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Apr 04, 2023

Haltbarkeits- und Festigkeitsabbau von mit Biopolymeren auf Xanthangummibasis behandeltem Boden, der starken Witterungszyklen ausgesetzt ist

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 19453 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Bodenbehandlungen auf Biopolymerbasis haben sich bei der Bodenverbesserung als wirksam erwiesen und wurden erfolgreich im Feldmaßstab umgesetzt. In dieser Studie untersuchten wir die Auswirkung von zyklischem Benetzen-Trocknen (W–D) und Gefrieren-Tauen (F–T) auf die Festigkeitsbeständigkeit von mit Biopolymer behandelten Böden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass zyklisches W–D und F–T die Bodenfestigkeit aufgrund der Wasseradsorption und der lokalen Biopolymerverdünnung allmählich verringern. Schlecht sortierter Sand war gegenüber diesen Witterungseinflüssen sehr anfällig; Dieses Problem wurde jedoch gemildert, wenn der Boden einen Feinanteil von 15–25 % enthielt. Diese mit Biopolymeren behandelten Böden hielten zahlreichen W-D- und F-T-Zyklen wirksam stand, was darauf hindeutet, dass mit Biopolymeren behandelte Böden für die Verstärkung von Erdhängen geeignet sind.

In jüngster Zeit haben Geotechnik-Ingenieure versucht, biologische Bodenbehandlungs- und Bodenverbesserungsmethoden zu entwickeln, um Umweltbedenken im Zusammenhang mit Zement mit hohem CO2-Ausstoß in geotechnischen Verfahren zu mildern1. Unter den nachhaltigen Ansätzen zur Bodenbehandlung und Bodenverbesserung hat die biopolymerbasierte Bodenbehandlung (BPST) eine ausreichende Verbesserung der geotechnischen Eigenschaften (z. B. Festigkeit, Durchlässigkeitskontrolle und Erosionsreduzierung) des Bodens und eine erfolgreiche Umsetzung im Feldmaßstab gezeigt2,3. 4,5,6. Darüber hinaus fördert BPST die Samenkeimung, das Wachstum und die Trockenheitsresistenz der Vegetation aufgrund der hohen Wasserretentionseigenschaften und des organischen Ursprungs von Biopolymeren7,8.

Verbesserte geotechnische Eigenschaften machen BPST zu einer umweltfreundlichen Bodenverbesserungsmethode zur Verhinderung von Bodenerosion/-kolkung und zum Schutz der Hangoberfläche9,10. Es wird jedoch vermutet, dass klimabedingte Verwitterungsprozesse wie zyklisches Benetzen-Trocknen (W–D) und Gefrieren-Tauen (F–T) die Festigkeit von BPST-verstärkten Böden verringern11. Darüber hinaus können diese sich wiederholenden Witterungsbedingungen häufig die Partikelerosion und die Ablösung der Oberflächenschicht beschleunigen, was zu einer instabilen vegetativen Umgebung führt. Insbesondere die starken Regenfälle im Sommer (Juni bis August) und die Minustemperaturen im Oberflächenboden im Winter (Januar bis Februar) (Abb. 1) machen Hangoberflächenverstärkungsmaterialien in Südkorea zwangsläufig anfälliger für Degradation12. Um die Zuverlässigkeit der BPST-Feldanwendung sicherzustellen, ist es notwendig, die Haltbarkeit von BPST gegenüber schwankenden atmosphärischen Witterungsbedingungen zu bewerten.

Durchschnittliche Luft- und Oberflächentemperaturen sowie Niederschlagshäufigkeit in Südkorea (Seoul) von 1981 bis 2010. Daten von der Korea Meteorological Administration (https://www.weather.go.kr).

Die Standardtestmethoden ASTM D559 und D560 legen die Methoden zur Bewertung der Haltbarkeit von Boden-Zement-Mischungen fest, die Witterungsprozessen ausgesetzt sind. Beide Standards schlagen vor, den Massenverlust von künstlichen Bodenproben zu überwachen, nachdem sie 12 Zyklen von W–D oder F– ausgesetzt wurden. T13,14. Das Bürsten von Proben ist jedoch anfällig für die Vielfalt der von verschiedenen Bedienern erfassten experimentellen Daten15. Als Reaktion darauf wurde die Haltbarkeit technischer Bodenmischungen durch Messung der uneingeschränkten Druckfestigkeit (qu) bewertet, um die Genauigkeit durch Reduzierung von Experimentierfehlern zu verbessern16,17,18,19,20,21.

Obwohl einige Untersuchungen die Haltbarkeit von mit Biopolymer behandelten Böden durch Messung von Qu nach Einwirkung zyklischer Witterungsbedingungen bewertet haben, konzentrierten sich frühere Studien hauptsächlich auf W-D-Verwitterung21,22,23,24,25. Oberflächenböden unterliegen jedoch in der Regel wiederholtem Frost und Auftauen, was die Stabilität und Erodierbarkeit des Bodens entlang von Hängen während der Wintersaison in den Regionen mittlerer Breite der nördlichen Hemisphäre erheblich beeinträchtigt26,27. Es wurde insbesondere berichtet, dass Erosion während der Auftauperiode ein großes Risiko darstellt, wenn Oberflächenabfluss Partikel von der aufgelockerten Bodenoberfläche lösen kann28. Daher sollte für BPST eine F-T-Haltbarkeitsanalyse durchgeführt werden. Darüber hinaus verbessert die Bodenzusammensetzung in BPST zwar die Festigkeit und Bearbeitbarkeit, diese Reaktionen wurden jedoch noch nicht ausreichend untersucht.

Daher bestand das Hauptziel dieser Studie darin, zu untersuchen, ob BPST durch zyklische W-D- und F-T-Witterungsbedingungen beeinflusst wird, und eine wirksamere BPST-Zusammensetzung als Hangverstärkungsmaterial vorzuschlagen. Im Detail wurde in dieser Studie die Haltbarkeit von mit Biopolymeren mit Xanthangummi (XG) und Xanthangummi-Stärke (XS) behandelten Böden bewertet, die durch Nasssprühen auf Böschungsböschungskonstruktionen mit unterschiedlichen Feinanteilen aufgetragen wurden9. Die Haltbarkeit von XG- und XS-BPST-Proben, die wiederholten W-D- und F-T-Zyklen ausgesetzt waren, wurde basierend auf qu, Gewichtsverlust, bewertet. Der Einfluss der Bodenzusammensetzung (d. h. Feinanteil) wurde unter umfassenden beschleunigten Bewitterungsbedingungen (d. h. zyklische W-D und F-T) analysiert, um ein wettbewerbsfähiges Mischrezept für Feldanwendungen bereitzustellen.

Diese Studie konzentrierte sich auf Verbindungen aus zwei gelartigen Polysaccharid-Biopolymeren; Xanthangummi (XG) und Stärke (ST). Insbesondere handelt es sich bei XG- und ST-Verbindungen (XS) um eine 3:7-Mischung aus Vegetationsförderung und Kosteneffizienz9. Dieses Rezept kombiniert XG (Stärkungszweck) mit ST (Wirtschaftlichkeitszweck) und befasst sich mit der Verbesserung der Anwendbarkeit vor Ort bei der XG-basierten Bodenbehandlung. In dieser Studie konzentrierten wir uns auf die Bewertung der Festigkeitsbeständigkeit von XS-behandeltem Boden in verschiedenen Bodenzusammensetzungen. Darüber hinaus wurden die Haltbarkeit der Zementbehandlung, der am weitesten verbreiteten Bodenverbesserungsmethode, und der reine XG-Behandlungszustand mit denen von XS-behandelten Böden verglichen. Die Einzelheiten der einzelnen Materialien werden nachstehend beschrieben.

XG (CAS: 11138-66-2; Sigma-Aldrich), hergestellt von Xanthomonas campestris, ist ein häufig verwendetes Polysaccharid-Biopolymer in der aktuellen geotechnischen Forschung. Die XG-Struktur besteht aus einem sich wiederholenden Grundgerüst aus 1,4-verknüpfter β-D-Glucose mit Seitenketten, die aus zwei Mannosemolekülen und einem Glucuronsäuremolekül bestehen30. XG-Wells bilden beim Auflösen in Wasser ein viskoses Hydrogel aufgrund der negativen Ladung der Brenztraubensäure- und Glucuronsäuregruppen an den Seitenketten, die zur Bindung von Wassermolekülen beitragen31. XG wird häufig als Verdickungsmittel in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Erdölindustrie sowie als Bodenverstärkungsmittel in der Geotechnik verwendet32,33,34.

ST (CAS-Nr. 9005-25-8, Sigma Aldrich), eines der am meisten kommerzialisierten Biopolymere, besteht aus Amylose und Amylopektin. Wenn Amylose in erhitztem (> 90 °C) Wasser gelöst wird, kann sie eine Gelierung induzieren und beim Abkühlen ein festes Gel bilden, während Amylopektin geschwollene Körnchen bildet, die die Viskosität der Flüssigkeit erhöhen35. Abhängig von den Ursprungspflanzen (z. B. Mais, Kartoffeln, Casaba) und den entsprechenden Verhältnissen von Amylose zu Amylopektin gibt es verschiedene Arten von ST. Aufgrund seiner Kosteneffizienz werden Kombinationen von ST und anderen Biopolymeren für den Einsatz als bodenbindende Materialien untersucht36. Beispielsweise wurde in dieser Studie Mais-ST, das etwa 25 % Amylose enthält, zur Herstellung von XG- und ST-Verbindungen (XS) als Verstärkungsmaterialien für Deichböschungsoberflächen verwendet9.

In dieser Studie wurde zum Vergleich mit BPST-Fällen gewöhnlicher Portlandzement (Hersteller: Eugene Koryeo Cement Co.) verwendet. Der verwendete Zement hatte ein spezifisches Gewicht von 3,1, einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 14 μm und eine spezifische Oberfläche von 2800 cm2/g.

Jumunjin-Sand ist in Korea ein Standard-Sandmaterial. Der Sand, der nach den Kriterien des Unified Soil Classification System (USCS) als schlecht abgestufter Sand (SP) eingestuft ist, hat eine mittlere Partikelgröße (D50) von 0,51 mm und ein spezifisches Gewicht (Gs) von 2,65. Es hat einen Gleichmäßigkeitskoeffizienten (Cu) von 1,12, einen Krümmungskoeffizienten (Cc) von 0,98 und maximale und minimale Hohlraumverhältnisse (emax und emin) von 0,89 bzw. 0,64. Die Partikelgrößenverteilung ist in Abb. 2 dargestellt.

Partikelgrößenverteilung von Sand und koreanischem Restboden.

Koreanischer Restboden (KRS), auch Hwangtoh (auf Koreanisch) oder rot-gelber Boden genannt, wurde verwendet, um die Auswirkung des Feinanteilgehalts zu analysieren und die Bodenbedingungen vor Ort zu simulieren. KRS besteht hauptsächlich aus Schluff mit Ton und hat einen Gs-Wert von 2,7. KRS wird aufgrund seiner Partikelgrößenverteilung (D50 von 0,07 mm) als toniger Sand (SC) klassifiziert, wie in Abb. 2 dargestellt. Die Atterberg-Grenzen von KRS (dh Flüssigkeitsgrenze = 31 % und Plastizitätsindex = 15) wurden ermittelt gemäß ASTM D4318, wie in Tabelle 137 gezeigt.

Vor der Probenvorbereitung wurden sauberer Sand und KRS 24 Stunden lang in einem Ofen bei 110 °C getrocknet. In dieser Studie wurden Jumunjin-Sand und KRS mit XG- und XS-Biopolymeren gemischt. Durch Mischen von Jumunjin-Sand und KRS mit unterschiedlichen Massenverhältnissen wurden vier Bodenzusammensetzungen gemäß den Designstandards für Flussböschungen hergestellt (Tabelle 1)38. Die Flüssigkeitsgrenze der hergestellten Sand-KRS-Mischungen (ausgenommen reiner Sand) wurde durch einen Fallkegeltest unter Verwendung eines britischen Kegels (Spitzenwinkel 30°, Masse 80 g) bestimmt39,40.

Trockene XS-Verbindungen wurden in entionisiertem Wasser gelöst, um Biopolymer-Hydrogele mit mb/mw = 8 % (mb/mw = Biopolymer-zu-Wasser-Massenverhältnis) zu erhalten. Anschließend wurde der getrocknete Boden gleichmäßig mit der Biopolymerlösung bei mw/ms (Massenverhältnis von Wasser zu Boden) = 25 % vermischt, was zu Biopolymer-zu-Boden-Gehalten in Masse (mb/ms) von 2 % bei einem anfänglichen Wassergehalt von führte 25 %. Dieser anfängliche Wassergehalt (d. h. das Mischungsverhältnis von Wasser zu Boden) ist für alle mit Biopolymer behandelten Bodenproben in dieser Studie gleich und basiert auf früheren Untersuchungen zum Verdichtungstest von KRS-Boden und einer Fallstudie zur Feldanwendung von XS-behandeltem Boden9 ,41. Auf die gleiche Weise wurden mit reinem XG behandelte Bodenproben mit mb/ms von 1 % und 2 % für Sand vorbereitet. Darüber hinaus wurde trockener Zement in entionisiertem Wasser in einem Wasser-Zement-Verhältnis von 2,5:1 gelöst und dann mit Sand gemischt, um einen Zementgehalt von 10 % bei einem anfänglichen Wassergehalt von 25 % zu erreichen, was einer typischen Boden-Zement-Mischung entspricht20. Alle in dieser Studie hergestellten Bindemittel-Boden-Mischungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Die vorbereiteten Bindemittel-Erde-Mischungen wurden in eine standardmäßige zylindrische PVC-Form mit einem Innendurchmesser von 50 mm und einer Höhe von 100 mm (dh einem Seitenverhältnis von Länge zu Durchmesser von 2) gegossen und gestampft. Wenn mit Biopolymer behandelter Boden in einem Feldhang als Oberflächenschutzschicht (dh 5–10 mm dick) eingesetzt wird, wird er typischerweise der Luft ausgesetzt und durch Verdunstung ausgetrocknet. Konzentrieren Sie sich darauf, wie zyklische Verwitterungsumgebungen die Trockenfestigkeit von Biopolymer-behandelten Böden verschlechtern, nachdem die Biopolymer-Behandlung durch Lufttrocknung für ausreichende Verstärkungseffekte gesorgt hat; Alle Proben wurden äquivalent 28 Tage lang bei Raumtemperatur (23 °C) getrocknet, bis sich das Gewicht der Bodenprobe nicht mehr veränderte9. Die PVC-Form wurde nach 7 Tagen entfernt, um eine ausreichende Trocknung in alle Richtungen zu gewährleisten. Die durchschnittliche anfängliche Trockendichte und der Wassergehalt nach 28 Tagen Trocknung sind in Tabelle 2 aufgeführt. Alle Proben wurden dreifach hergestellt, um zuverlässige durchschnittliche Festigkeitswerte zu erhalten.

Alle 28 Tage lang getrockneten Proben wurden erleichterten Bewitterungsbedingungen ausgesetzt: zyklischen W-D- und F-T-Prozessen gemäß den in ASTM D559 und ASTM D560 vorgeschlagenen Methoden. Allerdings wurden die in den Normen angegebenen Zyklusdauern nicht strikt eingehalten, da sie für den mit Biopolymer behandelten Boden als zu kurz angesehen wurden13,14 (Abb. 3). ASTM D559 definiert einen W-D-Zyklus als 5-stündiges Eintauchen der Probe, gefolgt von einem ausreichenden Trocknungsprozess, und schlägt mindestens 12 wiederholte Zyklen vor, was einer kumulativen Einweichzeit von 60 Stunden entspricht13. Im Gegensatz dazu wurde in dieser Studie ein W-D-Zyklus durchgeführt, bei dem Proben 24 Stunden lang in destilliertes Wasser getaucht wurden (Abb. 4a), gefolgt von einer mindestens 48-stündigen Ofentrocknung bei 35 ° C, bis der Wassergehalt den vorherigen Wassergehaltswert erreichte Eintauchen, wodurch eine stärkere Verwitterung simuliert wird. Dieser Benetzungs- und Trocknungsprozess wurde sechsmal wiederholt, was einer kumulativen Einweichzeit von insgesamt 144 Stunden entspricht.

Reihenfolge der zyklischen Bewitterung unter Laborbedingungen.

Haltbarkeitstest von mit Biopolymer behandeltem Boden im Labor. (a) Benetzung, (b) Einfrieren (− 20 °C), (c) Messung der uneingeschränkten Druckfestigkeit von XS2-, XS2(15)-, XS2(25)- und XS2(50)-Proben (Kontrollen).

Der F-T-Zyklus bestand aus dem 24-stündigen Einfrieren der Proben bei –23 ° C (250, 15 K) (Abb. 4b) in einer Laborgefrierkammer (FMG-300, JEIO Tech.) und dem anschließenden 23-stündigen Auftauen bei 23 ° C (Raumtemperatur gemäß ASTM D56014. Sowohl der W-D- als auch der F-T-Prozess wurden sechsmal wiederholt, und die Haltbarkeit der Böden wurde im Hinblick auf Qu- und Bodengewichtsschwankungen nach Abschluss jedes Zyklus analysiert (Abb. 4c).

Zur Beurteilung der Festigkeit und Steifigkeit (E50) nach der Anzahl der Zyklen wurden unter Verwendung eines Universalbelastungsgeräts (HM-5030.3F, Humboldt) unbeschränkte Kompressionstests durchgeführt. Die Belastungsrate der Kompressionstests wurde auf 1 % Dehnung (1 mm) pro Minute eingestellt. Vor dem Laden in die Maschine wurden alle Proben zugeschnitten, um die Ober- und Unterseite zu glätten. Anschließend wurden die Proben bis zum Versagen komprimiert und die Axiallast automatisch alle 1 s ermittelt. Die qu-Werte wurden anhand der maximalen Axialspannung ermittelt, die in den Spannungs-Dehnungs-Kurven dargestellt ist. Der Sekantenelastizitätsmodul (E50) wurde durch Messung der Steigung zwischen dem Ursprung und der Hälfte der Spitzenfestigkeitskoordinaten (1/2 qu) für alle Spannungs-Dehnungs-Kurven ermittelt.

Die Mikrostrukturen von mit Biopolymer behandeltem Boden wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) (JSM-IT800, JEOR, Japan) beobachtet. Die zerkleinerten Proben, die nach dem uneingeschränkten Drucktest bei jedem Zyklus erhalten wurden, wurden mit leitfähigen Kohlenstofflaschen an einer REM-Halterung mit 50 mm Durchmesser befestigt. Die Proben wurden 10 s lang unter Vakuumbedingungen mit einem Plasmabeschichter (OPC-60A) mit Osmium (OsO4) beschichtet.

Abbildung 5A und B zeigen die Spannungs-Dehnungs-Entwicklung, die uneingeschränkte Druckfestigkeit (qu) und den Sekantenmodul (E50) der sieben BPST-Proben, die 28 Tage lang getrocknet wurden, bevor sie dem Bewitterungszyklus ausgesetzt wurden (Tabelle 3). Nach 28 Tagen Dehydrierung betrug der Restwassergehalt aller Probenkästen weniger als 2 %.

Spannungs-Dehnungs-Entwicklung und Festigkeitsparameter für Kontrollen (0 Zyklen).

Für reinen Jumunjin-Sand hatte X2 (2095 kPa) den höchsten anfänglichen Qu, gefolgt von C10 (1938 kPa), XS2 (1546 kPa) und X1 (1436 kPa) (Abb. 5a). Wenn die XG- und XS-Lösung zu sandigem Boden gegeben wurde, kommt die viskose XG- und XS-Lösung mit der groben Kornoberfläche in Kontakt. Sie umhüllen die Sandpartikel und bilden einen viskosen Film, der Brücken zwischen den Partikeln bildet34. Anschließend werden die XG- und XS-Hydrogele durch die Lufttrocknung durch die Wasserverdunstung während der Aushärtungszeit zu kondensierten und steifen Filmen verarbeitet, die eine höhere Bindungsfestigkeit bieten können6 (Abb. 6a). Die Bildung intergranularer Matrizen zwischen Sandkörnern trug maßgeblich zum Anstieg des Gesamt-Qu und E50 des mit Biopolymer behandelten Bodens bei. Daher zeigte der getrocknete, mit Biopolymer behandelte Boden eine Festigkeit, die mit dem mit Zement behandelten Boden vergleichbar war, selbst in kohäsionslosem Boden. Darüber hinaus ging im dehydrierten Zustand ein höherer XG-Gehalt mit einer umfangreicheren und dickeren XG-Matrix einher, was zu höheren Qu- und E50-Werten führte. Obwohl die X2-Behandlung von Sand zu einem höheren Qu-Wert führt als die Zementbehandlung, weist sie im Vergleich zu C10 eine höhere Duktilität bei geringerer Steifigkeit auf.

REM-Bilder von unbelichtetem XS-behandeltem Boden. (a) XS2 und (b) XS2(15).

Auch die Zusammensetzung des Bodens beeinflusst den Qu-Wert, da es offensichtlich ist, dass Böden mit einem höheren Feinanteil einen höheren Qu-Wert aufweisen als reiner Sand mit dem gleichen XS-Gehalt. Wenn beispielsweise 15 %, 25 % und 50 % Feinstoffe im Boden enthalten waren, stieg qu um das 1,1-, 1,2- und 2,3-fache und E50 um das 1,3-, 1,7- und 2,4-fache für XS2(15), XS2( 25) bzw. XS2(50) (Abb. 5b). Dies liegt daran, dass XS-Biopolymer aufgrund der elektrischen Ladungen auf Tonoberflächen über elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken und ionische Bindungen direkt mit Tonpartikeln interagieren kann34. Mit anderen Worten: Biopolymer-Monomere und Feinpartikel verbinden sich zu interpartikulären Brücken, was zur Bildung dichter und fest verbundener Biopolymer-Ton-Matrizen führt, begleitet von einem Konglomerationseffekt, bei dem Biopolymer-Ton-Matrizen Sandkörner agglomerieren und sich wie Sekundärkörner zwischen Sandpartikeln verhalten3 (Abb . 6b). Aufgrund der Tatsache, dass durch feine Zugabe im Ausgangszustand (im unbelichteten Zustand) eine hohe Trockenfestigkeit und Steifigkeit erreicht wird, können wir davon ausgehen, dass die feine Zugabe einen ähnlich positiven Effekt auf die Beständigkeit gegenüber wiederholten Witterungsbedingungen haben wird.

Die Reaktionen der BPST-Proben, die zyklischem W–D ausgesetzt waren, sind in Abb. 6 dargestellt. Obwohl XG- und XS-behandelte reine Sande (d. h. X1, X2 und XS2) im Vergleich zu zementbehandelten Sanden (d. h. C10) vor der Befeuchtung kollabierten die Gehäuse X1, X2 und XS2 beim ersten Eintauchvorgang aufgrund ihres Eigengewichts sofort (Abb. 7a). Daher waren die Bedingungen X1, X2 und XS2 für die Auswertung in den folgenden W–D-Zyklen ungeeignet. Wenn mit Biopolymer behandelter reiner Sand dehydriert wurde, schrumpften die Biopolymere als Gelphase, die die Poren füllte, und verwandelten sich in einen zugfesten Biofilm, was zu einer verbundenen Kornstruktur mit Hohlräumen führte34. Beim Eintauchen der getrockneten Proben dringt Wasser in die Poren ein, wodurch das Biopolymer aufquillt (d. h. es kommt zu einer Phasenverschiebung in einen viskosen Hydrogelzustand)42. Die durch den Rehydrierungsprozess verursachte erhebliche Quellung, die hauptsächlich durch die Hydrophilie des Biopolymers hervorgerufen wird, verschlechtert die Bindungsfestigkeit und führt dazu, dass die Proben unter ihrem Eigengewicht kollabieren.

Reaktion auf Exposition unter W–D-Zyklen. (a) Der Zusammenbruch von XS2-Proben bei der ersten Benetzung. (b) Rissentwicklung in XS2(50) nach dem zweiten W-D-Zyklus. (c) XS2(50) spaltet sich nach wiederholtem Quellen und Schrumpfen (nach dem sechsten Zyklus) in Fragmente auf. Spannungs-Dehnungs-Kurven nach zyklischer W-D (1–6 Zyklen) von (d) XS2(15), (e) XS2(25), (f) XS2(50) und (g) C10.

Nach wiederholten W-D-Zyklen nahmen die maximalen axialen Spannungswerte ab und die dem maximalen axialen Spannungswert entsprechende Dehnung nahm in den anderen BPST- und Zementbehandlungsfällen zu (Abb. 7d – g). Insbesondere zeigten XS2(15) und XS2(25) eine höhere Duktilität bei erhöhter Bruchdehnung (d. h. mehr als 1 % Dehnung) (Abb. 7d, e), was darauf hindeutet, dass die zyklischen Störungen des Biopolymerfilms die Möglichkeit eines Hochs erhöhen Duktilität und Dehnungserweichung von mit Biopolymer behandelten Böden23. Ähnlich wie XS2(15) und XS2(25) zeigte XS2(50) einen schnellen Rückgang der Spitzenspannung, während die Bruchdehnung abnahm, was auf eine geringere Duktilität schließen lässt (Abb. 7f). Dies geschah aufgrund der nach wiederholten Zyklen beobachteten Risse (Abb. 7b, c). Im Gegensatz zu den mit Biopolymer behandelten Böden behielt C10 nach zyklischer W-D ein relativ sprödes Verhalten bei, wobei ein Versagen bei etwa 1 % Dehnung auftrat (Abb. 7g).

Abbildung 8 zeigt Qu und E50 nach dem ersten bis sechsten W-D-Zyklus. Die Qu-Werte aller Proben nahmen mit der Anzahl der W-D-Zyklen allmählich ab (Abb. 8a). Insbesondere XS2(50), das bis zum ersten Zyklus den höchsten Qu-Wert (2765 kPa) beibehielt, zeigte nach dem zweiten Zyklus einen starken Rückgang. Unterdessen nahmen die Qu-Werte von C10, XS2(15) und XS2(25) bis zum sechsten Zyklus allmählich ab, wohingegen diese Proben nach dem zweiten Zyklus einen höheren Qu-Wert als der von XS2(50) beibehielten. Nach dem sechsten W-D-Zyklus war das Qu in C10 am höchsten, gefolgt von XS2(15), XS2(25) und XS2(50). Die qu-Werte von XS2(15) und XS2(25) erfüllten die vom südkoreanischen Ministerium für Land, Infrastruktur und Verkehr (MOLIT) empfohlenen Festigkeitsanforderungen (über 490 kPa) zur Aufrechterhaltung der Vegetation auf Hangflächen, selbst nach sechs Zyklen43 . Darüber hinaus trat die E50-Verschlechterung von XS2(15) und XS2(25) hauptsächlich während des ersten Zyklus auf und blieb nach dem ersten Zyklus konstant (Abb. 8b). Im Gegensatz dazu zeigte der E50-Wert von XS2(50) mit den W-D-Zyklen eine kontinuierliche Abnahme und zeigte eine ähnliche Tendenz wie die qu-Ergebnisse.

Ergebnis des zyklischen W-D-Haltbarkeitstests (a) qu, (b) E50.

Wie bereits in Abb. 7b, c gezeigt, wurde trotz ihrer hohen Anfangsfestigkeit eine rasche Qualitätsverschlechterung von XS2 (50) aufgrund der Entstehung von Rissen auf der Oberfläche der Proben beobachtet. Während des Trocknungsprozesses entstehen auf der Oberfläche von XS2(50) Risse aufgrund der extremen Schrumpfung und Quellung durch Feuchtigkeitsverlust und -aufnahme. Das XG-Biopolymer hat eine natürliche Affinität zum Wasser, die auf die anionischen Seitenketten in seiner Molekülstruktur zurückzuführen ist30. Somit würden mit Biopolymeren behandelte Böden, insbesondere solche, die Feinanteile enthalten, durch synergetische Effekte mit der Tonaktivität mehr Feuchtigkeit in der Bodenmatrix anziehen und speichern44. Es wurde erwartet, dass diese Eigenschaft zu einer stärkeren Schrumpfung beitragen würde, insbesondere bei XS2(50), mit höherem Feinanteil. Sobald an der Oberfläche ein Riss auftritt, könnte sich das Quellen und Schrumpfen beschleunigen, da Wasser leicht in die Proben eindringen und mit einer größeren spezifischen Oberfläche als zuvor reagieren könnte. Mit dem Wachstum von Oberflächenrissen wurden die XS2(50)-Proben schließlich in mehrere Fragmente gespalten, was zu einer Festigkeit von weniger als dem 1/36-fachen (nach dem vierten Zyklus) der ursprünglichen Festigkeit führte.

Abbildung 9 zeigt den kumulierten Bodenverlust in Bezug auf das Anfangsgewicht jeder Probe während der Wiederholung des W-D-Prozesses. Am Ende des sechsten W-D-Zyklus zeigten die XS2(25)-Proben den geringsten Gewichtsverlust von 1,5 %, während XS2(15) und XS2(50) Verluste von 4 % bzw. 4,5 % aufwiesen. XS2(15) und XS2(50) zeigten während des Eintauchvorgangs eine Ablösung grober Partikel an der Oberfläche, was darauf hindeutet, dass der durch wiederholte Feuchtigkeitseinwirkung verdünnte Biopolymerfilm allmählich seine Bodenbindungsfähigkeiten verlor. Der Bodenverlust, der in XS2(50) auftrat, war eher auf die Ablösung an der Peripherie der Risse als auf der gesamten Oberfläche zurückzuführen. Allerdings zeigten alle mit XS behandelten Böden einen zulässigen Bodenverlust auf der Grundlage der Kriterien der Portland Cement Association (d. h. maximal zulässiger Massenverlust von 14 % für SP- und SC-Böden) und des United States Army Corps of Engineers (d. h. Verlust von weniger als 8). % für körnigen Boden mit einem Plastizitätsindex über 10)45,46.

Variation des kumulativen Massenverlusts von XS-behandeltem Boden nach Anzahl der W-D-Zyklen.

Abbildung 10 zeigt die Korrelation zwischen der kumulativen Bodenverlustmenge und der Menge des mit Biopolymer behandelten Bodens nach jedem Zyklus. Der Qu-Bodenverlust zeigte eine exponentielle Korrelation mit hohen R2-Werten, was mit den Beobachtungen von Baghadadi und Shihata15 übereinstimmt. Es wurde jedoch gezeigt, dass mit Biopolymer behandelte Böden, einschließlich Böden mit großen Feinanteilen (z. B. XS2(50)), aufgrund der schweren Schäden durch Rissbildung nach sechs Zyklen eine verzerrte Korrelation aufweisen können. Daher könnten die herkömmlichen W-D-Haltbarkeitsbewertungsmethoden für Bodenzement für mit Biopolymer behandelte Böden geeignet sein, die einen Feinanteil von 15–25 % enthalten.

Zusammenhang zwischen kumulativem Bodenverlust und Restmenge des mit Biopolymer behandelten Bodens.

Abbildung 11 zeigt die axiale Spannungs-Dehnungs-Kurve aller stabilisierten Böden nach dem wiederholten F-T-Prozess. Mit zunehmender Anzahl der F-T-Zyklen verringerten sich die maximalen Axialspannungswerte und die der maximalen Axialspannung entsprechende Dehnung nahm in allen stabilisierten Böden zu (dh Dehnungserweichung) (Abb. 11a–g). Obwohl mit Biopolymeren behandelte reine Sande (d. h. X1, –D Bewitterungszustand (Abb. 11a–c). Die BPST-Proben mit höherem XG-Gehalt zeigten im Anfangsstadium ein spröderes Verhalten als diejenigen mit niedrigerem XG-Gehalt, wohingegen die Versagensdehnung nach F-T-Zyklen sowohl in X1 als auch in –T-Zyklen erhöht. Andererseits zeigten alle XS-behandelten Böden eine ähnliche Tendenz zur Dehnungserweichung wie die anderen, aber der Grad der Versagensdehnungsänderung zwischen 0 und 6 Zyklen nahm unter Bedingungen mit höherem Feinanteil ab (Abb. 11c – f). C10 zeigte immer noch ein geringeres Spannungserweichungsverhalten mit einer geringeren Bruchdehnung (dh etwa 1 % der Dehnung) als die mit Biopolymer behandelten Böden, ähnlich dem W-D-Ergebnis (Abb. 11g). Die Schwankung des Spitzenstresses durch den F-T-Zyklus lag jedoch innerhalb des Bereichs, der dem von mit Biopolymer behandelten Böden entspricht, was darauf hindeutet, dass der mit Biopolymer behandelte Boden hinsichtlich der F-T-Widerstandsleistung mit mit Zement behandelten Böden konkurrenzfähig ist.

Spannungs-Dehnungs-Kurven nach zyklischer F–T (1–6 Zyklen) von (a) X1, (b) X2, (c) XS2, (d) XS2(15), (e) XS2(25), (f) XS2(50) und (g) C10.

Qu und E50 nach jedem F-T-Zyklus nahmen, wie in Abb. 12 dargestellt, mit zunehmender Anzahl der F-T-Zyklen linear ab. Im Gegensatz zu den W–D-Reaktionen behielten XS2(50), Die anderen mit Biopolymeren behandelten Böden (XS2(15), XS2 und X1) erfüllten ebenfalls die in Korea für die Hangstabilisierung empfohlenen Festigkeitsanforderungen (über 490 kPa)43. Darüber hinaus zeigte die Steifheit des mit Biopolymer behandelten Bodens in gleicher Weise wie bei Qu eine leichte Abnahme. Der Rest-E50 des mit Biopolymer behandelten Bodens nach dem F-T-Prozess hatte einen kleineren Bereich als der des mit Zement behandelten Bodens, mit Ausnahme von XS2(50).

Ergebnis des zyklischen W-D-Haltbarkeitstests. (a) qu und (b) E50.

Die kumulativen Gewichtsverlusttrends der XS-behandelten Böden sind in Abb. 13 dargestellt. Der kumulative Bodenverlust betrug weniger als 0,5 %, was weniger signifikant war als die W-D-Ergebnisse und erreichte einen Massenverlust von 5 %. Nach dem ersten und zweiten Zyklus trat bei jedem XS-behandelten Boden ein geringer Gewichtsverlust auf, die Probengewichte stiegen jedoch leicht an, als die Anzahl der F-T-Zyklen nach dem dritten Zyklus zunahm. Diese geringfügige Gewichtszunahme könnte auf die Feuchtigkeitskondensation zurückzuführen sein, die beim Einfrieren auf der Oberfläche der Proben auftrat. Daher wurde im F-T-Prozess keine Korrelation zwischen der Restfestigkeit und dem kumulativen Verlust beobachtet.

Variation der kumulativen Masse des XS-behandelten Bodens nach Anzahl der F-T-Zyklen.

Der Haltbarkeitsindex (DI) und das Festigkeitsreduktionsverhältnis (SRR) (dh SRR = 1 − DI) wurden berücksichtigt, um die Auswirkung von W-D- und F-T-Zyklen auf die Festigkeitseigenschaften und Haltbarkeit von mit Biopolymer behandelten Böden zu analysieren. Der Haltbarkeitsindex (DI) ist der Prozentsatz, der ermittelt wird, indem die nach der gewünschten Anzahl von W-D- oder F-T-Zyklen verbleibende Menge durch die Menge einer identischen Probe dividiert wird, die nur 28 Tage lang ausgehärtet wurde47;

wobei qu,N = UCS nach N-Zyklen; und qu,0 = UCS vor Zyklenbelastung.

In Abbildung 14a und b sind DI und SRR von XS2-behandelten Böden unter W–D dargestellt. Wie oben erwähnt, wurden die Proben X1, X2 und XS2 aufgrund des Zusammenbruchs der Masse in den frühen W-D-Stadien ausgeschlossen (Abb. 7a). Unter W-D-Bewitterungsbedingungen zeigte der mit Biopolymer behandelte Boden im Allgemeinen eine unbefriedigende Haltbarkeitsleistung im Vergleich zu mit Zement behandeltem Boden. Insbesondere zeigte es eine größere Anfälligkeit bei reinem Sand und reinem KRS, das 50 % Tonanteil enthält. Diese Ergebnisse stehen in engem Zusammenhang mit der hydrophilen Natur des Biopolymers selbst, begleitet von einer hohen Feuchtigkeitsaufnahmekapazität (d. h. höheren Feuchtigkeitspufferwerten) im Vergleich zu Zement48.

Auswirkungen auf die Haltbarkeit und den Feinanteil von XS-behandelten Böden unter zyklischen Verwitterungsprozessen. (a) Haltbarkeitsindex (W–D), (b) Festigkeitsreduzierungsverhältnis pro Zyklus (W–T), (c) Haltbarkeitsindex (F–T), (b) Festigkeitsreduzierungsverhältnis pro Zyklus (F–T).

In reinem Sand führt die Feuchtigkeitsanziehung zu einer Verschlechterung der Festigkeit durch Quellung und lokale Verdünnung an der äußersten Stelle der Biopolymerschicht, wodurch das viskose Biopolymergel daran gehindert wird, Bodenpartikel zu binden23. Da insbesondere die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Sandpartikeln und Biopolymer gering ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Festigkeitsverschlechterung hauptsächlich durch die Partikelablösung an der Grenzfläche zum Wasser (äußerster Teil) verursacht wird, wenn eine XS-Biopolymerbehandlung mit schlecht abgestuftem Sand zum Schutz von Böschungen durchgeführt wird.

Im reinen KRS-Boden (XS2(50)) traten nach und nach Risse auf, obwohl er den höchsten anfänglichen Qu-Wert aufwies, und zeigten einen deutlich niedrigen DI von etwa 2 %. Dieses Verschlechterungsverhalten wird hauptsächlich durch starkes Quellen und Schrumpfen verursacht, das durch die synergetische Wasserabsorption sowohl der Biopolymer- als auch der Tonaktivität hervorgerufen wird33,49. Daher besteht bei der Implementierung einer Böschungsschutzschicht mittels XS-Biopolymerbehandlung mit feiner Erde die Gefahr, dass es zu Rissen in der Schicht oder zu einer Ablösung und einem Gleitversagen der Schicht selbst auf dem Feld kommt.

Mittlerweile wurde bestätigt, dass diese Anfälligkeit im Boden mit 15 % und 25 % Feinanteil gemindert werden kann. XS2(15) und XS2(25) zeigten 37 % bzw. 34 % DI-Werte nach sechs W-D-Zyklen, und der SRR sank von 100 % (in reinem Sand) auf weniger als 18 % bzw. 13 % nach dem ersten Zyklus (Abb. 14a,b). Obwohl der wiederholte W-D-Prozess teilweise eine äußere Verwitterung auf XS-Ton-Matrizen induziert, ist ersichtlich, dass die Ansammlung von Sandkörnern nach den W-D-Zyklen erhalten bleibt, was einen Haltbarkeitsindex von etwa 35 % zeigt (Abb. 15a).

REM-Bilder von XS2(15) nach 6 Bewitterungszyklen. (a) W–D und (b) F–T.

Im F-T-Prozess nahm der DI aller mit Biopolymer behandelten Böden allmählich ab und blieb nach sechs Zyklen im Bereich von 72–90 % (Abb. 14c). Im Vergleich zu den mit Zement behandelten Böden, die 80 % DI zurückhielten, zeigten die mit Biopolymer behandelten Böden unter F-T-Bewitterungsbedingungen eine konkurrenzfähige Haltbarkeit. Insbesondere die Zugabe von Feinanteilen verbesserte die F-T-Haltbarkeit deutlich, indem die SRR nach sechs F-T-Zyklen von 28 % (in reinem Sand) auf 10 % (in XS2(50)) reduziert wurde (Abb. 14d).

Typischerweise wird die F-T-Haltbarkeit stabilisierter Böden (technisch hergestellter Böden) hauptsächlich durch den Feuchtigkeitszustand (d. h. freies Wasser in den Poren) beeinflusst, der mit der Volumenausdehnung aufgrund der Eisbildung zusammenhängt28,50. Beim Gefrieren nimmt das Volumen des verbleibenden Wassers im stabilisierten Boden um etwa 9 % zu51. Wenn sich die gefrorenen Flüssigkeiten im Porenraum ausdehnen und den verfügbaren freien Raum in der Pore erreichen, wird hydraulischer Druck auf die stabilisierte Bodenmatrix ausgeübt, was zu einer allmählichen Vergrößerung der Poren und einem Bindungsbruch zwischen dem Bindemittel und den Bodenpartikeln führt50,51, 52. Allerdings verloren die in dieser Studie ausgewerteten, mit Biopolymeren behandelten Böden, die über 28 Tage dehydriert wurden, den Großteil des in den Poren befindlichen freien Wassers durch Verdunstung, was zu einem Restwassergehalt im Bereich von 0,6–1,7 % führte, wie in Tabelle 2 gezeigt ( dh um 93–98 % gegenüber dem anfänglichen Wassergehalt von 25 % reduziert. Daher ist eine Störung der Bodenmatrix aufgrund einer sich ausdehnenden Eisbildung im Porenraum in getrockneten Proben gering. Stattdessen kann es zu Abrieb an den XS-Biopolymer-Ton-Matrizen kommen, was zu einem allmählichen Abbau von Festigkeit und Steifigkeit führt. Die Festigkeitsreduzierung und Duktilitätsänderung unter F–T könnte auf den kumulativen Abrieb und die Schwächung an Biopolymer-Ton-Matrizen zurückgeführt werden, die durch kondensiertes Wasser (d. h. frische Feuchtigkeit) während jeder Gefrierperiode an der Oberfläche der Probe einhergehen (Abb. 15b). .

Anhand der umfassenden Ergebnisse von W–D und F–T in dieser Studie kann festgestellt werden, dass SC-Boden (Tonsand gemäß dem Unified Soil Classification System) mit einem Feinanteil von 15–25 % für die langfristige Haltbarkeit von Vorteil ist mit Biopolymer behandelter Boden. Darüber hinaus klassifizieren die Flussdesignstandards in Korea die Bodenzusammensetzung für den Dammbau in drei Klassen (I, II und III), wobei Leckagebeständigkeit und Rissverhinderung berücksichtigt werden. Die Normen schreiben vor, dass für den Dammbau eine Bodenzusammensetzung der Güteklasse I oder II verwendet werden sollte38. Die aus dieser Studie vorgeschlagene Bodenzusammensetzung entsprach der Spezifikation der Klasse II (d. h. gut abgestufter Boden mit einem Plastizitätsindex im Bereich von 7–15), wie in Tabelle 1 gezeigt. Daher wird erwartet, dass die Hangschutzmethode Biopolymer verwendet - Behandelter Boden ist bei der Verwendung von SC-Boden in Bezug auf Festigkeit und Haltbarkeit ausreichend konkurrenzfähig.

Obwohl die in dieser Studie bewerteten Festigkeits- und Bodenverluste allgemeine Indikatoren für die Beurteilung der Haltbarkeit stabilisierter Böden sind, hat diese kontrollierte Umgebung nicht vollständig nachgewiesen, dass sich die Umgebung vor Ort klimatisch verschlechtert. Daher sollten weitere Studien zu realen Verwitterungseffekten durchgeführt werden, um die Leistung und Stabilität von mit Biopolymeren behandelten Böden im Feld vorherzusagen. Darüber hinaus gibt es in natürlichen Umgebungen viele Mikroorganismen, die die biologische Stabilität von mit Biopolymeren behandelten Böden beeinträchtigen können. Daher bedarf der biologische Abbau aufgrund mikrobieller Aktivität weiterer Untersuchungen.

In dieser Studie wurde die umfassende Festigkeitsbeständigkeit von mit Biopolymeren auf Xanthangummi-Basis behandelten Böden unter zyklischen W-D- und F-T-Zyklen anhand einer Reihe von Laborexperimenten bewertet. Die zyklische W-D von mit Biopolymer behandelten Böden verschlechtert allmählich die Festigkeit und Steifigkeit der Böden aufgrund eines hohen Quellungsgrades, der aus der Hydrophilie unter W-D-Bedingungen resultiert. Die Anfälligkeit war sehr hoch, insbesondere bei Sand mit schlechter Körnung. Allerdings wurde der Widerstand gegen Festigkeitsverschlechterung wirksam erhöht, wenn der Boden einen bestimmten Feinanteil (15–25 %) aufwies. Unterdessen waren Festigkeitsabbau und Bodenverlust, die durch zyklisches F–T in einem ausreichend dehydrierten Zustand verursacht wurden, weniger schwerwiegend als die durch W–D verursachten, was eine konkurrenzfähige Leistung im Vergleich zu zementbehandeltem Boden zeigt. Da 15–25 % feinhaltiger Boden sowohl bei W–D als auch bei F–T ausreichend positive Auswirkungen zeigt und die Bodeneigenschaften in den Entwurfskriterien für den Erddamm erfüllt, ist es geeignet, mit Biopolymer behandelten Boden als Erdhangverstärkung zu verwenden Material. Es sollten jedoch weitere Studien zur Haltbarkeit unter natürlichen Witterungsbedingungen durchgeführt werden, um die langfristige Leistung auf der Grundlage dieser Laborergebnisse vorherzusagen.

Alle experimentellen Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage per E-Mail beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, die von der koreanischen Regierung (MSIT) finanziert wurden (Nr. 2022R1A2C2091517 und 2017R1A5A1014883), und der Erstautor wird durch das Innovative Talent Education Program for Smart City unterstützt, das vom Ministerium für gefördert wird Land, Infrastruktur und Transport (MOLIT) der koreanischen Regierung.

Forschungsabteilung zur Demonstration der Entsorgungsleistung, Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), Daejeon, 34057, Republik Korea

Minhyeong Lee

Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, 34141, Republik Korea

Yeong-Man Kwon, Dong-Yeup Park und Gye-Chun Cho

Abteilung für Bausystemtechnik, Ajou-Universität, Suwon, 16499, Republik Korea

Ilhan Chang

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ML trug zur Methodik, Validierung, Untersuchung, Datenkuratierung, Visualisierung und dem Verfassen des Originalentwurfs bei. YMK trug zur Untersuchung, Überprüfung und Bearbeitung des Entwurfs bei. DYP trug zur Untersuchung und Datenkuratierung bei. IC trug zur Konzeptualisierung, Validierung, Überprüfung und Bearbeitung sowie Überwachung bei. GCC trug zur Konzeptualisierung, Ressourcen, Überwachung und Projektverwaltung bei.

Korrespondenz mit Ilhan Chang oder Gye-Chun Cho.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lee, M., Kwon, YM., Park, DY. et al. Haltbarkeits- und Festigkeitsabbau von mit Biopolymeren auf Xanthangummibasis behandeltem Boden, der starken Witterungszyklen ausgesetzt ist. Sci Rep 12, 19453 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23823-4

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Eingegangen: 15. Juli 2022

Angenommen: 07. November 2022

Veröffentlicht: 14. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23823-4

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