Войти
Полимеры стабилизируют грунт за счет взаимодействия с частицами грунта. Выше схематично представлены различные конфигурации, в которых молекулы полимеров (например, катионы ) могут адаптироваться при адсорбции между слоями глины в ответ на величину плотности заряда на поверхности глины. Более высокие плотности заряда здесь приводят к более плотной упаковке и большему расстоянию между глиной и глиной. Полимерная стабилизация грунта относится к добавлению полимеров для улучшения физических свойств грунта, чаще всего для геотехнической инженерии, строительства., или сельскохозяйственных проектов. Было показано, что даже при очень малых концентрациях в почве различные полимеры увеличивают удержание воды и уменьшают эрозию, увеличивают прочность почвы на сдвиг и поддерживают структуру почвы. Для решения проблем использовался широкий спектр полимеров, от предотвращения опустынивания до усиления дорожного полотна.
. К полимерам, прошедшим испытания на стабилизацию почвы, входят ассортимент синтетических полимеров и биополимеров. В частности, биополимеры предлагают более экологичную альтернативу традиционным химическим добавкам, таким как обычный цемент, которые могут выделять большое количество углекислого газа во время производства или вызывать долговременные экологические Повреждение.
Полимеры в основном влияют на агрегацию и прочность почвы за счет взаимодействия с мелкими частицами глины. Покрытия из адсорбированных полимеров на глинах могут повысить их стерическую стабилизацию, предотвращая столь близкое сближение частиц глины друг с другом. В качестве альтернативы, молекулы полимера, которые связываются с множеством частиц глины, способствуют флокуляции. Сети гидрогеля могут приводить к более косвенному укреплению внутри почвы, создавая основу для частиц почвы. Дополнительную прочность полимерным сеткам в почвах можно придать посредством химического сшивания и отверждения.
Синтетические полимеры начали заменять другие химические вяжущие для стабилизации почвы в сельском хозяйстве в конце 20 века. По сравнению с традиционными химическими вяжущими, полимерные добавки для грунта могут обеспечивать такое же усиление при гораздо более низких концентрациях - например, смеси различных биополимеров на 0,5–1% имеют уровни прочности, которые соответствуют или превышают уровни прочности 10% цементных смесей в почвах. Синтетические полимеры, включая геополимеры и биополимеры, были протестированы на их полезное взаимодействие с почвами. Способы введения полимеров в почвы включают смешивание, инъекцию, распыление и заливку. Жидкие полимеры, продаваемые в виде концентрированных растворов, можно наносить глубоко в почву путем закачки под давлением или наносить непосредственно на неуплотненную почву.
на алюмосиликатной основе, синтетические геополимеры обладают многими из тех же связывающих свойств, что и портландцемент. По сравнению с другими полимерными добавками многие геополимеры довольно прочны, обладают высокой механической прочностью и термической стабильностью. Они легко реагируют с гидроксидом кальция в воде, что позволяет им действовать как цементирующие связующие. Геополимеры обладают преимуществом в том, что они более экологически безопасны и энергоэффективны в производстве, чем традиционные химические добавки, и могут быть синтезированы из таких отходов, как хвосты шахт или летучая зола. Когда эти отходы обрабатываются щелочным реагентом, алюмосиликат быстро деполимеризуется и поликонденсируется с образованием жесткой трехмерной полимерной структуры, которая покрывает и укрепляет поры почвы. Геополимеры применялись для стабилизации из-за их устойчивости к сере и другим химическим воздействиям, которые ослабляют традиционный цемент.
Синтез хитозана, примера биополимера, который был использован в качестве добавки к почве из-за его стабилизирующих свойств. Биополимеры синтезируются в результате биологических процессов и часто менее вредны для ландшафта и его биоты из-за своего природного происхождения. Из трех типов биополимеров полисахариды оказались более полезными в качестве связующих с почвой, чем полинуклеотиды или полипептиды. Биополимеры, которые были протестированы для использования в стабилизации почвы, включают целлюлозу, крахмал, хитозан, ксантан, курдлан и бета-глюкан. Некоторые биополимеры чувствительны к воде, а более влажные почвы демонстрируют более слабое сцепление биополимера с глиной. Из-за этого при увлажнении биополимеры гелевого типа образуют гидрогели, которые имеют пониженную прочность на разрыв, но значительно более высокую прочность на сжатие по сравнению с исходным грунтом. Биополимеры на основе протеина, хотя и менее распространены, но использовались в качестве альтернативы полисахаридам для проектов, требующих большей водостойкости.
Биополимеры могут все больше заменять синтетические полимеры для почвы стабилизационные проекты. Они более экологичны, чем многие другие химические почвенные добавки, и могут обеспечить такое же укрепление при гораздо более низких концентрациях. Увеличение использования биополимеров может компенсировать выбросы диоксида углерода, связанные с производством цемента, которые могут достигать 1,25 тонны диоксида углерода на тонну цемента.
Обработка полимеров изменяет размер, форма и сцепление почвенных агрегатов за счет изменения взаимодействия между частицами почвы. Поскольку взаимодействие полимера с почвой происходит на поверхности частиц почвы, большое значение имеет площадь поверхности почвы (другими словами, ее доминирующий размер частиц ). Полимеры слабо взаимодействуют с крупными песком и частицами почвы размером с ил, в то время как они связываются непосредственно с более мелкими глинами. Хотя полимеры в основном взаимодействуют с илистой фракцией почв, они изменяют свойства песчаных почв в меньшей степени. Структура полимера определяет, как они будут взаимодействовать с частицами глины. Например, блок-сополимеры приводят к очень отличным свойствам загрязнений, чем гомополимеры, как и ионные и неионные полимеры. Кроме того, механизмы, с помощью которых различные полимеры адсорбируются на поверхности глинистых частиц, приводят к различным свойствам и откликам почвы.
Полимеры на поверхности коллоидной фракции почвы способствуют стерической стабилизации. стабилизация этих частиц путем предотвращения их сближения и агрегирования. Этот эффект наблюдается в различных водных и неводных средах, и на него не влияют электролиты в растворе. Степень стерической стабилизации зависит от количества поверхности глины, покрытой адсорбированными полимерами, прочности полимерной связи, толщины полимерного слоя и благоприятного воздействия растворителя на петли и хвосты полимера. Блок и привитые сополимеры, состоящие из двух разных гомополимеров с разной растворимостью в суспензионной среде, наиболее часто используются для стерической стабилизации. При синтезе с чередующимися областями гидрофобных и гидрофильных мономеров сополимеры могут стабилизировать суспензию, поскольку их гидрофобная группа сильно адсорбируется на поверхности коллоида, в то время как гидрофильная группа притягивается к растворителю. В общем, адсорбция полимеров на глинистые поверхности энтропийно благоприятна, потому что одна молекула полимера вытесняет множество молекул воды, которые ранее были связаны с частицей почвы.
Суспензии полимерных и глинистых частиц были использованы для понимания механизма этого стерическая стабилизация в почвах. Рассмотрим гомополимер, адсорбированный на поверхности частиц глины в суспензии. Когда частицы глины приближаются друг к другу с точностью до двухкратной толщины полимерных слоев, петли и хвосты полимеров на одной поверхности начнут блокировать их на другой поверхности, что приведет к уменьшению конфигурационной энтропии. Это неблагоприятно, потому что это увеличивает свободную энергию Гиббса системы, и для коллоидных частиц будет более энергетически выгодно находиться дальше друг от друга.
Морфология агрегатов полимер-глина продиктована энтропийный и энтальпийный вклады в энергию их взаимодействия. Три возможные морфологии, изображенные выше, включают (1) интеркалированную, в которой молекулы полимера чередуются со слоями глины, (2) флокуляцию, при которой чередующиеся слои глины / полимера начинают агрегировать, и (3) расслоение, при котором полимерная матрица поддерживает отдельные, разделенные слои глины. В целом, свободная энергия стерических взаимодействий (ΔG s) может быть выражена как функция как энергии упругого отталкивания (ΔG el), так и свободной энергия смешения (ΔG mix):
ΔGs= ΔG el + ΔG mix
Энергия упругого отталкивания (ΔG el), увеличивается по мере того, как больше полимеров адсорбируется на поверхности частиц глины. Это можно смоделировать как:
ΔGel= 2k B TΓln (Ω (h) / Ω (∞))
, где k B - Постоянная Больцмана, T - температура, Γ - количество адсорбированных полимеров на единицу площади поверхности, а Ω (h) и Ω (∞) - количество доступных конформаций при h и на бесконечных расстояниях. ΔG s из-за стерических взаимодействий также является функцией свободной энергии перемешивания (ΔG mix). Чаще всего это способствует увеличению расстояний между молекулами полимера в растворе.
В качестве альтернативы, в других условиях полимеры могут усиливать флокуляцию. Агрегаты частиц удерживаются вместе полимерами сильнее, чем электролитами. Такие взаимодействия называются мостиковыми флокуляциями, потому что одна полимерная цепь связан с несколькими частицами почвы. Примеры распространенных мостиковых полимеров включают полиакриламид (PAM) и полиэтиленоксид. В одном исследовании было обнаружено, что PAM увеличивает размер хлопьев каолинита в экспериментах с суспензиями от 10 мкм до нескольких миллиметров. Максимальные преимущества в отношении прочности флокуляции достигаются, когда полимеры покрывают площадь поверхности, равную половине способности насыщения полимера. Добавление полимера сверх этого значения заставляет полимер действовать как смазочный материал, позволяя частицам почвы s, чтобы скользить друг по другу.
Структура монтмориллонитовой глины, глины 2: 1, состоящей из четырехгранных листов, окружающих октаэдрический лист. Частицы глины только слабо связаны друг с другом, поэтому различные катионы или полимеры могут быть связаны в межслоевом пространстве. Было показано, что биополимеры укрепляют почвы как за счет сцепления с частицами глины с образованием матриц полимер-глина, так и за счет стимулирования агрегация более крупных частиц почвы между собой в полимерно-глинистой матрице. Гидроксильные группы на биополимерах полисахаридов позволяют им образовывать водородные связи непосредственно с заряженными частицами глины (в сухих почвах), а также с самой почвенной водой (во влажной почве). Этим взаимодействиям способствует большая площадь поверхности как самих биополимеров, так и частиц глины, с которыми они связаны. Когда ионизированные полимеры (например, многие биополимеры) с таким же зарядом, как частицы глины, адсорбируются на их поверхности, они усиливают отталкивание двойного электрического слоя.
Прочность полимера цепи могут быть усилены посредством сшивания, которое увеличивает взаимодействия между цепями за счет связывания с другим реагентом. Высокая механическая прочность смесей грунт / полимер после сшивания может сделать многие полимеры более подходящими для проектов по стабилизации грунта. Время отверждения после добавления полимера также может повлиять на прочность сформированных структур полимер-грунт. После семи дней отверждения жидкий полимер SS299 дал грунт, в два раза превышающий прочность на сжатие необработанного грунта. Некоторые полимеры также могут приобретать прочность намного быстрее во время отверждения, чем традиционные неполимерные химические добавки.
Структура полиакриламида (ПАМ), обычного синтетического полимерного флокулянта. используется для увеличения размеров заполнителей в богатых глиной почвах. Характеристики почвы, которые были изменены добавлением полимеров, включают прочность на сжатие, стабильность объема, гидравлическую прочность и проводимость. Полимеры могут помочь предотвратить эрозию почвы и увеличить проникновение воды, укрепляя почвенные агрегаты и поддерживая структуру почвы. Свойства самой почвы являются основным фактором, определяющим способность полимеров взаимодействовать с ней. Исследование катионного щелочного полимера SS299 (коммерчески производимая добавка) показало, что свойства обработанных почв зависят от индекса пластичности исходного грунта, который отражает содержание в нем глины.
Набухание биополимеров гидрогелем уменьшает количество порового пространства почвы, ограничивая поток воды и подходя к полимерным гидрогелям для строительных проектов, стремящихся минимизировать просачивание воды и поддерживать рост растительности. Биополимеры можно добавлять в почвы вместе с синтетическими полимерами, чтобы использовать свойства обоих полимеров. За счет увеличения степени удержания воды и инфильтрации в почве добавление биополимеров увеличивает доступность воды для растений. Это особенно применимо в засушливых регионах, таких как пустыни, где из-за засухи почвы становятся чувствительными к высокой скорости эрозии во время выпадения осадков. Удерживая воду, улучшенные почвы уменьшают сток и сопровождающую его эрозию. 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.
