Influence des nanomatériaux sur la stabilisation des sols meubles : Nanosilice et nano-argile

Résumé

Les ingénieurs et les concepteurs ont souvent recours à la procédure d'amélioration des sols en ajoutant divers stabilisateurs, qui sont généralement utilisés pour améliorer la qualité des sols. Lesméthodes modernes telles que l'ajout de nanoparticules à un sol naturel faible pour combler les lacunes à l'échelle nanométrique ou entre 1 nm et 100 nm, et pour améliorer toutes les qualités géotechniques sont connues sous le nom de nanotechnologie. Dans cette étude, des tests en laboratoire ont été effectués pour évaluer la performance des sols mous stabilisés par des nanoparticules de sol - nanoclay et nanosilice - sur les paramètres géotechniques. L'objectif principal de cette étude est d'examiner comment des concentrations modestes de nanosilice et de nano-argile (0,05 %, 0,15 %, 0,25 % et 0,35 %) peuvent améliorer les qualités physiques du sol. La stabilisation du sol à l'aide de nanomatériaux a donné de bons résultats, a augmenté tous les paramètres géotechniques, y compris l'indice et les propriétés techniques, et a amélioré la résistance du sol et la résistance au cisaillement de l'efficacité du sol mou stabilisé. Elle a également fourni au sol la dose idéale de l'effet nanoclay. Des densités sèches de 1,81kN/m2 ont été atteintes avec 1% de nanosilice et 0,15% de nano-argile. Après 28 jours de durcissement, les caractéristiques de résistance à la compression non confinée ont augmenté de 0,201 MPa à 0,821 MPa pour 1% de nanosilice et 0,15% de nano-argile, car l'espace poreux s'est rempli de nanoparticules et la résistance à la compression du sol s'est améliorée. La stabilisation est bénéfique pour tous les remblais liés à la stabilité des pentes, au transport, à la géotechnique et à la stabilité civile.

Mots-clés

Nanosilice, Nanoclay, résistance à la compression non confinée, essai Proctor standard

1Introduction

Il est rare que les sols naturellement argileux satisfassent aux spécifications de capacité portante des projets d'ingénierie géotechnique contemporains. En raison de leur forte compressibilité, de leur potentiel de gonflement et de retrait élevé, de leur faible perméabilité et de leur faible résistance au cisaillement, les sols mous sont considérés comme des sols problématiques. Selon [2], les sols mous ont un comportement imprévisible et des qualités techniques indésirables. Le processus consistant à ajouter des matériaux au sol ou à modifier ses caractéristiques naturelles afin d'améliorer ses qualités techniques, telles que la solidité, la durabilité et la résistance à la déformation, est connu sous le nom de stabilisation des sols. Trois catégories générales peuvent être utilisées pour classer les techniques de stabilisation des sols : les techniques mécaniques, chimiques et physiques. En général, les sols de fondation peuvent voir leurs qualités de résistance et de déformation modifiées ou améliorées par l'ajout d'une série de matériaux de renforcement ou de traitement [7], [13], [12], [19] & [20]. Ces composés se répartissent en trois catégories : les agents de cure composites, les substances ioniques de stabilisation des sols et les liants inorganiques. Pour la modification chimique des sols, les liants inorganiques (tels que le ciment, la chaux, les cendres volantes et leurs mélanges) sont couramment utilisés parmi les autres matériaux stabilisés [3]. Selon [18], avec des contraintes effectives moyennes initiales plus faibles ou une teneur en ciment plus élevée, les sols cimentés présentent un comportement contrainte-déformation plus fragile et une augmentation considérable du module d'élasticité et de la résistance maximale. Selon [12], l'ajout de fibres de polypropylène à un sol cimenté augmente la teneur en fibres, ce qui a pour effet d'augmenter le rapport des contraintes principales à la rupture ainsi que les résistances au cisaillement maximale et résiduelle. Dans une série d'expériences, [15] a ajouté de la nano-silice à des sols argileux et a découvert que cela entraînait une diminution de l'indice de gonflement de l'argile. Les chercheurs qui s'intéressent aux applications techniques, en particulier au génie civil, s'intéressent de plus en plus aux nanomatériaux et aux nanoparticules. Les nanomatériaux sont une classe de matériaux ultrafins dont la taille des particules varie de 1 à 100 nm et dont la surface spécifique est très importante. En raison de l'augmentation de la surface totale et de leur capacité à fonctionner comme des catalyseurs efficaces, les nanoparticules deviennent plus réactives que leur taille initiale et peuvent développer des matériaux pour de nouvelles utilisations. L'énorme surface d'une nanoparticule augmente plutôt la quantité de contact entre les composants mélangés, comme dans les nanocomposites, ce qui accroît la résistance des matériaux. En conséquence, elle devient plus réactive et pourrait être utile pour améliorer les caractéristiques du sol pour toute une série d'utilisations. Un type particulier de nanoparticules connu sous le nom de nanosilice est constitué de minuscules particules de dioxyde de silicium. La nanosilice peut présenter un certain nombre d'avantages lorsqu'elle est appliquée à un sol argileux, dont certains peuvent améliorer la qualité du sol. Lorsque l'argile est stabilisée à l'aide d'additifs tels que les cendres volantes, le ciment, la fumée de silice et la chaux, les particules sont de taille microscopique et ont peu d'effet sur les propriétés des pores, notamment sur le compactage, la résistance au cisaillement, la densité, l'indice de plasticité et la perméabilité [4] [16]. Ces ajouts ne suffisent pas à augmenter les performances du sol ; les lacunes ne sont que partiellement comblées. Afin de combler les pores du sol à l'échelle nanométrique et de rendre le sol plus compact, la nanotechnologie est employée [17] [9] [1]. Cela a un impact global plus important sur la perméabilité, la densité, le compactage, la résistance au cisaillement et l'indice de plasticité du sol. L'effet de taille, l'effet quantique, l'effet de surface et l'effet d'interface sont les quatre principales propriétés structurelles des nanomatériaux [6].Les nanomatériaux offrent de nombreux avantages en termes de science, d'environnement, d'économie et d'amélioration de la qualité des produits. Parmi tous les nanomatériaux, l'argile nano a démontré des performances supérieures en termes d'indice de sol et de caractéristiques techniques. Il a été démontré que l'ajout de quantités extrêmement faibles de nano-argile à un sol améliorait la limite de liquidité et avait un impact sur l'indice de plasticité [21]. Depuis que les nanoparticules sont largement utilisées, leur coût a considérablement baissé, ce qui ouvre la voie à leur utilisation généralisée dans l'industrie de l'ingénierie géotechnique.

L'objectif de cette étude est d'examiner comment les nanoparticules affectent les sols argileux. La recherche a été menée sur un sol argileux complété par de la nanosilice et de l'argile nano. Pour déterminer la proportion idéale, de la nanosilice a d'abord été ajoutée à l'échantillon d'argile mère par incréments de 0,7 %, 1 %, 1,2 % et 1,5 %. Les échantillons ont ensuite été combinés avec 0,05 %, 0,15 %, 0,25 % et 0,35 % d'argile nano. Une comparaison a été faite entre les caractéristiques d'un échantillon de sol argileux natif et d'un échantillon de sol argileux stabilisé chimiquement. Ce travail examine une étude expérimentale sur l'efficacité de l'utilisation de nanomatériaux (nano-argile et nanosilice) pour améliorer les qualités de résistance et les paramètres de la limite d'atterberg. Les résultats de l'expérience ont démontré que l'ajout d'une petite quantité de nano-argile améliorait de manière significative les caractéristiques géotechniques du sol meuble.

2.matériaux et méthodes

Un échantillon de sol indigène a été prélevé à Beel Dakatia. Il est situé à l'intérieur des limites administratives du district de Khulna, dans le sous-district de Dumuria et Phultala, dont 50 % de la zone est régulièrement sous 0,5 m à 2 m d'eau. Il est situé entre les longitudes 89'20'e et 89'35'e et les latitudes 22'45'n et 23'00'. Le sol recueilli était grumeleux. Ils n'ont pas été traités et ont été recueillis pour plus de 25 kg dans un sac non utilisé. Les sols ont ensuite été laissés à sécher naturellement. Au départ, la terre était humide. Les mottes de terre séchées ont été écrasées manuellement après le processus de séchage à l'air. Ensuite, les sols réduits en poudre ont été tamisés conformément à la norme astm c136. La distribution de la taille des grains est illustrée dans la figure 1. Pour les expériences, les sols séchés à l'air ont été séchés dans un four à 105°C pendant 24 heures. L'additif utilisé pour cette étude était de la nanosilice et de l'argile nano. L'argile nano et la nanosilice ont été ajoutées au sol dans différents pourcentages pour la préparation de l'échantillon. 600 g de nano-argile ont été collectés à Kolkata, en Inde. 1kg de nanosilice a été collecté auprès du magasin scientifique de khulna, khulna. La quantité nécessaire aux tests a été séchée au four pendant 24 heures à la température du sol. Deux types de spécimens ont été préparés pour le test. Tout d'abord, 0,7 %, 1 %, 1,2 % et 1,5 % de nanosilice ont été mélangés à la terre mère pour étudier la quantité optimale de nanosilice. Ensuite, 0,05 %, 0,15 %, 0,25 % et 0,35 % d'argile nano ont été ajoutés au sol avec la teneur optimale en nanosilice pour fabriquer le spécimen pour le test. Quatre spécimens ont été préparés avec de la nanosilice et de l'argile nano pour chaque test. La composition chimique de la nanosilice utilisée est indiquée dans le tableau 1.

Dans cette recherche, l'échantillon de sol argileux mère a été prélevé dans la zone concernée et les échantillons pour les tests ont été préparés en laboratoire. Tous les tests ont été effectués en laboratoire. L'organigramme de la méthodologie de cette recherche est présenté ci-dessous :

Tableau 1: Composition chimique de la nanosilice utilisée

Fig. 1: Distribution de la taille des grains du sol testé.

3.résultats et discussion

3.1 Effet de la nano-silice sur la stabilisation des sols mous

3.1.1Effet de la nano-silice sur les limites d'Atterberg du sol

La figure 2 montre le lien entre la limite de liquidité du sol stabilisé et la teneur en nano-silice. Par rapport à l'échantillon mère, l'échantillon argileux stabilisé présente une valeur de limite liquide plus faible dans notre test. La limite de liquidité augmente avec la proportion de nano-silice. La limite de liquidité de l'échantillon argileux prélevé était de 43,25. La valeur de la limite de liquide pour l'argile stabilisée avec 0,7 % de nanosilice était de 44,33. La valeur de la limite de liquidité est de 44,64 pour 1% de nanosilice utilisée pour stabiliser le sol. A 1,2% de nanosilice utilisée lorsque la limite de liquide était de 45,43. La limite de liquidité est maximale pour l'échantillon stabilisé avec 1,5 % de nanosilice. La valeur maximale de la limite de liquidité est de 45,86. Pour le test de limite plastique, la limite plastique a augmenté pour le sol stabilisé à mesure que le pourcentage de nano-silice augmentait. Pour l'échantillon de sol mère, la limite plastique était de 23,54. En ajoutant 0,7 % de nanosilice, la limite plastique a augmenté et la valeur était de 25,98. La limite plastique augmente avec le pourcentage de nanosilice. L'indice de plasticité varie dans le test lors de l'ajout de différents contenus dans différents pourcentages. L'indice de plasticité était de 19,71 pour l'échantillon mère. L'indice de plasticité est le plus bas pour le sol stabilisé par 1% de nanosilice avec une valeur de 18,09 pour la quantité optimale. Ainsi, le 1% de nanosilice montre le meilleur résultat. La variation de l'indice de plasticité est montrée dans la fig. 2. Selon (foad changizi, 2017), le résultat était similaire à l'expérience. Lorsqu'il s'agit de déterminer dans quelle mesure un sol est susceptible de se tasser ou de se consolider sous l'effet d'une charge, les limites d'atterberg peuvent servir de référence sur le terrain. Si l'humidité du terrain est proche de la limite de liquidité, on s'attend à un tassement important. L'inverse est vrai si l'humidité sur le terrain est proche ou inférieure à la limite plastique. Dans notre expérience, l'indice de plasticité diminue puis augmente, la limite de liquidité augmente et la limite de plasticité augmente. Par exemple, lorsque 1 % de nanosilice est utilisé pour stabiliser le sol, le rythme de tassement est réduit. Ainsi, en tant qu'additif chimique, 1% de nanosilice est un stabilisateur optimal qui améliore les propriétés des échantillons de sol argileux.

3.1.2Effet de la nano-silice sur les caractéristiques de compactage du sol

Le test proctor standard a été effectué. Dans le test, la teneur en eau optimale a diminué et la densité sèche maximale a augmenté pour le sol stabilisé. La teneur en eau optimale était de 18,6 % pour le sol d'argile mère. Ensuite, la teneur en eau optimale a diminué au fur et à mesure que le pourcentage de nano-silice augmentait, la teneur la plus faible étant atteinte à 1,5 % de nanosilice, pour atteindre 15,7 %. La densité sèche maximale était de 1,75 KN/m2, 1,766 KN/m2, 1,78 KN/m2, 1,77 KN/m2, et 1,76 KN/m2 pour le sol argileux, 0,7% de nanosilice, 1% de nanosilice, 1,2% de nanosilice et 1,5% de sol stabilisé par la nanosilice respectivement. Ces résultats sont similaires à ceux de [5] [1].

Fig. 2 : Indice de plasticité (sol non traité + nanosilice)

Fig. 3 : Caractéristiques de compactage de l'échantillon de sol mélangé à la nanosilice

3.1.3Effet de la nano-silice sur l'essai de résistance à la compression non confinée

L'essai de compression non confinée (UCT) a été utilisé pour déterminer les caractéristiques mécaniques de l'échantillon de sol. Il détermine la résistance non drainée et les propriétés de contrainte et de déformation du sol. Ici, la relation de la résistance à 1 jour de la nanosilice est montrée dans la figure 4. Parmi tous les pourcentages 0,7, 1, 1,2, 1,5% du poids sec du sol, au pourcentage 1 de nanosilice l'indice de plasticité le plus bas (de 21% à 19,5%), et la densité sèche maximale significative (de 1,75 à 1,78 KN/m2). Parmi tous les pourcentages, 1 % de nano-silice a donné les meilleurs résultats, la valeur UCT étant la plus élevée à 1 %. C'est pourquoi 1% de nanosilice a été choisi comme dosage optimal pour le sol.

Fig. 4 : Test UCT de l' échantillon de sol mélangé à la nanosilice

3.2 Effet de l'argile nano sur le sol argileux + 1% de nano-silice

3.2.1Effet de l'argile nano sur les limites d'Atterberg du sol + 1% de nanosilice

Dans notre test, la limite liquide a une valeur inférieure dans l'échantillon argileux stabilisé par rapport à l'échantillon mère. La limite liquide augmente avec les pourcentages croissants de nanosilice et de nano-argile. La limite de liquide pour l'échantillon argileux collecté était de 43,25. La valeur de la limite de liquide pour l'argile stabilisée avec 1% de nanosilice +0,05% d'argile nano était de 41,57. La valeur de la limite de liquidité était de 41,89 avec 1 % de nanosilice + 0,15 % d'argile nano utilisée pour stabiliser le sol. Dans 1% de nanosilice + 0,25% d'argile nano utilisée lorsque la limite de liquide était de 45,43. La limite de liquidité est maximale pour l'échantillon stabilisé avec 1% de nanosilice + 0,35% d'argile nano. La valeur minimale de la limite de liquidité est de 45,86. Dans notre test, la limite plastique augmente pour le sol stabilisé. Pour l'échantillon de sol mère, la limite plastique était de 23,54. En ajoutant 1% de nanosilice + 0,05%, la limite plastique a augmenté et la valeur était de 24,25. La limite plastique a augmenté avec le pourcentage de nano-argile. L'indice de plasticité varie dans le test lors de l'ajout de différents contenus dans différents pourcentages. Les résultats sont en accord avec les études précédentes utilisant l'argile nano [21].L'indice de plasticité était de 19,71 pour l'échantillon mère. L'indice de plasticité est le plus bas pour le sol stabilisé par 1% de nanosilice + 0,15% d'argile nano avec une valeur de 16,89 pour la quantité optimale [8]. Ainsi, le 0,15 % d'argile nanométrique donne le meilleur résultat. La variation de l'indice de plasticité est montrée dans la figure 5.

3.2.2Effet de la nano-argile sur les caractéristiques de compactage du sol + 1% de nanosilice

La densité sèche maximale diminue au fur et à mesure que le niveau d'humidité optimal augmente dans le test. Pour l'échantillon mère, l'argile stabilisée avec 1% de nanosilice + 0,05% de nano-argile, 1% de nanosilice + 0,15% de nano-argile, 1% de nanosilice + 0,25% de nano-argile, et 1% de nanosilice + 0,35% de nano-argile, le niveau d'humidité optimal était de 16,3%, 15,2%, 14,9%, et 14,7%, respectivement. La figure 6 montre les caractéristiques de compactage. Nous pouvons vérifier les résultats de [11].

3.2.3Effet de la nano-argile sur l'essai de résistance à la compression non confinée du sol + 1 % de nanosilice

Pour trouver une combinaison idéale de nanosilice et de nano-argile, le pourcentage optimal de nanosilice a été mélangé avec différents pourcentages de nano-argile. Le test UCT a été réalisé sur 1, 3, 7, 14 et 28 jours. L'essai à 14 jours a révélé une amélioration considérable. Ceci est dû à la réaction pouzzolanique. Après avoir trouvé la nanosilice optimale, l'argile nano a été ajoutée au sol argileux mélangé à différents pourcentages (0,7 %, 1 %, 1,2 % et 1,5 %) et la résistance maximale a été trouvée à 0,15 % d'argile nano et l'amélioration de la résistance a été de 67 %. En conséquence, nous avons découvert la quantité appropriée de nano-silice et de nano-argile pour la stabilisation des sols argileux. Les résultats sont présentés dans la figure 7.

Fig. 5 : Indice de plasticité (sol argileux + 1% de nanosilice + nano-argile)

Fig. 6 : Caractéristiques de compactage de l'échantillon de sol mélangé à la nano-argile

Après 24 heures, l'amélioration la plus importante de la résistance a été trouvée à 62 % pour la combinaison (Nanosilica 1 % + Nanoclay 0,15 %). Parmi tous les pourcentages du poids sec du sol, le pourcentage 0,15 de nano-argile a traité la gravité spécifique maximale, l'indice de plasticité réduit et la densité sèche maximale significative. Ainsi, le pourcentage de 0,15 % d'argile nano était optimal.

3.3 Effet de 1% de nanosilice +0,15% de nano-argile sur le test de perméabilité du sol mou

Le sol argileux mou a été combiné avec la teneur en humidité idéale, la densité sèche maximale et les doses optimales de nanosilice et de nano-argile pour préparer les échantillons pour les caractéristiques de perméabilité. Les échantillons ont été conservés dans leur emballage final pour éviter l'évaporation de l'eau. Les échantillons générés ont satisfait aux propriétés de perméabilité spécifiées par l'astm d 2434 et ont été évalués conformément aux lignes directrices. Plus précisément, le sol d'argile molle a été combiné avec la teneur en eau idéale, la densité sèche maximale et les doses de nanosilice et de nano-argile. Les résultats des paramètres de perméabilité du sol mélangé avec de la nanosilice et de l'argile nano sont présentés dans le tableau 2. Ce test a révélé que les paramètres de perméabilité étaient totalement différents de ceux étudiés précédemment [14]. L'ajout d'un dosage idéal de nano-argile a permis de remplir les espaces vides de nanomatériaux à l'échelle nanométrique, agissant comme un sol totalement impénétrable.

Tableau 2: Caractéristiques de perméabilité

Fig. 7: Amélioration de la résistance Variation pour Différents Test jours (Sol argileux + 1% Nanosilice + Nanoclay )

4.conclusions

Les conclusions suivantes ont été tirées de l'étude expérimentale sur l'amélioration de l'argile molle à l'aide de la nanosilice et de l'argile nano, de l'indice et des caractéristiques techniques de l'argile molle :

• Le sol d'argile faiblement compressible (CL) est déterminé par les limites d'Atterberg. La MOC et la DDM du sol sont respectivement de 18,18% et de 1,62 g/cc.
• La NGC du sol argileux a été déterminée comme étant de 0,201 Mpa, et le coefficient de perméabilité est d'environ 4,6 * 10-4 cm/s. Le tassement final de consolidation est d'environ 4,4 mm et le coefficient de consolidation est de 0,043 cm2 /min. Il est donc évident que le sol est composé d'argile hautement compressible.
• La teneur en eau idéale, la densité sèche maximale et les pourcentages de nanosilice, tels que 0,7, 1, 1,2 et 1,5 % du poids sec du sol, ont été combinés avec le sol d'argile molle.
• À 1 % de nanosilice dans le sol, les densités sèches maximales ont atteint 1,78 kN/m2 et ont affecté la distribution des tailles de grains.
• De tous les pourcentages, la résistance de 1% de nanosilice donne les meilleurs résultats.
• Le pourcentage 1 de sol traité à la nanosilice a eu l'indice de plasticité le plus bas (de 21% à 19,5%) et la densité sèche maximale la plus importante (de 1,75 à 1,78 kN/m2) parmi tous les pourcentages - 0,7, 1, 1,2, et 1,5% du poids sec du sol. Pour déterminer la quantité idéale de nanosilice à ajouter au sol, chaque ajustement est effectué à un pourcentage de 1%.
• L'inclusion de l'argile nano a affecté la distribution de la taille des grains et a modifié les limites de liquidité et de plasticité. La réduction maximale de l'indice de plasticité s'est produite à 0,15 % du sol mélangé à l'argile nano.
• Les densités sèches maximales ont affecté la distribution des tailles de grains et ont augmenté le maximum de 1.81kN/m2 à 0.15% de pourcentage de Nanoclay dans le sol.
• La gravité spécifique la plus élevée, l'indice de plasticité le plus bas et la densité sèche maximale significative ont été observés au pourcentage 0,15 du sol traité par Nanoclay parmi tous les pourcentages du poids sec du sol.Pour déterminer la quantité idéale de Nanoclay à ajouter au sol, chaque ajustement est effectué à un pourcentage de 0,15 %.
• Le sol a agi comme complètement imperméable, les pores totaux remplis de nanomatériaux, et le dosage idéal de Nanoclay ont tous eu des propriétés de perméabilité zéro.

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Ceci est une soumission pour la bourse SAM's 2024, soumise par Tausif Islam Chowdhury.

*Auteur correspondant

Tausif Islam Chowdhury* ¹, Jhumana Akter ², Musharrof Hossain ^Sunny3 & Fahim Shahariar Aditto4

¹ Étudiant diplômé, Département d'ingénierie du bâtiment et de gestion de la construction, Université d'ingénierie et de technologie de Khulna, Bangladesh

² Professeur adjoint, Département d'ingénierie et de gestion de la construction, Université d'ingénierie et de technologie de Khulna, Bangladesh

³ Étudiant diplômé, Département de l'ingénierie du bâtiment et de la gestion de la construction, Université d'ingénierie et de technologie de Khulna, Bangladesh

⁴ Étudiant diplômé, Département d'ingénierie et de gestion de la construction, Université d'ingénierie et de technologie de Khulna, Bangladesh