Estudio experimental sobre la impermeabilidad del liner de Loess mezclado con bentonita.

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

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Se publicó una corrección del autor de este artículo el 27 de junio de 2023.

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

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

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

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

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

Estructura química HDTMA.

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

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

Diagrama esquemático del sitio de muestreo.

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

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

Diagrama esquemático de permeámetro de pared flexible.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Conductividad hidráulica de bentonita-HDTMA modificada Loess versus relación bentonita (R (HDTMA) = 2%).

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

Después de organizar la fórmula (2),

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

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

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

Conductividad hidráulica de bentonita-HDTMA modificada Loess en función de la relación HDTMA (R (bentonita) = 10%).

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

Conductividad hidráulica de bentonita-HDTMA modificada Loess vs. densidad seca.

Estudios anteriores30,31 han demostrado que la conductividad hidráulica del Loess puro disminuye con el aumento de la densidad seca, y la tendencia decreciente se desacelera gradualmente. Cuando la densidad seca del Loess es superior a 1,70 g·cm-3, la conductividad hidráulica casi no cambia y se mantiene en un nivel muy bajo incluso aumentando la densidad seca (Fig. 8). Según investigaciones anteriores20, la densidad seca del Loess modificado con bentonita-HDTMA después de la compactación estándar suele ser inferior a 1,70 g·cm-3. Con el aumento de la densidad seca, la conductividad hidráulica de las muestras de suelo muestra una tendencia decreciente no lineal. Después del análisis de regresión no lineal, la relación funcional entre la conductividad hidráulica y la densidad seca para Loess cuando la densidad seca es inferior a 1,70 g·cm-3 se muestra en la fórmula (4):

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

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

Las partículas finas de arcilla deberían aumentar a medida que aumenta la proporción de bentonita. Las partículas finas de arcilla llenarán los poros de las partículas gruesas de Loess, reduciendo el canal de permeado del suelo y finalmente mejorarán el rendimiento de impermeabilidad. Como se muestra en las Figs. 9, 10, 11, 12, los poros de las partículas gruesas de Loess se llenan completamente con partículas finas de arcilla después de mezclar un 10% de bentonita (Fig. 11), y el canal de permeado se reduce significativamente, lo que resulta en una disminución pronunciada de la conductividad hidráulica. De acuerdo con la relación entre la conductividad hidráulica del Loess modificado y la proporción de bentonita (Fig. 6), se espera que las partículas gruesas queden "suspendidas" en las partículas finas de arcilla cuando la proporción de bentonita excede el 20%, no hay poros entre el Loess grueso. partículas de arcilla para rellenar, la conductividad hidráulica ya no disminuirá significativamente. Combinado con los resultados de la prueba de Yulin Loess23, el punto de vista anterior puede confirmarse: el contenido de partículas menores a 0,005 mm en esta prueba llega al 22,8%, pero el contenido de partículas con el mismo tamaño para Yulin Loess es sólo el 8,5%, como se muestra en las Figs. 9 y 10. Debido al alto contenido de partículas finas de arcilla, la partícula gruesa de Loess en esta prueba es la primera en alcanzar el estado "suspendido", y se requiere menos proporción de bentonita para alcanzar el valor estable de conductividad hidráulica (en esta prueba , R (bentonita) = 20%; Zhang et al., R (bentonita) = 40%), como se muestra en la Fig. 6.

Yulin Loess23.

Sanmenxia Loess.

Loess modificado con bentonita.

Bentonita-Loess modificado HDTMA.

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

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

Distribución de 3 tipos de Loess en China33.

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

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

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

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

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

Se ha publicado una corrección a este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37581-4

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Universidad de Aeronáutica de Zhengzhou, No. 15 Wenyuan West Road, Nuevo distrito de Zhengdong, Zhengzhou, 450006, China

Zhang Ming y Hu Dongke

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Zhang Ming

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

Zhang Ming, Pan Shaoyu y Chen Guozhou

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

Correspondencia a Zhang Ming.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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

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Recibido: 23 de octubre de 2022

Aceptado: 17 de mayo de 2023

Publicado: 30 de mayo de 2023

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

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