Estudio experimental de impermeabilidad de liner de Loess mezclado con bentonita

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8740 (2023) Citar este artículo

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Las pruebas de permeabilidad se realizan utilizando el permeámetro de pared flexible para estudiar la influencia de la bentonita-HDTMA (bromuro de hexadeciltrimetilamonio) en el rendimiento de permeabilidad de Loess como material de revestimiento en el vertedero de residuos sólidos. Los resultados muestran que la impermeabilidad del Loess compactado en los tramos medio e inferior del río Amarillo en China no cumple con los requisitos estándar como revestimiento del vertedero. La permeabilidad de Loess mezclado con una proporción de bentonita superior al 10 % es inferior a 1,0 × 10−7 cm·s−1. La permeabilidad de Loess aumenta ligeramente después de mezclar una pequeña cantidad de HDTMA. La impermeabilidad de Loess mezclado con alguna proporción de bentonita-HDTMA aún cumple con el requisito estándar. El HDTMA puede destruir la estructura de agregados del suelo y aumentar el canal de permeado del suelo. Los SEM muestran que la partícula de arcilla de bentonita puede llenar los poros entre las partículas gruesas de Loess y mejorar el rendimiento de impermeabilidad del material. Las fotografías digitales muestran que HDTMA puede resistir eficazmente el desarrollo de macrogrietas en el suelo inducidas por los ciclos de humectación y secado, lo que es mejor para el revestimiento para mantener una buena impermeabilidad. Sobre esta base, se construye la relación entre la conductividad hidráulica del Loess modificado con bentonita-HDTMA y la densidad seca. A partir de este estudio, Loess se puede utilizar como material de revestimiento para vertederos, cuando se mezcla con bentonita/HDTMA en proporciones de 10 %/0 % o 14 %/2 %.

El relleno sanitario es uno de los métodos de disposición final de los residuos sólidos (residuos sólidos industriales en general y residuos domésticos). El vertedero debe estar revestido para interceptar los contaminantes, incluidos los metales pesados y los compuestos orgánicos, del entorno de vida. Tradicionalmente, la arcilla se utiliza como material de revestimiento para la eliminación de residuos1,2. El Loess está ampliamente distribuido en varias regiones, como los tramos medio e inferior del río Amarillo en China, las grandes llanuras y las tierras bajas centrales a lo largo del río Missouri-Mississippi en América, y las áreas cercanas a las estribaciones y el cinturón montañoso inferior de los Alpes. y las montañas de los Cárpatos en Europa, donde al mismo tiempo falta arcilla. Sin embargo, la conductividad hidráulica de Loess después de la compactación puede exceder el límite superior especificado en la norma1,3.

La permeabilidad de Loess está influenciada por varios factores, como la densidad seca, la concentración de iones, la temperatura, etc. Las muestras con una densidad seca de 1,45 g·cm−3 o superior experimentan agrandamiento de los poros durante la filtración debido a reacciones químicas4,5. La permeabilidad de Loess es sensible a las concentraciones de soluciones de CaCl2. La concentración de CaCl2 afecta la floculación de las partículas y el desarrollo de la estructura de los poros, provocando la desintegración de las partículas6. La permeabilidad aumenta con la temperatura a 10 °C y 20 °C, pero disminuye a 30 °C5. Y los resultados de la prueba muestran que la permeabilidad de Loess es superior a 1,0 × 10−7 cm·s−1.

Los estudios han explorado el uso de Loess modificado con bentonita como material de revestimiento para vertederos. Zhang et al.7 y Xi8 mezclaron el Loess en los tramos medio e inferior del río Amarillo con proporciones de bentonita del 14 % y el 4 %, y la conductividad hidráulica del loess modificado es inferior o del orden de 1,0 × 10−7 cm·s−1. Liu et al.9 mezclan del 6 % al 7 % de bentonita en el Loess en el norte de China y la conductividad hidráulica de la mezcla es de 9,0 × 10−8 cm·s−1. La mayoría de los resultados de las pruebas muestran que la conductividad hidráulica del suelo modificado en otros países es inferior a 10−7 cm·s−1 cuando la proporción de bentonita es de alrededor del 15 %10,11,12. Es decir, Loess modificado por bentonita puede cumplir con el requisito de impermeabilidad.

Sin embargo, el Loess puro o el Loess modificado con bentonita tiene una capacidad de adsorción limitada para ciertos contaminantes. La prueba por lotes muestra que HDTMA (bromuro de hexadeciltrimetilamonio) puede mejorar significativamente el rendimiento de adsorción de algunos metales pesados y contaminantes orgánicos13,14,15, su estructura química se muestra en la Fig. 1. cuando se disuelve en agua. El HDTMA se puede adsorber en la superficie del mineral arcilloso y reaccionar con el contaminante mediante adsorción de intercambio y adsorción sin intercambio16,17, para lograr el efecto de adsorción o inmovilización del contaminante. Desde la perspectiva de la ciencia ambiental, es posible utilizar Loess modificado con bentonita-HDTMA como material de revestimiento para vertederos de residuos sólidos. Mientras tanto, el fenómeno del ciclo de humectación-secado en el revestimiento ocurre comúnmente, lo que puede conducir al aumento de grietas relacionadas con el rendimiento de impermeabilidad18.

Estructura química de HDTMA.

Este estudio tiene como objetivo investigar el efecto de la bentonita y HDTMA en la impermeabilidad de Loess mediante el uso del permeámetro de pared flexible por primera vez, centrándose en el efecto de HDTMA en la impermeabilidad de Loess después de los ciclos de humectación y secado. El objetivo es proporcionar datos de investigación esenciales para la investigación de localización de material de revestimiento para el vertedero de residuos sólidos en el área de Loess.

El material utilizado en la prueba es Malan Loess en los tramos medio e inferior del río Amarillo en China (Fig. 2). La capa superior del suelo en el sitio generalmente se elimina antes de colocar la capa de revestimiento en la práctica de ingeniería. Por lo tanto, la profundidad de muestreo de este estudio es de 1,0 a 4,0 m. La muestra no perturbada se caracteriza por un alto contenido de partículas finas y un índice de plasticidad de 8,5, lo que puede considerarse como un limo típico. La bentonita utilizada en el estudio se compra en la provincia de Shandong, cerca del sitio. Las propiedades físicas básicas de Loess y bentonita se muestran en la Tabla 1. Las pruebas de porcentaje de partículas, gravedad específica, límite líquido y límite plástico siguen el estándar para el método de prueba geotécnica de China19. La producción de HDTMA se compra a la empresa comercial, su pureza es del 99%.

Diagrama esquemático del sitio de muestreo.

La bentonita con una proporción de masa de 0 a 22 % y HDTMA con 0 a 4 % se mezclan con el Loess, respectivamente. El material se agita uniformemente, luego el agua destilada se rocía de acuerdo con el contenido de agua predeterminado para humedecer uniformemente el material, finalmente colóquelo en el humectante durante 60 h. Los resultados de la prueba de compactación muestran que el contenido de agua óptimo del Loess modificado es de aproximadamente 18,0% y la densidad seca máxima20 es de aproximadamente 1,70 cm·s−1. Para controlar mejor la densidad seca de las muestras, en este estudio se utiliza el método de compactación estática de energía de compactación variable para el muestreo21,22. El instrumento es una máquina de prueba de presión electrohidráulica TYA-3000. Esta investigación considera tres factores, a saber, relación de bentonita (R(Bentonita)), relación de HDTMA (R(HDTMA)) y densidad seca (ρ). Con referencia a los resultados de la prueba anterior de la conductividad hidráulica de Loess23 modificado con bentonita, los parámetros básicos de las muestras en esta prueba se muestran en la Tabla 2. Después de compactadas, las fotos SEM de las muestras se obtienen con el instrumento JSM-7001F.

La prueba de permeabilidad en este estudio se realiza utilizando el permeámetro de pared flexible (mostrado en la Fig. 3). La prueba de permeación se llevó a cabo a temperatura ambiente de 20 °C, con agua destilada como líquido de permeación. En comparación con el permeámetro de pared rígida tradicional, el permeámetro de pared flexible en esta prueba puede evitar de manera efectiva la fuga de la pared lateral al aplicar contrapresión, acortar el tiempo de prueba, controlar con precisión el estado de tensión principal y finalmente mejorar la precisión y precisión de la prueba. De acuerdo con la norma ASTM D 5084-16a24, la muestra se ubica en el permeámetro de pared flexible, con la piedra permeable y el papel de filtro colocados en secuencia en la parte superior e inferior de la muestra.

Diagrama esquemático del permeámetro de pared flexible.

Debido a la permeabilidad extremadamente baja, es difícil saturar la muestra. La saturación de contrapresión se usa primero en esta prueba (Fig. 3): (1) Después de instalar la muestra en la cámara de permeación, abra la válvula de bola F y la válvula de bola E, y llene la cámara de permeación con agua. Cuando el agua esté llena, cierre la válvula F. Se aplica una cierta presión de confinamiento a la muestra en la cámara de permeación ajustando el regulador de presión conectado al tubo de medición de la cámara de presión. (2) Llene los tubos de entrada y salida con agua, abra las válvulas de bola A y B y cierre C y D. Ajuste los dos reguladores de presión conectados a los tubos de entrada y salida para igualar la presión. El gas comprimido ejerce una cierta contrapresión sobre la muestra a través del tubo de entrada y salida. (3) Se realiza el monitoreo en tiempo real de los cambios en los niveles de agua en los tubos de entrada y salida. Si la altura de la cabeza de agua de los dos tubos de medición es igual y no hay un cambio evidente, se puede considerar que la muestra está saturada y el proceso de saturación de contrapresión finaliza.

Después del proceso de saturación de contrapresión, se llevó a cabo la prueba de permeación. Durante la prueba, se monitoreó el flujo de infiltración a través del tubo de entrada de agua y se calculó la conductividad hidráulica de la muestra según el método de cabeza variable. El criterio para la terminación de la prueba de permeabilidad incluye: (1) Lixiviado del tubo de salida de agua, significa permear a través de la muestra, por lo menos igual a un volumen de poro de la muestra, (2) la tasa de flujo para la entrada de agua es igual a la tasa de flujo para la salida de agua, (3) la conductividad hidráulica se mantiene estable. Los tres requisitos anteriores se han cumplido en esta prueba, por lo que el valor antes de la finalización de la prueba se selecciona como el valor de conductividad hidráulica final de la muestra. Luego, la presión osmótica y la presión de confinamiento deben liberarse paso a paso de acuerdo con el método de disminución de 100 kPa cada 30 minutos para evitar una deformación impredecible de la muestra causada por una descarga repentina durante la extracción de la muestra.

La fórmula para la conductividad hidráulica usando el permeámetro de pared flexible es:

donde: K es el coeficiente de permeabilidad, a es el área de la sección transversal del tubo (cm2), l es la longitud de la muestra (cm), A es el área de la sección transversal de la muestra (cm2), t es el tiempo de permeabilidad (s), h1 es la cabeza de agua inicial (cm), h2 es la cabeza de agua final (cm).

Después de la prueba de permeabilidad, todas las muestras se colocan en los recipientes con paredes rígidas por separado, luego se realiza una prueba de ciclo de secado por evaporación (no secado en horno)-saturación confinada (no saturación al vacío) en un ambiente cerrado, donde no hay viento con una temperatura constante de 20 ± 2 °C. El contenido de agua de la muestra no cambia después de tres días de medición continua, lo que significa que finaliza un ciclo de humectación y secado (alrededor de 15 días), en total experimenta 5 ciclos para cada muestra. Al final de cada ciclo, se toman las fotos digitales para observar el cambio en las grietas aparentes. Finalmente, la conductividad hidráulica de M9 y M10 se mide nuevamente después de someterse a 5 ciclos de humectación y secado, para investigar la influencia de HDTMA en el desempeño de impermeabilidad del Loess modificado bajo ciclos de humectación y secado.

Las pruebas de permeabilidad se realizaron sobre Loess mezclado con diferentes proporciones de HDTMA y bentonita. La Figura 4 muestra la tendencia de la conductividad hidráulica de Loess modificado con bentonita-HDTMA con el tiempo. En realidad, hay un total de 15 grupos de pruebas de permeabilidad (incluidos dos grupos después de 5 ciclos de humectación y secado), todas las curvas son caóticas cuando se trazan en un gráfico. En esta sección, solo se utilizan seis curvas típicas de M4, M6, M8, M9, M10 y M11 para analizar la tendencia cambiante de la conductividad hidráulica con el tiempo. El tiempo para la prueba de permeabilidad y los ciclos de humectación y secado duran 160 días, como se muestra en la Fig. 4 y la Tabla 3. Se puede ver en la figura que la conductividad hidráulica disminuye con el aumento del tiempo de penetración y finalmente tiende a ser estable. En la etapa temprana de penetración, la conductividad hidráulica disminuye significativamente, lo que puede exceder un orden de magnitud. En la última etapa de penetración, la conductividad hidráulica permanece básicamente sin cambios y alcanza un valor estable. Incluyendo las muestras después de 5 ciclos de humedecimiento-secado, las pruebas de permeabilidad de todas las muestras muestran la misma tendencia. Cuanto mayor sea la proporción de bentonita en el Loess modificado, mayor será el tiempo necesario para la estabilidad de permeación. El tiempo más largo para la estabilidad de permeación de la muestra es la bentonita pura, es decir, 54 días.

Conductividad hidráulica de bentonita-HDTMA modificado Loess vs. Tiempo.

Los resultados de las pruebas muestran que la conductividad hidráulica de las muestras M1–M13 oscila entre 1,15 × 10−9 y 2,08 × 10−6 cm·s−1. Sin embargo, los valores de M9 y M10 son 1,21 × 10−7 y 5,20 × 10−8 cm·s−1 después de 5 ciclos de mojado y secado, respectivamente. Eso significa que la conductividad hidráulica de Loess modificado por bentonita simplemente ya no puede cumplir con el requisito estándar después de 5 ciclos de humectación y secado. Además, al mezclar un poco de HDTMA, la conductividad hidráulica del Loess modificado aumenta ligeramente, pero se mantiene en una magnitud de 10−8 cm·s−1, lo que cumple con el requisito estándar en China. En una palabra, la bentonita y el HDTMA tienen un efecto evidente sobre la conductividad hidráulica de Loess. La conductividad hidráulica del material de revestimiento exigido por la norma china no supera los 1,00 × 10−7 cm·s−1. Por lo tanto, es particularmente crítico determinar la proporción de bentonita y HDTMA en el Loess modificado.

La figura 5 muestra las características aparentes de grietas del Loess modificado después de 1 a 5 ciclos de humectación y secado. Después de 5 ciclos de humectación y secado, la muestra de bentonita pura (M11) desarrolla la grieta más significativa: las grietas comienzan alrededor de la muestra hacia el centro, se expanden hasta cierta distancia y luego se ramifican y se expanden nuevamente. Las grietas de la muestra de Loess modificada con bentonita (M9) se desarrollan en segundo lugar. Las grietas de las muestras de Loess (M1) y las muestras de Loess modificadas con bentonita-HDTMA (M10) apenas se desarrollan y las muestras solo experimentan una contracción de volumen. Además, el desarrollo de grietas es gradualmente evidente a medida que aumentan los ciclos de humectación y secado para todas las muestras. El Loess modificado con bentonita sin HDTMA desarrollará grietas después de los ciclos de humectación y secado, la grieta se desarrollará severamente con el aumento de los tiempos del ciclo de humectación y secado. Los rellenos sanitarios de residuos sólidos a menudo se someten a ciclos de humedecimiento y secado en las estaciones seca y lluviosa durante la práctica de la ingeniería. Al agregar una pequeña cantidad de HDTMA, se pueden reducir los efectos de degradación de estos ciclos de humectación y secado en el rendimiento de impermeabilidad del revestimiento.

Grietas en la superficie de Loess modificado con bentonita-HDTMA después de ciclos de humectación-secado.

La Figura 6 muestra la relación entre la conductividad hidráulica de Loess modificado con bentonita-HDTMA y la proporción de bentonita, incluidos los resultados de la investigación del muestreo Zhang23 de la región noroeste de China. Se considera que la conductividad hidráulica de la mezcla de Loess con una proporción pequeña de bentonita debe ser cercana a la de la bentonita pura. La conductividad hidráulica del suelo disminuye lentamente. Cuando la proporción de bentonita aumenta hasta cierto valor, la conductividad hidráulica del Loess modificado disminuye a cierta velocidad. A medida que la proporción de bentonita continúa aumentando, la tasa decreciente de conductividad hidráulica se ralentiza gradualmente y finalmente tiende a un cierto valor estable. La conductividad hidráulica del Loess modificado es cercana a la del Loess puro cuando la proporción de bentonita es pequeña. Por el contrario, la conductividad hidráulica del Loess modificado es cercana a la bentonita pura cuando la proporción de bentonita es grande. Los resultados de las pruebas de Chapuis et al.25,26,27 también muestran la misma tendencia, incluso el suelo de grano grueso es diferente de esta investigación.

Conductividad hidráulica de bentonita-HDTMA modificado Loess vs. Relación de bentonita (R (HDTMA) = 2%).

Según el análisis anterior, la conductividad hidráulica de las pérdidas modificadas con bentonita disminuye en forma de S inversa con el aumento de la proporción de bentonita, lo que se ajusta al modelo clásico de Boltzmann. Por lo tanto, el modelo de Boltzmann se usa para ajustar los datos de prueba, incluidos los resultados de la prueba de Zhang23. Las proporciones de bentonita del Loess modificado en esta prueba son 0%, 6%, 10%, 14%, 18%, 22% y 100%, respectivamente. La curva pronunciada para las dos pruebas es similar en forma. Debido a que el valor de conductividad hidráulica de Loess puro en esta prueba (1,30 × 10−7 cm·s−1) es menor que el de Zhang (9,34 × 10−6 cm·s−1), la curva de ajuste de esta prueba en general hacia abajo a Zhang23. Esto también significa que la proporción de bentonita para el Loess modificado en los tramos medio e inferior del río Amarillo puede ser menor que en la región noroeste de China, para obtener el mismo rendimiento de impermeabilidad. De acuerdo con la expresión matemática del modelo de Boltzmann, la relación entre la conductividad hidráulica del Loess modificado y la relación de bentonita se puede expresar como:

Después de arreglar la fórmula (2),

donde, k (Bentonita) es la conductividad hidráulica de la bentonita pura, cm·s−1; k (Loess) es la conductividad hidráulica del Loess puro, cm·s−1; R (Bentonita0) es la proporción de bentonita cuando k = (k (Bentonita) + k (Loess))/2, %, podría denominarse "relación de vida media"; d es el parámetro de ajuste.

Se puede ver a partir de la curva ajustada (Fig. 6) y la ecuación. (3) que la proporción de bentonita debe ser superior al 10 % cuando la conductividad hidráulica es inferior a 1,0 × 10−7 cm·s−1. Y la conductividad hidráulica disminuye de manera no tan obvia cuando la proporción de bentonita es superior al 20%. Desde un punto de vista económico, se recomienda que la proporción de bentonita oscile entre el 10 y el 20 %.

La Figura 7 muestra la relación entre la conductividad hidráulica de Loess modificado con bentonita-HDTMA y la relación HDTMA. Como se muestra en la Fig. 7, la conductividad hidráulica del Loess modificado aumentó de 9,52 × 10−8 a 1,32 × 10−6 cm·s−1 con un aumento de la relación HDTMA de 0 a 4%. En general, la conductividad hidráulica del Loess modificado aumenta después de mezclarlo con HDTMA y el rendimiento de impermeabilidad se debilita. Esto se debe a que el HDTMA puede reducir significativamente la tensión superficial entre las interfaces de diferentes fases, las partículas finas de bentonita agregadas alrededor de las partículas gruesas de Loess se dispersan fácilmente en la fase acuosa hasta que el estado coloidal aparece en el estado saturado28. La estructura agregada inherente del suelo se destruye y las partículas de suelo se dispersan. Esto puede reflejarse en la relación entre el índice de plasticidad de Loess modificado y la relación HDTMA (Fig. 7): el índice de plasticidad de Loess modificado aumenta con el aumento de la relación HDTMA. Además, las fuertes fuerzas de interacción (principalmente incluidas las fuerzas hidrofóbicas y las fuerzas de van der Waals) se generan entre HDTMA y las partículas del suelo29, lo que puede cambiar aún más las características de la estructura de los poros de las partículas del suelo, lo que resulta en un aumento de la permeabilidad. el resultado muestra que el HDTMA tiene un efecto regulador positivo sobre la propiedad física del agua del Loess modificado, pero tiene efecto sobre el aumento de la conductividad hidráulica sin considerar el ciclo mojado-secado. La conductividad hidráulica del Loess modificado permanece en el orden de 10−7 después de mezclar HDTMA al 2%.

Conductividad hidráulica de bentonita-HDTMA modificada Loess por relación HDTMA (R (Bentonita) = 10%).

La Figura 8 muestra la relación entre la conductividad hidráulica del Loess modificado con bentonita-HDTMA y la densidad seca. Como se muestra en la Fig. 8, la conductividad hidráulica del Loess modificado se reduce de 2,08 × 10−6 a 1,72 × 10−7 cm·s−1 y la densidad seca aumenta de 1,36 g·cm−3 (M5) a 1,69 g· cm−3 (M7). Es fácil de entender, la porosidad de la muestra disminuye a medida que aumenta la densidad seca y el canal de permeado de agua disminuye, lo que en última instancia conduce a la disminución de la conductividad hidráulica y la mejora del rendimiento de impermeabilidad.

Conductividad hidráulica de bentonita-HDTMA modificado Loess vs. Densidad seca.

Estudios previos30,31 han demostrado que la conductividad hidráulica del Loess puro disminuye con el aumento de la densidad seca, y la tendencia decreciente se ralentiza gradualmente. Cuando la densidad seca de Loess es superior a 1,70 g·cm−3, la conductividad hidráulica casi no cambia y se mantiene en un nivel muy bajo incluso aumentando la densidad seca (Fig. 8). Según investigaciones previas20, la densidad seca del Loess modificado con bentonita-HDTMA después de la compactación estándar suele ser inferior a 1,70 g·cm−3. Con el aumento de la densidad seca, la conductividad hidráulica de las muestras de suelo muestra una tendencia decreciente no lineal. Después del análisis de regresión no lineal, la relación funcional entre la conductividad hidráulica y la densidad seca para Loess cuando la densidad seca es inferior a 1,70 g·cm−3 se muestra en la fórmula (4):

donde, ρ es la densidad seca de Loess, g·cm−3; a, b y c son parámetros de ajuste.

Puede verse en la Fig. 8 que, aunque se mezcla una pequeña cantidad de HDTMA, la conductividad hidráulica del Loess modificado con bentonita-HDTMA también tiene una relación exponencial con la densidad seca, mostrando la misma tendencia cambiante con el Loess puro. La relación funcional ajustada por la fórmula (4) se muestra en la fórmula (5), que se puede utilizar como un método de evaluación rápida para la evaluación rápida del rendimiento de impermeabilidad de Loess modificado con bentonita-HDTMA in situ.

Las partículas finas de arcilla deberían aumentar con el aumento de la proporción de bentonita. La partícula fina de arcilla llenará el poro de las partículas gruesas de Loess, reduciendo el canal de permeado del suelo y finalmente mejorará el rendimiento de impermeabilidad. Como se muestra en las Figs. 9, 10, 11, 12, los poros de las partículas gruesas de Loess se llenan por completo con partículas finas de arcilla después de mezclar un 10 % de bentonita (Fig. 11) y el canal de permeado se reduce significativamente, lo que hace que la conductividad hidráulica disminuya drásticamente. De acuerdo con la relación entre la conductividad hidráulica del Loess modificado y la proporción de bentonita (Fig. 6), se espera que las partículas gruesas queden "suspendidas" en las partículas finas de arcilla cuando la proporción de bentonita supera el 20%, no hay poros entre Loess grueso partículas para rellenar con arcilla, la conductividad hidráulica ya no disminuirá significativamente. Combinado con los resultados de la prueba de Yulin Loess23, se puede confirmar el punto de vista anterior: el contenido de partículas de menos de 0,005 mm en esta prueba es tan alto como 22,8%, pero el contenido de partículas con el mismo tamaño para Yulin Loess es sólo el 8,5%, como se muestra en las Figs. 9 y 10. Debido al alto contenido de partículas finas de arcilla, las partículas gruesas de Loess en esta prueba son las primeras en alcanzar el estado "suspendido", y se requiere menos proporción de bentonita para alcanzar el valor estable de conductividad hidráulica (en esta prueba , R (Bentonita) = 20 %, Zhang et al., R (Bentonita) = 40 %, que se muestra en la Fig. 6.

Yulin Loess23.

Sanmenxia Loess.

Loess modificado con bentonita.

Bentonita-HDTMA modificado Loess.

Además, como se muestra en la Fig. 12, la claridad de SEM para la estructura de capas de arcilla se debilita después de mezclar el HDTMA, lo que puede deberse al recubrimiento de cadenas largas orgánicas de HDTMA en la superficie de las partículas de arcilla y la superficie del suelo. partículas tiene la tendencia de la irregularidad a la suavidad. Esto prueba indirectamente que el HDTMA, como catión orgánico, sufre una reacción de intercambio con los cationes intercambiables entre las capas de partículas de arcilla, luego se organiza entre las capas de arcilla en una estructura de una sola capa o de capas multimoleculares, lo que amplía el espaciado de las capas de arcilla32 . En consecuencia, la densidad seca del Loess modificado disminuye y el rendimiento de impermeabilidad se debilita.

Según el tamaño de partícula del Loess, la distribución de Loess en China se puede dividir en tres regiones: A, B y C (ver Fig. 13). Cabe señalar que el Loess en esta prueba se toma de Sanmenxia, que pertenece a la arcilla Loess (Área C), la prueba Yulin Loess de Zhang et al.23 pertenece a la arena Loess (Área A). La diferencia en el tamaño de las partículas conduce a una gran diferencia en el efecto de control de la proporción de bentonita sobre la conductividad hidráulica para Loess modificado. El Loess en esta prueba contiene más partículas finas de arcilla, y la prueba de permeabilidad también muestra que el Loess en la región C necesita menos proporción de bentonita para cumplir con la conductividad hidráulica requerida en el estándar de China que la región B. Se puede ver que el Loess modificado con bentonita tiene mejor perspectiva de aplicación en la región arcillosa de Loess, superpuesta con los tramos medio e inferior del río Amarillo.

Distribución de 3 tipos de Loess en China33.

Se selecciona el Sanmenxia Loess, ubicado en los tramos medio y bajo del río Amarillo, mezclado con diferentes proporciones de bentonita y HDTMA. La prueba de permeabilidad se lleva a cabo utilizando el permeámetro de pared flexible para explorar el efecto de control de la bentonita-HDTMA en el rendimiento de impermeabilidad de Loess como material de revestimiento. Se proponen las proporciones de bentonita y HDTMA para el revestimiento, lo que lleva a las siguientes conclusiones:

el rendimiento de impermeabilidad de Malan Loess puro no cumplió con los requisitos estándar de China para los materiales de revestimiento en el sitio. La adición de 10% a 20% de bentonita mejora efectivamente el rendimiento de impermeabilidad del Loess al llenar los poros entre las partículas gruesas, y esta mejora no es evidente cuando la proporción de bentonita supera el 20%. La relación entre la conductividad hidráulica del Loess modificado y la proporción de bentonita sigue el modelo de Boltzmann.

La adición de HDTMA aumentó ligeramente la conductividad hidráulica del Loess modificado al alterar la estructura agregada inherente del suelo. Cabe señalar que, HDTMA puede reducir efectivamente el efecto de deterioro de los ciclos de humectación y secado en el rendimiento de impermeabilidad del Loess modificado.

La conductividad hidráulica del Loess modificado con bentonita-HDTMA tiene una relación exponencial con la densidad seca. El estudio recomendó una proporción de bentonita/HDTMA de 10 %/0 % o 14 %/2 % para el Loess modificado como material de revestimiento en el sitio, que son valores de referencia preliminares para la proporción óptima de bentonita/HDTMA en futuras investigaciones.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Universidad de Aeronáutica de Zhengzhou, No. 15 Wenyuan West Road, Zhengdong New District, Zhengzhou, 450006, China

Zhang Ming y Hu Dong Ke

Universidad del Noroeste, Xi'an, 710127, China

zhang ming

Instituto y Corporación de Planificación Urbana de Henan, Zhengzhou, 450006, China

Zhang Ming, Pan Shaoyu y Chen Guozhou

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ZM y HD escribieron el texto principal del manuscrito, figuras y tablas. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Zhang Ming.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ming, Z., Dongke, H., Shaoyu, P. et al. Estudio experimental de impermeabilidad de liner de Loess mezclado con bentonita-HDTMA. Informe científico 13, 8740 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35433-9

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Recibido: 23 de octubre de 2022

Aceptado: 17 de mayo de 2023

Publicado: 30 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35433-9

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