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Apr 04, 2023

Degradación de la durabilidad y la resistencia de suelos tratados con biopolímeros a base de goma xantana sometidos a ciclos de intemperie severos

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 19453 (2022) Citar este artículo

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Los tratamientos de suelo a base de biopolímeros han demostrado eficacia en la mejora del suelo, con una implementación exitosa a escala de campo. En este estudio, exploramos el efecto de la humectación-secado cíclico (W-D) y la congelación-descongelación (F-T) en la durabilidad de la resistencia de los suelos tratados con biopolímeros. Los resultados indican que los ciclos W-D y F-T degradan gradualmente la resistencia del suelo debido a la adsorción de agua y la dilución local del biopolímero. La arena mal graduada era muy vulnerable a estos efectos de la meteorización; sin embargo, este problema se mitigó cuando el suelo contenía un contenido de finos de 15 a 25%. Estos suelos tratados con biopolímeros resistieron de manera efectiva numerosos ciclos de W–D y F–T, lo que indica que los suelos tratados con biopolímeros son adecuados para el refuerzo de taludes con tierra.

Recientemente, los ingenieros geotécnicos han intentado desarrollar métodos biológicos de tratamiento y mejora del suelo para aliviar las preocupaciones ambientales relacionadas con el cemento con altas emisiones de CO2 en las prácticas de ingeniería geotécnica1. Entre los enfoques sostenibles para el tratamiento del suelo y la mejora del suelo, el tratamiento del suelo basado en biopolímeros (BPST) ha demostrado una mejora suficiente de las propiedades de ingeniería geotécnica (por ejemplo, resistencia, control de la permeabilidad y reducción de la erosión) del suelo y una implementación exitosa a escala de campo2,3, 4,5,6. Además, BPST promueve la germinación de semillas, el crecimiento y la resistencia a la sequía de la vegetación debido a la característica de alta retención de agua y al origen orgánico de los biopolímeros7,8.

Las propiedades de ingeniería geotécnica mejoradas permiten que BPST sea un método de mejora del suelo respetuoso con el medio ambiente para la prevención de la erosión/desgaste del suelo y la protección de la superficie de las pendientes9,10. Sin embargo, se sospecha que los procesos de meteorización relacionados con el clima, como la humectación-secado cíclico (W-D) y la congelación-descongelación (F-T), reducen la resistencia de los suelos reforzados con BPST11. Además, estas condiciones climáticas repetitivas pueden acelerar con frecuencia la erosión de partículas y el desprendimiento de la capa superficial, lo que da como resultado un entorno vegetal inestable. En particular, las fuertes lluvias en verano (junio a agosto) y las temperaturas bajo cero en la superficie del suelo durante el invierno (enero a febrero) (Fig. 1) hacen que los materiales de refuerzo de la superficie de las pendientes sean inevitablemente más vulnerables a la degradación en Corea del Sur12. Para asegurar la confiabilidad de la aplicación de campo de BPST, es necesario evaluar la durabilidad de BPST frente a condiciones climáticas atmosféricas fluctuantes.

Temperaturas medias del aire y de la superficie y frecuencia de las lluvias en Corea del Sur (Seúl) desde 1981 hasta 2010. Datos de la Administración Meteorológica de Corea (https://www.weather.go.kr).

Los métodos de prueba estándar ASTM D559 y D560 especifican los métodos de evaluación de la durabilidad para mezclas de suelo y cemento expuestas a procesos de intemperie, donde ambos estándares proponen monitorear la pérdida de masa de muestras de suelo manipulado después de estar expuestas a 12 ciclos de W–D o F– T13,14. Sin embargo, el cepillado de muestras es vulnerable a la diversidad de datos experimentales adquiridos por diferentes operadores15. En respuesta, se evaluó la durabilidad de las mezclas de suelos manipulados midiendo la resistencia a la compresión no confinada (qu) para mejorar la precisión al reducir los errores del experimentador16,17,18,19,20,21.

Aunque algunas investigaciones han evaluado la durabilidad de los suelos tratados con biopolímeros midiendo qu después de la exposición a condiciones climáticas cíclicas, los estudios anteriores se centraron principalmente en la erosión W–D21,22,23,24,25. Sin embargo, los suelos superficiales suelen experimentar heladas y descongelaciones repetitivas, lo que afecta gravemente la estabilidad y la erosionabilidad del suelo a lo largo de las laderas durante las temporadas de invierno en las regiones de latitudes medias del hemisferio norte26,27. En particular, se ha informado que la erosión presenta un riesgo importante durante el período de descongelación, donde la escorrentía superficial puede desprender partículas de la superficie del suelo suelta28. Por lo tanto, el análisis de durabilidad F-T debe evaluarse para BPST. Además, aunque la composición del suelo en BPST mejora la resistencia y la trabajabilidad, estas respuestas aún no se han investigado lo suficiente.

Por lo tanto, los objetivos principales de este estudio fueron investigar si el BPST se ve afectado por las condiciones climáticas cíclicas W-D y F-T y sugerir una composición de BPST más eficaz como material de refuerzo de taludes. En detalle, este estudio evaluó la durabilidad de los suelos tratados con biopolímeros de goma xantana (XG) y goma xantana-almidón (XS), que se aplicaron mediante aspersión húmeda a la construcción de taludes de terraplén con diferentes contenidos de finos9. La durabilidad de las muestras XG y XS BPST expuestas a ciclos repetitivos de W–D y F–T se evaluó en función de la pérdida de peso qu. El efecto de la composición del suelo (es decir, el contenido de finos) se analizó en condiciones integrales de meteorización acelerada (es decir, cíclicos W-D y F-T) para proporcionar una receta de mezcla competitiva para aplicaciones de campo.

Este estudio se centró en compuestos de dos biopolímeros de polisacáridos de tipo gel; goma xantana (XG) y almidón (ST). Específicamente, los compuestos XG y ST (XS) son una mezcla 3:7 de XG y ST, y esta formulación ha sido sugerida y verificada como material de refuerzo de suelos de taludes en los estudios previos8,9,10,29, considerando su fortalecimiento del suelo, promoción de la vegetación y rentabilidad9. Combinando XG (propósito de fortalecimiento) con ST (propósito de factibilidad económica), esta receta aborda la mejora de la aplicabilidad en el campo del tratamiento del suelo basado en XG. En este estudio, nos enfocamos en evaluar la durabilidad de la resistencia del suelo tratado con XS en varias composiciones de suelo. Además, se comparó la durabilidad del tratamiento con cemento, el método de mejora del suelo más comercializado, y la condición del tratamiento XG puro con la de los suelos tratados con XS. El detalle de los materiales individuales se describe a continuación.

XG (CAS: 11138-66-2; Sigma-Aldrich), producido por Xanthomonas campestris, es un biopolímero polisacárido comúnmente aplicado en la investigación de ingeniería geotécnica actual. La estructura XG consta de un esqueleto repetitivo de β-d-glucosa unida en 1,4 con cadenas laterales compuestas por dos moléculas de manosa y una molécula de ácido glucurónico30. Los pozos XG forman un hidrogel viscoso cuando se disuelven en agua debido a la carga negativa de los grupos de ácido pirúvico y glucurónico en las cadenas laterales que contribuyen a la unión de las moléculas de agua31. XG se usa comúnmente como espesante en las industrias de alimentos, cosméticos y petróleo y como agente de fortalecimiento del suelo en ingeniería geotécnica32,33,34.

ST (CAS No. 9005-25-8, Sigma Aldrich), uno de los biopolímeros más comercializados, consiste en amilosa y amilopectina. Cuando se disuelve en agua calentada (> 90 °C), la amilosa puede inducir la gelificación, formando un gel firme cuando se enfría, mientras que la amilopectina forma gránulos hinchados que aumentan la viscosidad del fluido35. Existen varios tipos de ST dependiendo de las plantas de origen (p. ej., maíz, patata, casaba) y las proporciones correspondientes de amilosa a amilopectina. Debido a su rentabilidad, se están investigando combinaciones de ST y otros biopolímeros para su uso como materiales aglutinantes del suelo36. Por ejemplo, este estudio utilizó maíz ST, que tiene aproximadamente un 25 % de amilosa, para preparar compuestos XG y ST (XS) como materiales de refuerzo para superficies de taludes de diques9.

En este estudio se utilizó cemento Portland ordinario (fabricante: Eugene Koryeo Cement Co.) para compararlo con los casos de BPST. El cemento utilizado tenía una gravedad específica de 3,1, un diámetro medio de grano de 14 μm y una superficie específica de 2800 cm2/g.

La arena Jumunjin es un material de arena estándar en Corea. La arena, que está clasificada como arena mal graduada (SP) de acuerdo con los criterios del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS), tiene un tamaño medio de partícula (D50) de 0,51 mm y una gravedad específica (Gs) de 2,65. Tiene un coeficiente de uniformidad (Cu) de 1,12, un coeficiente de curvatura (Cc) de 0,98 y relaciones de vacío máximas y mínimas (emax y emin) de 0,89 y 0,64, respectivamente. La distribución del tamaño de partículas se muestra en la Fig. 2.

Distribución del tamaño de partículas de arena y suelo residual coreano.

El suelo residual coreano (KRS), también llamado hwangtoh (en coreano) o suelo amarillo rojo, se utilizó para analizar el efecto del contenido de finos y simular las condiciones del suelo in situ. KRS se compone principalmente de limo con arcilla y tiene un Gs de 2,7. KRS se clasifica como arena arcillosa (SC) en función de su distribución de tamaño de partícula (D50 de 0,07 mm), como se muestra en la Fig. 2. Se obtuvieron los límites de Atterberg de KRS (es decir, límite líquido = 31 % e índice de plasticidad = 15). de acuerdo con ASTM D4318, como se muestra en la Tabla 137.

Antes de la preparación de la muestra, la arena limpia y el KRS se secaron en un horno a 110 °C durante 24 h. En este estudio, se mezclaron arena jumunjin y KRS con biopolímeros XG y XS. Al mezclar arena jumunjin y KRS con diferentes proporciones de masa, se prepararon cuatro composiciones de suelo de acuerdo con los estándares de diseño de terraplenes fluviales (Tabla 1)38. El límite líquido de las mezclas preparadas de arena y KRS (excluyendo la arena pura) se determinó mediante una prueba de cono de caída utilizando un cono británico (ángulo de punta 30°, masa 80 g)39,40.

Los compuestos XS secos se disolvieron en agua desionizada para obtener mb/mw = 8 % (mb/mw = relación de masa de biopolímero a agua) hidrogeles de biopolímero. Posteriormente, el suelo seco se mezcló uniformemente con la solución de biopolímero a mw/ms (relación de masa de agua a suelo) = 25 %, lo que resultó en un contenido de biopolímero a suelo en masa (mb/ms) de 2 % con un contenido de agua inicial de 25%. Este contenido de agua inicial (es decir, la relación de mezcla de agua con el suelo) es el mismo para todas las muestras de suelo tratadas con biopolímeros en este estudio, basado en investigaciones previas sobre la prueba de compactación del suelo KRS y un estudio de caso de aplicación de campo para suelo tratado con XS9 ,41. De la misma manera, se prepararon muestras de suelo tratado con XG puro a mb/ms de 1% y 2% para arena. Además, el cemento seco se disolvió en agua desionizada en una proporción agua-cemento de 2,5:1 y luego se mezcló con arena para lograr un contenido de cemento del 10 % con un contenido inicial de agua del 25 %, lo que representa una mezcla típica de suelo y cemento20. Todas las mezclas de aglutinante y suelo preparadas en este estudio se resumen en la Tabla 2.

Las mezclas preparadas de aglutinante y tierra se vertieron y apisonaron en un molde cilíndrico estándar de PVC con un diámetro interior de 50 mm y una altura de 100 mm (es decir, una relación de aspecto de longitud a diámetro de 2). Cuando se implementa suelo tratado con biopolímeros en la pendiente de un campo como capa de protección superficial (es decir, de 5 a 10 mm de espesor), por lo general se expone al aire y se seca por evaporación. Centrarse en cómo los entornos de meteorización cíclica degradan la resistencia seca del suelo tratado con biopolímeros después de que el tratamiento con biopolímeros haya proporcionado suficientes efectos de fortalecimiento a través del secado al aire; todos los especímenes se secaron de manera equivalente a temperatura ambiente (23 °C) durante 28 días hasta que el peso de la muestra de suelo ya no cambió9. El molde de PVC se retiró a los 7 días para asegurar un secado adecuado en todas las direcciones. La densidad seca inicial promedio y el contenido de agua después de 28 días de secado se enumeran en la Tabla 2. Todas las muestras se prepararon por triplicado para obtener valores de resistencia promedio confiables.

Todas las muestras secadas durante 28 días fueron expuestas a condiciones climáticas facilitadas: procesos cíclicos W-D y F-T de acuerdo con los métodos sugeridos en ASTM D559 y ASTM D560. Sin embargo, las duraciones de ciclo especificadas en los estándares no se siguieron rigurosamente, ya que se consideraron demasiado cortas para el suelo tratado con biopolímeros13,14 (Fig. 3). La norma ASTM D559 define un ciclo W–D como 5 h de inmersión de la muestra seguida de un proceso de secado suficiente y sugiere al menos 12 ciclos repetidos, equivalentes a 60 h de tiempo de remojo acumulativo13. Por el contrario, este estudio realizó un ciclo W-D de sumergir muestras en agua destilada durante 24 h (Fig. 4a), seguido de un mínimo de 48 h de secado en horno a 35 °C hasta que el contenido de agua alcanzó el valor de contenido de agua anterior antes inmersión, simulando así una condición climática más severa. Este proceso de humectación y secado se repitió seis veces, lo que equivale a un total de 144 h de tiempo de remojo acumulado.

Orden de meteorización cíclica en condiciones de laboratorio.

Ensayo de durabilidad de suelos tratados con biopolímeros en laboratorio. (a) humectación, (b) congelación (−20 °C), (c) medición de la resistencia a la compresión no confinada de muestras XS2, XS2(15), XS2(25) y XS2(50) (controles).

El ciclo F-T consistió en congelar muestras a -23 °C (250,15 K) durante 24 h (Fig. 4b) usando una cámara de congelación de laboratorio (FMG-300, JEIO Tech.), luego descongelar durante 23 h a 23 °C (temperatura ambiente de acuerdo con la norma ASTM D56014. Los procesos W-D y F-T se repitieron seis veces, y la durabilidad de los suelos se analizó en términos de qu y variación del peso del suelo después de completar cada ciclo (Fig. 4c).

Se realizaron pruebas de compresión no confinada para evaluar el qu y la rigidez (E50) después del número de ciclos utilizando un aparato de carga universal (HM-5030.3F, Humboldt). La tasa de carga de las pruebas de compresión se fijó en 1% de deformación (1 mm) por minuto. Antes de cargarlas en la máquina, se recortaron todas las muestras para aplanar las superficies superior e inferior. Luego, las muestras se comprimieron hasta la falla y la carga axial se obtuvo automáticamente cada 1 s. Los valores de qu se obtuvieron utilizando la tensión axial máxima representada en las curvas de tensión-deformación. El módulo de elasticidad secante (E50) se obtuvo midiendo la pendiente entre el origen y la mitad de las coordenadas de resistencia máxima (1/2 qu) para todas las curvas de tensión-deformación.

Las microestructuras del suelo tratado con biopolímeros se observaron utilizando un equipo de microscopio electrónico de barrido (SEM) (JSM-IT800, JEOR, Japón). Las muestras trituradas obtenidas después de la prueba de compresión no confinada en cada ciclo se unieron a un montaje SEM de 50 mm de diámetro con pestañas conductoras de carbono. Las muestras se recubrieron con osmio (OsO4) durante 10 s en condiciones de vacío utilizando un recubridor de plasma (OPC-60A).

Las Figuras 5A,B muestran el desarrollo de tensión-deformación, la resistencia a la compresión no confinada (qu) y el módulo secante (E50) de las siete muestras BPST secadas durante 28 días antes de la exposición al ciclo de meteorización (Tabla 3). Después de 28 días de deshidratación, el contenido de agua residual de todas las cajas de muestra fue inferior al 2 %.

Parámetros de resistencia y desarrollo de tensión-deformación para los controles (0 ciclos).

Para arena jumunjin pura, X2 (2095 kPa) tuvo el qu inicial más alto, seguido de C10 (1938 kPa), XS2 (1546 kPa) y X1 (1436 kPa) (Fig. 5a). Cuando la solución de XG y XS se agregó al suelo arenoso, la solución viscosa de XG y XS entra en contacto con la superficie de grano grueso. Recubren las partículas de arena y forman una película viscosa que crea puentes entre las partículas34. Posteriormente, al permitir la evaporación del agua durante el período de curado, la deshidratación del aire convierte los hidrogeles XG y XS en películas condensadas y rígidas que pueden proporcionar una mayor fuerza de unión6 (Fig. 6a). La formación de matrices intergranulares entre los granos de arena contribuyó predominantemente al aumento en el qu general y E50 del suelo tratado con biopolímeros. Por lo tanto, el suelo tratado con biopolímero seco mostró una resistencia comparable a la del suelo tratado con cemento, incluso en suelos sin cohesión. Además, cuando se deshidrató, un mayor contenido de XG estuvo acompañado por una matriz de XG más extensa y gruesa, lo que provocó valores más altos de qu y E50. Aunque el tratamiento X2 de la arena da como resultado un mayor qu que el tratamiento con cemento, muestra una mayor ductilidad con una menor rigidez con respecto a C10.

Imágenes SEM de suelo tratado con XS no expuesto. (a) XS2, y (b) XS2(15).

La composición del suelo también afecta el qu, ya que es evidente que un suelo con un contenido de finos más alto tiene un qu más alto que la arena pura con el mismo contenido de XS. Por ejemplo, cuando se incluyeron 15%, 25% y 50% de finos en el suelo, qu aumentó 1,1, 1,2 y 2,3 veces, y E50 aumentó 1,3, 1,7 y 2,4 veces para XS2(15), XS2( 25), y XS2(50), respectivamente (Fig. 5b). Esto se debe a que el biopolímero XS puede interactuar directamente con las partículas de arcilla a través de interacciones electrostáticas, enlaces de hidrógeno y enlaces iónicos debido a las cargas eléctricas en las superficies de arcilla34. En otras palabras, los monómeros de biopolímeros y las partículas finas se combinan para formar un puente entre partículas que da como resultado la formación de matrices de arcillas de biopolímeros densas y fuertemente unidas, acompañadas por un efecto de conglomeración en el que las matrices de arcillas de biopolímeros aglomeran granos de arena y se comportan como granos secundarios entre partículas de arena3 (Fig. 6b). En consecuencia, basado en el hecho de que la alta resistencia en seco y la rigidez se obtienen mediante la adición fina en el estado inicial (en un estado no expuesto), podemos anticipar que la adición fina tendrá un efecto positivo similar en la resistencia a la intemperie repetida.

Las respuestas de las muestras BPST expuestas a la W–D cíclica se presentan en la Fig. 6. Aunque las arenas puras tratadas con XG y XS (es decir, X1, X2 y XS2) mostraron una fuerza competitiva en comparación con las arenas tratadas con cemento (es decir, C10) antes de la exposición a la humedad, las cajas X1, X2 y XS2 colapsaron instantáneamente durante el primer proceso de inmersión debido a su propio peso (Fig. 7a). Por lo tanto, las condiciones X1, X2 y XS2 fueron inapropiadas para la evaluación en los siguientes ciclos W-D. Cuando la arena pura tratada con biopolímeros se deshidrató, los biopolímeros como fase de gel que llenaban los poros se encogieron y cambiaron a una biopelícula resistente a la tracción, lo que resultó en una estructura de granos interconectados con vacíos34. El agua penetra en los poros cuando se sumergen las muestras secas, lo que hace que el biopolímero se hinche (es decir, se produce un cambio de fase a un estado de hidrogel viscoso)42. El hinchamiento significativo causado por el proceso de rehidratación, que es inducido principalmente por la hidrofilia del biopolímero, deteriora la fuerza de unión, causando que las muestras colapsen por su propio peso.

Respuesta a la exposición bajo ciclos W-D. ( a ) El colapso de las muestras XS2 en el primer humedecimiento. (b) Desarrollo de grietas en XS2 (50) después del segundo ciclo W-D. (c) XS2 (50) dividiéndose en fragmentos después de una hinchazón y contracción repetitivas (después del sexto ciclo). Curvas de tensión-deformación después de W–D cíclico (1–6 ciclos) de (d) XS2(15), (e) XS2(25), (f) XS2(50) y (g) C10.

Después de ciclos W-D repetidos, los valores de tensión axial máxima disminuyeron y la deformación correspondiente al valor de tensión axial máxima aumentó en los otros casos de BPST y tratamiento con cemento (Fig. 7d-g). Específicamente, XS2 (15) y XS2 (25) exhibieron una mayor ductilidad con una mayor tensión de falla (es decir, más del 1% de tensión) (Fig. 7d, e), lo que implica que las perturbaciones cíclicas de la película de biopolímero aumentan la posibilidad de alta ductilidad y ablandamiento por deformación del suelo tratado con biopolímeros23. Similar a XS2(15) y XS2(25), XS2(50) mostró una rápida reducción en la tensión máxima, mientras que la tensión de falla disminuyó, lo que implica una menor ductilidad (Fig. 7f). Esto sucedió debido a las grietas observadas después de ciclos repetidos (Fig. 7b,c). En contraste con los suelos tratados con biopolímeros, C10 mantuvo un comportamiento relativamente frágil después de la W–D cíclica, y la falla se produjo con una deformación de aproximadamente el 1 % (Fig. 7g).

La Figura 8 presenta el qu y el E50 después del primero al sexto ciclos W–D. Los valores qu de todos los especímenes disminuyeron gradualmente con el número de ciclos W-D (Fig. 8a). En particular, XS2(50), que mantuvo el qu más alto (2765 kPa) hasta el primer ciclo, exhibió una fuerte disminución después del segundo ciclo. Mientras tanto, los valores de qu de C10, XS2(15) y XS2(25) disminuyeron gradualmente hasta el sexto ciclo, mientras que estas muestras mantuvieron un qu más alto que el de XS2(50) después del segundo ciclo. Después del sexto ciclo W–D, el qu fue el más alto en C10, seguido de XS2(15), XS2(25) y XS2(50). Los valores qu de XS2(15) y XS2(25) cumplieron con el requisito de resistencia (superior a 490 kPa) para mantener la vegetación en superficies de pendientes recomendadas por el Ministerio de Tierras, Infraestructura y Transporte (MOLIT) de Corea del Sur, incluso después de seis ciclos43 . Además, el deterioro E50 de XS2(15) y XS2(25) ocurrió principalmente durante el primer ciclo y se volvió constante después del primer ciclo (Fig. 8b). En contraste, el valor E50 de XS2(50) mostró una disminución continua con los ciclos W-D, mostrando una tendencia similar a los resultados qu.

Resultado de la prueba de durabilidad W–D cíclica (a) qu, (b) E50.

Como se mostró anteriormente en la Fig. 7b,c, se observó un rápido deterioro de qu de XS2(50) debido a las grietas desarrolladas en la superficie de las muestras a pesar de su alta resistencia inicial. Durante el proceso de secado, se generan grietas en la superficie de XS2(50) debido a la contracción e hinchazón extremas causadas por la pérdida y absorción de humedad. El biopolímero XG tiene una afinidad natural hacia el agua, originada en las cadenas laterales aniónicas de su estructura molecular30. Por lo tanto, los suelos tratados con biopolímeros, especialmente aquellos que incluyen finos, atraerían y retendrían más humedad dentro de la matriz del suelo a través de efectos sinérgicos con la actividad de la arcilla44. Se esperaba que esta característica contribuyera a una mayor contracción, especialmente en XS2(50), con más contenido de finos. Una vez que se produce una grieta en la superficie, el hinchamiento y la contracción podrían acelerarse porque el agua podría penetrar fácilmente en las muestras y reaccionar con una superficie específica más grande que antes. Con el crecimiento de las grietas en la superficie, las muestras de XS2(50) finalmente se dividieron en varios fragmentos, lo que resultó en qu menos de 1/36 veces (después del cuarto ciclo) de la resistencia inicial.

La Figura 9 presenta la pérdida de suelo acumulada con respecto al peso inicial de cada muestra durante la repetición del proceso W-D. Al final del sexto ciclo W–D, las muestras XS2(25) mostraron la menor pérdida de peso del 1,5 %, mientras que XS2(15) y XS2(50) mostraron pérdidas del 4 % y 4,5 %, respectivamente. XS2(15) y XS2(50) exhibieron un desprendimiento de partículas gruesas en la superficie durante el proceso de inmersión, lo que indica que la película de biopolímero diluida por la exposición repetida a la humedad perdió gradualmente su capacidad de unión al suelo. La pérdida de suelo que ocurrió en XS2(50) se originó por el desprendimiento en la periferia de las grietas en lugar de la superficie total. Sin embargo, todos los suelos tratados con XS demostraron una pérdida de suelo admisible según los criterios de la Asociación de Cemento Portland (es decir, una pérdida de masa máxima admisible del 14 % para suelos SP, SC) y el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (es decir, una pérdida inferior a 8 % para suelos granulares con índice de plasticidad superior a 10)45,46.

Variación de la pérdida de masa acumulada del suelo tratado con XS por número de ciclos W-D.

La Figura 10 muestra la correlación entre la cantidad acumulada de pérdida de suelo y el qu de suelo tratado con biopolímero después de cada ciclo. La pérdida de suelo qu mostró una correlación exponencial con valores altos de R2, lo que se alinea con las observaciones de Baghadadi y Shihata15. Sin embargo, se demostró que el suelo tratado con biopolímeros, incluidos los suelos con finos grandes (p. ej., XS2(50)), puede presentar una correlación sesgada debido al daño severo por la generación de grietas después de seis ciclos. Por lo tanto, las metodologías convencionales de evaluación de la durabilidad W-D para suelo-cemento podrían ser apropiadas para suelos tratados con biopolímeros, que incluyen una fracción de finos del 15-25%.

Relación entre la pérdida acumulada de suelo y la cantidad residual de suelo tratado con biopolímeros.

La Figura 11 presenta la curva de tensión-deformación axial de todos los suelos estabilizados después del proceso repetitivo F-T. A medida que aumentaba el número de ciclos F–T, los valores de tensión axial máxima disminuían y la deformación correspondiente a la tensión axial máxima aumentaba (es decir, el ablandamiento por deformación) en todos los suelos estabilizados (Fig. 11a–g). Aunque las arenas puras tratadas con biopolímeros (es decir, X1, X2 y XS2) experimentaron una perturbación severa al comienzo del proceso W-D, exhibieron una mayor resistencia contra el proceso F-T sin ninguna perturbación en comparación con las muestras correspondientes bajo el proceso W-D. –D condición de meteorización (Fig. 11a–c). Las muestras de BPST con mayor contenido de XG mostraron un comportamiento más frágil que aquellas con menor contenido de XG en la etapa inicial, mientras que la tensión de falla aumentó a más del 2 % después de los ciclos F-T tanto en X1 como en X2, lo que demuestra una mayor ductilidad a medida que aumenta el número de F. –Ciclos T aumentados. Por otro lado, todos los suelos tratados con XS presentaron una tendencia de ablandamiento por deformación similar a los demás, pero el grado de cambio de deformación por falla entre 0 y 6 ciclos disminuyó en condiciones de mayor contenido de finos (Fig. 11c–f). C10 todavía mostró un comportamiento de ablandamiento por deformación menor con una deformación por falla menor (es decir, aproximadamente 1 % de la deformación) que los suelos tratados con biopolímeros, similar al resultado W–D (Fig. 11g). Sin embargo, la variación en el estrés máximo por el ciclo F-T estuvo dentro del rango correspondiente a la de los suelos tratados con biopolímeros, lo que indica que el suelo tratado con biopolímeros es competitivo con el suelo tratado con cemento en términos de rendimiento de resistencia F-T.

Curvas tensión-deformación después de F–T cíclico (1–6 ciclos) de (a) X1, (b) X2, (c) XS2, (d) XS2(15), (e) XS2(25), (f) XS2(50) y (g) C10.

El qu y E50 después de cada ciclo F-T, como se muestra en la Fig. 12, disminuyeron linealmente a medida que aumentaba el número de ciclos F-T. XS2 (50), X2 y XS2 (25) mantuvieron un qu más alto (3203, 1728 y 1507 kPa) que C10 (1400 kPa) después de seis ciclos, en contraste con las respuestas W-D. Los otros suelos tratados con biopolímeros (XS2(15), XS2 y X1) también cumplieron con el requisito de resistencia (por encima de 490 kPa) recomendado para la estabilización de taludes en Corea43. Además, la rigidez del suelo tratado con biopolímero mostró una ligera disminución de la misma manera que qu. El E50 residual del suelo tratado con biopolímero después del proceso F-T tuvo un rango menor que el del suelo tratado con cemento, excepto XS2(50).

Resultado de la prueba de durabilidad W–D cíclica. (a) qu y (b) E50.

Las tendencias de pérdida de peso acumulada de los suelos tratados con XS se muestran en la Fig. 13. La pérdida de suelo acumulada fue inferior al 0,5 %, que fue menos significativa que los resultados de W–D, alcanzando una pérdida de masa del 5 %. Se produjo una pequeña pérdida de peso en cada suelo tratado con XS después del primer y segundo ciclo, pero el peso de la muestra aumentó ligeramente a medida que aumentaba el número de ciclos F-T después del tercer ciclo. Este aumento marginal de peso podría deberse a la condensación de humedad que se produjo en la superficie de las muestras durante la congelación. Por lo tanto, no se observó una correlación entre la resistencia residual y la pérdida acumulada en el proceso F-T.

Variación en la masa acumulada de suelo tratado con XS por número de ciclos F-T.

El índice de durabilidad (DI) y la relación de reducción de resistencia (SRR) (es decir, SRR = 1 − DI) se consideraron para analizar el efecto de los ciclos W-D y F-T en las características de resistencia y durabilidad de los suelos tratados con biopolímeros. El índice de durabilidad (DI) es el porcentaje que se determina al dividir el qu que quedó después del número deseado de ciclos W-D o F-T por el de un espécimen idéntico sometido a solo 28 días de curado47;

donde qu,N = UCS después de N tiempos de ciclos; y qu,0 = UCS antes de la exposición a los ciclos.

La Figura 14a,b presenta el DI y SRR de suelos tratados con XS2 bajo W–D, respectivamente. Como se mencionó anteriormente, las muestras X1, X2 y XS2 se excluyeron debido al colapso masivo en las primeras etapas de W-D (Fig. 7a). Bajo condiciones de intemperie W–D, el suelo tratado con biopolímero generalmente exhibió un rendimiento de durabilidad insatisfactorio en comparación con el suelo tratado con cemento. En particular, mostró mayor vulnerabilidad en arena pura y KRS puro que tiene un 50% de fracción de arcilla. Esos resultados están profundamente relacionados con la naturaleza hidrófila del biopolímero en sí, acompañada de una alta capacidad de absorción de humedad (es decir, valores más altos de amortiguación de la humedad) en comparación con el cemento48.

Durabilidad y efecto del contenido de finos de suelos tratados con XS bajo procesos de meteorización cíclica. (a) Índice de durabilidad (W–D), (b) relación de reducción de resistencia por ciclo (W–D), (c) Índice de durabilidad (F–T), (b) relación de reducción de resistencia por ciclo (F–T).

En la arena pura, la atracción de la humedad da como resultado el deterioro de la resistencia a través del hinchamiento y la dilución local en la parte más externa de la capa de biopolímero, lo que impide que el gel de biopolímero viscoso se una a las partículas del suelo23. Especialmente, dado que la interacción electrostática entre las partículas de arena y el biopolímero es pequeña, se puede esperar que la degradación de la resistencia sea inducida principalmente por el desprendimiento de partículas en la interfaz con el agua (parte más externa) cuando se implementa el tratamiento de biopolímero XS con arena de mala calidad para la protección de taludes.

En suelo KRS puro (XS2(50)), aunque tenía el qu inicial más alto, las grietas emergieron gradualmente y mostraron un DI significativamente bajo de aproximadamente 2%. Este comportamiento de deterioro es causado principalmente por el hinchamiento y la contracción severos inducidos por la absorción de agua sinérgica de la actividad tanto del biopolímero como de la arcilla33,49. Por lo tanto, cuando implementamos una capa de protección de taludes utilizando un tratamiento de biopolímero XS con suelo rico en finos, existe la posibilidad de que se produzcan grietas en la capa o el desprendimiento y la falla por deslizamiento de la capa misma en el campo.

En tanto, confirmó que esa vulnerabilidad se puede mitigar en el suelo con 15% y 25% de fracción fina. XS2(15) y XS2(25) mostraron valores DI de 37 % y 34 % después de seis ciclos de lavado y secado, y la SRR disminuyó del 100 % (en arena pura) a menos del 18 % y 13 %, respectivamente, después del primer ciclo. ciclo (Fig. 14a,b). Aunque el proceso W-D repetido induce parcialmente la meteorización externa en matrices de arcilla XS, se puede ver que la conglomeración con granos de arena se mantiene después de los ciclos W-D, mostrando un índice de durabilidad de alrededor del 35% (Fig. 15a).

Imágenes SEM de XS2(15) después de 6 ciclos de envejecimiento. (a) W–D, y (b) F–T.

En el proceso F–T, el DI de todos los suelos tratados con biopolímeros mostró una disminución gradual, manteniendo un rango de 72–90 % después de seis ciclos (Fig. 14c). En comparación con el suelo tratado con cemento que retiene un 80 % de DI, los suelos tratados con biopolímero exhibieron una durabilidad competitiva en condiciones climáticas F–T. En particular, la adición de contenido de finos mejoró notablemente la durabilidad F-T al reducir la SRR del 28 % (en arena pura) al 10 % (en XS2(50)) después de seis ciclos F-T (Fig. 14d).

Por lo general, la durabilidad F–T del suelo estabilizado (suelo diseñado) se ve afectada principalmente por el estado de humedad (es decir, agua libre en los poros), que está relacionado con la expansión del volumen debido a la formación de hielo28,50. Cuando se produce la congelación, el agua restante en el suelo estabilizado aumenta de volumen en aproximadamente un 9%51. Cuando los fluidos congelados en el espacio poroso se expanden y alcanzan el espacio libre disponible en el poro, se aplica presión hidráulica a la matriz del suelo estabilizada, acompañada de un aumento gradual en el tamaño de los poros y la ruptura de la unión entre el agente aglutinante y las partículas del suelo50,51, 52. Sin embargo, los suelos tratados con biopolímeros evaluados en este estudio, deshidratados durante 28 días, perdieron la mayor parte del agua libre que ocupaba los poros a través de la evaporación, lo que resultó en una retención del contenido de agua residual en el rango de 0,6 a 1,7 %, como se muestra en la Tabla 2 ( es decir, reducido en un 93–98% del contenido inicial de agua de 25%). Por lo tanto, la perturbación de la matriz del suelo debido a la expansión de la formación de hielo en el espacio poroso es tenue en las muestras secas. En cambio, la abrasión en las matrices de arcilla de biopolímero XS podría provocar la degradación gradual de la resistencia y la rigidez. La reducción de la resistencia y el cambio de ductilidad bajo F-T podrían atribuirse a la abrasión acumulada y el debilitamiento en las matrices de arcilla de biopolímero, que se asociaron con agua condensada (es decir, humedad fresca) durante cada período de congelación en la superficie de la muestra (Fig. 15b) .

A partir de los resultados integrales de W–D y F–T en este estudio, se puede notar que el suelo SC (arena arcillosa según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos) que contiene 15–25% de finos es ventajoso para la durabilidad a largo plazo de suelo tratado con biopolímeros. Además, los estándares de diseño de ríos en Corea clasifican la composición del suelo para la construcción de terraplenes en tres grados (I, II y III), teniendo en cuenta la resistencia a las fugas y la prevención de grietas. Las normas estipulan que se debe utilizar una composición de suelo de grado I o II para la construcción de terraplenes38. La composición del suelo sugerida de este estudio cumplió con la especificación de grado II (es decir, suelo bien graduado con un índice de plasticidad en el rango de 7 a 15), como se muestra en la Tabla 1. Por lo tanto, se espera que el método de protección de taludes que utiliza biopolímero El suelo tratado será suficientemente competitivo en términos de rendimiento de resistencia y durabilidad cuando se utilice suelo SC.

Sin embargo, aunque la resistencia y la pérdida de suelo evaluadas en este estudio son indicadores generales para evaluar la durabilidad de un suelo estabilizado, este ambiente controlado no ha demostrado completamente un ambiente climáticamente degradante in situ. Por lo tanto, se deben realizar más estudios sobre los efectos reales de la intemperie para predecir el rendimiento y la estabilidad del suelo tratado con biopolímeros en el campo. Además, los ambientes naturales contienen muchos microorganismos que pueden afectar la estabilidad biológica del suelo tratado con biopolímeros. Por lo tanto, la degradación biológica debida a la actividad microbiana requiere más estudio.

En este estudio, se evaluó la durabilidad integral de la resistencia de los suelos tratados con biopolímeros a base de goma de xantano bajo ciclos cíclicos W-D y F-T a través de una serie de experimentos de laboratorio. La W–D cíclica de los suelos tratados con biopolímeros degrada gradualmente la resistencia y la rigidez de los suelos debido a un alto grado de hinchamiento resultante de la hidrofilia durante las condiciones de W–D. La vulnerabilidad era muy alta, particularmente en arenas mal graduadas. Sin embargo, la resistencia al deterioro de la resistencia mejoró efectivamente cuando el suelo tenía cierto contenido de finos (15-25%). Mientras tanto, la degradación de la resistencia y la pérdida de suelo causadas por F-T cíclico en un estado suficientemente deshidratado fueron menos graves que las causadas por W-D, lo que demuestra un rendimiento competitivo en comparación con el suelo tratado con cemento. Debido a que el suelo que contiene finos del 15 al 25 % muestra efectos suficientemente positivos tanto en W–D como en F–T, satisfaciendo las propiedades del suelo en los criterios de diseño para el dique de tierra, es adecuado usar suelo tratado con biopolímeros como refuerzo de taludes de tierra. material. Sin embargo, se deben realizar más estudios sobre la durabilidad en condiciones climáticas naturales para predecir el rendimiento a largo plazo en función de estos resultados de laboratorio.

Todos los datos experimentales que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable por correo electrónico.

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Este trabajo fue apoyado por las subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiadas por el gobierno coreano (MSIT) (No. 2022R1A2C2091517 y 2017R1A5A1014883), y el primer autor cuenta con el apoyo del Programa de Educación de Talento Innovador para Smart City financiado por el Ministerio de Tierra, Infraestructura y Transporte (MOLIT) del gobierno de Corea.

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ML contribuyó a la metodología, validación, investigación, curación de datos, visualización y redacción del borrador original. YMK contribuyó a la investigación, revisión y edición del borrador. DYP contribuyó a la investigación y la curación de datos. IC contribuido a la conceptualización, validación, revisión y edición y supervisión. GCC aportó la conceptualización, recursos, supervisión y administración del proyecto.

Correspondencia con Ilhan Chang o Gye-Chun Cho.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Recibido: 15 julio 2022

Aceptado: 07 noviembre 2022

Publicado: 14 noviembre 2022

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

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