Technische Vorteile des Ersatzes von natürlichem Sand durch hergestellten Sand beim Bau von Deponien

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 6444 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Translationsgleitausfälle in Deponien werden häufig durch eine unzureichende Scherfestigkeit der Schnittstellen in Auskleidungen und Abdeckungen ausgelöst. Geosynthetische Tonauskleidungen (GCL) werden in verschiedenen Teilen von Deponien zur Eindämmung des Sickerwassers eingesetzt. GCLs werden normalerweise über einem verdichteten Sanduntergrund platziert, um eine höhere Scherfestigkeit zu entwickeln. Vor dem Hintergrund der Erschöpfung natürlicher Sandressourcen untersucht die vorliegende Studie die Machbarkeit des Ersatzes von Natursand durch hergestellten Sand (Msand) im Deponiebau. Grenzflächenschertests wurden an GCL in Kontakt mit Flusssand und Msand ähnlicher Körnung durchgeführt, um die Scherfestigkeit bei verschiedenen Normalspannungen und Hydratationsbedingungen zu bewerten. Es wurde festgestellt, dass Msand im Vergleich zu Flusssand eine höhere Grenzflächenscherfestigkeit mit GCL bietet. Die digitale Bildanalyse der getesteten GCL-Proben zeigte, dass Variationen in der Partikelmorphologie der beiden Sande einen direkten Einfluss auf die Interaktionsmechanismen auf Mikroebene haben, die die Scherfestigkeit bestimmen. Die Quantifizierung morphologischer Parameter zeigte, dass Msand-Partikel im Vergleich zu natürlichen Sandpartikeln eckig und rau sind, was zu einer stärkeren Partikelverzahnung führt. Die Hydratation des GCL verringerte die Scherfestigkeit der Grenzfläche, wobei der Effekt im Fall von Msand geringer war. Die Studie hebt hervor, dass der Ersatz von Natursand durch Msand zusätzliche Vorteile bietet.

Geosynthetische Tonauskleidungen (GCL) sind polymere Geokomposite, die dazu dienen, umweltschädliche Elemente wie Sickerwasser in technischen Deponien einzudämmen, um zu verhindern, dass diese in den Boden gelangen und schließlich das Grundwasser verunreinigen. GCLs bestehen aus Bentonit-Ton in Kombination mit Polymermaterialien wie Geomembranen und Geotextilien. Bentonit wird entweder mit einer Geomembran verklebt oder zwischen zwei Geotextilien eingekapselt, die vernadelt oder genäht werden. GCLs sind aufgrund ihrer effektiven hydraulischen Eigenschaften, Selbstheilungsfähigkeit, Kosteneffizienz und einfachen Installationsvorteile ein idealer Ersatz für herkömmliche verdichtete Tonauskleidungen (CCL). GCLs haben gegenüber CCLs mehrere Vorteile in Bezug auf Qualitätssicherung, geringere Schichtdicke, Beständigkeit gegenüber Frost und Auftauen, einfache Zugänglichkeit und verbesserte Baugeschwindigkeit4,5. GCLs mit gewebten oder nicht gewebten Geotextilien werden häufig verwendet, um Schnittstellen zu anderen Geokunststoffen und Untergrundmaterialien zu bilden. Die Platzierung von GCLs in Auskleidungs- und Abdecksystemen ist in Abb. 1 dargestellt, wobei GCLs an verschiedenen Stellen mit Sandschichten in Kontakt stehen. Die Inhomogenität der Auskleidung und Abdeckung von Deponien führt zu Ausfällen unter normalen Belastungen und Scherbeanspruchungen, die durch Müllablagerungen und andere besondere Bedingungen wie Erdbeben verursacht werden. Die Hauptursache für das Versagen von Auskleidungen mit GCL ist das translatorische Gleitversagen aufgrund der unzureichenden Scherfestigkeit an den GCL-Sand-Grenzflächen, wobei die Wahrscheinlichkeit bei abschüssigem Gelände größer ist. Um das Gleiten und andere mechanische Instabilitäten von Deponien zu kontrollieren, ist eine genaue Bewertung der Grenzflächenscherfestigkeit von GCLs erforderlich.

Schematische Darstellung einer technischen Deponie.

Die Literatur zu verschiedenen Grenzflächentests, die mit herkömmlichen Direktscherboxen durchgeführt wurden, zeigt, dass die Entwicklung von Reibung und Adhäsion zwischen den interagierenden Schichten durch mehrere Wechselwirkungen auf Mikroebene bestimmt wird6,7,8,9. Der technologische Fortschritt hat die Untersuchung von Wechselwirkungsmechanismen erleichtert, die das Scherverhalten von Grenzflächen auf Mikroebene beeinflussen. Forscher haben den Einfluss von Größe und Form von Sandpartikeln auf das Grenzflächenverhalten verschiedener Arten von Verstärkungen untersucht. Die Größe der Sandkörner in Kombination mit den Rauheitseigenschaften der Bewehrung steuert die Scherfestigkeit der Grenzfläche10,11,12,13. Während ihres Einsatzes in der Deponie werden GCLs aufgrund ihrer Einwirkung von Sickerwasser oder eindringendem Niederschlag hydratisiert, was zum Anschwellen der eingekapselten Bentonitschicht führt. Das Quellen von Bentonit kann die Scherfestigkeit der Grenzfläche erheblich verringern. Extrusion und seitliche Quellung von Bentonit hängen von der Oberflächentextur des GCL14,15,16 ab.

Die Gewinnung von Natursand für zahlreiche Bautätigkeiten hat erhebliche Auswirkungen auf Fluss- und Meeresökosysteme, Schwankungen im Grundwasserspiegel und eine Verringerung der Sedimentversorgung. Obwohl Natursand als geeignetes Untergrundmaterial für die Verwendung in Verbindung mit GCLs zur Erzielung einer guten Grenzflächenscherfestigkeit angesehen wird, veranlasst seine Nichtverfügbarkeit die Forscher dazu, alternative Untergrundmaterialien zu untersuchen. Der geeignete Ersatz muss die negativen Auswirkungen auf die Umwelt verringern und eine nachhaltigere und wirtschaftlichere Lösung bieten. Kunstsand, im Volksmund als Msand bekannt, ist künstlicher Sand, der durch Zerkleinern von Steinen zu sandgroßen Partikeln gewonnen wird. Mehrere Studien haben die Festigkeitseigenschaften und die Wirksamkeit der Verwendung von MSand bei der Herstellung von Beton anstelle von Flusssand untersucht. Aus der Literatur geht hervor, dass Msand aufgrund der günstigen Oberflächeneigenschaften der Msand-Partikel eine bessere Verbindung der zementären Matrix als Flusssand bietet17,18,19. Begrenzte Forschung hat die Verwendung von Msand für andere Anwendungen als die Betonherstellung untersucht.

Die vorliegende Studie trägt zur Machbarkeit der Verwendung von Msand als geeignetem Ersatz für Flusssand bei, um eine überlegene GCL-Msand-Schnittstelle für den Einsatz in Deponieauskleidungen bereitzustellen. Dies wird durch die vergleichenden Grenzflächenschertests an den Grenzflächen GCL-Flusssand und GCL-Msand sowie die Berechnung der Scherfestigkeitsparameter hervorgehoben. Darüber hinaus wird der Einfluss der GCL-Hydratation auf die Scherfestigkeitsparameter für den vollständig gesättigten Zustand des Untergrundmaterials verstanden. Die Ergebnisse werden durch bildbasierte Untersuchungen der Partikelform und Mikroebenenänderungen an den getesteten GCL-Oberflächen untermauert. Morphologische Parameter des Sandes, einschließlich Form und Größe der Körner, haben großen Einfluss auf die Wechselwirkungen auf Mikroebene und damit auf die Scherfestigkeit der Grenzflächen. Von früheren Forschern durchgeführte Studien an Polymeroberflächen, die mit eckigen Sandkörnern und kugelförmigen Glasperlen in Kontakt stehen, haben auf den Unterschied in der Scherfestigkeit der Grenzfläche bei Änderung der Partikelform hingewiesen20,21. Die aktuelle Studie untersucht diese Aspekte im Detail und schlägt die Verwendung von Msand beim Bau von Auskleidungen und Abdeckungssystemen von Deponien aufgrund seiner verbesserten Grenzflächenscherfestigkeit mit GCLs, reduzierten Hydratationseffekten und langfristigen Nachhaltigkeitsvorteilen vor.

Der in dieser Studie verwendete GCL ist Macline GCL-W, der über eine Schicht aus trockenem Natriumbentonit verfügt, die zwischen einem thermisch gebundenen Vlies-Geotextil und einem aus Filamenten gewebten Geotextil eingekapselt ist. Der Bentonit-Ton mit 70 % Montmorillonit hat eine Wasseraufnahmekapazität von 650 % und ein freies Quellvermögen von 12 ml/g. Aus der Literatur geht hervor, dass die Vliesstoffseite von GCL aufgrund ihrer zufällig ausgerichteten Fasern eine bessere Grenzflächenscherfestigkeit aufweist22,23,24 und daher wird dies auch für Schertests in dieser Studie übernommen. Abbildung 2 zeigt das Bild der Vliesseite des neuen GCL, aufgenommen mit 32-facher Vergrößerung unter einem Stereomikroskop (SZX10), was auf eine mehrschichtige netzartige Struktur des Geotextils hinweist.

Mikroskopisches Bild der Vliesoberfläche von reinem GCL bei 32-facher Vergrößerung.

Die Siebanalyse wurde an natürlichem Flusssand und hergestelltem Sand gemäß ASTM C136 (2014) durchgeführt. Basierend auf der in Abb. 3 gezeigten Partikelgrößenverteilung werden Flusssand und Msand in ihrer natürlichen Abstufung gemäß dem United Soil Classification System (USCS) als schlecht abgestufter Sand (SP) bzw. gut abgestufter Sand (SW) klassifiziert ). Um die Auswirkungen der Korngröße zu eliminieren und sich auf die Auswirkungen der Kornform zu konzentrieren, wird in der vorliegenden Studie eine gemeinsame experimentelle Abstufung für Flusssand und Industriesand (Msand) verwendet. wie in Abb. 3 dargestellt. Die gewählte Abstufung der Sande wurde durch Proportionierung und Beschaffung der erforderlichen Menge aus spezifischen Größenfraktionen beider Sande erhalten, sodass beide Sande die Abstufung erreichen, die als schlecht abgestufter Sand (SP) klassifiziert wird. Die gewählte Sandabstufung weist identische Korngrößen nach Gewichtsanteilen auf und die Form der Körner bleibt ihrem natürlichen Zustand entsprechen. Abbildung 4 zeigt die Bilder von Flusssand und Industriesand mit einer Größe von 0,6 mm. Tabelle 1 listet die Gradationsparameter und physikalischen Eigenschaften von Sanden in ihrer experimentellen Gradation auf. Das maximale Hohlraumverhältnis wurde aus dem Rütteltischtest gemäß ASTM D4254 (2016) ermittelt, das minimale Hohlraumverhältnis wurde gemäß ASTM D4253 (2019) ermittelt. Basierend auf direkten Schertests, die gemäß ASTM 3080-04 (2012) durchgeführt wurden, wurden die inneren Reibungswinkel für die gewählte Abstufung von Kunstsand und Flusssand bei 80 % relativer Dichte mit 44° bzw. 41° ermittelt.

Korngrößenverteilung von Sanden und experimentelle Abstufung.

Mikroskopische Bilder typischer Sandpartikel bei 25-facher Vergrößerung (a) Flusssand und (b) künstlich hergestellter Sand.

Alle Grenzflächenschertests wurden mit dem von Vangla und Latha25,26 modifizierten direkten Schertestaufbau durchgeführt. Dieser Aufbau ersetzt den unteren Scherkasten des herkömmlichen direkten Scherversuchsaufbaus durch eine bewegliche starre quadratische Stahlplatte mit 180 mm Seitenlänge, um die Geokunststoffe zu befestigen. In der aktuellen Studie wurden GCL-Proben mit den Maßen 180 mm × 180 mm von der Rolle geschnitten und mit Greifplatten und Schrauben auf der Stahlbasis befestigt. GCL wurde so auf der Stahlplatte befestigt, dass die Vliesstoffoberfläche nach oben zeigt. Der obere Scherkasten mit einer Größe von 100 mm × 100 mm wurde auf dem festen GCL platziert und mit Sand mit einer relativen Dichte von 80 % gefüllt. Die in Tabelle 1 angegebenen maximalen und minimalen Hohlraumverhältnisse des Sandes wurden zur Berechnung des erforderlichen Sandgewichts zum Erreichen der spezifischen relativen Dichte verwendet. Der Sand wurde in drei separaten Schichten eingefüllt, wobei jede einzelne Schicht von Hand verdichtet wurde, um ein Drittel der Gesamthöhe der Probe von 50 mm zu erreichen. Nachdem über den Hebelarmmechanismus eine normale Belastung ausgeübt wurde, wurde die Stahlbasis auf Rollen horizontal bewegt, was zu einer Scherung entlang der Grenzfläche zwischen GCL und Sand führte. Das digitale Datenerfassungssystem erfasst die ausgeübte Scherkraft über eine horizontale Kraftmessdose und die entsprechende horizontale Bewegung der Basis mithilfe eines LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Abbildung 5 zeigt die Details des in der Studie verwendeten Schnittstellentestaufbaus.

Schnittstelle zur direkten Scherung.

Dehnungskontrollierte Grenzflächenschertests wurden bei Normalspannungen von 100 kPa, 60 kPa und 30 kPa und 7 kPa bei einer Schergeschwindigkeit von 1,15 mm/min gemäß ASTM D6243 (2016) durchgeführt. Diese Normalspannungen simulieren die Überlagerungsspannung in Auskleidungen und Abdeckungen von Deponien mittlerer Höhe. Schnittstellentests wurden an den Schnittstellen GCL-River Sand und GCL-Msand durchgeführt. Es wurden Tests an GCLs durchgeführt, die mit trockenem und gesättigtem Sand in Kontakt kamen. Die Sandsättigung in Experimenten stellt das Worst-Case-Feldszenario dar, bei dem schwankende Grundwasserspiegel und das Eindringen von Niederschlägen zu einer Sättigung des Sanduntergrunds führen. Der minimale Sättigungswassergehalt von Sand wurde aus den Beziehungen zwischen spezifischem Gewicht und Hohlraumverhältnis mit 18 % berechnet und in Tests mit gesättigtem Sand verwendet.

Die Schertests an der Grenzfläche wurden entwickelt, um die Auswirkungen von Überlagerungsspannungsniveaus zu verstehen, die durch normale Spannungsschwankungen, Kornformeffekte durch natürliche und Ms und signifikante Unterschiede in ihrer Partikelform und Hydratationseffekte durch Trocken- und Nasstests dargestellt werden. Die Scherreaktion von GCL-Flusssand- und GCL-Msand-Grenzflächen im trockenen Zustand bei verschiedenen Normalspannungen ist in Abb. 6 dargestellt. Die Variation der Scherspannung mit der Verschiebung ist in Abb. 6a dargestellt, und Mohr-Coulomb-Versagenshüllkurven sind in Abb. dargestellt. 6b. Die meisten dieser ersten Tests wurden wiederholt, um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu bestätigen. Sowohl bei den GCL-Flusssand- als auch bei den GCL-Msand-Grenzflächen stieg die Spitzenscherspannung mit der Zunahme der Normalspannung an, was auf einen verstärkten Verzahnungsmechanismus zwischen den Fasern des Geotextils und den Sandpartikeln unter dem verstärkten Einschlusseffekt der Abraumschicht hinweist. Darüber hinaus zeigen die Diagramme, dass für GCL-Msand im Vergleich zu GCL-Flusssand-Grenzflächen eine höhere Spitzenscherspannung erreicht wird. Da die Testbedingungen und die Abstufung identisch gehalten werden, kann der Unterschied im Scherverhalten nur auf die Form der Sandpartikel zurückgeführt werden. Die inneren Verstärkungsfasern von GCL widerstehen der ausgeübten Scherkraft und tragen so zur Gesamtscherfestigkeit bei. Sie übertragen die Scherkraft von der oberen Schicht auf die untere Schicht aus GCL. Die Verringerung der Scherspannung nach dem Spitzenwert kann mit der Ausdehnung der Verstärkungsfaser bei großen Scherbelastungen verbunden sein, was zu einem Verlust der Zugfestigkeit führt, was zu einer Verringerung der Scherfestigkeit an der Grenzfläche führt11,12,13. Die Werte des Grenzflächenreibungswinkels (δ) und der Grenzflächenhaftung (ap) für trockene GCL-Sand-Grenzflächen, die aus den Best-Fit-Linien der Fehlerumschläge unter Berücksichtigung der in Abb. 6b gezeigten Spitzengrenzflächen-Scherspannungen bei verschiedenen Normalspannungen berechnet wurden, sind in der Tabelle aufgeführt 2. Alle GCL-Sand-Grenzflächen zeigten im Vergleich zu Sand-Sand-Schertests geringere Reibungswinkel. Die Reibungseffizienz der GCL-Sand-Grenzflächen, die als δ/ϕ definiert ist, liegt immer unter 1,0, wie in Tabelle 2 gezeigt.

Scherreaktion von GCL-Sand-Grenzflächen unter trockenen Bedingungen (a) Spannungs-Verschiebungs-Reaktion, (b) Versagenshüllkurven.

Bentonit verbessert die hydraulische Leistung von GCL und verleiht ihm die Fähigkeit zur Selbstheilung. Bei der Hydratation vergrößert Bentonit sein Volumen um 600 %, was einen erheblichen Einfluss auf die Scherfestigkeit von GCL hat. Abbildung 7 zeigt den kristallinen Quellmechanismus von Bentonit, wie er von Ruedrich et al.27 erklärt wurde. Im Feld kann das Ansaugen von Feuchtigkeit aus dem angrenzenden Untergrund zur Bentonithydratisierung in GCL führen. Der schwankende Grundwasserspiegel und das Eindringen von Regenwasser können zu einem plötzlichen Anstieg des Wassergehalts des Untergrunds führen und sich dadurch negativ auf die Scherfestigkeit der GCL-Sand-Grenzflächen auswirken. Das Worst-Case-Szenario für diese Verringerung der Grenzflächenscherfestigkeit wäre ein vollständig gesättigter Zustand des Sanduntergrunds. In dieser Studie wurden Grenzflächentests unter gesättigten Bedingungen durchgeführt, um den Einfluss der Bentonithydratation auf die berechneten Scherfestigkeitsparameter der Grenzfläche zu untersuchen. Der Wassergehalt im Sand wurde bei diesen Tests auf 18 % gehalten, um eine vollständige Sättigung zu erreichen, und die GCL-Proben wurden durch Absaugen von Feuchtigkeit aus dem Sand hydratisiert. Die für diese Testreihe verwendeten Normalspannungen betrugen 7 kPa, 30 kPa und 100 kPa. Die niedrige Normalspannung von 7 kPa wurde verwendet, um eine starke Quellung von Bentonit zu ermöglichen, und eine hohe Normalspannung von 100 kPa wurde verwendet, um die Extrusion von Bentonit auf die Oberfläche von GCL zu erleichtern. Beide Phänomene beeinflussen das Grenzflächenscherverhalten von GCL-Sand-Grenzflächen. Die Spannungs-Verschiebungs-Reaktion von GCL-Flusssand und GCL-Msand unter gesättigten Untergrundbedingungen ist in Abb. 8 dargestellt. Ein signifikanter Unterschied in der Spitzenscherspannung von Flusssand- und Msand-Grenzflächen wurde bei einer höheren Normalspannung von 100 kPa beobachtet aus Abb. 8a. Beim Vergleich von Abb. 6a für Trockentests und Abb. 8a für gesättigte Tests wurde eine deutliche Verringerung der Scherspannung bei allen Normalspannungen unter gesättigten Bedingungen beobachtet. Die Hydratation von GCL führte zum Quellen von Bentonit, übte Zugkräfte auf die Verstärkungsfasern aus und wirkte sich dadurch auf die Scherfestigkeit der Grenzfläche aus. Bei höherer Normalspannung steht der Quellung des Bentonits die Überlagerungsspannung entgegen, was zur Extrusion des Bentonits auf die Grenzfläche durch die Hohlräume der Vliesstoff-Geotextiloberfläche führt. Abbildung 8c zeigt die Quellung von GCL-Proben mit der Hydratationszeit für Normalspannungen von 7 kPa und 100 kPa. Wie bereits erwähnt, wird bei Grenzflächen, die unter 7 kPa getestet wurden, eine stärkere Quellung beobachtet, was auf eine höhere volumetrische Ausdehnung von GCL bei Hydratation im Vergleich zu Grenzflächen hindeutet, die bei einer normalen Belastung von 100 kPa getestet wurden. Bei höherer Normalbelastung ist die Schwellung eingeschränkt und fällt um 5–7 % geringer aus. Es wird beobachtet, dass die volumetrische Änderung bei GCLs, die mit Flusssand verbunden sind, stärker ausgeprägt ist. Bentonit wird durch die Hohlräume der Vliesoberfläche des GCL extrudiert und bildet an der Grenzfläche eine schleimige Schicht. Der extrudierte Bentonit verringert zusammen mit der schmierenden Wasserschicht an der Grenzfläche den Reibungswiderstand. Die Berechnung der Grenzflächenscherfestigkeit für gesättigte Bedingungen durch Mohr-Coulomb-Versagenshüllkurven ist in Abb. 8b dargestellt und die Werte des Grenzflächenreibungswinkels (δ) und der Grenzflächenadhäsion (ap) sind in Tabelle 2 aufgeführt. Wie beobachtet, sind die Adhäsions- und Reibungswinkel der gesättigten Grenzflächen sind deutlich niedriger als die der trockenen Grenzflächen. Der Grenzflächenreibungswinkel wurde sowohl für Flusssand- als auch Msand-Grenzflächen vom trockenen zum gesättigten Zustand um etwa 10° verringert, und die Grenzflächenhaftung wurde aus den oben erläuterten Gründen vom trockenen zum gesättigten Zustand um 7–10 kPa verringert. Der Grund für die Verringerung des Reibungswiderstands bei Sättigung ist die schleimige Schicht von extrudiertem Bentonit unter gesättigten Bedingungen und die Wechselwirkung von Sandpartikeln mit dieser Schicht, die die effiziente Sand-Faser-Verzahnung einschränkt. Die schmierende Wasserschicht verringert auch den Reibungswiderstand an den GCL-Sand-Grenzflächen unter gesättigten Bedingungen. Obwohl in dieser Studie die gleiche Abstufung für Flusssand und Msand beibehalten wurde, zeigten Msand-Grenzflächen im Vergleich zu Flusssand-Grenzflächen unter allen Bedingungen aufgrund von Partikelmorphologieeffekten, die in den folgenden Abschnitten erläutert werden, einen deutlich höheren Reibungswinkel und eine deutlich höhere Haftung.

Kristalliner Quellmechanismus von Tonmineralien durch Hydratation.

Scherreaktion von GCL-Sand-Grenzflächen unter gesättigten Bedingungen (a) Spannungs-Verschiebungs-Reaktion, (b) Versagenshüllkurven, (c) Quell-Hydratation-Zeit-Reaktion.

Der Einfluss der Sandkornform auf die Scherreaktion der GCL-Sand-Grenzflächen wird aus der Analyse der Testergebnisse deutlich. Die Verfügbarkeit hochwertiger Bildgebungstechniken und robuster Rechenwerkzeuge hat eine genaue Quantifizierung der Partikelform ermöglicht. Durch den Einsatz bildgebender Verfahren können die Interaktionsmechanismen zwischen Boden und Geosynthese genau analysiert und mit der gemessenen mechanischen Reaktion korreliert werden, um tiefere Erkenntnisse zu gewinnen. In dieser Studie wurden digitale Bildgebungstechniken eingesetzt, um die Formparameter von Sandkörnern zu differenzieren und zu quantifizieren und die Veränderungen auf Mikroebene an den getesteten GCL-Oberflächen zu verstehen, um die Wechselwirkungsmechanismen an der Grenzfläche zu erklären.

Die Kornform besteht aus drei mehrskaligen Komponenten: Form (Makroskala), Rundheit (Mesoskala) und Oberflächentextur (Mikroskala)28. Die Form, eine makroskalige Komponente, beschreibt die Abweichungen in den Partikelanteilen. Die mesoskalige Komponente Rundheit beschreibt die Wellen oder Ecken entlang der Partikelumrisse. Die Oberflächentextur, eine mikroskalige Komponente, definiert die winzigen Rauheitseigenschaften auf der Partikeloberfläche. In der Literatur wurden mehrere Formparameter definiert, um die Partikelform mithilfe von Partikelbildern und Computertechniken zu charakterisieren. Die am weitesten verbreiteten Formparameter sind die von Wadell29,30 angegebene Sphärizität, Rundheit und Rauheit, die von vielen nachfolgenden Forschern häufig verwendet wurden13,25. Sphärizität, die die Nähe der Kornform zu einer Kugel darstellt, Rundheit, die die Glätte der Korngrenze darstellt, und Rauheit, die die Unregelmäßigkeiten im Mikromaßstab an der Korngrenze darstellt, werden gemeinsam zur Darstellung der gesamten Kornform verwendet. In dieser Studie wird ein Algorithmus in MATLAB geschrieben, um Wadells Formparameter von Sandkörnern zu quantifizieren. Zu diesem Zweck wurden mikroskopische Bilder von Sandpartikeln durch Bildsegmentierung in MATLAB in Binärbilder umgewandelt und Formparameterquantifizierungen an den Binärbildern durchgeführt. Abbildung 9 zeigt die mikroskopischen und binären Bilder typischer Flusssand- und Msandkörner, beide mit einer Größe von 0,6 mm. Abbildung 9b und d zeigen den Umriss des Korns zusammen mit dem Schwerpunkt für Flusssand- bzw. Msand-Körner. Diese Kornumrisse werden im räumlichen Bereich des Kornradius in Pixeln und des Winkels im Bogenmaß aufgetragen, um das Rohprofil der einzelnen Sandpartikel zu erhalten, wie in Abb. 10 dargestellt. Das Rohprofil besteht aus den drei Multiskalenmerkmalen des Korns: Dabei handelt es sich um Form, Rundheit und Rauheit, die für beide Sandpartikel in Abb. 10 identifiziert und markiert werden. Während die makroskalige Komponente das vollständige Rohprofil umfasst, entspricht die mesoskalige Komponente den Hauptspitzen und -tälern des Das Rohprofil und die Mikroskalenkomponente entsprechen den eng beieinander liegenden Clustern winziger Abweichungen im Profil. Das Rohprofil des Msand-Partikels zeigt mehr mesoskalige und mikroskalige Formkomponenten, was auf die Kantigkeit und raue Textur des Msand-Partikels im Vergleich zum Flusssandpartikel hinweist. Weitere Formquantifizierungen wurden an den Binärbildern von 200 einzelnen Partikeln in unterschiedlichen Größenfraktionen für beide Sande unter Verwendung des MATLAB-Algorithmus29 durchgeführt und die Durchschnittswerte der Formparameter berechnet. Die durchschnittliche Sphärizität, Rundheit und Rauheit wurden mit 0,78, 0,38 bzw. 0,0024 für Msand und 0,84, 0,42 bzw. 0,001 für Flusssand ermittelt31,32,33. Die natürlichen Verwitterungs- und Erosionsprozesse, die für die Bildung von Flusssandpartikeln verantwortlich sind, verliehen ihnen im Vergleich zu Sandpartikeln, die aus Steinen gewonnen wurden, eine höhere Kugelform und Rundheit. Der durchschnittliche Rauheitswert der Msand-Partikel ist doppelt so hoch wie die durchschnittliche Rauheit des Flusssands, was auf den mechanischen Prozess zurückzuführen ist, der beim Zerkleinern von Gestein zur Herstellung des Msands erforderlich ist.

Mikroskopische und binäre Bilder typischer Sandpartikel (a) Mikroskopisches Bild eines Flusssandpartikels (b) Binärbild eines Flusssandpartikels (c) Mikroskopisches Bild eines Msand-Partikels (b) Binärbild eines Msand-Partikels.

Rohprofile typischer Flusssand- und Msand-Partikel mit markierten mehrskaligen Formkomponenten.

Die schärferen länglichen und raueren Msand-Partikel erzeugen bei Wechselwirkung mit anderen Oberflächen wie GCL eine höhere Reibung im Vergleich zu Flusssandpartikeln, was durch die Ergebnisse von Grenzflächenschertests bestätigt wird. Während die Sande auf GCL geschert werden, gibt es neben der Adhäsion und Reibung zwischen Sandpartikeln und GCL einen weiteren wichtigen Mechanismus, der erheblich zur Scherfestigkeit der GCL-Sand-Grenzflächen beiträgt, nämlich die Sand-Faser-Verzahnung. In Abb. 11 lässt sich die Verzahnung der Sandpartikel in den GCL-Fasern für GCL-Flusssand- und GCL-Msand-Grenzflächen deutlich darstellen. Mithilfe der binären Bildsegmentierung und der Regionseigenschaftenfunktion in MATLAB wurden Fasern und Partikel unterschieden und die prozentuale Fläche des Sandpartikeleinschlusses auf GCL-Oberflächen berechnet. Unter trockenen Bedingungen betrug die Einschlussfläche von Sandpartikeln für die Grenzflächen GCL-Flusssand und GCL-Msand 3,44 % bzw. 2,29 % bei einer Normalspannung von 100 kPa. Ohne andere Einflüsse muss eine Erhöhung des Partikeleinschlusses zu einer Erhöhung der Grenzflächenscherfestigkeit führen. Allerdings zeigten GCL-Msand-Grenzflächen im Vergleich zu GCL-Flusssand-Grenzflächen trotz des relativ geringeren Einschlusses eine höhere Scherfestigkeit. Der Grund für diese höhere Scherfestigkeit ist die Form der Msand-Partikel, die alle anderen Effekte kompensiert.

Bilder von getesteten GCL-Oberflächen, die die Partikel-Faser-Verzahnung zeigen (a) GCL-Flusssand (b) GCL-Msand.

In gesättigten Tests beeinflussten Quellung und Extrusion von Bentonit die Scherfestigkeit der Grenzfläche sowie den Partikeleinschluss stark. Abbildung 12a zeigt die getestete Oberfläche von GCL nach einem Sättigungstest, bei dem extrudierter Bentonit zusammen mit einem schmierenden Wasserfilm deutlich zu erkennen ist. Der extrudierte Bentonit bildet an der Grenzfläche eine schleimige, klebrige Schicht, die die Reibung an der Grenzfläche verringert. Die an den Fasern haftende schleimige Bentonitschicht ist in Abb. 12b zu sehen, einer Fotografie des nach einem Sättigungstest getrockneten GCL. Aufgrund ihrer Klebrigkeit führt diese Schicht zu einem stärkeren Einschluss von Sandpartikeln. Die Fläche der eingeschlossenen Sandpartikel nach Sättigungstests war höher und wurde bei einer Normalspannung von 100 kPa mit 35,55 % in GCL-Flusssand und 20,80 % in GCL-Msand-Grenzflächen berechnet. Diese Ergebnisse belegen, dass die Hydratationseffekte von Bentonit im Flusssand stärker ausgeprägt sind. Aufgrund der Partikelformeffekte ist die Scherfestigkeit von GCL-Msand-Grenzflächen im Vergleich zu Flusssandpartikeln selbst unter hydratisierten Bedingungen höher.

Bilder der getesteten GCL-Oberfläche nach gesättigten Schertests, aufgenommen mit 20-facher Vergrößerung (a) Bentonitextrusion unter Hydratation, (b) extrudierter Bentonit nach dem Trocknen des GCL.

Die in dieser Studie durchgeführten Grenzflächenschertests und Bildanalysen verdeutlichen die Vorteile des Ersatzes von Flusssand in Auskleidungs- und Deckelsystemen von Deponien durch Msand und liefern wissenschaftliche Erklärungen dafür. Der praktische Nutzen dieser Studie liegt in der geringeren Verwendung von Natursand beim Deponiebau, was langfristige Vorteile für die Umwelt mit sich bringt. Die Kosten für hergestellten Sand sind im Vergleich zu den Kosten für Flusssand viel geringer, und daher hat der Ersatz große wirtschaftliche Vorteile. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass eine spezifische Abstufung von Msand hergestellt werden kann, um maximale Vorteile hinsichtlich der Scherfestigkeit der Grenzfläche zu erzielen. Die Erkenntnisse aus der vorliegenden Studie können genutzt werden, um mithilfe einer multivariablen Regressionsanalyse empirische Zusammenhänge zwischen den Formparametern von Sand und der Grenzflächenscherfestigkeit mit GCLs abzuleiten. Solche Beziehungen werden jedoch aussagekräftiger, wenn die Daten Tests mit unterschiedlichen GCLs und unterschiedlichen Wassergehalten im Sand umfassen, die in Zukunft untersucht werden können.

Die Scherfestigkeit von GCL-Sand-Grenzflächen und ihre Abhängigkeit von der Kornform werden in dieser Studie durch Schertests an GCL-Grenzflächen mit Flusssand und Industriesand (Msand) unter trockenen und gesättigten Bedingungen untersucht. Scher- und Verriegelungsmechanismen auf Mikroebene und die Auswirkungen der Kornform auf diese Mechanismen werden durch Bildanalyse untersucht. Die wichtigsten Schlussfolgerungen der Studie sind unten aufgeführt.

Aufgrund der länglichen Form und der rauen Oberflächentextur der Msand-Partikel wurde bei GCL-Msand-Grenzflächen im Vergleich zu GCL-Flusssand-Grenzflächen eine höhere Scherfestigkeit beobachtet. Sowohl der Reibungswinkel als auch die Haftung der Grenzfläche sind bei GCL-Msand-Grenzflächen relativ höher.

Neben Reibung und Adhäsion trägt die Sandfaserverzahnung an der Grenzfläche wesentlich zur Scherfestigkeit der GCL-Sand-Grenzflächen bei. Bei Msand wurde im Vergleich zu Flusssand aufgrund der Kornform eine wirksame Verzahnung beobachtet, die zu einem höheren Reibungskontakt mit den Fasern führte.

In Sättigungstests quoll Bentonit bei Hydratation auf und wurde auf die Grenzfläche extrudiert, wie aus der Bildanalyse von GCL-Oberflächen nach den Tests hervorgeht. Die Extrusion von Bentonit führte zu einem erheblichen Verlust der Scherfestigkeit an der Grenzfläche, wobei der Verlust im Fall von Msand geringer ausfiel, da Partikelformeffekte den Festigkeitsverlust kompensierten.

Diese Studie beweist, dass Msand ein wirtschaftlicher, nachhaltiger und wirksamer Ersatz für Flusssand als Untergrundmaterial beim Bau technischer Deponien sein kann.

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

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Referenzen herunterladen

Das für die Bildanalyse verwendete Digitalmikroskop wurde über das SERB POWER Fellowship (SPF/2021/000041) des Zweitautors beschafft. Die Autoren danken M/s Maccaferri Environmental Solutions Pvt. Ltd. für die kostenlose Bereitstellung der GCLs.

Abteilung für Bauingenieurwesen, Indian Institute of Science, Bangalore, Indien

Anjali G. Pillai & Madhavi Latha Gali

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AGP und MLG haben das Manuskript geschrieben und beide Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Anjali G. Pillai.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pillai, AG, Gali, ML Engineering profitiert vom Ersatz von Natursand durch hergestellten Sand im Deponiebau. Sci Rep 13, 6444 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32835-7

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Eingegangen: 27. Dezember 2022

Angenommen: 03. April 2023

Veröffentlicht: 20. April 2023

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

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