Efecto del biocarbón de bambú sobre las propiedades de resistencia y retención de agua de arcilla baja en plástico y arena limosa

May 16, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 6201 (2023) Citar este artículo

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El biocarbón es un producto estable rico en carbono derivado de la descomposición termoquímica de la biomasa. Las propiedades del biocarbón varían según los tipos de materia prima, velocidad de calentamiento, temperatura de pirólisis, etc. En consecuencia, las propiedades mecánicas e hidrológicas del suelo modificado con biocarbón (BAS) también difieren según los tipos de biocarbón y suelos. Sin embargo, en la literatura anterior falta el efecto de la enmienda de biocarbón de bambú (BB) sobre la resistencia del suelo y las propiedades de retención de agua. La biomasa de bambú se pirolizó a 600 °C para producir biocarbón. Se mezclaron BB y suelos (arcilla baja en plástico (CL) y arena limosa (SM)) para preparar BAS. Las muestras se prepararon mezclando BB en cinco proporciones, es decir, 0%, 1%, 2%, 3,5% y 5% del peso del suelo seco. La aplicación de biocarbón ha aumentado el contenido óptimo de humedad, la alcalinidad (pH) y los límites de Atterberg, mientras que ha reducido la densidad seca máxima y la gravedad específica de ambos suelos (CL y SM). Se observó que la resistencia a la compresión libre (UCS) del suelo CL aumentaba en un 10,5 % con un contenido de biocarbón del 2 % y disminuía después de eso, mientras que se encontró que la UCS del suelo SM disminuía continuamente con el incremento del contenido de biocarbón. Por lo tanto, el resultado de la resistencia a la compresión libre (UCS) mostró que la aplicación de biocarbón tiene efectos contrarios en ambos suelos. El contenido de agua gravimétrico (GWC) medido de BAS aumentó con el incremento de biocarbón en ambos suelos. Sin embargo, el GWC aumentó más en el suelo CL que en el SM con el mismo contenido de biocarbón. El análisis microestructural mostró que la enmienda de biocarbón llenó el espacio poroso de la matriz del suelo, lo que resultó en un aumento en los valores de UCS y GWC. La mayor capacidad y resistencia de retención de agua (UCS) del suelo CL modificado con biocarbón proporciona evidencia de que podría usarse como material de cobertura de vertederos.

El biocarbón (BC) es un producto estable rico en carbono derivado de la pirólisis o gasificación de biomasa a alta temperatura con poco o nada de oxígeno disponible en una cámara cerrada1,2. Las principales materias primas (materia prima) para la producción de biocarbón son los residuos agrícolas, el estiércol animal, los residuos sólidos urbanos, la silvicultura y los residuos del procesamiento de la madera3. En general, la pirólisis es la descomposición termoquímica de materia orgánica en un ambiente anaeróbico a un rango de temperatura de 200 a 700 °C, produciendo gas de síntesis, bioaceite y biocarbón4. Generalmente, en la generación de energía se utilizan gas de síntesis y bioaceite2,5. Considerando que, debido a las propiedades ventajosas del biocarbón, que incluyen una mayor superficie específica, capacidad de intercambio catiónico, contenido de carbono, pH, capacidad de retención de agua y menor densidad, etc., se utiliza ampliamente en la eliminación de contaminación por metales pesados, secuestro de carbono y agricultura. y campos de la ingeniería6,7. Por lo tanto, el biocarbón se ha aplicado potencialmente en agricultura, techos verdes, taludes diseñados mediante bioingeniería, terraplenes, vertederos, etc. Recientemente, los investigadores han investigado las posibles aplicaciones del biocarbón como material de cobertura factible en vertederos y estabilidad de taludes con vegetación8,9,10,11,12 ,13,14,15,16.

En el pasado, se han llevado a cabo varios estudios sobre diferentes tipos de biocarbón producido como materia prima para investigar las propiedades geotécnicas (mecánicas e hidrológicas) del suelo modificado con biocarbón (BAS), y la mayoría de los estudios han concluido que las propiedades del biocarbón varían según los tipos de materia prima, la pirólisis temperatura, velocidad de calentamiento y condición atmosférica de la cámara de pirólisis8,17,18,19,20,21,22,23. Además, pocos estudios han informado que las propiedades del BAS cambian con la edad del biocarbón24. Las propiedades mecánicas e hidrológicas del BAS también varían con el tamaño de las partículas de biocarbón25,26,27.

En general, los investigadores informaron una disminución en la densidad seca de BAS12,27. Mientras que la resistencia a la compresión libre (UCS) y la resistencia al corte de BAS contradecían los resultados, que mostraron variaciones con la materia prima y el tipo de suelo. Estudios en suelos arcillosos muestran que el valor de SCU aumentó hasta un cierto porcentaje del contenido de biocarbón y, posteriormente, disminuyó28,29. Bora et al.22 informaron un valor UCS inalterado o disminuido de arena limosa debido al mayor contenido de biocarbón. Ahmed et al.30 observaron una disminución en la resistencia al corte en suelos franco limosos atribuida a la adición de biocarbón. Sadasivam y Reddy15 y Xu et al.31 informaron un aumento en los parámetros de resistencia al corte debido a la aplicación de biocarbón en suelos arcillosos limosos y puramente arcillosos. Además de las características mecánicas, la aplicación de biocarbón también afecta la capacidad de retención de agua del suelo. Se ha informado que la aplicación de biocarbón mejoró la capacidad de retención de agua (WRC) del suelo21,32,33,34,35,36. Sin embargo, algunos investigadores han informado resultados contradictorios, como que la aplicación de biocarbón es ineficaz para aumentar o que diferentes materias primas tienen un WRC diferente de BAS37,38,39,40.

A diferencia de otros cultivos comerciales, especies de pastos y madera; Los bambúes son materiales autóctonos de rápido crecimiento, con una maduración más rápida y una mayor productividad. Los bambúes requieren costos iniciales de plantación sin gastos adicionales durante su período de crecimiento41,42. Además de esto, el bambú se ha utilizado ampliamente en países en desarrollo como India, Malasia y China; como elemento de soporte y soporte en cercas, techados, construcción y artesanías43. Esta biomasa está ampliamente presente en grandes cantidades en todo el mundo, donde la India es el segundo productor, con 11,4 millones de hectáreas de toda la cubierta forestal. Sin embargo, la utilización efectiva actual del bambú es de alrededor del 30% al 40%, y el bambú restante resulta ser desperdicio, que se incinera o se entierra directamente43.

Kumar et al.42 y Nath et al.43 informaron que alrededor de 4,5 millones de toneladas de bambú se utilizan en industrias para diversos fines, generando una tremenda agregación de desechos o materiales de desecho de bambú al final del trabajo. El continuo aumento de la gran cantidad de residuos de bambú provoca una escasez de espacio para vertederos, lo que genera un grave problema medioambiental y de gestión de residuos. Para abordar estos desafíos, reciclar los desechos de bambú en biocarbón es esencial y respetuoso con el medio ambiente1. La producción de biocarbón sería beneficiosa y económica para tratar estos residuos.

De la literatura se desprende claramente que las propiedades mecánicas e hidrológicas del BAS varían según la materia prima y los tipos de suelo. Por lo tanto, se requiere la investigación del efecto del biocarbón de bambú sobre las propiedades mecánicas e hidrológicas de BAS para comprender su eficacia. Por lo tanto, se ha intentado evaluar el impacto de la modificación del BB en las propiedades mecánicas e hidrológicas críticas, como la resistencia a la compresión libre, las características de compactación y la capacidad de retención de agua de los suelos. El estudio actual también se centra en el potencial del biocarbón de bambú como material de enmienda para proyectos de ingeniería. Esta investigación contribuiría a la selección de una cantidad eficaz y óptima de biocarbón para mejorar el suelo. Además, la investigación actual contribuiría significativamente a evaluar las propiedades mecánicas e hidrológicas de BAS y ayudaría a estudiar más a fondo el BB como material de enmienda para otros tipos de suelos.

En el presente estudio, se utilizaron dos tipos diferentes de suelos. Las muestras de suelo se recolectaron en dos lugares del distrito de Patna en Bihar, India, y se muestran en la Fig. 1c, d, respectivamente. Para recolectar la muestra, se eliminó la capa superficial del suelo que contenía pasto. Después de eso, se excavó un pozo aproximadamente a 1 m por debajo de la superficie del suelo y se llenaron bolsas con muestras de suelo. Se llevaron muestras de suelo al laboratorio, se extendieron sobre una estera y se dejaron secar al aire. Además, de las muestras de suelo se separaron impurezas como hierbas, piedras y guijarros. Las muestras se trituraron con un martillo y se molieron hasta obtener polvo y se pasaron a través de un tamiz de 2,36 mm. Luego, las muestras de suelo en polvo se almacenaron en un recipiente cerrado para realizar pruebas.

(a) Curva de distribución del tamaño de grano del biocarbón de bambú (BB) y muestras de suelo, (b) Fotografía del biocarbón de bambú, (c) suelo CL y (d) SM.

El biocarbón de bambú (Fig. 1b) utilizado en este estudio se adquirió de VR International Organic Farming Solution, Bhopal, India. La organización ha utilizado biomasa de bambú como materia prima. El biocarbón adquirido se pirolizó a temperaturas de 650 a 700 °C. El biocarbón se almacenó en un recipiente herméticamente cerrado después de recibirlo del proveedor. El biocarbón se utilizó tal como lo adquirió el proveedor y no se trituró. Después de mezclar la tierra y la cantidad requerida de biocarbón, se mantuvo en un recipiente sellado durante 7 días para su homogeneización.

Se realizó la caracterización de los suelos para determinar las propiedades básicas e índice. La distribución del tamaño de las partículas, los límites de Atterberg, la gravedad específica, el pH del suelo y el biocarbón se determinaron de acuerdo con el procedimiento descrito en las normas ASTM44,45,46,47,48.

Además, se llevaron a cabo estudios de microscopía electrónica de barrido de emisiones de campo (FESEM) para examinar la morfología de la superficie de los suelos y el biocarbón. Las imágenes FESEM se capturaron con diferentes aumentos que van desde 500X hasta 25KX utilizando Sigma-300, Zeiss, Alemania. Para una mejor interpretación, el biocarbón se recubrió previamente con oro para proporcionar conductividad eléctrica. Además, también se realizaron análisis elementales con la técnica de espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS), equipada con FESEM. El análisis mineralógico se realizó mediante la técnica de difracción de rayos X (DRX) utilizando MiniFlex 300/600, Reino Unido. Todas las muestras de suelos y biocarbón se escanearon en un ángulo 2θ entre 5 y 80°, con Cu Kα (λ = 0,154 nm), a una velocidad de escaneo de 2° por minuto y un tamaño de paso de 0,2°.

Se utilizó espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para investigar los grupos funcionales presentes en el suelo y el biocarbón con respecto al pellet de bromuro de potasio (KBr) como referencia utilizando el espectrofotómetro FTIR DR-8000 (Shimadzu Co., Japón). La exploración se realizó en el rango de 4000 a 400 cm-1. La superficie específica total (SSA) de los suelos y el biocarbón se determinó mediante el método de adsorción y desorción de etilenglicol monometiléter (EGME)49.

Las muestras de suelo se colocaron en una estufa durante 24 h a 105 °C para eliminar la humedad del suelo. También se secó el biocarbón obtenido de la industria. Después de eso, la tierra seca y el biocarbón se mezclaron minuciosamente a mano durante 15 minutos en una bandeja de aluminio y se mantuvieron en un desecador. Los porcentajes de biocarbón se decidieron en función de los resultados informados en la literatura20,50,51. Se mezclaron muestras de suelo con 1, 2, 3,5 y 5% de biocarbón para preparar BAS. Se llevó a cabo una serie de pruebas Proctor estándar en ambos suelos con porcentajes variables de contenido de biocarbón para determinar su efecto sobre las características de compactación52, la resistencia a la compresión libre53 y las propiedades de retención de agua54 del suelo. Se realizó una serie de pruebas en los suelos (CL y SM) sin agregar biocarbón para comparar el resultado.

El peso unitario seco del biocarbón, los suelos no tratados y las muestras de BAS se determinaron mediante la prueba de compactación Proctor. Todas las pruebas de compactación se realizaron mediante el procedimiento mencionado en ASTM D69852. Antes del ensayo, las muestras se mezclaron con una cantidad definida de contenido de agua para cada caso, y las muestras húmedas se mantuvieron en un desecador durante 24 h para lograr homogeneidad. Posteriormente se realizaron pruebas de compactación en el laboratorio. El peso aparente de la muestra se midió después de completar la prueba de compactación y luego se determinó el contenido de humedad de la muestra. Se tomaron muestras representativas de las muestras compactadas en tres lugares designados (superior, central e inferior) y se mantuvieron en un horno durante 24 h a una temperatura de 105 °C para determinar el contenido de humedad. Luego, se utilizaron el peso unitario a granel (relación entre el peso a granel de la muestra y el volumen del molde) y el contenido de humedad para calcular el peso unitario seco de las muestras compactadas. El peso unitario seco de la muestra se calculó utilizando las siguientes fórmulas:

Por último, el contenido de humedad y la densidad seca se representaron en los ejes x e y, respectivamente. A partir del gráfico se determinó la densidad seca máxima (MDD) y el contenido de humedad óptimo (OMC). El contenido de humedad correspondiente a MDD se consideró OMC para las respectivas muestras (ASTM D69852). Asimismo, se probaron tres muestras independientes para cada caso para minimizar el error y validar los resultados.

Las pruebas de resistencia a la compresión no confinada (UCS) de suelos no modificados y BAS se realizaron de acuerdo con el procedimiento mencionado en ASTM D216655. Los suelos sin biocarbón y la mezcla de suelo y biocarbón se tomaron del recipiente y se mezclaron completamente para preparar la muestra para la prueba UCS. Después de eso, se seleccionó un molde estándar de 38 mm de diámetro y 76 mm de altura para preparar la muestra para UCS. El peso de la muestra UCS se determinó mediante la relación de volumen y peso unitario para cada muestra. Las muestras pesadas se mezclaron con OMC y se colocaron en un desecador durante 24 h empacándolas en una bolsa de plástico para lograr el equilibrio de humedad. Posteriormente, la muestra húmeda se comprimió estáticamente en un molde cilíndrico desde ambos extremos con un muestreador UCS operado manualmente. Se permitió que la muestra de UCS alcanzara el equilibrio durante 5 minutos, después de lo cual se extrajo para realizar la prueba de UCS. De manera similar, también se prepararon otras muestras de UCS siguiendo el mismo método.

Para determinar la UCS, la muestra preparada se colocó verticalmente sobre un marco de carga con capacidad de 50 kN adquirido en Aimil, India. Luego, se colocaron cuidadosamente el émbolo de carga y el indicador de desplazamiento sobre la muestra. Después de eso, se aplicó una carga incremental para producir una deformación axial a una velocidad de 2,5 mm/minuto y se registró el desplazamiento de la muestra correspondiente a la carga aplicada. La carga se continuó hasta que se produjo la falla de la muestra. Se realizaron tres pruebas en muestras idénticas para comprobar la fiabilidad de los resultados. Se informó un valor promedio de tres pruebas como UCS de la muestra.

La prueba de capacidad de retención de agua (WRC) se realizó utilizando el dispositivo potenciómetro de espejo enfriado de punto de rocío WP4C (Decagon Devices Inc., EE. UU.). El potenciómetro de espejo enfriado del punto de rocío WP4C mide con precisión la succión en un rango de succión superior de −0,1 a −300 MPa; sin embargo, en el rango de succión inferior, por debajo de −0,1 MPa, puede haber cierta imprecisión. Este dispositivo calcula la succión indirectamente usando la ecuación de Kelvin al equilibrar la humedad relativa de la muestra y el aire presente sobre la muestra en la cámara sellada54.

La prueba de succión de suelo desnudo y BAS se llevó a cabo en condiciones libres (lodo). Se seleccionó una copa redonda de 4 cm de diámetro y 1 cm de profundidad. Se colocaron muestras de suelo no tratado y BAS en forma de suspensión (que contenían un contenido de agua igual a los límites líquidos) en la copa redonda (molde) sin presión de sobrecarga. Se limpió la lechada que rodeaba el molde y se recortó y limpió cuidadosamente el exceso de lechada sobre la copa.

El molde de muestra húmedo se colocó en una caja sellada que contenía gel de sílice para que se secara y, una vez que la muestra alcanzó la etapa insaturada o el rango de succión inferior, se sacó para la prueba de succión. Después de eso, la muestra se colocó en el dispositivo WP4C para medir la succión. El instrumento mostró lecturas de temperatura y succión total en la pantalla de cristal líquido (LCD). Luego se retiró el recipiente de muestra del equipo y se pesó simultáneamente. Posteriormente, el molde se mantuvo a temperatura controlada para que se secara. Después de unos minutos (aproximadamente 10 a 20 minutos), se volvió a colocar el molde en el dispositivo WP4C para medir la succión. Este proceso continuó hasta que la succión alcanzó 0–40 MPa. Después de eso, se usó gel de sílice para secar aún más la muestra para lograr una mayor succión (40–280 MPa). Se observó que el valor de succión aumentaba a medida que continuaba el secado de la muestra en gel de sílice. Este proceso continuó hasta que el valor de succión se volvió constante. Cuando se observó que la diferencia entre los valores de succión consecutivos era muy pequeña, se terminó la prueba y se midió el contenido de agua de la muestra mediante secado en horno.

La distribución del tamaño de partículas (PSD) del suelo y el biocarbón se muestra en la Fig. 1a. El análisis de la curva PSD del suelo1 indica que la mayoría de las partículas del suelo son limosas (73%) y están categorizadas como arcilla magra (CL) por el sistema unificado de clasificación de suelos (USCS). Mientras que el suelo2 contiene arena (52%), seguido de limo (39%), y se clasificó como arena limosa (SM). Estos suelos se han utilizado en gran medida como materiales de cobertura de vertederos en países como India, EE. UU. y China56,57. El análisis de la curva de distribución del tamaño de partículas de BB (Fig. 1a) ilustra partículas más gruesas que el suelo CL. Por el contrario, el suelo SM tiene partículas más pequeñas y más grandes que el biocarbón.

Los resultados de las propiedades básicas y de índice de los suelos y el biocarbón medidos en el laboratorio según las normas ASTM se resumen en la Tabla 1. Se encontró que los límites de Atterberg y la gravedad específica del suelo CL eran mayores que los del suelo SM. Las partículas laminares y de forma angular facilitaron estas propiedades en el sistema de suelo CL que en SM (Fig. 2c, d, e, f). Además, BB mostró un límite líquido más alto (108,3%) y una gravedad específica menor (1,61) que ambos suelos. Se atribuye a la estructura alveolar del biocarbón (Fig. 2a, b), que retiene más agua en los poros en forma de varilla disponibles. Los poros en forma de varilla en la superficie del BB (tamaños que varían > 2 µm) atraen nutrientes y mejoran el WRC en la matriz del suelo58,59,60. El análisis microestructural también muestra que las partículas de arcilla laminada estaban pegadas sobre las partículas de limo angulares y subangulares. Se observó que el pH del biocarbón de bambú (8,9) era más alcalino que el de los suelos (7,75–7,85). El aumento del pH en el biocarbón se debe al mayor contenido de carbono y a los grupos funcionales de la superficie (hidróxido, álcali y carbonato) (Fig. 4a) de BB61. Por lo tanto, BB tiene el potencial de tratar suelos ácidos. El resultado de la compactación observó una MDD mayor en el caso del suelo SM que en el suelo CL (Cuadro 1), y se observó que la MDD de BB era menor en comparación con ambos suelos. La estructura liviana y porosa causó menos TDM en BB.

Morfología de la superficie de (a, b) biocarbón de bambú; (c, d) CL y (e, f) SM suelo a diferentes aumentos en estado de polvo.

La Figura 3a muestra los resultados de XRD del biocarbón de bambú, que confirmaron la presencia de minerales de cuarzo (SiO2), calcita (CaCO3) y carbonato de bario (BaCO3) presentes en la muestra23,62. Los resultados de XRD del suelo CL y SM se muestran en la Fig. 3b, c, respectivamente. El análisis espectral del suelo CL mostró la presencia de minerales Cuarzo (SiO2), moscovita (KAl3Si3O10(OH)2) y fosfato de aluminio (AlPO4)63. De manera similar, el resultado de XRD del suelo SM mostró la presencia de minerales albita (NaAlSi3O8), montmorillonita (CaAl4Si8O24), moscovita (KAl3Si3O10(OH)2) y cuarzo (SiO2)27. Además, el cuarzo y la moscovita eran los minerales predominantes en los suelos. Los picos correspondientes a 5,99 ° y 12 ° indican la presencia de minerales de montmorillonita en el suelo SM (Fig. 3c). En general, el mineral montmorillonita mejora la absorción de agua y la plasticidad del suelo. El pico de difracción a 8,98° sugiere la presencia de minerales de moscovita. Es la forma más común de mica y ayuda a absorber agua en el suelo. Los minerales de albita mostraron su presencia a 23,73°, 32,05°, 42,54° y 45,71° sobre los espectros XRD. Pertenece al grupo de los feldespatos plagioclasas y es una buena fuente de nutrientes para las plantas. El cuarzo es un mineral predominante y estable que reduce la capacidad de retención de agua y aumenta la infiltración de agua en el suelo.

Análisis de difracción de rayos X de (a) biocarbón de bambú puro, (b) suelo CL y (c) SM en forma de polvo.

La Figura 4a muestra los espectros FTIR del biocarbón de bambú. El análisis del espectro representa los diversos grupos funcionales de la superficie activa en el rango de banda de 4000 a 400 cm-1. Los picos de absorción espectral en las bandas 700–900, 997, 1116, 1242 y 1392 cm−1 muestran vibración aromática C – H, estiramiento C – H, flexión C – OH, estiramiento C – C y flexión C – O, respectivamente64. El rango de número de onda más alto, 4000-2500 cm-1, muestra el grupo O-H, comúnmente presente en el suelo y el biocarbón. El rango de banda 2000-1500 cm-1 indica la presencia del grupo funcional de doble enlace (C=C y C=O), mientras que los picos en 2500-2000 cm-1 muestran la presencia de triples enlaces65,66,67.

Análisis de espectros FTIR para una muestra de polvo de (a) biocarbón de bambú puro, (b) suelo CL y (c) SM en forma de polvo.

Además, el análisis espectral FTIR de suelo CL y SM se muestra en la Fig. 4b, c. El cuarzo abunda en el suelo en forma de minerales de silicato. Las regiones 400–800 y 900–1100 cm−1 muestran la flexión y el estiramiento del enlace Si-O a lo largo de los espectros, lo que confirma la presencia de minerales de silicato. Los picos de absorción correspondientes a los números de onda en 3694, 1890, 1162–65, 1004, 998, 909–11, 773–75, 691 y 645 cm−1 confirman la presencia de un grupo de enlace simple (Al–O, Si–O , Al – O – Al) en ambos suelos. Los picos correspondientes a 1648 y 1636 cm-1 indican moléculas de agua68.

La Tabla 2 resume los resultados de gravedad específica, límites líquidos, límites plásticos y pH del suelo modificado con biocarbón (BAS). Se encontró que la gravedad específica (GS) de BAS disminuyó de 2,78 (0% BC) a 2,69 (5% BC) para CL; y de 2,75 (0% BC) a 2,65 (5% BC) para suelo SM. La reducción continua en Gs de BAS se produjo porque las partículas de biocarbón más ligeras y porosas reemplazaron a las partículas pesadas del suelo que tenían una gravedad específica más alta. La investigación de Reddy et al.9 y Huang et al.23 mostró hallazgos similares con la enmienda de biocarbón.

En contra de la gravedad específica, los límites líquidos de BAS aumentaron con la adición de biocarbón en ambos suelos. Los límites líquidos se observaron 38,15% al ​​0% BC y 40,52% al 5%BC para suelo CL, mientras que 28,50% al 0% BC y 32,47% al 5%BC para suelo SM. El aumento del límite líquido en BAS se produjo debido a la alta naturaleza hidrofílica y intraporosa del biocarbón, lo que mejora el almacenamiento de agua en la mezcla.

Asimismo, los límites de plástico también aumentaron de 19,51% (0% BC) a 23,17% (5% BC) para CL y de 19,72% (0% BC) a 25,34% (5% BC) para suelo SM con adición de biocarbón. El resultado de la plasticidad muestra que el incremento de biocarbón en los suelos ha modificado la finura de la mezcla y ha aumentado la superficie específica, provocando la adsorción de agua, mejorando así la propiedad plástica (plasticidad) de los suelos. El pH del BAS es un factor importante que afecta la precipitación mineral, la actividad metanotrófica y la emisión de gases de efecto invernadero en los sistemas de cobertura de vertederos69,70. El valor de pH de BAS aumentó de 7,75 (0% BC) a 8,15 (5% BC) para CL; y 7,85 (0% BC) a 8,17 (5% BC) para suelo SM (Tabla 2).

La Figura 5 muestra la variación de MDD y OMC con el contenido de biocarbón de ambos suelos. La observación mostró que el MDD disminuyó con la adición de biocarbón en ambos suelos. La disminución observada en MDD corresponde a 0, 1, 2, 3.5 y 5% de contenido de biocarbón, siendo 1.80, 1.78, 1.77, 1.74 y 1.71 g/cc para suelo CL; y 2,02, 1,98, 1,95, 1,86 y 1,77 g/cc para suelo SM, respectivamente. Mientras que el aumento en OMC para 0, 1, 2, 3,5 y 5% de contenido de biocarbón fue de 17,25, 17,75, 18,25, 18,5 y 19,25% para CL; y 11,5, 12,1, 13, 14,5 y 16,8% para suelo SM, respectivamente. Por lo tanto, se observó que el incremento de biocarbón disminuyó la MDD y aumentó la OMC de ambos suelos.

Variación de MDD y OMC de suelo CL y SM con el aumento del contenido de biocarbón de 0 a 5% (p/p).

Sin embargo, la reducción del MDD fue mayor en el suelo CL que en el SM. Ocurrió porque la adición de biocarbón creó un espacio vacío y disminuyó el peso de BAS en el sistema (Fig. 2a). También mejoró el atrapamiento de agua y aire en la matriz (debido al grupo funcional de la superficie observado en los espectros FTIR), facilitando una superficie resbaladiza en la interfaz del compuesto de biocarbón del suelo, lo que condujo a una disminución del MDD. Se observó un patrón similar en las investigaciones de Kumar et al.12 sobre BAS con biocarbón de maní, aserrín, jacinto de agua y excrementos de aves. Patwa et al.62 Los exámenes de limos y arenas arcillosas con alto contenido plástico modificados con biocarbón de mezquite mostraron resultados similares. Los análisis de Sun et al.71 también han informado de una reducción del TDM. Estas pruebas revelan que la enmienda de biocarbón de bambú (BB) afecta negativamente al MDD de BAS.

El resultado de la resistencia a la compresión libre (UCS) de los suelos CL y SM se presenta en la Fig. 6. La prueba realizada mezclando 1% y 2% de contenido de biocarbón con suelo CL dio como resultado un aumento del 2,7% y el 10,5% en el valor de UCS en comparación con suelo sin enmiendas (suelo desnudo). El aumento en el valor de UCS se puede atribuir a la alta rugosidad de la superficie y la resistencia a la fricción del biocarbón de bambú. Además, agregar un contenido de biocarbón en un 3,5% y un 5% en el mismo suelo provoca una disminución en el valor de UCS en un 12,9% y un 24,3%, respectivamente. Análisis microscópico realizado en muestras UCS de; (a) los suelos no modificados y (b) modificados se muestran en la Fig. 7. El análisis de las imágenes FESEM con un aumento de × 500 indica que el 2% de biocarbón (Fig. 7b) ha llenado más poros y ha obstruido mejor las partículas del suelo en comparación. al espécimen de suelo CL no modificado (Fig. 7a). Por lo tanto, el análisis microscópico valida que la enmienda de una menor cantidad de biocarbón (2% BB) ha llenado más espacio, proporcionando así una mejor disposición y entrelazamiento, lo que conduce a un aumento en la resistencia UCS del suelo CL. El valor aumentado de UCS sugiere que la enmienda BB fortalece el suelo CL. Muestra que los compuestos de suelo BB y CL se pueden utilizar como material de cobertura de vertederos. A diferencia del suelo CL, los resultados del suelo SM muestran una disminución constante en el valor de UCS con un incremento de la tasa de biocarbón del 1 al 5%. En comparación con el suelo SM no modificado, los valores de UCS disminuyeron en un 21,5, 35,4, 43,8 y 51 %, correspondientes a un contenido de biocarbón de 1, 2, 3,5 y 5 %. Se encontró que la desviación estándar de los valores de UCS obtenidos de suelos CL y SM modificados con biocarbón varía entre 1,8 y 3,52% y 1,6–4,23%, respectivamente, como se muestra en la Fig. 6. Imágenes FESEM de especímenes de UCS para suelos no modificados y los suelos modificados se muestran en la Fig. 7c, d. Las imágenes microscópicas con un aumento de × 500 muestran que el 2% de biocarbón (Fig. 7d) creó más espacios vacíos en el compuesto en comparación con la muestra de suelo SM no modificada (Fig. 7c). Además, la adición de biocarbón se atribuye a un mayor espacio vacío y a la pérdida de la integridad del biocarbón en el suelo SM. Además, el grupo funcional en la superficie del biocarbón permite que el suelo retenga más humedad, lo que resulta en mayores niveles de deformación en el pico de tensión, lo que hace que el compuesto del suelo sea más dúctil. Un mayor contenido de agua lubrica los enlaces suelo-suelo y suelo-biocarbón e inhibe el deslizamiento entre las partículas del suelo. Por lo tanto, la inclusión de BB resultó en la relajación de la integridad del biocarbón del suelo, lo que condujo a un aumento en el OMC, los huecos y la deformación máxima en el estrés máximo, lo que explica la reducción del valor de UCS. Bora et al.22 estudiaron BAS con jacinto de agua y biocarbón de aserrín y mostraron un valor reducido de UCS. Sin embargo, el estudio actual revela que el valor de UCS aumentó con suelo CL (hasta 2% BC) y disminuyó con suelo SM en enmienda de biocarbón (BB). Los resultados mostraron que la UCS de BAS varía según el tipo de suelo. Además, Adhikari et al.24 han informado que el envejecimiento del biocarbón proporciona estabilidad física al BAS. Por lo tanto, la resistencia a la compresión del BAS variaría con la edad del biocarbón.

El efecto del incremento de biocarbón (de 0 a 5% (p/p)) sobre el valor de UCS del suelo CL y SM.

El cambio en la disposición de los poros y las partículas en la morfología de la superficie de las muestras de UCS analizadas con 500 aumentos para (a, c) suelo CL, SM no modificado y (b, d) suelo CL, SM mezclado con 2% (p/p) contenido de biocarbón.

La Figura 8 muestra la curva de características de retención de agua del suelo (SWRC) de BAS. Se observó la variación del contenido de agua gravimétrica (GWC) con la succión total de CL modificado con biocarbón (Fig. 8a) y suelo SM (Fig. 8b). Los datos de las pruebas presentados en el rango de succión de 10 a 106 kPa muestran que la GWC de ambos suelos aumentó con el incremento del contenido de biocarbón. Se observó que el aumento era mayor hacia el rango de succión más bajo (estado húmedo) y menor hacia el rango de succión más alto (estado seco). Además, también se observaron las variaciones de GWC en diferentes succiones (250 kPa, 1500 kPa y 240 × 103 kPa), como se muestra en la Fig. 9. Generalmente, el GWC del suelo a 1500 kPa significa el punto de marchitez permanente (PWP).

Curvas gravimétricas de contenido de agua: para (a) muestra de suelo CL y (b) SM; cada uno mezclado con 0%, 1%, 2%, 3,5% y 5% (p/p) de contenido de biocarbón.

Variación del contenido de agua gravimétrica (GWC) de (a) suelo CL y (b) SM; con el incremento del contenido de biocarbón (de 0 a 5% (p/p)) a 250 kPa, 1500 kPa y 240.000 kPa de nivel de succión.

El análisis de la curva SWRC del suelo CL modificado con biocarbón (Fig. 9a) muestra que, con una enmienda del 1% de biocarbón, se observó que el GWC aumentaba en un 9,2% en el rango de succión más bajo (250 kPa) y disminuía en un 0,57% en un rango más alto. rango de succión (240 × 103 kPa) en comparación con el suelo no modificado. Al mezclar más con un 2 % de biocarbón, se observó que el GWC aumentaba un 9,9 % en el rango de succión inferior y disminuía un 0,59 % en el rango de succión superior. De manera similar, con un contenido de biocarbón del 3,5 % y 5 %, se observó que el GWC aumentaba en un 11,56 % y un 12,15 % con una succión más baja, así como un 0,6 % y un 1,13 % con una succión más alta, respectivamente. Además, se encontró que el GWC aumentaba entre un 4,7 y un 9,72 % en el PWP para un contenido de biocarbón del 1 al 5 %, respectivamente. La desviación estándar del GWC medio del suelo CL modificado con biocarbón se observó en el rango de 0,23 a 2,95%. Debido a la legibilidad, las desviaciones estándar no se incluyen en la Fig. 8. El aumento de WRC de BAS se atribuyó a la mayor superficie específica (Tabla 1) y a la naturaleza hidrófila del biocarbón. El alto SSA del BB ha aumentado la superficie adsorbente en el compuesto, lo que mejoró la propiedad de retención de agua del BAS. Además, en la Fig. 10a, b para CL y en la Fig. 10c, d para suelo SM, respectivamente, se muestran imágenes microscópicas de muestras de WP4C no modificadas (0% BC) y modificadas con biocarbón (3,5% BC). La imagen FESEM mostró que las partículas de biocarbón más finas redujeron el diámetro de los poros en el suelo CL modificado (Fig. 10b) más que el caso no tratado (Fig. 10a), lo que mejoró el fenómeno de capilaridad en el sistema. El aumento de los poros capilares en BAS mejoró la propiedad de retención de agua de la muestra. Además de esto, la propiedad de absorción de agua de los minerales moscovita (Fig. 3b) también ayudó a mejorar el agua en la matriz.

El cambio en el número de poros y el tamaño en la morfología de la superficie de las muestras de WP4C con 500 aumentos: para (a, c) suelo CL, SM no modificado; y (b, d) suelo CL, SM mezclado con un contenido de biocarbón del 3,5% (p/p).

De manera similar, los resultados del suelo SM (Fig. 8b) también mostraron que la WRC de BAS aumentó con el incremento de biocarbón. Además de eso, se observó una variación significativa en el GWC en todo el rango de succión. El resultado muestra que con un mayor contenido de biocarbón (3,5–5%), se observó un aumento en GWC (1,43–2,33%) con una succión más baja (Fig. 9b). Además, con un 1-5% de BC, se observó que el GWC aumentaba entre un 1,3 y un 3,28% en PWP, respectivamente. La desviación estándar del GWC medio del suelo SM modificado con biocarbón se observó en el rango de 0,12 a 3,5%. Debido a la legibilidad, las desviaciones estándar no están incluidas en la Fig. 8. Las desviaciones estándar se observaron comparativamente más en rangos de succión más bajos que en rangos de succión más altos, como se muestra en la Fig. 9. Además, las imágenes FESEM del suelo SM modificado con biocarbón mostraron tamaños más grandes. poros en la matriz (Fig. 10d) en comparación con el caso no modificado (Fig. 10c), lo que podría ser la razón de una mejora menor en WRC. Los poros de mayor diámetro afectaron el capilar en BAS, lo que resultó en una menor capacidad de retención de agua en la muestra. Además, el suelo SM comprende predominantemente minerales de cuarzo con tamaño de grano grueso (Fig. 3c), lo que tiene una capacidad mínima de retención de agua y afecta el aumento del contenido de agua en la matriz.

La interpretación de la curva SWRC muestra que la capacidad de retención de agua de ambos suelos aumentó con la adición de biocarbón. Se observó que el WRC de BAS mejoró con el aumento de la cantidad de BB en ambos suelos. Sin embargo, el aumento en WRC del suelo SM fue menor que el del suelo CL con incremento de biocarbón. El análisis de imágenes microscópicas mostró que la diferencia en WRC se debió a la alteración del tamaño de los poros en ambos suelos. La observación de imágenes FESEM con un aumento de × 500 mostró la reducción de los poros más grandes y el aumento de los poros más pequeños en la muestra modificada con biocarbón en comparación con la muestra no tratada para ambos suelos. Sin embargo, con una cantidad fija de enmienda de biocarbón (3,5%), los poros de menor diámetro observados en el suelo CL fueron mayores que en el suelo SM. Los tamaños más pequeños de poros mejoran el fenómeno de capilaridad en el sistema BAS. El ascenso del agua en el tubo capilar se produce mediante hidratación y condensación. La modificación de las propiedades estructurales, como el tamaño de los poros y la finura, en BAS ha respaldado la capacidad de retención de agua de la muestra72. Además, se observó que el suelo CL tenía mayor SSA que el suelo SM y estaba formado por cuarzo y moscovita como minerales predominantes. El suelo CL tiene mayor contenido de arcilla que el suelo SM, por lo tanto, la alta proporción de mesoporos y microporos en BAS afectó la WRC24. El mayor SSA y los minerales absorbentes de agua del suelo CL también han apoyado al WRC en BAS. Sin embargo, estas observaciones señalaron que la capacidad de retención de agua del suelo no sólo se ve afectada por el contenido de biocarbón sino también por los tipos de suelo.

El estudio actual demuestra el efecto de la enmienda de biocarbón de bambú (0, 1, 2, 3,5 y 5% en peso) sobre las características de compactación, las propiedades mecánicas (UCS) y las características de retención de agua del suelo CL y SM. Además, también se determinaron el índice y las propiedades fisicoquímicas del suelo no tratado y del BAS. Con base en los hallazgos de esta investigación se pueden sacar las siguientes conclusiones:

La adición de biocarbón de bambú disminuyó la gravedad específica y aumentó los límites líquidos, los límites plásticos y el pH de ambos suelos. La adición de biocarbón resultó en una disminución de la MDD y un aumento de la OMC en ambos suelos; sin embargo, se observó que la variación era mayor para el tipo de suelo SM que para el CL. El cambio en estas propiedades físicas se vio afectado principalmente por el mayor SSA, el mayor tamaño de poro y el peso ligero del biocarbón. Se observó que la adición de biocarbón aumenta el espacio vacío y el atrapamiento de aire, lo que lleva a una disminución en el peso del compuesto. Además, la naturaleza del biocarbón que retiene agua creó una superficie resbaladiza en la interfaz del compuesto suelo-biocarbón, lo que provocó una disminución del valor de MDD.

Se encontró que el valor de UCS aumenta en el suelo CL con la adición de BB, y el valor máximo se observó con un contenido de biocarbón del 2%. Al mismo tiempo, se encontró que el valor UCS disminuía con la adición adicional (3,5% y 5%) de BB en suelo CL. El valor UCS de BAS aumentó debido a la rugosidad de la superficie, el entrelazado, la resistencia a la fricción y el llenado de los espacios porosos con menor contenido de biocarbón. El valor aumentado de UCS indica que la mezcla de CL y BB se puede utilizar para fortalecer la cobertura del vertedero. A diferencia del suelo CL modificado con biocarbón, se observó una disminución continua en el valor de UCS para el suelo SM modificado con biocarbón. Por lo tanto, la inclusión de BB resultó en la relajación de la integridad del biocarbón del suelo, lo que condujo a un aumento en el OMC, los huecos y la deformación máxima en el estrés máximo, lo que explica la reducción del valor de UCS.

Se encontró que la capacidad de retención de agua de ambos suelos aumentaba con la adición de contenido de biocarbón. Sin embargo, con el mismo contenido de biocarbón, se observó que la WRC del suelo CL aumentaba más en comparación con el suelo SM en condiciones de lodo. La reducción de los poros más grandes y el aumento de los poros más pequeños se observaron más en suelos CL modificados con biocarbón que en suelos SM. Se observó que debido al fenómeno de capilaridad, la muestra BAS con poros más pequeños contenía más humedad que la muestra con poros más grandes. Además, el aumento de GWC en BAS se dirigió más hacia el rango de succión más bajo que hacia el rango de succión más alto. El aumento de WRC se debió a la obstrucción y atrapamiento de partículas de biocarbón en la matriz del suelo. La enmienda de biocarbón también aumentó el GWC en el PWP en ambos suelos, lo que apoyaría el crecimiento de la vegetación. Por lo tanto, la capa de cobertura del vertedero hecha con BAS favorecerá el crecimiento de la vegetación. Por lo tanto, también lograría recuperar los vertederos, especialmente en las ciudades más grandes, donde la escasez de suelo es enorme, y podría utilizarse para actividades recreativas y deportivas.

De la prueba de resistencia y retención de agua se desprende claramente que las propiedades del suelo BAS varían según los tipos de suelo y el contenido de biocarbón. Además, el aumento de UCS y WRC de BAS promete ser un material de cobertura de vertedero adecuado. Sin embargo, es necesario realizar más estudios con diferentes tipos de suelo y BB variando las condiciones de la muestra para comprender mejor el comportamiento del suelo modificador con biocarbón. Se requieren más investigaciones sobre el biocarbón envejecido para comprender las propiedades mecánicas e hidrológicas del suelo modificador con biocarbón.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado [y sus archivos de información complementaria].

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Este trabajo se llevó a cabo en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del Instituto Indio de Tecnología, Patna, una institución financiada por el Ministerio de Educación del Gobierno de la India. Los autores agradecen el apoyo brindado por el instituto para esta investigación. Sin embargo, esta investigación no recibió ninguna subvención específica de agencias de financiación públicas, comerciales o sin fines de lucro.

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Instituto Indio de Tecnología de Patna, Patna, Bihar, India

Bolso Shailesh Kumar Yadav y Ramakrishna

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El primer autor preparó el borrador del manuscrito, Figuras y Tablas. El segundo autor proporcionó recursos para la investigación, supervisó el trabajo, corrigió y finalizó el manuscrito.

Correspondencia a Ramakrishna Bag.

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Yadav, SK, Bag, R. Efecto del biocarbón de bambú sobre las propiedades de resistencia y retención de agua de arcilla baja en plástico y arena limosa. Representante científico 13, 6201 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33466-8

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Recibido: 27 de octubre de 2022

Aceptado: 13 de abril de 2023

Publicado: 17 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33466-8

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