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Jul 11, 2023

Étude expérimentale sur l'imperméabilité d'un revêtement de Loess mélangé à de la bentonite

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8740 (2023) Citer cet article

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Des tests de perméabilité sont effectués en utilisant le perméamètre à paroi flexible pour étudier l'influence de la bentonite-HDTMA (bromure d'hexadécyl triméthylammonium) sur les performances de perméabilité du loess en tant que matériau de revêtement dans la décharge de déchets solides. Les résultats montrent que l'imperméabilité du loess compacté dans les cours moyen et inférieur du fleuve Jaune en Chine ne répond pas à l'exigence standard en tant que revêtement de décharge. La perméabilité du loess mélangé avec plus de 10 % de bentonite est inférieure à 1,0 × 10−7 cm·s−1. La perméabilité du Loess augmente légèrement après mélange d'une petite quantité de HDTMA. L'imperméabilité du Loess mélangé à un certain rapport bentonite-HDTMA répond toujours à l'exigence de la norme. Le HDTMA peut détruire la structure des agrégats du sol et augmenter le canal de perméat du sol. Les SEM montrent que la particule d'argile bentonite peut remplir les pores entre les particules grossières de Loess et améliorer les performances d'imperméabilité du matériau. Les photos numériques montrent que HDTMA peut résister efficacement au développement de macro-fissures du sol induites par les cycles de mouillage-séchage, ce qui permet au liner de conserver une bonne étanchéité. Sur cette base, la relation entre la conductivité hydraulique du loess modifié bentonite-HDTMA et la densité sèche est construite. D'après cette étude, le loess peut être utilisé comme matériau de revêtement pour les décharges, lorsqu'il est mélangé avec de la bentonite/HDTMA à des ratios de 10 %/0 % ou 14 %/2 %.

La décharge sanitaire est l'une des méthodes d'élimination finale des déchets solides (déchets solides industriels généraux et déchets ménagers). La décharge doit être doublée pour intercepter les polluants, y compris les métaux lourds et les composés organiques, de l'environnement vivant. Traditionnellement, l'argile est utilisée comme matériau de revêtement pour l'élimination des déchets1,2. Le loess est largement distribué dans diverses régions telles que les cours moyen et inférieur du fleuve Jaune en Chine, les grandes plaines et les basses terres centrales le long du fleuve Missouri-Mississippi en Amérique, et les zones proches des contreforts et de la ceinture de montagnes inférieures des Alpes et des Carpates en Europe, où l'argile manque en même temps. Cependant, la conductivité hydraulique du Loess après compactage peut dépasser la limite supérieure spécifiée dans la norme1,3.

La perméabilité du Loess est influencée par divers facteurs tels que la densité sèche, la concentration en ions, la température, etc. Les échantillons d'une densité sèche de 1,45 g·cm−3 ou plus présentent un élargissement des pores pendant l'infiltration en raison de réactions chimiques4,5. La perméabilité du Loess est sensible aux concentrations des solutions de CaCl2. La concentration de CaCl2 affecte la floculation des particules et le développement de la structure des pores, provoquant la désintégration des particules. La perméabilité augmente avec la température à 10 °C et 20 °C, mais diminue à 30 °C5. Et les résultats des tests montrent que la perméabilité du Loess est supérieure à 1,0 × 10−7 cm·s−1.

Des études ont exploré l'utilisation de loess modifié à la bentonite comme matériau de revêtement pour les décharges. Zhang et al.7 et Xi8 ont mélangé le loess dans les cours moyen et inférieur du fleuve Jaune avec des ratios de bentonite de 14 % et 4 %, et la conductivité hydraulique du loess modifié est inférieure ou de l'ordre de 1,0 × 10−7 cm·s−1. Liu et al.9 mélangent 6 à 7 % de bentonite dans le Loess du nord de la Chine, et la conductivité hydraulique du mélange est de 9,0 × 10−8 cm·s−1. La plupart des résultats d'essais montrent que la conductivité hydraulique des sols modifiés dans d'autres pays est inférieure à 10−7 cm·s−1 lorsque le taux de bentonite est d'environ 15 %10,11,12. Autrement dit, le loess modifié par la bentonite peut répondre à l'exigence d'imperméabilité.

Cependant, le Loess pur ou le Loess modifié à la bentonite a une capacité d'adsorption limitée pour certains polluants. Le test par lots montre que HDTMA (Hexadecy ltrimethyl Ammonium Bromide) peut améliorer de manière significative les performances d'adsorption de certains métaux lourds et polluants organiques13,14,15, sa structure chimique est illustrée à la Fig. 1. HDTMA est un tensioactif cationique, qui est chargé positivement lorsqu'il est dissous dans l'eau. Le HDTMA peut être adsorbé à la surface du minéral argileux et réagir avec le polluant par adsorption d'échange et adsorption sans échange16,17, de manière à obtenir l'effet d'adsorption ou d'immobilisation du polluant. Du point de vue des sciences de l'environnement, il est possible d'utiliser du loess modifié bentonite-HDTMA comme matériau de revêtement pour les décharges de déchets solides. Pendant ce temps, le phénomène de cycle de mouillage-séchage dans le revêtement se produit couramment, ce qui peut conduire à l'augmentation de la fissure liée à la performance d'imperméabilité18.

Structure chimique HDTMA.

Cette étude vise à étudier l'effet de la bentonite et du HDTMA sur l'imperméabilité du Loess en utilisant pour la première fois le perméamètre à paroi flexible, en se concentrant sur l'effet du HDTMA sur l'imperméabilité du Loess après des cycles de mouillage-séchage. L'objectif est de fournir des données de recherche essentielles pour la recherche de localisation du matériau de revêtement pour la décharge de déchets solides dans la région de Loess.

Le matériau utilisé dans le test est Malan Loess dans les cours moyen et inférieur du fleuve Jaune en Chine (Fig. 2). La couche arable du site est généralement retirée avant la pose de la couche de revêtement dans les pratiques d'ingénierie. Par conséquent, la profondeur d'échantillonnage de cette étude est de 1,0 à 4,0 m. L'échantillon non perturbé est caractérisé par une teneur élevée en particules fines et un indice de plasticité de 8,5, ce qui peut être considéré comme un limon typique. La bentonite utilisée dans l'étude est achetée dans la province du Shandong à proximité du site. Les propriétés physiques de base du loess et de la bentonite sont présentées dans le tableau 1. Les tests de pourcentage de particules, de gravité spécifique, de limite de liquidité et de limite de plastique suivent la norme pour la méthode de test géotechnique de la Chine19. La production HDTMA est achetée à la société commerciale, sa pureté est de 99%.

Diagramme schématique du site d'échantillonnage.

La bentonite avec un rapport de masse de 0 à 22 % et HDTMA avec 0 à 4 % sont mélangées dans le Loess, respectivement. Le matériau est mélangé uniformément, puis l'eau distillée est pulvérisée en fonction de la teneur en eau prédéterminée pour rendre le matériau uniformément humidifié, enfin placez-les dans l'hydratant pendant 60 h. Les résultats des tests de compactage montrent que la teneur en eau optimale du Loess modifié est d'environ 18,0 % et que la densité sèche maximale20 est d'environ 1,70 cm·s−1. Afin de mieux contrôler la densité sèche des échantillons, la méthode de compactage statique à énergie de compactage variable est utilisée pour l'échantillonnage dans cette étude21,22. L'instrument est une machine d'essai de pression électro-hydraulique TYA-3000. Cette recherche considère trois facteurs, à savoir le rapport de bentonite (R(Bentonite)), le rapport HDTMA (R(HDTMA)) et la densité sèche (ρ). En se référant aux résultats des tests précédents de la conductivité hydraulique du Loess23 modifié à la bentonite, les paramètres de base des échantillons de ce test sont présentés dans le tableau 2. Après compactage, les photos SEM des échantillons sont obtenues par l'instrument JSM-7001F.

Le test de perméabilité dans cette étude est effectué en utilisant le perméamètre à paroi flexible (voir Fig. 3). Le test de perméation a été réalisé à température ambiante de 20°C, avec de l'eau distillée comme liquide de perméation. Comparé au perméamètre à paroi rigide traditionnel, le perméamètre à paroi flexible dans ce test peut efficacement éviter les fuites latérales en appliquant une contre-pression, raccourcir le temps de test, contrôler avec précision l'état de contrainte principal, améliorant enfin l'exactitude et la précision du test. Selon la norme ASTM D 5084-16a24, l'échantillon est situé dans le perméamètre à paroi flexible, avec la pierre perméable et le papier filtre placés en séquence sur le haut et le bas de l'échantillon.

Schéma de principe du perméamètre à paroi flexible.

En raison de la perméabilité extrêmement faible, il est difficile de saturer l'échantillon. La saturation de la contre-pression est utilisée en premier dans ce test (Fig. 3) : (1) Après avoir installé l'échantillon dans la chambre de perméation, ouvrez le robinet à tournant sphérique F et le robinet à tournant sphérique E, et remplissez la chambre de perméation avec de l'eau. Lorsque l'eau est pleine, fermer la vanne F. Une certaine pression de confinement est appliquée à l'échantillon dans la chambre de perméation en ajustant le régulateur de pression relié au tube de mesure de la chambre de pression. (2) Remplissez d'eau les tubes d'entrée et de sortie, ouvrez les vannes à bille A et B et fermez C et D. Ajustez les deux régulateurs de pression connectés aux tubes d'entrée et de sortie pour égaliser la pression. Le gaz comprimé exerce une certaine contre-pression sur l'échantillon à travers le tube d'entrée et de sortie. (3) La surveillance en temps réel des changements de niveaux d'eau dans les tubes d'entrée et de sortie est effectuée. Si la hauteur de la tête d'eau des deux tuyaux de mesure est égale et qu'il n'y a pas de changement évident, l'échantillon peut être considéré comme saturé et le processus de saturation de la contre-pression est terminé.

Après le processus de saturation de la contre-pression, le test de perméation a été effectué. Au cours de l'essai, le débit d'infiltration a été contrôlé à travers le tube d'arrivée d'eau et la conductivité hydraulique de l'échantillon a été calculée selon la méthode de la charge variable. Les critères d'arrêt de l'essai de perméabilité comprennent : (1) Le lixiviat du tube de sortie d'eau, signifie imprégnant l'échantillon, au moins égal à un volume de pores de l'échantillon, (2) le débit d'entrée d'eau est égal au débit d'eau de sortie, (3) la conductivité hydraulique reste stable. Les trois exigences ci-dessus ont été satisfaites dans cet essai, de sorte que la valeur avant la fin de l'essai est sélectionnée comme valeur finale de conductivité hydraulique de l'échantillon. Ensuite, la pression osmotique et la pression de confinement doivent être relâchées étape par étape selon la méthode de diminution de 100 kPa toutes les 30 min pour éviter une déformation imprévisible de l'échantillon causée par un déchargement soudain lors du retrait de l'échantillon.

La formule de la conductivité hydraulique en utilisant le perméamètre à paroi flexible est :

où : K est le coefficient de perméabilité, a est la section transversale du tube (cm2), l est la longueur de l'échantillon (cm), A est la section transversale de l'échantillon (cm2), t est le temps de perméabilité (s), h1 est la charge d'eau initiale (cm), h2 est la charge d'eau finale (cm).

Après le test de perméation, tous les échantillons sont placés séparément dans les conteneurs à paroi rigide, puis effectuez un test de cycle de séchage par évaporation (pas de séchage au four)-saturation confinée (pas de saturation sous vide) dans un environnement fermé, où il n'y a pas de vent avec une température constante de 20 ± 2 °C. La teneur en eau de l'échantillon ne change pas après trois jours de mesure continue, c'est-à-dire une fin de cycle de mouillage-séchage (environ 15 jours), expérience totale de 5 cycles pour chaque échantillon. A la fin de chaque cycle, des photos numériques sont prises pour observer l'évolution des fissures apparentes. Enfin, la conductivité hydraulique de M9 et M10 est à nouveau mesurée après avoir subi 5 cycles de mouillage et de séchage, pour rechercher l'influence de HDTMA sur les performances d'imperméabilité du Loess modifié sous des cycles de mouillage et de séchage.

Les tests de perméabilité ont été effectués sur du Loess mélangé avec différents ratios HDTMA et bentonite. La figure 4 montre l'évolution de la conductivité hydraulique du loess modifié bentonite-HDTMA avec le temps. En fait, il y a au total 15 groupes de tests de perméabilité (dont deux groupes après 5 cycles de mouillage-séchage), toutes les courbes sont chaotiques lorsqu'elles sont tracées sur un seul graphique. Dans cette section, seulement six courbes typiques de M4, M6, M8, M9, M10 et M11 sont utilisées pour analyser la tendance changeante de la conductivité hydraulique avec le temps. La durée des cycles de test de perméabilité et de mouillage-séchage dure 160 jours, comme le montrent la figure 4 et le tableau 3. On peut voir sur la figure que la conductivité hydraulique diminue avec l'augmentation du temps de pénétration, et finalement tend à être stable. Au début de la pénétration, la conductivité hydraulique diminue considérablement, ce qui peut dépasser un ordre de grandeur. Au stade ultérieur de la pénétration, la conductivité hydraulique reste fondamentalement inchangée et atteint une valeur stable. En incluant les échantillons après 5 cycles de mouillage-séchage, les tests de perméabilité de tous les échantillons montrent la même tendance. Plus le rapport de bentonite dans le Loess modifié est élevé, plus le temps nécessaire pour la stabilité de la perméation est long. Le temps le plus long pour la stabilité de perméation de l'échantillon est la bentonite pure, c'est-à-dire 54 jours.

Conductivité hydraulique du loess modifié bentonite-HDTMA en fonction du temps.

Les résultats des tests montrent que la conductivité hydraulique des échantillons M1–M13 varie de 1,15 × 10−9 à 2,08 × 10−6 cm·s−1. Cependant, les valeurs de M9 et M10 sont respectivement de 1,21 × 10−7 et 5,20 × 10−8 cm·s−1 après 5 cycles d'humidification–séchage. Cela signifie que la conductivité hydraulique du Loess modifié par la bentonite ne peut tout simplement plus répondre à l'exigence standard après 5 cycles de mouillage-séchage. De plus, en mélangeant un peu de HDTMA, la conductivité hydraulique du Loess modifié augmente légèrement, mais reste d'une magnitude de 10−8 cm·s−1, répondant à l'exigence standard en Chine. En un mot, la bentonite et l'HDTMA ont un effet évident sur la conductivité hydraulique du Loess. La conductivité hydraulique du matériau de revêtement requise par la norme chinoise ne dépasse pas 1,00 × 10−7 cm·s−1. Par conséquent, il est particulièrement critique de déterminer le rapport bentonite et HDTMA dans le Loess modifié.

La figure 5 montre les caractéristiques de fissure apparente du Loess modifié après 1 à 5 cycles de mouillage-séchage. Après 5 cycles de mouillage-séchage, l'échantillon de bentonite pure (M11) développe la fissure la plus importante : les fissures partent du pourtour de l'échantillon vers le centre, s'étendent jusqu'à une certaine distance, puis se ramifient et se dilatent à nouveau. Les fissures de l'échantillon de Loess modifié à la bentonite (M9) se développent en second lieu. Les fissures des échantillons de Loess (M1) et des échantillons de Loess modifié bentonite-HDTMA (M10) se développent à peine et les échantillons ne subissent qu'un retrait de volume. De plus, le développement de fissures est progressivement évident à mesure que les cycles de mouillage-séchage augmentent pour tous les échantillons. Le loess modifié à la bentonite sans HDTMA développera une fissure après les cycles de mouillage-séchage, la fissure se développera sévèrement avec l'augmentation des temps de cycle de mouillage-séchage. Les décharges de déchets solides subissent souvent des cycles de mouillage et de séchage pendant les saisons sèches et pluvieuses pendant la pratique de l'ingénierie. En ajoutant une petite quantité de HDTMA, les effets de dégradation de ces cycles de mouillage et de séchage sur les performances d'imperméabilité du revêtement peuvent être réduits.

Fissures à la surface du loess modifié bentonite-HDTMA après des cycles de mouillage-séchage.

La figure 6 montre la relation entre la conductivité hydraulique du loess modifié bentonite-HDTMA et le rapport de bentonite, y compris les résultats de recherche de l'échantillonnage de Zhang23 dans la région nord-ouest de la Chine. On considère que la conductivité hydraulique du mélange de Loess avec un petit rapport de bentonite doit être proche de celle de la bentonite pure. La conductivité hydraulique du sol diminue lentement. Lorsque le rapport de bentonite augmente jusqu'à une certaine valeur, la conductivité hydraulique du Loess modifié diminue à un certain rythme. Au fur et à mesure que le taux de bentonite continue d'augmenter, le taux décroissant de la conductivité hydraulique ralentit progressivement et tend finalement vers une certaine valeur stable. La conductivité hydraulique du Loess modifié est proche du Loess pur lorsque le rapport bentonite est faible. Au contraire, la conductivité hydraulique du Loess modifié est proche de la bentonite pure lorsque le rapport bentonite est grand. Les résultats des tests de Chapuis et al.25,26,27 montrent également la même tendance, même le sol à gros grains est différent de cette recherche.

Conductivité hydraulique du rapport loess modifié bentonite-HDTMA vs bentonite (R (HDTMA) = 2%).

Sur la base de l'analyse ci-dessus, la conductivité hydraulique des pertes modifiées à la bentonite diminue en forme de S inverse avec l'augmentation du rapport de bentonite, ce qui correspond au modèle classique de Boltzmann. Ainsi, le modèle de Boltzmann est utilisé pour ajuster les données de test, y compris les résultats de test de Zhang23. Les proportions de bentonite du Loess modifié dans ce test sont respectivement de 0 %, 6 %, 10 %, 14 %, 18 %, 22 % et 100 %. La courbe nette pour les deux tests est de forme similaire. Étant donné que la valeur de conductivité hydraulique du Loess pur dans ce test (1,30 × 10−7 cm·s−1) est inférieure à celle de Zhang (9,34 × 10−6 cm·s−1), la courbe d'ajustement de ce test est globalement descendante jusqu'à Zhang23. Cela signifie également que le taux de bentonite pour le Loess modifié dans les cours moyen et inférieur du fleuve Jaune peut être inférieur à celui de la région nord-ouest de la Chine, afin d'obtenir les mêmes performances d'imperméabilité. Selon l'expression mathématique du modèle de Boltzmann, la relation entre la conductivité hydraulique du Loess modifié et le rapport de bentonite peut être exprimée comme suit :

Après avoir arrangé la formule (2),

où, k (Bentonite) est la conductivité hydraulique de la bentonite pure, cm·s−1 ; k (Loess) est la conductivité hydraulique du Loess pur, cm·s−1 ; R (Bentonite0) est le rapport de bentonite lorsque k = (k (Bentonite) + k (Loess))/2, % , pourrait être appelé "rapport de demi-vie" ; d est le paramètre d'ajustement.

On peut le voir à partir de la courbe ajustée (Fig. 6) et de l'Eq. (3) que le rapport de bentonite doit être supérieur à 10 % lorsque la conductivité hydraulique est inférieure à 1,0 × 10−7 cm·s−1. Et la conductivité hydraulique diminue de manière moins évidente lorsque le taux de bentonite est supérieur à 20 %. D'un point de vue économique, il est recommandé que le taux de bentonite soit compris entre 10 et 20 %.

La figure 7 montre la relation entre la conductivité hydraulique du loess modifié bentonite-HDTMA et le rapport HDTMA. Comme le montre la Fig. 7, la conductivité hydraulique du Loess modifié est passée de 9,52 × 10−8 à 1,32 × 10−6 cm·s−1 avec le rapport HDTMA passant de 0 à 4 %. Dans l'ensemble, la conductivité hydraulique du Loess modifié est augmentée après mélange avec HDTMA, et les performances d'imperméabilité sont affaiblies. En effet, le HDTMA peut réduire significativement la tension superficielle entre les interfaces des différentes phases, les fines particules de bentonite agrégées autour des particules grossières de Loess se dispersent facilement dans la phase aqueuse jusqu'à ce que l'état colloïdal apparaisse à l'état saturé28. La structure globale inhérente du sol est détruite et la particule de sol est dispersée. Cela peut être reflété par la relation entre l'indice de plasticité du Loess modifié et le rapport HDTMA (Fig. 7) : l'indice de plasticité du Loess modifié augmente avec l'augmentation du rapport HDTMA. De plus, les fortes forces d'interaction (comprenant principalement les forces hydrophobes et les forces de van der Waals) sont générées entre HDTMA et les particules de sol29, ce qui peut modifier davantage les caractéristiques de la structure des pores des particules de sol, entraînant une augmentation de la perméabilité. le résultat montre que le HDTMA a un effet régulateur positif sur la propriété physique de l'eau du Loess modifié, mais a un effet sur l'augmentation de la conductivité hydraulique sans tenir compte du cycle de mouillage-séchage. La conductivité hydraulique du Loess modifié reste de l'ordre de 10−7 après mélange de 2% HDTMA.

Conductivité hydraulique du Loess modifié bentonite-HDTMA par rapport au rapport HDTMA (R (Bentonite) = 10%).

La figure 8 montre la relation entre la conductivité hydraulique du loess modifié bentonite-HDTMA et la densité sèche. Comme le montre la Fig. 8, la conductivité hydraulique du Loess modifié passe de 2,08 × 10−6 à 1,72 × 10−7 cm·s−1 avec une densité sèche passant de 1,36 g·cm−3 (M5) à 1,69 g·cm−3 (M7). C'est facile à comprendre, la porosité de l'échantillon diminue à mesure que la densité sèche augmente, et le canal de perméat d'eau diminue, conduisant finalement à la diminution de la conductivité hydraulique et à l'amélioration des performances d'imperméabilité.

Conductivité hydraulique du loess modifié bentonite-HDTMA en fonction de la densité sèche.

Des études antérieures30,31 ont montré que la conductivité hydraulique du Loess pur diminue avec l'augmentation de la densité sèche, et la tendance à la baisse ralentit progressivement. Lorsque la masse volumique sèche du Loess est supérieure à 1,70 g·cm−3, la conductivité hydraulique est quasiment inchangée et se maintient à un niveau très bas même si la masse volumique sèche augmente (Fig. 8). Selon les recherches précédentes20, la densité sèche du loess modifié bentonite-HDTMA après compactage standard est généralement inférieure à 1,70 g·cm−3. Avec l'augmentation de la densité sèche, la conductivité hydraulique des échantillons de sol montre une tendance décroissante non linéaire. Après analyse de régression non linéaire, la relation fonctionnelle entre la conductivité hydraulique et la masse volumique sèche pour le Loess lorsque la masse volumique sèche est inférieure à 1,70 g·cm−3 est présentée dans la formule (4) :

où, ρ est la masse volumique sèche du Loess, g·cm−3 ; a, b et c sont des paramètres d'ajustement.

On peut voir sur la figure 8 que, bien qu'une petite quantité de HDTMA soit mélangée, la conductivité hydraulique du loess modifié bentonite-HDTMA a également une relation exponentielle avec la densité sèche, montrant la même tendance changeante avec le loess pur. La relation fonctionnelle ajustée par la formule (4) est montrée dans la formule (5), qui peut être utilisée comme méthode d'évaluation rapide pour une évaluation rapide de la performance d'imperméabilité du loess modifié bentonite-HDTMA in situ.

Les fines particules d'argile devraient augmenter avec l'augmentation du rapport de bentonite. La fine particule d'argile remplira le pore des particules grossières de Loess, réduisant le canal de perméat du sol et améliorant enfin les performances d'imperméabilité. Comme le montrent les Fig. 9, 10, 11, 12, les pores des particules grossières de Loess sont entièrement remplis de particules fines d'argile après avoir mélangé 10 % de bentonite (Fig. 11), et le canal de perméat est considérablement réduit, ce qui entraîne une forte diminution de la conductivité hydraulique. Selon la relation entre la conductivité hydraulique du loess modifié et le rapport de bentonite (Fig. 6), les particules grossières sont censées être "suspendues" dans les particules fines d'argile lorsque le rapport de bentonite dépasse 20%, il n'y a pas de pores entre les particules grossières de loess pour l'argile à remplir, la conductivité hydraulique ne diminuera plus de manière significative. Combiné avec les résultats des tests de Yulin Loess23, le point de vue ci-dessus peut être confirmé : la teneur en particules inférieures à 0,005 mm dans ce test atteint 22,8 %, mais la teneur en particules de même taille pour le Yulin Loess n'est que de 8,5 %, comme le montrent les Fig. 9 et 10. En raison de la teneur élevée en particules fines d'argile, la particule grossière de Loess dans ce test est la première à atteindre l'état "suspendu", et moins de rapport de bentonite est nécessaire pour atteindre la valeur stable de la conductivité hydraulique (dans ce test, R (Bentonite) = 20 % ; Zhang et al., R (Bentonite) = 40 %), illustré à la Fig. 6.

Yulin Loess23.

Lœss de Sanmenxia.

Loess modifié à la bentonite.

Loess modifié bentonite-HDTMA.

De plus, comme le montre la figure 12, la clarté du SEM pour la structure en couches d'argile est affaiblie après le mélange du HDTMA, ce qui peut être dû au revêtement de longues chaînes organiques HDTMA sur la surface des particules d'argile, et la surface des particules de sol a tendance à passer de l'inégalité à la douceur. Cela prouve indirectement que le HDTMA, en tant que cation organique, subit une réaction d'échange avec les cations échangeables entre les couches de particules d'argile, puis s'arrange entre les couches d'argile dans une structure de couche monocouche ou multimoléculaire, élargissant ainsi l'espacement des couches d'argile32. Par conséquent, la densité sèche du Loess modifié diminue et les performances d'imperméabilité sont affaiblies.

Selon la taille des particules du Loess, la distribution du Loess en Chine peut être divisée en trois régions : A, B et C (voir Fig. 13). A noter que le Loess de ce test est issu du Sanmenxia qui appartient au Loess argileux (Zone C), le test Yulin Loess de Zhang et al.23 appartient au Loess sableux (Zone A). La différence de taille des particules entraîne une grande différence dans l'effet de contrôle du rapport de bentonite sur la conductivité hydraulique pour le Loess modifié. Le loess dans ce test contient plus de particules fines d'argile, et le test de perméabilité montre également que le loess de la région C nécessite moins de rapport de bentonite pour répondre à la conductivité hydraulique requise dans la norme chinoise que la région B. On peut voir que le loess modifié à la bentonite a une meilleure perspective d'application dans la région argileuse du loess, chevauchant les tronçons moyen et inférieur du fleuve Jaune.

Répartition des 3 types de Loess en Chine33.

Le loess de Sanmenxia, ​​situé dans le cours moyen et inférieur du fleuve Jaune, est sélectionné, mélangé avec différents ratios de bentonite et de HDTMA. Le test de perméabilité est effectué en utilisant le perméamètre à paroi flexible pour explorer l'effet de contrôle de la bentonite-HDTMA sur les performances d'imperméabilité du Loess en tant que matériau de revêtement. Les ratios bentonite et HDTMA pour le liner sont proposés, conduisant aux conclusions suivantes :

les performances d'imperméabilité du Malan Loess pur ne répondaient pas aux exigences standard de la Chine pour les matériaux de revêtement sur site. L'ajout de 10% à 20% de bentonite améliore efficacement les performances d'imperméabilité du Loess en comblant les pores entre particules grossières, et cette amélioration n'est pas évidente lorsque le taux de bentonite dépasse 20%. La relation entre la conductivité hydraulique du Loess modifié et le rapport de bentonite suit le modèle de Boltzmann.

L'ajout de HDTMA a légèrement augmenté la conductivité hydraulique du Loess modifié en perturbant la structure globale inhérente au sol. Il convient de noter que HDTMA peut réduire efficacement l'effet de détérioration des cycles de mouillage-séchage sur les performances d'imperméabilité du Loess modifié.

La conductivité hydraulique du loess modifié bentonite-HDTMA a une relation exponentielle avec la densité sèche. L'étude a recommandé un rapport bentonite/HDTMA de 10 %/0 % ou 14 %/2 % pour le loess modifié comme matériau de revêtement sur le site, qui sont des valeurs de référence préliminaires pour le rapport optimal bentonite/HDTMA dans les recherches futures.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Université d'aéronautique de Zhengzhou, n ° 15 Wenyuan West Road, nouveau district de Zhengdong, Zhengzhou, 450006, Chine

Zhang Ming et Hu Dong Ke

Université du Nord-Ouest, Xi'an, 710127, Chine

Zhang Ming

Henan Urban Planning Institute and Corporation, Zhengzhou, 450006, Chine

Zhang Ming, Pan Shaoyu et Chen Guozhou

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ZM et HD ont rédigé le texte principal du manuscrit, les figures et les tableaux. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Zhang Ming.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ming, Z., Dongke, H., Shaoyu, P. et al. Étude expérimentale sur l'imperméabilité d'un revêtement Loess mélangé à de la bentonite-HDTMA. Sci Rep 13, 8740 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35433-9

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Reçu : 23 octobre 2022

Accepté : 17 mai 2023

Publié: 30 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35433-9

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