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Jul 11, 2023

Experimentelle Studie zur Undurchlässigkeit von mit Bentonit vermischtem Lössliner

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8740 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Permeabilitätstests werden mithilfe des flexiblen Wandpermeameters durchgeführt, um den Einfluss von Bentonit-HDTMA (Hexadecyltrimethylammoniumbromid) auf die Permeabilitätsleistung von Löss als Auskleidungsmaterial in der Mülldeponie zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Undurchlässigkeit von verdichtetem Löss im Mittel- und Unterlauf des Gelben Flusses in China nicht den Standardanforderungen als Deponieauskleidung entspricht. Die Durchlässigkeit von Löss gemischt mit einem Bentonitanteil von mehr als 10 % beträgt weniger als 1,0 × 10−7 cm·s−1. Die Durchlässigkeit von Löss nimmt nach dem Mischen einer kleinen Menge HDTMA leicht zu. Die Undurchlässigkeit von Löss, gemischt mit einem gewissen Bentonit-HDTMA-Verhältnis, entspricht immer noch den Standardanforderungen. Das HDTMA kann die Aggregatstruktur des Bodens zerstören und den Bodenpermeatkanal vergrößern. Die REM-Aufnahmen zeigen, dass die Bentonit-Tonpartikel die Poren zwischen den Löss-Grobpartikeln füllen und die Undurchlässigkeit des Materials verbessern können. Die digitalen Fotos zeigen, dass HDTMA der Entwicklung von Makrorissen im Boden, die durch Benetzungs- und Trocknungszyklen hervorgerufen werden, wirksam widerstehen kann, was für die Aufrechterhaltung einer guten Undurchlässigkeit der Auskleidung besser ist. Auf dieser Grundlage wird der Zusammenhang zwischen der hydraulischen Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss und der Trockendichte konstruiert. Aus dieser Studie geht hervor, dass Löss als Auskleidungsmaterial für Deponien verwendet werden kann, wenn es mit Bentonit/HDTMA in Verhältnissen von 10 %/0 % oder 14 %/2 % gemischt wird.

Die Sanitärdeponie ist eine der endgültigen Entsorgungsmethoden für feste Abfälle (allgemeine Industrieabfälle und Hausmüll). Die Deponie muss ausgekleidet sein, um Schadstoffe, einschließlich Schwermetalle und organische Verbindungen, aus der Lebensumgebung abzufangen. Traditionell wird Ton als Auskleidungsmaterial für die Abfallentsorgung verwendet1,2. Der Löss ist in verschiedenen Regionen weit verbreitet, beispielsweise im Mittel- und Unterlauf des Gelben Flusses in China, in den großen Ebenen und im zentralen Tiefland entlang des Missouri-Mississippi-Flusses in Amerika sowie in den Gebieten in der Nähe der Ausläufer und des unteren Gebirgsgürtels der Alpen und die Karpaten in Europa, wo es gleichzeitig an Ton mangelt. Allerdings kann die hydraulische Leitfähigkeit von Löss nach der Verdichtung die in der Norm angegebene Obergrenze überschreiten1,3.

Die Durchlässigkeit von Löss wird durch verschiedene Faktoren wie Trockendichte, Ionenkonzentration, Temperatur usw. beeinflusst. Bei Proben mit einer Trockendichte von 1,45 g·cm−3 oder mehr kommt es beim Versickern aufgrund chemischer Reaktionen zu einer Porenvergrößerung4,5. Die Durchlässigkeit von Löss hängt empfindlich von der Konzentration der CaCl2-Lösungen ab. Die Konzentration von CaCl2 beeinflusst die Partikelflockung und die Entwicklung der Porenstruktur und führt zu einem Partikelzerfall6. Die Durchlässigkeit steigt mit der Temperatur bei 10 °C und 20 °C, nimmt jedoch bei 30 °C ab5. Und die Testergebnisse zeigen, dass die Durchlässigkeit von Löss mehr als 1,0 × 10−7 cm·s−1 beträgt.

In Studien wurde die Verwendung von mit Bentonit modifiziertem Löss als Auskleidungsmaterial für Deponien untersucht. Zhang et al.7 und Xi8 vermischten den Löss im Mittel- und Unterlauf des Gelben Flusses mit Bentonitanteilen von 14 % und 4 % und die hydraulische Leitfähigkeit des modifizierten Lösses liegt unter oder in der Größenordnung von 1,0 × 10−7 cm·s−1. Liu et al.9 mischen 6 % bis 7 % Bentonit in den Löss in Nordchina, und die hydraulische Leitfähigkeit der Mischung beträgt 9,0 × 10−8 cm·s−1. Die meisten Testergebnisse zeigen, dass die hydraulische Leitfähigkeit von modifiziertem Boden in anderen Ländern weniger als 10−7 cm·s−1 beträgt, wenn der Bentonitanteil etwa 15 % beträgt10,11,12. Das heißt, mit Bentonit modifizierter Löss kann die Anforderungen an die Undurchlässigkeit erfüllen.

Allerdings verfügt reiner Löss oder mit Bentonit modifizierter Löss über eine begrenzte Adsorptionskapazität für bestimmte Schadstoffe. Der Chargentest zeigt, dass HDTMA (Hexadecyltrimethylammoniumbromid) die Adsorptionsleistung einiger Schwermetalle und organischer Schadstoffe erheblich verbessern kann13,14,15, seine chemische Struktur ist in Abb. 1 dargestellt. HDTMA ist ein kationisches Tensid, das positiv geladen ist wenn es in Wasser gelöst wird. HDTMA kann auf der Oberfläche von Tonmineralien adsorbiert werden und durch Austauschadsorption und Nicht-Austauschadsorption mit Schadstoffen reagieren16,17, um so den Effekt der Adsorption oder Immobilisierung von Schadstoffen zu erzielen. Aus umweltwissenschaftlicher Sicht ist es möglich, Bentonit-HDTMA-modifizierten Löss als Auskleidungsmaterial für Mülldeponien zu verwenden. Mittlerweile kommt es häufig zu einem Benetzungs-Trocknungs-Zyklus in der Auskleidung, der zu einer Zunahme der Rissbildung im Zusammenhang mit der Dichtigkeitsleistung führen kann18.

Chemische Struktur von HDTMA.

Diese Studie zielt darauf ab, die Wirkung von Bentonit und HDTMA auf die Undurchlässigkeit von Löss zu untersuchen, indem zum ersten Mal das flexible Wandpermeameter verwendet wird, wobei der Schwerpunkt auf der Wirkung von HDTMA auf die Undurchlässigkeit von Löss nach Benetzungs-Trocknungs-Zyklen liegt. Ziel ist es, wesentliche Forschungsdaten für die Lokalisierungsforschung von Auskleidungsmaterial für die Mülldeponie im Lössgebiet bereitzustellen.

Das im Test verwendete Material ist Malan-Löss im Mittel- und Unterlauf des Gelben Flusses in China (Abb. 2). In der ingenieurtechnischen Praxis wird vor dem Einbau der Belagschicht in der Regel der Mutterboden auf der Baustelle abgetragen. Daher beträgt die Probenahmetiefe dieser Studie 1,0–4,0 m. Die ungestörte Probe zeichnet sich durch einen hohen Feinpartikelgehalt und einen Plastizitätsindex von 8,5 aus, was als typischer Schlick angesehen werden kann. Der in der Studie verwendete Bentonit wird in der Provinz Shandong in der Nähe des Standorts gekauft. Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Löss und Bentonit sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Tests für Partikelprozentsatz, spezifisches Gewicht, Flüssigkeitsgrenze und Plastizitätsgrenze folgen den Standards für geotechnische Testmethoden in China19. Die HDTMA-Produktion wird vom Handelsunternehmen bezogen, ihre Reinheit beträgt 99 %.

Schematische Darstellung der Probenahmestelle.

Dem Löss werden jeweils Bentonit mit einem Massenanteil von 0–22 % und HDTMA mit 0–4 % beigemischt. Das Material wird gleichmäßig gerührt, dann wird das destillierte Wasser entsprechend dem vorgegebenen Wassergehalt aufgesprüht, um das Material gleichmäßig zu befeuchten, und schließlich 60 Stunden lang in die Feuchtigkeitscreme geben. Die Ergebnisse des Verdichtungstests zeigen, dass der optimale Wassergehalt des modifizierten Löss etwa 18,0 % und die maximale Trockendichte20 etwa 1,70 cm·s−1 beträgt. Um die Trockendichte der Proben besser kontrollieren zu können, wird in dieser Studie die statische Verdichtungsmethode mit variabler Verdichtungsenergie zur Probenahme verwendet21,22. Das Instrument ist eine elektrohydraulische Druckprüfmaschine TYA-3000. Diese Forschung berücksichtigt drei Faktoren, nämlich das Bentonitverhältnis (R(Bentonit)), das HDTMA-Verhältnis (R(HDTMA)) und die Trockendichte (ρ). Unter Bezugnahme auf frühere Testergebnisse zur hydraulischen Leitfähigkeit von Bentonit-modifiziertem Löss23 sind die grundlegenden Parameter der Proben in diesem Test in Tabelle 2 aufgeführt. Nach der Verdichtung werden die REM-Fotos der Proben mit dem JSM-7001F-Instrument aufgenommen.

Der Permeabilitätstest in dieser Studie wird mit dem flexiblen Wandpermeameter durchgeführt (siehe Abb. 3). Der Permeationstest wurde bei Raumtemperatur von 20 °C mit destilliertem Wasser als Permeationsflüssigkeit durchgeführt. Im Vergleich zu herkömmlichen Permeametern mit starrer Wand kann das Permeameter mit flexibler Wand in diesem Test wirksam Seitenwandleckagen durch Aufbringen von Gegendruck vermeiden, die Testzeit verkürzen, den Hauptspannungszustand genau steuern und schließlich die Testgenauigkeit und -präzision verbessern. Gemäß ASTM D 5084-16a24 wird die Probe im flexiblen Wandpermeameter platziert, wobei der durchlässige Stein und das Filterpapier nacheinander oben und unten auf der Probe platziert werden.

Schematische Darstellung eines flexiblen Wandpermeameters.

Aufgrund der extrem geringen Permeabilität ist es schwierig, die Probe zu sättigen. In diesem Test wird zunächst die Gegendrucksättigung genutzt (Abb. 3): (1) Nach dem Einbau der Probe in die Permeationskammer öffnen Sie den Kugelhahn F und den Kugelhahn E und füllen die Permeationskammer mit Wasser. Wenn das Wasser voll ist, schließen Sie Ventil F. Durch Einstellen des mit dem Messrohr der Druckkammer verbundenen Druckreglers wird ein bestimmter Grenzdruck auf die Probe in der Permeationskammer ausgeübt. (2) Füllen Sie die Einlass- und Auslassrohre mit Wasser, öffnen Sie die Kugelhähne A und B und schließen Sie C und D. Stellen Sie die beiden mit dem Einlass- und Auslassrohr verbundenen Druckregler ein, um den Druck auszugleichen. Das komprimierte Gas übt durch das Einlass- und Auslassrohr einen gewissen Gegendruck auf die Probe aus. (3) Die Echtzeitüberwachung von Änderungen des Wasserstands in den Einlass- und Auslassrohren wird durchgeführt. Wenn die Höhe der Wassersäule der beiden Messrohre gleich ist und keine offensichtliche Änderung auftritt, kann die Probe als gesättigt betrachtet werden und der Gegendrucksättigungsprozess wird beendet.

Nach dem Gegendrucksättigungsprozess wurde der Permeationstest durchgeführt. Während des Tests wurde der Infiltrationsfluss durch das Wassereinlassrohr überwacht und die hydraulische Leitfähigkeit der Probe nach der Methode mit variabler Förderhöhe berechnet. Zu den Kriterien für den Abschluss des Permeabilitätstests gehören: (1) Sickerwasser aus dem Wasserauslassrohr, also das Durchdringen der Probe, mindestens gleich einem Porenvolumen der Probe, (2) die Durchflussrate für den Wassereinlass ist gleich Durchflussrate für den Wasserauslass, (3) die hydraulische Leitfähigkeit bleibt stabil. Die drei oben genannten Anforderungen wurden bei diesem Test erfüllt, daher wird der Wert vor Abschluss des Tests als endgültiger hydraulischer Leitfähigkeitswert der Probe ausgewählt. Anschließend sollten der osmotische Druck und der Begrenzungsdruck schrittweise nach der Methode der Verringerung um 100 kPa alle 30 Minuten abgebaut werden, um eine unvorhersehbare Verformung der Probe durch plötzliches Entladen während der Probenentnahme zu vermeiden.

Die Formel für die hydraulische Leitfähigkeit bei Verwendung des flexiblen Wandpermeameters lautet:

Dabei ist: K der Permeabilitätskoeffizient, a die Querschnittsfläche des Rohrs (cm2), l die Länge der Probe (cm), A die Querschnittsfläche der Probe (cm2), t die Permeabilitätszeit (s), h1 ist die anfängliche Wasserhöhe (cm), h2 ist die Endwasserhöhe (cm).

Nach dem Permeationstest werden alle Proben separat in die Behälter mit starrer Wand gegeben und anschließend ein Zyklustest mit Verdunstungstrocknung (keine Ofentrocknung) und begrenzter Sättigung (keine Vakuumsättigung) in einer geschlossenen, windstillen Umgebung mit einer konstanten Temperatur von 20 °C durchgeführt ± 2 °C. Der Wassergehalt der Probe ändert sich nach drei Tagen kontinuierlicher Messung nicht, d. h. nach Abschluss eines Befeuchtungs- und Trocknungszyklus (ca. 15 Tage) werden insgesamt 5 Zyklen für jede Probe durchgeführt. Am Ende jedes Zyklus werden digitale Fotos aufgenommen, um die Veränderung der sichtbaren Risse zu beobachten. Abschließend wird die hydraulische Leitfähigkeit von M9 und M10 nach fünf Benetzungs- und Trocknungszyklen noch einmal gemessen, um den Einfluss von HDTMA auf die Dichtigkeitsleistung von modifiziertem Löss bei Benetzungs- und Trocknungszyklen zu untersuchen.

Die Durchlässigkeitstests wurden an Löss gemischt mit unterschiedlichem HDTMA- und Bentonit-Verhältnis durchgeführt. Abbildung 4 zeigt den zeitlichen Trend der hydraulischen Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss. Tatsächlich gibt es insgesamt 15 Gruppen von Permeabilitätstests (einschließlich zwei Gruppen nach 5 Benetzungs- und Trocknungszyklen). Alle Kurven sind chaotisch, wenn sie in einem Diagramm dargestellt werden. In diesem Abschnitt werden nur sechs typische Kurven von M4, M6, M8, M9, M10 und M11 verwendet, um den sich ändernden Trend der hydraulischen Leitfähigkeit im Laufe der Zeit zu analysieren. Die Dauer sowohl für den Permeabilitätstest als auch für die Benetzungs- und Trocknungszyklen beträgt 160 Tage, wie in Abb. 4 und Tabelle 3 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die hydraulische Leitfähigkeit mit zunehmender Durchdringungszeit abnimmt und schließlich tendenziell stabil bleibt. Im frühen Stadium der Penetration nimmt die hydraulische Leitfähigkeit deutlich ab, was mehr als eine Größenordnung betragen kann. Im späteren Durchdringungsstadium bleibt die hydraulische Leitfähigkeit grundsätzlich unverändert und erreicht einen stabilen Wert. Einschließlich der Proben nach 5 Benetzungs- und Trocknungszyklen zeigen die Permeabilitätstests aller Proben den gleichen Trend. Je höher der Bentonitanteil im modifizierten Löss ist, desto länger dauert die Permeationsstabilität. Die längste Zeit für die Permeationsstabilität einer Probe beträgt bei reinem Bentonit 54 Tage.

Hydraulische Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss im Vergleich zur Zeit.

Die Testergebnisse zeigen, dass die hydraulische Leitfähigkeit der Proben M1–M13 zwischen 1,15 × 10–9 und 2,08 × 10–6 cm·s–1 liegt. Die Werte von M9 und M10 betragen jedoch 1,21 × 10−7 bzw. 5,20 × 10−8 cm·s−1 nach 5 Befeuchtungs-Trocknungs-Zyklen. Das bedeutet, dass die hydraulische Leitfähigkeit von mit Bentonit modifiziertem Löss nach 5 Befeuchtungs-Trocknungs-Zyklen einfach nicht mehr den Normanforderungen entspricht. Durch zusätzliches Mischen von etwas HDTMA erhöht sich die hydraulische Leitfähigkeit des modifizierten Lösses leicht, bleibt jedoch bei der Größenordnung von 10−8 cm·s−1 und erfüllt damit die Standardanforderungen in China. Kurz gesagt, Bentonit und HDTMA haben einen offensichtlichen Einfluss auf die hydraulische Leitfähigkeit von Löss. Die von der chinesischen Norm geforderte hydraulische Leitfähigkeit des Auskleidungsmaterials überschreitet nicht 1,00 × 10−7 cm·s−1. Daher ist es besonders wichtig, das Bentonit- und HDTMA-Verhältnis im modifizierten Löss zu bestimmen.

Abbildung 5 zeigt die offensichtlichen Risseigenschaften des modifizierten Lösses nach 1 bis 5 Befeuchtungs- und Trocknungszyklen. Nach 5 Benetzungs- und Trocknungszyklen entwickelt die reine Bentonitprobe (M11) den deutlichsten Riss: Die Risse beginnen im Umkreis der Probe bis zur Mitte, dehnen sich bis zu einer bestimmten Entfernung aus und verzweigen sich dann und dehnen sich erneut aus. Die Risse der Bentonit-modifizierten Lössprobe (M9) entstehen als Zweites. Die Risse der Lössproben (M1) und Bentonit-HDTMA-modifizierten Lössproben (M10) entwickeln sich kaum und die Proben erfahren lediglich eine Volumenschrumpfung. Darüber hinaus ist die Entstehung von Rissen mit zunehmenden Benetzungs- und Trocknungszyklen für alle Proben allmählich erkennbar. Der mit Bentonit modifizierte Löss ohne HDTMA wird nach Befeuchtungs- und Trocknungszyklen Risse entwickeln, die sich mit zunehmender Dauer der Befeuchtungs- und Trocknungszyklen stark entwickeln. Die Deponien für feste Abfälle durchlaufen während der Ingenieurpraxis häufig Befeuchtungs- und Trocknungszyklen sowohl in der Trocken- als auch in der Regenzeit. Durch die Zugabe einer kleinen Menge HDTMA können die Verschlechterungseffekte dieser Benetzungs- und Trocknungszyklen auf die Undurchlässigkeitsleistung des Liners verringert werden.

Risse auf der Oberfläche von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss nach Benetzungs- und Trocknungszyklen.

Abbildung 6 zeigt die Beziehung zwischen der hydraulischen Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss und dem Bentonitverhältnis, einschließlich Forschungsergebnissen von Zhang23-Probenproben aus der nordwestlichen Region Chinas. Es wird davon ausgegangen, dass die hydraulische Leitfähigkeit von Lössmischungen mit kleinem Bentonitanteil nahe an der von reinem Bentonit liegen sollte. Die hydraulische Leitfähigkeit des Bodens nimmt langsam ab. Wenn der Bentonitanteil auf einen bestimmten Wert ansteigt, nimmt die hydraulische Leitfähigkeit des modifizierten Lösses mit einer bestimmten Geschwindigkeit ab. Mit zunehmendem Bentonitanteil verlangsamt sich die abnehmende Rate der hydraulischen Leitfähigkeit allmählich und tendiert schließlich zu einem bestimmten stabilen Wert. Die hydraulische Leitfähigkeit von modifiziertem Löss kommt der von reinem Löss nahe, wenn der Bentonitanteil gering ist. Im Gegensatz dazu liegt die hydraulische Leitfähigkeit von modifiziertem Löss nahe an der von reinem Bentonit, wenn der Bentonitanteil groß ist. Auch die Testergebnisse von Chapuis et al.25,26,27 zeigen den gleichen Trend, selbst der grobkörnige Boden unterscheidet sich von dieser Untersuchung.

Hydraulische Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss vs. Bentonit-Verhältnis (R (HDTMA) = 2 %).

Basierend auf der obigen Analyse nimmt die hydraulische Leitfähigkeit von mit Bentonit modifizierten Verlusten in einer umgekehrten S-Form mit zunehmendem Bentonitverhältnis ab, was dem klassischen Boltzmann-Modell entspricht. Daher wird das Boltzmann-Modell zur Anpassung der Testdaten verwendet, einschließlich der Testergebnisse von Zhang23. Die Bentonitanteile des modifizierten Lösses in diesem Test betragen 0 %, 6 %, 10 %, 14 %, 18 %, 22 % bzw. 100 %. Die scharfe Kurve beider Tests weist eine ähnliche Form auf. Da der hydraulische Leitfähigkeitswert von reinem Löss in diesem Test (1,30 × 10−7 cm·s−1) geringer ist als der von Zhang (9,34 × 10−6 cm·s−1), ist die Anpassungskurve dieses Tests insgesamt nach unten gerichtet an Zhang23. Dies bedeutet auch, dass der Bentonitanteil für den modifizierten Löss im Mittel- und Unterlauf des Gelben Flusses geringer sein kann als im Nordwesten Chinas, um die gleiche Dichtigkeitsleistung zu erzielen. Gemäß dem mathematischen Ausdruck des Boltzmann-Modells kann die Beziehung zwischen der hydraulischen Leitfähigkeit von modifiziertem Löss und dem Bentonitverhältnis wie folgt ausgedrückt werden:

Nach der Anordnung der Formel (2)

wobei k (Bentonit) die hydraulische Leitfähigkeit von reinem Bentonit ist, cm·s−1; k (Löss) ist die hydraulische Leitfähigkeit von reinem Löss, cm·s−1; R (Bentonit0) ist das Bentonit-Verhältnis, wenn k = (k (Bentonit) + k (Löss))/2, % und könnte als „Halbwertszeitverhältnis“ bezeichnet werden; d ist der Anpassungsparameter.

Dies ist aus der angepassten Kurve (Abb. 6) und Gl. ersichtlich. (3) dass der Bentonitanteil mehr als 10 % betragen sollte, wenn die hydraulische Leitfähigkeit weniger als 1,0 × 10−7 cm·s−1 beträgt. Und die hydraulische Leitfähigkeit nimmt nicht so deutlich ab, wenn der Bentonitanteil mehr als 20 % beträgt. Aus wirtschaftlicher Sicht empfiehlt sich ein Bentonitanteil von 10 bis 20 %.

Abbildung 7 zeigt die Beziehung zwischen der hydraulischen Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss und dem HDTMA-Verhältnis. Wie in Abb. 7 dargestellt, stieg die hydraulische Leitfähigkeit von modifiziertem Löss von 9,52 × 10−8 auf 1,32 × 10−6 cm·s−1, wobei das HDTMA-Verhältnis von 0 auf 4 % anstieg. Insgesamt erhöht sich die hydraulische Leitfähigkeit des modifizierten Lösses nach dem Mischen mit HDTMA und die Dichtigkeitsleistung wird geschwächt. Dies liegt daran, dass HDTMA die Oberflächenspannung zwischen den Grenzflächen verschiedener Phasen erheblich reduzieren kann. Die feinen Bentonitpartikel, die sich um die groben Lösspartikel aggregieren, verteilen sich leicht in der Wasserphase, bis der kolloidale Zustand im gesättigten Zustand erscheint28. Die inhärente Aggregatstruktur des Bodens wird zerstört und die Bodenpartikel werden verteilt. Dies lässt sich anhand der Beziehung zwischen dem Plastizitätsindex von modifiziertem Löss und dem HDTMA-Verhältnis widerspiegeln (Abb. 7): Der Plastizitätsindex von modifiziertem Löss steigt mit zunehmendem HDTMA-Verhältnis. Darüber hinaus werden starke Wechselwirkungskräfte (hauptsächlich hydrophobe Kräfte und Van-der-Waals-Kräfte) zwischen HDTMA und Bodenpartikeln erzeugt29, die die Porenstruktureigenschaften von Bodenpartikeln weiter verändern können, was zu einer Erhöhung der Permeabilität führt. Das Ergebnis zeigt, dass das HDTMA einen positiven regulierenden Effekt auf die wasserphysikalischen Eigenschaften von modifiziertem Löss hat, sich jedoch auf die Erhöhung der hydraulischen Leitfähigkeit auswirkt, ohne den Benetzungs-Trocknungs-Zyklus zu berücksichtigen. Die hydraulische Leitfähigkeit von modifiziertem Löss bleibt nach dem Mischen von 2 % HDTMA in der Größenordnung von 10−7.

Hydraulische Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss im Vergleich zum HDTMA-Verhältnis (R (Bentonit) = 10 %).

Abbildung 8 zeigt die Beziehung zwischen der hydraulischen Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss und der Trockendichte. Wie in Abb. 8 dargestellt, sinkt die hydraulische Leitfähigkeit von modifiziertem Löss von 2,08 × 10−6 auf 1,72 × 10−7 cm·s−1, wobei die Trockendichte von 1,36 g·cm−3 (M5) auf 1,69 g· cm−3 (M7). Es ist leicht zu verstehen, dass die Porosität der Probe mit zunehmender Trockendichte abnimmt und der Wasserpermeatkanal kleiner wird, was letztendlich zu einer Abnahme der hydraulischen Leitfähigkeit und einer Verbesserung der Impermeabilitätsleistung führt.

Hydraulische Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss vs. Trockendichte.

Frühere Studien30,31 haben gezeigt, dass die hydraulische Leitfähigkeit von reinem Löss mit zunehmender Trockendichte abnimmt und sich der abnehmende Trend allmählich verlangsamt. Wenn die Trockendichte von Löss mehr als 1,70 g·cm−3 beträgt, bleibt die hydraulische Leitfähigkeit nahezu unverändert und bleibt auch bei zunehmender Trockendichte auf einem sehr niedrigen Niveau (Abb. 8). Nach früheren Untersuchungen20 beträgt die Trockendichte für Bentonit-HDTMA-modifizierten Löss nach Standardverdichtung normalerweise weniger als 1,70 g·cm−3. Mit zunehmender Trockendichte zeigt die hydraulische Leitfähigkeit von Bodenproben einen nichtlinearen abnehmenden Trend. Nach einer nichtlinearen Regressionsanalyse wird die funktionale Beziehung zwischen der hydraulischen Leitfähigkeit und der Trockendichte für Löss, wenn die Trockendichte weniger als 1,70 g·cm−3 beträgt, in Formel (4) dargestellt:

wobei ρ die Trockendichte von Löss ist, g·cm−3; a, b und c sind Anpassungsparameter.

Aus Abb. 8 ist ersichtlich, dass die hydraulische Leitfähigkeit von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss auch eine exponentielle Beziehung zur Trockendichte aufweist, obwohl eine kleine Menge HDTMA beigemischt ist, was den gleichen Änderungstrend wie bei reinem Löss zeigt. Die durch Formel (4) angepasste funktionale Beziehung ist in Formel (5) dargestellt, die als schnelle Bewertungsmethode zur schnellen Bewertung der Undurchlässigkeitsleistung von Bentonit-HDTMA-modifiziertem Löss in situ verwendet werden kann.

Die Tonfeinpartikel sollten mit zunehmendem Bentonitanteil zunehmen. Die feinen Tonpartikel füllen sich in die Poren der groben Lösspartikel, verringern den Permeatkanal des Bodens und verbessern schließlich die Undurchlässigkeitsleistung. Wie in den Abb. gezeigt. 9, 10, 11, 12, die Poren der Löss-Grobpartikel sind nach dem Mischen von 10 % Bentonit vollständig mit feinen Tonpartikeln gefüllt (Abb. 11), und der Permeatkanal wird deutlich reduziert, was dazu führt, dass die hydraulische Leitfähigkeit stark abnimmt. Gemäß der Beziehung zwischen der hydraulischen Leitfähigkeit von modifiziertem Löss und dem Bentonitanteil (Abb. 6) wird erwartet, dass die groben Partikel in den feinen Tonpartikeln „suspendiert“ werden, wenn der Bentonitanteil 20 % übersteigt und es keine Poren zwischen den groben Lösspartikeln gibt Durch das Auffüllen von Tonpartikeln nimmt die hydraulische Leitfähigkeit nicht mehr wesentlich ab. Kombiniert mit den Testergebnissen von Yulin Löss23 kann die obige Sichtweise bestätigt werden: Der Anteil an Partikeln kleiner als 0,005 mm beträgt in diesem Test immerhin 22,8 %, beim Yulin Löss hingegen schon 22,8 % nur 8,5 %, wie in den Abbildungen dargestellt. 9 und 10. Aufgrund des hohen Gehalts an feinen Tonpartikeln erreichen die groben Lösspartikel in diesem Test als erstes den „suspendierten“ Zustand, und es ist ein geringerer Bentonitanteil erforderlich, um den stabilen Wert der hydraulischen Leitfähigkeit zu erreichen (in diesem Test). , R (Bentonit) = 20 %; Zhang et al., R (Bentonit) = 40 %, dargestellt in Abb. 6.

Yulin Löss23.

Sanmenxia-Löss.

Bentonitmodifizierter Löss.

Bentonit-HDTMA-modifizierter Löss.

Darüber hinaus wird, wie in Abb. 12 gezeigt, die Klarheit des SEM für die Tonschichtstruktur nach dem Mischen des HDTMA geschwächt, was möglicherweise auf die Beschichtung mit organischen langen HDTMA-Ketten auf der Oberfläche der Tonpartikel und der Bodenoberfläche zurückzuführen ist Partikel haben den Trend von Unebenheit zu Glätte. Dies beweist indirekt, dass das HDTMA als organisches Kation eine Austauschreaktion mit den austauschbaren Kationen zwischen den Tonpartikelschichten eingeht, sich dann zwischen den Tonschichten in einer einschichtigen oder multimolekularen Schichtstruktur anordnet und dadurch den Tonschichtabstand erweitert32 . Folglich nimmt die Trockendichte des modifizierten Lösses ab und die Dichtigkeitsleistung wird geschwächt.

Entsprechend der Partikelgröße des Lösses lässt sich die Lössverteilung in China in drei Regionen einteilen: A, B und C (siehe Abb. 13). Es ist zu beachten, dass der Löss in diesem Test aus Sanmenxia stammt, der zum Tonlöss (Bereich C) gehört, während der Yulin-Lößtest von Zhang et al.23 zum sandigen Löss (Bereich A) gehört. Der Unterschied in der Partikelgröße führt zu einem großen Unterschied in der Kontrollwirkung des Bentonitverhältnisses auf die hydraulische Leitfähigkeit für modifizierten Löss. Der Löss in diesem Test enthält mehr feine Tonpartikel, und der Durchlässigkeitstest zeigt auch, dass der Löss in Region C einen geringeren Bentonitanteil benötigt, um die in der chinesischen Norm geforderte hydraulische Leitfähigkeit zu erfüllen, als in Region B. Es ist ersichtlich, dass der mit Bentonit modifizierte Löss über einen geringeren Bentonitanteil verfügt bessere Anwendungsaussichten in der tonhaltigen Lössregion, die sich mit dem Mittel- und Unterlauf des Gelben Flusses überschneidet.

Verbreitung von 3 Lössarten in China33.

Der Sanmenxia-Löss, der sich im Mittel- und Unterlauf des Gelben Flusses befindet, wird ausgewählt und mit unterschiedlichen Bentonit- und HDTMA-Verhältnissen gemischt. Der Durchlässigkeitstest wird mit dem flexiblen Wandpermeameter durchgeführt, um den Kontrolleffekt von Bentonit-HDTMA auf die Undurchlässigkeitsleistung von Löss als Auskleidungsmaterial zu untersuchen. Die Bentonit- und HDTMA-Verhältnisse für die Auskleidung werden vorgeschlagen, was zu den folgenden Schlussfolgerungen führt:

Die Undurchlässigkeitsleistung von reinem Malan-Löss entsprach nicht den Standardanforderungen Chinas für Auskleidungsmaterialien vor Ort. Durch die Zugabe von 10 bis 20 % Bentonit wird die Undurchlässigkeit des Löss effektiv verbessert, indem die Poren zwischen groben Partikeln gefüllt werden. Diese Verbesserung ist nicht offensichtlich, wenn der Bentonitanteil 20 % übersteigt. Der Zusammenhang zwischen der hydraulischen Leitfähigkeit des modifizierten Lösses und dem Bentonitanteil folgt dem Boltzmann-Modell.

Durch die Zugabe von HDTMA wurde die hydraulische Leitfähigkeit des modifizierten Lösses leicht erhöht, indem die inhärente Aggregatstruktur des Bodens gestört wurde. Es ist zu beachten, dass HDTMA den Verschlechterungseffekt von Benetzungs-Trocknungs-Zyklen auf die Undurchlässigkeitsleistung des modifizierten Löss wirksam reduzieren kann.

Die hydraulische Leitfähigkeit des Bentonit-HDTMA-modifizierten Löss weist eine exponentielle Beziehung zur Trockendichte auf. In der Studie wurde ein Bentonit/HDTMA-Verhältnis von 10 %/0 % oder 14 %/2 % für den modifizierten Löss als Auskleidungsmaterial vor Ort empfohlen. Dies sind vorläufige Referenzwerte für das optimale Bentonit/HDTMA-Verhältnis in zukünftigen Untersuchungen.

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

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Vielen Dank für die finanzielle Unterstützung durch das Wissenschafts- und Technologieforschungsprojekt der Provinz Henan (Nr. 212102310968), wichtige wissenschaftliche Forschungsprojekte von Hochschulen und Universitäten in der Provinz Henan (Nr. 21A410004), das Wissenschafts- und Technologieprojekt für Wohnungsbau und Stadt-Land-Bau der Provinz Henan (Nr. 21A410004). Nr. HNJS-2020-k25) und Postdoktoranden-Forschungsprojekt des Henan Urban Planning Institute and Corporation.

Zhengzhou University of Aeronautics, No. 15 Wenyuan West Road, Zhengdong New District, Zhengzhou, 450006, China

Zhang Ming & Hu Dong Ke

Northwest University, Xi'an, 710127, China

Zhang Ming

Henan Urban Planning Institute and Corporation, Zhengzhou, 450006, China

Zhang Ming, Pan Shaoyu und Chen Guozhou

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ZM und HD verfassten den Haupttext, die Abbildungen und die Tabellen des Manuskripts. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Zhang Ming.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ming, Z., Dongke, H., Shaoyu, P. et al. Experimentelle Studie zur Undurchlässigkeit von Lössauskleidung gemischt mit Bentonit-HDTMA. Sci Rep 13, 8740 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35433-9

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Eingegangen: 23. Oktober 2022

Angenommen: 17. Mai 2023

Veröffentlicht: 30. Mai 2023

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

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