Congelar

Mar 27, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5706 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

Como las propiedades mecánicas del suelo se ven afectadas por el contenido de humedad, el diámetro de las partículas del suelo y la temperatura del suelo, utilizamos sensores cerámicos piezoeléctricos para monitorear el ciclo de congelación y descongelación de diferentes suelos a diferentes temperaturas y diferentes contenidos de humedad. Mediante el estudio de la atenuación de la energía de las ondas de tensión que se propagan en el suelo de congelación-descongelación, se determinó su resistencia mecánica. Los resultados mostraron que la duración del proceso de congelación y descongelación estaba relacionada con el tipo de suelo y el contenido de agua inicial. Para el mismo contenido de agua y un tamaño de partícula de suelo más grande, la amplitud y la energía de la señal recibida son mayores. Para el mismo tipo de suelo y mayor contenido de agua, la amplitud y la energía de la señal recibida son más fuertes. Este estudio proporciona un método de monitoreo factible para la construcción de infraestructura en áreas con condiciones geológicas complejas, como el suelo helado de Qinghai-Tíbet.

La interacción entre el entorno del suelo congelado y la construcción de ingeniería es de gran importancia cuando la construcción a largo plazo se lleva a cabo en regiones de baja temperatura, y los factores que influyen en la resistencia del suelo congelado también son de gran importancia. Desde un punto de vista microscópico, la resistencia de la capa de suelo congelado se compone de tres tipos de enlaces: enlaces moleculares (fuerzas de van der Waals), enlaces estructurales y enlaces hielo-cemento2, entre los cuales los enlaces hielo-cemento juegan un papel dominante. En cuanto al mecanismo de refuerzo del suelo helado. Ting et al.3 infirieron que en el suelo congelado, el suelo actúa como un refuerzo en el hielo, mejorando así la resistencia general del suelo congelado. La temperatura ambiental4, el tipo de suelo5 y el contenido de agua6 fueron los primeros factores a considerar en el estudio de la resistencia del permafrost. Chamberlain et al.7 realizaron experimentos de congelación en arena saturada y arena limosa, y encontraron que diferentes tipos de suelo provocaban cambios en la resistencia del suelo congelado.

En el proceso de monitorear el cambio de la fuerza del suelo congelado, es necesario considerar las condiciones básicas del ambiente del suelo congelado y elegir los métodos y medios de monitoreo correspondientes. Al monitorear el contenido de agua del suelo congelado: Zhang et al.8 utilizaron el método de sonda de pulso térmico para medir el contenido de humedad de los suelos congelados. Schwank et al.9 utilizaron tecnología de microondas para monitorear la humedad del suelo. Zhao et al.10 utilizaron imágenes de microondas pasivas AMSR-E para monitorear el contenido de humedad del suelo con base en la tecnología de microondas. Para mejorar la precisión del monitoreo, Gao et al.11 utilizaron los algoritmos AMSR-E y AMSR2 para evaluar las condiciones de congelación y descongelación del suelo, lo que mejoró el efecto del monitoreo de la resistencia del suelo congelado. Al medir las condiciones del suelo congelado en grandes áreas, Zhang et al.12 usaron un satélite para monitorear y analizar los cambios en el contenido de agua del suelo, que podría usarse para monitorear el contenido de agua en el suelo en un área grande. Mavrovic et al.13 utilizaron dos instrumentos diferentes para medir la constante dieléctrica y propusieron que la mejora del modelo dieléctrico podría mejorar en gran medida el beneficio de la detección de congelación y descongelación por satélite.

Las cerámicas piezoeléctricas se están promoviendo para su uso en varios campos. Los materiales piezoeléctricos14 pueden convertir directamente la energía mecánica en energía eléctrica. Por lo tanto, su funcionamiento y principio son muy simples y bien entendidos. Sobre esta base, los materiales cerámicos piezoeléctricos mejorados15 se pueden utilizar en más aplicaciones. Tseng et al.16 describieron la aplicación y el desarrollo de cerámicas de titanato de zirconato de plomo (PZT). Schulz et al.17 usaron parches piezocerámicos para monitoreo y control activo para comprender la salud de las estructuras compuestas. Song et al.18 utilizaron cerámicas piezoeléctricas y redes de sensores inalámbricos para monitorear el estado de las palas de las turbinas eólicas. Liu et al.19 realizaron un estudio exploratorio sobre el control de filtraciones de estructuras de hormigón utilizando un agregado inteligente cerámico piezoeléctrico.

El uso de cerámicas piezoeléctricas para cambiar la resistencia del suelo congelado bajo diferentes condiciones como temperatura, contenido de humedad y porosidad. Con la aplicación generalizada de las cerámicas piezoeléctricas, los investigadores han ido reconociendo gradualmente las ventajas de usar cerámicas piezoeléctricas para estudiar el ciclo de congelación y descongelación del suelo congelado20. Kong et al.21 utilizaron agregados cerámicos piezoeléctricos inteligentes para monitorear el proceso de congelación y descongelación del suelo y lograron buenos resultados. Zhang et al.22 utilizaron el método de impedancia electromecánica de PZT para monitorear el proceso de congelación y descongelación en el suelo. Las cerámicas piezoeléctricas monitorean activamente la estructura del edificio sin dañar la estructura del edificio, lo que es más adecuado para el monitoreo a largo plazo de la estructura del edificio en el proyecto.

En este estudio, se utilizaron dos sensores piezocerámicos para transmitir y recibir señales. La forma de onda y la amplitud de la señal transmitida por el transmisor de señal eran las mismas, y la energía consumida por la onda de tensión que se propagaba en diferentes suelos era diferente. En el ciclo de congelación-descongelación del suelo, la resistencia del suelo congelado se determinó estudiando la influencia del tipo de suelo y el contenido de humedad en la atenuación de la energía de la onda de tensión. Los resultados muestran que este método es efectivo para estudiar las propiedades de congelación y descongelación del suelo.

Los ciclos de congelación y descongelación de arcilla y arena mediana se monitorearon utilizando un sensor cerámico piezoeléctrico. En este experimento se utilizaron dos sensores cerámicos piezoeléctricos, uno de los cuales estaba conectado a un transmisor de señales para transmitir señales de ondas de esfuerzo y el otro estaba conectado a un receptor de señales para recibir señales de ondas de esfuerzo. La propagación de las ondas de tensión se ve afectada por el medio entre el transmisor y el receptor. En el ciclo de congelación-descongelación del suelo, el agua o el hielo experimentan constantemente una transformación de fase. El agua o el hielo se combinan con las partículas del suelo para formar diversas microestructuras del suelo, que afectan las propiedades mecánicas del suelo congelado. Las señales de las ondas de tensión tienen diferentes respuestas debido al cambio en el medio del suelo en el ciclo de congelación-descongelación, y el proceso de transformación de fase del agua y el hielo es el siguiente:

Primer elemento; Cuando solo hay agua líquida en el suelo, el agua es un factor amortiguador y la propagación de las ondas de tensión se ve significativamente afectada.

Segundo artículo; Las moléculas de agua en el suelo se encuentran en un estado de coexistencia sólido-líquido23. En esta etapa, con un aumento en el contenido de hielo, la onda de estrés se propaga mejor en el suelo, y si el suelo tiene un alto contenido de humedad, su proceso de transformación es relativamente más largo.

Artículo tercero; Toda el agua del suelo existe en estado sólido: en este estado, la rigidez del suelo aumentará en conjunto, y el suelo en este estado es el mejor estado para la propagación de ondas de tensión.

En este estudio, investigamos la influencia del tipo de suelo y el contenido inicial de agua en la respuesta de la onda de tensión del suelo durante el ciclo de congelación-descongelación e intentamos estimar el cambio en las propiedades mecánicas del suelo congelado durante el proceso de congelación-descongelación usando un sensor cerámico piezoeléctrico.

La transmisión de energía de la onda de tensión a través de la muestra de suelo se correlaciona sensiblemente con las propiedades mecánicas del suelo y, por lo tanto, la respuesta de energía registrada en el sensor se puede utilizar como indicador para describir las propiedades mecánicas del suelo e incluso la situación de congelación y descongelación24. La señal registrada en el sensor se descompone en un grupo de bandas de frecuencia según un análisis en el dominio del tiempo. La energía total de la onda de tensión de la muestra de suelo se puede calcular acumulando toda la energía de las señales en diferentes dominios de tiempo. En el análisis en el dominio del tiempo, los valores propios estadísticos incluyen el valor máximo, el valor mínimo, el valor promedio, el valor cuadrático medio, la varianza de la amplitud de la señal y la energía y potencia de la señal. Las estadísticas de energía de las señales son los parámetros más utilizados. La ecuación para calcular la energía de la señal es.

Donde Xi representa un conjunto de señales de datos discretas muestreadas por el sensor en un tiempo de muestreo específico. En Xij, j representa el punto de tiempo de muestreo del valor del sensor en el mismo punto de tiempo. Los puntos de muestreo totales son m en cada duración de muestreo.

La atenuación de la energía de la señal se denota por Hi, que se define como

donde, \(x_{0}\) y \(E_{0}\) son la amplitud y la energía, respectivamente, de la señal enviada por el generador de señales. Hi puede usarse como un índice para describir el proceso de congelación y descongelación del suelo y es un índice potencial de las propiedades mecánicas del suelo, como la resistencia del suelo.

En estos experimentos se utilizaron dos tipos de suelo, es decir, suelo arcilloso y arena media. Las partículas de suelo arcilloso eran muy finas (diámetros que oscilaban entre 0,005 mm y 0,05 mm) y tenían alta plasticidad y baja permeabilidad. Además, el tamaño de partícula de la arena media estuvo entre 0,35 mm y 0,5 mm, con baja plasticidad y alta permeabilidad.

En cada muestra se insertaron dos sensores cerámicos piezoeléctricos, separados 10 cm, y un termómetro. El contenido de humedad de la muestra de arcilla fue de aproximadamente 30 %, y el contenido de humedad de las muestras de arena media fue de 10 %, 15 % y 20 %. Como se muestra en la Fig. 1b, se insertaron dos tubos de cemento cuadrados con una longitud lateral de sección transversal de 5 cm en la muestra de suelo de prueba. Entre ellos, en ambos lados de cada 9 cm con parches piezoeléctricos PZT, la onda de energía del lanzador de una señal a través de la pila de lanzamiento de la señal tras la muestra de suelo de la pila hasta la recepción, por el indicador de energía de amplificación del amplificador de carga. Finalmente, los datos fueron recolectados por el receptor de señales. Como se muestra en la Fig. 1a, la longitud, el ancho y la altura de la cámara de prueba eran de 30 cm, 20 cm y 40 cm, respectivamente. La onda cuadrada emitida por el transmisor de señal tenía una frecuencia de 1000 Hz y una amplitud de 100 000 mV.

Diagrama esquemático del aparato experimental. (a) Dispositivo de muestra. (b) Disposición del equipo experimental.

Para simular el ambiente de congelación, se utilizó un refrigerador de temperatura controlable para enfriar la muestra. A una temperatura ambiente de 26 °C, se seleccionó suelo arcilloso y arena mediana para utilizar secador de calentamiento eléctrico para secar su humedad original; se usó suelo arcilloso para producir muestras de suelo de prueba con contenidos de humedad del 10 %, 15 %, 20 %, 25 % y 30 %, y se usó arena media para producir muestras de suelo de prueba con contenidos de humedad del 10 %, 15 % y 20%. Se hicieron un total de 8 grupos de muestras de suelo. Los parámetros específicos de la producción de muestras de suelo se muestran en la Tabla 1. Primero, dos pilas de concreto con sensores de cerámica piezoeléctricos se colocan verticalmente en la caja de prueba. Al mismo tiempo, la caja de prueba se llena con muestras de suelo y se compacta, y luego se coloca en el refrigerador, la temperatura de las muestras de suelo se reduce a − 20 °C; Luego, la temperatura del refrigerador se mantiene a -20 °C, el generador de señales transmite continuamente señales al suelo y el receptor recibe señales continuamente. Se realizaron un total de más de ocho grupos de experimentos de operación y se registraron los datos experimentales.

El contenido de humedad de las muestras de arcilla fue 10%, 15%, 20%, 25% y 30%. Cuando la temperatura descendió a 0 °C, los tiempos de prueba fueron de aproximadamente 72 min, 105 min, 120 min, 150 min y 156 min, respectivamente, como se muestra en las Figs. 2 y 3. El contenido de humedad de las muestras de arena media fue del 10 %, 15 % y 20 % respectivamente, y los tiempos de prueba fueron de aproximadamente 75 min, 129 min y 135 min, respectivamente, cuando la temperatura descendió a 0 °C. como se muestra en la Fig. 3. Luego, la temperatura se bajó de 0 °C a -15 °C, y los tiempos de prueba de las cinco muestras de arcilla fueron 186 min, 183 min, 210 min, 210 min y 218 min, respectivamente. , como se muestra en las Figs. 2a y 3. Los tiempos de prueba para las tres muestras de arena media fueron 117 min, 99 min y 105 min, respectivamente, como se muestra en las Figs. 2b y 3. Como se muestra en la Fig. 3, a mayor contenido de humedad inicial de la muestra, mayor cantidad de hielo contenía la muestra correspondiente después de la congelación. Por lo tanto, el tiempo de congelación fue más largo.

Cambio de temperatura de muestras con diferente contenido de humedad. (a) Cambio de temperatura de muestras de arcilla con diferente contenido de humedad; (b) Cambio de temperatura de muestras de arena media con diferente contenido de humedad.

Cambio de temperatura de muestras con el mismo pero diferente contenido de humedad. (a) Dos muestras, cada una con un contenido de humedad del 10%; (b) Dos muestras con un contenido de humedad del 15%; (c) Dos muestras con un contenido de agua de 20% cada una.

Una comparación de las dos muestras diferentes con un contenido de humedad del 10 %, 15 % y 20 % muestra que la velocidad de congelación de las muestras de suelo arenoso medio es más rápida que la de las muestras de suelo arcilloso, como se muestra en la Fig. 3. Arena media las muestras de suelo tienen poros grandes y una fuerte permeabilidad. Por lo tanto, el flujo de agua en el suelo arenoso medio no está sujeto a la acción capilar entre el agua y el suelo. En contraste, el diámetro capilar de la arcilla afecta significativamente el flujo de agua. Para una mayor fluidez del agua, la velocidad de congelación de la muestra de suelo es más rápida25,26.

Para eliminar la interferencia de las fluctuaciones causadas por el campo magnético externo en el estudio experimental, la forma de onda de energía externa se recolecta cuando la pila de lanzamiento no está funcionando, como se muestra en la Fig. 4. En este punto, la muestra de suelo entre las dos pilas fue arcilla con un contenido de humedad del 15% y a una temperatura de 0 °C. La señal recibida por la pila receptora de señales cuando se encendió el generador de señales se muestra en la Fig. 5. Por lo tanto, es evidente que la señal recibida por la pila receptora de señales es de hecho la señal emitida por la pila transmisora ​​de señales.

Diagrama de respuesta de la señal bajo la influencia del ruido ambiental.

Detección de variación de voltaje durante la medición de suelo congelado.

Como se muestra en la Fig. 6a, las amplitudes de la señal de las muestras de arcilla con un contenido inicial de agua del 20 % a cuatro temperaturas diferentes (−0,6 °C, −6 °C, −11 °C y −13,8 °C) son 49,7 mV, 63,13 mV, 129,66 mV y 221,52 mV, respectivamente. Mientras tanto, como se muestra en la Fig. 6b, la muestra de arena media con un contenido inicial de agua del 20 % alcanza una amplitud de 21,23 mV, 62,55 mV, 83,14 mV y 167,32 mV durante la congelación a cuatro temperaturas diferentes (−0,6 °C, − 5,9 °C, − 9,7 °C y − 14,0 °C). Por lo tanto, con una disminución de la temperatura, aumenta la amplitud de la señal recibida por las dos muestras. Simultáneamente, la fuerza del suelo también aumenta y, por lo tanto, el receptor puede recibir más energía de onda de señal. Por lo tanto, la fuerza del suelo se refleja en la amplitud de la señal.

Detección de cambios de voltaje de muestras a diferentes temperaturas. (a) Diagrama de variación de voltaje del sensor de muestras de arcilla a diferentes temperaturas. (b) Diagrama de variación de voltaje del sensor de muestras de arena media a diferentes temperaturas.

A -13,6 °C, las amplitudes de la señal de las cinco muestras de arcilla son 147,58 mV, 199,77 mV, 229,61 mV, 365,41 mV y 446,34 mV, respectivamente, como se muestra en la Fig. 7a. Mientras tanto, las amplitudes de la señal de las tres muestras de arena media a -14 °C son 20,91 mV, 28,34 mV y 50,01 mV, respectivamente, como se muestra en la Fig. 7b. En base a este análisis, la amplitud de la señal recibida por el sensor aumenta con el aumento del contenido inicial de agua de la muestra durante la congelación. Durante la congelación, las partículas de arcilla o arena media se combinan con partículas de hielo para formar una muestra de suelo duro. Con un aumento en el contenido inicial de agua, se forman más partículas de hielo durante el proceso de congelación, que pueden combinarse con más partículas de suelo para formar una muestra de suelo más dura. En este momento, la resistencia mecánica de la muestra de suelo se mejora continuamente. Por lo tanto, la amplitud de la señal de muestra recibida por el sensor cuando la muestra de suelo está congelada se correlaciona positivamente con su contenido de agua.

Detección de cambios de voltaje de las dos muestras con diferente contenido de humedad; (a) Diagrama de variación de voltaje de detección de muestras de arcilla con diferente contenido de humedad; (b) Cambios en el diagrama de voltaje inducido de muestras de arena con diferente contenido de humedad.

A -13,8 °C, cuando el contenido de humedad tanto de la muestra de arcilla como de la muestra de arena media es del 10 %, las amplitudes de señal recibidas por los sensores en las dos muestras son 147,58 mV y 20,91 mV, respectivamente, como se muestra en la Fig. 8 Es evidente a partir de los datos que la amplitud de la señal recibida por la muestra de arcilla es significativamente mayor que la de la muestra de arena media. En el ciclo de congelación-descongelación, las partículas de la muestra de arcilla son más compactas que las de la muestra de arena media y la onda de tensión es más estable en el proceso de transmisión. La amplitud de la señal de la muestra de arcilla es mayor que la de la muestra de arena mediana. Por lo tanto, el valor de amplitud de la señal de la muestra también se correlaciona positivamente con la fuerza de la muestra27.

Forma de onda de energía de diferentes muestras con el mismo contenido de humedad.

Para monitorear el grado de atenuación de la onda de estrés en el proceso de propagación, se calculó el indicador de energía correspondiente al proceso de congelación-descongelación de diferentes suelos; Donde, el indicador de energía se expresa por el valor al cuadrado de la amplitud de la señal en el valor característico estadístico. Con este índice se estudió el tipo de suelo y el contenido de agua inicial, y se analizó la influencia del contenido de agua en los procesos de congelación y descongelación del suelo. Como se muestra en la Fig. 9, durante el proceso de congelación, el indicador de energía del suelo continúa aumentando mientras la temperatura continúa disminuyendo. Esto es consistente con el aumento de la resistencia del suelo congelado cuando la temperatura disminuye. En todo el ensayo del ciclo de congelación-descongelación, la temperatura desciende al valor más bajo, la resistencia de las muestras de arcilla y arena media también alcanza los valores más altos al mismo tiempo, y el indicador de energía alcanza su máximo. Posteriormente, la temperatura del suelo aumenta gradualmente, las partículas de hielo en la muestra se derriten lentamente y el indicador de energía de la onda de señal disminuye, como se muestra en la Fig. 9. Esto muestra que la fuerza de las muestras de suelo disminuye con el aumento de la temperatura. El indicador de energía también aumenta con un aumento en el contenido de agua inicial. Según el análisis, cuando el contenido de humedad inicial de la muestra es mayor, se generan más partículas de hielo en el proceso de congelación del suelo y las partículas de hielo son más densas con las partículas del suelo, lo que aumenta la resistencia de la muestra de suelo. Como se muestra en la Fig. 10, para el mismo contenido inicial de agua, la energía recibida por las muestras de arcilla en el ciclo de congelación-descongelación es mayor que la recibida por las muestras de arena media. Esto indica que las resistencias de las muestras de arcilla son más altas que las de las muestras de arena media en el ciclo de congelación-descongelación. Esto se debe a que, bajo el mismo contenido de agua, la cohesión del suelo de las muestras de arcilla es mayor que la de las muestras de arena media. En consecuencia, las muestras de arcilla tienen una fuerza cohesiva más fuerte, lo que da como resultado un indicador de energía más fuerte y una mayor resistencia. Los resultados experimentales muestran que el indicador de energía utilizado en este experimento puede reflejar con precisión los cambios en las características físicas del suelo durante los ciclos de congelación y descongelación.

Diagrama de indicador de energía de muestras con diferente contenido de humedad. (a) Indicador de energía de muestras de arcilla con diferente contenido de humedad; (b) indicador de energía de muestras de arena con diferente contenido de agua.

Diagrama de indicadores de energía de diferentes muestras con el mismo contenido de agua.

Durante el proceso de congelación y descongelación, las propiedades del suelo se pueden determinar mediante el control de la intensidad de la señal. Con una disminución de la temperatura, el agua del suelo se congela gradualmente y la resistencia del suelo aumenta, reduciendo así la atenuación de energía en el proceso de propagación de ondas de tensión. Este estudio se centra en la determinación de la resistencia del suelo en función de la fuerza de la transferencia de energía. En el ciclo de congelación-descongelación, diferentes contenidos de agua y tamaños de partículas conducen a diferentes microestructuras y propiedades mecánicas. Cuando el contenido inicial de agua de la muestra es el mismo, para partículas de mayor tamaño, la señal de energía recibida por la pila receptora de señales es más fuerte. Cuando el mismo tipo de suelo, con mayor contenido inicial de agua de la muestra, la señal de energía recibida por la pila receptora de señal es más fuerte. En resumen, las cerámicas piezoeléctricas pueden monitorear de manera efectiva las características del suelo congelado en función del índice de energía de la atenuación de la energía de onda de la señal durante la propagación. En combinación con el efecto de monitoreo activo de la cerámica piezoeléctrica, puede usarse más ampliamente en el monitoreo de las características del suelo congelado.

Los datos experimentales utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio se incluyen en el artículo.

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Los autores agradecen el apoyo financiero del Proyecto de Investigación de Ciencia y Tecnología de Educación, Departamento de la Provincia de Jiangxi (Subvención No. GJJ190497), el Proyecto de Investigación para Talentos de Alto Nivel de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Jiangxi (Subvención No. jxncbs19009) y la Proyecto de Ciencia y Tecnología del Departamento Provincial de Vivienda y Desarrollo Urbano-Rural de Gansu (Subvención No. JK2023-26).

Escuela de Ingeniería Civil y Topografía y Cartografía, Universidad de Ciencia y Tecnología de Jiangxi, Ganzhou, 341000, China

Daopei Zhu y Zhongyong Lai

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

Zhangli Wang

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Conceptualización, DZ y ZW; Curación de datos, ZL; Adquisición de fondos, DZ; Investigación, ZL; Metodología, DZ y ZW; Redacción: borrador original, DZ y ZW; Redacción: revisión y edición, ZW

Correspondencia a Zhangli Wang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhu, D., Lai, Z. & Wang, Z. Proceso de congelación y descongelación del suelo entre dos pilas monitoreado por un sensor de cerámica piezoeléctrico. Informe científico 13, 5706 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32929-2

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Recibido: 30 noviembre 2022

Aceptado: 04 abril 2023

Publicado: 07 abril 2023

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

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