Xanthan-Biopolymer

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 11666 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie haben wir den Einfluss von Xanthangummi-Biopolymer (XG) auf Kaolinitgewebe mithilfe von Röntgenbeugung (XRD) und die daraus resultierenden Veränderungen im Verdichtungsverhalten und der Scherfestigkeit von Kaolinitböden untersucht. Die XRD-Peakanalyse ergab, dass XG Kaolinitgewebe in Face-to-Face-Assoziationen verwandelte. Darüber hinaus zeigte die Rasterelektronenmikroskopie der Umwelt die Bildung von XG-Brücken zwischen Kaolinitpartikeln, was zu einer Veränderung der Gewebe und anschließend zu einer Verbesserung der Widerstandsfähigkeit von Kaolinit gegenüber äußeren Kräften führte. Folglich nahm mit zunehmendem XG-Gehalt die maximale Trockendichte ab und die undrainierte Scherfestigkeit zu. Die viskosen XG-Hydrogele erzeugten einen höheren optimalen Feuchtigkeitsgehalt und einen erhöhten Widerstand gegen Scherkräfte. Diese Studie zeigte, dass XG die mechanischen Eigenschaften von Kaolinit beeinflusst, indem es Kaolinitgewebe verändert (bis zu 0,5 % des XG-zu-Kaolinit-Massenverhältnisses) und Porenflüssigkeiten absorbiert (überschüssiges XG über 0,5 % des XG-zu-Kaolinit-Massenverhältnisses). ).

Die weltweiten Kohlendioxidemissionen (CO2) und die zunehmende globale Erwärmung haben zu einem katastrophalen Klimawandel geführt, einschließlich steigendem Meeresspiegel, Hitzewellen und Niederschlagsungleichgewichten1,2,3. Um die Bedenken im Zusammenhang mit dem Klimawandel auszuräumen, haben Geotechnikingenieure verschiedene Studien durchgeführt, um umweltfreundliche Materialien zu entwickeln, die den Einsatz von gewöhnlichem Portlandzement (OPC) in Bodenverbesserungsmaterialien ersetzen sollen4. Das OPC ist für 5–7 % der anthropogenen CO2-Emissionen verantwortlich, wobei pro Tonne Produktion eine Tonne CO2-Emissionen entsteht5,6.

Die biopolymerbasierte Bodenbehandlung (BPST), bei der exokultivierte Biopolymere aus dem Stoffwechsel lebender Organismen zur Bodenverbesserung verwendet werden, wurde eingehend auf ihre Integration als umweltfreundliche Bodenverbesserungstechnik untersucht7,8,9. Die Biopolymere beeinflussen die Bodenkörner, indem sie die Porenflüssigkeitsviskosität und die Partikelwechselwirkung erhöhen10. Basierend auf der Wechselwirkung von Biopolymeren und Böden haben Biopolymere ihre Fähigkeit gezeigt, die Bodenkonsistenz11, die Koagulation12, die Bodenfestigkeit13,14,15,16,17,18, die Oberflächenerosion19,20,21,22 und die hydraulische Leitfähigkeitskontrolle23,24 zu verbessern. 25,26.

Im Zusammenhang mit Tonen kann das Vorhandensein von Biopolymeren zu einer direkten Ionenbindung mit der Oberfläche von Tonpartikeln27 führen, was zu Veränderungen des Tongewebes und der geometrischen Anordnung der Bodenpartikel10,11 führt. Beispielsweise untersuchten Mahamaya et al.28 die Wirkung von Xanthangummi (XG), Guarkernmehl und Zellulosebiopolymeren auf Flugasche und Minenrückstände. Die Studie zeigte Verbesserungen der Indexeigenschaften, der Druckfestigkeit und der Wassererosionsbeständigkeit, die auf morphologische Veränderungen aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Boden und den langkettigen Biopolymersträngen zurückzuführen sind. In ähnlicher Weise fanden Hamza et al.29 heraus, dass die XG-induzierte Tonaggregation die geotechnischen Parameter von Böden wie Festigkeit, Konsolidierung, hydraulische Leitfähigkeit und Frost-Tau-Widerstandsfähigkeit verbesserte. Kang et al.30 verglichen die Auswirkungen verschiedener Biopolymere auf die Absetzeigenschaften von Kaolinit und Flugasche und zeigten, dass kationische Biopolymere durch Brückenbildung und Ladungsneutralisierung Stoffveränderungen in Kaolinit hervorriefen, was zu einer erhöhten Absetzgeschwindigkeit führte. Mikroskopische Techniken, einschließlich Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), wurden in früheren Forschungen häufig eingesetzt, um die Wechselwirkungen zwischen Biopolymeren und Tonen zu untersuchen. Elektronenmikroskopische Techniken weisen jedoch praktische Einschränkungen auf, einschließlich Herausforderungen bei der Probenvorbereitung und begrenzter Oberflächenbeobachtung31, die ein umfassendes Verständnis der Wirkung des Biopolymers auf das Gewebe von Massentonmaterialien behindern.

Um diese Wissenslücke zu schließen, zielt diese Studie darauf ab, das Gewebe von mit XG-Biopolymer behandeltem Kaolinit mithilfe der Röntgenbeugungstechnik (XRD) sowie Variationen seiner mechanischen Eigenschaften zu untersuchen und zu analysieren. Die XRD-Technik wird aufgrund ihrer Fähigkeit, Tiefen von 30–50 μm zu untersuchen, häufig zur Analyse der Struktur von Massentonen eingesetzt32,33. Unter einer Vielzahl organischer Polymere30 wurde XG in dieser Studie aufgrund seiner breiten Verwendung in verschiedenen Anwendungen34,35,36, vielversprechenden Ergebnissen bei der Verbesserung der geotechnischen Eigenschaften13,37,38 und einzigartigen rheologischen Eigenschaften wie der Bildung von viskosen Hydrogelen und Pseudoplastik ausgewählt Verhalten39,40. Diese Eigenschaften machen XG zu einem geeigneten Kandidaten für die Untersuchung seiner Auswirkungen auf das Gewebe und die mechanischen Eigenschaften von Kaolinit-Ton. Um das Ziel der Studie zu erreichen, wurden mehrere experimentelle Methoden eingesetzt. Die XRD-Muster von XG-behandelten Kaoliniten wurden erhalten, um die Struktur von Tonen durch Vergleich der Röntgenpeaks und ihrer Amplituden zu bestimmen. Durch die Integration von SEM und Umwelt-SEM (ESEM) untersuchte diese Arbeit visuell das Gewebe von XG-behandeltem Kaolinit im trockenen und feuchten Zustand. Basierend auf visuellen Beobachtungen wurden das Verdichtungsverhalten und die Su von XG-behandelten Kaoliniten analysiert, um den Einfluss von XG auf die grundlegenden Eigenschaften der Kaolinite zu analysieren.

Abbildung 1 zeigt die XRD-Muster von XG-behandelten Kaoliniten. Die grundlegenden Eigenschaften sind in den erweiterten Daten Abb. 1 und der Ergänzungstabelle 1 zu finden. Die charakteristischen Peaks sind bei Beugungswinkeln in der Größenordnung von 2θ = 12,31°, 24,84°, 20,34° erkennbar, entsprechend den Ebenen 001, 002 und 110 (Ergänzungstabelle 2 und erweiterte Daten Abb. 2). Hier bestehen die Flächen der Tonpartikel größtenteils aus Basisebenen und die Kanten der Tonpartikel bestehen größtenteils aus Prismaebenen41. Die beobachteten dominanten Basispeaks deuten darauf hin, dass die meisten Tonpartikel laminar ausgerichtet sind, was mit dem Bericht von Żbik et al.42 übereinstimmt. Die Oberflächenladung von Kaolinit besteht hauptsächlich aus Silikatfacetten, Gibbsitfacetten und Kanten. Gemäß den gemeldeten isoelektrischen Punkten jeder Oberfläche43,44,45,46,47 weisen die Gibbsit-Facetten und -Kanten eine positive Ladung auf, während die Siliciumdioxid-Facetten innerhalb des in dieser Studie verwendeten pH-Bereichs (5,3 ± 0,1) eine negative Ladung aufweisen. Folglich ziehen die negativ geladenen Silica-Flächen die positiv geladenen Gibbsit-Flächen und -Kanten an, was zur Bildung von Face-to-Face- (FF) bzw. Edge-to-Face- (EF) Gewebeanordnungen führt. Die beobachteten dominanten Basalpeaks können auf die größere Oberfläche der Gibbsitflächen im Vergleich zu den Kantenflächen zurückgeführt werden.

Röntgenbeugungsmuster von XG-behandeltem Kaolinit, die (a) bei allen Beugungswinkeln, (b,c) bei Basispeaks, (d,e) bei Prismapeaks zeigen.

Variation des Peak-Verhältnisses mit dem XG-Gehalt an (a) Basal- und (b) Prisma-Peaks.

Es gibt keine wesentliche Verschiebung des Peakwinkels aufgrund von XG, was darauf hindeutet, dass die Zugabe von XG in Kaolinit keinen wesentlichen Einfluss auf die Zwischenräume zwischen Silikatschichten wie Interkalation und Exfoliation hat. Stattdessen dient der in dieser Studie verwendete XG-Anteil als herkömmlicher Verbundfüllstoff und wirkt sich somit auf die Taktoide aus, die aus mehreren gestapelten Silikatmonoschichten bestehen. Die XG-Behandlungen verändern die Intensität der Basal- und Prismenspitzen. Kaolinite mit 0,5 % und 1,0 % XG-Behandlung zeigten eine höhere Intensität der Basispeaks als der unbehandelte Kaolinit (Abb. 1b, c); Allerdings zeigten alle XG-behandelten Kaolinite eine Verringerung der Stärke der Prismenpeaks im Vergleich zu der des unbehandelten Kaolinits (Abb. 1d, e). Die Änderung der Spitzenstärken weist darauf hin, dass das XG die Kaoliniteigenschaften beeinflusste, da es deren Gewebe veränderte50,51. Frühere Studien haben die Rolle von XG bei der Förderung der Stoffumwandlung in Kaolinit durch seine einzigartige Wechselwirkung mit der Tonoberfläche hervorgehoben, was zu erheblichen Veränderungen der hydromechanischen Eigenschaften des Tons führt11,52.

Für eine quantitative Analyse der Variationen in Kaolinitgeweben mit XG-Gehalt können die relativen Intensitäten jedes Peaks und der höchsten Basispeaks – also das Peakverhältnis (PR) – wie folgt berechnet werden53:

Dabei bezeichnet I2θ die bei einem Beugungswinkel von 2θ aufgezeichnete Intensität und Imax die stärkste Intensität der Probe – also die 002-Ebenen in dieser Studie. Die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Aufgrund der Positionierung der Prismenebenen an den Rändern der Tonpartikel54 deuten höhere Prismenspitzen darauf hin, dass die geometrische Anordnung der Kaolinit-Tonplättchen zufällig ausgerichtet war, was auf die Bildung von EF-Kontakten schließen lässt. Im Gegensatz dazu deutet die beobachtete Verringerung des Peakverhältnisses bei Prismenpeaks auf eine stärker FF-Partikelanordnung 41 aufgrund des Einflusses von XG hin. Darüber hinaus zeigte XG mit mb/ms = 0,5 % den niedrigsten PR bei Prisma-Peaks, wohingegen der PR bei Prisma-Peaks mit XG für mb/ms > 0,5 % stetig anstieg.

Beim Bau von Gehwegen, Flughäfen, Deichen und Dämmen sind die Verdichtungseigenschaften wesentliche Parameter, die die mechanischen Eigenschaften von Böden beeinflussen55. Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse standardmäßiger Proctor-Verdichtungstests, die an XG-behandelten Kaoliniten unter verschiedenen mb/ms-Bedingungen durchgeführt wurden. Die Verdichtungskurve (Abb. 3a) zeigt, dass XG die Schwankung des Trockengewichts um w verringert, was weiter darauf hindeutet, dass XG die Empfindlichkeit des Bodens gegenüber Schwankungen von w56 verringert.

Verdichtungsverhalten von XG-behandeltem Kaolinit mit (a) der Verdichtungskurve, (b) der Variation des optimalen Feuchtigkeitsgehalts mit XG und (c) der Variation der maximalen Trockendichte mit XG.

Der XG erhöht den optimalen Feuchtigkeitsgehalt (OMC) (Abb. 3b) und senkt die maximale Trockendichte (MDD) (Abb. 3c). Diese Tendenz kann auf die Bildung eines Verbindungsnetzwerks – d. h. einer Wasserstoffbindung oder einer direkten elektrischen Bindung – zwischen den Kaolinitpartikeln zurückgeführt werden10,57, was, wie aus den XRD-Ergebnissen hervorgeht, zu einer Modifikation der Kaolinitgewebe führt, die der Verdichtungsenergie widerstehen16 ,56. Ni et al.58 untersuchten auch den Anstieg des OMC und den Rückgang des MDD mit XG, was darauf hindeutet, dass diese Veränderung durch den Tongehalt und die Biopolymereigenschaften verursacht wird. Wenn Kaolinit verwendet wird und der XG-Gehalt (mb/ms) > 0,5 % beträgt, nimmt der beobachtete OMC leicht ab und der MDD zu. Dieser Trend steht im Einklang mit der Arbeit von Kang et al.59, die einen Backbone-Trend bei mb/ms = 0,1 % zeigte. Konkret erhöht mb/ms von 0,5 % den OMC von 32,4 % (unbehandelter Kaolinit) auf 36 %; Allerdings hat das zusätzliche XG einen vernachlässigbaren Einfluss auf die OMC. Darüber hinaus nimmt die MDD ab, wenn sich XG von 1,31 g/cm3 (unbehandelter Kaolinit) auf 1,22 g/cm3 (mb/ms = 2,0 %) ändert. Diese Ergebnisse stimmen mit den vorherigen Erkenntnissen überein, dass XG mit mb/ms = 0,5 % die lokalen maximalen Flüssigkeitsgrenzen11,52 und su10 aufweist.

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse des Flügelschertests von XG-behandelten Kaoliniten in Bezug auf su. Bei vergleichbarem Wassergehalt weisen XG-behandelte Kaolinite im Vergleich zu unbehandelten Kaoliniten einen höheren Su auf. Basierend auf der exponentiellen Beziehung zwischen w und su60 können die Ergebnisse der Flügelschertests auf die Parameter a und b reduziert werden, wobei Parameter a w bei su = 1 kPa bezeichnet, während Parameter b die Variation von w als Reaktion auf a bezeichnet Änderung in su. Die Parameter a und b nehmen mit XG von mb/ms = 0,5 % zu, was darauf hindeutet, dass XG die su bei gleichem w erhöht und gleichzeitig seine Empfindlichkeit gegenüber w-Schwankungen verringert. Dann nahmen die Parameter ab, wenn der XG-Gehalt zwischen 0,5 und 1,0 % variierte, und stiegen wieder an, wenn die XG-Behandlung mb/ms > 1,0 % betrug.

Einfluss von XG auf die undrainierte Scherfestigkeit von verdichtetem Kaolinit.

Die visuelle Untersuchung von XG-behandelten Tonen zeigt die Wechselwirkung zwischen Kaolinit und XG, die sich auf die Stoffe und mechanischen Eigenschaften von Kaoliniten auswirkt. Insbesondere wurden die Gewebeunterschiede, die sich aus der XG-Behandlung ergeben, mithilfe der höheren Auflösungsfähigkeiten von SEM analysiert. Im Gegensatz dazu wurde ESEM eingesetzt, um das Verhalten von mit XG behandeltem Kaolinit unter unterschiedlichen Bedingungen der relativen Luftfeuchtigkeit zu untersuchen, trotz der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Bildqualität, insbesondere Kontrast und Helligkeit, die von der Kammerfeuchtigkeit beeinflusst werden61. Durch den Einsatz sowohl der SEM- als auch der ESEM-Methoden und der Berücksichtigung ihrer kombinierten Ergebnisse konnten frühere Forschungsarbeiten konsistente Ergebnisse erzielen62.

Im Vergleich zu unbehandeltem Kaolinit mit zufälligen EE- und EF-Assoziationen (Abb. 5a) erzeugt das XG in Kaolinit interpartikuläre Brücken zwischen Kaolinitpartikeln, was zu einem höheren Grad an FF-Assoziationen führt (Abb. 5b). Folglich interagieren XG-Seitenketten mit Kaolinit über direkte elektrostatische Anziehung, Ligandenaustausch und Wasserstoffbrückenbindung27,63. Somit führt die elektrische Wechselwirkung zwischen XG und Kaolinitpartikeln zur Bildung einer Brücke zwischen Partikeln11. Wenn das XG-Pulver in Wasser gelöst wird, werden die Glucuron- und Brenztraubensäuregruppen an seinen Seitenketten aktiv und das Molekül wird negativ geladen52,64,65. Unter feuchten Bedingungen absorbiert die XG-Seitenkette Porenflüssigkeiten und quillt auf, was zu ihrer Ausdehnung führt. Laut Dogan et al.66 absorbiert XG etwa 25 g Wasser pro Gramm XG. Infolgedessen bildet XG Brücken zwischen den Kaolinitpartikeln, wie in Abb. 5b dargestellt. Darüber hinaus absorbiert XG die umgebenden Wassermoleküle, wie in Abb. 5c, d gezeigt, was zur Bildung eines viskosen Hydrogels um die Kaolinitpartikel führt.

Mikroskopische Beobachtungen von XG-behandelten Kaoliniten; SEM-Beobachtungen im trockenen Zustand für (a) unbehandelten Kaolinit und (b) XG 1 %-behandelten Kaolinit sowie ESEM-Beobachtungen von XG 1 %-behandelten Kaolinit mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von (c) 60 % und (d) 100 % .

Es wurde festgestellt, dass XG die Assoziationen der Kaolinitpartikel beeinflusste. Basierend auf den XRD- und Mikroskopiebeobachtungen zeigt Abb. 6 schematisch den möglichen Einfluss von XG auf die Kaolinitgewebe. In Abwesenheit von XG (Abb. 6a) neigt Kaolinit aufgrund der Nettoanziehungsenergie zwischen den negativ geladenen Stirnflächen und den positiv geladenen Gibbsit- und Kantenflächen zur Ausflockung in FF- und EF-Kontakten63,67,68,69. Diese Bildung von EF-Kontakten führt zu größeren Prismenpeaks als bei XG-behandelten Kaoliniten (Abb. 1).

Kaolinit (a) ohne XG und (b) mit XG.

Im Gegensatz dazu bildet der XG-behandelte Kaolinit Brücken zwischen den Kaolinitpartikeln (Abb. 6b), was in den Mikroskopbildern (Abb. 5b – d) deutlich wird, was aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkung mit den Kaolinitoberflächenladungen zu mehr FF-Assoziationen führt ,52. Folglich liegt der Peak bei der Bildung von XG-Brücken bei mb/ms = 0,5 %, was den minimalen PR bei Prisma-Peaks zeigt (Abb. 2b). Wenn hingegen mb/ms größer als 0,5 % ist, behindert die Wasserabsorption des überschüssigen XG-Hydrogels die Brückenbildung40, was zu einem höheren PR an Prismenspitzen führt. Bemerkenswert ist, dass der PR bei Prisma-Peaks für mb/ms = 1,0–2,0 % immer noch niedriger ist als der von unbehandeltem Kaolinit.

Zusammenfassend verändert die Bildung von XG-Brücken und viskosen XG-Hydrogeln die mechanischen Eigenschaften von Kaolinitböden. Die XG-Brücken zwischen Kaolinitpartikeln verwandeln die Kaolinitgewebe in FF-Verbände, was ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Verdichtungsenergie und Scherbeanspruchung weiter verbessert. Gleichzeitig trägt die Wasseraufnahme durch XG auch zu den mechanischen Eigenschaften von Kaolinittonen bei. Das überschüssige XG im Hohlraum absorbiert hauptsächlich Porenflüssigkeiten und quillt auf, was in den ESEM-Beobachtungen deutlich wird (Abb. 5) – das heißt, gequollenes XG absorbiert Wasser, erhöht das hydrodynamische Volumen und führt anschließend zu einem Anstieg der Viskosität des Porenraums Porenflüssigkeiten70. Eine zunehmende Viskosität der Porenflüssigkeit ist mit Kohäsion, Scherfestigkeit, Dämpfungsverhältnis und Schermodul verbunden39,71,72. Faktoren wie Abb. 4). Darüber hinaus macht die XG-Wasserabsorption den Kaolinit weniger anfällig für Schwankungen des Wassergehalts. Dementsprechend reduziert XG die Schwankungen der Trockendichte (Abb. 3a) und su mit zunehmendem w (Parameter b in Abb. 4).

Bemerkenswert ist, dass der XG-Gehalt von mb/ms = 0,5 % ein lokales Minimum für XRD-Prismenpeaks (Abb. 2b) und einen ähnlichen OMC mit höheren mb/ms (z. B. 2,0 %) (Abb. 3b) sowie ein Optimum aufweist Biopolymergehalt für LL11,52. In Bezug auf die oben genannten Faktoren kann angenommen werden, dass ein XG-Gehalt (mb/ms) unter 0,5 % hauptsächlich mit den Kaolinitoberflächen interagiert und deren Gewebe verändert. Trotz der in den Abbildungen beobachteten behinderten XG-Gewebeumlagerung. 1 und 5 für XG-Gehalte über 0,5 %, su steigt mit höheren mb/ms weiter an. Dies weist auf die bedeutende Rolle der Wasserabsorptionseigenschaften von XG bei der Verbesserung der Scherfestigkeit von Kaolinit hin. Anstatt direkt mit den Kaolinitpartikeln zu interagieren, interagiert der XG-Gehalt über 0,5 % hauptsächlich mit Wassermolekülen. Folglich nimmt der Plastizitätsindex mit zunehmender mb/ms ab11. Bemerkenswert ist, dass der Plastizitätsindex eine umgekehrte Beziehung zu su60,73 aufweist. Darüber hinaus hängt dieses Verhalten von den Eigenschaften des Biopolymers und des Tons ab23. Beispielsweise berichteten Chang und Cho74, dass Gellangummi-Biopolymer die maximale Scherfestigkeit bei einem Biopolymer-zu-Kaolinit-Gehalt von 4 % aufwies. Selbst bei der XG-Behandlung war ihre Wirkung je nach Tontyp unterschiedlich11.

Diese Studie analysierte den Einfluss von XG auf das Gefüge von Kaolinittonen auf der Grundlage von XRD-Analysen, Verdichtungstests, Labor-Flügelscherexperimenten und Mikroskopiebeobachtungen. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass XG die Kaolinitgewebe durch elektrische Ladungswechselwirkungen mit den Kaolinitoberflächen modifizierte. Die XRD-Analysen zeigten, dass XG zu einer Verringerung der Anzahl der Peaks auf Prismenebenen führte, was darauf hindeutet, dass XG die Assoziation von Kaoliniten von EF zu FF veränderte. Darüber hinaus zeigten die XRD-Muster lokale Peaks bei mb/ms = 0,5 %. Die REM-Bilder zeigten auch visuell XG-induzierte FF-Gewebe. Zusätzlich zu XG-Kaolinit-Wechselwirkungen zeigten die ESEM-Bilder, dass das XG Porenflüssigkeiten absorbierte und anschwoll. Offensichtlich beeinflussten die Wechselwirkungen zwischen XG, Kaolinit und Wasser die mechanischen Eigenschaften der Kaolinit-Tone. Die XG-induzierte Brückenbildung zwischen Kaolinitpartikeln erhöhte die Widerstandsfähigkeit von Kaolinit gegenüber äußeren Kräften. In Hohlräumen absorbierte das XG Porenflüssigkeiten und erzeugte viskose Hydrogele. Aufgrund der komplexen Wechselwirkung zwischen XG, Kaolinit und Porenflüssigkeiten nahm die MDD ab und OMC und su stiegen aufgrund der XG-Behandlung an. Eine Reihe experimenteller Analysen ergab, dass ein XG-Gehalt (mb/ms) von 0,5 % hauptsächlich die mechanischen Eigenschaften von Kaolinit beeinflusst, da es Netzwerke zwischen Kaolinitpartikeln bildet, während ein XG-Gehalt (mb/ms) über 0,5 % hauptsächlich Porenflüssigkeiten absorbiert und die Porenflüssigkeit erhöht Porenflüssigkeitsviskosität.

Durch die Untersuchung der Auswirkungen der XG-Behandlung auf Kaolinit untersucht diese Studie die potenzielle Anwendbarkeit und Leistung von XG in geotechnischen Anwendungen. Die einzigartige Mineralzusammensetzung von Kaolinit, die durch seine 1:1-geschichteten Tetraeder- und Oktaederschichten gekennzeichnet ist, unterscheidet ihn jedoch von anderen Tonmineralien mit einer 2:1-Schichtstruktur, wie Illit und Montmorillonit75. Aufgrund dieser unterschiedlichen mineralogischen Eigenschaften gelten die spezifischen Eigenschaften von Kaolinit möglicherweise nicht direkt für alle technischen Szenarien. Angesichts der vielfältigen Mineralzusammensetzung von Tonen sollte die zukünftige Forschung die Bewertung anderer Tonarten umfassen, um unser Verständnis ihres Verhaltens weiter zu verbessern und mögliche Anwendungen zu erkunden.

In dieser Studie wurden Kaolinit-Ton (Bintang, Indonesien) und XG-Biopolymer (CAS: 11138-66-2; Sigma Aldrich) integriert. Kaolinit – das aus 1:1 geschichteten tetraedrischen und oktaedrischen Schichten besteht – wurde als typisches Tonmineral ausgewählt, da es stärker auf Stoffveränderungen reagiert als 2:1 geschichtete Tonminerale76,77. Angesichts des hohen Seitenverhältnisses von Breite zu Dicke (3–18)78,79,80,81 von Kaolinit ist die Anziehung der Kanten- und Flächenladung von entscheidender Bedeutung für Kaolinitgewebe und mechanische Eigenschaften82. Darüber hinaus weist Kaolinit aufgrund der unbedeutenden isomorphen Substitution von Si4+ durch Al3+ oder Fe3+ eine geringe Kationenadsorption auf78,83. Obwohl Kaolinit sowohl pH-unabhängige negative Ladungen als auch pH-abhängige Ladungen besitzt, wird die Gesamtladungscharakteristik bei niedrigen pH-Werten positiver und bei hohen pH-Werten negativer84.

Das XG ist ein Biopolymer, das von der Mikrobe Xanthomonas campestris produziert wird und dessen Struktur aus sich wiederholenden Glucoseeinheiten und Seitenketten mit drei Zuckereinheiten besteht85. Das XG ist ein wasserlösliches Biopolymer, dessen Struktur bei Hydratation durch Hydrogelbindung anschwillt, wobei die Glucuronsäure- (C6H10O7) und Brenztraubensäuregruppen (C3H4O3) an seiner Seitenkette negativ geladen werden52,64,65. XG wird häufig als Verdickungsmittel und Stabilisator für Suspensionen, feste Partikel und Schäume verwendet86,87.

Ergänzende Tabelle 1 zeigt die Indexeigenschaften von Kaolinit, die auf einen Anstieg des LL und der plastischen Grenze (PL) bei der Zugabe von XG hinweisen, wie bereits von Nugent et al.52 und Chang et al.11 berichtet. Bintang-Kaolinit wird gemäß der Norm ASTM D248788 als Ton mit hoher Plastizität (CH) klassifiziert. Der Kaolinit wurde in einem Ofen bei 110 °C getrocknet, um die Porenflüssigkeiten in Tonmatrizen vor den Experimenten zu verdampfen, basierend auf der Norm ASTM D221689. Im Gegensatz dazu wurde XG ohne Vorbehandlung verwendet. Erweiterte Daten Abb. 1 zeigt die Partikelgrößenverteilungskurve von Kaolinit und XG, die mithilfe der Laserbeugungsspektroskopie (Modell HELOS/KR-H248, Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland) basierend auf den Standards ASTM D4464-15 und ASTM B822-2090 erhalten wurde ,91. Die Form der Kaolinitpartikel wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (Modell SU5000, Hitachi, Tokio, Japan) beobachtet.

Der ofengetrocknete Kaolinit wurde mit XG-Pulver bei XG gemischt, um ein Trockenbodenverhältnis in Masse (mb/ms) von 0 % (unbehandelt), 0,5 %, 1,0 % und 2,0 % zu erreichen. Dann wurde entionisiertes Wasser (DI) mit einem pH-Wert von 6,2 ± 0,2 bei 20 °C und dem angegebenen Wassergehalt (w) zugegeben und gründlich gemischt, bis eine gleichmäßige XG-Ton-DI-Mischung entstand. Der pH-Wert von Kaolinit wurde gemäß den Richtlinien der ASTM-Norm92 auf 5,3 ± 0,1 bei 20 °C bestimmt.

Die XG-behandelten Kaolinite (mb/ms = 0 %, 0,5 %, 1,0 % und 2,0 %) mit einem aw von 35 % (ungefähr der optimale Feuchtigkeitsgehalt (OMC)) wurden auf 18 mm × 18 mm großes Deckglas (Marienfeld) geklebt ; Deutschland) und 24 h bei 20 °C luftgetrocknet. Die XRD-Muster der XG-behandelten Kaolinite wurden dann unter Verwendung von Cu-K-alpha-Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,154 nm gesammelt, die mit einem Rigaku SmartLab-Diffraktometer (Rigaku, Japan) erzeugt wurde, das von einem 9-kW-Röntgengenerator betrieben wurde.

Da der Beugungswinkel ein mineralabhängiges Merkmal ist, wurden zur Identifizierung von Mineralien XRD-Techniken eingesetzt93. Das XRD misst die Anzahl der gebeugten Röntgenstrahlen, die auf einen Kristall aus Tonpartikeln treffen, und gibt die Tontextilidentifikation basierend auf dem Braggschen Gesetz aus, d. h. nλ = 2d·sinθ; Dabei bezeichnet n die Reflexionsordnung, λ bezeichnet die Wellenlänge, d bezeichnet den Partikelabstand und θ bezeichnet den Beugungswinkel.

Diese Studie analysierte die XG-behandelten Kaolinitgewebe gemäß den von Sachan und Penumadu41 vorgeschlagenen Methoden, wobei reine Kaolinitgewebe anhand der Basal- und Prismenpeaks der XRD-Muster erkannt wurden, wie in der Ergänzungstabelle 2 gezeigt. Erweiterte Daten Abb. 2 zeigt die Grund- und Prismenebene einer Elementarzelle aus Kaolinit. Die parallele Ausrichtung der Blutplättchen – also die FF-Assoziationen – begünstigt Basalebenen auf der Oberfläche, was zu einer höheren Anzahl an Basalspitzen führt. Im Gegensatz dazu erhöht die Wabenorientierung von Plättchen – also die EF-Assoziationen – die Prismenreflexionen und verringert die Basisebenen.

Die Verdichtungseigenschaften von XG-behandeltem Kaolinitton (mb/ms = 0 %, 0,5 %, 1,0 % und 2,0 %) mit einem aw von 15–55 % wurden mithilfe eines Standard-Proctor-Verdichtungstests analysiert. Die XG-behandelten Kaolinitmischungen wurden in eine zylindrische 0,95-l-Form gegeben und gemäß der Norm ASTM D698-12E2 verdichtet. Nach der Verdichtung wurde die Oberfläche mit einem Spachtel geglättet. Das endgültige Gesamtbodengewicht wurde ermittelt. Als nächstes maß das Labor-Flügelblattschergerät die Su von verdichteten Kaoliniten.

Nach der Verdichtung wurden Laborschaufelschertests durchgeführt, um die XG-beeinflussten Kaolinitgewebe (mb/ms = 0 %, 0,5 %, 1,0 % und 2,0 %) auf der Kaolinitoberfläche zu analysieren. Die SU von XG-behandelten Kaoliniten wurde bestimmt, indem ein rechteckiger Flügel (Breite = 12,7 mm, Höhe = 12,7 mm und Dicke = 0,05 mm) oben, in der Mitte und unten an der verdichteten Probe mit einer Geschwindigkeit von 60 °/h rotiert wurde. min basierend auf der Norm ASTM D4648-0595. Zusätzlich wurden die Experimente für jede Probe dreifach durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit der experimentellen Daten zu erhöhen. Nach den Flügelschertests wurde der durchschnittliche w an jeder getesteten Position gemäß der Norm ASTM D221689 gemessen.

Diese Studie beobachtete die mikroskaligen Wechselwirkungen zwischen XG und Kaolinit unter trockenen und feuchten Bedingungen, wobei die relative Luftfeuchtigkeit 60 % bzw. 100 % betrug, unter Verwendung von SEM (SU-5000, Hitachi High Technologies) und ESEM (Modell Quattro ESEM, Thermo Fisher Scientific Inc.). ., Waltham, USA). Unbehandelte und behandelte Kaolinite – d. h. mb/ms = 0, 1,0 % – bei w = 35 % wurden 24 Stunden lang bei 20 °C luftgetrocknet und mit leitfähigen Kohlenstofflaschen (PELCO Tabs) an einer REM-Halterung mit 25 mm Durchmesser befestigt ; Ted Pella, Inc.). Vor den SEM-Beobachtungen wurden die Proben 10 s lang unter Vakuum mit einem Plasmabeschichter (OPC-60A) mit Osmium (OsO4) beschichtet.

Das ESEM, das den Wasserdampfdruck (10–4000 Pa) und die relative Luftfeuchtigkeit in seiner Probenkammer steuert96, wurde verwendet, um die Variation von XG-behandeltem Kaolinit (mb/ms = 1 %) anhand einer Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit zu bewerten . Die Proben (w = 35 %) wurden zunächst an einer ESEM-Halterung befestigt und die Probenoberflächen wurden anschließend den Elektronenstrahlen ausgesetzt. Während der Beobachtungen schwankte die relative Luftfeuchtigkeit zwischen 0 und 100 %.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage bei den Autoren erhältlich.

Bodenbehandlung auf Biopolymerbasis

Flüssigkeitsgrenze (%)

Kunststoffgrenze (%)

Undrainierte Scherfestigkeit (kPa)

Edge-to-Face-Assoziation

Persönliche Assoziation

Rasterelektronenmikroskopie

Transmissionselektronenmikroskopie

Xanthangummi

Umwelt-Rasterelektronenmikroskopie

Mittlerer Partikeldurchmesser (μm)

Spezifische Oberfläche (m2/g)

Kationenaustauschkapazität (meq/100 g)

XG-zu-Trockenboden-Verhältnis in Masse (%)

Wassergehalt (%)

Optimaler Feuchtigkeitsgehalt (%)

Maximale Trockendichte (g/cm3)

Entionisiertes Wasser

Röntgenbeugungsanalyse

Relative Intensitäten jedes XRD-Peaks und der höchsten Basispeaks (–)

Wassergehalt bei der undrainierten Scherfestigkeit von 1 kPa (%)

Variation des Wassergehalts bei Änderung der undrainierten Scherfestigkeit (–)

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Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Research Foundation of Korea (NRF) der koreanischen Regierung (MSIT) unterstützt (Nr. 2023R1A2C300559611 und Nr. 2022R1A2C2091517). Wir möchten Editage [http://www.editage.com] für die Bearbeitung und Überprüfung dieses Manuskripts für die englische Sprache danken.

Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, Northwestern University, Evanston, IL, 60208, USA

Yeong-Man Kwon

Abteilung für Bausystemtechnik, Ajou-Universität, Suwon, 16499, Republik Korea

Ilhan Chang

Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, 34141, Republik Korea

Gye-Chun Cho

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YMK, IC und GCC entwarfen die Konzepte und Experimente. YMK führte die XRD-Analyse, den Standard-Proctor-Test, mikroskopische Beobachtungen und Flügelschertests durch. YMK hat das Manuskript unter der Aufsicht von GCC und IC erstellt

Korrespondenz mit Ilhan Chang oder Gye-Chun Cho.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kwon, YM., Chang, I. & Cho, GC. Wirkung der Bodenbehandlung auf Xanthan-Biopolymerbasis auf Kaolinit-Tongewebe und -struktur mittels XRD-Analyse. Sci Rep 13, 11666 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38844-w

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Eingegangen: 24. September 2022

Angenommen: 16. Juli 2023

Veröffentlicht: 19. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38844-w

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