Полимерная стабилизация грунта
Полимерная стабилизация почвы – это добавление полимеров для улучшения физических свойств почвы, чаще всего для геотехнических , строительных или сельскохозяйственных проектов. [1] Было показано, что даже при очень небольших концентрациях в почве различные полимеры увеличивают удержание воды и уменьшают эрозию, увеличивают прочность почвы на сдвиг и поддерживают структуру почвы. [2] Широкий спектр полимеров использовался для решения проблем, начиная от предотвращения опустынивания и заканчивая укреплением дорожных полотен . [3] [1] [4]
Полимеры, которые были протестированы на эффект стабилизации почвы , включают ряд синтетических полимеров и биополимеров . [1] [5] Биополимеры, в частности, предлагают более экологичную альтернативу традиционным химическим добавкам, таким как обычный цемент , который может выделять большое количество углекислого газа во время производства или наносить длительный ущерб окружающей среде . [1] [6]
Полимеры в основном влияют на агрегативность и прочность грунтов за счет взаимодействия с мелкими глинистыми частицами. Покрытия из адсорбированных полимеров на глинах могут повысить их стерическую стабилизацию, предотвращая близкое сближение частиц глины друг с другом. Альтернативно, молекулы полимера, которые связываются с несколькими частицами глины, способствуют флокуляции . [2] Сетки гидрогеля могут привести к более косвенному укреплению почвы за счет создания каркаса для частиц почвы. Дополнительную прочность можно придать полимерным сеткам в почве посредством химического сшивания и отверждения . [1] [5]
Обзор
[ редактировать ]Синтетические полимеры начали заменять другие химические вяжущие вещества для стабилизации почвы в сельском хозяйстве в конце 20 века. [1] По сравнению с традиционными химическими вяжущими, полимерные добавки для грунтов могут обеспечить такое же усиление при гораздо более низких концентрациях - например, смеси, содержащие 0,5-1% различных биополимеров, имеют уровень прочности, который соответствует или превосходит уровень прочности 10% цементных смесей в грунтах. [1] Синтетические полимеры, включая геополимеры и биополимеры , были протестированы на предмет их полезного взаимодействия с почвой. Методы введения полимеров в почву включают смешивание, инъекцию, распыление и затирку. [1] Жидкие полимеры, продаваемые в виде концентрированных растворов, можно вносить глубоко в почву путем впрыскивания под давлением или непосредственно на неуплотненную почву. [5]
Синтетические полимеры
[ редактировать ]на основе алюмосиликата Синтетические геополимеры обеспечивают многие из тех же вяжущих свойств, что и портландцемент . По сравнению с другими полимерными добавками многие геополимеры достаточно долговечны, обладают высокой механической прочностью и термической стабильностью. Они легко реагируют с гидроксидом кальция в воде, что позволяет им действовать как цементирующие вяжущие вещества. Преимущество геополимеров заключается в том, что они более экологичны и энергоэффективны в производстве, чем традиционные химические добавки, и могут быть синтезированы из отходов, таких как хвосты шахт или летучая зола . [7] Когда эти отходы обрабатываются щелочным реагентом, алюмосиликат быстро деполимеризуется и поликонденсируется с образованием жесткой трехмерной полимерной структуры, которая покрывает и укрепляет поры почвы . [8] Геополимеры применяются для стабилизации гипсовых почв из-за их устойчивости к сере и другим химическим воздействиям, которые ослабляют традиционный цемент. [9]
Биополимеры
[ редактировать ]Биополимеры синтезируются в результате биологических процессов и зачастую менее вредны для ландшафта и его биоты из-за их природного происхождения. Из трех типов биополимеров полисахариды оказались более полезными в качестве связующих веществ почвы, чем полинуклеотиды или полипептиды . Биополимеры, которые были протестированы для использования в стабилизации почвы, включают целлюлозу , крахмал , хитозан , ксантан , курдлан и бета-глюкан . [1] Некоторые биополимеры чувствительны к воде, а более влажные почвы демонстрируют более слабое сцепление биополимера с глиной. Из-за этого биополимеры гелеобразного типа при смачивании образуют гидрогели , обладающие пониженной прочностью на разрыв , но значительно более высокой прочностью на сжатие по сравнению с исходным грунтом. Биополимеры на основе белков , хотя и менее распространены, использовались в качестве альтернативы полисахаридам в проектах, требующих большей водостойкости. [1]
Биополимеры могут все чаще заменять синтетические полимеры в проектах по стабилизации почвы. Они более экологичны, чем многие другие химические добавки для почвы, и могут обеспечить такое же усиление при гораздо меньших концентрациях. Увеличение использования биополимеров могло бы компенсировать выбросы углекислого газа, связанные с производством цемента, которые могут достигать 1,25 тонны углекислого газа на тонну цемента. [1]
Полимерно-грунтовая химия
[ редактировать ]Полимерные обработки изменяют размер, форму и сцепление агрегатов почвы , изменяя взаимодействие между частицами почвы. Поскольку взаимодействие полимер-почва происходит на поверхности частиц почвы, величина площади поверхности почвы (другими словами, ее доминирующий размер частиц ) имеет большое значение. [5] Полимеры лишь слабо взаимодействуют с крупными с песок и ил, в то время как они связываются непосредственно с более мелкими глинами. частицами почвы размером [1] Хотя полимеры в основном взаимодействуют с глинистой фракцией почв, они в меньшей степени изменяют свойства песчаных почв. [2] Структура полимеров определяет, как они будут взаимодействовать с частицами глины. Например, блок-сополимеры приводят к совершенно другим свойствам почвы, чем гомополимеры , равно как и ионные и неионные полимеры. Кроме того, механизмы, с помощью которых различные полимеры адсорбируются на поверхности частиц глины, приводят к различным свойствам и реакциям почвы. [2]
Стерическая стабилизация
[ редактировать ]Полимеры на поверхности коллоидной фракции почв способствуют стерической стабилизации этих частиц, препятствуя их сближению и агрегации. Этот эффект наблюдается в различных водных и неводных средах, и на него не влияют электролиты в растворе. [2] Степень стерической стабилизации зависит от количества поверхности глины, покрытой адсорбированными полимерами, прочности полимерной связи, толщины полимерного слоя и благоприятности растворителя для полимерных петель и хвостов. Для стерической стабилизации чаще всего используют блок- и привитые сополимеры, состоящие из двух разных гомополимеров с различной растворимостью в суспензионной среде. При синтезе с чередующимися областями гидрофобных и гидрофильных мономеров сополимеры могут стабилизировать суспензию, поскольку их гидрофобная группа прочно адсорбируется на поверхности коллоида, в то время как гидрофильная группа притягивается к растворителю. В общем, адсорбция полимеров на глинистых поверхностях является энтропийно предпочтительной, поскольку одна молекула полимера вытесняет множество молекул воды, которые ранее были связаны с частицами почвы. [2]
Суспензии полимерных и глинистых частиц использовались для понимания механизма этой стерической стабилизации в почвах. Рассмотрим гомополимер , адсорбированный на поверхности частиц глины в суспензии. Когда частицы глины приближаются друг к другу на расстояние, в два раза превышающее толщину слоев полимера, петли и хвосты полимеров на одной поверхности начнут блокировать петли и хвосты полимеров на другой поверхности, что приведет к уменьшению конфигурационной энтропии . Это неблагоприятно, поскольку увеличивает свободную энергию Гиббса системы, и коллоидным частицам будет более выгодно оставаться дальше друг от друга. [2]
В целом свободная энергия стерических взаимодействий (ΔGs ) может быть выражена как функция как упругой энергии отталкивания (ΔGel ) , так и свободной энергии смешения ( ) ΔGmix :
- Δ G s = Δ G эл + Δ G смесь [2]
Энергия упругого отталкивания (ΔGel ) увеличивается по мере того, как больше полимеров адсорбируется на поверхности частиц глины. Это можно смоделировать как:
- Δ G el = 2k B T Γln(Ω( h )/Ω(∞)) [2]
где k B — постоянная Больцмана , T — температура, Γ — количество адсорбированных полимеров на единицу площади поверхности, а Ω( h ) и Ω(∞) — количество доступных конформаций на h и бесконечных расстояниях. ΔGs за счет стерических взаимодействий также . является функцией свободной энергии смешения ΔGсм ( ) . Чаще всего это способствует увеличению расстояний между молекулами полимера в растворе. [2]
Флокуляция
[ редактировать ]Альтернативно, в различных условиях полимеры могут усиливать флокуляцию . Агрегаты частиц более прочно удерживаются вместе полимерами, чем электролитами. Такие взаимодействия называются мостиковой флокуляцией, поскольку одна полимерная цепь связана с несколькими частицами почвы. Примеры распространенных мостиковых полимеров включают полиакриламид (ПАМ) и полиэтиленоксид . В одном исследовании было обнаружено, что ПАМ увеличивает размер хлопьев каолинита в экспериментах с суспензией с 10 мкм до нескольких миллиметров. [10] Максимальные преимущества флокуляции достигаются, когда полимеры покрывают площадь поверхности, эквивалентную половине способности насыщения полимера. [2] Добавление полимера после этой точки заставляет полимер действовать как смазка, позволяя частицам почвы скользить друг по другу. [5]
Было показано, что биополимеры укрепляют почвы как за счет сцепления с частицами глины с образованием матрицы полимерной глины, так и за счет содействия агрегации более крупных частиц почвы друг с другом внутри матрицы полимерной глины. Гидроксильные группы полисахаридных биополимеров позволяют им образовывать водородные связи непосредственно с заряженными глинистыми частицами (в сухих почвах), а также с самой поровой водой почвы (во влажной почве). Этим взаимодействиям способствует большая площадь поверхности как самих биополимеров, так и частиц глины, с которыми они связываются. [1] Когда ионизированные полимеры (например, многие биополимеры) с тем же зарядом, что и частицы глины, адсорбируются на их поверхности, они увеличивают электрическое отталкивание двойного слоя. [2]
Сшивание и отверждение
[ редактировать ]Прочность полимерных цепей можно повысить за счет сшивки , которая увеличивает взаимодействие между цепями за счет связи с другим реагентом. [11] Высокая механическая прочность смесей грунта и полимеров после сшивки может сделать многие полимеры более подходящими для проектов по стабилизации грунта. [1] Время отверждения после добавления полимера также может влиять на прочность образующихся структур полимер-грунт. [12] После семи дней отверждения жидкий полимер SS299 позволил получить почву, прочность на сжатие которой в два раза выше, чем у необработанной почвы. Некоторые полимеры также могут приобретать прочность во время отверждения гораздо быстрее, чем традиционные неполимерные химические добавки. [5]
Приложения
[ редактировать ]
Характеристики почвы, которые были изменены добавлением полимеров, включают прочность на сжатие, стабильность объема, гидравлическую прочность и проводимость. [5] Полимеры могут помочь предотвратить эрозию почвы и увеличить проникновение воды за счет укрепления почвенных агрегатов и поддержки структуры почвы. Свойства самой почвы являются доминирующим фактором, контролирующим способность полимеров взаимодействовать с ней. Исследование катионного щелочного полимера SS299 (коммерчески выпускаемой добавки) показало, что свойства обработанных почв зависят от показателя пластичности исходной почвы, который отражает содержание в ней глины. [5]
Гидрогелевое набухание биополимеров уменьшает объем порового пространства почвы, ограничивая поток воды и подходит для строительных проектов, направленных на минимизацию просачивания воды и поддержку роста растительности. [13] Биополимеры можно добавлять в почву вместе с синтетическими полимерами, чтобы использовать свойства обоих полимеров. Увеличивая удержание воды и скорость инфильтрации в почве, добавление биополимеров увеличивает доступность воды для растений. [1] Это особенно применимо в засушливых регионах, таких как пустыни, где засуха делает почвы подверженными высокой скорости эрозии во время осадков. Удерживая воду, улучшенные почвы уменьшают сток и сопутствующую ему эрозию. [3] ПАМ широко применяется в качестве стабилизатора почвы в сельском хозяйстве, как для удержания воды на полях, так и для улучшения качества сточных вод за счет уменьшения количества наносов, попадающих в реки и ручьи. [14]
См. также
[ редактировать ]- Стабилизация грунта
- Кондиционер для почвы
- Гидрогель сельское хозяйство
- Рока-Гил
- Пластиковое загрязнение
- Микропластик
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот Чанг, Ильхан; Я, Джуён; Чо, Ге-Чун (10 марта 2016 г.). «Внедрение микробных биополимеров в обработку почвы для будущей экологически чистой и устойчивой геотехнической инженерии» . Устойчивость . 8 (3): 251. дои : 10.3390/su8030251 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Лакхэм, Пол Ф; Росси, Сильвия (1 октября 1999 г.). «Коллоидные и реологические свойства бентонитовых суспензий» . Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки . 82 (1–3): 43–92. дои : 10.1016/S0001-8686(99)00005-6 .
- ^ Перейти обратно: а б Рамадан, Ашраф А.; Лахалих, Шауки М.; Али, Садика; Аль-Судайрави, Мане (1 января 2010 г.). Здрули, Панди; Пальяи, Марчелло; Капур, Селим; Кано, Анхель Фаз (ред.). Деградация земель и опустынивание: оценка, смягчение последствий и восстановление . Спрингер Нидерланды. стр. 100-1 307–322. дои : 10.1007/978-90-481-8657-0_23 . ISBN 9789048186563 .
- ^ Чжао, Чжи; Хамдан, Насер; Шен, Ли; Нань, Ханьцин; Альмаджед, Абдулла; Кавазанджян, Эдвард; Он, Симинь (15 ноября 2016 г.). «Биомиметические гидрогелевые композиты для стабилизации почвы и уменьшения загрязнения». Экологические науки и технологии . 50 (22): 12401–12410. Бибкод : 2016EnST...5012401Z . дои : 10.1021/acs.est.6b01285 . ISSN 0013-936X . ПМИД 27762537 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Латифи, Нима; Рашид, Ахмад Сафуан А.; Сиддикуа, Суми; Маджид, Мухад. Заими Абд (01 сентября 2016 г.). «Измерение прочности и текстурные характеристики тропической остаточной почвы, стабилизированной жидким полимером». Измерение . 91 : 46–54. Бибкод : 2016Мер...91...46л . doi : 10.1016/j.measurement.2016.05.029 .
- ^ Кёгель-Кнабнер, Ингрид (1 февраля 2002 г.). «Макромолекулярный органический состав растительных и микробных остатков как вклада в органическое вещество почвы». Биология и биохимия почвы . 34 (2): 139–162. дои : 10.1016/S0038-0717(01)00158-4 .
- ^ Ду, Ян-Цзюнь; Ю, Бо-Вэй; Лю, Кай; Цзян, Нин-Цзюнь; Лю, Мартин Д. (2017). «Физические, гидравлические и механические свойства глинистого грунта, стабилизированного легким щелочеактивированным шлаковым геополимером» . Журнал материалов в гражданском строительстве . 29 (2): 04016217. doi : 10.1061/(asce)mt.1943-5533.0001743 . S2CID 109929046 .
- ^ Альхомайр, Султан А.; Горахки, Мохаммед Х.; Бэрейтер, Кристофер А. (01 февраля 2017 г.). «Гидравлическая проводимость хвостов шахт с добавлением летучей золы». Геотехническая и геологическая инженерия . 35 (1): 243–261. дои : 10.1007/s10706-016-0101-z . hdl : 10217/176619 . ISSN 0960-3182 . S2CID 133394477 .
- ^ Алсафи, Шаймаа; Фарзадния, Нима; Асади, Афшин; Хуат, Буджанг Ким (15 апреля 2017 г.). «Потенциал усадки гипсового грунта, стабилизированного геополимером зольной пыли; характеристика и оценка». Строительство и строительные материалы . 137 : 390–409. дои : 10.1016/j.conbuildmat.2017.01.079 .
- ^ Шарма, Сугандха; Линь, Чен-Лу; Миллер, Ян Д. (01 февраля 2017 г.). «Многомасштабные особенности, включая содержание воды в структурах хлопьев каолинита, вызванных полимером» . Минеральное машиностроение . 101 : 20–29. дои : 10.1016/j.mineng.2016.11.003 .
- ^ Франкленд, SJV; Чаглар, А.; Бреннер, Д.В.; Грибель, М. (01 марта 2002 г.). «Молекулярное моделирование влияния химических поперечных связей на прочность при сдвиге границ раздела углеродная нанотрубка-полимер» . Журнал физической химии Б. 106 (12): 3046–3048. дои : 10.1021/jp015591+ . ISSN 1520-6106 .
- ^ Гилазги, Саймон Т.; Хуан, Цзе; Резаймалек, Сепер; Бин-Шафик, Саззад (23 августа 2016 г.). «Стабилизация богатой сульфатами высокопластичной глины с полимеризацией, активируемой влагой». Инженерная геология . 211 : 171–178. дои : 10.1016/j.enggeo.2016.07.007 .
- ^ Ян, Ликсия; Ян, Ян; Чен, Чжан; Го, Чуньсяо; Ли, Шаокай (01 января 2014 г.). «Влияние суперабсорбирующего полимера на удержание воды в почве, прорастание семян и выживаемость растений для экоинженерии каменистых склонов». Экологическая инженерия . 62 : 27–32. дои : 10.1016/j.ecoleng.2013.10.019 .
- ^ Сойка, Р.Э.; Бьорнеберг, ДЛ; Вход, Дж.А.; Ленц, Р.Д.; Ортс, WJ (2007). Спаркс, Дональд Л. (ред.). Достижения в агрономии (PDF) . Полет. 92. Академическая пресса. стр. 75–162. дои : 10.1016/S0065-2113(04)92002-0 . ISBN 9780123736864 .