Prediction of Hysteresis in the Water Retention Curve for the Fly Ash‐Based Hydrogel‐Amended Soils

• Published in: Irrigation and drainage
• Main Authors: Saha, Abhisekh, Sekharan, Sreedeep, Manna, Uttam
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 13.03.2025
• ISSN: 1531-0353; 1531-0361
• DOI: 10.1002/ird.3098

Climate‐induced drying–wetting cycles have severe impacts on different soil infrastructures and agricultural productivity in semi‐arid regions. Owing to their hydrophilic nature, superabsorbent hydrogels are gaining significant attention for reducing the negative influence of climate change on soil properties. Knowledge of the hysteretic behaviour of the water retention properties of hydrogel‐amended soils is needed to understand their long‐term hydraulic performance. This study examined the drying‐wetting soil–water retention curve (SWRC) of a fly ash‐based hydrogel (FAH) amended with three different textured soils for two consecutive cycles. The leachability of toxic heavy metals from the developed FAH was evaluated via the toxicity characteristics leaching procedure (TCLP). The efficacy of a predictive hysteresis model was investigated for estimating the wetting SWRC of FAH‐amended soils from the measured drying SWRC. The inclusion of FAH particles significantly improved the SWRC of the soils used in the lower suction range ( Ψ < 100 kPa). The hysteresis loop in the SWRC increased with increasing FAH content for both drying and wetting cycles. Moreover, width of the hysteresis loop decreases with the increasing number of cycles due to the degradation of the FAH polymer chain during the soil‐FAH‐pore water interaction. The predictive hysteresis model successfully captured this decrease in the hysteresis loop with increasing drying–wetting cycles for the FAH‐amended soils. Les cycles de séchage‐mouillage induits par le climat exercent des impacts graves sur les différentes infrastructures du sol et sur la productivité agricole dans les régions semi‐arides. En raison de leur nature hydrophile, les hydrogels superabsorbants reçoivent une attention considérable pour réduire l’influence négative du changement climatique sur les propriétés des sols. La connaissance du comportement hystérétique des propriétés de rétention d’eau des sols amendés à l’hydrogel est nécessaire pour comprendre leur rendement hydraulique à long terme. Cette étude a examiné la courbe de rétention d'eau du sol de séchage‐mouillage (SWRC) d’un hydrogel à base de cendres volantes (FAH) modifié avec trois sols de texture différente pendant deux cycles consécutifs. La lixiviabilité des métaux lourds toxiques provenant du FAH mis au point a été évaluée au moyen de la procédure de lixiviation des caractéristiques de toxicité (TCLP). L’efficacité d’un modèle d’hystérésis prédictif a été étudiée pour estimer le SWRC mouillant des sols modifiés par la FAH à partir du SWRC séchage mesuré. L’inclusion de particules FAH a considérablement amélioré la SWRC des sols utilisés dans la plage d’aspiration inférieure (ψ < 100 kPa). La boucle d’hystérésis dans la SWRC a augmenté avec l’augmentation de la teneur en FAH pour les cycles de séchage‐mouillage. De plus, la largeur de la boucle d'hystérésis diminue avec le nombre croissant de cycles en raison de la dégradation de la chaîne des polymères FAH au cours de l’interaction sol‐ FAH‐eau interstitielle. Le modèle d’hystérésis prédictive a réussi à capter cette diminution de la boucle d’hystérésis avec l’augmentation des cycles de séchage‐mouillage pour les sols amendés par la FAH.