Influência de nanomateriais na estabilização de solos moles: Nanosílica e nanoargila

Resumo

Engenheiros e projetistas frequentemente utilizam o procedimento para melhorar o solo adicionando vários estabilizadores, que normalmente são usados para melhorar a qualidade do solo. Métodos modernos, como a adição de nanopartículas a solos naturais fracos para preencher lacunas em escala nanométrica ou entre 1 nm e 100 nm, e para aprimorar todas as qualidades geotécnicas , são conhecidos como nanotecnologia. Nessa pesquisa, foram feitos testes de laboratório para avaliar o desempenho do solo macio estabilizado por partículas de nanossolo - nanoargila e nanossílica - nos parâmetros geotécnicos. O principal objetivo deste estudo é investigar como concentrações modestas de nanossílica e nanoclay (0,05%, 0,15%, 0,25% e 0,35%) podem melhorar as qualidades físicas do solo. A estabilização do solo usando nanomateriais demonstrou bons resultados, aumentou todos os parâmetros geotécnicos, inclusive o índice e as propriedades de engenharia, e melhorou a resistência do solo e a resistência ao cisalhamento efetiva do solo macio estabilizado. Também forneceu ao solo a dose ideal do efeito da nanoargila. Densidades secas de 1,81kN/m2 foram alcançadas com 1% de nanossílica e 0,15% de nanoclay. Após 28 dias de cura, as características de resistência à compressão não confinada aumentaram de 0,201 MPa para 0,821 MPa com 1% de nanosílica e 0,15% de nanoclay, pois o espaço poroso foi preenchido com nanopartículas e a resistência à compressão do solo melhorou. A estabilização é benéfica para todos os aterros relacionados à estabilidade de taludes, transporte, geotécnica e estabilidade civil.

Palavras-chave

Nanosílica, Nanoclay, Resistência à compressão não confinada, Teste Proctor Padrão

1Introdução

Raramente os solos naturalmente argilosos conseguem satisfazer as especificações de capacidade de suporte de fundação dos projetos de engenharia geotécnica contemporâneos. Devido à sua alta compressibilidade, alto potencial de dilatação e retração, baixa permeabilidade, baixa resistência ao cisalhamento e baixa permeabilidade, os solos moles são considerados solos problemáticos. De acordo com [2], diz-se que o solo mole tem comportamento imprevisível e qualidades de engenharia indesejadas. O processo de adicionar materiais ao solo ou alterar suas características naturais para melhorar suas qualidades de engenharia, como força, durabilidade e resistência à deformação, é conhecido como estabilização do solo. Três categorias gerais podem ser usadas para categorizar as técnicas de estabilização do solo: técnicas mecânicas, químicas e físicas. Em geral, os solos de fundação podem ter suas qualidades de resistência e deformação alteradas ou melhoradas com a adição de uma série de materiais de reforço ou tratamento [7], [13], [12], [19] e [20]. Esses compostos se enquadram em três categorias: agentes de cura compostos, substâncias iônicas estabilizadoras do solo e aglutinantes inorgânicos. Para a modificação química do solo, os aglutinantes inorgânicos (como cimento, cal, cinzas volantes e suas misturas) são comumente utilizados entre outros materiais estabilizados [3]. De acordo com [18], com tensões efetivas médias iniciais mais baixas ou maior teor de cimento, os solos cimentados apresentam um comportamento de tensão-deformação mais frágil e um aumento considerável no módulo de elasticidade e na resistência máxima. De acordo com [12], a adição de fibras de polipropileno ao solo cimentado aumenta o teor de fibras, o que, por sua vez, aumenta a taxa de tensão principal na ruptura, bem como as resistências de cisalhamento de pico e residual. Em uma série de experimentos, [15] adicionou nanossílica a solos argilosos e descobriu que isso resultou em uma diminuição do índice de inchamento da argila. Atualmente, os pesquisadores interessados em aplicações de engenharia, especialmente na engenharia civil, estão cada vez mais interessados em nanomateriais e nanopartículas. Os nanomateriais são uma classe de materiais ultrafinos que têm tamanhos de partículas que variam de 1 a 100 nm com uma enorme área de superfície específica. Devido ao aumento da área de superfície geral e à sua capacidade de funcionar como catalisadores eficazes, as nanopartículas se tornam mais reativas do que seu tamanho inicial e podem desenvolver materiais com novos usos. Em vez disso, a enorme área de superfície de uma nanopartícula aumentará a quantidade de contato entre os componentes misturados, como nos nanocompósitos, aumentando a resistência dos materiais. Como resultado, ela se torna mais reativa e pode ser útil para melhorar as características do solo para uma série de usos. Um tipo específico de nanopartícula conhecido como nanosílica é composto de minúsculas partículas de dióxido de silício. A nanosílica pode ter vários benefícios quando aplicada ao solo argiloso, alguns dos quais podem melhorar a qualidade do solo. Quando a argila é estabilizada com aditivos como cinzas volantes, cimento, sílica ativa e cal, as partículas são de tamanho micro e têm pouco efeito sobre as propriedades dos poros, incluindo compactação, resistência ao cisalhamento, gravidade específica, índice de plasticidade e permeabilidade [4] [16]. Essas adições, por si só, não aumentam suficientemente o desempenho do solo; as lacunas são preenchidas apenas parcialmente. Para preencher os poros do solo em escala nanométrica e torná-lo mais compactado, a nanotecnologia é empregada [17] [9] [1]. Isso tem um impacto geral maior sobre a permeabilidade, a gravidade específica, a compactação, a resistência ao cisalhamento e o índice de plasticidade do solo. O efeito de tamanho, o efeito quântico, o efeito de superfície e o efeito de interface são as quatro principais propriedades estruturais dos nanomateriais [6]. Os nanomateriais oferecem inúmeros benefícios em termos de ciência, meio ambiente, economia e melhor qualidade do produto. De todos os nanomateriais, a nanoargila demonstrou desempenho superior em termos de índice de solo e características de engenharia. Foi demonstrado que a adição de quantidades extremamente pequenas de nanoclay ao solo melhorou o limite líquido e teve um impacto no índice de plasticidade [21]. Como as nanopartículas são amplamente utilizadas, seu custo caiu significativamente, abrindo a porta para seu uso generalizado no setor de engenharia geotécnica.

O objetivo deste estudo é analisar como as nanopartículas afetam o solo argiloso. A pesquisa foi realizada em solo argiloso suplementado com nanosílica e nanoargila. Para determinar a proporção ideal, a nanossílica foi primeiramente adicionada à amostra de argila mãe em incrementos de 0,7%, 1%, 1,2% e 1,5%. As amostras foram então combinadas com 0,05%, 0,15%, 0,25% e 0,35% de nanoargila. Foi feita uma comparação entre as características de uma amostra de solo argiloso nativo e uma amostra de solo argiloso estabilizado quimicamente. Este trabalho examina uma pesquisa experimental sobre a eficácia do emprego de nanomateriais (nanoclay e nanosílica) para melhorar as qualidades de resistência e os parâmetros de limite de Atterberg. Os resultados do experimento demonstraram que a adição de uma pequena quantidade de nanossolo melhorou significativamente as características geotécnicas do solo mole.

2Materiais e métodos

Uma amostra de solo nativo foi retirada de Beel Dakatia. Ele está situado dentro dos limites administrativos do subdistrito de dumuria e phultala do distrito de Khulna, cuja área de 50% está regularmente abaixo de 0,5 m a 2 m de água. Está localizada entre as longitudes 89'20'e e 89'35'e e as latitudes 22'45'n e 23'00'. O solo coletado era irregular. Eles não foram tratados e foram coletados com mais de 25 kg em um saco não utilizado. Os solos foram então deixados para secar naturalmente. Para começar, a terra estava úmida. Os pedaços de terra seca foram triturados manualmente após a conclusão do processo de secagem ao ar. Depois disso, os solos em pó foram peneirados de acordo com a norma astm c136. A distribuição do tamanho do grão é mostrada na fig. 1. Para os experimentos, era insuficiente, então os solos secos ao ar foram secos em um forno a 105°c por 24 horas. O aditivo para este estudo foi nanosílica e nanoclay. A nanoargila e a nanosílica foram adicionadas ao solo em diferentes porcentagens para preparar a amostra. 600 g de nanoclay foram coletados em kolkata, Índia. 1 kg de nanosílica foi coletado na loja científica de Khulna, Khulna. A quantidade necessária para o teste foi seca em estufa por 24 horas na temperatura do solo. Dois tipos de amostras foram preparados para o teste. Primeiro, 0,7%, 1%, 1,2% e 1,5% de nanossílica foram misturados ao solo-mãe para investigar a quantidade ideal de nanossílica. Em seguida, 0,05%, 0,15%, 0,25% e 0,35% de nanoargila foram adicionados ao solo junto com o teor ideal de nanosílica para formar a amostra para o teste. Quatro amostras foram preparadas com nanosílica e nanoclay para cada teste. A composição química da nanossílica usada é mostrada na Tabela 1.

Nesta pesquisa, a amostra de solo argiloso mãe foi coletada da respectiva área e as amostras para os testes foram preparadas no laboratório. Todos os testes foram realizados em laboratório. O diagrama de fluxo da metodologia desta pesquisa é apresentado a seguir:

Tabela 1: A composição química da nanosílica que foi usada

Fig. 1: Distribuição do tamanho dos grãos do solo de teste.

3.resultados e discussão

3.1 Efeito da nanossílica na estabilização do solo mole

3.1.1Efeito da nanossílica nos limites de Atterberg do solo

A Figura 2 mostra a relação entre o limite líquido do solo estabilizado e o teor de nanossílica. Em comparação com a amostra-mãe, a amostra argilosa estabilizada tem um valor de limite líquido mais baixo em nosso teste. O limite de líquido aumenta à medida que a proporção de nanossílica aumenta. O limite de líquido da amostra argilosa coletada foi de 43,25. O valor do limite de líquido para a argila estabilizada com 0,7% de nanossílica foi de 44,33. O valor do limite líquido foi de 44,64 com 1% de nanosílica usada para estabilizar o solo. Em 1,2% de nanosílica usada, o limite líquido foi de 45,43. O limite líquido é máximo para a amostra estabilizada com 1,5% de nanosílica. O valor máximo do limite líquido é de 45,86. Para o teste de limite plástico, o limite plástico aumentou para o solo estabilizado à medida que a porcentagem de nanossílica aumentou. Para a amostra de solo mãe, o limite plástico foi de 23,54. Ao adicionar 0,7% de nanossílica, o limite plástico aumentou e o valor foi de 25,98. O limite plástico aumentou à medida que a porcentagem de nanossílica aumentou. O índice de plasticidade varia no teste ao adicionar diferentes conteúdos em diferentes porcentagens. O índice de plasticidade foi de 19,71 para a amostra-mãe. O índice de plasticidade foi menor para o solo estabilizado com 1% de nanossílica, com um valor de 18,09 para a quantidade ideal. Portanto, 1% de nanosílica apresenta o melhor resultado. A variação do índice de plasticidade é mostrada na fig. 2. De acordo com (foad changizi, 2017), o resultado foi semelhante ao do experimento. Ao determinar o quanto se espera que um solo assente ou se consolide sob carga, os limites de atterberg podem ser usados como referência no campo. Se a umidade do campo estiver próxima do limite líquido, espera-se muito assentamento. O oposto é verdadeiro se a umidade de campo estiver próxima ou abaixo do limite plástico. Em nosso experimento, o índice de plasticidade diminui e depois aumenta, o limite de líquido aumenta e o limite de plástico aumenta. Por exemplo, quando 1% de nanosílica é usado para estabilizar o solo, o ritmo de assentamento é reduzido. Portanto, como aditivo químico, 1% de nanossílica é um estabilizador ideal que melhora as propriedades das amostras de solo argiloso.

3.1.2Efeito da nanossílica nas características de compactação do solo

Foi realizado o teste de proctor padrão. No teste, o teor de umidade ideal diminuiu e a densidade seca máxima aumentou no solo estabilizado. O teor de umidade ideal foi de 18,6% para o solo de argila mãe. Posteriormente, o teor de umidade ideal diminuiu à medida que a porcentagem de nanossílica aumentou, com a menor em 1,5% de nanossílica, atingindo 15,7%. A densidade seca máxima foi de 1,75 KN/m2, 1,766 KN/m2, 1,78 KN/m2, 1,77 KN/m2 e 1,76 KN/m2 para o solo argiloso, 0,7% de nanossílica, 1% de nanossílica, 1,2% de nanossílica e 1,5% de solo estabilizado com nanossílica, respectivamente. Esses resultados são semelhantes aos de [5] [1].

Fig. 2: Índice de plasticidade (solo não tratado + nanossílica)

Fig. 3: Características de compactação da amostra de solo misturado com nanossílica

3.1.3Efeito da nanossílica no teste de resistência à compressão não confinada

O teste de compressão não confinada (UCT) foi usado para determinar as características mecânicas da amostra de solo. Ele determina a resistência não drenada e as propriedades de tensão-deformação do solo. Aqui, a relação de resistência de 1 dia da nanossílica é mostrada na figura 4. Entre todas as porcentagens de 0,7, 1, 1,2 e 1,5% do peso seco do solo, a porcentagem de 1 de nanossílica apresentou o menor índice de plasticidade (de 21% para 19,5%) e uma densidade seca máxima significativa (de 1,75 para 1,78 KN/m2). Entre todas as porcentagens, a nanossílica a 1% apresentou os melhores resultados, com o valor UCT atingindo o mais alto a 1%. Por isso, 1% de nanossílica foi escolhido como a dosagem ideal para o solo.

Fig. 4: Teste UCT da amostra de solo com mistura de nanossílica

3.2 Efeito da nanoargila no solo argiloso + 1% de nanossílica

3.2.1Efeito da nanoargila nos limites de Atterberg do solo + 1% de nanossílica

Em nosso teste, o limite líquido tem um valor menor na amostra argilosa estabilizada do que na amostra-mãe. O limite líquido aumentou com o aumento das porcentagens de nanosílica e nanoargila. O limite de líquido para a amostra argilosa coletada foi de 43,25. O valor do limite de líquido para a argila estabilizada com 1% de nanosílica + 0,05% de nanoargila foi de 41,57. O valor do limite líquido foi de 41,89 com 1% de nanosílica + 0,15% de nanoclay usado para estabilizar o solo. Em 1% de nanosílica + 0,25% de nanoclay usado quando o limite líquido foi de 45,43. O limite de líquido é máximo para a amostra estabilizada com 1% de nanosílica + 0,35% de nanoclay. O valor mínimo do limite de líquido é 45,86. Em nosso teste, o limite plástico aumenta com o solo estabilizado. Para a amostra de solo mãe, o limite plástico foi de 23,54. Ao adicionar 1% de nanosílica + 0,05%, o limite plástico aumentou e o valor foi de 24,25. O limite plástico aumentou à medida que a porcentagem de nanoargila aumentou. O índice de plasticidade varia no teste ao adicionar diferentes conteúdos em diferentes porcentagens. Os resultados estão de acordo com estudos anteriores que usaram nanoclay [21]. O índice de plasticidade foi de 19,71 para a amostra-mãe. O índice de plasticidade mais baixo para o solo estabilizado com 1% de nanosílica + 0,15% de nanoclima com um valor de 16,89 para a quantidade ideal [8]. Portanto, 0,15% de nanoclay mostra o melhor resultado. A variação do índice de plasticidade é mostrada na Figura 5

3.2.2Efeito da nanoargila nas características de compactação do solo + 1% de nanosílica

A densidade seca máxima diminui à medida que o nível de umidade ideal aumenta no teste. Para a amostra-mãe, argila estabilizada com 1% de nanosílica + 0,05% de nanoargila, 1% de nanosílica + 0,15% de nanoargila, 1% de nanosílica + 0,25% de nanoargila e 1% de nanosílica + 0,35% de nanoargila, o nível de umidade ideal foi de 16,3%, 15,2%, 14,9% e 14,7%, respectivamente. A Figura 6 mostra as características de compactação, que podem ser verificadas com os resultados de [11].

3.2.3Efeito da nanoargila no teste de resistência à compressão não confinada do solo + 1% de nanosílica

Para encontrar uma combinação ideal de nanosílica e nanoargila, a porcentagem ideal de nanosílica foi misturada com diferentes porcentagens de nanoargila. O teste UCT foi realizado em 1, 3, 7, 14 e 28 dias. No teste de 14 dias, houve uma melhora considerável. Isso se deve à reação pozolânica. Depois de encontrar a nanosílica ideal, a nanopartícula foi adicionada ao solo argiloso misto com nanosílica ideal em diferentes porcentagens (0,7%, 1%, 1,2% e 1,5%) e a resistência máxima foi encontrada com 0,15% de nanopartícula e a melhoria da resistência foi de 67%. Como resultado, descobrimos a quantidade adequada de nanossílica e nanoargila para a estabilização do solo argiloso. Os resultados são mostrados na figura 7.

Fig. 5: Índice de plasticidade (solo argiloso + 1% de nanosílica + nanoargila)

Fig. 6: Características de compactação da amostra de solo misturado com nanoargila

Após 24 horas, a maior melhoria de resistência foi encontrada em 62% na combinação (nanossílica 1% + nanoargila 0,15%). Entre todas as porcentagens do peso seco do solo, a porcentagem de 0,15 de nanocerâmica tratou a gravidade específica máxima, reduziu o índice de plasticidade e obteve densidade seca máxima significativa. Portanto, 0,15% de nanoclay foi o ideal.

3.3 Efeito de 1% de nanosílica + 0,15% de nanoargila no teste de permeabilidade do solo mole

O solo de argila mole foi combinado com o teor de umidade ideal, a densidade seca máxima e as doses ideais de nanossílica e nanoargila para preparar as amostras para as características de permeabilidade. As amostras foram preservadas em sua embalagem final para evitar a evaporação da água. As amostras geradas atenderam às propriedades de permeabilidade, conforme especificado pela astm d 2434, e foram avaliadas de acordo com as diretrizes. Especificamente, o solo de argila mole foi combinado com o teor de umidade ideal, a densidade seca máxima e as doses de nanosílica e nanoargila. Os resultados dos parâmetros de permeabilidade do solo misturado com nanosílica e nanoargila são mostrados na tabela 2. Esse teste revelou que os parâmetros de permeabilidade eram totalmente diferentes daqueles investigados anteriormente [14]. A adição da dosagem ideal de nanoargila fez com que os espaços vazios fossem preenchidos com nanomateriais em nível nano, atuando como um solo completamente impenetrável.

Tabela 2: Características de permeabilidade

Fig. 7: Melhoria da resistência Variação para diferentes Teste Dias (solo argiloso+ 1% de nanosílica + nanoargila )

4.Conclusões

As conclusões a seguir foram tiradas do estudo experimental sobre argila macia aprimorada usando nanosílica e nanoargila, índice e características de engenharia da argila macia:

• O solo de argila de baixa compressibilidade (CL) é determinado pelos limites de Atterberg. O OMC e o MDD do solo são 18,18% e 1,62 g/cc, respectivamente.
• O UCS do solo argiloso foi determinado como sendo 0,201 Mpa, e o coeficiente de permeabilidade é de cerca de 4,6 * 10-4 cm/s. O assentamento final da consolidação é de aproximadamente 4,4 mm, e o coeficiente de consolidação foi de 0,043 cm2 /min. Portanto, é evidente que o solo é composto por argila altamente compressível.
• O teor de umidade ideal, a densidade seca máxima e as porcentagens de nanosílica, como 0,7, 1, 1,2 e 1,5% do peso seco do solo, foram combinados com o solo de argila mole.
• Com 1% de nanossílica no solo, as densidades secas máximas aumentaram para 1,78 kN/m2 e afetaram a distribuição dos tamanhos dos grãos.
• De todas as porcentagens, a resistência de 1% de nanosílica produz os melhores resultados.
• A porcentagem 1 de solo tratado com nanossílica apresentou o menor índice de plasticidade (de 21% para 19,5%) e a densidade seca máxima significativa (de 1,75 para 1,78 kN/m2) entre todas as porcentagens - 0,7, 1, 1,2 e 1,5% do peso seco do solo. Para determinar a quantidade ideal de nanosílica a ser adicionada ao solo, cada ajuste é feito em uma porcentagem de 1%.
• A inclusão da nanoargila afetou a distribuição do tamanho dos grãos e alterou as limitações de líquido e plástico. A redução máxima no índice de plasticidade ocorreu em 0,15% da mistura de solo com nanoclay.
• As densidades secas máximas afetaram a distribuição de tamanhos de grãos e aumentaram o máximo de 1,81kN/m2 com 0,15% de porcentagem de nanoclay no solo.
• A maior gravidade específica, o menor índice de plasticidade e a densidade seca máxima significativa foram observados na porcentagem de 0,15 de solo tratado com Nanoclay entre todas as porcentagens do peso seco do solo. Para determinar a quantidade ideal de Nanoclay a ser adicionada ao solo, cada ajuste é feito em uma porcentagem de 0,15%.
• O solo se comportou como completamente impermeável, o total de poros preenchidos com nanomateriais e a dosagem ideal de Nanoclay apresentaram propriedades de permeabilidade zero.

Referências

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Esta é uma submissão para a Bolsa de Estudos 2024 da SAM, enviada por Tausif Islam Chowdhury.

*Autor correspondente

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

¹ Estudante de pós-graduação, Departamento de Engenharia de Construção e Gerenciamento de Construção, Universidade de Engenharia e Tecnologia de Khulna, Bangladesh

² Professor assistente, Departamento de Engenharia de Construção e Gerenciamento de Construção, Universidade de Engenharia e Tecnologia de Khulna, Bangladesh

³ Estudante de pós-graduação, Departamento de Engenharia de Construção e Gerenciamento de Construção, Universidade de Engenharia e Tecnologia de Khulna, Bangladesh

⁴ Estudante de pós-graduação, Departamento de Engenharia de Construção e Gerenciamento de Construção, Universidade de Engenharia e Tecnologia de Khulna, Bangladesh