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Apr 04, 2023

Degrado della durabilità e della resistenza del terreno trattato con biopolimero a base di gomma xantana sottoposto a cicli atmosferici severi

Scientific Reports volume 12,

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19453 (2022) Citare questo articolo

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I trattamenti del suolo basati su biopolimeri hanno dimostrato efficacia nel miglioramento del suolo, con un’implementazione su scala di successo. In questo studio, abbiamo esplorato l’effetto della bagnatura-essiccazione ciclica (W-D) e del congelamento-scongelamento (F-T) sulla resistenza e durabilità dei terreni trattati con biopolimeri. I risultati indicano che i ciclici W–D e F–T degradano gradualmente la resistenza del suolo a causa dell’adsorbimento di acqua e della diluizione locale del biopolimero. La sabbia scarsamente classificata era altamente vulnerabile a questi effetti atmosferici; tuttavia, questo problema veniva mitigato quando il terreno conteneva un contenuto di fini del 15-25%. Questi terreni trattati con biopolimeri hanno resistito efficacemente a numerosi cicli sia di W-D che di F-T, indicando che i terreni trattati con biopolimeri sono adatti per il rinforzo dei pendii in terra.

Recentemente, gli ingegneri geotecnici hanno tentato di sviluppare metodi di trattamento biologico del suolo e di miglioramento del terreno per alleviare le preoccupazioni ambientali legate al cemento ad elevate emissioni di CO2 nelle pratiche di ingegneria geotecnica1. Tra gli approcci sostenibili per il trattamento e il miglioramento del suolo, il trattamento del suolo basato su biopolimeri (BPST) ha mostrato un miglioramento sufficiente delle proprietà di ingegneria geotecnica (ad esempio resistenza, controllo della permeabilità e riduzione dell'erosione) del suolo e un'implementazione di successo su scala di campo2,3, 4,5,6. Inoltre, il BPST promuove la germinazione dei semi, la crescita e la resistenza alla siccità della vegetazione grazie alle caratteristiche di elevata ritenzione idrica e all'origine organica dei biopolimeri7,8.

Il miglioramento delle proprietà di ingegneria geotecnica consente al BPST di essere un metodo di miglioramento del terreno rispettoso dell'ambiente per la prevenzione dell'erosione/erosione del suolo e la protezione della superficie dei pendii9,10. Tuttavia, si sospetta che i processi di alterazione climatica legati al clima, come la bagnatura-essiccazione ciclica (W-D) e il congelamento-scongelamento (F-T), riducano la resistenza dei suoli rinforzati con BPST11. Inoltre, queste ripetute condizioni atmosferiche possono spesso accelerare l’erosione delle particelle e il distacco dello strato superficiale, determinando un ambiente vegetativo instabile. In particolare, le forti piogge in estate (da giugno ad agosto) e le temperature sotto lo zero nel suolo superficiale durante l’inverno (da gennaio a febbraio) (Fig. 1) rendono i materiali di rinforzo della superficie dei pendii inevitabilmente più vulnerabili al degrado in Corea del Sud12. Per garantire l'affidabilità dell'applicazione sul campo del BPST, è necessario valutare la durabilità del BPST rispetto alle condizioni meteorologiche atmosferiche variabili.

Temperature medie dell'aria e della superficie e frequenza delle precipitazioni in Corea del Sud (Seoul) dal 1981 al 2010. Dati della Korea Meteorological Administration (https://www.weather.go.kr).

I metodi di prova standard ASTM D559 e D560 specificano i metodi di valutazione della durabilità per miscele terreno-cemento esposte a processi atmosferici, dove entrambi gli standard propongono di monitorare la perdita di massa di campioni di terreno ingegnerizzato dopo essere stati esposti a 12 cicli di W–D o F– T13,14. Tuttavia, la spazzolatura del campione è vulnerabile alla diversità dei dati sperimentali acquisiti dai diversi operatori15. In risposta, la durabilità delle miscele di terreno ingegnerizzate è stata valutata misurando la resistenza alla compressione non confinata (qu) per migliorare la precisione riducendo gli errori dello sperimentatore16,17,18,19,20,21.

Sebbene alcune ricerche abbiano valutato la durabilità dei terreni trattati con biopolimeri misurando il qu dopo l’esposizione a condizioni meteorologiche cicliche, studi precedenti si sono concentrati principalmente sull’invecchiamento W–D21,22,23,24,25. Tuttavia, i suoli superficiali di solito sono soggetti a ripetute gelate e disgeli, che influiscono gravemente sulla stabilità e sull’erodibilità del suolo lungo i pendii durante le stagioni invernali nelle regioni alle medie latitudini dell’emisfero settentrionale26,27. In particolare, è stato segnalato che l’erosione rappresenta un rischio importante durante il periodo di disgelo, dove il deflusso superficiale può staccare particelle dalla superficie allentata del terreno28. Pertanto, l’analisi della durabilità F–T dovrebbe essere valutata per il BPST. Inoltre, sebbene la composizione del terreno nel BPST migliori la resistenza e la lavorabilità, queste risposte non sono state ancora sufficientemente studiate.