Miglioramento del suolo sabbioso attraverso la precipitazione calcittica indotta microbica (MICP) per immersione
Summary
Qui, la tecnologia di precipitazione di calcite microbicamente indotta (MICP) viene presentata per migliorare le proprietà del suolo per immersione.
Abstract
L’obiettivo di questo articolo è quello di sviluppare un metodo di immersione per migliorare i campioni trattati con precipitazioni di calcite microbicamente indotte (MICP). È stato assemblato un reattore a lotti per immergere i campioni di suolo in supporti di cementazione. I mezzi di cementazione possono diffondersi liberamente nei campioni del suolo nel reattore a lotti invece di iniettare i supporti di cementazione. Uno stampo flessibile a contatto completo, uno stampo rigido a contatto completo e uno stampo in mattoni a corone sono stati utilizzati per preparare diversi portacampioni del suolo. Sono state selezionate fibre sintetiche e fibre naturali per rinforzare i campioni di suolo trattati con MICP. È stato misurato il CaCO3 precipitato in diverse aree dei campioni trattati con MICP. I risultati della distribuzione di CaCO3 hanno dimostrato che il CaCO3 precipitato è stato distribuito uniformemente nel campione del suolo con il metodo di immersione.
Introduction
Come tecnologia biologica di miglioramento del suolo, la precipitazione di calcite microbicamente indotta (MICP) è in grado di migliorare le proprietà ingegneristiche del suolo. È stato utilizzato per migliorare la forza, rigidità, e permeabilità del suolo. La tecnica MICP ha guadagnato molta attenzione per il miglioramento del suolo in tutto il mondo1,2,3,4. Le precipitazioni carboniate avvengono naturalmente e possono essere indotte da organismi non patogeni nativi dell’ambiente del suolo5. La reazione biogeochimica MICP è guidata dall’esistenza di batteri ureolitici, urea e una soluzione ricca di calcio5,6. Sporosarcina pasteurii è un enzima uretra altamente attivo che catalizza la rete di reazione verso la precipitazione di calcite7,8. Il processo di idrolisi dell’urea produce ammonio disciolto (NH4)e carbonato inorganico (CO32-). Gli ioni carbonati reagiscono con gli ioni di calcio per precipitare come cristalli di carbonato di calcio. Le reazioni di idrolisi dell’urea sono mostrate qui:
Il CaCO3 precipitato può legare le particelle di sabbia insieme per migliorare le proprietà ingegneristiche del suolo trattato con MICP. La tecnica MICP è stata applicata in varie applicazioni, come il miglioramento della resistenza e della rigidità del suolo, la riparazione del calcestruzzo e la bonifica ambientale9,10,11,12, 13 del sistema , 14 Del sistema , 15.
Il sistema di installazione hasviluppato un metodo di immersione per preparare campioni trattati con MICP. In questo metodo è stato utilizzato uno stampo flessibile a contatto completo in geotessile. Il CaCO3 precipitato distribuito uniformemente in tutti i campioni trattati con MICP. 17 ha sviluppato uno stampo rigido a contatto completo per preparare campioni di fascio trattati con MICP con un metodo di immersione. Il campione trattato con MICP preparato con questo metodo utilizzando uno stampo rigido a contatto completo può formare la forma appropriata del fascio. Il campione trattato con MICP è stato diviso in quattro e il contenuto di CaCO3 è stato misurato. Il contenuto di CaCO3 variava da 8,4 x 1,5% a 9,4 x 1,2% in peso, il che indicava che la CaCO3 si distribuiva uniformemente nei campioni trattati con MICP con il metodo di immersione. Questi campioni trattati con MICP hanno anche ottenuto migliori proprietà meccaniche. Questi biocampioni trattati con MICP hanno raggiunto una resistenza alla flessione di 950 kPa, simile a quella di 20- 25% di campioni trattati con cemento (600- 1300 kPa). Li et al.10 aggiunto casualmente distribuito fibra discreta nel terreno sabbioso e trattato il terreno con il metodo di immersione MICP. Hanno scoperto che la forza di taglio, la duttilità e il ceppo di guasto del suolo trattato con MICP sono stati migliorati ovviamente con l’aggiunta di fibra appropriata.
Il metodo di immersione per MICP è stato continuamente migliorato10,16,17. Questo metodo può essere utilizzato per preparare campioni di suolo trattati con MICP e materiali da costruzione prefabbricati trattati con MICP, come mattoni e travi. Sono state sviluppate diverse dimensioni geometriche dello stampo di preparazione del campione. Le fibre sono state aggiunte nei campioni trattati con MICP per migliorare le loro proprietà. Questo protocollo dettagliato era destinato a documentare i metodi di immersione per il trattamento MICP.
Protocol
Representative Results
Discussion
La tecnica MICP per immersione è stata presentata in questo documento. I campioni di suolo sono stati immersi nel reattore a lotti per essere completamente penetrati dai supporti di cementazione nel processo MICP. In questo metodo, sono stati applicati uno stampo flessibile a contatto completo a contatto completo, uno stampo rigido a contatto completo e uno stampo in mattoni cored per preparare campioni trattati con MICP.
Diversi stampi possono essere progettati per diversi requisiti di geome…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation Grant No. 1531382 e MarTREC.
Materials
| Ammonium Chloride, >99% | Bio-world | 40100196-3 (705033) | |
| Ammonium Sulfate | Bio-world | 30635330-3 | |
| Calcium Chloride Dihydrate, >99% | Bio-world | 40300016-3 (705111) | |
| Nutrient Broth | Bio-world | 30620056-3 | |
| Sodium Bicarbonate, >99% | Bio-world | 41900068-3 (705727) | |
| Sporosarcina pasteurii | American Type Culture Collection | ATCC 11859 | |
| Synthetic fiber | FIBERMESH | Fibermesh 150e3 | |
| Tris-Base, Biotechnology Grade, >99.7% | Bio-world | 42020309-2 (730205) | |
| Urea, USP Grade, >99% | Bio-world | 42100008-2 (705986) | |
| Yeast Extract | Bio-world | 30620096-3 (760095) |
References
- Cheng, L., Shahin, M. A., Mujah, D. Influence of key environmental conditions on microbially induced cementation for soil stabilization. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 143 (1), 04016083-04016091 (2016).
- Whiffin, V. S., van Paassen, L. A., Harkes, M. P. Microbial carbonate precipitation as a soil improvement technique. Geomicrobiology Journal. 24 (5), 417-423 (2007).
- van Paassen, L. A., Ghose, R., van der Linden, T. J., van der Star, W. R., van Loosdrecht, M. C. Quantifying biomediated ground improvement by ureolysis: large-scale biogrout experiment. Journal of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering. 136 (12), 1721-1728 (2010).
- Montoya, B. M., DeJong, J. T. Stress-strain behavior of sands cemented by microbially induced calcite precipitation. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 141 (6), 04015019 (2015).
- DeJong, J. T., Fritzges, M. B., Nüsslein, K. Microbially induced cementation to control sand response to undrained shear. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 132 (11), 1381-1392 (2006).
- Zhao, Q., et al. Factors affecting improvement of engineering properties of MICP-treated soil catalyzed by bacteria and urease. Journal of Materials in Civil Engineering. 26 (12), 04014094 (2014).
- Castanier, S., Le Métayer-Levrel, G., Perthuisot, J. P. Ca-carbonates precipitation and limestone genesis—the microbiogeologist point of view. Sedimentary Geology. 126 (1-4), 9-23 (1999).
- Burne, R. A., Chen, Y. Y. M. Bacterial ureases in infectious diseases. Microbes and Infection. 2 (5), 533-542 (2000).
- Bernardi, D., DeJong, J. T., Montoya, B. M., Martinez, B. C. Bio-bricks: biologically cemented sandstone bricks. Construction and Building Materials. 55, 462-469 (2014).
- Li, M., et al. Influence of fiber addition on mechanical properties of MICP-treated sand. Journal of Materials in Civil Engineering. 28 (4), 04015166 (2015).
- Achal, V., Kawasaki, S. Biogrout: a novel binding material for soil improvement and concrete repair. Frontiers in Microbiology. 7, 314 (2016).
- Al Qabany, A., Soga, K., Santamarina, C. Factors affecting efficiency of microbially induced calcite precipitation. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 138 (8), 992-1001 (2011).
- Lin, H., Suleiman, M. T., Brown, D. G., Kavazanjian, E. Mechanical behavior of sands treated by microbially induced carbonate precipitation. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 142 (2), 04015066 (2015).
- Lauchnor, E. G., Topp, D. M., Parker, A. E., Gerlach, R. Whole cell kinetics of ureolysis by sporosarcina pasteurii. Journal of Applied Microbiology. 118 (6), 1321-1332 (2015).
- Nafisi, A., Montoya, B. M. A new framework for identifying cementation level of MICP-treated sands. IFCEE. , (2018).
- Zhao, Q., Li, L., Li, C., Zhang, H., Amini, F. A full contact flexible mold for preparing samples based on microbial-induced calcite precipitation technology. Geotechnical Testing Journal. 37 (5), 917-921 (2014).
- Bu, C., et al. Development of a Rigid Full-Contact Mold for Preparing Biobeams through Microbial-Induced Calcite Precipitation. Geotechnical Testing Journal. 42 (3), 656-669 (2018).
- Li, M., Wen, K., Li, Y., Zhu, L. Impact of oxygen availability on microbially induced calcite precipitation (MICP) treatment. Geomicrobiology Journal. 35 (1), 15-22 (2018).
- Martinez, B. C., et al. Experimental optimization of microbial-induced carbonate precipitation for soil improvement. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 139 (4), 587-598 (2013).
