연약 토양 안정화에서 나노 소재의 영향: 나노실리카 및 나노클레이

요약

엔지니어와 설계자는 토양의 품질을 개선하기 위해 일반적으로 사용되는 다양한 안정제를 첨가하여 토양을 개선하는 절차를 자주 활용합니다. 약한 자연 토양에 나노 입자를 첨가하여 나노 규모 또는 1nm에서 100nm 사이의간격을 메우고 모든 지반 품질을 향상시키는것과 같은 최신 방법을 나노 기술이라고 합니다. 이 연구에서는 나노 토양 입자인 나노클레이와 나노실리카로 안정화된 연약 토양이 지반 매개변수에서 얼마나 잘 작동하는지 평가하기 위해 실험실 테스트를 수행했습니다. 이 연구의 주요 목표는 나노실리카 및 나노클레이의 적당한 농도(0.05%, 0.15%, 0.25%, 0.35%)가 토양의 물리적 품질을 어떻게 개선할 수 있는지 조사하는 것입니다. 나노 물질을 사용한 토양 안정화는 지표 및 공학적 특성을 포함한 모든 지질 공학적 매개 변수를 증가시키고 안정화된 연약 토양의 토양 강도 및 유효 전단 강도를 개선하는 등 좋은 결과를 보여주었습니다. 또한 나노클레이 효과의 이상적인 용량을 토양에 제공했습니다. 1% 나노실리카 및 0.15% 나노클레이에서 1.81kN/m2의 건조 밀도를 달성했습니다. 양생 28일 후, 나노 입자로 채워진 다공성 공간과 토양의 압축 강도가 향상됨에 따라 비구속 압축 강도 특성은 1% 나노실리카 및 0.15% 나노클레이에서 0.201 MPa에서 0.821 MPa로 증가했습니다. 안정화는 사면 안정성, 교통, 지반 및 토목 안정성과 관련된 모든 제방에 도움이 됩니다.

키워드

나노실리카, 나노클레이, 비구속 압축 강도, 표준 프록터 테스트

1.소개

자연적으로 점토질인 토양은 현대 지반 공학 프로젝트의 기초 지지력 사양을 충족하는 경우가 거의 없습니다. 높은 압축성, 높은 팽창 및 수축 가능성, 낮은 투수성, 낮은 전단 강도 및 낮은 침투성 때문에 연약 토양은 문제가 있는 토양으로 간주됩니다. 2]에 따르면 연약 토양은 예측할 수 없는 거동과 바람직하지 않은 공학적 특성을 가지고 있다고 합니다. 강도, 내구성, 변형 저항성과 같은 공학적 특성을 개선하기 위해 토양에 재료를 추가하거나 토양의 자연적 특성을 변경하는 과정을 토양 안정화라고 합니다. 토양 안정화 기술을 분류하는 데는 기계적, 화학적, 물리적 기술의 세 가지 일반적인 범주를 사용할 수 있습니다. 일반적으로 기초 토양은 다양한 보강재 또는 처리재를 추가하여 강도와 변형 특성을 변경하거나 개선할 수 있습니다 [7], [13], [12], [19] 및 [20]. 이러한 화합물은 복합 경화제, 이온성 토양 안정화 물질, 무기 바인더의 세 가지 범주로 나뉩니다. 화학적 토양 개질의 경우, 다른 안정화 물질 중에서 무기 결합제(시멘트, 석회, 플라이애시 및 이들의 혼합물 등)가 일반적으로 사용됩니다[3]. 18]에 따르면 초기 평균 유효 응력이 낮거나 시멘트 함량이 높을수록 시멘트 토양은 더 부서지기 쉬운 응력-변형 거동을 보이며 탄성 계수와 피크 강도가 상당히 상승합니다. 12]에 따르면 시멘트 토양에 폴리프로필렌 섬유를 첨가하면 섬유 함량이 증가하여 파괴 시 주 응력 비율과 피크 및 잔류 전단 강도가 증가합니다. 일련의 실험에서 [15]는 점토질 토양에 나노 실리카를 첨가한 결과 점토의 팽창 지수가 감소하는 것을 발견했습니다. 공학 응용 분야, 특히 토목 공학에 관심이 있는 연구자들은 최근 나노 소재와 나노 입자에 점점 더 많은 관심을 보이고 있습니다. 나노 소재는 입자 크기가 1~100nm이고 비표면적이 매우 큰 초미세 물질의 일종입니다. 나노 입자는 전체적으로 표면적이 커지고 효과적인 촉매로 기능할 수 있기 때문에 초기 크기보다 반응성이 높아져 새로운 용도의 물질을 개발할 수 있습니다. 오히려 나노 입자의 표면적이 넓어지면 나노 복합재처럼 혼합된 구성 요소 간의 접촉 면적이 증가하여 재료의 강도가 높아집니다. 결과적으로 반응성이 높아져 다양한 용도로 토양의 특성을 향상시키는 데 유용할 수 있습니다. 나노실리카로 알려진 특정 종류의 나노 입자는 미세한 이산화규소 입자로 구성되어 있습니다. 나노실리카는 점토 토양에 적용하면 여러 가지 이점을 얻을 수 있으며, 그 중 일부는 토양의 질을 향상시킬 수 있습니다. 플라이애시, 시멘트, 실리카 흄, 석회와 같은 첨가제를 사용하여 점토를 안정화하면 입자의 크기가 미세하여 압축, 전단 강도, 비중, 가소성 지수, 투과성 등 기공의 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다 [4] [16]. 이러한 추가 작업만으로는 토양 성능을 충분히 향상시키지 못하며, 공극은 부분적으로만 채워집니다. 나노 규모의 토양 공극을 메우고 토양을 더 단단하게 만들기 위해 나노 기술이 사용됩니다 [17] [9] [1]. 이는 토양의 투과성, 비중, 다짐, 전단 강도 및 가소성 지수에 전반적으로 더 큰 영향을 미칩니다. 크기 효과, 양자 효과, 표면 효과, 계면 효과는 나노물질의 네 가지 주요 구조적 특성입니다[6]. 나노물질은 과학, 환경, 경제, 제품 품질 향상 측면에서 많은 이점을 제공합니다. 모든 나노 소재 중에서 나노클레이는 토양 지수 및 공학적 특성 측면에서 우수한 성능을 보여주었습니다. 극소량의 나노클레이를 토양에 첨가하면 액체 한계를 개선하고 가소성 지수에 영향을 미치는 것으로 입증되었습니다[21]. 나노 입자가 널리 사용됨에 따라 비용이 크게 하락하여 지반 공학 산업에서 널리 사용될 수 있는 길이 열렸습니다.

이 연구의 목적은 나노 입자가 점토 토양에 어떤 영향을 미치는지 살펴보는 것입니다. 연구는 나노실리카 및 나노클레이가 보충된 점토 토양을 대상으로 진행되었습니다. 이상적인 비율을 결정하기 위해 먼저 모점토 샘플에 나노실리카를 0.7%, 1%, 1.2%, 1.5% 단위로 첨가했습니다. 그런 다음 샘플을 0.05%, 0.15%, 0.25%, 0.35%의 나노클레이와 결합했습니다. 자연 상태의 점토 토양 샘플과 화학적으로 안정화된 점토 토양 샘플의 특성을 비교했습니다. 이 연구에서는 나노 재료(나노클레이 및 나노실리카)를 사용하여 강도 품질과 아터버그 한계 파라미터를 향상시키는 효과에 대한 실험적 조사를 조사했습니다. 실험 결과, 소량의 나노소일을 첨가하면 연약 토양의 지반 특성이 크게 향상되는 것으로 나타났습니다.

2.재료 및 방법

바일 다카티아에서 자연 토양 샘플을 채취했습니다. 이 지역은 쿨나 지역의 두무리아 및 풀탈라 하위 지구의 행정 경계 안에 위치하고 있으며, 이 중 50%의 지역이 0.5m에서 2m의 수심 아래에 있습니다. 경도는 89'20'e와 89'35'e, 위도는 22'45'n과 23'00' 사이에 위치합니다. 채취한 토양은 울퉁불퉁했습니다. 처리하지 않은 채로 25kg이 넘는 양을 사용하지 않는 봉투에 담았습니다. 그런 다음 흙을 자연 건조시켰습니다. 우선 땅은 축축했습니다. 건조된 흙 덩어리는 공기 건조 과정이 완료된 후 수작업으로 분쇄했습니다. 그 후, 분말 토양은 ASTM C136에 따라 체질되었습니다. 입자 크기 분포는 그림 1에 나와 있습니다. 실험을 위해 공기 건조된 토양은 충분하지 않아 105°C 오븐에서 24시간 동안 오븐 건조했습니다. 이 연구에 사용된 첨가제는 나노실리카 및 나노클레이였습니다. 나노클레이와 나노실리카는 시료 준비를 위해 다양한 비율로 토양에 첨가되었습니다. 인도 콜카타에서 600g의 나노클레이를 채취했습니다. 나노실리카 1kg은 인도 쿨나 과학 스토어에서 수집했습니다. 테스트에 필요한 양은 토양 온도에서 24시간 동안 오븐에서 건조시켰습니다. 테스트를 위해 두 가지 유형의 시료를 준비했습니다. 먼저 나노실리카의 최적 양을 조사하기 위해 0.7%, 1%, 1.2%, 1.5%의 나노실리카를 모토와 혼합했습니다. 그런 다음 나노 실리카의 최적 함량에 따라 0.05%, 0.15%, 0.25% 및 0.35%의 나노 점토를 토양과 함께 첨가하여 시험용 시편을 만들었습니다. 모든 테스트에 대해 나노실리카 및 나노클레이에 대해 4개의 시편을 준비했습니다. 사용된 나노실리카의 화학적 조성은 표 1에 나와 있습니다.

이 연구에서는 각 지역에서 모점토 샘플을 채취하고 실험실에서 시험용 샘플을 준비했습니다. 모든 테스트는 실험실에서 수행되었습니다. 본 연구의 방법론에 대한 흐름도는 아래와 같습니다:

표 1: 사용된 나노 실리카의 화학 성분

그림 1: 테스트 토양의 입자 크기 분포.

3.결과 및 논의

3.1 나노 실리카가 연약 토양 안정화에 미치는 영향

3.1.1나노 실리카가 토양의 아터버그 한계에 미치는 영향

그림 2는 안정화된 토양의 액체 한계와 나노 실리카 함량과의 연관성을 보여줍니다. 모 샘플에 비해 안정화된 점토질 샘플은 테스트에서 액체 한계 값이 더 낮습니다. 나노 실리카의 비율이 증가함에 따라 액체 한계가 상승합니다. 채취한 점토 시료의 액체 한계는 43.25였습니다. 나노 실리카가 0.7%인 안정화된 점토의 액체 한계 값은 44.33이었습니다. 토양을 안정화시키는 데 사용된 1% 나노실리카의 액체 한계 값은 44.64였습니다. 1.2% 나노실리카를 사용했을 때 액체 한계는 45.43이었습니다. 1.5% 나노실리카를 사용한 안정화 시료의 액체 한계는 최대값입니다. 액체 한계의 최대값은 45.86입니다. 소성 한계 테스트의 경우 나노 실리카 비율이 증가함에 따라 안정화 토양에 대한 소성 한계가 증가했습니다. 모 토양 샘플의 경우 소성 한계는 23.54였습니다. 0.7% 나노 실리카를 첨가하면서 플라스틱 한계가 증가하여 25.98을 기록했습니다. 나노실리카의 비율이 증가함에 따라 가소성 한계가 증가했습니다. 가소성 지수는 다른 함량을 다른 비율로 첨가하면서 테스트에서 변화했습니다. 마더 샘플의 가소성 지수는 19.71이었습니다. 나노실리카 1%로 안정화된 토양의 가소성 지수는 18.09로 가장 낮았습니다. 따라서 1%의 나노실리카가 가장 좋은 결과를 보여줍니다. 가소성 지수의 변화는 그림 2에나와 있습니다. (Foad Changizi, 2017)에 따르면 실험 결과와 유사했습니다. 토양이 하중을 받아 침하 또는 응집될 것으로 예상되는 정도를 결정할 때 현장에서 아터버그 한계를 기준으로 사용할 수 있습니다. 현장의 수분이 액체 한계에 가까우면 침하가 많이 일어날 것으로 예상됩니다. 현장 수분이 소성 한계에 가깝거나 그보다 낮으면 그 반대입니다. 실험에서는 가소성 지수가 감소했다가 상승하고, 액체 한계가 상승하고, 가소성 한계가 상승합니다 .예를 들어 1% 나노실리카를 사용하여 토양을 안정화하면 침하 속도가 감소합니다. 따라서 화학 첨가제로서 1% 나노실리카는 점토질 토양 시료의 특성을 향상시키는 최적의 안정제입니다.

3.1.2나노 실리카가 토양의 다짐 특성에 미치는 영향

표준 감독관 테스트가 수행되었습니다. 이 테스트에서 안정화된 토양의 최적 수분 함량은 감소하고 최대 건조 밀도는 증가했습니다. 최적 수분 함량은 마사토의 경우 18.6%였습니다. 그 후 나노 실리카 비율이 증가함에 따라 최적 수분 함량은 감소하여 1.5% 나노 실리카에서 15.7%로 가장 낮았습니다. 최대 건조 밀도는 점토 토양, 0.7% 나노실리카, 1% 나노실리카, 1.2% 나노실리카 및 1.5% 나노실리카 안정화 토양에서 각각 1.75 KN/m2, 1.766 KN/m2, 1.78 KN/m2, 1.77 KN/m2 및 1.76 KN/m2를 나타냈다. 이 결과는 [5] [1]과 유사합니다.

그림 2: 가소성 지수(미처리 토양 + 나노 실리카)

그림 3: 나노실리카 혼합 토양 샘플의 다짐 특성

3.1.3나노 실리카가 비구속 압축 강도 시험에 미치는 영향

토양 시료의 기계적 특성을 결정하기 위해 비굴착 압축 시험(UCT)을 사용했습니다. 이 시험은 토양의 배수되지 않은 강도와 응력-변형률 특성을 결정합니다. 여기서 나노실리카 1일 강도 관계는 그림 4에 나와 있습니다. 토양 건조 중량의 0.7, 1, 1.2, 1.5%의 모든 비율 중 나노실리카의 비율 1에서 가소성 지수가 가장 낮고(21%에서 19.5%), 최대 건조 밀도(1.75에서 1.78 KN/m2)가 유의하게 높습니다. 모든 비율 중에서 1% 나노실리카가 가장 좋은 결과를 보였으며, UCT 값이 1%로 가장 높았습니다. 그래서 1% 나노 실리카가 토양에 대한 최적의 용량으로 선택되었습니다.

그림 4 : 나노 실리카 혼합 토양 샘플의 UCT 테스트

3.2 점토 토양 + 1 % 나노 실리카에 대한 나노 클레이의 효과

3.2.1나노클레이가 토양 + 1% 나노실리카의 아터버그 한계에 미치는 영향

테스트에서 액체 한계는 안정화된 점토 시료에서 모 시료보다 낮은 값을 가졌습니다. 액체 한계는 나노 실리카 및 나노 점토의 비율이 증가함에 따라 증가했습니다. 수집된 점토 시료의 액체 한계는 43.25였습니다. 1% 나노실리카 + 0.05% 나노클레이로 안정화된 점토의 액체 한계 값은 41.57이었습니다. 토양을 안정화하기 위해 1% 나노실리카 + 0.15% 나노클레이를 사용했을 때 액체 한계값은 41.89였습니다. 1% 나노실리카 + 0.25% 나노클레이를 사용했을 때 액체 한계값은 45.43이었습니다. 1% 나노실리카 + 0.35% 나노클레이로 안정화된 시료의 액체 한계는 최대값입니다. 액체 한계의 최소값은 45.86입니다. 테스트에서 안정화된 토양의 경우 소성 한계가 증가합니다. 모 토양 샘플의 경우 소성 한계는 23.54였습니다. 1% 나노 실리카 + 0.05%를 첨가하는 동안 가소성 한계가 증가하여 24.25를 기록했습니다. 나노 점토의 비율이 증가함에 따라 가소성 한계가 증가했습니다. 가소성 지수는 다양한 함량을 다른 비율로 첨가하는 동안 테스트에서 변화했습니다. 이는 나노클레이를 사용한 이전 연구[21]와 일치하는 결과이며, 모시료의 가소성 지수는 19.71이었습니다. 1% 나노실리카 + 0.15% 나노클레이 안정화 토양의 가소성 지수는 16.89로 가장 낮았고, 최적의 양은 8이었습니다[8]. 따라서 0.15%의 나노클레이가 가장 좋은 결과를 보여줍니다. 가소성 지수의 변화는 그림 5에 나와 있습니다.

3.2.2나노클레이가 토양 + 1% 나노실리카의 다짐 특성에 미치는 영향

테스트에서 최적의 수분 수준이 높아질수록 최대 건조 밀도는 감소합니다. 1% 나노실리카+ 0.05% 나노클레이, 1% 나노실리카+ 0.15% 나노클레이, 1% 나노실리카+ 0.25% 나노클레이, 1% 나노실리카+ 0.35% 나노클레이로 안정화된 점토의 경우 최적 수분 수준은 각각 16.3%, 15.2%, 14.9% 및 14.7%로 나타났습니다. 그림 6은 다짐 특성을 보여주는데, [11]의 결과를 통해 확인할 수 있습니다.

3.2.3나노 점토가 토양+1% 나노 실리카의 비구속 압축 강도 시험에 미치는 영향

나노실리카와 나노클레이의 이상적인 조합을 찾기 위해 나노실리카의 최적 비율과 나노클레이의 비율을 다르게 혼합하여 나노실리카와 나노클레이의 이상적인 조합을 찾기 위해 나노실리카의 최적 비율과 나노클레이의 비율을 다르게 혼합하여 나노실리카의 최적 비율을 찾았습니다. UCT 테스트는 1일, 3일, 7일, 14일, 28일에 실시했습니다. 14일 테스트에서는 상당한 개선이 있었습니다. 이는 포졸란 반응 때문입니다. 최적의 나노실리카를 찾은 후 나노클레이를 0.7%, 1%, 1.2%, 1.5% 등 다양한 비율로 혼합 점토토에 첨가한 결과, 나노클레이 0.15%에서 최대 강도가 나타났고 강도 향상은 67%였으며, 이는 [11]의 결과와 매우 유사한 것을 확인할 수 있었습니다. 그 결과 점토 토양 안정화를 위한 적정 나노 실리카 및 나노 클레이의 양을 발견했습니다. 결과는 그림 7에 나와 있습니다.

그림 5 : 가소성 지수 (점토 토양 + 1% 나노 실리카 + 나노 클레이)

그림 6 : 나노클레이 혼합 토양 샘플의 다짐 특성

24시간 후 (나노실리카 1% + 나노클레이 0.15%) 조합에서 가장 높은 강도 개선이 62%로 나타났습니다. 토양의 건조 중량 비율 중 나노클레이 0.15 %는 최대 비중, 가소성 지수 감소 및 최대 건조 밀도를 크게 개선했습니다. 따라서 0.15% 나노클레이가 최적이었습니다.

3.3 1% 나노실리카 +0.15% 나노클레이가 연질토양의 투수성 시험에 미치는 영향

연질 점토 토양에 이상적인 수분 함량, 최대 건조 밀도, 나노실리카 및 나노클레이의 최적 용량을 조합하여 투과성 특성을 위한 샘플을 준비했습니다. 샘플은 수분 증발을 방지하기 위해 최종 포장에 보존되었습니다. 생성된 샘플은 ASTM D 2434에 명시된 투과성 특성을 충족하고 지침에 따라 평가되었습니다. 특히, 연질 점토 토양은 이상적인 수분 함량, 최대 건조 밀도, 나노실리카 및 나노클레이의 양과 결합되었습니다. 나노실리카 및 나노클레이가 혼합된 토양의 투수성 매개변수에 대한 결과는 표 2에 나와 있습니다. 이 테스트는 투과성 매개변수가 이전에 조사된 것과 완전히 다른 것으로 나타났습니다[14]. 이상적인 용량의 나노클레이를 첨가하자 진공 공간이 나노 수준의 나노 물질로 채워져 완전히 뚫을 수 없는 토양으로 작용했습니다.

표 2: 투과성 특성

그림 7: 강도 개선 변화 for 다른 테스트 일 (점토 토양+ 1% 나노실리카+나노클레이 )

4.결론

나노실리카 및 나노클레이를 사용한 강화 점토, 지수 및 점토의 공학적 특징에 대한 실험 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출했습니다:

• 저압축성 점토(CL) 토양은 아터버그의 한계에 의해 결정됩니다. 토양의 OMC와 MDD는 각각 18.18%와 1.62g/cc입니다.
• 점토 토양의 UCS는 0.201 Mpa로 결정되었으며, 투수 계수는 약 4.6 * 10-4 cm/s입니다. 최종 응집 침강은 약 4.4mm이며 응집 계수는 0.043cm2 /분으로 확인되었습니다. 따라서 압축성이 높은 점토가 토양을 구성하고 있음이 분명합니다.
• 이상적인 수분 함량, 최대 건조 밀도 및 나노실리카의 비율은 토양 건조 중량의 0.7, 1, 1.2 및 1.5 %와 같이 연약 점토 토양과 결합되었습니다.
• 토양에 나노실리카가 1% 함유된 경우 최대 건조 밀도는 최대 1.78kN/m2까지 상승했으며 입자 크기 분포에 영향을 미쳤습니다.
• 모든 비율 중에서 나노실리카 1%의 강도가 가장 좋은 결과를 가져왔습니다.
• 나노실리카 처리 토양의 비율 1은 모든 비율 0.7, 1, 1.2, 1.5% 중에서 가소성 지수(21%에서 19.5%)가 가장 낮았고, 최대 건조 밀도(1.75에서 1.78 kN/m2)가 가장 컸습니다. 토양에 첨가할 이상적인 나노실리카의 양을 결정하기 위해 각 조정은 1%의 백분율로 이루어집니다.
• 나노클레이를 포함하면 입자 크기 분포에 영향을 미치고 액체 및 플라스틱 한계를 변경했습니다. 가소성 지수의 최대 감소는 토양 혼합 나노클레이의 0.15%에서 발생했습니다.
• 최대 건조 밀도는 입자 크기 분포에 영향을 미쳤으며 토양 내 나노클레이 비율 0.15%에서 최대 1.81kN/m2까지 상승했습니다.
• 토양의 모든 건조 중량 비율 중 나노클레이 처리 토양 비율 0.15%에서 가장 높은 비중, 가장 낮은 가소성 지수, 유의미한 최대 건조 밀도가 관찰되었으며, 토양에 첨가할 이상적인 나노클레이의 양을 결정하기 위해 각 조정은 0.15%의 비율로 이루어졌습니다.
• 토양은 완전히 불투과성으로 작용했고, 나노물질로 채워진 전체 기공과 이상적인 나노클레이의 양은 모두 투과성이 0이었습니다.

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이 논문은 타우시프 이슬람 차우두리가 제출한 SAM의 2024 장학금 제출물입니다.

*교신저자

타우시프 이슬람 초두리* ¹, 주마나 악터 ², 무샤로프 호사인 서니 ³, 파힘 샤하리아 아디토 4

¹ 방글라데시 쿨나 공과대학교 건축공학 및 건설관리학과 대학원생

² 방글라데시 쿨나 공과대학교 건축 공학 및 건설 관리학과 조교수

³ 대학원생, 방글라데시 쿨나 공과대학교 건축공학 및 건설관리학과, 대학원생

⁴ 방글라데시 쿨나 공과대학교 건축 공학 및 건설 관리학과 대학원생