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Jul 24, 2023

Mikro

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 10913 (2023) Diesen Artikel zitieren 457 Zugriffe 1 Zitate Metrikdetails Eine Autorenkorrektur zu diesem Artikel wurde am 17. Juli 2023 veröffentlicht. Dieser Artikel

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10913 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Nanoadditive führen zur Bildung von Nanozementierung (NC). Dieses Verfahren wird in jüngster Zeit zur Verbesserung der Haltbarkeit verschiedener Baumaterialien eingesetzt. NC dient zur Verbesserung der Festigkeit unbehandelter Bodenmaterialien, auch bekannt als Nano Soil-Improvement (NSI). In wenigen Jahren wurde die Rolle von Nanoadditiven in verschiedenen Bodentypen untersucht. In dieser Forschung wurde die Rolle von Bentonit in Mikro- und Nanogröße als Bodenstabilisator als erste Forschung zur Verbesserung der geotechnischen Eigenschaften von Böden bewertet. Nanoadditive, hergestellt aus Bentonit in Mikro- und Nanogrößen, wurden mit vier Formulierungen gemischt. Diese Formulierungen von Mikro- und Nano-Additiven in Konzentrationen von 0, 1, 2 und 3 %, nämlich 0 % Mikro-Bentonit, 1 % Mikro-Bentonit, 2 % Mikro-Bentonit, 3 % Mikro-Bentonit, 0 % Nano -Bentonit, 1 % Nano-Bentonit, 2 % Nano-Bentonit bzw. 3 % Nano-Bentonit. Diese Formulierungen aus Mikro- und Nanoadditiven wurden separat dem Boden zugesetzt. Proben mit 3 % Nano-Bentonit zeigten eine signifikante Verbesserung der uneingeschränkten Druckfestigkeit (UCS) des Bodens, die nach einer Aushärtezeit von 7 Tagen mehr als 2,3-mal höher war als die Kontrollprobe. Auch die Leistung von Mikrobentonit führte zu einer Verbesserung des UCS des Bodens, die nach einer Aushärtezeit von 7 Tagen mehr als 1,1-mal höher war als bei der Kontrollprobe. Der Sekantenmodul bei 50 % der Spitzenspannung (E50) der mit Mikro- und Nanoadditiven behandelten Proben erhöhte sich im Vergleich zu unbehandelten Proben. Darüber hinaus charakterisierten Röntgenfluoreszenz (RFA), Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugungsanalysen Mikro- und Nanostrukturen von Bodenproben und zeigten die Leistung von Nanoadditiven bei der Verbesserung der Bodenfestigkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass Nanobentonit als eine Art Nanoadditiv ein wirksames Mittel zur Erhöhung der Bodenfestigkeit ist. Diese Forschung zeigt die Bedeutung von Nano-Bentonit bei der Bodenverbesserung als NSI-Technik.

Unbehandelte Böden sind lockere, locker verdichtete Böden, die instabil sein können und Probleme bei Gebäudefundamenten verursachen können. Das Bauen auf unbehandelten Böden kann schwerwiegende Folgen haben, wie zum Beispiel Risse in Gebäudestrukturen und Fundamenten. Übliche Techniken zur Bodenverbesserung umfassen tiefe Bodenmischung, Steinsäulen, Düsenstrahlinjektion, Vorbeladung und verwandte Methoden, aber diese Techniken reichen für einige Bodentypen möglicherweise nicht aus. Der Einsatz von Zusatzstoffen kann eine wirksame Möglichkeit sein, Böden zu verbessern und stabiler zu machen. Zu den Zusatzstoffen können herkömmliche Stabilisatoren wie Kalk, Zement, Flugasche und verwandte Zusatzstoffe gehören. Jedes dieser Materialien hat seine eigenen Vor- und Nachteile, und es ist wichtig, die Unterschiede zwischen ihnen zu untersuchen, um die besten Möglichkeiten zur Verbesserung unbehandelter Böden zu verstehen1.

Unter diesen Bedingungen entwickeln Forscher neue Techniken zur Bodenverbesserung. Es gibt nur wenige Studien, in denen Bentonit sein Potenzial zur Erhöhung der Bodenfestigkeit gezeigt hat2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, 20,21,22,23,24,25. Bentonit ist einer der jüngsten umweltfreundlichen Zusatzstoffe, die zur Verbesserung der geotechnischen Eigenschaften von Böden verwendet werden, obwohl die Festigkeit begrenzt ist. Nanoadditiv (NA) ist eine der neueren Methoden zur Verbesserung der geotechnischen Eigenschaften von Böden. NA ist eine Art Nano-Bodenverbesserungstechnik (NSI). Kürzlich wurden in einigen Studien Nanoadditive (NA) mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften zur Bodenstabilisierung eingesetzt2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16 ,17,18,19,20,21,22,23,24,25. Er et al.2 untersuchten die Rolle von modifizierten Na-Bentoniten in kalkhaltigem Purpurboden. Yu et al.3 untersuchten zwei Arten organischer Bentonite mit Schwermetallen zur Bodenstabilisierung. Liu et al.4 testeten Chitosan/Bentonit- und Cr(VI)-Komposite zur Bodenverbesserung. Pokharel und Siddiqua5 führten eine kanadische Fallstudie zur Kombination von Kalziumbentonit-Ton und Flugasche in organischen Böden durch. Einige Forscher wie Sun et al.6 bewerteten die Rolle von Cadmium (Cd) und Blei (Pb) unter Verwendung von Bentonit bei der Bodenverbesserung: Bani Baker et al.7, Liu8, Cheng et al.9 und Taha und Taha10 entwickelten die Rolle von Nano-Bentonit in sandigen und tonigen Böden. Kozlov et al.11 bewerteten die ökologische Nachhaltigkeitsleistung von Mikrobentonit. Die Zusammensetzung von Zement und Bentonit wurde von Li und Zhang12, Bellil et al.13, Estabragh et al.14 und Consoli et al.19 kontrolliert. Hussein und Ali15 ​​untersuchten die Rolle von Polypropylenfasern in ausgedehnten Böden, während Muhammad und Siddiqua16 die Rückkopplung der Magnesiumalkalisierung von Bentonit auf Mikroebene in schlammigem Sand analysierten. El Aal et al. untersuchte die Rolle von Natriumchlorid als Fallstudie in alluvialen Böden26. Muthukkumaran und Selvan17 analysierten die Kombination von montmorillonitreichem Bentonit in Tonböden. Estabragh et al.18 bewerteten Lehmboden mit MTBE als Bodenverbesserungsmethode. Falamaki et al.20 testeten die Zusammensetzung von Bentonit und Phosphat bei der Tonverbesserung. Die Rolle der mikrobiellen Leistung mit Bentonit bei der Verbesserung grober Böden wurde von Zhao et al.21 und Li et al.27 untersucht. Einige Forscher wie Shourijeh et al.22, Firoozfar und Khosroshahiri23 und Cheng et al.9 verwendeten verschiedene Tonarten in Mikro- und Nanogröße zur Verbesserung von Erosion, Deponierung und Konsolidierung. Die Bedeutung von Nanoadditiven bei der Bodenstabilisierung wurde in bestehenden Forschungsarbeiten beschrieben24,25. Sakr et al.28 untersuchten die Rolle von Reisschalenpulver als Fallstudie bei anschwellendem Boden.

Einer Literaturrecherche zufolge wurden keine Untersuchungen zur Herstellung von Nanoadditiven ohne den Einsatz von Chemikalien durchgeführt, die mit geringeren Kosten und Energie durch mechanische Methoden hergestellt werden. In den meisten Studien wurden Pulverpartikel zur Bodenstabilisierung eingesetzt2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21, 22,23,24,24,25,27,28. Der Mangel an Forschung zu den Auswirkungen der Pulverbasis von Mikro- und Nanoadditiven auf Böden veranlasste diese Studie, die Wirkung der Bodenstabilisierung durch Mikrobentonit und Nanobentonit mithilfe der Suspensionsmethode zu untersuchen. Bentonit ist ein natürlicher Ton, der in vielen Bereichen weit verbreitet ist, insbesondere im Bauwesen und bei öffentlichen Arbeiten. Es wird als Hilfsstoff bei der Betonherstellung, als Bindemittel für Böden, als Imprägniermittel für Fundamente und als Eindämmungsmaterial für Atommüll verwendet. Zu den Vorteilen von Bentonit gehören seine große Verfügbarkeit, seine geringen Kosten, seine Fähigkeit, Wasser zurückzuhalten und die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materialien, denen es zugesetzt wird, zu verbessern. Diese Studie wurde durchgeführt, um die Bodeneigenschaften zu stabilisieren und zu verbessern, wobei die wirtschaftliche Rechtfertigung und die optimale Nutzung der Bentonit-Mikro- und Nanopartikel berücksichtigt wurden, was bisher in tonigen Sandböden nicht durchgeführt wurde. Laut einer Literaturübersicht hat es in keiner früheren Forschung Nanopartikel ohne Chemikalien mit kostengünstigen und energieeffizienten mechanischen Methoden hergestellt. Diese Forschung stabilisierte und verbesserte die Bodeneigenschaften mit löslichen Nanopartikeln unter Berücksichtigung der wirtschaftlichen Rechtfertigung und optimalen Nutzung von Bentonit-Nanopartikeln. Dies ist unseres Wissens nach bisher noch nicht geschehen. Der Vergleich der Wirkungen von Mikrobentonit und Nanobentonit ist ein wichtiges Forschungsthema, um die potenziellen Vorteile von Nanobentonit gegenüber Mikrobentonit zu verstehen. Nano-Bentonit verfügt möglicherweise über einzigartige Eigenschaften, die es bei der Verbesserung toniger Sandböden möglicherweise wirksamer machen als Mikro-Bentonit. Um jedoch die besten Optionen für Bauprojekte zu ermitteln, ist es wichtig, die Unterschiede zwischen den beiden zu verstehen. Ziel dieser Forschung ist es, die Unterschiede zwischen Mikrobentonit und Nanobentonit zu untersuchen, um tonige Sandböden zu verbessern. Das Hauptziel dieser Forschung besteht darin, die Auswirkungen von Mikrobentonit und Nanobentonit als Zusatzstoffe auf tonigen Sandböden zu vergleichen. Dazu gehört die Untersuchung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften verbesserter toniger Sandböden sowie ihrer Fähigkeit, Belastungen standzuhalten und ihre Stabilität über die Zeit aufrechtzuerhalten. Im Labor wurden Tests durchgeführt, um die Unterschiede zwischen Mikrobentonit und Nanobentonit auf tonigen Sandböden zu verstehen.

Daher wurde in dieser Forschung eine feste Menge Mikrobentonit und Nanobentonit, die in niedrigeren bis hohen Konzentrationen von 0, 1, 2 und 3 % zugesetzt wurde, als Stabilisator verwendet, um die geotechnischen Eigenschaften von tonigen Sandböden zu verbessern. Alle diese tonigen Sandböden wurden bewertet, um Atterberg-Grenzwerte, Elastizitätsmodule (E50) und uneingeschränkte Druckfestigkeit (UCS) zu ermitteln. Alle Proben wurden charakterisiert, um das Potenzial von Mikro- und Nanobentonit bei der Verbesserung der Leistungsmerkmale toniger Sandböden mithilfe von SEM-, XRD- und XRD-Analysen zu bewerten. Die Ergebnisse dieser Forschung könnten genutzt werden, um neue Techniken zur Verbesserung unbehandelter Böden zu entwickeln und als Grundlage für Baunormen und -vorschriften zu dienen.

Tonhaltige Sandbodenproben wurden aus Survajin Aghigh in der iranischen Provinz Qazvin hergestellt. Der Probenboden wurde gemäß dem einheitlichen Bodenklassifizierungssystem (USCS) als toniger Sand (SC) klassifiziert. Die in Abb. 1 dargestellte Gradationskurve zeigt, dass der Probenboden aus 17 % Kies, 43 % Sand, 40 % Ton und Schluff besteht. Tabelle 1 zeigt die Bodeneigenschaften wie Atterberg-Grenzwerte, Feuchtigkeitsgehalt und Trockengewicht, die aus dem Bodenuntersuchungsbericht ermittelt wurden. Der in dieser Forschung verwendete Mikrobentonit ist im Iran im Handel erhältlich. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften (RFA-Analyse) des verwendeten Mikrobentonits sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Korngrößenverteilungsdiagramm für den tonigen Sand.

Aus dem Mikrobentonit wurde Nanobentonit hergestellt. Die chemische Zusammensetzung von Nano-Bentonit ist in Tabelle 3 angegeben. Eine Kugelmühle zur Herstellung von Nano-Bentonit-Pulver. Das Pulver des Nano-Bentonits wurde durch einen Homogenisatormischer in eine Suspension umgewandelt, die als Nano-Bentonit bezeichnet wird. Nano-Bentonit wurde vor der Verwendung bei Raumtemperatur gelagert.

Die Tonsandprobe wurde im Ofen bei 105 °C getrocknet. Das Diagramm der Korngrößenverteilung für den tonigen Sand ist in Abb. 1 dargestellt. In dieser Untersuchung wurden zwei Arten von Zusatzstoffen in Mikro- und Nanogröße im Bodenmechaniklabor bewertet. Beim ersten Typ wurde Mikrobentonit in einer Menge von 0, 1, 2 und 3 % des Trockengewichts in den tonigen Sandboden gegeben und gemischt, um eine homogene Probe zu erhalten. Beim zweiten Typ wurde Nanobentonit mit einer Menge von 0, 1, 2 und 3 % des Trockengewichts des Bodens in den tonigen Sand eingebracht und gemischt, um ein homogenes Material zu erhalten. Die endgültigen tonigen Sandproben mit 0, 1, 2 und 3 % Mikro- und Nano-Bentonit werden als Bentonit bzw. Nano-Bentonit kodiert. Der optimale Wassergehalt zur Vorbereitung von Bodenproben wurde anhand des in Abb. 2 gezeigten Standard-Proctor-Verdichtungstests bewertet. Alle Proben wurden in verschiedenen Aushärtezeiten wie 1, 7 und 28 Tagen getestet.

Der optimale Wassergehalt.

Der Standard-Verdichtungstest in der Grafik in Abb. 2 zeigt die maximale Trockendichte einer unbehandelten Tonsandprobe. Der Standardverdichtungstest der Tonsandprobe zeigt, dass die Verdichtungskurve bei 7,5 % Wassergehalt auf 2,02 g/cm3 Trockeneinheitsgewicht ansteigt. Der optimale Wassergehalt von unbehandeltem Tonsand liegt bei 7,5 %, was einer maximalen Trockendichte von 2,02 g/cm3 entspricht.

Die Atterberg-Grenzen bestimmen die Plastizitätseigenschaften eines Bodens, die für die Bewertung der Bodenstabilität wichtig sind. Es wurden die Flüssigkeitsgrenze, die Plastizitätsgrenze und der Plastizitätsindex bestimmt. Diese Werte von tonigen Sandproben mit Mikro- und Nano-Bentonitzusätzen wurden gemäß ASTM D 4318 bewertet.

Eine Reihe von Testproben mit jeweils 50 mm Durchmesser und 100 mm Höhe wurde bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt für UCS-Bestimmungen bei verschiedenen Aushärtezeiten vorbereitet. Diese Festigkeitswerte für tonige Sandproben mit Mikro- und Nanobentonitzusätzen wurden auf der Grundlage von ASTM D 2166 bewertet. Es wurde eine axiale Dehnungsgeschwindigkeit von 1,27 mm/min angewendet. Diese Proben wurden auf Aushärtezeiten von 1 Tag, 7 Tagen und 28 Tagen getestet. Der Sekantenmodul bei 50 % der Spitzenspannung (E50) behandelter Mikro- und Nanoproben wurde bestimmt und mit unbehandelten Proben verglichen, basierend auf dem im UCS-Test registrierten Spannungs-Dehnungs-Verhalten.

Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist eine Analysetechnik, die Röntgenstrahlen verwendet, um Atome in einer Probe anzuregen und das von den angeregten Atomen emittierte Licht zu messen. Dieses Licht kann analysiert werden, um die chemische Zusammensetzung der Probe zu bestimmen. Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist eine schnelle und genaue Methode zur Bestimmung der Zusammensetzung vieler Arten von Materialien, wie zum Beispiel Mineralien, Metalllegierungen, Chemikalien und Konsumgüter. Es wird häufig in der Bergbau-, Erdöl- und Metallindustrie sowie in Umwelt- und Arbeitsschutzanwendungen eingesetzt. Diese Werte von tonigen Sandproben mit Mikro- und Nanobentoniten wurden basierend auf ASTM E1621-13 in RFA ausgewertet. Die Röntgenbeugungsprüfung (XRD) ist eine Methode zur Untersuchung der Kristallstruktur einer Substanz. Dabei werden Röntgenstrahlen eingesetzt, um Licht an Atomen in einem Kristall zu beugen und so ein Bild zu erzeugen, das analysiert werden kann, um die räumliche Anordnung der Atome in der Kristallstruktur zu bestimmen. Der Röntgenbeugungstest ermöglichte die Bestimmung der Kristallstruktur von Bentonit. Die XRD wurde zur Identifizierung von Mineralien und anderen Kristallstrukturen von Bodenproben, einschließlich behandelter und unbehandelter Proben mit Mikro- und Nanobentoniten, mithilfe eines Röntgendiffraktometers in Teheran, Iran, ausgewertet. Diese Werte aus tonigem Sandboden mit Mikro- und Nano-Bentonitzusätzen wurden basierend auf BS EN 13925-1 in XRD bewertet. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) ist eine bildgebende Technik zur Untersuchung der Struktur und Zusammensetzung von Materialien im Mikro- und Nanomaßstab. Es ermöglicht die Verwendung eines Elektronenstrahls, um die Oberfläche einer Probe abzutasten und ein zweidimensionales Bild ihrer Oberfläche zu erzeugen. Die Mikrostrukturen aller Goldbeschichtungsproben wurden unter einem Rasterelektronenmikroskop (REM) in Teheran, Iran, bewertet. Diese Werte von tonigen Sandproben mit Mikro- und Nano-Bentonitzusätzen wurden anhand von 5 µ- und 500 nm-Skalen im REM ausgewertet.

Im Allgemeinen hängt das Verhalten von unbehandeltem und behandeltem Tonsand vom Wassergehalt ab. Nach Abb. Wie aus den Abbildungen 3 und 4 hervorgeht, stiegen die Flüssigkeitsgrenzwerte der Tonsandproben mit zunehmender Menge an Mikrobentonit bis zu einer Konzentration von 3 %, und es wurde ein ähnliches Verhalten der Plastizitätsgrenze und des Plastizitätsindex beobachtet. Bei Proben mit Nanobentonit stiegen die Flüssigkeitsgrenze, die Plastizitätsgrenze und der Plastizitätsindex der behandelten Proben auf einen Mikrobentonitgehalt von 3 %.

Variationen der Atterberg-Grenzwerte von behandeltem Tonsand mit Mikrobentonitgehalt.

Variationen der Atterberg-Grenzwerte des behandelten Tonsand-Nano-Bentonit-Gehalts.

Die Ergebnisse von Abb. 5 zeigen, dass die Additive einen signifikanten Einfluss auf die Fließgrenze von Proben haben, die mit Mikro-Bentonit und Nano-Bentonit verbessert wurden. Im Allgemeinen erhöhten die Zusatzstoffe die Fließgrenze von Mikrobentonit und Nanobentonit. Allerdings war der Effekt bei Nano-Bentonit ausgeprägter. Es wird beobachtet, dass bei einem Zusatzstoffgehalt von 1 % die Flüssigkeitsgrenze 41 % beträgt und bei einem Zusatzstoffgehalt von 3 % die Flüssigkeitsgrenze 47 % erreicht. Zwischen dem Additivgehalt von 1 und 3 % ist ein deutlicher Anstieg der Flüssigkeitsgrenze um 6 % zu verzeichnen. Der Zusatzstoffgehalt hatte einen erheblichen Einfluss auf die Flüssigkeitsgrenze von Proben mit Nano-Bentonit, die im Vergleich zum Mikro-Bentonit-Zusatz viel höher war. Im Allgemeinen gilt: Je höher der Zusatzstoffgehalt, desto größer die plastische Grenze der Probe, die mit Mikrobentonit verbessert wird. Es wurde jedoch auch beobachtet, dass ein höherer Zusatzstoffgehalt die plastische Grenze von Proben mit Nano-Bentonit deutlich erhöhen kann. Auffällige Peaks bei 2 und 3 % Additivgehalt sind für den Nano-Bentonit und ein auffälliger Peak bei 3 % Additivgehalt für den Mikrobentonit in Abb. 6 zu beobachten. Es kann davon ausgegangen werden, dass bei einem Additivgehalt von 3 % der größte auftritt Die plastische Grenze von Nano-Bentonit wird eingehalten. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Mikrobentonitgehalt einen Einfluss auf die Plastizitätsgrenze von tonhaltigem Sand haben kann und dass Nanobentonit aufgrund seiner erhöhten Konzentration als wirksameres Additiv zur Verbesserung der Plastizitätsgrenze von unbehandeltem Tonsand angesehen werden kann Fähigkeit, Zusatzstoffe gleichmäßig in unbehandelten tonigen Sandböden zu verteilen.

Variationen der Flüssigkeitsgrenze von behandeltem Tonsand mit Mikro- und Nanobentonitgehalt.

Variationen der Plastizitätsgrenze von behandeltem Tonsand mit Mikro- und Nanobentonitgehalt.

In behandelten Böden steigt der Plastizitätsindex mit dem Zusatzstoffgehalt (Abb. 6 und 7). Bei einem Additivgehalt von 2 % ist der Plastizitätsindex der mit Nano-Bentonit verbesserten Probe niedriger als der von Mikro-Bentonit. Bei einem Additivgehalt von 3 % wurde beobachtet, dass der Plastizitätsindex der mit Nano-Bentonit behandelten Probe niedriger ist als der mit Mikro-Bentonit verbesserte. Die Zugabe von Nano-Bentonit beim Nano-Zementierungsprozess unterstützt die Flockung der tonigen Sandpartikel, was zu einem besseren Verhalten dieser Bodenproben führt als die mit Mikro-Bentonit behandelten Proben.

Variationen des Plastizitätsindex von behandeltem Tonsand mit Mikro- und Nanobentonitgehalt.

Die Ergebnisse des Diagramms in Abb. 8 der axialen Dehnung gegenüber der axialen Spannung zeigten, dass die Zugabe von Mikrobentonit zu tonigem Sandboden die mechanischen Eigenschaften der unbehandelten Proben beeinflusste.

Mobilisierte Scherfestigkeit für unbehandelte und behandelte Tonsandproben für verschiedene Prozentsätze von Mikrobentonit in verschiedenen Aushärtezeiten. Vertikale Skala.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Zugabe von Mikrobentonit zur Stärkung toniger Sande und zur Verbesserung ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Verformung und Versagen unter schweren Belastungen eingesetzt werden kann. Die tonige Sandkurve steigt nach einem Tag der Aushärtung allmählich an, bis sie bei einer axialen Spannung von 3 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,18 % ihr Maximum erreicht. Die behandelte tonige Sandprobe mit der Zugabe von 1 % Mikrobentonit erreicht nach 1 Tag Reifung ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 2,8 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,11 %. Die Zugabe von 1 % Mikrobentonit zur tonigen Sandprobe verringerte die axiale Dehnung beim Versagen. Die tonige Sandprobe mit der Zugabe von 2 % Mikrobentonit erreicht nach 1 Tag Reifung ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 3,3 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,12 %. Die tonige Sandprobe mit der Zugabe von 3 % Mikrobentonit erreicht an einem Tag der Reifung ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 3 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,13 %. Die axiale Bruchdehnung nimmt mit dem Mikrobentonitgehalt ab. Die tonige Sandprobe mit der Zugabe von 3 % Mikrobentonit erreicht bei 7-tägigen Aushärtezeiten ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 3,5 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,13 %. Die tonige Sandprobe mit der Zugabe von 3 % Bentonit erreicht nach 28 Tagen Reifung ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 3,5 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,13 %. Die Zugabe von 3 % Mikrobentonit zur Probe erhöhte die axiale Spannung um 0,5 kg/cm2 (3 kg/cm2/3 kg/cm2) in 7 Tagen Aushärtezeit. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Zugabe von 3 % Mikrobentonit zu tonhaltigem Sand den Wert der Axialspannung beim Versagen unabhängig von der Aushärtezeit stabilisiert. Es kann jedoch auch davon ausgegangen werden, dass sich die axiale Spannung und Dehnung beim Versagen nach 7d stabilisiert. Es gibt keinen großen Unterschied zwischen der Kurve, die die Zugabe von 3 % Bentonit nach 7 Tagen der Aushärtung darstellt, und der Kurve, die die Zugabe von 3 % Bentonit nach 28 Tagen der Aushärtung darstellt.

Die Abb. 9 zeigt die Axialdehnung als Funktion der Axialspannung des tonigen Sandes unter Zugabe von Nano-Bentonit. Die Kurve für den tonigen Sand bei 1-tägiger Aushärtung steigt progressiv an, bis sie ihr Maximum bei einer Axialspannung von 3 kg/cm2 und einer Axialdehnung von 0,18 % erreicht. Die tonige Sandprobe mit einem Zusatz von 1 % Nano-Bentonit erreicht nach 1 Tag Aushärtung ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 4,5 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,17 %. Die tonige Sandprobe mit dem Zusatz von 2 % Nano-Bentonit-Anteil erreicht bei 1-tägiger Aushärtung ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 5 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,21 %. Die tonige Sandprobe mit einem Zusatz von 3 % Nano-Bentonit erreicht nach 1 Tag Aushärtung ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 6 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,25 %. Je höher der Additivgehalt, desto größer die axiale Spannung beim Versagen.

Mobilisierte Scherfestigkeit für unbehandelten und behandelten Tonsand mit unterschiedlichen Anteilen an Mikrobentonit in verschiedenen Aushärtezeiten.

Die tonige Sandprobe mit der Zugabe von 3 % Nano-Bentonit-Anteil erreicht bei 7-tägiger Aushärtung ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 7 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,15 %. Die tonige Sandprobe mit der Zugabe von 3 % Nano-Bentonit erreicht bei 28 Tagen Aushärtung ihr maximales Optimum bei einer axialen Spannung von 7 kg/cm2 und einer axialen Dehnung von 0,15 %. Es ist erneut zu erkennen, dass sich bei der 7-tägigen Aushärtung die Festigkeit der tonigen Sandprobe unter Zugabe von 3 % Nano-Bentonit-Anteil stabilisiert. Beobachtungen deuten darauf hin, dass der Zusatz von Nano-Bentonit die Widerstandsfähigkeit toniger Sande als Bindemittel verbessert. Die Ergebnisse in Abb. 10 zeigen den Einfluss der Aushärtezeit auf den Sekantenmodul bei 50 % der Spitzenspannung mit 3 % Zusatz von Mikrobentonit und Nanobentonit.

E50 im Vergleich zu verschiedenen Aushärtezeiten für behandelten Tonsand mit 3 % Mikro- und Nano-Bentonit-Gehalt.

Am 1. Tag beträgt der Sekantenmodul bei 50 % der Spitzenspannung (E50) von Mikrobentonit und Nanobentonit 2500 bzw. 2000 kg/cm2. In 7d beträgt der Sekantenmodul bei 50 % der Spitzenspannung von Mikrobentonit und Nanobentonit 2300 bzw. 4500 kg/cm2. Bei Mikrobentonit wird eine Verringerung des Sekantenmoduls bei 50 % der Spitzenspannung beobachtet, während sich der Sekantenmodul bei Nanobentonit verdoppelt. Am 28. Tag beträgt der E50-Wert von Mikrobentonit und Nanobentonit 2300 bzw. 6000 kg/cm2. Beim Mikrobentonit wird eine weitere Abnahme des Sekantenmoduls bei 50 % der Spitzenspannung beobachtet, während der des Nanobentonits weiter ansteigt. Bei Mikrobentonit wird im Laufe der Zeit eine Abnahme des Sekantenmoduls bei 50 % der Spitzenspannung beobachtet. Bei Nano-Bentonit wird jedoch über die Zeit ein starker Anstieg des Sekantenmoduls bei 50 % der Spitzenspannung beobachtet. Am 1. Tag liegt der E50-Wert bei 2000 kg/cm2 und nähert sich am 28. Tag 6000 kg/cm2. Der E50 ist somit am 28. Tag dreimal höher als am 1. Tag. Beobachtungen deuten darauf hin, dass Nano-Bentonit mit 3 % Zusatzstoff im Laufe der Zeit bei 50 % der Spitzenspannung einen höheren Sekantenmodul aufweist, während der von Mikro-Bentonit abgebaut wird.

Die Ergebnisse im Balkendiagramm in Abb. 11 zeigen den Additivgehalt als Funktion des Sekantenmoduls bei 50 % der Spitzenspannung von tonigem Sandboden, Mikrobentonit und Nanobentonit nach einem Tag Aushärtezeit.

E50 im Vergleich zu unbehandelten und behandelten Tonsandproben mit unterschiedlichen Anteilen an Mikro- und Nanobentonit in einer Aushärtezeit von einem Tag.

Der tonige Sand ohne Zusatzstoffe erreicht den Sekantenmodul E50 bei 50 % von 1500 kg/cm2. Mit der Zugabe von 1 % Mikro-Bentonit und Nano-Bentonit werden 2500 bzw. 3000 kg/cm2 bei einem Tag Aushärtezeit erreicht.

Der E50-Modul des mit Mikrobentonit und Nanobentonit behandelten Bodens ist höher als der von Tonsandproben.

Die Untersuchung der Morphologie toniger Sandproben mit Mikro- und Nanobentonit mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigte den Zementierungsmechanismus, der zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Bodenproben führt. Beim SEM wird ein Elektronenstrahl verwendet, um die Oberfläche einer Probe abzutasten und ein zweidimensionales Bild zu erzeugen. Unbehandelte und behandelte Böden weisen eine sehr komplexe Struktur auf, sodass es nicht einfach ist, das Vorhandensein von Mikro- und Nanopartikeln mithilfe von REM nachzuweisen, obwohl Mikro- und Nanobentonite in verschiedenen REM-Bildern (siehe Abbildungen) beobachtet wurden. 12 und 13. In den Proben wurden verschiedene Mikrobentonit-Strukturen mit Mikrogrößenskalen in unterschiedlichen Prozentsätzen von 0, 1, 2 und 3 % beobachtet, wie in Abb. 12a dargestellt. Die Morphologie einer unbehandelten Tonsandprobe ist in Abb. 12b dargestellt. Hochauflösende Beobachtungen zeigten, dass Mikrobentonitpartikel in Schichten angeordnet sind und eine blattartige Form haben, was durch ihre Fähigkeit zur Bildung einer aggregierten Partikelstruktur erklärt werden könnte. Die beobachteten Partikel haben relativ unregelmäßige Kanten und eine raue Oberfläche mit unterschiedlich großen Unebenheiten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Mikrobentonit eine Blattform hat, die für seine Fähigkeit, eine Schicht zu bilden und zusammenzuklumpen, verantwortlich sein könnte.

REM-Aufnahmen von (a) behandelter toniger Sandprobe mit Mikrobentonitzusätzen, (b) unbehandelter Bodenprobe für 1 Tag Aushärtezeit.

REM-Aufnahmen von (a) einer behandelten tonigen Sandprobe mit Nano-Bentonit-Zusätzen für eine Aushärtezeit von 28 Tagen, (b) einer behandelten tonigen Sandprobe mit Nano-Bentonit-Zusätzen für eine Aushärtezeit von 7 Tagen.

Die rasterelektronenmikroskopische Analyse der Nano-Bentonit-Partikel in Abb. 13 ergab eine gleichmäßige und relativ kleine Partikelaggregatstruktur. Der Zusatzstoff Nano-Bentonit (NB) erhöhte die Partikelaggregation, wobei die Gelbildung die Bodenpartikel zusammenhielt, was zu einer höheren Reaktivität von Nano-Bentonit mit tonigen Sandpartikeln führte. Die hochauflösende Beobachtung zeigte, dass die Nano-Bentonit-Partikel eine Kugelform mit einer glatten und unregelmäßigen Oberfläche haben. Diese Kugelform und glatte Oberfläche könnten die Dispersionsstabilität von Nano-Bentonit in wässrigen Lösungen erklären. Darüber hinaus weist Nano-Bentonit eine höhere Porosität und Durchlässigkeit auf als herkömmlicher Bentonit. Dies könnte seine Wirksamkeit als Zusatzstoff zur Verbesserung toniger Sandböden erhöhen.

Um zu bestätigen, dass das Nano-Bentonit-Additiv die maximale Festigkeitsverbesserung in tonigen Sandproben mit 3 % Nano-Bentonit erreicht, wurden die Proben mit REM bewertet. SEM-Bilder lieferten gute Beobachtungen über den Nano-Bentonit-Prozess und die Veränderung der Oberflächenzusammensetzung in verschiedenen tonigen Sandbodenproben.

Die Röntgenbeugungsprüfung (XRD) ist eine Methode zur Untersuchung der Kristallstruktur einer Substanz. Um zu bestätigen, dass der Nano-Bentonit-Zusatz die maximale Verbesserung in tonigen Sandproben mit 3 % Nano-Bentonit erreicht, wurden die Proben mit XRD bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass sich Mikrobentonit durch eine sehr feine und homogene Kristallstruktur auszeichnet. Die im Diagramm von Abb. 14 beobachteten Beugungspeaks weisen auf das überwiegende Vorhandensein von Quarz und Muskovit hin, die für die charakteristische Smektitstruktur von Bentonit verantwortlich sind.

XRD-Muster einer mit Mikrobentonit behandelten tonigen Sandprobe.

Im Allgemeinen bestätigen die Ergebnisse des Röntgenbeugungstests (XRD), dass es sich bei Mikrobentonit tatsächlich um einen Smektitton handelt, und zeigen, dass die Kristallstruktur von Bentonit sehr fein und homogen ist. Diese Art der Kristallstruktur ist für geotechnische Anwendungen sehr günstig, da sie die Scherfestigkeit und Stabilität weicher Böden verbessern kann. Abbildung 14 zeigt das XRD-Muster von behandelten tonigen Sandböden mit Mikrobentonit. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse des Röntgenbeugungstests für Mikrobentonit für geotechnische Anwendungen sehr vielversprechend sind und darauf hindeuten, dass Mikrobentonit effektiv zur Verbesserung der Eigenschaften von Tonsand eingesetzt werden kann.

Die Beobachtung der Ergebnisse des Röntgenbeugungstests für Nano-Bentonit zeigt deutliche und gut definierte Peaks bei bestimmten Beugungswinkeln. Die Beugungspeaks im Diagramm in Abb. 15 entsprechen spezifischen Abständen zwischen den Atomen des Nanobentonits und weisen auf eine wohldefinierte und organisierte Kristallstruktur hin.

XRD-Muster von behandeltem Tonsand mit Zusatz von Nano-Bentonit.

Die Ergebnisse dieses Tests zeigen, dass Nano-Bentonit eine andere Kristallstruktur aufweist als herkömmlicher Mikro-Bentonit, was die Unterschiede in den Eigenschaften dieser beiden Materialien erklären könnte. Tatsächlich besteht Nano-Bentonit größtenteils aus Quarz und hat eine größere Oberfläche, was bei Verwendung zur Verbesserung von Tonsand zu verbesserten Bindungseigenschaften führen kann.

Um zu bestätigen, dass das Nano-Bentonit-Additiv die maximale Festigkeitsverbesserung in tonigen Sandproben mit 3 % Nano-Bentonit erreicht, wurden XRD-Tests durchgeführt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse des Röntgenbeugungstests, dass Nano-Bentonit eine wohldefinierte Kristallstruktur aufweist, die sich von der von herkömmlichem Mikro-Bentonit unterscheidet, was die Unterschiede in ihren Eigenschaften erklären könnte. Die Beobachtungen aus diesem Test sind für die Verbesserung toniger Sande von großer Bedeutung, da sie zeigen, dass Nano-Bentonit aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften ein vielversprechendes Material für diese Anwendung sein kann.

Der Literaturübersicht zufolge verwendeten die meisten Forscher Mikrobentonit zur Bodenverbesserung; Außerdem führten sie die Pulvermethode zur Bodenstabilisierung durch. Diese Forschung kam zu dem Schluss, dass Mikrobentonit eine praktikable Option zur Bodenstabilisierung sein kann, es bedarf jedoch weiterer Forschung und Optimierung, um die optimalen Bedingungen und Prozesse für verschiedene Böden und Anwendungen zu bestimmen. Diese Forschung verdeutlichte auch die potenziellen Vorteile der Verwendung von Nano-Bentonit im Suspensionszustand als neuartigen Zusatzstoff zur Bodenverbesserung.

Diese Forschung wird die Nutzung von Mikro- und Nanobentonit für Bodenverbesserungstechniken fördern. Diese Studie bestätigte die Rolle von Mikro- und Nano-Bentonit bei Nano-Bodenverbesserungstechniken. Zusammenfassend zeigten unsere Ergebnisse, dass Nano-Bentonit aufgrund seiner Kugelform, seiner glatten und gleichmäßigen Oberfläche, seiner Fähigkeit zur Erhöhung der Bodenstabilität und seiner Fähigkeit, die Bodenstabilität zu erhöhen, im Vergleich zu Mikro-Bentonit als wirksameres Additiv zur Verbesserung der Eigenschaften weicher Böden angesehen werden kann höhere Durchlässigkeit. Diese Eigenschaften könnten es herkömmlichem Bentonit als Zusatzstoff zur Verbesserung weicher Böden überlegen machen. Atterberg-Grenztests haben gezeigt, dass Nano-Bentonit-Zusätze den Plastizitätsindex reduzieren und die Konsistenz von Tonsand verbessern können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Nano-Bentonit die Eigenschaften von tonigem Sand langfristig wirksamer verbessert als Mikro-Bentonit, wenn es mit einem Gehalt von 3 % kombiniert wird. Den Ergebnissen dieser Untersuchung zufolge wird die Verwendung von 3 % Nano-Bentonit zur deutlichen Verbesserung von unbehandeltem Tonsand empfohlen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Nano-Bentonit-Suspension die Festigkeit und Steifigkeit der Boden-Bentonit-Mischung deutlich verbesserte, indem sie ein Gel bildete, das die Poren füllte und die Bodenpartikel verklebte. Nano-Bentonit fungierte auch als Keimbildungsstelle und erhöhte die Haltbarkeit und Festigkeit der Mischung. Nano-Bentonit-Suspension verbesserte Bodenproben, die die Hohlräume durch die Gele füllten. Dadurch wurde eine neue Methode zur Bodenverbesserung entwickelt, die besser ist als die Pulvermethode, die verschiedene Forscher zuvor verwendet haben. Nano-Bentonit als eine Art Nanozusatzstoff kann in Bodenverbesserungstechniken in tonigem Sand eingesetzt werden. Dies ist eine der wenigen Studien, in denen Mikro- und Nanobentonit direkt zur Bodenstabilisierung eingesetzt wurden. Diese Forschung wurde unter Laborbedingungen durchgeführt. Zukünftige Arbeiten sind in groß angelegten Tests und Feldtests erforderlich.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38712-7

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Die Autoren würdigen die Finanzierung durch die polnische Nationalagentur für akademischen Austausch.

Fakultät für Bauingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Technische Universität Buein Zahra, Qazvin, Iran

Mohadeseh Cheraghalikhani & Hamed Niroumand

Abteilung für Geotechnik und Wasserbau, Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, Technische Universität Danzig, Danzig, Polen

Lech Balachowski

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MC, HN und LB führten die Experimente durch und verfassten das Manuskript. MC und HN analysierten Daten. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Hamed Niroumand.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Die ursprüngliche Online-Version dieses Artikels wurde überarbeitet: In der Originalversion dieses Artikels war Hamed Niroumand fälschlicherweise der „Abteilung für Geotechnik und Wasserbau, Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen, Technische Universität Danzig, Danzig, Polen“ zugeordnet. Die korrekte Zugehörigkeit lautet: Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Buein Zahra Technical University, Qazvin, Iran.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Cheraghalikhani, M., Niroumand, H. & Balachowski, L. Mikro- und Nano-Bentonit zur Verbesserung der Festigkeit von Tonsand als Nano-Bodenverbesserungstechnik. Sci Rep 13, 10913 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37936-x

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Eingegangen: 06. März 2023

Angenommen: 29. Juni 2023

Veröffentlicht: 05. Juli 2023

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

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