Beneficios de ingeniería de reemplazar la arena natural con arena manufacturada en la construcción de vertederos

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6444 (2023) Citar este artículo

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Las fallas por deslizamiento traslacional en los vertederos a menudo son provocadas por una resistencia al corte inadecuada de las interfaces en revestimientos y cubiertas. Los revestimientos de arcilla geosintética (GCL) se utilizan en diferentes componentes de los vertederos para contener el lixiviado. Los GCL generalmente se colocan sobre una subrasante de arena compactada para desarrollar una mayor resistencia al corte. En el contexto del agotamiento de los recursos naturales de arena, el presente estudio explora la viabilidad de reemplazar la arena natural con arena manufacturada (Msand) en la construcción de vertederos. Se realizaron pruebas de corte de interfaz en GCL en contacto con arena de río y Msand de gradación similar para evaluar la resistencia al corte en diferentes tensiones normales y condiciones de hidratación. Se ha descubierto que Msand proporciona una mayor resistencia al corte en la interfaz con GCL en comparación con la arena de río. El análisis de imágenes digitales de muestras analizadas de GCL mostró que la variación en la morfología de las partículas de las dos arenas tiene una influencia directa en los mecanismos de interacción a micronivel que gobiernan la resistencia al corte. La cuantificación de los parámetros morfológicos mostró que las partículas de Msand son angulares y rugosas en comparación con las partículas de arena naturales, lo que lleva a un mayor entrelazamiento de partículas. La hidratación del GCL redujo la resistencia al corte de la interfaz, siendo el efecto menor en el caso de Msand. El estudio destaca que la sustitución de arena natural por Msand tiene beneficios añadidos.

Los revestimientos de arcilla geosintética (GCL) son geocompuestos poliméricos que se utilizan para contener elementos nocivos para el medio ambiente, como lixiviados, en vertederos diseñados para evitar que ingresen al suelo y eventualmente contaminen el agua subterránea. Los GCL se componen de arcilla bentonita en combinación con materiales poliméricos como geomembranas y geotextiles. La bentonita se une adhesivamente a una geomembrana o se encapsula entre dos geotextiles, que se perforan con agujas o se unen con puntadas. Los GCL son un reemplazo ideal para los revestimientos de arcilla compactada (CCL) convencionales debido a sus efectivas propiedades hidráulicas, capacidad de autorreparación, rentabilidad y beneficios de fácil instalación1,2,3. Los GCL tienen varias ventajas sobre los CCL en términos de garantía de calidad, espesor reducido de las capas, durabilidad para congelar y descongelar, fácil accesibilidad y velocidad de construcción mejorada4,5. Los GCL con geotextiles tejidos o no tejidos se usan comúnmente para formar interfaces con otros geosintéticos y materiales de subrasante. La ubicación de los GCL en revestimientos y sistemas de cubierta se muestra en la Fig. 1, en la que los GCL están en contacto con capas de arena en varios lugares. La falta de homogeneidad en el revestimiento y las cubiertas de los vertederos da como resultado fallas bajo tensiones normales y tensiones de corte impuestas por el vertido de desechos y otras condiciones especiales como los terremotos. La principal causa de falla en los revestimientos con GCL es la falla por deslizamiento traslacional debido a la insuficiente resistencia al corte en las interfaces GCL-arena, siendo las posibilidades mayores en el caso de terrenos inclinados. Se requiere una evaluación precisa de la resistencia al corte de la interfaz de los GCL para controlar el deslizamiento y otras inestabilidades mecánicas de los vertederos.

Diagrama esquemático de un vertedero diseñado.

La literatura sobre diferentes pruebas de interfaz realizadas utilizando una caja de corte directo convencional revela que el desarrollo de la fricción y la adhesión entre las capas que interactúan se rige por varias interacciones a nivel micro6,7,8,9. El avance de la tecnología ha facilitado la investigación del mecanismo de interacción que afecta el comportamiento de corte de las interfaces a nivel micro. Los investigadores han explorado el efecto del tamaño y la forma de las partículas de arena en el comportamiento de la interfaz con diferentes tipos de refuerzos. El tamaño de los granos de arena combinado con las características de rugosidad del refuerzo controla la resistencia al corte de la interfaz10,11,12,13. Durante su funcionamiento en el vertedero, los GCL se hidratan debido a su exposición a lixiviados o precipitaciones infiltrantes, provocando el hinchamiento de la capa de bentonita encapsulada. El hinchamiento de la bentonita puede reducir considerablemente la resistencia al corte de la interfaz. La extrusión y el hinchamiento lateral de la bentonita dependen de la textura superficial del GCL14,15,16.

La extracción de arena natural para numerosas actividades de construcción tiene un impacto significativo en los ecosistemas fluviales y marinos, las fluctuaciones en el nivel freático y la reducción del suministro de sedimentos. Aunque la arena natural se considera un material de subrasante apropiado para usarse junto con GCL para obtener una buena resistencia al corte de la interfaz, su no disponibilidad lleva a los investigadores a investigar materiales de subrasante alternativos. El sustituto adecuado debe reducir el impacto negativo sobre el medio ambiente y ofrecer una solución más sostenible y económica. La arena manufacturada, conocida popularmente como Msand, es arena artificial que se obtiene triturando piedras para producir partículas del tamaño de arena. Varios estudios han investigado las propiedades de resistencia y la eficacia del uso de Msand en la fabricación de hormigón en lugar de arena de río. La literatura sugiere que Msand proporciona una mejor conexión de la matriz cementosa que la arena de río, debido a las características superficiales favorables de las partículas de Msand17,18,19. Una investigación limitada ha explorado el uso de Msand para aplicaciones distintas a la fabricación de hormigón.

El presente estudio contribuye a la viabilidad de utilizar Msand como un reemplazo adecuado de la arena de río para proporcionar una interfaz GCL-Msand superior para ser utilizada en revestimientos de vertederos. Esto se destaca a través de las pruebas de corte de interfaz comparativas en las interfaces GCL-Arena del río y GCL-Msand junto con el cálculo de los parámetros de resistencia al corte. Además, el efecto de la hidratación del GCL sobre los parámetros de resistencia al corte se entiende en condiciones completamente saturadas del material de subrasante. Los resultados se corroboran con estudios basados en imágenes de la forma de las partículas y los cambios de micronivel en las superficies GCL probadas. Los parámetros morfológicos de la arena, incluida la forma y el tamaño de los granos, influyen en gran medida en las interacciones a nivel micro y, a su vez, en la resistencia al corte de las interfaces. Estudios realizados por investigadores anteriores sobre superficies poliméricas que interactúan con granos de arena angulares y perlas de vidrio esféricas señalaron la diferencia en la resistencia al corte de la interfaz con el cambio en la forma de las partículas20,21. El estudio actual explora estos aspectos en detalle y propone utilizar Msand en la construcción de revestimientos y sistemas de cobertura de vertederos debido a su resistencia al corte de interfaz mejorada con los GCL, efectos de hidratación reducidos y beneficios de sostenibilidad a largo plazo.

El GCL utilizado en este estudio es Macline GCL-W, que tiene una capa de bentonita de sodio seca encapsulada entre un geotextil no tejido unido térmicamente y un geotextil tejido con filamentos. La arcilla bentonita con 70% de montmorillonita tiene una capacidad de absorción de agua del 650% y una capacidad de hinchamiento libre de 12 ml/g. La literatura sugiere que el lado no tejido del GCL tiene una mejor resistencia al corte en la interfaz debido a sus fibras orientadas aleatoriamente22,23,24 y, por lo tanto, se adopta lo mismo para las pruebas de corte en este estudio. La Figura 2 muestra la imagen del lado no tejido del GCL virgen tomada con un aumento de 32 × usando un microscopio estereoscópico (SZX10), lo que indica una estructura multicapa similar a una red del geotextil.

Imagen microscópica de la superficie no tejida de GCL virgen con un aumento de 32 ×.

El análisis de tamiz se realizó sobre arena natural de río y arena manufacturada, según ASTM C136 (2014). Según la distribución del tamaño de las partículas que se muestra en la Fig. 3, la arena de río y Msand, en su gradación natural, se clasifican como arena mal graduada (SP) y arena bien graduada (SW), respectivamente, según el Sistema Unido de Clasificación de Suelos (USCS). ). Para eliminar los efectos del tamaño del grano y centrarse en los efectos de la forma del grano, en el presente estudio se utiliza una gradación experimental común para arena de río y arena manufacturada (Msand). como se muestra en la Fig. 3. La gradación de arenas elegida se obtuvo proporcionando y obteniendo la cantidad requerida de fracciones de tamaño específico de ambas arenas para que ambas arenas alcancen la gradación que se clasifica como arena pobremente clasificada (SP). La gradación de arena elegida tiene tamaños de grano idénticos en fracciones de peso y la forma de los granos permanece según su estado natural. La Figura 4 muestra las imágenes de arena de río y arena manufacturada de 0,6 mm de tamaño. La Tabla 1 enumera los parámetros de gradación y las propiedades físicas de las arenas en su gradación experimental. La relación de huecos máxima se obtuvo de la prueba de mesa vibratoria según ASTM D4254 (2016), la relación de huecos mínima se obtuvo según ASTM D4253 (2019). Con base en pruebas de corte directo realizadas según ASTM 3080-04 (2012), se obtuvieron ángulos de fricción interna de 44º y 41º, respectivamente, para la gradación elegida de arena manufacturada y arena de río, al 80% de densidad relativa.

Distribución granulométrica de arenas y gradación experimental.

Imágenes microscópicas de partículas de arena típicas con un aumento de 25 × (a) arena de río y (b) arena manufacturada.

Todas las pruebas de corte de interfaz se realizaron utilizando la configuración de prueba de corte directo modificada por Vangla y Latha25,26. Esta configuración reemplaza la caja de corte inferior de la configuración de prueba de corte directo convencional con una placa de acero cuadrada rígida móvil de 180 mm de lados para fijar los materiales geosintéticos. En el estudio actual, se cortaron del rollo muestras de GCL que medían 180 mm × 180 mm y se fijaron a la base de acero mediante placas de agarre y tornillos. GCL se fijó a la placa de acero de manera que su superficie de geotextil no tejido quede hacia arriba. La caja de corte superior de 100 mm × 100 mm se colocó encima del GCL fijo y se llenó con arena a una densidad relativa del 80%. Las proporciones máximas y mínimas de huecos de arena informadas en la Tabla 1 se utilizaron para calcular el peso requerido de arena para lograr la densidad relativa específica. La arena se rellenó en tres capas separadas, cada capa individual se compactó a mano para lograr un tercio de la altura total de 50 mm de la muestra. Después de aplicar una carga normal a través del mecanismo de brazo de palanca, la base de acero se movió horizontalmente sobre rodillos, provocando un corte a lo largo de la interfaz del GCL y la arena. El sistema de adquisición de datos digitales registra la fuerza cortante aplicada a través de una celda de carga horizontal y el movimiento horizontal correspondiente de la base utilizando un LVDT (transformador diferencial lineal variable), respectivamente. La Figura 5 muestra los detalles de la configuración de prueba de interfaz utilizada en el estudio.

Configuración de corte directo de interfaz.

Se realizaron pruebas de corte de interfaz controlada por deformación a tensiones normales de 100 kPa, 60 kPa y 30 kPa y 7 kPa a una velocidad de corte de 1,15 mm/min según ASTM D6243 (2016). Estas tensiones normales simulan las tensiones de sobrecarga en revestimientos y coberturas de vertederos de altura moderada. Se llevaron a cabo pruebas de interfaz en las interfaces GCL-River Sand y GCL-Msand. Se llevaron a cabo pruebas en GCL interconectados con arena seca y saturada. La saturación de arena en los experimentos representa el peor escenario de campo en el que los niveles fluctuantes de agua subterránea y la infiltración de precipitación causan la saturación de la subrasante de arena. El contenido mínimo de agua de saturación de la arena se calculó como 18% a partir de las relaciones de gravedad específica y relación de vacíos y lo mismo se usó en pruebas con arena saturada.

Las pruebas de corte de interfaz fueron diseñadas para comprender los efectos de los niveles de tensión de sobrecarga representados a través de variaciones de tensión normales, efectos de la forma del grano a través de pruebas naturales y Msand que tienen diferencias significativas en la forma de sus partículas y efectos de hidratación a través de pruebas secas y húmedas. La respuesta cortante de las interfaces GCL-Arena de río y GCL-Msand en condiciones secas a diferentes tensiones normales se presenta en la Fig. 6. La variación de la tensión cortante con el desplazamiento se muestra en la Fig. 6a y las envolventes de falla de Mohr-Coulomb se muestran en la Fig. 6b. La mayoría de estas pruebas iniciales se repitieron para confirmar la reproducibilidad de los resultados. Tanto para las interfaces GCL-arena del río como para las interfaces GCL-Msand, la tensión de corte máxima aumentó con el aumento de la tensión normal, lo que es indicativo de un mayor mecanismo de entrelazamiento entre la fibra del geotextil y las partículas de arena bajo el efecto de confinamiento mejorado de la sobrecarga. Además, los gráficos muestran que se alcanza una tensión de corte máxima más alta para GCL-Msand en comparación con las interfaces de arena GCL-River. Dado que las condiciones de prueba y la gradación se mantienen idénticas, la diferencia en el comportamiento de corte sólo puede relacionarse con la forma de las partículas de arena. La fibra de refuerzo interna de GCL resiste la fuerza cortante aplicada, contribuyendo a la resistencia general al corte. Transmiten la fuerza de corte desde la capa superior a la capa inferior de GCL. La reducción posterior al pico en el esfuerzo cortante puede vincularse a la extensión de la fibra de refuerzo en grandes deformaciones cortantes, lo que provoca una pérdida de resistencia a la tracción, lo que conduce a una reducción en la resistencia al corte de la interfaz11,12,13. Los valores del ángulo de fricción de la interfaz (δ) y la adhesión de la interfaz (ap) para las interfaces secas GCL-arena calculados a partir de las líneas de mejor ajuste de las envolventes de falla considerando las tensiones de corte máximas de la interfaz en diferentes tensiones normales que se muestran en la Fig. 6b se enumeran en la Tabla 2. Todas las interfaces GCL-arena mostraron ángulos de fricción menores en comparación con las pruebas de corte arena-arena. La eficiencia de fricción de las interfaces GCL-arena, que se define como δ/ϕ, es siempre inferior a 1,0, como se muestra en la Tabla 2.

Respuesta al corte de las interfaces GCL-arena en condiciones secas (a) respuesta tensión-desplazamiento, (b) envolventes de falla.

La bentonita mejora el rendimiento hidráulico del GCL, dándole la capacidad de autocurarse. Tras la hidratación, la bentonita aumenta su volumen en un 600%, lo que crea un impacto significativo en la resistencia al corte del GCL. La Figura 7 muestra el mecanismo de hinchamiento cristalino de la bentonita explicado por Ruedrich et al.27. En el campo, la succión de humedad de la subrasante de interfaz puede provocar la hidratación de la bentonita en GCL. La fluctuación del nivel del agua subterránea y la infiltración del agua de lluvia pueden provocar un aumento abrupto del contenido de agua de la subrasante, lo que afecta negativamente la resistencia al corte de las interfaces GCL-arena. El peor de los casos para esta reducción de la resistencia al corte de la interfaz sería la condición completamente saturada de la subrasante de arena. En este estudio, se realizaron pruebas de interfaz en condiciones saturadas para examinar el impacto de la hidratación de la bentonita en los parámetros calculados de resistencia al corte de la interfaz. El contenido de agua en la arena se mantuvo al 18% en estas pruebas para lograr una saturación completa y las muestras de GCL se hidrataron mediante succión de humedad de la arena. Las tensiones normales utilizadas para este conjunto de pruebas fueron 7 kPa, 30 kPa y 100 kPa. Se utilizó una tensión normal baja de 7 kPa para permitir un alto hinchamiento de la bentonita y una tensión normal alta de 100 kPa para facilitar la extrusión de la bentonita sobre la superficie de GCL. Ambos fenómenos influyen en el comportamiento de corte de las interfaces GCL-arena. La respuesta tensión-desplazamiento de GCL-Arena de río y GCL-Msand bajo condiciones de subrasante saturadas se muestra en la Fig. 8. Se observó una diferencia significativa en la tensión de corte máxima de las interfaces de arena de río y Msand con una tensión normal más alta de 100 kPa, como se ve. de la figura 8a. Cuando se comparan la Fig. 6a para pruebas en seco y la Fig. 8a para pruebas saturadas, se observó una reducción significativa en la tensión cortante en todas las tensiones normales en condiciones saturadas. La hidratación del GCL provocó el hinchamiento de la bentonita, ejerciendo fuerzas de tracción sobre las fibras de refuerzo y, por lo tanto, afectando la resistencia al corte de la interfaz. A una tensión normal más alta, la tensión de sobrecarga se opone al hinchamiento de la bentonita, lo que lleva a la extrusión de la bentonita hacia la interfaz a través de los huecos de la superficie del geotextil no tejido. La Figura 8c muestra el hinchamiento de las muestras de GCL con un tiempo de hidratación para tensiones normales de 7 kPa y 100 kPa. Como se indicó anteriormente, se observa una mayor hinchazón en las interfaces probadas a 7 kPa, lo que significa una mayor expansión volumétrica del GCL tras la hidratación en comparación con las interfaces probadas con una tensión normal de 100 kPa. Con un estrés normal más alto, la hinchazón se restringe y se encuentra entre un 5% y un 7% menor. Se observa que el cambio volumétrico es mayor para los GCL en interfaz con arena de río. La bentonita se extruye a través de los huecos de la superficie no tejida del GCL y forma una capa viscosa en la interfaz. La bentonita extruida junto con la capa lubricante de agua en la interfaz reduce la resistencia a la fricción. El cálculo de la resistencia al corte de la interfaz para condiciones saturadas a través de envolventes de falla de Mohr-Coulomb se muestra en la Fig. 8b y los valores del ángulo de fricción de la interfaz (δ) y la adhesión de la interfaz (ap) se enumeran en la Tabla 2. Como se observa, los ángulos de adhesión y fricción de las interfaces saturadas son significativamente más bajos que los de las interfaces secas. El ángulo de fricción de la interfaz se redujo en aproximadamente 10 ° desde la condición seca a la saturada, tanto para las interfaces de arena de río como de Msand, y la adhesión de la interfaz se redujo entre 7 y 10 kPa de la condición seca a la saturada, por las razones explicadas anteriormente. La razón de la reducción de la resistencia a la fricción con la saturación es la capa viscosa de bentonita extruida en condiciones saturadas y la interacción de las partículas de arena con esta capa, lo que restringe el entrelazamiento eficiente de la arena y las fibras. La capa lubricante de agua también reduce la resistencia a la fricción en las interfaces GCL-arena en condiciones de saturación. Aunque en este estudio se mantuvo una gradación idéntica para la arena de río y Msand, las interfaces Msand mostraron un ángulo de fricción y adhesión significativamente mayores en comparación con las interfaces de arena de río en todas las condiciones debido a los efectos de la morfología de las partículas, que se explican en secciones posteriores.

Mecanismo de hinchamiento cristalino de minerales arcillosos por hidratación.

Respuesta al corte de las interfaces GCL-arena en condiciones de saturación (a) respuesta de tensión-desplazamiento, (b) envolventes de falla, (c) respuesta del tiempo de hinchazón-hidratación.

La influencia de la forma del grano de arena en la respuesta al corte de las interfaces GCL-arena es evidente a partir del análisis de los resultados de las pruebas. La disponibilidad de técnicas de obtención de imágenes de alta gama y herramientas computacionales sólidas ha hecho posible la cuantificación precisa de la forma de las partículas. Mediante el uso de técnicas de imágenes, los mecanismos de interacción suelo-geosintético se pueden analizar con precisión y los mismos se pueden correlacionar con la respuesta mecánica medida para obtener conocimientos más profundos. En este estudio, se emplearon técnicas de imágenes digitales para diferenciar y cuantificar los parámetros de forma de los granos de arena y comprender los cambios de micronivel en las superficies GCL probadas para explicar los mecanismos de interacción en la interfaz.

La forma del grano se compone de tres componentes multiescala: forma (macroescala), redondez (mesoescala) y textura de la superficie (microescala)28. La forma, un componente de escala macro, describe las desviaciones en las proporciones de las partículas. El componente de mesoescala, la redondez, describe las ondulaciones o esquinas a lo largo del contorno de la partícula. La textura de la superficie, componente a microescala, define las características de rugosidad diminutas en la superficie de las partículas. En la literatura se definieron varios parámetros de forma para caracterizar la forma de las partículas utilizando imágenes de partículas y técnicas computacionales. Los parámetros de forma más aceptados son la esfericidad, la redondez y la rugosidad dados por Wadell29,30, que fueron ampliamente utilizados por muchos investigadores posteriores13,25. La esfericidad que representa la cercanía de la forma del grano a una esfera, la redondez que representa la suavidad del límite del grano y la rugosidad que representa las irregularidades a microescala en el límite del grano, se utilizan colectivamente para representar la forma general del grano. En este estudio, se escribe un algoritmo en MATLAB para cuantificar los parámetros de forma de los granos de arena de Wadell. Para ello, se convirtieron imágenes microscópicas de partículas de arena en imágenes binarias mediante segmentación de imágenes en MATLAB y se llevaron a cabo cuantificaciones de parámetros de forma en las imágenes binarias. La Figura 9 muestra imágenes microscópicas y binarias de granos típicos de arena de río y Msand, ambos de 0,6 mm de tamaño. Las Figuras 9b,d muestran el contorno del grano junto con el centroide, para granos de arena de río y granos de Msand, respectivamente. Estos contornos de grano se trazan en el dominio espacial del radio del grano en píxeles y el ángulo en radianes, para obtener el perfil sin procesar de las partículas de arena individuales, como se muestra en la Fig. 10. El perfil sin procesar consta de tres características multiescala del grano, que son forma, redondez y rugosidad, que se identifican y marcan para ambas partículas de arena en la Fig. 10. Mientras que el componente de macroescala abarca el perfil bruto completo, el componente de mesoescala corresponde a los picos y valles principales del perfil bruto y el componente de microescala corresponde a los grupos de desviaciones mínimas en el perfil. El perfil bruto de la partícula de Msand muestra más componentes de forma a mesoescala y microescala, lo que indica la angularidad y la textura rugosa de la partícula de Msand en comparación con la partícula de arena de río. Se llevaron a cabo más cuantificaciones de forma en las imágenes binarias de 200 partículas individuales en fracciones de diferentes tamaños para ambas arenas utilizando el algoritmo MATLAB29 y se calcularon los valores promedio de los parámetros de forma. La esfericidad, redondez y rugosidad promedio se obtuvieron como 0,78, 0,38 y 0,0024, respectivamente, para Msand y 0,84, 0,42 y 0,001, respectivamente, para arena de río31,32,33. Los procesos naturales de erosión y erosión responsables de la formación de partículas de arena de río les dieron una mayor esfericidad y redondez en comparación con las partículas de Msand que se extrajeron de piedra. El valor de rugosidad promedio de las partículas de Msand es el doble de la rugosidad promedio de la arena del río debido al proceso mecánico involucrado en la trituración de rocas para fabricar Msand.

Imágenes microscópicas y binarias de partículas de arena típicas (a) Imagen microscópica de partículas de arena de río (b) Imagen binaria de partículas de arena de río (c) Imagen microscópica de partículas de Msand (b) Imagen binaria de partículas de Msand.

Perfiles brutos de arena de río típica y partículas de Msand con componentes de forma multiescala marcados.

Las partículas de Msand, más afiladas, alargadas y rugosas, generan una mayor fricción al interactuar con otras superficies como GCL en comparación con las partículas de arena de río, lo que se confirma a partir de los resultados de las pruebas de corte de interfaz. Mientras las arenas se cortan en GCL, además de la adhesión y la fricción entre las partículas de arena y GCL, existe otro mecanismo importante que contribuye significativamente a la resistencia al corte de las interfaces GCL-arena, que es el entrelazamiento de arena y fibra. A través de la Fig. 11, las partículas de arena entrelazadas dentro de las fibras de GCL se pueden visualizar claramente para las interfaces GCL-arena de río y GCL-Msand. Utilizando la segmentación de imágenes binarias y la función de propiedades de región en MATLAB, se diferenciaron fibras y partículas y se calculó el porcentaje de área de atrapamiento de partículas de arena en las superficies de GCL. En condiciones secas, el área de atrapamiento de partículas de arena para las interfaces GCL-arena de río y GCL-Msand fue de 3,44% y 2,29%, respectivamente, a una tensión normal de 100 kPa. Sin otras influencias, el aumento en el atrapamiento de partículas debe resultar en un aumento en la resistencia al corte de la interfaz. Sin embargo, las interfaces GCL-Msand mostraron una mayor resistencia al corte en comparación con las interfaces GCL-arena del río a pesar del atrapamiento relativamente menor. La razón de esta mayor resistencia al corte es la forma de las partículas de Msand, que compensan todos los demás efectos.

Imágenes de superficies probadas de GCL que muestran el entrelazamiento de partículas y fibras (a) GCL-Arena de río (b) GCL-Msand.

En pruebas saturadas, el hinchamiento y la extrusión de la bentonita influyeron en gran medida en la resistencia al corte de la interfaz, así como en el atrapamiento de partículas. La Figura 12a muestra la superficie probada de GCL después de una prueba saturada en la que se puede observar claramente bentonita extruida junto con una película lubricante de agua. La bentonita extruida forma una capa viscosa y pegajosa en la interfaz, lo que reduce la fricción en la interfaz. La capa viscosa de bentonita que se adhiere a las fibras se puede ver en la Fig. 12b, que es la fotografía del GCL secado después de una prueba saturada. Esta capa provoca un mayor atrapamiento de partículas de arena debido a su pegajosidad. El área de partículas de arena atrapadas después de las pruebas saturadas fue mayor y se calculó como 35,55% en las interfaces GCL-Arena de río y 20,80% en las interfaces GCL-Msand, a una tensión normal de 100 kPa. Estos resultados demuestran que los efectos de hidratación de la bentonita son mayores en la arena de río. La resistencia al corte de las interfaces GCL-Msand es mayor en comparación con las partículas de arena de río, incluso en condiciones hidratadas, debido a los efectos de la forma de las partículas.

Imágenes de la superficie de GCL probada después de pruebas de corte saturado tomadas con un aumento de 20 × (a) extrusión de bentonita bajo hidratación, (b) bentonita extruida después de secar el GCL.

Las pruebas de corte de interfaz y los análisis de imágenes realizados en este estudio resaltan los beneficios de reemplazar la arena de río en revestimientos y sistemas de cobertura de vertederos con Msand y brindan explicaciones científicas para lo mismo. Los beneficios prácticos de este estudio radican en el uso reducido de arena natural en la construcción de vertederos, lo que tiene beneficios ambientales a largo plazo. El costo de la arena fabricada es mucho menor en comparación con el costo de la arena de río y, por lo tanto, su reemplazo tiene grandes beneficios económicos. Una ventaja adicional es la viabilidad de producir una gradación específica de Msand para obtener los máximos beneficios en términos de resistencia al corte de la interfaz. Los hallazgos del presente estudio se pueden utilizar para derivar relaciones empíricas entre los parámetros de forma de la arena y la resistencia al corte de la interfaz con los GCL mediante análisis de regresión multivariable. Sin embargo, estas relaciones serán más significativas si los datos incluyen pruebas con diferentes GCL y diferentes contenidos de agua en la arena, lo que podrá investigarse en el futuro.

En este estudio se investiga la resistencia al corte de las interfaces GCL-arena y su dependencia de la forma del grano mediante pruebas de corte en la interfaz GCL con arena de río y arena manufacturada (Msand) en condiciones secas y saturadas. Los mecanismos de corte y entrelazado a nivel micro y los efectos de la forma del grano en estos mecanismos se estudian mediante análisis de imágenes. Las principales conclusiones del estudio se enumeran a continuación.

Se observó una mayor resistencia al corte en las interfaces GCL-Msand en comparación con las interfaces GCL-arena de río debido a la forma alargada y la textura superficial rugosa de las partículas de Msand. Tanto el ángulo de fricción como la adhesión de la interfaz son relativamente mayores para las interfaces GCL-Msand.

Además de la fricción y la adhesión, el entrelazado de arena y fibra en la interfaz contribuye significativamente a la resistencia al corte de las interfaces GCL-arena. Se observó un entrelazamiento efectivo en el caso de Msand en comparación con la arena de río en virtud de la forma del grano, lo que lleva a un mayor contacto de fricción con las fibras.

En pruebas saturadas, la bentonita se hinchó al hidratarse y fue extruida hacia la interfaz, como se visualiza en el análisis de imágenes de las superficies de GCL después de las pruebas. La extrusión de bentonita resultó en una pérdida significativa de resistencia al corte en la interfaz, siendo la pérdida menor en el caso de Msand ya que los efectos de la forma de las partículas compensaron la pérdida de resistencia.

Este estudio demuestra que Msand puede ser un reemplazo económico, sostenible y eficaz de la arena de río como material de subrasante en la construcción de vertederos diseñados.

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

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Descargar referencias

El microscopio digital utilizado para el análisis de imágenes se adquirió a través de la beca SERB POWER (SPF/2021/000041) del segundo autor. Los autores agradecen a M/s Maccaferri Environmental Solutions Pvt. Limitado. Ltd. por proporcionar los GCL sin costo alguno.

Departamento de Ingeniería Civil, Instituto Indio de Ciencias, Bangalore, India

Anjali G. Pillai y Madhavi Latha Gali

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AGP y MLG escribieron el manuscrito y ambos autores lo revisaron.

Correspondencia a Anjali G. Pillai.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Pillai, AG, Gali, ML Beneficios de ingeniería al reemplazar la arena natural con arena fabricada en la construcción de vertederos. Representante científico 13, 6444 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32835-7

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Recibido: 27 de diciembre de 2022

Aceptado: 03 de abril de 2023

Publicado: 20 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32835-7

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