Gel

Mar 27, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5706 (2023) Citer cet article

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Comme les propriétés mécaniques du sol sont affectées par la teneur en humidité, le diamètre des particules de sol et la température du sol, nous avons utilisé des capteurs céramiques piézoélectriques pour surveiller le cycle de gel-dégel de différents sols à différentes températures et différentes teneurs en humidité. En étudiant l'atténuation énergétique des ondes de stress se propageant dans un sol gel-dégel, sa résistance mécanique a été déterminée. Les résultats ont montré que la durée du processus de gel-dégel était liée au type de sol et à la teneur en eau initiale. Pour une même teneur en eau et une taille de particules de sol plus grande, l'amplitude et l'énergie du signal reçu sont plus grandes. Pour le même type de sol et une teneur en eau plus élevée, l'amplitude et l'énergie du signal reçu sont plus fortes. Cette étude fournit une méthode de surveillance réalisable pour la construction d'infrastructures dans des zones aux conditions géologiques complexes, telles que le sol gelé du Qinghai-Tibet.

L'interaction entre l'environnement du sol gelé et la construction technique est d'une grande importance lorsque la construction à long terme est réalisée dans des régions à basse température, et les facteurs d'influence de la résistance du sol gelé sont également d'une grande importance. D'un point de vue microscopique, la résistance de la couche de sol gelé est composée de trois types de liaisons : les liaisons moléculaires (forces de van der Waals), la liaison structurale et les liaisons glace-ciment2, parmi lesquelles les liaisons glace-ciment jouent un rôle prédominant. En ce qui concerne le mécanisme de renforcement du sol gelé. Ting et al.3 ont déduit que dans un sol gelé, le sol agit comme un renfort dans la glace, améliorant ainsi la résistance globale du sol gelé. La température ambiante4, le type de sol5 et la teneur en eau6 ont été les premiers facteurs à considérer dans l'étude de la résistance du pergélisol. Chamberlain et al.7 ont mené des expériences de congélation sur du sable saturé et du sable limoneux et ont constaté que différents types de sol entraînaient des changements dans la résistance du sol gelé.

Dans le processus de surveillance du changement de résistance du sol gelé, il est nécessaire de prendre en compte les conditions de base de l'environnement du sol gelé et de choisir les méthodes et moyens de surveillance correspondants. Lors de la surveillance de la teneur en eau d'un sol gelé : Zhang et al.8 ont utilisé la méthode de la sonde à impulsion thermique pour mesurer la teneur en humidité des sols gelés. Schwank et al.9 ont utilisé la technologie des micro-ondes pour surveiller l'humidité du sol. Zhao et al.10 ont utilisé l'imagerie par micro-ondes passive AMSR-E pour surveiller la teneur en humidité du sol basée sur la technologie des micro-ondes. Afin d'améliorer la précision de la surveillance, Gao et al.11 ont utilisé les algorithmes AMSR-E et AMSR2 pour évaluer les conditions de gel et de dégel du sol, ce qui a amélioré l'effet de la surveillance de la résistance du sol gelé. Lors de la mesure des conditions de sol gelé sur une grande surface, Zhang et al.12 ont utilisé un satellite pour surveiller et analyser les changements de teneur en eau du sol, ce qui pourrait être utilisé pour surveiller la teneur en eau du sol sur une grande surface. Mavrovic et al.13 ont utilisé deux instruments différents pour mesurer la constante diélectrique et ont proposé que l'amélioration du modèle diélectrique pourrait grandement améliorer l'avantage de la détection de gel-dégel par satellite.

Les céramiques piézoélectriques sont promues pour une utilisation dans divers domaines. Les matériaux piézoélectriques14 peuvent convertir directement l'énergie mécanique en énergie électrique. Par conséquent, leur fonctionnement et leur principe sont très simples et bien compris. Sur cette base, des matériaux céramiques piézoélectriques améliorés15 peuvent être utilisés dans davantage d'applications. Tseng et al.16 ont décrit l'application et le développement des céramiques de titanate de zirconate de plomb (PZT). Schulz et al.17 ont utilisé des patchs piézocéramiques pour la surveillance et le contrôle actif afin de comprendre la santé des structures composites. Song et al.18 ont utilisé des céramiques piézoélectriques et des réseaux de capteurs sans fil pour surveiller la santé des pales d'éoliennes. Liu et al.19 ont mené une étude exploratoire sur la surveillance des infiltrations des structures en béton à l'aide d'un agrégat intelligent en céramique piézoélectrique.

L'utilisation de céramiques piézoélectriques pour modifier la résistance du sol gelé dans différentes conditions telles que la température, la teneur en humidité et la porosité. Avec l'application généralisée de la céramique piézoélectrique, les chercheurs ont progressivement reconnu les avantages de l'utilisation de la céramique piézoélectrique pour étudier le cycle gel-dégel du sol gelé20. Kong et al.21 ont utilisé un agrégat intelligent en céramique piézoélectrique pour surveiller le processus de gel-dégel du sol et ont obtenu de bons résultats. Zhang et al.22 ont utilisé la méthode d'impédance électromécanique du PZT pour surveiller le processus de gel-dégel dans le sol. Les céramiques piézoélectriques surveillent activement la structure du bâtiment sans endommager la structure du bâtiment, ce qui est plus adapté à la surveillance à long terme de la structure du bâtiment dans le projet.

Dans cette étude, deux capteurs piézocéramiques ont été utilisés pour transmettre et recevoir des signaux. La forme d'onde et l'amplitude du signal transmis par l'émetteur de signal étaient les mêmes, et l'énergie consommée par l'onde de contrainte se propageant dans différents sols était différente. Dans le cycle gel-dégel du sol, la résistance du sol gelé a été déterminée en étudiant l'influence du type de sol et de la teneur en humidité sur l'atténuation de l'énergie de l'onde de contrainte. Les résultats montrent que cette méthode est efficace pour étudier les propriétés de gel-dégel du sol.

Les cycles de gel-dégel de l'argile et du sable moyen ont été surveillés à l'aide d'un capteur céramique piézoélectrique. Dans cette expérience, deux capteurs céramiques piézoélectriques ont été utilisés, dont l'un était connecté à un émetteur de signal pour transmettre des signaux d'ondes de stress et l'autre était connecté à un récepteur de signaux pour recevoir des signaux d'ondes de stress. La propagation des ondes de stress est affectée par le milieu entre l'émetteur et le récepteur. Dans le cycle gel-dégel du sol, l'eau ou la glace subit constamment une transformation de phase. L'eau ou la glace se combinent avec les particules du sol pour former diverses microstructures du sol, qui affectent les propriétés mécaniques du sol gelé. Les signaux d'onde de stress ont des réponses différentes en raison du changement de milieu du sol dans le cycle gel-dégel, et le processus de transformation de phase de l'eau et de la glace est le suivant :

Premier article ; Lorsqu'il n'y a que de l'eau liquide dans le sol, l'eau est un facteur d'amortissement et la propagation des ondes de stress est considérablement affectée.

Deuxième élément ; Les molécules d'eau du sol sont dans un état de coexistence solide-liquide23. A ce stade, avec une augmentation de la teneur en glace, l'onde de contrainte se propage mieux dans le sol, et si le sol a une forte teneur en humidité, son processus de transformation est relativement plus long.

Troisième élément ; Toute l'eau du sol existe à l'état solide : dans cet état, la rigidité du sol augmentera dans son ensemble, et le sol dans cet état est le meilleur état pour la propagation des ondes de contrainte.

Dans cette étude, nous avons étudié l'influence du type de sol et de la teneur en eau initiale sur la réponse aux ondes de stress du sol pendant le cycle de gel-dégel, et tenté d'estimer le changement des propriétés mécaniques du sol gelé pendant le processus de gel-dégel à l'aide d'un capteur céramique piézoélectrique.

La transmission de l'énergie des ondes de contrainte à travers l'échantillon de sol est corrélée avec sensibilité aux propriétés mécaniques du sol, et par conséquent la réponse énergétique enregistrée au niveau du capteur peut être utilisée comme indicateur pour décrire les propriétés mécaniques du sol et même la situation de gel-dégel24. Le signal enregistré sur le capteur est décomposé en un groupe de bandes de fréquences sur la base d'une analyse dans le domaine temporel. L'énergie totale de l'onde de contrainte de l'échantillon de sol peut être calculée en accumulant toute l'énergie des signaux dans différents domaines temporels. Dans l'analyse dans le domaine temporel, les valeurs propres statistiques incluent la valeur maximale, la valeur minimale, la valeur moyenne, la valeur quadratique moyenne, la variance d'amplitude du signal et l'énergie et la puissance du signal. Les statistiques énergétiques des signaux sont les paramètres les plus utilisés. L'équation pour calculer l'énergie du signal est.

Où Xi représente un ensemble de signaux de données discrets échantillonnés par le capteur dans un temps d'échantillonnage spécifique. Dans Xij, j représente le moment d'échantillonnage de la valeur du capteur au même moment. Le nombre total de points d'échantillonnage est m dans chaque durée d'échantillonnage.

L'atténuation de l'énergie du signal est désignée par Hi, qui est défini comme

où, \(x_{0}\) et \(E_{0}\) sont respectivement l'amplitude et l'énergie du signal envoyé par le générateur de signal. Hi peut être utilisé comme indice pour décrire le processus de gel-dégel du sol et est un indice potentiel des propriétés mécaniques du sol, telles que la résistance du sol.

Deux types de sol, à savoir un sol argileux et un sable moyen ont été utilisés dans ces expériences. Les particules de sol argileux étaient très fines (diamètres allant de 0,005 mm à 0,05 mm) et avaient une grande plasticité et une faible perméabilité. De plus, la granulométrie du sable moyen était comprise entre 0,35 mm et 0,5 mm, avec une faible plasticité et une perméabilité élevée.

Deux capteurs céramiques piézoélectriques, distants de 10 cm, et un thermomètre ont été insérés dans chaque échantillon. La teneur en humidité de l'échantillon d'argile était d'environ 30 % et la teneur en humidité des échantillons de sable moyen était de 10 %, 15 % et 20 %. Comme le montre la figure 1b, deux tubes de ciment carrés avec une longueur de côté de section transversale de 5 cm ont été insérés dans l'échantillon de sol d'essai. Parmi eux, des deux côtés de tous les 9 cm avec des patchs piézoélectriques PZT, l'onde d'énergie du lanceur passe d'un signal à travers le signal de lancement pile après spécimen de sol de pile à la réception, par l'indicateur d'énergie d'amplification de l'amplificateur de charge. Enfin, les données ont été collectées par le récepteur de signal. Comme le montre la figure 1a, la longueur, la largeur et la hauteur de la chambre de test étaient respectivement de 30 cm, 20 cm et 40 cm. L'onde carrée émise par l'émetteur de signal avait une fréquence de 1000 Hz et une amplitude de 100 000 mV.

Schéma de principe de l'appareil expérimental. (a) Échantillon de dispositif. (b) Disposition de l'équipement expérimental.

Pour simuler l'environnement de congélation, un réfrigérateur à température contrôlable a été utilisé pour refroidir l'échantillon. À une température ambiante de 26 °C, un sol argileux et un sable moyen ont été sélectionnés pour utiliser un séchoir à chauffage électrique afin de sécher leur humidité d'origine ; un sol argileux a été utilisé pour produire des échantillons de sol d'essai avec des teneurs en humidité de 10 %, 15 %, 20 %, 25 % et 30 %, et du sable moyen a été utilisé pour produire des échantillons de sol d'essai avec des teneurs en humidité de 10 %, 15 %, et 20 %. Un total de 8 groupes d'échantillons de sol ont été réalisés. Les paramètres spécifiques de la production d'échantillons de sol sont indiqués dans le tableau 1. Tout d'abord, deux pieux en béton avec des capteurs céramiques piézoélectriques sont placés verticalement dans la boîte d'essai. Dans le même temps, la boîte d'essai est remplie d'échantillons de sol et compactée, puis mise au réfrigérateur, la température des échantillons de sol est réduite à - 20 ° C ; Ensuite, la température du réfrigérateur est maintenue à - 20 ° C, le générateur de signaux transmet en continu des signaux au sol et le récepteur reçoit en continu des signaux. Au total, plus de huit groupes d'expériences opérationnelles ont été menées et des données expérimentales ont été enregistrées.

La teneur en humidité des échantillons d'argile était de 10 %, 15 %, 20 %, 25 % et 30 %. Lorsque la température a chuté à 0 °C, les temps de test étaient d'environ 72 min, 105 min, 120 min, 150 min et 156 min, respectivement, comme le montrent les Fig. 2 et 3. La teneur en humidité des échantillons de sable moyen était de 10 %, 15 % et 20 % respectivement, et les temps de test étaient d'environ 75 min, 129 min et 135 min, respectivement, lorsque la température a chuté à 0 °C, comme le montre la Fig. 3. Ensuite, la température a été abaissée de 0 ° C à - 15 ° C, et les temps de test des cinq échantillons d'argile étaient de 186 min, 183 min, 210 min, 210 min et 218 min, respectivement , comme le montrent les Fig. 2a et 3. Les temps de test pour les trois échantillons de sable moyen étaient de 117 min, 99 min et 105 min, respectivement, comme le montrent les Fig. 2b et 3. Comme le montre la Fig. 3, pour une teneur en humidité initiale plus élevée de l'échantillon, une plus grande quantité de glace était contenue dans l'échantillon correspondant après congélation. Ainsi, le temps de congélation était plus long.

Changement de température des échantillons avec différentes teneurs en humidité. (a) Changement de température d'échantillons d'argile avec une teneur en humidité différente ; (b) Changement de température d'échantillons de sable moyen avec une teneur en humidité différente.

Changement de température d'échantillons avec la même teneur en humidité mais différente. (a) Deux échantillons, chacun avec une teneur en humidité de 10 % ; (b) Deux échantillons avec une teneur en humidité de 15 % ; (c) Deux échantillons avec une teneur en eau de 20 % chacun.

Une comparaison des deux échantillons différents avec une teneur en humidité de 10%, 15% et 20% montre que la vitesse de congélation des échantillons de sol sablonneux moyen est plus rapide que celle des échantillons de sol argileux, comme le montre la Fig. 3. Sable moyen les échantillons de sol ont de grands pores et une forte perméabilité. Par conséquent, l'écoulement de l'eau dans le sol sableux moyen n'est pas soumis à l'action capillaire entre l'eau et le sol. En revanche, le diamètre capillaire de l'argile affecte de manière significative le débit d'eau. Pour une plus grande fluidité de l'eau, la vitesse de congélation de l'échantillon de sol est plus rapide25,26.

Afin d'éliminer l'interférence des fluctuations causées par le champ magnétique externe dans l'étude expérimentale, une forme d'onde d'énergie externe est collectée lorsque le pieu de lancement ne fonctionne pas, comme le montre la Fig. 4. À ce stade, l'échantillon de sol entre les deux pieux a été argile avec une teneur en humidité de 15% et à une température de 0 °C. Le signal reçu par la pile de réception de signal lorsque le générateur de signal a été allumé est illustré à la Fig. 5. Ainsi, il est évident que le signal reçu par la pile de réception de signal est bien le signal émis par la pile de transmission de signal.

Diagramme de réponse du signal sous l'influence du bruit ambiant.

Détection de la variation de tension pendant la mesure du sol gelé.

Comme le montre la Fig. 6a, les amplitudes de signal des échantillons d'argile avec une teneur en eau initiale de 20 % à quatre températures différentes (− 0,6 °C, − 6 °C, − 11 °C et − 13,8 °C) sont de 49,7 mV, 63,13 mV, 129,66 mV et 221,52 mV, respectivement. Pendant ce temps, comme le montre la figure 6b, l'échantillon de sable moyen avec une teneur en eau initiale de 20% atteint une amplitude de 21,23 mV, 62,55 mV, 83,14 mV et 167,32 mV lors de la congélation à quatre températures différentes (- 0,6 ° C, − 5,9 °C, − 9,7 °C et − 14,0 °C). Ainsi, avec une diminution de la température, l'amplitude du signal reçu par les deux échantillons augmente. Simultanément, la résistance du sol augmente également, et ainsi, plus d'énergie d'onde de signal peut être reçue par le récepteur. Par conséquent, la force du sol est reflétée par l'amplitude du signal.

Détection des changements de tension des échantillons à différentes températures. (a) Diagramme de variation de tension du capteur d'échantillons d'argile à différentes températures. ( b ) Diagramme de variation de tension du capteur d'échantillons de sable moyen à différentes températures.

À - 13, 6 ° C, les amplitudes de signal des cinq échantillons d'argile sont respectivement de 147, 58 mV, 199, 77 mV, 229, 61 mV, 365, 41 mV et 446, 34 mV, comme le montre la figure 7a. Pendant ce temps, les amplitudes de signal des trois échantillons de sable moyen à - 14 ° C sont respectivement de 20, 91 mV, 28, 34 mV et 50, 01 mV, comme le montre la figure 7b. D'après cette analyse, l'amplitude du signal reçu par le capteur augmente avec une augmentation de la teneur en eau initiale de l'échantillon lors de la congélation. Lors de la congélation, des particules d'argile ou de sable moyen se combinent avec des particules de glace pour former un échantillon de sol dur. Avec une augmentation de la teneur en eau initiale, plus de particules de glace se forment pendant le processus de congélation, qui peuvent se combiner avec plus de particules de sol pour former un échantillon de sol plus dur. A ce moment, la résistance mécanique de l'échantillon de sol est continuellement améliorée. Par conséquent, l'amplitude du signal d'échantillon reçu par le capteur lorsque l'échantillon de sol est gelé est positivement corrélé avec sa teneur en eau.

Détection des changements de tension des deux échantillons avec une teneur en humidité différente ; (a) Diagramme de variation de tension de détection d'échantillons d'argile avec une teneur en humidité différente ; (b) Changements dans le diagramme de tension induite d'échantillons de sable avec une teneur en humidité différente.

À - 13,8 ° C, lorsque la teneur en humidité de l'échantillon d'argile et de l'échantillon de sable moyen est de 10%, les amplitudes de signal reçues par les capteurs dans les deux échantillons sont respectivement de 147,58 mV et 20,91 mV, comme le montre la Fig. 8 Il ressort des données que l'amplitude du signal reçu par l'échantillon d'argile est significativement plus grande que celle de l'échantillon de sable moyen. Dans le cycle gel-dégel, les particules de l'échantillon d'argile sont plus compactes que celles de l'échantillon de sable moyen et l'onde de contrainte est plus stable dans le processus de transmission. L'amplitude du signal de l'échantillon d'argile est supérieure à celle de l'échantillon de sable moyen. Par conséquent, la valeur de l'amplitude du signal de l'échantillon est également corrélée positivement avec la force de l'échantillon27.

Forme d'onde d'énergie de différents échantillons avec la même teneur en humidité.

Pour surveiller le degré d'atténuation de l'onde de contrainte dans le processus de propagation, l'indicateur d'énergie correspondant a été calculé pour le processus de gel-dégel de différents sols ; Où, l'indicateur d'énergie est exprimé par la valeur au carré de l'amplitude du signal dans la valeur caractéristique statistique. À l'aide de cet indice, le type de sol et la teneur en eau initiale ont été étudiés, et l'influence de la teneur en eau sur les processus de gel et de dégel du sol a été analysée. Comme le montre la figure 9, pendant le processus de congélation, l'indicateur énergétique du sol continue d'augmenter tandis que la température continue de diminuer. Ceci est cohérent avec l'augmentation de la résistance du sol gelé lorsque la température diminue. Dans tout le test du cycle gel-dégel, la température diminue jusqu'à la valeur la plus basse, la résistance des échantillons d'argile et de sable moyen atteint également les valeurs les plus élevées en même temps et l'indicateur d'énergie atteint son maximum. Par la suite, la température du sol augmente progressivement, les particules de glace dans l'échantillon fondent lentement et l'indicateur d'énergie de l'onde de signal diminue, comme le montre la Fig. 9. Cela montre que la résistance des échantillons de sol diminue avec une augmentation de la température. L'indicateur énergétique augmente également avec une augmentation de la teneur en eau initiale. Selon l'analyse, lorsque la teneur en humidité initiale de l'échantillon est plus élevée, plus de particules de glace sont générées lors du processus de congélation du sol, et les particules de glace sont plus denses avec les particules de sol, augmentant ainsi la résistance de l'échantillon de sol. Comme le montre la figure 10, pour une même teneur en eau initiale, l'énergie reçue par les échantillons d'argile dans le cycle de gel-dégel est supérieure à celle reçue par les échantillons de sable moyen. Cela indique que les résistances des échantillons d'argile sont plus élevées que celles des échantillons de sable moyen dans le cycle gel-dégel. En effet, à teneur en eau égale, la cohésion du sol des échantillons d'argile est supérieure à celle des échantillons de sable moyen. En conséquence, les échantillons d'argile ont une force de cohésion plus forte, ce qui se traduit par un indicateur d'énergie plus fort et une plus grande résistance. Les résultats expérimentaux montrent que l'indicateur énergétique utilisé dans cette expérience peut refléter avec précision les changements dans les caractéristiques physiques du sol au cours des cycles de gel-dégel.

Diagramme de l'indicateur d'énergie des échantillons avec différentes teneurs en humidité. (a) Indicateur d'énergie d'échantillons d'argile avec différentes teneurs en humidité ; (b) indicateur d'énergie d'échantillons de sable avec différentes teneurs en eau.

Diagramme de l'indicateur d'énergie de différents échantillons avec la même teneur en eau.

Pendant le processus de gel-dégel, les propriétés du sol peuvent être déterminées en surveillant la force du signal. Avec une diminution de la température, l'eau dans le sol gèle progressivement et la résistance du sol augmente, réduisant ainsi l'atténuation de l'énergie dans le processus de propagation des ondes de contrainte. Cette étude porte sur la détermination de la résistance du sol basée sur la force du transfert d'énergie. Dans le cycle gel-dégel, différentes teneurs en eau et tailles de particules conduisent à différentes microstructures et propriétés mécaniques. Lorsque la teneur en eau initiale de l'échantillon est la même, pour une taille de particule plus grande, l'énergie du signal reçue par la pile de réception du signal est plus forte. Lorsque le même type de sol, avec une teneur en eau initiale plus élevée de l'échantillon, l'énergie du signal reçu par la pile de réception du signal est plus forte. En résumé, les céramiques piézoélectriques peuvent surveiller efficacement les caractéristiques du sol gelé en fonction de l'indice d'énergie de l'atténuation de l'énergie des ondes de signal pendant la propagation. En combinaison avec l'effet de surveillance active des céramiques piézoélectriques, il peut être plus largement utilisé dans la surveillance des caractéristiques du sol gelé.

Les données expérimentales utilisées pour étayer les conclusions de cette étude sont incluses dans l'article.

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Les auteurs reconnaissent le soutien financier du projet de recherche scientifique et technologique sur l'éducation, département de la province du Jiangxi (subvention n° GJJ190497), le projet de recherche pour les talents de haut niveau de l'Université des sciences et technologies de Jiangxi (subvention n° jxncbs19009) et le Projet scientifique et technologique du Département provincial du logement et du développement urbain-rural du Gansu (subvention n° JK2023-26).

École d'ingénierie civile et d'arpentage et de cartographie, Université des sciences et technologies du Jiangxi, Ganzhou, 341000, Chine

Daopei Zhu et Zhongyong Lai

Gansu Academy of Building Research (Group) Corporation Limited, Lanzhou, 730070, Chine

Zhangli Wang

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Conceptualisation, DZ et ZW ; Conservation des données, ZL ; Acquisition de financement, DZ ; Enquête, ZL ; Méthodologie, DZ et ZW ; Rédaction – brouillon original, DZ et ZW ; Rédaction – révision et édition, ZW

Correspondance à Zhangli Wang.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Zhu, D., Lai, Z. & Wang, Z. Processus de gel-dégel du sol entre deux piles surveillé par un capteur céramique piézoélectrique. Sci Rep 13, 5706 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32929-2

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Reçu : 30 novembre 2022

Accepté : 04 avril 2023

Publié: 07 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-32929-2

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