DE202023105617U1

DE202023105617U1 - Eine Formulierung zur Vorbereitung von mit Biopolymeren verändertem weichen Boden für die Anwendung von Ausführungen

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Publication number: DE202023105617U1
Application number: DE202023105617.2U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2023-09-27
Filing date: 2023-09-27
Publication date: 2023-10-18
Anticipated expiration: 2033-09-28

Abstract

Eine Formulierung zur Herstellung von biopolymermodifiziertem weichem Boden, umfassend:
eine wirksame Menge weicher Erde; und
eine wirksame Menge Chitosan-Biopolymer in Form von Flocken oder Pulver mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 6-8 %, einem Acetylierungsgrad von mehr als 88 %, einer Viskosität von 75-150 csp und einer Dichte von 0.25 g/cm³.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet der Verwendung von Biopolymeren zur Verbesserung der Bodenqualität im Hinblick auf ihre Festigkeit, Kompressibilität, Haltbarkeit und Erodierbarkeit. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine Formulierung zur Herstellung von mit Biopolymeren modifiziertem weichem Boden als alternatives Material zur Kanalauskleidung und Deponieauskleidung, wobei der hergestellte mit Biopolymeren modifizierte weiche Boden zur Beurteilung seiner Eigenschaften bewertet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Weiche Bodenablagerungen stellen eine große Herausforderung für die Infrastrukturentwicklung dar, insbesondere in Regionen wie Kuttanad, Indien, wo der Boden aus Schluff und Ton besteht und während der Monsunzeit überschwemmt ist. Das Verhalten dieser weichen Böden hängt von der Mineralart und der mikrostrukturellen Anordnung ab, die durch das Ablagerungsmilieu und postdiagenetische Prozesse beeinflusst wird.
Chemische Zusätze wie Flugasche, Zement, Kalk, Nano-Kalziumsilikat, Steinkohlengang, gemahlene granulierte Hochofenschlacke, Nanochemikalien wie Terrasil und faserverstärkter Kalk können zur Verbesserung der Eigenschaften weicher Böden eingesetzt werden, diese Methoden jedoch schon bergen auch Umweltrisiken.
Aufgrund seiner Haltbarkeit und Festigkeit ist Zement der beliebteste Bodenstabilisator. Sein hoher CO2-Fußabdruck hat jedoch zu einer Verlagerung hin zu nachhaltigeren und umweltfreundlicheren Ansätzen geführt, wie z. B. mikrobiell induzierter Calcitfällung (MICP) und Biopolymerstabilisierung.
MICP weist einige Einschränkungen auf, z. B. erfordert es spezielle Umwelt- und Wachstumsbedingungen, eignet sich hauptsächlich für grobkörnige Böden, erzeugt Ammoniak als Nebenprodukt und ist schwierig, eine gleichmäßige Verteilung von Calcit zu erreichen. Daher ist die Biopolymerstabilisierung eine aufstrebende Bodenstabilisierungstechnik, die aufgrund ihres geringeren Umweltrisikos bevorzugt wird. Chitosan wird häufig bei geo- und umwelttechnischen Arbeiten wie der Schwermetallsanierung und dem Erosionsschutz eingesetzt und hat sich in diesen Bereichen als wirksam erwiesen. Sein Potenzial zur Verbesserung der Eigenschaften bindiger Böden ist jedoch noch wenig erforscht. Daher muss mit Chitosan angereicherter Boden vorbereitet werden, um seine Eigenschaften zu bewerten.
In Anbetracht der vorstehenden Diskussion wird dargestellt, dass ein Bedarf an einer Formulierung zur Herstellung von mit Biopolymeren modifiziertem weichem Boden als alternatives Material zur Kanalauskleidung sowie zur Deponieauskleidung besteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Formulierung zur Herstellung von mit Biopolymeren modifiziertem weichem Boden als alternatives Material zur Kanalauskleidung und Deponieauskleidung. Die vorliegende Erfindung ermöglicht den Einsatz umweltfreundlicher Bodenverjüngungstechniken und effizienter Stabilisatoren zur Verbesserung der technischen Qualität. Um die Haltbarkeits- und Erosionseigenschaften des weichen Kuttanad-Bodens zu erhöhen, schlägt diese Erfindung vor, die Wirksamkeit von Chitosan bei der Bodenverbesserung zu untersuchen. Die Erfindung zielt auch darauf ab, zu untersuchen, wie Chitosan, ein aus Garnelenschalen gewonnenes Biopolymer, dazu beitragen kann, die Verfestigungs- und Schrumpfungseigenschaften weicher Böden zu verbessern. Um festzustellen, wie sich die Zugabe eines Biopolymers zum Boden auf dessen Widerstandsfähigkeit und Haltbarkeit auswirkt, bis sie versagte, wurden die unbehandelten und mit Chitosan behandelten Proben 5-stündigen Benetzungszyklen und 43-stündigen Trocknungszyklen unterzogen. Um den Haltbarkeitsindex der Proben zu bestimmen, wurde die uneingeschränkte Druckfestigkeit (UCS) von Proben, die mit verschiedenen Dosierungen (0.5, 2, 4 %) hergestellt und 14, 28, 60 und 90 Tage lang ausgehärtet wurden, zu Beginn und nach jeder Trocknung bewertet Zyklus. Die Erodierbarkeitsleistung für die oben genannten verschiedenen Dosierungen und Aushärtezeiten wurde mithilfe von Tropferosionstests bewertet. Die verwendeten Dosierungen, um zu untersuchen, wie sich Chitosan (ein aus Garnelenschalen gewonnenes Biopolymer) auf die Verfestigungs- und Schrumpfungseigenschaften dieser weichen Böden auswirkt, betragen 0.5 %, 1 %, 2 % und 4 %. Zur Beurteilung des Einflusses auf die Verfestigung wird ein eindimensionaler Festring-Verfestigungstest verwendet, und zur Beurteilung der Schwindungseigenschaften des behandelten Bodens wird ein linearer Schwindungstest mit Balken verwendet. Darüber hinaus wird der mit Chitosan behandelte Boden einer Rasterelektronenmikroskopie unterzogen, um die physikalischen oder strukturellen Veränderungen im Boden zu beurteilen, und es wird eine Analyse des CO2-Fußabdrucks der mit Chitosan stabilisierten Kanalauskleidung und Deponieauskleidung durchgeführt, um die Kohlenstoffemissionen abzuschätzen, die beim Bau von Chitosan entstehen behandelte Kanalauskleidung und Deponieauskleidung, um den Umweltbeitrag von Chitosan als Stabilisator zu verstehen. Die nach der oben genannten Analyse und Prüfung beobachteten Ergebnisse sprechen für die Verwendung des mit Chitosan angereicherten weichen Bodens als nachhaltige Alternative zur Kanalauskleidung (auf der Grundlage von Haltbarkeits- und Erosionstests) und als Deponieauskleidung (auf der Grundlage von Verfestigung und Schrumpfung). Tests).
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Formulierung zur Herstellung von mit Biopolymeren modifiziertem weichem Boden als alternatives Material zur Kanalauskleidung und Deponieauskleidung bereitzustellen. Die Formulierung umfasst eine wirksame Menge weichen Bodens; und eine wirksame Menge Chitosan-Biopolymer in Form von Flocken oder Pulver mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 6-8 %, einem Acetylierungsgrad von mehr als 88 %, einer Viskosität von 75-150 csp und einer Dichte von 0.25 g/cm³.
In einer Ausführungsform werden die weichen Bodenproben einen Tag lang im Ofen getrocknet und dann zu Feinstpartikeln pulverisiert und dann durch ein 425-µm-Sieb geleitet, um den endgültigen gefilterten weichen Boden zu erhalten. Der nach dem Filtern erhaltene Boden und Proben von Chitosan-Biopolymer werden miteinander vermischt, um trockene Proben von mit Biopolymer modifiziertem weichem Boden zu bilden. Im Verhältnis zum Trockengewicht des Bodens wird ein unterschiedlicher Anteil an Chitosan-Biopolymerpulver entnommen, wobei Chitosan als Prozentsatz des Trockengewichts des Bodens zugesetzt wird. Die ausgewählten Dosierungen betragen 0.5 %, 1 %, 2 % und 4 %, bezogen auf das Trockengewicht des Bodens. Die Vorbereitung der genannten Probendosierung erfolgt bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt und maximaler Trockendichte.
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, eine Formulierung zur Herstellung von mit Biopolymeren modifiziertem weichem Boden als alternatives Material zur Kanalauskleidung sowie zur Deponieauskleidung bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die Eignung von Chitosan als wirksamen Stabilisator zu untersuchen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Durchführung einer Kohlenstoffemissionsanalyse für Kanalauskleidungs- und Deponieauskleidungssysteme mit Chitosanmischung.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, die vorliegende Erfindung mit bereits existierenden chemischen Stabilisatoren zu vergleichen, um die Wirkung von Chitosan als chemischer Stabilisator zu bewerten.
Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung weiter zu verdeutlichen, erfolgt eine detailliertere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es versteht sich, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als deren Umfang einschränkend anzusehen sind. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen genauer und detaillierter beschrieben und erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile darstellen, wobei:

1 veranschaulicht eine Tabelle, die die grundlegenden Eigenschaften von weichem Boden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 stellt eine Tabelle dar, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Chitosan-Biopolymer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt; Und
3 veranschaulicht ein Diagramm, das das Schema zur Formulierung von mit Chitosan-Biopolymer modifiziertem weichem Boden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.

Darüber hinaus werden erfahrene Handwerker erkennen, dass Elemente in den Zeichnungen der Einfachheit halber dargestellt sind und möglicherweise nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise die Methode anhand der wichtigsten Schritte, die dazu beitragen, das Verständnis von Aspekten der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus können im Hinblick auf die Konstruktion des Geräts eine oder mehrere Komponenten des Geräts in den Zeichnungen durch herkömmliche Symbole dargestellt worden sein, und die Zeichnungen zeigen möglicherweise nur die spezifischen Details, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind um die Zeichnungen nicht durch Details zu verdecken, die für den Durchschnittsfachmann anhand der vorliegenden Beschreibung leicht ersichtlich sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:
Um das Verständnis der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und für deren Beschreibung eine spezifische Sprache verwendet. Es versteht sich jedoch, dass dadurch keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, da Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und weitere Anwendungen der darin dargestellten Prinzipien der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann normalerweise in den Sinn kommen würden in der Technik, auf die sich die Erfindung bezieht.
Der Fachmann versteht, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.
Verweise in dieser Spezifikation auf „einen Aspekt“, „einen anderen Aspekt“ oder eine ähnliche Sprache bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher beziehen sich die Formulierungen „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Formulierungen in dieser Spezifikation möglicherweise, aber nicht unbedingt, auf dieselbe Ausführungsform.
Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, sodass ein Prozess oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern möglicherweise andere Schritte nicht umfasst ausdrücklich aufgeführt oder diesem Prozess oder dieser Methode innewohnend sind. Ebenso schließen ein oder mehrere Geräte oder Subsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, denen „umfasst...a“ vorangestellt ist, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Geräte oder anderer Subsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen aus andere Komponenten oder zusätzliche Geräte oder zusätzliche Subsysteme oder zusätzliche Elemente oder zusätzliche Strukturen oder zusätzliche Komponenten.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden werden. Das hier bereitgestellte System, die Methoden und Beispiele dienen nur der Veranschaulichung und sollen nicht einschränkend sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In einer Ausführungsform zielt die vorliegende Offenbarung darauf ab, eine Formulierung zur Herstellung von mit Biopolymeren modifiziertem weichen Boden als alternatives Material zur Kanalauskleidung sowie zur Deponieauskleidung bereitzustellen. Die Formulierung umfasst eine wirksame Menge weichen Bodens; und eine wirksame Menge Chitosan-Biopolymer in Form von Flocken oder Pulver mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 6-8 %, einem Acetylierungsgrad von mehr als 88 %, einer Viskosität von 75-150 csp und einer Dichte von 0.25 g/cm³.
In einer Ausführungsform werden die Proben weicher Erde einen Tag lang im Ofen getrocknet und dann zu Feinstpartikeln pulverisiert und anschließend durch ein 425-µm-Sieb geleitet, um die endgültige gefilterte weiche Erde zu erhalten.
In einer Ausführungsform werden der nach dem Filtern erhaltene Boden und Proben von Chitosan-Biopolymer miteinander vermischt, um eine trockene Probe von mit Biopolymer modifiziertem weichem Boden zu erhalten. Im Verhältnis zum Trockengewicht des Bodens wird ein unterschiedlicher Anteil an Chitosan-Biopolymerpulver entnommen, wobei Chitosan als Prozentsatz des Trockengewichts des Bodens zugesetzt wird. Die gewählten Dosierungen betragen 0.5 %, 1 %, 2 % und 4 %, bezogen auf das Trockengewicht des Bodens. Die Vorbereitung der genannten Probendosierung erfolgt bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt und maximaler Trockendichte.
In einer Ausführungsform werden die vorbereiteten Dosierungen des mit Chitosan-Biopolymer modifizierten weichen Bodens einer Vielzahl von Tests und Analysen unterzogen, wobei die Bewertung des mit Chitosan-Biopolymer modifizierten weichen Bodens durchgeführt wird, um seine Haltbarkeit, Erodierbarkeit sowie Verfestigungs- und Schrumpfungseigenschaften zu untersuchen Die veränderten Proben mit unterschiedlichen Dosierungen werden zur physikalischen und strukturellen Bewertung einer Rasterelektronenmikroskopie unterzogen, und es wird eine Analyse des CO2-Fußabdrucks sowohl für Kanalauskleidung als auch für Deponieauskleidung durchgeführt, die mit einer optimalen Chitosan-Dosierung ergänzt wurden.
In einer Ausführungsform wurde die weiche Erde 24 Stunden lang in einem Ofen getrocknet, zu einem feinen Pulver gemahlen und die Erde, die ein 425-µm-Sieb passierte, wurde für den Test gesammelt. Für die vorliegende Erfindung wird die Trockenmischtechnik verwendet und Chitosan als Prozentsatz des Trockengewichts des Bodens hinzugefügt. Die verwendeten Dosierungen betragen 0.5 %, 1 %, 2 % und 4 %.
1 veranschaulicht die grundlegenden Eigenschaften von weichem Boden anhand einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Die weichen Bodenproben für die vorliegende Erfindung werden aus dem Distrikt Kuttamangalam in Kerala, Indien (9°29'14.9'' N 76° 23'25.1'' E) in einer Tiefe von etwa 2 m beschafft. Die Bodenproben werden für die aktuelle Untersuchung im Distrikt Kuttamangalam in Kerala in einer Tiefe von etwa 2 m gesammelt [Kuttamangalam, Kuttanad, Indien (9°29'14.9'' N 76° 23'25.1'' E)].
Die in dargestellte Tabelle fasst den Index und die technischen Eigenschaften des Bodens zusammen. Im Boden finden sich Mineralien wie Quarz, Mikroklin, Muskovit, Amphibole, Gibbsit, Magnetit und Pyrit. Die Atterberg-Plastik- und Flüssigkeitsgrenzwerte des Grundbodens wurden bewertet und laut ASTM D4318-17 (2017) 42.57 % bzw. 55.73 % betragen. Der Boden wird gemäß ASTM D2487-06 (2017) (Unified Soil Classification 122 System) auf der Grundlage von Gradationskurven und Atterberg-Grenzwerten als CH kategorisiert. Mithilfe des traditionellen Proctor-Tests wurden die maximale Trockendichte (MDD) und der ideale Feuchtigkeitsgehalt (OMC) zu 1.48 g/cm3 bzw. 23.6 % bestimmt.
2 veranschaulicht die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Chitosan-Biopolymers anhand einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Das hergestellte Chitosan-Biopolymer mit der chemischen Formel C₆ H₁₁ NO₄ weist ein hohes Molekulargewicht auf. Die Viskosität von Chitosan hängt mit seinem Molekulargewicht zusammen. Das Molekulargewicht und die Konzentration von Chitosan könnten erhöht werden, um seine Eigenschaften erheblich zu verbessern. Seine Struktur enthält etwa 12 % unfreie Aminogruppen, was zu einer mittleren Löslichkeit und einer hohen Viskosität führt. Die Tabelle in fasst die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Chitosan-Biopolymers zusammen. Chitosan-Pulver wird dem Boden in unterschiedlichen Mengenanteilen von 0.5 %, 2 % und 4 % relativ zum Trockengewicht des Bodens zugesetzt. Die Proben des mit Chitosan angereicherten Bodens werden mit höchster Trockendichte und optimalem Feuchtigkeitsgehalt (OMC) erstellt.
Das zweithäufigste biologische Makromolekül nach Cellulose ist Chitosan, ein Extrakt aus Krabben-, Garnelen- oder anderen Krustentierschalen. Es hat eine flockige Textur und einen weißen Farbton. 2-Acetamido-2-Desoxy-D-Glucose-(N-Acetylglucosamin) ist die dafür verwendete Nomenklatur. Es ist ein formbares hydrophiles Polymer, das in der Natur vorkommt. Das Polysaccharid Chitin, das in der Zellmasse vieler Parasiten sowie im Exoskelett von Garnelen, Hummer und Krabben vorkommt, wird durch N-Deacetylierung in das Biopolymer Chitosan umgewandelt. Chitosan kann als Verdickungsmittel, umweltfreundlicher Dünger und für andere Zwecke in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Dank Chitosan ist die Festigkeit von Lehmbaustoffen um 85 % gestiegen.
3 zeigt ein Diagramm, das das Schema zur Formulierung von mit Chitosan-Biopolymer modifiziertem weichem Boden durch eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Gemäß wird die weiche Erde zunächst 24 Stunden lang in einem Ofen getrocknet, zu einem feinen Pulver gemahlen und dann durch ein 425-µm-Sieb geleitet, um feinere Erde zu erhalten, die dann zur Herstellung der verbesserten Erde gesammelt wird. Für die vorliegende Erfindung wird die Trockenmischtechnik verwendet, bei der der gesammelte feinere Boden mit Chitosanpulver als Prozentsatz des Trockengewichts des Bodens gemischt wird, wobei Dosierungen von 0.5 %, 1 %, 2 % und 4 % Chitosan relativ formuliert werden abhängig vom Gewicht des verwendeten Bodens. Die Vorbereitung von Proben mit unterschiedlichen Dosierungen erfolgt bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt und maximaler Trockendichte.
In einer Ausführungsform wird die Bewertung von mit Chitosan-Biopolymer modifiziertem weichem Boden durchgeführt, wobei die Haltbarkeit und Erosionsbeständigkeit der modifizierten Böden untersucht werden. Darüber hinaus wird die Wirkung von Chitosan (aus Garnelenschalen gewonnenes Biopolymer) auf die Verbesserung der Verfestigungs- und Schrumpfungseigenschaften des weichen Bodens bewertet. Die Haltbarkeits- und Erodierbarkeitstests bewerten die Qualität des Bodens, der als Kanalauskleidung verwendet werden soll, während die Konsolidierungs- und Schrumpfungstests andererseits die Qualität des Bodens bewerten, der als Deponieauskleidung verwendet wird. Der bearbeitete Boden wird zur physikalischen und strukturellen Bewertung einer Rasterelektronenmikroskopie unterzogen. Die Kohlenstoffemissionsbewertungen werden sowohl für typische Kanalauskleidungen als auch für Deponieauskleidungen durchgeführt, die mit einer optimalen Chitosan-Dosierung versehen sind. Alle diese Analysen und Tests werden im Folgenden systematisch beschrieben.
Haltbarkeitstest:
Die im Haltbarkeitstest verwendeten Proben wurden in unterschiedlichen Dosierungen von 0.5, 2 und 4 % hergestellt. Die Proben wurden nach der Vorbereitung 14, 28, 60 und 90 Tage lang natürlich ausgehärtet. Nach dem Aushärtevorgang wurden die Proben mit einem speziellen Gerät einem Drucktest unterzogen und bis zum Versagen getestet. Bei Raumtemperatur wurden die Proben fünf Stunden lang in entionisiertes Wasser getaucht. Anschließend wurden sie 43 Stunden lang in einem Ofen bei 70 °C getrocknet. Bei diesem Vorgang handelt es sich um einen sogenannten Befeuchtungs- und Trocknungszyklus. Der Wassergehalt, die Masse und die Abmessungen jeder getesteten Probe wurden gemessen, um etwaige Veränderungen festzustellen. Der Haltbarkeitsindex wird mithilfe der unten angegebenen Gleichung (1) berechnet: $Haltbarkeitsindex (%) = (Qun 1) /Qun 2) * 100$
Dabei stellt Qun1 den UCS-Wert der behandelten Probe in ihrem jeweiligen Zyklus (1,2,3,4.5) dar und Qun2 ist der UCS-Wert der Probe zu Beginn des Tests (Anfangszyklus).
Um die Haltbarkeit mithilfe des Kompressionstests zu beurteilen, werden zylindrische Proben des veränderten Bodens gegossen, die dem oben genannten Verfahren unterzogen werden, und die Kompressionstests werden durchgeführt, indem eine axiale Belastung mit einer Dehnungsgeschwindigkeit von 1 mm/min auf die Oberseite ausgeübt wird jede zylindrische Probe bis zu einer axialen Dehnung von 5 %.
An den Proben werden sowohl vor als auch nach jedem Benetzungs- und Trocknungszyklus Druckfestigkeitstests durchgeführt.
Erodierbarkeit:
Die Widerstandsfähigkeit des Putzes gegen Wassererosion durch Tropfwirkung wurde anhand der Ergebnisse des Erosionstests bewertet. Um den Test zu bestehen, muss eine Probe auf einer Oberfläche in einem Winkel von 27° zur Horizontalen positioniert werden. Anschließend wird die Bodenprobe einem Sprühwasser ausgesetzt, das von einer Stelle austritt, die sich genau 1 m über der Mitte der Probe befindet. Die Tropfen haben eine Freisetzungsrate von 50 ml pro Minute. Die Testprobe wurde während des Tests 10 Minuten lang ausgesetzt oder bis schwere Erosionsschäden auftraten, je nachdem, was zuerst eintrat.
Der zuvor erwähnte Grundboden wurde zunächst mit Sieb Nr. 4 (Maße = 4.75 mm) gesiebt, um kiesgroße Partikel zu entfernen. Anschließend wurde der Grundboden durch Mischen im Verhältnis 4:1 (Boden zu Wasser) entweder mit Wasser oder Chitosanlösungen vorbereitet. Um eine ausreichende Praktikabilität zu gewährleisten, orientiert sich das gewählte Verhältnis an den örtlichen Gepflogenheiten. Zur Vorbereitung der Probe müssen Boden, Wasser oder Grunderde manuell vermischt werden. Für die unbehandelte Bodenprobe wurde manuell eine homogene Mischung hergestellt, indem die Proben etwa fünf Minuten lang gründlich mit einer Metallkelle gemischt wurden. Die Erdmischung wurde dann in eine zylindrische Form gegossen und etwa 28 Tage lang in einer kontrollierten Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 % und einer Temperatur von 20 °C luftgetrocknet. Die zylindrischen Erdproben hatten einen Durchmesser von 55 mm und eine Höhe von 10 mm wurden für Erosionstests verwendet.
Eindimensionaler Konsolidierungstest:
Die umgeformten und mit Chitosan versetzten Bodenproben werden mit der inkrementellen Belastungsmethode eines eindimensionalen Konsolidierungstests gemäß ASTM D2435 getestet. Bei seitlicher Begrenzung und vertikalen Belastungen bewertet der eindimensionale Konsolidierungstest die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Bodensetzung. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden, wurde der Boden mit einem idealen Feuchtigkeitsgehalt von 23.6 % gemischt und durch Pressen und Kneten zu Ringen mit einem Durchmesser von 60 mm und einer Höhe von 20 mm verdichtet. Die Proben wurden sofort getestet, ohne dass vor der Durchführung der Tests Zeit zum Aushärten gegeben wurde. Um die exakte Formmenge zu gewährleisten, wurde die Probenoberfläche entfernt. Nach der Platzierung des Rings im Konsolidierungsgerät wurden die Zubehörteile fixiert. Die Probe wurde dann für die Beladung vorbereitet, nachdem sie mit Rohren versehen und am Auslass befestigt wurde. Das Lasterhöhungsverhältnis wurde auf 1 eingestellt und der Lastbereich betrug 12.5-800 kPa. Um sicherzustellen, dass die Last richtig sitzt und die Zelle ausgerichtet ist, wurde ursprünglich eine Sitzspannung von 6.25 kPa angelegt. Jede Ladung wurde etwa 24 Stunden lang in Betrieb gehalten. Mithilfe des Zeit-Setzungsdiagramms und des Logarithmus der Zeitanpassungsmethode wurde der Konsolidierungskoeffizient berechnet. Unter Verwendung der Werte des Konsolidierungskoeffizienten (C_v), des Volumenkompressibilitätskoeffizienten (m_v), des Einheitsgewichts von Wasser (γw) und des Hohlraumanteils (e) wird die hydraulische Leitfähigkeit (k) von unbehandeltem und geändertem Zustand ermittelt Böden berechnet.
Lineare Schrumpftests für Stäbe:
Um den Einfluss von Chitosan auf die Schrumpfungseigenschaften dieser weichen Böden zu bewerten, wurden lineare Schrumpfungstests an den mit Chitosan behandelten Böden durchgeführt. Für die Durchführung der Schrumpftests wurde ein Wassergehalt angenommen, der der Flüssigkeitsgrenze der Chitosan-Erde-Mischung entsprach. Für das Einbringen der Chitosan-Erde-Mischung wurde eine Messingform mit den Maßen 141 mm × 20 mm × 12.5 mm erstellt. Das Auftragen einer dünnen Schicht Silikonfett auf die Innenseiten der Form ermöglichte eine uneingeschränkte Schrumpfung. Die Mischung wurde entlang der Oberseite der Form geglättet, nachdem Lufteinschlüsse durch Klopfen auf die Form entfernt wurden. Die Probe wurde an der Luft trocknen gelassen, bis sie schrumpfte und sich von den Formwänden weg verformte. Die Probe wurde einer Umgebungstemperatur ausgesetzt, um eine natürliche Schrumpfung anzunähern. In regelmäßigen Abständen wurde eine hochauflösende Kamera aus großer Höhe angebracht, um den Schrumpfvorgang aufzuzeichnen. Um die Wiederholbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden die Experimente zweimal durchgeführt. Zur Berechnung der linearen Schrumpfung verwenden Sie Gleichung (2). $L i n e a r e S c h r u m p f u n g = [1 - L d / L i] \times 100$
wo L _ich = Anfangslänge der Probe (mm) und L _d = getrocknete Länge der Probe (mm).
Rasterelektronenmikroskopie:
Durch die Bodenprobe ermöglicht das Rasterelektronenmikroskop die direkte Untersuchung der Anordnung der Tonpartikel oder der Bruchflächen. Nach entsprechender Pflege wurden die Proben mit Carbonband auf einer Aluminium-Montagescheibe befestigt. Um Aufladungsprobleme während der Bildgebung zu vermeiden, wurden die Proben anschließend in einer Argonumgebung mit Gold (10 nm) durch Sputtern beschichtet. Zur Analyse der Proben wurde das leistungsstarke, variable Druck-Analyse-REM mit LAB6 TESCAN VEGA 3 LMU mit einer hohen Auflösung von 2 nm verwendet, nachdem sie für den Test an der Luft getrocknet worden waren.
Analyse des CO2-Fußabdrucks:
Die Kohlenstoffemissionsbewertungen werden sowohl für Kanalauskleidungen als auch für Deponieauskleidungen durchgeführt, die mit einer optimalen Chitosan-Dosierung versehen sind. Die Herstellung, der Transport und die Feldanwendung eines Produkts oder einer Dienstleistung umfassen alle die direkte oder indirekte Emission verschiedener Gase in die Atmosphäre, die sich auf die Situation der globalen Erwärmung auswirken können. Der Begriff „Carbon Footprint“ beschreibt das Ausmaß der Auswirkungen dieser Gase. Aufgrund der im Laufe der Zeit steigenden atmosphärischen CO2-Konzentration steigt die durchschnittliche Welttemperatur. Um den CO2-Fußabdruck eines Projekts vollständig zu analysieren, müssen alle Gase berücksichtigt werden. Um den Vergleich und die Untersuchung zu erleichtern, wird der Einfluss jedes Gases mithilfe einer als CO2-Äquivalent bezeichneten Metrik in eine einzige Einheit umgerechnet. Der verkörperte Kohlenstoffäquivalentfaktor (ECF) ist die Bezeichnung für die Einheit des CO2-Äquivalents. Die während der verschiedenen Phasen der aktuellen Innovation freigesetzten Kohlenstoffemissionen wurden anhand der normalisierten ECFs berechnet. Die drei Phasen der CO2-Emissionsanalyse sind: Berücksichtigung der für das Projekt benötigten Materialien; Einkauf und Transport der Materialien; und Projektstandortbetrieb. Ein Vergleich der Kohlenstoffemissionen von Chitosan mit herkömmlichen Stabilisatoren wird durchgeführt, um die Nachhaltigkeit der mit Chitosan stabilisierten Kanalauskleidung zu verstehen.
In einer Ausführungsform werden die beobachteten oder erhaltenen Ergebnisse der durchgeführten Analysen oder Tests nachstehend beschrieben:
Die Ergebnisse der abwechselnden Benetzung und Trocknung der Böden (Dauerhaftigkeit) sowie deren Erosionsverhalten führen zu folgenden Erkenntnissen.

• Bei längerer Aushärtungszeit (90 Tage) erhöhte sich die uneingeschränkte Druckfestigkeit des behandelten Bodens deutlich um 4 MPa.
• Es wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Schwankung des Feuchtigkeitsgehalts von Bodenproben und der Chitosan-Dosierung beobachtet, was auf die unpolare Natur des Chitosan-Biopolymers schließen lässt. Dies bestätigt die Fähigkeit von Chitosan, Wasser zu speichern und zurückzuhalten, was bei höheren Dosierungen noch besser wird.
• Die Proben mit einer Dosis von 2 % übertrafen die Proben mit einer Dosis von 0.5 %, 1 % und 4 %, indem sie fünf Benetzungs- und Trocknungszyklen überstanden und dabei effektiv etwa 22.6 % ihrer ursprünglichen Trockenfestigkeit bewahrten. Nach fünf Benetzungs- und Trocknungszyklen behielten die 2 %-Proben ihren 20 %-Haltbarkeitsindex nach 60 und 90 Tagen Aushärtung, während die 4 %-Proben bei gleichen Aushärtezeiten und Zyklen nur einen geringfügig niedrigeren Haltbarkeitsindex erreichten.
• Im Vergleich zu 0.5 %-Proben wiesen 2 %- und 4 %-Proben eine bessere Erosionsbeständigkeit auf und überstanden einen 10-minütigen Tropferosionstest ohne erkennbare Erosion. 2 % scheinen die Leistung von mit Chitosan behandeltem weichem Boden unter den gewählten Dosierungen am effektivsten zu verbessern.
• Im Vergleich zu herkömmlichen Stabilisatoren wie Zement und Kalk kann Chitosan die Kohlenstoffemissionen deutlich reduzieren, wie aus einer CFA (Carbon Footprint Analysis) hervorgeht, die auf mit Chitosan behandeltem weichem Boden für den Bau einer Kanalauskleidung durchgeführt wurde.

Die Studie, in der die Verfestigungseigenschaften, Schrumpfungsphänomene und der Nachhaltigkeitsfaktor von mit Chitosan behandeltem weichem Boden bewertet wurden, kam zu folgenden Schlussfolgerungen:

• Die Funktion von Chitosan als Flockungsmittel führte zur Ausflockung von Bodenpartikeln, was die Gesamtoberfläche des Bodens verringerte und den Hohlraumanteil um 70 % bis auf einen Idealwert von 2 % reduzierte. Bei einem Lastabnahmeverhältnis von 4 zeigten die behandelten und unbehandelten Böden beim Entladen eine sehr geringe Schwellung.
• Aufgrund seines nicht kohäsiven Charakters beschleunigte die Verwendung von Chitosan den Konsolidierungsprozess, indem es eine siebenmal einfachere Evakuierung des Porenwassers als unbehandelter Boden bis zu einer Dosierung von 2 % ermöglichte.
• Bei einer Überschreitung der empfohlenen Dosierung kommt es zu einer Verstopfung der Flusskanäle durch die Bildung von Clustern, was durch das Vorhandensein von Chitosan-Füllstoffen noch verstärkt wird. Diese Verringerung des Porenwasserausstoßes verringert den Wert des Konsolidierungskoeffizienten und verringert die hydraulische Leitfähigkeit.
• Dem Boden wurde Chitosan zugesetzt, wodurch die Schrumpfungsrisse stark kontrolliert wurden. Sowohl bei den behandelten als auch bei den unbehandelten Proben traten keine Trocknungsrisse auf, und eine Dosierung von 4 % führte zu einer maximalen Schrumpfungsabnahme von 11%.
• Laut der CFA (Carbon Footprint Analysis), die für eine typische Deponiefolie durchgeführt wurde, kann die Zugabe von Chitosan zum untersuchten Boden die damit verbundenen Kohlenstoffemissionen im Vergleich zu Standardstabilisatoren wie Kalk und Zement um das 8.754- bzw. 7.325-fache senken.

Die Zeichnungen und die vorstehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Fachleute werden erkennen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente einer Ausführungsform können zu einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Beispielsweise können die Reihenfolgen der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und sind nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge implementiert werden; Es müssen auch nicht unbedingt alle Handlungen ausgeführt werden. Auch solche Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, können parallel zu den anderen Handlungen durchgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen wird durch diese spezifischen Beispiele keineswegs eingeschränkt. Zahlreiche Variationen, ob explizit in der Spezifikation angegeben oder nicht, wie z. B. Unterschiede in Struktur, Abmessung und Materialverwendung, sind möglich. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so breit wie durch die folgenden Ansprüche angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf spezifische Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und alle Komponenten, die dazu führen können, dass ein Nutzen, ein Vorteil oder eine Lösung eintritt oder ausgeprägter wird, dürfen jedoch nicht als kritische, erforderliche oder wesentliche Funktion oder Komponente von ausgelegt werden einzelne oder alle Ansprüche.

Claims

Eine Formulierung zur Herstellung von biopolymermodifiziertem weichem Boden, umfassend: eine wirksame Menge weicher Erde; und eine wirksame Menge Chitosan-Biopolymer in Form von Flocken oder Pulver mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 6-8 %, einem Acetylierungsgrad von mehr als 88 %, einer Viskosität von 75-150 csp und einer Dichte von 0.25 g/cm³.
Formulierung nach Anspruch 1, wobei die weichen Bodenproben einen Tag lang im Ofen getrocknet und dann zu Feinstpartikeln pulverisiert und dann durch ein 425-µm-Sieb gegeben werden, um den endgültigen gefilterten weichen Boden zu erhalten.
Formulierung nach Anspruch 1, wobei der nach dem Filtern erhaltene Boden und Proben von Chitosan-Biopolymer miteinander vermischt werden, um eine trockene Probe von mit Biopolymer modifiziertem weichem Boden zu bilden.
Formulierung nach Anspruch 3, wobei unterschiedliche Anteile an Chitosan-Biopolymerpulver im Verhältnis zum Trockengewicht des Bodens verwendet werden, wobei Chitosan als Prozentsatz des Trockengewichts des Bodens zugesetzt wird.
Formulierung nach Anspruch 4, wobei ausgewählte Dosierungen 0.5 %, 1 %, 2 % und 4 %, bezogen auf das Trockengewicht des Bodens, betragen.
Formulierung nach Anspruch 5, wobei die Herstellung der genannten Probendosierung bei optimalem Feuchtigkeitsgehalt und maximaler Trockendichte erfolgt.
Formulierung nach Anspruch 5, wobei die vorbereiteten Dosierungen des mit Chitosan-Biopolymer veränderten Weichbodens einer Vielzahl von Tests und Analysen unterzogen werden, wobei die Bewertung des mit Chitosan-Biopolymer veränderten Weichbodens durchgeführt wird, um seine Haltbarkeit, Erodierbarkeit, Verfestigung usw. zu untersuchen Schrumpfungseigenschaften, wobei die biopolymermodifizierten Proben zur physikalischen und strukturellen Bewertung einer Rasterelektronenmikroskopie unterzogen werden und eine CO2-Fußabdruckanalyse sowohl für Kanalauskleidung als auch für Deponieauskleidung durchgeführt wird, die mit einer optimalen Chitosan-Dosierung modifiziert wurden.