Influencia de los nanomateriales en la estabilización de suelos blandos: Nanosílice y Nanoarcilla

Resumen

Los ingenieros y diseñadores utilizan con frecuencia el procedimiento de mejorar el suelo mediante la adición de diversos estabilizadores, que suelen emplearse para mejorar la calidad del suelo. Los métodos modernos como la adición de nanopartículas al suelo natural débil para rellenar huecos a escala nanométrica o entre 1 nm y 100 nm, y mejorar todas las cualidades geotécnicas se conocen como nanotecnología. En esta investigación, se realizaron pruebas de laboratorio para evaluar el comportamiento de los suelos blandos estabilizados con nanopartículas -nanoarcilla y nanosílice- en relación con los parámetros geotécnicos. El principal objetivo de este estudio es investigar cómo modestas concentraciones de nanosílice y nanoarcilla (0,05%, 0,15%, 0,25% y 0,35%) pueden mejorar las cualidades físicas del suelo. La estabilización del suelo mediante nanomateriales ha demostrado buenos resultados, ha aumentado todos los parámetros geotécnicos, incluidos el índice y las propiedades de ingeniería, y ha mejorado la resistencia del suelo y la resistencia al cizallamiento efectivo del suelo blando estabilizado. También proporcionó al suelo la dosis ideal del efecto de las nanoarcillas. Se alcanzaron densidades secas de 1,81kN/m2 con un 1% de nanosílice y un 0,15% de nanoarcilla. Tras 28 días de curado, las características de resistencia a la compresión no confinada aumentaron de 0,201 MPa a 0,821 MPa con un 1% de nanosílice y un 0,15% de nanoarcilla, a medida que el espacio poroso se llenaba de nanopartículas y mejoraba la resistencia a la compresión del suelo. La estabilización es beneficiosa para todos los terraplenes relacionados con la estabilidad de taludes, el transporte, la geotecnia y la estabilidad civil.

Palabras clave

Nanosílice, Nanoarcilla, Resistencia a la compresión no confinada, Ensayo Proctor Estándar

1.Introducción

Los suelos naturalmente arcillosos rara vez pueden satisfacer las especificaciones de capacidad portante de los proyectos de ingeniería geotécnica contemporáneos. Debido a su alta compresibilidad, alto potencial de hinchamiento y contracción, escasa permeabilidad, baja resistencia al corte y baja permeabilidad, los suelos blandos se consideran suelos problemáticos. Según [2], se dice que los suelos blandos tienen un comportamiento impredecible y cualidades de ingeniería no deseadas. El proceso de añadir materiales al suelo o cambiar sus características naturales con el fin de mejorar sus cualidades de ingeniería, como la resistencia, la durabilidad y la resistencia a la deformación, se conoce como estabilización de suelos. Se pueden utilizar tres categorías generales para clasificar las técnicas de estabilización de suelos: técnicas mecánicas, químicas y físicas. En general, los suelos de cimentación pueden ver alteradas o mejoradas sus cualidades de resistencia y deformación mediante la adición de una serie de materiales de refuerzo o tratamiento [7], [13], [12], [19] y [20]. Estos compuestos se dividen en tres categorías: agentes de curado compuestos, sustancias estabilizadoras iónicas del suelo y aglutinantes inorgánicos. Para la modificación química del suelo, los ligantes inorgánicos (tales como cemento, cal, cenizas volantes y sus mezclas) son comúnmente utilizados entre otros materiales estabilizados [3]. Según [18], con menores tensiones efectivas medias iniciales o mayor contenido de cemento, los suelos cementados muestran un comportamiento tensión-deformación más frágil y un aumento considerable del módulo elástico y de la resistencia pico. Según [12], la adición de fibras de polipropileno al suelo cementado aumenta el contenido de fibra, que a su vez aumenta la relación de tensión principal en el fallo, así como el pico y las resistencias al corte residuales. En una serie de experimentos, [15] añadió nano-sílice a suelos arcillosos y descubrió que esto provocaba una disminución del índice de hinchamiento de la arcilla. En la actualidad, los investigadores interesados en aplicaciones de ingeniería, especialmente en ingeniería civil, se interesan cada vez más por los nanomateriales y las nanopartículas. Los nanomateriales son una clase de materiales ultrafinos que tienen tamaños de partícula que oscilan entre 1 y 100 nm con una enorme superficie específica. Debido al aumento de la superficie total y a su capacidad para funcionar como catalizadores eficaces, las nanopartículas se vuelven más reactivas que su tamaño inicial y pueden desarrollar materiales con nuevos usos. Más bien, la enorme superficie de una nanopartícula aumentará la cantidad de contacto entre los componentes entremezclados, como en los nanocompuestos, incrementando la resistencia de los materiales. Como resultado, se vuelve más reactivo y podría ser útil para mejorar las características del suelo para una serie de usos. Un tipo particular de nanopartícula conocida como nanosílice está formada por minúsculas partículas de dióxido de silicio. La nanosílice puede tener una serie de beneficios cuando se aplica al suelo arcilloso, algunos de los cuales pueden mejorar la calidad del suelo. Cuando la arcilla se estabiliza utilizando aditivos como cenizas volantes, cemento, humo de sílice y cal, las partículas son de tamaño micro y tienen poco efecto sobre las propiedades de los poros, incluyendo la compactación, la resistencia al cizallamiento, la gravedad específica, el índice de plasticidad y la permeabilidad [4] [16]. Estas adiciones por sí solas no aumentan suficientemente el rendimiento del suelo; los poros sólo se rellenan parcialmente. Para rellenar los poros del suelo a escala nanométrica y hacer que el suelo esté más compactado, se emplea la nanotecnología [17] [9] [1]. Esto tiene un mayor impacto global en la permeabilidad, el peso específico, la compactación, la resistencia al cizallamiento y el índice de plasticidad del suelo. El efecto de tamaño, el efecto cuántico, el efecto de superficie y el efecto de interfaz son las cuatro propiedades estructurales principales de los nanomateriales [6].Los nanomateriales ofrecen numerosos beneficios en términos de ciencia, medio ambiente, economía y mejor calidad de los productos. De todos los nanomateriales, la nanoarcilla ha demostrado un rendimiento superior en términos de índice de suelo y características de ingeniería. Se ha demostrado que la adición de cantidades extremadamente pequeñas de nanoarcilla al suelo mejoraba el límite líquido y repercutía en el índice de plasticidad [21]. Desde que las nanopartículas se utilizan de forma generalizada, su coste se ha reducido considerablemente, lo que abre la puerta a su uso generalizado en la industria de la ingeniería geotécnica.

El objetivo de este estudio es estudiar cómo afectan las nanopartículas a los suelos arcillosos. La investigación se ha llevado a cabo en suelos arcillosos suplementados con nanosílice y nanoarcilla. Para determinar la proporción ideal, primero se añadió nanosílice a la muestra de arcilla madre en incrementos del 0,7%, 1%, 1,2% y 1,5%. A continuación, las muestras se combinaron con nanoarcillas al 0,05%, 0,15%, 0,25% y 0,35%. Se realizó una comparación entre las características de una muestra de suelo arcilloso nativo y una muestra de suelo arcilloso químicamente estabilizado. Este trabajo examina una investigación experimental sobre la eficacia del empleo de nanomateriales (nanoarcilla y nanosílice) para mejorar las cualidades de resistencia y los parámetros del límite de Atterberg. Los resultados del experimento demostraron que la adición de una pequeña cantidad de nanoarcilla mejoraba significativamente las características geotécnicas del suelo blando.

2.Materiales y métodos

Se tomó una muestra de suelo nativo de Beel Dakatia. Está situado dentro de los límites administrativos del subdistrito de dumuria y phultala del distrito de Khulna, de los cuales el 50% del área está regularmente bajo 0,5 m a 2 m de agua. Se encuentra entre las longitudes 89'20'e y 89'35'e y las latitudes 22'45'n y 23'00'. Los suelos recogidos eran grumosos. Estaban sin tratar y se recogieron más de 25 kg en una bolsa sin usar. A continuación, se dejaron secar las tierras de forma natural. Para empezar, la tierra estaba húmeda. Los terrones de tierra seca se trituraron manualmente una vez finalizado el proceso de secado al aire. Después, las tierras pulverizadas se tamizaron de acuerdo con la norma astm c136. La distribución granulométrica se muestra en la fig. 1. Para los experimentos fue insuficiente por lo que los suelos secados al aire se secaron en un horno a 105°c durante 24 horas. El aditivo para este estudio fue nanosílice y nanoarcilla. La nanoarcilla y la nanosílice se añadieron a la tierra en diferentes porcentajes para preparar la muestra. Se recogieron 600 g de nanoarcilla en Calcuta, India. Se recogió 1 kg de nanosílice en el almacén científico de Khulna, Khulna. La cantidad necesaria para las pruebas se secó en horno durante 24 horas a la temperatura del suelo. Se prepararon dos tipos de muestras para la prueba. En primer lugar, se mezclaron 0,7%, 1%, 1,2% y 1,5% de nanosílice con la tierra madre para investigar la cantidad óptima de nanosílice. A continuación, se añadieron 0,05%, 0,15%, 0,25% y 0,35% de nanoarcilla al suelo junto con el contenido óptimo de nanosílice para hacer la muestra de la prueba. Se prepararon cuatro especímenes con nanosílice y nanoarcilla para cada prueba. La composición química de la nano sílice utilizada se muestra en la Tabla 1.

En esta investigación, la muestra de suelo arcilloso madre se recogió de la zona respectiva y las muestras para las pruebas se prepararon en el laboratorio. Todas las pruebas se realizaron en el laboratorio. A continuación se presenta el diagrama de flujo de la metodología de esta investigación:

Tabla 1: Composición química de la nanosílice utilizada

Fig. 1: Distribución granulométrica del suelo de ensayo.

3.Resultados y discusión

3.1 Efecto de la nano-sílice en la estabilización de suelos blandos

3.1.1Efecto de la nano-sílice en los límites de Atterberg del suelo

La Figura 2 muestra la relación entre el límite líquido del suelo estabilizado y el contenido de nano-sílice. En comparación con la muestra madre, la muestra arcillosa estabilizada tiene un valor de límite líquido más bajo en nuestro ensayo. El límite líquido aumenta a medida que aumenta la proporción de nano-sílice.. El límite líquido para la muestra arcillosa recogida fue de 43,25. El valor del límite líquido para la arcilla estabilizada con 0,7% de nanosílice fue de 44,33. El valor del límite líquido 44,64 al 1% de nanosílice utilizada para estabilizar el suelo. En el 1,2% de nanosílice utilizado cuando el límite líquido fue de 45,43. El límite líquido es máximo para la muestra estabilizada con 1,5% de nanosílice. El valor máximo del límite líquido es 45,86. Para el ensayo de límite plástico, el límite plástico aumentó para el suelo estabilizado a medida que aumentaba el porcentaje de nanosílice. Para la muestra de suelo madre, el límite plástico fue de 23,54. Al añadir 0,7% de nanosílice, el límite plástico aumentó y el valor fue de 25,98. El límite plástico aumentó al aumentar el porcentaje de nanosílice. El índice de plasticidad varía en la prueba al añadir diferentes contenidos en diferentes porcentajes. El índice de plasticidad fue de 19,71 para la muestra madre. El índice de plasticidad más bajo para el suelo estabilizado con 1% de nanosílice con un valor de 18,09 para la cantidad óptima. Así, el 1% de nanosílice muestra el mejor resultado. La variación del índice de plasticidad se muestra en la fig. 2. Según (foad changizi, 2017), el resultado fue similar con el experimento. Al determinar cuánto se espera que un suelo se asiente o consolide bajo carga, los límites de atterberg se pueden utilizar como referencia en el campo. Si la humedad de campo está cerca del límite líquido, se espera mucho asentamiento. Lo contrario ocurre si la humedad de campo está cerca o por debajo del límite plástico. En nuestro experimento, el índice de plasticidad disminuye y luego aumenta, el límite líquido aumenta y el límite plástico aumenta. Ese ejemplo, cuando se utiliza un 1% de nanosílice para estabilizar el suelo, se reduce el ritmo de asentamiento. Así pues, como aditivo químico, el 1% de nanosílice es un estabilizador óptimo que mejora las propiedades de las muestras de suelo arcilloso.

3.1.2Efecto de la nanosílice en las características de compactación del suelo

Se realizó el ensayo proctor estándar. En la prueba, el contenido de humedad óptimo disminuyó y la densidad seca máxima aumentó para el suelo estabilizado. El contenido óptimo de humedad fue del 18,6% para el suelo arcilloso madre. Posteriormente, el contenido óptimo de humedad disminuyó a medida que aumentaba el porcentaje de nanosílice, siendo el más bajo con un 1,5% de nanosílice y alcanzando el 15,7%. La densidad seca máxima fue de 1.75 KN/m2, 1.766 KN/m2, 1.78 KN/m2, 1.77 KN/m2, y 1.76 KN/m2 para suelo arcilloso, suelo estabilizado con 0.7% de nanosílice, 1% de nanosílice, 1.2% de nanosílice y 1.5% de nanosílice respectivamente. Estos resultados son similares a los de [5] [1].

Fig. 2: Índice de plasticidad (suelo no tratado + nanosílice)

Fig. 3: Características de compactación de la muestra de suelo mezclado con nanosílice

3.1.3Efecto de la nano-sílice en el ensayo de resistencia a la compresión no confinada

El ensayo de compresión no confinada (UCT) se utilizó para determinar las características mecánicas de la muestra de suelo. Determina la resistencia no drenada y las propiedades de tensión-deformación del suelo. En la figura 4 se muestra la relación de resistencia de la nanosílice en 1 día. Entre todos los porcentajes 0,7, 1, 1,2, 1,5% del peso seco del suelo, en el porcentaje 1 de nanosílice menor índice de plasticidad (de 21% a 19,5%), y densidad seca máxima significativa (de 1,75 a 1,78 KN/m2). Entre todos los porcentajes, el 1% de nanosílice mostró los mejores resultados, alcanzando el valor más alto de UCT en el 1%. Por ello, se eligió el 1% de nanosílice como la dosis óptima para el suelo.

Fig. 4: Prueba UCT de la muestra de suelo mezclada con nanosílice

3.2 Efecto de la Nanoarcilla en suelo arcilloso+ 1% nanosílice

3.2.1Efecto de la nanoarcilla en los límites de Atterberg del suelo + 1% de nanosílice

En nuestro ensayo, el límite líquido tiene menor valor en la muestra arcillosa estabilizada que en la muestra madre. El límite líquido aumentó con el incremento de los porcentajes de nanosílice y nanoarcilla. El límite líquido para la muestra arcillosa recogida fue de 43,25. El valor del límite líquido para la arcilla estabilizada con 1% de nanosílice + 0,05% de nanoarcilla fue de 41,57. El valor del límite líquido fue de 41,89 en el 1% de nanosílice+0,15% de nanoarcilla utilizado para estabilizar el suelo. En el 1% de nanosílice + 0,25% de nanoarcilla utilizado cuando el límite líquido fue de 45,43. El límite líquido es máximo para la muestra estabilizada con 1% de nanosílice + 0,35% de nanoarcilla. El valor mínimo del límite líquido es de 45,86. En nuestra prueba, el límite plástico aumenta para el suelo estabilizado. Para la muestra de suelo madre, el límite plástico fue de 23,54. Al añadir 1% de nanosílice + 0,05%, el límite plástico aumentó y el valor fue de 24,25. El límite plástico aumentó a medida que aumentaba el porcentaje de nanoarcilla. El índice de plasticidad varía en la prueba mientras se añaden diferentes contenidos en diferentes porcentajes. El índice de plasticidad fue de 19,71 para la muestra madre. El índice de plasticidad más bajo fue el del suelo estabilizado con 1% de nanosílice + 0,15% de nanoarcilla, con un valor de 16,89 para la cantidad óptima [8]. Así pues, el 0,15% de nanoarcilla muestra el mejor resultado. La variación del índice de plasticidad se muestra en la Figura 5.

3.2.2Efecto de la nanoarcilla en las características de compactación del suelo + 1% de nanosílice

La densidad seca máxima disminuye a medida que aumenta el nivel óptimo de humedad en el ensayo. Para la muestra madre, arcilla estabilizada con 1% de nanosílice+ 0,05% de nanoarcilla, 1% de nanosílice+ 0,15% de nanoarcilla, 1% de nanosílice+ 0,25% de nanoarcilla y 1% de nanosílice+ 0,35% de nanoarcilla, el nivel óptimo de humedad fue de 16,3%, 15,2%, 14,9% y 14,7%, respectivamente. La figura 6 muestra las características de compactación, que pueden verificarse con los resultados de [11].

3.2.3Efecto de la nanoarcilla en el ensayo de resistencia a la compresión no confinada del suelo + 1% de nanosílice

Para encontrar una combinación ideal de nanosílice y nanoarcilla, se mezcló el porcentaje óptimo de nanosílice con diferentes porcentajes de nanoarcilla para encontrar una combinación ideal de nanosílice y nanoarcilla, se mezcló el porcentaje óptimo de nanosílice con diferentes porcentajes de nanoarcilla. La prueba UCT se realizó a los 1, 3, 7, 14 y 28 días. En la prueba de 14 días, se produjo una mejora considerable. Esto se debe a la reacción puzolánica. Después de encontrar la nanosílice óptima, se añadió nanoarcilla a la mezcla de arcilla con nanosílice óptima en diferentes porcentajes (0,7%, 1%, 1,2% y 1,5%) y la resistencia máxima se encontró en el 0,15% de nanoarcilla y la mejora de la resistencia fue del 67%. Como resultado, descubrimos la cantidad apropiada de nano-sílice y nano-arcilla para la estabilización de suelos arcillosos. Los resultados se muestran en la figura 7.

Fig. 5: Índice de plasticidad (Suelo arcilloso+ 1% Nanosílice + Nanoarcilla)

Fig. 6 : Características de compactación de la muestra de suelo mezclado con nanoarcilla

Después de 24 horas, la mayor mejora de la resistencia se encontró en el 62% de la combinación (Nanosílice 1% + Nanoarcilla 0,15%). Entre todos los porcentajes del peso seco del suelo, el porcentaje 0,15 de Nanoclay trató la gravedad específica máxima, redujo el índice de plasticidad y la densidad seca máxima significativa. Así pues, el 0,15% de nanoarcilla resultó óptimo.

3.3 Efecto del 1% de nanosílice +0,15% de nanoarcilla en la prueba de permeabilidad del suelo blando

El suelo arcilloso blando se ha combinado con el contenido de humedad ideal, la densidad seca máxima y las dosis óptimas de nanosílice y nanoarcilla para preparar las muestras para las características de permeabilidad. Las muestras se conservaron en su envase final para evitar la evaporación del agua. Las muestras generadas cumplían las propiedades de permeabilidad especificadas por la norma astm d 2434 y se evaluaron de acuerdo con las directrices. Concretamente, el suelo de arcilla blanda se combinó con el contenido de humedad ideal, la densidad seca máxima y las dosis de nanosílice y nanoarcilla. En la tabla 2 se muestran los resultados de los parámetros de permeabilidad del suelo mezclado con nanosílice y nanoarcilla. Esta prueba reveló que los parámetros de permeabilidad eran totalmente diferentes de los investigados anteriormente [14]. La adición de la dosis ideal de nanoarcilla hizo que los espacios vacíos se llenaran de nanomateriales a nivel nanométrico, actuando como un suelo completamente impenetrable.

Tabla 2: Características de permeabilidad

Fig. 7: Mejora de la resistencia Variación para Diferentes Ensayo Días (Suelo Arcilloso+ 1% Nanosílice + Nanoarcilla )

4.Conclusiones

Del estudio experimental sobre la arcilla blanda mejorada utilizando nanosílice y nanoarcilla, índice y características de ingeniería de la arcilla blanda, se extrajeron las siguientes conclusiones:

• El suelo arcilloso de baja compresibilidad (CL) se determina por los límites de Atterberg. La OMC y la MDD del suelo son 18,18% y 1,62 g/cc, respectivamente.
• El UCS del suelo arcilloso se determinó en 0,201 Mpa, y el coeficiente de permeabilidad es de alrededor de 4,6 * 10-4 cm/s. El asentamiento de consolidación final es de aproximadamente 4,4 mm, y el coeficiente de consolidación resultó ser de 0,043 cm2 /min. Por lo tanto, es evidente que la arcilla altamente compresible compone el suelo.
• El contenido de humedad ideal, la densidad seca máxima y los porcentajes de nanosílice, como 0,7, 1, 1,2 y 1,5% del peso seco del suelo, se han combinado con el suelo de arcilla blanda.
• Con un 1% de nanosílice en el suelo, las densidades secas máximas aumentaron hasta 1,78 kN/m2 y afectaron a la distribución de los tamaños de grano.
• De todos los porcentajes, la resistencia del 1% de nanosílice arroja los mejores resultados.
• El porcentaje 1 de suelo tratado con nanosílice presentó el índice de plasticidad más bajo (del 21% al 19,5%) y la densidad seca máxima significativa (de 1,75 a 1,78 kN/m2) entre todos los porcentajes-0,7, 1, 1,2 y 1,5% del peso seco del suelo. Para determinar la cantidad ideal de nanosílice que debe añadirse al suelo, cada ajuste se realiza en un porcentaje del 1%.
• La inclusión de Nanoclay afectó a la distribución granulométrica y alteró las limitaciones líquidas y plásticas. La reducción máxima del índice de plasticidad se produjo al 0,15% de Nanoclay mezclado con el suelo.
• Las densidades secas máximas afectaron a la distribución de los tamaños de grano y elevaron el máximo a 1,81kN/m2 al 0,15% de porcentaje de Nanoclay en el suelo.
• La gravedad específica más alta, el índice de plasticidad más bajo y la densidad seca máxima significativa se observaron en el porcentaje 0,15 del suelo tratado con Nanoclay entre todos los porcentajes del peso seco del suelo.Para determinar la cantidad ideal de Nanoclay a añadir al suelo, cada ajuste se realiza en un porcentaje del 0,15%.
• El suelo actuó como completamente impermeable, el total de poros rellenados con nanomateriales, y la dosis ideal de Nanoclay todos tenían propiedades de permeabilidad cero.

Referencias

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Esta es una presentación para la Beca 2024 de SAM, presentada por Tausif Islam Chowdhury.

*Autor correspondiente

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

¹ Estudiante de posgrado, Departamento de Ingeniería de Edificación y Gestión de la Construcción, Universidad de Ingeniería y Tecnología de Khulna, Bangladesh

² Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería de Edificación y Gestión de la Construcción, Universidad de Ingeniería y Tecnología de Khulna, Bangladesh

³ Estudiante de posgrado, Departamento de Ingeniería de Edificación y Gestión de la Construcción, Universidad de Ingeniería y Tecnología de Khulna, Bangladesh

⁴ Estudiante de posgrado, Departamento de Ingeniería de Edificación y Gestión de la Construcción, Universidad de Ingeniería y Tecnología de Khulna, Bangladesh.