Beneficios de ingeniería de reemplazar arena natural con arena manufacturada en la construcción de rellenos sanitarios

Sep 24, 2023

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

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Detalles de métricas

Las fallas por deslizamiento traslacional en los rellenos sanitarios a menudo se desencadenan por una resistencia al corte inadecuada de las interfaces en los 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 fabricada (Msand) en la construcción de vertederos. Se realizaron pruebas de corte de interfase 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 encuentra que Msand proporciona una mayor resistencia al corte de la interfaz con GCL en comparación con la arena de río. El análisis de imágenes digitales de los especímenes probados 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 de microniveles que gobiernan la resistencia al corte. La cuantificación de los parámetros morfológicos mostró que las partículas de Msand son angulares y ásperas en comparación con las partículas de arena natural, 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 adicionales.

Los revestimientos de arcilla geosintética (GCL, por sus siglas en inglés) son geocompuestos poliméricos que se utilizan para contener elementos nocivos para el medio ambiente, como los lixiviados, en vertederos diseñados para evitar que ingresen al suelo y, finalmente, contaminen las aguas subterráneas. Los GCL se componen de arcilla de bentonita en combinación con materiales poliméricos como geomembranas y geotextiles. La bentonita se une con adhesivo a la geomembrana o se encapsula entre dos geotextiles, que se perforan con agujas o se unen con puntadas. Los GCL son el reemplazo ideal para los revestimientos de arcilla compactada (CCL) convencionales debido a sus propiedades hidráulicas efectivas, 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, grosor 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 material de subrasante. La ubicación de los GCL en revestimientos y sistemas de cobertura 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 esfuerzos normales y esfuerzos cortantes impuestos por el vertido de desechos y otras condiciones especiales como 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 más probable 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 de ingeniería.

La literatura sobre diferentes pruebas de interfaz realizadas con 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 vertedero, los GCL se hidratan debido a su exposición al lixiviado oa la precipitación infiltrante, provocando el hinchamiento de la capa de bentonita encapsulada. El hinchamiento de la bentonita puede reducir considerablemente la resistencia al corte de la interfase. 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 en el 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 falta de disponibilidad lleva a los investigadores a buscar materiales de subrasante alternativos. El sustituto adecuado debe reducir el impacto negativo sobre el medio ambiente y dar 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 la 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. Investigaciones limitadas han 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 para 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 comparativas de corte de la interfaz en las interfaces GCL-River Sand y GCL-Msand junto con el cálculo de los parámetros de resistencia al corte. Además, el efecto de la hidratación de GCL en los parámetros de resistencia al corte se entiende para la condición completamente saturada 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. Los 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 el uso de Msand en la construcción de revestimientos y sistemas de cobertura de vertederos debido a su mejor resistencia al corte de interfaz con 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 de filamentos. La arcilla bentonítica con un 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 de 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 32x usando un microscopio estereoscópico (SZX10), lo que indica una estructura similar a una telaraña multicapa del geotextil.

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

El análisis de tamiz se realizó en arena natural de río y arena manufacturada, según norma ASTM C136 (2014). Con base en la distribución del tamaño de las partículas que se muestra en la Fig. 3, la arena de río y la arena M, en su gradación natural, se clasifican como arena pobremente graduada (SP) y arena bien graduada (SW), respectivamente, de acuerdo con el Sistema de Clasificación de Suelos Unidos (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 arena elegida se obtuvo dosificando 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 poco graduada (SP). La gradación de arenas elegida tiene tamaños de grano idénticos en fracciones de peso y la forma de los granos permanece en 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 máxima de vacíos se obtuvo de la prueba de la mesa vibratoria según la norma ASTM D4254 (2016), la relación mínima de vacíos se obtuvo según la norma ASTM D4253 (2019). Con base en las pruebas de corte directo realizadas según la norma 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 las arenas y gradación experimental.

Imágenes microscópicas de partículas de arena típicas con un aumento de 25x (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 convencional de prueba de corte directo con una placa de acero cuadrada rígida móvil de 180 mm de lado para fijar los materiales geosintéticos. En el estudio actual, se cortaron muestras de GCL que medían 180 mm × 180 mm del rollo y se fijaron a la base de acero mediante placas de sujeción y tornillos. GCL se fijó a la placa de acero de manera que su superficie de geotextil no tejido esté hacia arriba. La caja de corte superior de 100 mm × 100 mm de tamaño se colocó encima del GCL fijo y se llenó con arena a una densidad relativa del 80 %. Las proporciones máximas y mínimas de vacíos de arena indicadas en la Tabla 1 se usaron para calcular el peso de arena requerido para lograr la densidad relativa específica. La arena se llenó 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, lo que provocó un corte a lo largo de la interfaz del GCL y la arena. El sistema de adquisición de datos digitales registra la fuerza de corte aplicada a través de una celda de carga horizontal y el movimiento horizontal correspondiente de la base usando un LVDT (transformador diferencial variable lineal), respectivamente. La Figura 5 muestra los detalles de la configuración de la prueba de interfaz utilizada en el estudio.

Configuración de corte directo de interfaz.

Se realizaron pruebas de cizallamiento de interfaz de deformación controlada a tensiones normales de 100 kPa, 60 kPa y 30 kPa y 7 kPa a una velocidad de cizallamiento de 1,15 mm/min según la norma ASTM D6243 (2016). Estos esfuerzos normales simulan el esfuerzo de sobrecarga en revestimientos y cubiertas de rellenos sanitarios de altura moderada. Las pruebas de interfaz se llevaron a cabo en las interfaces GCL-River sand y GCL-Msand. Las pruebas se llevaron a cabo en GCL en interfaz 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 precipitaciones provocan 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 el mismo se usó en pruebas con arena saturada.

Las pruebas de corte de interfaz se diseñaron para comprender los efectos de los niveles de estrés de sobrecarga representados a través de variaciones de estrés normales, efectos de forma de grano a través de arena natural y Ms y que tienen una diferencia significativa en la forma de sus partículas y efectos de hidratación a través de pruebas secas y húmedas. La respuesta de corte de las interfaces GCL-River Sand y GCL-Msand en condiciones secas a diferentes tensiones normales se presenta en la Fig. 6. La variación de la tensión de corte 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 interfases GCL-River Sand como GCL-Msand, la tensión de corte máxima aumentó con el aumento de la tensión normal, lo que es indicativo de un mayor mecanismo de enclavamiento 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 un esfuerzo cortante máximo más alto para GCL-Msand en comparación con las interfaces GCL-River Sand. Dado que las condiciones de prueba y la gradación se mantienen idénticas, la diferencia en el comportamiento de corte solo puede relacionarse con la forma de las partículas de arena. La fibra de refuerzo interna de GCL resiste la fuerza de corte aplicada, lo que contribuye a la resistencia general al corte. Transmiten la fuerza de corte de la capa superior a la capa inferior de GCL. La reducción posterior al pico en la tensión de cizallamiento se puede vincular a la extensión de la fibra de refuerzo en grandes deformaciones de cizallamiento, lo que provoca la pérdida de resistencia a la tracción, lo que conduce a la reducción de la resistencia al cizallamiento 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 GCL-arena seca calculados a partir de las líneas de mejor ajuste de las envolventes de falla considerando los esfuerzos cortantes máximos de la interfaz a diferentes esfuerzos 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 cizallamiento arena-arena. La eficiencia de fricción de las interfaces GCL-arena, que se define como δ/ϕ, siempre es inferior a 1,0, como se muestra en la Tabla 2.

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

La bentonita mejora el rendimiento hidráulico de GCL, dándole la capacidad de autorreparación. Tras la hidratación, la bentonita aumenta su volumen en un 600%, lo que crea un impacto significativo en la resistencia al corte de GCL. La Figura 7 muestra el mecanismo de hinchamiento cristalino de la bentonita según lo explicado por Ruedrich et al.27. En el campo, la succión de humedad de la subrasante de interfaz puede conducir a la hidratación de bentonita en GCL. El nivel fluctuante del agua subterránea y la infiltración del agua de lluvia pueden provocar un aumento abrupto del contenido de agua de la subrasante, lo que impacta negativamente en 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 de resistencia al corte de la interfaz calculados. El contenido de agua en la arena se mantuvo en 18 % en estas pruebas para lograr la saturación completa y las muestras de GCL se hidrataron por succión de la humedad de la arena. Las tensiones normales utilizadas para este conjunto de pruebas fueron 7 kPa, 30 kPa y 100 kPa. La tensión normal baja de 7 kPa se usó para permitir un alto hinchamiento de la bentonita y la tensión normal alta de 100 kPa se usó para facilitar la extrusión de la bentonita sobre la superficie de GCL. Ambos fenómenos influyen en el comportamiento de corte de la interfaz de las interfaces GCL-arena. La respuesta de tensión-desplazamiento de GCL-River Sand y GCL-Msand en condiciones de subrasante saturada 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 el esfuerzo cortante en todas las tensiones normales en condiciones saturadas. La hidratación de GCL dio como resultado 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 un estrés normal más alto, el estrés de sobrecarga se opone al hinchamiento de la bentonita, lo que lleva a la extrusión de bentonita en la interfaz a través de los vacíos de la superficie del geotextil no tejido. La figura 8c muestra el hinchamiento de especímenes de GCL con el 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 menos de 7 kPa, lo que significa una mayor expansión volumétrica de GCL tras la hidratación en comparación con las interfaces probadas a una tensión normal de 100 kPa. Con un estrés normal más alto, la hinchazón se restringe y se encuentra que es 5 a 7% más baja. Se observa que el cambio volumétrico es mayor para los GCL interconectados 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 las 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 interfases saturadas son significativamente menores que las de las interfases 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 Msand, y la adhesión de la interfaz se redujo entre 7 y 10 kPa desde la condición seca a la saturada, por las razones explicadas anteriormente. La razón de la reducción de la resistencia friccional con la saturación es la capa viscosa de bentonita extruida en condiciones de saturación y la interacción de las partículas de arena con esta capa, lo que restringe el entrelazamiento eficiente de arena y fibra. La capa lubricante de agua también reduce la resistencia a la fricción en las interfases GCL-arena en condiciones de saturación. Aunque se mantuvo una gradación idéntica para la arena de río y Msand en este estudio, las interfaces de Msand mostraron un ángulo de fricción y una adhesión significativamente más altos 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 las secciones posteriores.

Mecanismo de hinchamiento cristalino de los minerales arcillosos por hidratación.

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

La influencia de la forma del grano de arena en la respuesta de corte de las interfaces GCL-arena es evidente a partir del análisis de los resultados de las pruebas. La disponibilidad de técnicas de imagen de alta gama y herramientas informáticas sólidas han hecho posible la cuantificación precisa de la forma de las partículas. Mediante el uso de técnicas de imagen, los mecanismos de interacción suelo-geosintéticos pueden analizarse con precisión y los mismos pueden correlacionarse 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 consta de tres componentes multiescala: forma (macroescala), redondez (mesoescala) y textura superficial (microescala)28. La forma, un componente de macroescala, 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 de microescala, define las características de rugosidad diminutas en la superficie de la partícula. 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 proximidad 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 granos de arena de Wadell. Para este propósito, las imágenes microscópicas de partículas de arena se convirtieron en imágenes binarias a través de la segmentación de imágenes en MATLAB y se realizaron cuantificaciones de parámetros de forma en las imágenes binarias. La Figura 9 muestra las 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 arena de río y granos 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 bruto de las partículas de arena individuales, como se muestra en la Fig. 10. El perfil bruto consta de las tres características multiescala del grano, que son forma, redondez y rugosidad, que se identifican y marcan para las 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 principales picos y valles de la el perfil sin procesar y el componente de microescala corresponde a los grupos de espacios reducidos de desviaciones diminutas en el perfil. El perfil sin procesar de la partícula de Msand muestra más componentes de forma de 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 diferentes fracciones de tamaño para las arenas usando el algoritmo MATLAB29 y se calcularon los valores promedio de los parámetros de forma. Los promedios de esfericidad, redondez y rugosidad 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 meteorización 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 extraían de la piedra. El valor de rugosidad promedio de las partículas de Msand es el doble de la rugosidad promedio de la arena de 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 sin procesar de arena de río típica y partículas de Msand con componentes de forma multiescala marcados.

Las partículas de Msand más afiladas, alargadas y más ásperas 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-River sand y GCL-Msand. Utilizando la segmentación de imágenes binarias y la función de propiedades de la región en MATLAB, se diferenciaron las fibras y las partículas y se calculó el área porcentual de atrapamiento de partículas de arena en las superficies GCL. En condiciones secas, el área de atrapamiento de partículas de arena para las interfases GCL-River Sand 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 dar como resultado 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 de río a pesar del atrapamiento relativamente menor. La razón de esta mayor resistencia al corte es la forma de las partículas de Msand, que compensó todos los demás efectos.

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

En las pruebas de saturación, el hinchamiento y la extrusión de la bentonita influyeron en gran medida en la resistencia al corte de la interfase, así como en el atrapamiento de partículas. La figura 12a muestra la superficie ensayada de GCL después de una prueba de saturación en la que se puede observar claramente la bentonita extruida junto con una película lubricante de agua. La bentonita extruida forma una capa pegajosa viscosa 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 seco después de una prueba de saturación. 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 de saturación fue mayor y se calculó como 35,55 % en GCL-Arena de río y 20,80 % en las interfases GCL-Msand, con una tensión normal de 100 kPa. Estos resultados prueban 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 cizallamiento saturadas tomadas con un aumento de 20x (a) extrusión de bentonita bajo hidratación, (b) bentonita extruida después de secar el GCL.

Las pruebas de corte de la interfaz y los análisis de imágenes llevados a cabo en este estudio resaltan los beneficios de reemplazar la arena de río en los revestimientos y los sistemas de tapado de los vertederos con Msand y brindan explicaciones científicas para lo mismo. Los beneficios prácticos de este estudio radican en la reducción del uso 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, el reemplazo tiene grandes beneficios económicos. La viabilidad de la producción de una gradación específica de Msand para obtener los máximos beneficios en términos de resistencia al corte de la interfaz es una ventaja adicional. 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 GCL mediante análisis de regresión multivariable. Sin embargo, tales relaciones serán más significativas si los datos incluyen pruebas con diferentes GCL y diferentes contenidos de agua en la arena, que pueden investigarse en el futuro.

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

Se observó una mayor resistencia al corte para las interfaces GCL-Msand en comparación con las interfaces GCL-arena de río debido a la forma alargada y la textura rugosa de la superficie de las partículas de Msand. Tanto el ángulo de fricción como la adhesión de la interfaz son relativamente más altos 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 enclavamiento 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 las pruebas saturadas, la bentonita se hinchó al hidratarse y se extruyó en la interfaz, como se visualiza en el análisis de imágenes de las superficies GCL después de las pruebas. La extrusión de bentonita resultó en una pérdida significativa de resistencia al corte en la interfaz, siendo menor la pérdida 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 sustituto económico, sostenible y eficaz de la arena de río como material de subrasante en la construcción de vertederos de ingeniería.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido 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. Ltd. por proporcionar las GCL de forma gratuita.

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 revisaron el manuscrito.

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 de reemplazar arena natural con arena manufacturada en la construcción de rellenos sanitarios. Informe científico 13, 6444 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32835-7

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Recibido: 27 diciembre 2022

Aceptado: 03 abril 2023

Publicado: 20 abril 2023

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

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