Biopolímero de xantano

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11666 (2023) Citar este artículo

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En este estudio, evaluamos el impacto del biopolímero de goma xantana (XG) en tejidos de caolinita mediante difracción de rayos X (XRD) y los cambios consiguientes en el comportamiento de compactación y resistencia al corte de suelos de caolinita. El análisis de picos XRD reveló que XG transformó las telas de caolinita en asociaciones cara a cara. Además, la microscopía electrónica de barrido ambiental mostró la formación de puentes XG entre partículas de caolinita, lo que da como resultado un cambio en los tejidos y, posteriormente, mejora la resistencia de la caolinita a las fuerzas externas. En consecuencia, a medida que aumentó el contenido de XG, la densidad seca máxima disminuyó y la resistencia al corte no drenado aumentó. Los hidrogeles viscosos XG produjeron un mayor contenido de humedad óptimo y una mayor resistencia a la fuerza de corte. Este estudio demostró que XG afecta las propiedades mecánicas de la caolinita cambiando las telas de caolinita (hasta un 0,5 % de la relación de masa de XG a caolinita) y absorbiendo fluidos de poros (exceso de XG superior al 0,5 % de la relación de masa de XG a caolinita). ).

Las emisiones globales de dióxido de carbono (CO2) y el creciente calentamiento global han provocado un cambio climático catastrófico, incluido el aumento del nivel del mar, olas de calor y desequilibrios en las precipitaciones1,2,3. Para mitigar las preocupaciones en torno al cambio climático, los ingenieros geotécnicos han realizado varios estudios para desarrollar materiales ecológicos que reemplacen el uso de cemento Portland (OPC) común en materiales de mejora del suelo4. El OPC representa entre el 5% y el 7% de las emisiones antropogénicas de CO2, con una tonelada de CO2 emitida por cada tonelada de producción5,6.

El tratamiento del suelo a base de biopolímeros (BPST), que utiliza biopolímeros exocultivados resultantes del metabolismo de organismos vivos para la mejora del suelo, ha sido ampliamente estudiado para su integración como técnica de mejora del suelo respetuosa con el medio ambiente7,8,9. Los biopolímeros afectan los granos del suelo al aumentar la viscosidad del fluido de los poros y la interacción de las partículas10. Basado en la interacción de los biopolímeros y los suelos, los biopolímeros han demostrado su capacidad para mejorar la consistencia del suelo11, la coagulación12, la resistencia del suelo13,14,15,16,17,18, la erosión superficial19,20,21,22 y el control de la conductividad hidráulica23,24. 25,26.

En el contexto de las arcillas, la presencia de biopolímeros puede conducir a enlaces iónicos directos con la superficie de las partículas de arcilla27, lo que resulta en modificaciones de la estructura arcillosa y la disposición geométrica de las partículas del suelo10,11. Por ejemplo, Mahamaya et al.28 investigaron el efecto de la goma xantana (XG), la goma guar y los biopolímeros de celulosa sobre las cenizas volantes y los relaves de minas. El estudio demostró mejoras en las propiedades del índice, la resistencia a la compresión y la resistencia a la erosión hídrica, atribuidas a cambios morfológicos debidos a la interacción entre el suelo y las cadenas de biopolímeros de cadena larga. De manera similar, Hamza et al.29 encontraron que la agregación de arcilla inducida por XG mejoraba los parámetros geotécnicos de los suelos, como la resistencia, la consolidación, la conductividad hidráulica y la durabilidad durante el hielo y el deshielo. Kang et al.30 compararon los efectos de varios biopolímeros sobre las características de sedimentación de la caolinita y las cenizas volantes, revelando que los biopolímeros catiónicos indujeron cambios en la estructura de la caolinita a través de puentes y neutralización de carga, lo que resultó en una mayor velocidad de sedimentación. Las técnicas microscópicas, incluida la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS), se han utilizado ampliamente en investigaciones anteriores para investigar las interacciones entre biopolímeros y arcillas. Sin embargo, las técnicas de microscopía electrónica tienen limitaciones prácticas, incluidos desafíos en la preparación de muestras y observación limitada de la superficie31, que dificultan una comprensión integral del efecto del biopolímero en la estructura de los materiales arcillosos a granel.

Para cerrar esta brecha de conocimiento, este estudio tiene como objetivo examinar y analizar el tejido de caolinita tratada con biopolímero XG empleando la técnica de difracción de rayos X (DRX), así como las variaciones en sus propiedades mecánicas. La técnica XRD se utiliza ampliamente para analizar la estructura de arcillas a granel debido a su capacidad para sondear profundidades de 30 a 50 μm32,33. Entre una variedad de polímeros orgánicos30, se seleccionó XG en este estudio debido a su amplio uso en diversas aplicaciones34,35,36, resultados prometedores en la mejora de las propiedades geotécnicas13,37,38 y propiedades reológicas únicas, como la formación de hidrogeles viscosos y pseudoplásticos. comportamiento39,40. Estas características hacen de XG un candidato adecuado para investigar sus efectos sobre la estructura y las propiedades mecánicas de la arcilla caolinita. Se utilizaron varios métodos experimentales para lograr el objetivo del estudio. Los patrones XRD de caolinitas tratadas con XG se obtuvieron para determinar la estructura de las arcillas comparando los picos de rayos X y sus amplitudes. Al integrar SEM y SEM ambiental (ESEM), este trabajo examinó visualmente el tejido de caolinita tratada con XG en estados secos y húmedos. Con base en observaciones visuales, se analizó el comportamiento de compactación y la su de las caolinitas tratadas con XG para analizar el impacto de XG en las propiedades fundamentales de las caolinitas.

La Figura 1 muestra los patrones de XRD de caolinitas tratadas con XG. Las propiedades básicas se pueden encontrar en la Fig. 1 de datos ampliados y en la Tabla complementaria 1. Los picos característicos son evidentes en ángulos de difracción del orden de 2θ = 12,31°, 24,84°, 20,34°, correspondientes a los planos 001, 002 y 110. (Tabla complementaria 2 y datos ampliados, figura 2). Aquí, las caras de las partículas de arcilla consisten principalmente en planos basales, y los bordes de las partículas de arcilla consisten principalmente en planos prismáticos41. Los picos basales dominantes observados indican que la mayoría de las partículas de arcilla están orientadas laminarmente, lo que concuerda con el informe de Żbik et al.42. La carga superficial de la caolinita consiste principalmente en facetas de sílice, facetas de gibbsita y bordes. Según los puntos isoeléctricos reportados de cada superficie43,44,45,46,47, las facetas y bordes de gibbsita exhiben una carga positiva, mientras que las facetas de sílice exhiben una carga negativa dentro del rango de pH (5,3 ± 0,1) utilizado en este estudio. En consecuencia, las caras de sílice cargadas negativamente atraen las caras y bordes de gibbsita cargados positivamente, lo que lleva a la formación de disposiciones de tejido cara a cara (FF) y borde a cara (EF), respectivamente. Los picos basales dominantes observados se pueden atribuir a la mayor superficie de las caras de gibbsita en comparación con las superficies de los bordes.

Patrones de difracción de rayos X de caolinita tratada con XG que muestran (a) en todos los ángulos de difracción, (b,c) en los picos basales, (d,e) en los picos del prisma.

Variación en la relación de picos con contenido de XG en (a) picos basales y (b) prismáticos.

No hay un cambio importante en el ángulo máximo debido a XG, lo que indica que la adición de XG en caolinita no tiene un impacto sustancial en los espacios intermedios entre las capas de silicato como intercalación y exfoliación48. En cambio, el contenido de XG utilizado en este estudio sirve como un relleno compuesto convencional, afectando así a los tactoides que comprenden varias monocapas de silicato apiladas49. Los tratamientos XG cambian la intensidad de los picos basales y prismáticos. Las caolinitas con 0,5% y 1,0% de tratamientos XG mostraron una mayor intensidad de los picos basales que la caolinita no tratada (Fig. 1b,c); sin embargo, todas las caolinitas tratadas con XG mostraron una reducción en la resistencia de los picos del prisma en comparación con la caolinita no tratada (Fig. 1d, e). El cambio en las resistencias máximas indica que el XG afectó las propiedades de la caolinita porque transformó sus tejidos50,51. Estudios anteriores han destacado el papel de XG en la promoción de la transformación del tejido en caolinita a través de su interacción única con la superficie de la arcilla, lo que resulta en alteraciones significativas en las propiedades hidromecánicas de la arcilla11,52.

Para un análisis cuantitativo de las variaciones en tejidos de caolinita con contenido de XG, las intensidades relativas de cada pico y los picos basales más altos, es decir, la relación de picos (PR), se pueden calcular de la siguiente manera53:

donde I2θ denota la intensidad registrada en un ángulo de difracción de 2θ, e Imax denota la intensidad más fuerte del espécimen, es decir, los planos 002 en este estudio. Los resultados mostraron que la adición de XG tuvo un impacto insignificante en los picos basales (Fig. 2a) pero redujo la proporción de picos en los picos del prisma (Fig. 2b). Debido al posicionamiento de los planos del prisma en los bordes de las partículas de arcilla54, los picos del prisma más altos indican que la disposición geométrica de las plaquetas de arcilla de caolinita estaba orientada aleatoriamente, lo que implica la formación de contactos EF. Por el contrario, la reducción observada en la relación de picos en los picos del prisma indica una disposición de partículas más FF41, debido a la influencia de XG. Además, XG de mb/ms = 0,5% exhibió la PR más baja en los picos del prisma, mientras que la PR en los picos del prisma aumentó constantemente con XG para mb/ms > 0,5%.

Al considerar la construcción de pavimentos, aeropuertos, diques y presas, las características de compactación son parámetros esenciales que afectan las propiedades mecánicas de los suelos55. La Figura 3 muestra los resultados de las pruebas de compactación estándar de Proctor realizadas en caolinitas tratadas con XG en diferentes condiciones de mb/ms. La curva de compactación (Fig. 3a) muestra que el XG disminuye la variación en el peso unitario seco en w, lo que indica además que el XG reduce la sensibilidad del suelo a las variaciones en w56.

Comportamiento de compactación de caolinita tratada con XG que muestra (a) la curva de compactación, (b) la variación en el contenido de humedad óptimo con XG y (c) la variación en la densidad seca máxima con XG.

El XG aumenta el contenido de humedad óptimo (OMC) (Fig. 3b) y reduce la densidad seca máxima (MDD) (Fig. 3c). Esta tendencia puede atribuirse a la formación de una red de interconexión, es decir, enlaces de hidrógeno o enlaces eléctricos directos, entre las partículas de caolinita10,57, lo que resulta en una modificación de los tejidos de caolinita, como lo indican los resultados de XRD, que resisten la energía de compactación16. ,56. Ni et al.58 también investigaron el aumento de OMC y la disminución de MDD con XG, indicando que esta alteración es causada por el contenido de arcilla y las características del biopolímero. En el caso en el que se utiliza caolinita, cuando el contenido de XG (mb/ms) es > 0,5%, la OMC observada disminuye ligeramente y la MDD aumenta. Esta tendencia es consistente con el trabajo de Kang et al.59, que demostró una tendencia principal en mb/ms = 0,1%. Específicamente, mb/ms de 0,5% aumenta el OMC de 32,4% (caolinita sin tratar) a 36%; sin embargo, el XG adicional tiene un impacto insignificante en el OMC. Además, el MDD disminuye a medida que XG cambia de 1,31 g/cm3 (caolinita no tratada) a 1,22 g/cm3 (mb/ms = 2,0%). Estos resultados coinciden con los hallazgos anteriores de que XG con mb/ms = 0,5% exhibe los límites líquidos máximos locales11,52 y su10.

La Figura 4 muestra los resultados de la prueba de corte de paletas de caolinitas tratadas con XG en términos de su. Con un contenido de agua comparable, las caolinitas tratadas con XG exhiben un mayor su en comparación con las caolinitas no tratadas. Con base en la relación exponencial entre w y su60, los resultados de las pruebas de corte de paletas se pueden reducir a los parámetros a y b, donde el parámetro a denota w en su = 1 kPa, mientras que el parámetro b denota la variación de w en respuesta a a cambio en su. Los parámetros a y b aumentan con XG de mb/ms = 0,5%, lo que sugiere que XG mejora la su al mismo tiempo que reduce su sensibilidad a las fluctuaciones de w. Luego, los parámetros disminuyeron a medida que el contenido de XG varió de 0,5 a 1,0%, y aumentaron nuevamente con el tratamiento con XG mb/ms > 1,0%.

Efecto de XG sobre la resistencia al corte no drenado de caolinita compactada.

La inspección visual de las arcillas tratadas con XG muestra la interacción entre caolinita y XG, que afecta los tejidos y las propiedades mecánicas de las caolinitas. En particular, las distinciones de tejido resultantes del tratamiento XG se analizaron utilizando las capacidades de mayor resolución de SEM. Por el contrario, se empleó ESEM para investigar el comportamiento de la caolinita tratada con XG en diferentes condiciones de humedad relativa, a pesar de los desafíos asociados con la calidad de la imagen, específicamente el contraste y el brillo, que están influenciados por la humedad de la cámara61. Al emplear los métodos SEM y ESEM y considerar sus resultados combinados, investigaciones anteriores han logrado hallazgos consistentes62.

En comparación con la caolinita no tratada con asociaciones aleatorias de EE y EF (Fig. 5a), el XG en caolinita produce puentes entre partículas entre partículas de caolinita, induciendo un mayor grado de asociaciones FF (Fig. 5b). En consecuencia, las cadenas laterales XG interactúan con la caolinita mediante atracción electrostática directa, intercambio de ligandos y enlaces de hidrógeno27,63. Así, la interacción eléctrica entre XG y las partículas de caolinita conduce a la creación de un puente entre las partículas11. Cuando el polvo de XG se disuelve en agua, los grupos de ácido glucurónico y pirúvico en sus cadenas laterales se activan y la molécula queda cargada negativamente52,64,65. En condiciones de humedad, la cadena lateral XG absorbe los fluidos de los poros y se hincha, lo que provoca su expansión. Según Dogan et al.66, el XG absorbe aproximadamente 25 g de agua por gramo de XG. En consecuencia, XG forma puentes entre las partículas de caolinita, como se muestra en la Fig. 5b. Además, XG absorbe las moléculas de agua circundantes, como se muestra en la Fig. 5c, d, lo que lleva a la generación de un hidrogel viscoso alrededor de las partículas de caolinita.

Observaciones microscópicas de caolinitas tratadas con XG; Observaciones SEM en estado seco para (a) caolinita sin tratar y (b) caolinita tratada XG al 1 %, y observaciones ESEM de caolinita tratada XG al 1 % con una humedad relativa de (c) 60 % y (d) 100 % .

Se encontró que XG afectó las asociaciones de partículas de caolinita. Según las observaciones de XRD y microscopía, la Fig. 6 muestra esquemáticamente el impacto potencial de XG en los tejidos de caolinita. En ausencia de XG (Fig. 6a), la caolinita tiende a flocular en los contactos FF y EF debido a la energía de atracción neta entre las superficies de la cara cargadas negativamente y las superficies de los bordes y gibbsita cargadas positivamente63,67,68,69. Esta formación de contactos EF conduce a picos de prisma mayores que los de las caolinitas tratadas con XG (Fig. 1).

Caolinita (a) sin XG y (b) con XG.

Por el contrario, la caolinita tratada con XG forma puentes entre las partículas de caolinita (Fig. 6b), lo cual es evidente en las imágenes de microscopía (Fig. 5b-d), lo que resulta en más asociaciones FF debido a la interacción electrostática con las cargas superficiales de la caolinita. ,52. En consecuencia, la creación de puentes XG alcanza un máximo de mb/ms = 0,5%, lo que demuestra la PR mínima en los picos del prisma (Fig. 2b). Mientras tanto, cuando mb/ms es superior al 0,5%, la absorción de agua del exceso de hidrogel XG dificulta la formación de puentes40, lo que lleva a una PR más alta en los picos del prisma. En particular, la PR en los picos del prisma para mb/ms = 1,0–2,0% sigue siendo menor que la de la caolinita sin tratar.

En resumen, la formación de puentes XG e hidrogeles XG viscosos altera las propiedades mecánicas de los suelos de caolinita. Los puentes XG entre partículas de caolinita transforman los tejidos de caolinita en asociaciones FF, y esto mejora aún más su resistencia a la energía de compactación y al esfuerzo cortante. Al mismo tiempo, la absorción de agua por parte del XG también contribuye a las propiedades mecánicas de las arcillas caolinitas. El exceso de XG en el espacio vacío absorbe principalmente los fluidos de los poros y se hincha, lo cual es evidente en las observaciones de ESEM (Fig. 5); es decir, el XG hinchado absorbe agua, lo que aumenta el volumen hidrodinámico y posteriormente conduce a un aumento en la viscosidad del fluidos de los poros70. El aumento de la viscosidad del fluido de los poros se asocia con la cohesión, la resistencia al corte, la relación de amortiguación y el módulo de corte39,71,72. Por lo tanto, factores como los puentes XG, causa de la modificación del tejido, y el hidrogel XG llenan los espacios entre las partículas de arcilla, lo que lleva a una reducción del MDD (Fig. 3c) y a un aumento de OMC (Fig. 3b) y su ( Figura 4). Además, la absorción de agua XG hace que la caolinita sea menos susceptible a las variaciones de w. En consecuencia, XG reduce las fluctuaciones en la densidad seca (Fig. 3a) y su al aumentar w (Parámetro b en la Fig. 4).

En particular, el contenido de XG de mb/ms = 0,5% muestra un mínimo local para los picos del prisma XRD (Fig. 2b) y un OMC similar con mb/ms más alto (p. ej., 2,0%) (Fig. 3b), así como un contenido óptimo de mb/ms = 0,5%. contenido de biopolímero para LL11,52. Con respecto a los factores antes mencionados, se puede suponer que el contenido de XG (mb/ms) por debajo del 0,5% interactúa principalmente con las superficies de caolinita, cambiando sus tejidos. A pesar de la reordenación obstaculizada del tejido XG observada en las Figs. 1 y 5 para el contenido de XG superior al 0,5%, su continúa aumentando con mayores mb/ms. Esto indica el papel importante de las características de absorción de agua de XG en la mejora de la resistencia al corte de la caolinita. En lugar de interactuar directamente con las partículas de caolinita, el contenido de XG que excede el 0,5 % interactúa principalmente con las moléculas de agua. En consecuencia, el índice de plasticidad disminuye a medida que aumenta mb/ms11. Cabe destacar que el índice de plasticidad presenta una relación inversa con su60,73. Además, este comportamiento depende de las características del biopolímero y de la arcilla23. Por ejemplo, Chang y Cho74 informaron que el biopolímero de goma gellan mostró la máxima resistencia al corte con un 4% de contenido de biopolímero a caolinita. Incluso para el tratamiento XG, su efecto difería según el tipo de arcilla11.

Este estudio analizó el impacto de XG en las estructuras de arcillas caolinitas basándose en análisis XRD, pruebas de compactación, experimentos de corte de paletas de laboratorio y observaciones de microscopía. Los resultados experimentales mostraron que XG modificó los tejidos de caolinita mediante interacciones de carga eléctrica con las superficies de caolinita. Los análisis XRD mostraron que XG resultó en una disminución en el número de picos en los planos del prisma, lo que indica que XG alteró la asociación de caolinitas de EF a FF. Además, los patrones XRD exhibieron picos locales en mb/ms = 0,5%. Las imágenes SEM también demostraron visualmente tejidos FF inducidos por XG. Además de las interacciones XG-caolinita, las imágenes ESEM indicaron que el XG absorbió los fluidos de los poros y se hinchó. Evidentemente, las interacciones entre XG, caolinita y agua impactaron las propiedades mecánicas de las arcillas de caolinita. La formación de puentes inducida por XG entre partículas de caolinita mejoró la resistencia de la caolinita a las fuerzas externas. En espacios vacíos, el XG absorbió los fluidos de los poros para producir hidrogeles viscosos. Debido a la compleja interacción entre XG, caolinita y fluidos de poros, el MDD disminuyó y el OMC y su aumentaron debido al tratamiento con XG. Una serie de análisis experimentales revelaron que el contenido de XG (mb/ms) del 0,5% afecta principalmente las propiedades mecánicas de la caolinita porque forma redes entre las partículas de caolinita, mientras que el contenido de XG (mb/ms) superior al 0,5% absorbe principalmente los fluidos de los poros y aumenta la viscosidad del fluido de poro.

Al investigar los efectos del tratamiento XG sobre caolinita, este estudio explora la aplicabilidad potencial y el rendimiento de XG en aplicaciones de ingeniería geotécnica. Sin embargo, la composición mineral única de la caolinita, caracterizada por sus láminas tetraédricas y octaédricas en capas 1:1, la distingue de otros minerales arcillosos con una estructura en capas 2:1, como la illita y la montmorillonita75. Debido a estas características mineralógicas distintas, es posible que las propiedades específicas asociadas con la caolinita no se apliquen directamente a todos los escenarios de ingeniería. Teniendo en cuenta la diversa composición mineral de las arcillas, las investigaciones futuras deberían abarcar la evaluación de otros tipos de arcillas para mejorar aún más nuestra comprensión de su comportamiento y explorar aplicaciones potenciales.

Este estudio integró arcilla caolinita (Bintang, Indonesia) y biopolímero XG (CAS: 11138-66-2; Sigma Aldrich). La caolinita, que comprende láminas tetraédricas y octaédricas en capas 1:1, se eligió como un mineral arcilloso típico porque responde más a los cambios de tejido que los minerales arcillosos en capas 2:176,77. Dada la alta relación de aspecto ancho: espesor de la caolinita (3–18)78,79,80,81, la atracción de la carga del borde y la cara es crucial para las telas de caolinita y sus propiedades mecánicas82. Además, la caolinita exhibe una baja adsorción de cationes debido a la insignificante sustitución isomórfica de Al3+ o Fe3+ por Si4+78,83. Aunque la caolinita posee cargas negativas independientes del pH y cargas dependientes del pH, la característica de carga general se vuelve más positiva a valores de pH bajos y más negativa a valores de pH altos84.

El XG es un biopolímero producido por el microbio Xanthomonas campestris, y su estructura consta de unidades repetidas de glucosa y cadenas laterales que contienen tres unidades de azúcar85. El XG es un biopolímero soluble en agua cuya estructura se hincha con la hidratación a través de enlaces de hidrogel, los grupos glucurónico (C6H10O7) y ácido pirúvico (C3H4O3) en su cadena lateral se cargan negativamente52,64,65. El XG se usa ampliamente como agente espesante y estabilizador para suspensiones, partículas sólidas y espumas86,87.

La Tabla complementaria 1 muestra las propiedades del índice de la caolinita, lo que indica un aumento en el LL y el límite plástico (PL) con la adición de XG, como informaron anteriormente Nugent et al.52 y Chang et al.11. La caolinita bintang se clasifica como arcilla de alta plasticidad (CH) según la norma ASTM D248788. La caolinita se secó en un horno a 110 °C para evaporar los fluidos de los poros en matrices de arcilla antes de los experimentos, según la norma ASTM D221689. Por el contrario, XG se utilizó sin tratamiento previo. Datos ampliados La Fig. 1 muestra la curva de distribución del tamaño de partícula de caolinita y XG obtenida mediante espectroscopía de difracción láser (Modelo HELOS/KR-H248, Sympatec GmbH, Clausthal-Zellerfeld, Alemania) basada en las normas ASTM D4464-15 y ASTM B822-2090. ,91. La forma de las partículas de caolinita se observó mediante microscopía electrónica de barrido (Modelo SU5000, Hitachi, Tokio, Japón).

La caolinita secada en horno se mezcló con polvo de XG en XG a la proporción de suelo seco en masa (mb/ms) de 0% (sin tratar), 0,5%, 1,0% y 2,0%. Luego, se añadió agua desionizada (DI) con un pH de 6,2 ± 0,2 a 20 °C, con su contenido de agua designado (w), y se mezcló completamente hasta formar una mezcla uniforme XG-arcilla-DI. Se determinó que el pH de la caolinita era 5,3 ± 0,1 a 20 °C, siguiendo los lineamientos descritos en la norma ASTM92.

Las caolinitas tratadas con XG (mb/ms = 0%, 0,5%, 1,0% y 2,0%) con una aw del 35% (alrededor del contenido de humedad óptimo (OMC)) se adhirieron a cubreobjetos de 18 mm × 18 mm (Marienfeld ; Alemania) y se secó al aire durante 24 h a 20 °C. Luego se recolectaron los patrones XRD de las caolinitas tratadas con XG utilizando radiación Cu K-alfa de longitud de onda de 0,154 nm, que se generaron utilizando un difractómetro Rigaku SmartLab (Rigaku, Japón) operado por un generador de rayos X de 9 kW.

Debido a que el ángulo de difracción es una característica que depende de los minerales, se han utilizado técnicas de XRD para identificar minerales93. El XRD mide la cantidad de rayos X difractados que impactan un cristal de partículas de arcilla y genera la identificación del tejido de arcilla según la ley de Bragg, es decir, nλ = 2d·sinθ; aquí, n denota el orden de reflexión, λ denota la longitud de onda, d denota el espaciado de las partículas y θ denota el ángulo de difracción.

Este estudio analizó los tejidos de caolinita tratados con XG de acuerdo con las metodologías propuestas por Sachan y Penumadu41, en los que los tejidos de caolinita pura se reconocieron en función de los picos basales y prismáticos de los patrones XRD, como se muestra en la Tabla complementaria 2. Datos ampliados, figura 2 Representa los planos basal y prismático de una celda unitaria de caolinita. La orientación paralela de las plaquetas (es decir, las asociaciones FF) favorece los planos basales en la superficie, lo que da como resultado un recuento mayor en los picos basales. Por el contrario, la orientación en panal de las plaquetas (es decir, las asociaciones EF) aumenta los reflejos del prisma y disminuye los planos basales.

Las características de compactación de la arcilla caolinita tratada con XG (mb/ms = 0%, 0,5%, 1,0% y 2,0%) con una aw de 15% a 55% se analizaron utilizando una prueba de compactación Proctor estándar. Las mezclas de caolinita tratadas con XG se colocaron en un molde cilíndrico de 0,95 l y se compactaron siguiendo la norma ASTM D698-12E2. Después de la compactación, la superficie se aplanó con una espátula. Se obtuvo el peso total final del suelo. A continuación, el aparato de corte de paletas de laboratorio midió la cantidad de caolinitas compactadas.

Después de la compactación, se realizaron pruebas de corte de paletas de laboratorio para analizar las telas de caolinita afectadas por XG (mb/ms = 0%, 0,5%, 1,0% y 2,0%) en la superficie de caolinita. La su de caolinitas tratadas con XG se determinó girando una paleta rectangular (ancho = 12,7 mm, altura = 12,7 mm y espesor = 0,05 mm) en la parte superior, central e inferior de la muestra compactada a una velocidad de 60˚/ min basado en la norma ASTM D4648-0595. Además, los experimentos se realizaron por triplicado para cada muestra para aumentar la reproducibilidad de los datos experimentales. Después de las pruebas de corte de paletas, se midió el w promedio en cada posición probada de acuerdo con la norma ASTM D221689.

Este estudio observó las interacciones a microescala entre XG y caolinita en condiciones secas y húmedas, siendo la humedad relativa del 60% y 100%, respectivamente, utilizando SEM (SU-5000, Hitachi High Technologies) y ESEM (Model Quattro ESEM, Thermo Fisher Scientific Inc. ., Waltham, EE.UU.). Las caolinitas tratadas y sin tratar, es decir, mb/ms = 0, 1,0%, con w = 35%, se secaron al aire durante 24 h a 20 °C y se fijaron a un soporte SEM de 25 mm de diámetro utilizando lengüetas conductoras de carbono (PELCO Tabs). ; Ted Pella, Inc.). Antes de las observaciones SEM, las muestras se recubrieron con osmio (OsO4) durante 10 s al vacío utilizando un recubridor de plasma (OPC-60A).

El ESEM, que controla la presión de vapor de agua (10–4000 Pa) y la humedad relativa en su cámara de muestras96, se utilizó para evaluar la variación de la caolinita tratada con XG (mb/ms = 1%) utilizando un cambio en la humedad relativa. . Las muestras (w = 35%) se fijaron inicialmente a una montura ESEM y, posteriormente, las superficies de las muestras se expusieron a los haces de electrones. Durante las observaciones, la humedad relativa fluctuó entre 0 y 100%.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a través de los autores previa solicitud razonable.

Tratamiento de suelos a base de biopolímeros

Límite líquido (%)

Límite plástico (%)

Resistencia al corte no drenado (kPa)

Asociación de borde a cara

Asociación cara a cara

Microscopía electrónica de barrido

Microscopio de transmisión por electrones

Goma xantana

Microscopía electrónica de barrido ambiental.

Diámetro medio de partículas (μm)

Superficie específica (m2/g)

Capacidad de intercambio catiónico (meq/100 g)

Proporción de XG a suelo seco en masa (%)

Contenido de agua (%)

Contenido de humedad óptimo (%)

Densidad seca máxima (g/cm3)

Agua desionizada

Análisis de difracción de rayos X.

Intensidades relativas de cada pico XRD y los picos basales más altos (–)

Contenido de agua con una resistencia al corte no drenada de 1 kPa (%)

Variación del contenido de agua ante un cambio en la resistencia al corte no drenado (–)

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Este trabajo fue apoyado por las subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiadas por el Gobierno de Corea (MSIT) (No. 2023R1A2C300559611 y No. 2022R1A2C2091517). Nos gustaría agradecer a Editage [http://www.editage.com] por editar y revisar este manuscrito en idioma inglés.

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad Northwestern, Evanston, IL, 60208, EE. UU.

Yeong Man Kwon

Departamento de Ingeniería de Sistemas Civiles, Universidad Ajou, Suwon, 16499, República de Corea

Ilhan Chang

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), Daejeon, 34141, República de Corea

Gye-Chun Cho

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YMK, IC y GCC diseñaron los conceptos y experimentos. YMK realizó el análisis XRD, la prueba Proctor estándar, la observación microscópica y las pruebas de corte de veletas. YMK preparó el manuscrito bajo la supervisión de GCC e IC.

Correspondencia con Ilhan Chang o Gye-Chun Cho.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Kwon, YM., Chang, I. y Cho, GC. Efecto del tratamiento del suelo a base de biopolímero de xantano sobre la estructura y tejido de arcilla caolinita mediante análisis XRD. Representante científico 13, 11666 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38844-w

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Recibido: 24 de septiembre de 2022

Aceptado: 16 de julio de 2023

Publicado: 19 de julio de 2023

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

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