran escala y en pruebas de campo.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Se ha publicado una corrección a este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38712-7

Niroumand, H. & Nikkhahnasab, S. Soil Improvement, ACECR, Irán (libro persa) (2019).

He, WY, Yang, JY, Li, J., Ai, YW & Li, JX Estabilización de vanadio en suelo calcáreo de color púrpura utilizando bentonitas de Na modificadas. J. Limpio. Pinchar. 268, 121978. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121978 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Yu, K. y col. Estabilización de metales pesados ​​en suelo mediante dos organobentonitas. Quimiosfera 184, 884–891. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.06.040 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Liu, Y., Jia, J., Zhang, H. & Sun, S. Estabilización mejorada con Cr (VI) en el suelo mediante compuestos de quitosano/bentonita. Ecotoxicol. Reinar. Seguro. 238, 113573. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2022.113573 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Pokharel, B. & Siddiqua, S. Efecto de la arcilla bentonita cálcica y las cenizas volantes en la estabilización del suelo orgánico de Alberta, Canadá. Ing. Geol. 293, 106291. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2021.106291 (2021).

Artículo de Google Scholar

Sun, Y., Li, Y., Xu, Y., Liang, X. y Wang, L. March). Remediación de estabilización in situ de suelos de arroz co-contaminados con cadmio (Cd) y plomo (Pb) utilizando bentonita. Aplica. Ciencia de la arcilla. 105–106, 200–206. https://doi.org/10.1016/j.clay.2014.12.031 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Bani Baker, M., Abendeh, R., Sharo, A. y Hanna, A. Estabilización de suelos arenosos mediante lechada de arcilla bentonita en mesa de laboratorio y escalas piloto. Recubrimientos 12(12), 1922. https://doi.org/10.3390/coatings12121922 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Liu, Z. Efecto de la mezcla de cemento y bentonita sobre el comportamiento de consolidación de suelos estuarinos blandos. En t. J. Geomate 18(65), 200. https://doi.org/10.21660/2019.64.19076 (2020).

Artículo de Google Scholar

Cheng, G., Zhu, HH, Wen, YN, Shi, B. & Gao, L. investigación experimental de las propiedades de consolidación de suelos arcillosos mixtos con nanobentonita. Sostenibilidad 12(2), 459. https://doi.org/10.3390/su12020459 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Taha, OME & Taha, MR Curvas características del suelo-agua y conductividad hidráulica de mezclas de nanomateriales-suelo-bentonita. Árabe. J. Geosci. https://doi.org/10.1007/s12517-015-2038-6 (2015).

Artículo de Google Scholar

Kozlov, A., Kulikova, A., Uromova, I. & Rumyantsev, R. Efectos de la estabilización de compuestos de humus por influencia de la roca bentonita como criterio para la sostenibilidad ambiental de los agroecosistemas de suelos de césped y podsólico. Teor. Aplica. Ecológico. 1, 133–138. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2021-1-133-138 (2021).

Artículo de Google Scholar

Li, XY y Zhang, ZG Estudio experimental sobre el rendimiento de ingeniería de la estabilización del suelo con bentonita con cemento Portland. Adv. Madre. Res. 179–180, 978–982 (2011).

Google Académico

Bellil, S., Abbeche, K. y Bahloul, O. Tratamiento de un suelo colapsable con una mezcla de bentonita y cemento. Semental. Geotecnología. Mec. 40(4), 233–243. https://doi.org/10.2478/sgem-2018-0042 (2018).

ADS del artículo Google Scholar

Estabragh, AR, Amini, M., Javadi, AA & Noguera, CL Remediación de un suelo arcilloso contaminado con fenantreno mediante el uso de una mezcla de bentonita y cemento. Reinar. Prog. Sostener. Energía https://doi.org/10.1002/ep.14055 (2022).

Artículo de Google Scholar

Hussein, SA & Ali, HA Estabilización de suelos expansivos mediante fibra de polipropileno. Civilización. Ing. J. 5(3), 624. https://doi.org/10.28991/cej-2019-03091274 (2019).

Artículo de Google Scholar

Muhammad, N. & Siddiqua, S. Estabilización de arena limosa mediante alcalinización con bentonita-magnesio: caracterización mecánica, fisicoquímica y microestructural. Aplica. Ciencia de la arcilla. 183, 105325. https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.105325 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Muthukkumaran, K. & Selvan, SS Estabilización de arcilla bentonita rica en montmorillonita utilizando ceniza de hojas de neem. En t. J. Geosynth Ground Eng. https://doi.org/10.1007/s40891-020-0194-6 (2020).

Artículo de Google Scholar

Estabragh, AR, Kholoosi, MM, Ghaziani, F. & Javadi, AA Estabilización y solidificación de un suelo arcilloso contaminado con MTBE. J. Medio Ambiente. Ing. https://doi.org/10.1061/(asce)ee.1943-7870.0001248 (2017).

Artículo de Google Scholar

Consoli, NC, Heineck, KS y Carraro, JAH Estabilización con cemento Portland de suelo-bentonita para muros de corte verticales contra contaminantes de gasóleo. Geotecnología. Geol. Ing. 28(4), 361–371. https://doi.org/10.1007/s10706-009-9297-5 (2010).

Artículo de Google Scholar

Falamaki, A., Eskandari, M., Homaee, M. & Gerashi, M. un revestimiento de arcilla compactada multicapa mejorado mediante la adición de bentonita y compuestos de fosfato al suelo arenoso. KSCE J. Civilización. Ing. 22(10), 3852–3859. https://doi.org/10.1007/s12205-018-1554-9 (2018).

Artículo de Google Scholar

Zhao, Y. et al. Precipitación de carbonatos inducida por microbios asistida por bentonita para la mejora gruesa del suelo. Toro. Ing. Geol. Reinar. 80(7), 5623–5632. https://doi.org/10.1007/s10064-021-02302-6 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Shourijeh, PT, Soroush, A. & Daneshi-Sadr, AH Los efectos de la cal, la bentonita y la nanoarcilla sobre las características de erosión de los suelos arcillosos. EUR. J. Medio Ambiente. Civilización. Ing. 26(9), 3762–3787. https://doi.org/10.1080/19648189.2020.1818629 (2020).

Artículo de Google Scholar

Firoozfar, A. & Khosroshiri, N. Mejora de la arcilla de Kerman mediante cal y bentonita para su uso como materiales de revestimiento de vertederos. Geotecnología. Geol. Ing. 35(2), 559–571. https://doi.org/10.1007/s10706-016-0125-4 (2016).

Artículo de Google Scholar

Huang, Y. & Wang, L. Estudios experimentales sobre nanomateriales para la mejora del suelo: una revisión. Reinar. Ciencia de la Tierra. https://doi.org/10.1007/s12665-015-5118-8 (2016).

Artículo de Google Scholar

Arora, A., Singh, B. y Kaur, P. Rendimiento de las nanopartículas en la estabilización del suelo: una revisión exhaustiva. Madre. Hoy Proc. 17, 124-130. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.06.409 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

El Aal, AA et al. Aspectos geotécnicos de suelos aluviales a diferentes profundidades bajo la acción del cloruro de sodio en la región de Najran, Arabia Saudita: campo respaldado por pruebas de laboratorio. Frente. Reinar. Ciencia. Segundo. Reinar. Sistema. Ing https://doi.org/10.3389/fenvs.2023.1073718 (2023).

Artículo de Google Scholar

Li, M., Fang, C., Kawasaki, S. y Achal, V. Cenizas volantes incorporadas con biocemento para mejorar la resistencia del suelo expansivo. Ciencia. Representante https://doi.org/10.1038/s41598-018-20921-0 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Sakr, MA y cols. Efecto de diversas proporciones de polvo de cáscara de arroz sobre el suelo hinchado de la ciudad de Nuevo Cairo, Egipto. Aplica. Ciencia. 12(3), 1616. https://doi.org/10.3390/app12031616 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Descargar referencias

Los autores agradecen la financiación de la Agencia Nacional Polaca de Intercambio Académico.

Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Técnica Buein Zahra, Qazvin, Irán

Mohadeseh Cheraghalikhani y Hamed Niroumand

Departamento de Ingeniería Geotécnica e Hidráulica, Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad Tecnológica de Gdansk, Gdansk, Polonia

Lech Balachowski

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

MC, HN y LB realizaron los experimentos y escribieron el manuscrito. MC y HN analizaron los datos. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Hamed Niroumand.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

La versión original en línea de este artículo fue revisada: en la versión original de este artículo, Hamed Niroumand estaba afiliado incorrectamente al 'Departamento de Ingeniería Geotécnica e Hidráulica, Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad Tecnológica de Gdansk, Gdansk, Polonia'. La afiliación correcta es: Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Técnica Buein Zahra, Qazvin, Irán.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Cheraghalikhani, M., Niroumand, H. & Balachowski, L. Micro y nanobentonita para mejorar la resistencia de la arena arcillosa como una técnica nano de mejora del suelo. Informe científico 13, 10913 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37936-x

Descargar cita

Recibido: 06 de marzo de 2023

Aceptado: 29 de junio de 2023

Publicado: 05 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37936-x

Cualquier persona con la que comparta el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.